水箱进水智能控制系统设计

孙晓 ，肖腾 ，杨帆 ，谢知航

（1.湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412007；2.湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲412007）

0 引言

随着工业发展和生活水平的提高，人们对供水品质提出了更高的要求，传统的供水方式不能满足安全可靠的供水要求，从而促使而水箱供水系统向智能化控制方向发展，且有助于水务行业智慧化的建设[1-2]。传统的箱式变频加压设备在水箱补水过程中，因自由出流而造成市政管网压降和水资源浪费的问题。特别是未采用双水源、环形管网的，且市政直供用户、加压用户共一根进水管的小区，一旦水箱自动补水，直接导致小区内部分市政直供用户出现无水可用的现象，对城市居民的生产生活造成了很大影响。因此如何实现供水水箱进水智能化控制和报警机制一直是水务行业研究的重点。针对水箱自由出流而造成市政管网压降的问题，本文设计了水箱进水智能控制系统，采用多种传感器实时采集数据和PLC（programmable logic controller）结合实现对水箱分时错分补水的智能控制方式，在广泛推广使用后，在一定程度上稳定市政管网压力，降低管网压力波动范围，减少水厂机组的频繁调配，降低能耗以及市政管网爆管的机率；同时还可以在一定程度上解决同一管网上市政直供用户、管网末梢用户，在用水高峰时、几个水箱同时进水时无水可用、水压过低的难题，降低类似客户投诉率，减少维修人员的出警率，节约人工成本，提高服务质量及客户的满意度，保证居民优质安全用水[3-4]。

图1 水箱进水智能控制装置结构原理图Fig.1 Schematic diagram of the water tank water inlet intelligent control device

1 控制系统设计

1.1 装置结构组成

控制装置由压力变送器、超声波传感器、漏水传感器、电动球阀、水箱、分水器、集水器、积水容器、报警装置、连通器和PLC控制箱组成。压力变送器用于采集分支管网水压，并将采集的数据传输给PLC；超声波传感器监测水箱水位高度和水位变化速度，将采集的数据实时发送给控制器；电动球阀安装在水箱进水管、用户直通管和水箱出水管上，根据管径的不同选用对应尺寸的电动球阀，对应电动球阀的编号分别为A、B、C、D和E；水箱液位高度设定为5个等级，由低到高分别为低水位a、注水水位b、中水位c、停止注水水位d和上限水位e；报警装置由3部分组成，分别是水箱水位达到报警水位e处时，报警装置1发出声光报警信号，当漏水传感器检测信号时，报警装置2发出声光报警信号，当压力变送器采集压力值小于0.02 MPa时，报警装置3发出声光报警信号；连通器的主要作用是方便人工巡检和故障排查。水箱进水智能控制装置结构如图1所示。

其中压力变送器、超声波传感器、漏水传感器作为控制器的信号输入装置，采用RS485有线通信方式；电动球阀作为PLC的信号输出执行装置，也采用RS485有线通信方式[5]。根据采集的压力值、液位高度、水位变化速度和预先在PLC中设定的时段，控制器控制电动球阀的开关状态，调节水箱进水速度并且稳定管网压力，达到智能调节水箱水位高度的目的；报警装置安装在监控室，当水位异常时报警装置立即启动。PLC控制柜内部结构图如图2所示。

图2 PLC控制柜内部结构图Fig.2 Internal structure of the PLC control cabinet

1.2 控制系统的工作原理

水箱进水智能控制系统工作主要过程分为4个部分，即数据采集、数据分析、判断输出和目标执行，其中传感器对数据采集，控制器作数据分析和判断输出，电动球阀实施目标控制。PLC接线部分端子图如图3所示。

（1）程序开始时，PLC首先判断输入信号是否满足当前水位H1=d、管网水压P＞0.24 MPa、昨日最低水位H2≤b的条件，若条件满足，开电动球阀D经直通管向用户供水。若条件不满足，执行接下来的步骤，超声波传感器将采集的当前液位数据传输给PLC控制器，PLC控制器判断当前液位数据的范围，然后PLC自行判断当前所处时段，紧接着压力传感器将采集的管网水压数据传输给PLC控制器，PLC控制器判断管网水压数据的范围，最后PLC控制器根据输入信号，输出信号给电动球阀控制各个电动球阀的开关状态，从而改变水箱进水量。

（2）PLC对如下条件依次判断：即水箱水位高度、用水时段、管网水压和水位下降速度。水箱水位高于补水水位b处时，不对水箱补水；水箱水位达到补水水位b处时，PLC对用水时段进行判断，用水时段分为高峰时段和闲时时段，高峰时段为每天 6：00-8:00、11：00-13:00、17：00-19:00、21：00-23:00，其他时段为闲时时段，通过控制电动浮球阀使水箱补水时间主要集中在闲时时段。

（3）PLC判断用水时段为高峰时段时，PLC通过压力变送器输送的信号判断压力值范围，当压力值P≤0.12 MPa时，电动球阀A、B、C、D均关闭，声光报警3发出报警信号；当压力值0.12 MPa＜P≤0.2 MPa时，PLC发出控制信号只打开电动球阀B向水箱注水；当压力值0.2 MPa＜P时，PLC发出控制信号关闭电动球阀B、打开电动球阀C向水箱注水；当水位下降至低水位a处时，进入紧急补水状态，PLC发出控制信号打开电动球阀A、B、C同时向水箱注水；当水位达到上限水位d时，PLC发出控制信号关闭电动球阀停止向水箱注水。PLC判断时段为闲时时段时，PLC通过压力变送器输送信号判断压力值范围，当压力值P≤0.12 MPa时，电动球阀A、B、C、D均关闭，声光报警3发出报警信号；当压力值0.12 MPa＜P≤0.2 MPa时，超声波传感器检测水箱水位下降速度v≤0.2 m/s，只开电动球阀A向水箱注水，超声波传感器检测水箱水位下降速度0.2 m/s＜v≤0.4 m/s，只开电动球阀B向水箱注水，超声波传感器检测水箱水位下降速度v＜0.4 m/s，只开电动球阀C向水箱注水，当水位下降至低水位a处时，进入紧急补水状态，PLC发出信号打开电动球阀A、B、C均打开向水箱补水；当压力值0.12 MPa＜P≤0.24 MPa时，超声波传感器检测水箱水位下降速度v≤0.2 m/s，只开电动球阀B向水箱注水，超声波传感器检测水箱水位下降速度0.2 m/s＜v≤0.4 m/s，开电动球阀A、B向水箱注水，超声波传感器检测水箱水位下降速度v＜0.4 m/s，开电动球阀B、C向水箱注水，当水位下降至低水位a处时，进入紧急补水状态，PLC发出控制信号打开电动球阀A、B、C同时向水箱注水。在注水过程中，当水箱水位达到停止注水水位d处时，电动球阀A、B、C均关闭。

（4）水箱水位达到报警水位e处时，报警装置1发出声光报警信号；漏水传感器检测信号时，报警装置2发出声光报警信号；压力变送器采集压力值小于0.02 MPa时，报警装置3发出声光报警信号。水箱检漏实物图如图4所示。

图3 PLC接线部分端子图Fig.3 PLC wiring part terminal diagram

图4 水箱检漏实物图Fig.4 Water tank leak detection physical map

2 水箱进水装置PLC智能控制系统的设计

2.1 硬件配置和I/O表分配

根据水箱智能控制装置的实际输入/输出点数，从水箱智能控制装置的要求、实际需求和经济性考虑，结合三菱FX2N系列PLC特点，本文选用FX2N系列FX3U-32MR的PLC,为水箱的智能控制提供了很大的灵活性和稳定的控制要求，对PLC的I/O地址进行分配[6]，如表1所示。

表1 I/O地址分配表Table 1 I/O address allocation table

图6 控制流程图Fig.6 Control flow chart

表2 I/O继电器对照表Table 2 I / O relay comparison table

由表1、表2可以看出，本文将启动、停止和传感器输入信号作为输入信号，将智能控制系统的电动球阀和报警装置作为输出信号。PLC控制器根据输入信号和已设定的时段控制电动阀的开关状态，调节水箱的进水速度，实现错峰补水和保证管网压力稳定。

2.2 控制系统的梯形图

常用的PLC编程语言有3种：梯形图编程语言、功能块图编程语言和顺序功能图编程语言。其中，梯形图编程语言使用最为广泛。梯形图使用继电器控制电路的方式，提高了编程人员的可操作性，也可以说成是，梯形图编程语言是由电气控制系统中常用的继电器、接触器等逻辑控制原件的基础上简化符号后演变而来的。它直观、形象、实用，电气技术人员容易理解和接受，是目前最常用的一种PLC编程语言，下面给出部分梯形图如图5所示[7]。

图5 部分梯形图Fig.5 Partial ladder diagram

2.3 智能控制系统流程图

三菱PLC具有性能稳定、操作简单、指令丰富和环境优良等特点，编程人员可以根据个人习惯选用不同的方式进行编程，提高了编程效率和降低了错误率。本文采用了梯形图（ladder diagram,LD）编程，编程软件为GX Works2[8-9]。先使用计算软件机编程，再进行调试，最后将调试好的程序下载至PLC中现场调试，现场调试完成后水箱智能控制设备方可投入使用。控制流程图如图6所示。

3 结语

本文根据所在城市不同区域、不同时段的用水特点，设计了“传感器-PLC-执行机构”组成的经典机电一体化控制系统，即水箱进水智能控制系统，选用三菱FX3U-32MR作为控制器。系统通过压力-流量控制和分时错峰补水的方式，智能调节水箱的进水量和进水时间，通过RS-485通讯，实现中控和水厂的远程监控功能。在发生故障时，工作人员能够第一时间接收到报警信号并查找问题的原因。尽量避免在用水高峰时期对水箱补水对管网压力造成影响，在用水低峰时期对水箱进行补水。避免了管网压力不稳定的情况，因水箱在补水过程中自由出流而造成的水资源浪费，保证了城市生产生活的安全可靠、高效经济用水的智慧水务建设的目标。