基于三菱PLC的农村智能供水控制系统的设计

中国西部地区水资源匮乏，尤其在广大农村地区，农田灌溉及日常饮用水控制设备简单原始，多采用泵站有人值守的供水方式，供水不稳定、质量低，且饮水存在安全隐患。为了经济发展和社会文明进步的长远目标，多年来国家一直大力发展农村饮水工程，农村供水安全和供水工程成为新农村建设的重要基础设施，供水方式也逐渐由原始、单一、分散的模式向现代化、多样化、集中化、规模化的模式转变。然而，由于中国西部村镇的专项管理资金短缺，往往无法安排专人值班，供水设施管理不到位的情况时有发生，加上农村供水设施缺乏专业技术人员维护维修，导致损毁老化、设备故障、维修困难等情况的发生，这种实际情况导致农村供水不正常，用水困难，严重影响群众的正常生活，群众“吃水难”、设备“维修难”的矛盾无法改善。

为了提高水泵供水的稳定性和供水质量，设计了2台水泵自动供水、相互备用切换的自动控制系统，并采用三菱FX型PLC为核心控制元件，实现了农村供水泵房的自动控制和供水系统的无人值守，解决了潜水泵在启动和运行时突然发生停机，导致管道松动或破裂、电机损毁、群众用水中断等问题，提高供水的稳定性和设备的使用寿命。

1 系统总体设计

系统由水位监测、PLC、报警系统、2台水泵组成，可实现水塔水池内水位的自动检测和水泵的自动控制。系统有4种工作模式：自动模式、手动模式、备用自投模式和停机模式。4种模式可以由用户自由选择使用。PLC通过设置在水塔水池内的电极监测水位，当水位低于设定值时2台水泵按照一定的方式自动抽水，当水位高于设定值时水泵自动停止工作并报警，PLC可以根据水位的高低实现某单台水泵工作或2台水泵备用自投工作。系统可以保持农村水塔水池内蓄水量充足，保证稳定供水和无人值守。系统框架如图1所示。

系统根据农村供水塔的实际使用要求，设计了如下功能：

1）2台水泵各自具有自动/手动/备用自投/停机4种工作模式，由万能转换开关SA1、SA2对各自控制的水泵进行切换。

2）手动工作模式在系统出现故障或维修调试时使用，是备用状态，2台水泵在手动工作模式下各自通过SB1、SB3（启动按钮）和SB2、SB4（停止按钮）对其进行手动、停止控制。

3）在自动工作模式下2台水泵可各自独立自动运行，也可进入自动备投模式联机运行，系统检测到低水位时自动启动水泵，高水位时自动停止。

4）在备用自投模式下，其中1号泵为主泵，2号泵为备用泵，并进行定期轮换以避免单一水泵长时间工作或长期停止而导致使用寿命降低。系统检测到水塔水位达到低水位时自动开启主泵抽水，检测到水塔水位达到高水位时自动停止主泵，如此循环工作以保证水塔在无人值守的情况下自动工作，保证水塔时刻有水。当出现用水高峰期时，水塔水位快速下降，水位达到低水位后主泵自动开始工作，但仍然无法满足供水需要，水位继续下降，当水位到达超低水位时，备用泵自动投入工作，水位随后逐渐上升。当水位到达高水位后2台泵同时停止工作。

5）停止模式用于系统检修或长期不运行时。

6）系统设置必要的信号装置，分别对应2?_水泵的手动/自动/备用自投/停止4种模式和低水位、超低水位、高水位、超高水位4种状态进行信号指示，并对超高水位时进行报警；系统还具有必要的短路、过载、欠压保护等功能。

水位变化和2台泵工作的关系如图2所示。

2 硬件设计

水泵电机自动控制系统电气原理的设计如图3所示。

2.1 主回路

L1、L2、L3为三相电源，HL7、HL8为接在AB、BC相之间的电源监视信号灯；低压断路器QF作为系统的总开关及各支路的开关，起短路保护作用；交流接触器KM用于接收控制回路信号，对水泵电机实现接通、断开控制；热继电器FR对水泵电机进行过载保护；水泵电机M的功率要求与系统和实际使用情况配套。 2.2 控制回路

根据分析控制要求，系统共需PLC点数为17点，故选择三菱FX2N--48MR型PLC；万能转换开关SA用于切换2个支路的4种工作模式，1、2触点，5、6触点，9、10触点（SA1、SA2）分别为2台水泵电机的手动、自动、备用自投模式，11、12触点（SA1、SA2）空接作为停止模式，故选择正泰LW5系列四位万能转换开关；HL1～HL3（HL4～HL6）分别为1号（2号）水泵电机各种工作模式的信号指示灯（3个指示灯都灭为停止模式）；HL7为超高水位报警指示灯，并可加装蜂鸣器，按钮SB为2台水泵运行和停止的主令电器。

2.3 液位电极布设

水塔中液体为自然水，富含各种矿物质，安装在水塔中的各个位置电极通过各种矿物质导通电流来检测液位的变化，向PLC发出高水位或低水位的指令。电极两两之间绝不能通过水之外的回路导通，必须都淹没在水中才能导通。液位电极的连接线采用1 mm2的外包绝缘套的铜芯硬线，为使电极避免外界影响移动位置而误发出信号，应在上端将其悬空固定，4根入水电极线垂直插入高位水箱（水塔） 中，入水部分线端剥除5 mm绝缘皮露出铜芯即可作为电极，5根电极分别为水池电极、超低水位、低水位、高水位、超高水位电极，电极布置如图3所示。

入水的4根电线禁止固定在水塔壁上，防止因水位降低但墙壁湿润而造成误导通；禁止将4根电线扎困在一起下水，防止因水位降低但电极间的残留水珠而造成误导通；电极之间的相对距离应合理布设，以便缩短电极间回路的路径，但应避免距离过近而导致误动作。

3 软件设计

3.1 系统流程

系统程序流程如图4所示。当系统处于检修、维护、调试期间，应当开启手动模式，由工作人员按下手动按钮，单独或同时使2台水泵工作直至水塔水箱水位到达高水位停止。当系统处于极度缺水或某些特殊情况时，应当开启自动模式，此时2台水泵单独或同时工作直至到达高水位停止。当系统处于日常运行状态时，需开启备用自投模式，由其中一台水泵担任主泵角色，另一台水泵担任备用泵角色，普通用水情况下，只需主泵开启，即可给水塔水箱抽水，但当用水高峰期时，虽然主泵满负荷运行，抽水量仍然不能满足用水需求，此时备用泵启动，直至到达高水位停止。2台水泵互换角色，分别在不同时期担任主泵和备用泵工作，以免备用泵长期不工作而造成磨损。

3.2 I/O分配表

根据系统的控制要求，计算I/O点数，并分配I/O地址，输入口、输出口地址如表1、表2所示。

3.3 程序

根据系统的控制要求，水泵电机自动控制系统程序设计如图5所示。

4 模拟测试结果

控制系统制作完成后进行模拟测试，分别以手动、自动、备用自投3种模式为对象，观察2台水泵的运行情况及指示灯的变化；在备用自投模式的测试中，分别以1号泵和2号泵为主泵，另一台为备用泵进行4个水位的测试，结果表明，该系统性能良好、稳定，符合?O计的要求，测试结果如表3所示。

2015年将该系统安装在杨凌示范区某村进行为期30 d的试运行和调试，结果如表4所示。测试结果显示，在为期30 d的测试中，1号泵、2号泵、报警系统都达到了100%的工作准确率，系统工作可靠。

5 小结

水泵电机自动控制系统于2015年投入杨凌示范区某村运行，该系统运行情况良好，该村未出现意外水泵停机导致群众用水中断的现象。本套基于PLC的农村供水控制设备稳定性高、控制准确、性能优良，有效地提高了农村供水质量。

[1]朱佩玲. TYB-714型液位继电器在农村供水工程中的应用[J]. 水利与建筑工程学报, 2005(4):66-68.

[2]郭英芳. 单片机技术在农田节水灌溉系统中的应用[J]. 陕西农业科学, 2015.

[3]甬 刚.基于PID算法的温室温度控制器的设计[J]. 自动化与仪器仪表, 2015(11).

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