基于液位的自动供水系统设计

张正勇

（91999部队，山东青岛 266071）

0 引言

供水系统在各行各业都起着至关重要的作用，如何保证供水系统的安全、经济、可靠、稳定地运行是很多行业都关注的问题[1-2]。在供水系统工作过程中，保障供水管的末端压力和供水始端的压力正常尤其重要。通常，供水系统全天各时段用水量变化较大，如果不及时对供水水量及供水压力进行调节，会使整个供水管网的压力处在波动状态，严重的还会引起管网失压或爆管事故，恶化供水质量[3-4]。传统的供水系统是利用高处的储水罐，不但增加了水泵的扬程，而且使用传统的电器控制设备启动频繁、电流和水压冲击严重及设备维修量大，附加设备多，浪费资源，最终还影响供水质量，供水成本高，不容易控制供水的压力，需人工对出口阀进行操作[5-7]。随着新技术、新理论的不断发展，新型控制技术逐渐应用到供水系统[8-11]。

当前某单位蓄水池采用时间控制的供水模式，设定每日2个时间段工作，且不同季节用水量不同需设置不同的供水时间，大大增加了运行维护工作量。若供水时间设定过长，则易出现水溢现象，造成大量的水资源、电能浪费；若供水时间设定过短，则易出现缺水问题，需设为手动模式进行供水，增加了一定的劳动量。此外，该单位水井水源为地下水，受环境影响较大，采用固定时间供水的模式显然不符合潮汐的规律。为此，本文综合考虑单位现有单泵供水存在可靠性低、传统供水造成的水资源利用的不合理以及供水井的潮汐现象等实际，提出了一种基于液位的自动供水系统改进方案，该方案以西门子PLC为控制核心，具有自动化程度高、安装调试及维护方便、供水可靠性强、水资源利用率高等优点。

1 系统设计

基于液位的自动供水系统主要由系统硬件和软件组成，硬件以西门子PLC CPU224为控制核心，并配置EM235扩展模块，其控制系统结构设计如图1所示。该系统是由控制器、信号指示灯、压力传感器、电磁阀、液位计等组成的闭环控制系统，其工作原理如图2所示。扩展模块将采集到的液位信号传输至PLC控制器，并与设定的液位值进行比较。当液位计检测到液位低于设定下限值时，满足管路压力正常条件后，电磁阀打开，抽水泵启动；当液位计检测到1号楼水池液位高于设定上限值时，1号电磁开关阀关闭，当液位计检测到2号楼水池液位仍低于设定上限值时，水泵继续供水，直到2号楼水池液位高于设定上限值，2号电磁开关阀关闭，水泵停止供水；反之亦然。

图1 控制系统结构图

图2 工作原理图

2 硬件选型及软件设计

2.1 硬件选型

PLC控制器是供水系统关键组成部分，其种类繁多，功能也因厂家不同而不同。本文选用西门子S7-200PLC CPU224作为控制器，该模块具有支持6路高速数字量输入和两路高速数字量输出，主要用以实现信号甄别、定值处理、输出信号以及控制执行机构；模拟量输入扩展模块为EM235型，该模块含有12位A/D转化器，适用于多种输入输出范围，不用添加放大器即可直接与传感器、执行器相连，主要负责采集液位及压力信号；开关电源为输入110/220 VAC，输出24 VDC；液位测量选用联测投入式液位变送器，输出信号4～20 mA，量程0～1 m，供电电源24 VDC；压力测量选用美控压力变送器，输出信号4～20 mA，量程0～0.6 MPa，供电电源24 VDC；电磁阀选用德力西型可长时间工作电磁阀，供电电源220 VAC。

2.2 电路设计

图3 电路原理图

根据单位现有实际资源，在满足稳定性的基础上，考虑实际可能出现的多种情况，分别设计手动、时控、自动模式，增强系统的可靠性，其电路设计如图3所示。当线路设定为自动供水模式时，系统将根据液位传感器采集信号与PLC控制器内设定的上下极限值进行比较后完成自动供水。若液位处于设定的上下极限值之间，且单位此时需大量用水，可将系统由自动模式切换为手动模式，以确保能够实现连续供水。同时，考虑在自动供水系统处于维护调试或液位传感器出现故障时，则可将系统切换为时控模式，以避免单位用水受到影响。基于以上3种模式，从而有效保障了单位用水，系统的可靠性大大提高。

2.3 软件设计

PLC控制过程包括采集信号输入、扫描运算和输出执行3个部分。控制器CPU依次读取I/O输入接口单元的状态，经过扫描运算后，更新PLC锁存电路，再由输出电路驱动外部执行机构，从而实现了系统的整个控制过程。

本文的控制系统程序采用模块化编程，基于S7-200编程软件STEP 7-Micro WIN完成设计，根据功能、控制对象的不同，系统分为液位检测模块、压力检测模块、运算模块、故障识别处理模块、停机模块。各功能模块在设计之前需确认接口变量的数量及类型，在此基础上根据功能需求进行程序的设计及编译，程序设计流程图如图4所示。系统自检包括检测模块I/O端口是否正常以及是否处于故障报警状态。初始化程序包括对全局变量地址配置、各参数定义进行初始化。待完成初始化运行后，系统根据设定的指令进行对应功能的控制。

图4 程序流程图

3 应用效果

以西门子PLC控制器为核心的蓄水池自动供水系统克服了传统供水方式的可靠性差、自动化水平低、水资源利用不合理等诸多缺点，实现了全天候不间断自动供水，在保证单位人员正常用水的基础上实现了高效、节能、可靠供水，从而取得了良好的应用效果。在硬件设备改造升级方面，基于液位的自动供水系统无需新建水池，投资少、节能效果显著、改造方便。在系统稳定性方面，采用自动、时控、手动3种模式控制，且互不影响、互为补充，大大增强了系统运行的可靠性。

4 结束语

本文主要针对单位现有单泵供水系统存在可靠性低、时控模式下水资源利用不合理、维护保养不方便等问题提出了一种基于液位的水池自动系统的改进方案。该方案以西门子PLC控制器为核心，充分利用先进传感器的优势，设计了采集信号到输出控制的闭环系统，实现了日常供水的自动化控制，进一步提高了供水的稳定性，有效降低了供水能耗，节资、节能效果显著，同时满足了单位人员的用水需求。可为其他单位的供水系统的改造提供一定的参考价值。