基于PLC控制的水塔供水系统设计

刘杰 LIU Jie

（重庆文理学院总务处，重庆 402160）

（General Affairs Office，Chongqing University of Arts and Sciences，Chongqing 402160，China）

0 引言

目前，国内大部分城市供水系统仍采用较为传统的水塔或高位水箱以及气压供水方式。传统的供水方式存在着许多缺陷，特别是多台水泵供水系统尤为严重。因此，采用PLC控制的新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济系统的这些优越性，都引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制方向发展。追求高度智能化、系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发智能楼宇、网络供水调度和体规划要求的必然趋势。

1 水塔供水系统的原理分析及装置

传统的水塔自动供水系统一般都是用水泵从水池向水塔中供水，本文设置了三台电机，其中电机1和电机2在正常情况下均投入使用，电机三作为备用电机。当电机1或者2出现故障时备用电机3启动投入使用。

考虑到各设备使用的安全性可靠性等重要原则，在系统中应满足以下要求：

①水塔水位变化范围为2.2m，以满足小区内居民的对水量的需求。②根据统计，在用水高峰期时，每户居民一天用水量大约24升，水塔高40m，故算出电动机功率需要40kW，考虑到要留有裕量，故选用两台22kW电机。因此，电动机功率较大，为减小启动电流对电网的冲击影响，电动机采用星-三角形降压启动方式，并错开启动时间，间隔时间5s。③在自动控制状态下如果电机1和电机2出现故障，电机自动3投入使用，若电机三也出现故障，系统停止运行，以保护系统。④每台电机都有运行指示灯。⑤按下启动按钮后，系统自动首先检测水池、水塔水位，水位均达到要求（水塔水位低于最高限位，水池水位高于最低限位），电机才可启动。

2 主电路

如图1所示，M1、M2、M3均为电机，并采用星-三角接法。JL表示JL-200电动机智能保护器（每台电机各一台），以起到保护电动机和检测电动机是否故障的作用。KM1、KM3、KM5分别是三台电动机的Y启动方式的接触器，KM2、KM4、KM6控制三台电机的三角形启动方式接触器。KM7、KM8、KM9分别为三台电动机主干线上的接触器，以控制三台电动机是否允许得电。

图1 传统水塔供水系统主电路电气原理图

2.1 水塔供水系统使用的电器元件及部分器件说明本论文设计的水塔供水系统所用到的电器元件及设备如表1所示。

2.2 JL-200系列电机保护器 JL-200系列电机保护器以微电脑控制器（MCU）为核心元件，通过高精度CT检测电流，电机保护器具有自动线性修正功能，在宽电流范围内仍具有较高的测量精度。该产品在过载保护、短路保护、堵转保护、欠载保护、缺相保护、三相电流不平衡保护、过压保护、欠压保护、相序保护等方面具有可靠的保护作用；并可实现报警和事件记录。而且还具有性价比高、功能齐全、工作稳定可靠、精度高、保护动作准确、安装、参数设定简单方便等特点。可广泛适用于机械、冶金、建材、化工、纺织行业等工业三相电动机及其它电器的保护与监测。当电机出现故障时其对应的控制电路中的常闭触点断开，常开触点闭合。若是用可编程控制器控制的系统，则会给可编程控制器一个高频信号。

表1

2.3 PTH601投入式液位传感器 PTH601投入式液位传感器采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体,全不锈钢结构,主要适用于河流、地下水位、水库、水塔及容器等的液位测量与控制。此类传感器通常也称为：投入式液位传感器、投入式液位变送器、液位传感器、液位变送器、地下水位传感器、地下水位变送器。

3 基于PLC水塔供水电气控制系统硬件部分的设计

此次水塔供水电气控制系统的设计方案主要包括两个部分，其一为电气控制系统的硬件设计，主要包括PLC的机型的确定和元器件的选型；其二是电气控制系统的软件设计，主要就是PLC控制程序的编写。

3.1 PLC的基本结构以及工作方式 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。

3.1.1 中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态。

3.1.2 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

PLC常用的存储器类型：

①RAM（Random Assess Memory）。这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。

②EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。

③EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

3.1.3 输入/输出模块 输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。现场的输入信号，如按钮开、，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。

3.1.4 扩展模块 当一个PLC中心单元的1/0点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，各可编程控制器制造厂家已经开发出一系列的智能接口模块，使可编程控制器的功能更加强大和完善。智能1/0接口模块种类很多，例如高速技术模块、PLCA控制模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以及智能1/0模块等。

3.1.5 编程器 它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。目前编程器主要有以下三种类型:便携式编程器(也叫简易编程器)，图形编程器及其兼容机的编程器。

3.1.6 电源 PLC中的电源一般有三类：

①+5V、±15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用；

②供输出接口使用的高压大电流的功率电源；

③锂电池及其充电电源。

考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。

3.2 PLC的工作方式 PLC大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行。一个完的期可分为三个阶段：

①输入采样阶段。程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器。

②用户程序执行阶段。所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。

③输出刷新阶段。将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。

3.3 PLC的I/O分配及选型 PLC在本设计中起到很重要的作用，因此PLC的选型也至关重要。而选用PLC的型号最关键还是要看系统的输入输出点的多少。

3.4 PLC的I/O电气接线图的设计 根据PLC的I/O分配，制定气接线图如图2所示。

其中输入点 X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7 共接一 COM端，并使用 24v 直流电源。输出口 Y0，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y10，Y11，Y12，Y14，Y15，Y16 和 Y13 是接触器线圈与电磁阀对应线圈DT1的输出口，共接一个COM2端，而表示几个信号灯的输出口共接另一个COM1端。

4 水塔供水电气控制系统软件部分的设计

PLC的软件部分设计主要是程序的编写，包括启动程序、电动机1、2的启动程序，故障备用电机3的启动程序、电磁阀开启向水池供水程序等几个部分。因为所选PLC为三菱FX0N系列的，故采用Windows环境下运行的GX Developer的编程软件来编程设计，用可编程控制器仿真装置来进行模拟调试。

图2 4PLC的I/O接线图

4.1 PLC梯形图程序的优化设计及程序调试

图3

4.2 系统启动程序 其中X001为启动输入接口，连接SB1；X002为停车输入口，连接SB2。当启动按钮按下，M11得电，完成自锁，系统开始运行。当按下停车系统断电停止运行。

图4

4.3 电动机1的启动控制程序 X003、X004分别是水塔和水池中液位传感器的输入点，在理想状态下时X003处于闭合状态，X004得电也会处于闭合状态，电机1主干线的此时控制电机1Y启动的接触器M1得电，电机开始Y启动。经定时器T1的5s延时以后。M2得电，电机换接到三角启动方式。

4.4 电动机2的启动控制程序 当M2通电以后，定时器T2得电开始计时，5s以后M3得电，电动机2开始Y启动，再经T3的5s延时以后，电机开始换接到三角启动。

图5

4.5 备用电机3的启动控制程序 当电机1或者电机2出现故障时，会使控制电机3的主干线上的接触器M9得电，然后电机3开始Y-三角切换启动。

图6

5 程序的仿真调试以及结果说明

采用Windows环境下运行的GX Developer的编程软件来来进行模拟调试。当X或Y变黄色时，表示其正在工作。

5.1 水池水位未达到要求仿真 当按下X1时（X1在实际中是开关按钮，在按下后会自动弹起，需要对其自锁，为模拟实际情况，在按下X1后迅速断开使其失电），系统便开始运行，Y7得电表示电源启动指示灯亮起。此时水池水位若低于最低限位，X4便不会得电，电磁阀对应输出口Y13得电，电磁阀常开闭合，正向水池供水，而其对应的指示灯Y6亮起。

5.2 水塔水池水位达到要求仿真结果 若水池水位达到要求，即X4处于高电平，此时Y7得电，说明电源启动指示灯亮起。而电机1、2均开始延时换接启动，Y14、Y15得电说明电机1和电机2的主干线上的接触器KM7、KM8通电，Y1、Y3得电表示与电机 1、2对应的接触器线圈KM2、KM4得电正在以三角接法运行。Y10、Y11得电表示电机1、2对应的指示灯亮起，表示运行正常。

5.3 正常情况启动仿真 ①电机1Y启动后（Y0）延时5s进行三角启动(Y1)。②经5s延时后电机2Y启动（Y2），再经5s延时三角启动（Y3）。

5.4 电机1故障启动仿真 当电机1出现故障时，电机1的保护器（X5）便会发出信号，电机1停止工作，而备用电机电机3便会开始换接启动（Y4-Y5）。

6 结语

本课题研究了基于PLC的水塔供水系统设计，通过对系统控制要求的分析，系统原理图的绘制，PLC程序的编写等方面基本完成了设计任务。能够供应一般小区供水需求，且配备的备用电机在电机出现故障时可以投入使用。采用PLC进行控制，系统抗干扰能力强，稳定性好。但由于时间精力有限，还有许多功能有待扩展、完善。比如本设计只设计了两台电机正常使用，一台备用，若是需要三台或者更多台电机同时投入使用该如何解决。这类问题待今后进一步研究开发。

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