張正勇

（91999部隊，山東青島 266071）

0 引言

供水系統(tǒng)在各行各業(yè)都起著至關(guān)重要的作用，如何保證供水系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟、可靠、穩(wěn)定地運行是很多行業(yè)都關(guān)注的問題[1-2]。在供水系統(tǒng)工作過程中，保障供水管的末端壓力和供水始端的壓力正常尤其重要。通常，供水系統(tǒng)全天各時段用水量變化較大，如果不及時對供水水量及供水壓力進行調(diào)節(jié)，會使整個供水管網(wǎng)的壓力處在波動狀態(tài)，嚴重的還會引起管網(wǎng)失壓或爆管事故，惡化供水質(zhì)量[3-4]。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)是利用高處的儲水罐，不但增加了水泵的揚程，而且使用傳統(tǒng)的電器控制設(shè)備啟動頻繁、電流和水壓沖擊嚴重及設(shè)備維修量大，附加設(shè)備多，浪費資源，最終還影響供水質(zhì)量，供水成本高，不容易控制供水的壓力，需人工對出口閥進行操作[5-7]。隨著新技術(shù)、新理論的不斷發(fā)展，新型控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到供水系統(tǒng)[8-11]。

當前某單位蓄水池采用時間控制的供水模式，設(shè)定每日2個時間段工作，且不同季節(jié)用水量不同需設(shè)置不同的供水時間，大大增加了運行維護工作量。若供水時間設(shè)定過長，則易出現(xiàn)水溢現(xiàn)象，造成大量的水資源、電能浪費；若供水時間設(shè)定過短，則易出現(xiàn)缺水問題，需設(shè)為手動模式進行供水，增加了一定的勞動量。此外，該單位水井水源為地下水，受環(huán)境影響較大，采用固定時間供水的模式顯然不符合潮汐的規(guī)律。為此，本文綜合考慮單位現(xiàn)有單泵供水存在可靠性低、傳統(tǒng)供水造成的水資源利用的不合理以及供水井的潮汐現(xiàn)象等實際，提出了一種基于液位的自動供水系統(tǒng)改進方案，該方案以西門子PLC為控制核心，具有自動化程度高、安裝調(diào)試及維護方便、供水可靠性強、水資源利用率高等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于液位的自動供水系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件和軟件組成，硬件以西門子PLC CPU224為控制核心，并配置EM235擴展模塊，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。該系統(tǒng)是由控制器、信號指示燈、壓力傳感器、電磁閥、液位計等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其工作原理如圖2所示。擴展模塊將采集到的液位信號傳輸至PLC控制器，并與設(shè)定的液位值進行比較。當液位計檢測到液位低于設(shè)定下限值時，滿足管路壓力正常條件后，電磁閥打開，抽水泵啟動；當液位計檢測到1號樓水池液位高于設(shè)定上限值時，1號電磁開關(guān)閥關(guān)閉，當液位計檢測到2號樓水池液位仍低于設(shè)定上限值時，水泵繼續(xù)供水，直到2號樓水池液位高于設(shè)定上限值，2號電磁開關(guān)閥關(guān)閉，水泵停止供水；反之亦然。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 工作原理圖

2 硬件選型及軟件設(shè)計

2.1 硬件選型

PLC控制器是供水系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，其種類繁多，功能也因廠家不同而不同。本文選用西門子S7-200PLC CPU224作為控制器，該模塊具有支持6路高速數(shù)字量輸入和兩路高速數(shù)字量輸出，主要用以實現(xiàn)信號甄別、定值處理、輸出信號以及控制執(zhí)行機構(gòu)；模擬量輸入擴展模塊為EM235型，該模塊含有12位A/D轉(zhuǎn)化器，適用于多種輸入輸出范圍，不用添加放大器即可直接與傳感器、執(zhí)行器相連，主要負責采集液位及壓力信號；開關(guān)電源為輸入110/220 VAC，輸出24 VDC；液位測量選用聯(lián)測投入式液位變送器，輸出信號4～20 mA，量程0～1 m，供電電源24 VDC；壓力測量選用美控壓力變送器，輸出信號4～20 mA，量程0～0.6 MPa，供電電源24 VDC；電磁閥選用德力西型可長時間工作電磁閥，供電電源220 VAC。

2.2 電路設(shè)計

圖3 電路原理圖

根據(jù)單位現(xiàn)有實際資源，在滿足穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，考慮實際可能出現(xiàn)的多種情況，分別設(shè)計手動、時控、自動模式，增強系統(tǒng)的可靠性，其電路設(shè)計如圖3所示。當線路設(shè)定為自動供水模式時，系統(tǒng)將根據(jù)液位傳感器采集信號與PLC控制器內(nèi)設(shè)定的上下極限值進行比較后完成自動供水。若液位處于設(shè)定的上下極限值之間，且單位此時需大量用水，可將系統(tǒng)由自動模式切換為手動模式，以確保能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)供水。同時，考慮在自動供水系統(tǒng)處于維護調(diào)試或液位傳感器出現(xiàn)故障時，則可將系統(tǒng)切換為時控模式，以避免單位用水受到影響。基于以上3種模式，從而有效保障了單位用水，系統(tǒng)的可靠性大大提高。

2.3 軟件設(shè)計

PLC控制過程包括采集信號輸入、掃描運算和輸出執(zhí)行3個部分?？刂破鰿PU依次讀取I/O輸入接口單元的狀態(tài)，經(jīng)過掃描運算后，更新PLC鎖存電路，再由輸出電路驅(qū)動外部執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的整個控制過程。

本文的控制系統(tǒng)程序采用模塊化編程，基于S7-200編程軟件STEP 7-Micro WIN完成設(shè)計，根據(jù)功能、控制對象的不同，系統(tǒng)分為液位檢測模塊、壓力檢測模塊、運算模塊、故障識別處理模塊、停機模塊。各功能模塊在設(shè)計之前需確認接口變量的數(shù)量及類型，在此基礎(chǔ)上根據(jù)功能需求進行程序的設(shè)計及編譯，程序設(shè)計流程圖如圖4所示。系統(tǒng)自檢包括檢測模塊I/O端口是否正常以及是否處于故障報警狀態(tài)。初始化程序包括對全局變量地址配置、各參數(shù)定義進行初始化。待完成初始化運行后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的指令進行對應(yīng)功能的控制。

圖4 程序流程圖

3 應(yīng)用效果

以西門子PLC控制器為核心的蓄水池自動供水系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)供水方式的可靠性差、自動化水平低、水資源利用不合理等諸多缺點，實現(xiàn)了全天候不間斷自動供水，在保證單位人員正常用水的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了高效、節(jié)能、可靠供水，從而取得了良好的應(yīng)用效果。在硬件設(shè)備改造升級方面，基于液位的自動供水系統(tǒng)無需新建水池，投資少、節(jié)能效果顯著、改造方便。在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，采用自動、時控、手動3種模式控制，且互不影響、互為補充，大大增強了系統(tǒng)運行的可靠性。

4 結(jié)束語

本文主要針對單位現(xiàn)有單泵供水系統(tǒng)存在可靠性低、時控模式下水資源利用不合理、維護保養(yǎng)不方便等問題提出了一種基于液位的水池自動系統(tǒng)的改進方案。該方案以西門子PLC控制器為核心，充分利用先進傳感器的優(yōu)勢，設(shè)計了采集信號到輸出控制的閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了日常供水的自動化控制，進一步提高了供水的穩(wěn)定性，有效降低了供水能耗，節(jié)資、節(jié)能效果顯著，同時滿足了單位人員的用水需求?？蔀槠渌麊挝坏墓┧到y(tǒng)的改造提供一定的參考價值。