基于PLC的家用智能自动供水控制系统设计

　　[摘要]针对我国很多地区未能实施全天候供水的情况，设计了家用智能供水控制系统。此系统的上位机由触摸屏组成实行对系统的整体监控，下位机由台达的DVP-20SX2PLC组成了控制系统，并通过传感器模块对储水容器液位、供水水压、时间的变化等参数进行采集，将采集的数据送入PLC控制器进行处理，然后控制模块做出相应调节，完成了无人储水和指定液位储水等功能。
　　[关键词]PLC；智能控制；供水；恒压
　　[基金项目]唐山学院大学生创新实验项目（0202158）。
　　[作者简介]周亮，唐山学院智能与信息工程学院，河北唐山，063000；马壮，唐山学院智能与信息工程学院副教授，研究方向：自动控制理论的研究与自动控制技术的应用，河北唐山，063000；丁超雄，唐山学院智能与信息工程学院，河北唐山，063000；胡大龙，唐山学院智能与信息工程学院，河北唐山，063000；
　　引言
　　据了解，我国现在很多地区仍然不能实现全天候供水，而是定时供水。这与人们的生活水平逐渐提高出现了一种不协调现象。不断加快的生活节奏很难与这种定时的供水模式找到一个平衡点。因此，我们利用我们所学的知识和相关资料的搜集，利用相关设备设计了一个自动控制的家用供水系统。通过实时的检测与控制，精确地控制供水量与供水时间，即使无人看管也可获取日常生活所需用水；另一方面对于水泵电动机来讲，据有关学者研究调查表明，它的耗电量超过全国总耗电量的百分之二十多，因此采用变频器进行恒压控制能有效节约电能，并提升整个系统的稳定性能。常规的恒速供水系统均为通过常规阀门实现对供水量的控制，这就使得一大部分电能在阀门和额定转速状态下的电机中消耗掉。所以尽管这个常规的调控方法简单易行，但是从自然节能减排的角度下来分析，这个方法的经济性非常差。在大环境下，随着变频调速技术在实践中的成熟，这就在很大程度上为水泵电机的节能奠定了坚实的基础。它能够利用对电动机转速进行调节的方式满足水压以及水量的改变，保证水泵一直在高效率区运行，显著减少水泵的耗能，做到节能环保。在方案中其中有一个报警系统这对于一个智能的自动控制系统而言有重要的意义，它能发现系统运行的异常情况，并及时做出调整或者是采取紧急措施避免造成进一步的损失，安全可靠。
　　本系统的作用和特点是：
　　1.解决人员控制水泵及其阀门的开启所带来的不便。
　　2.实时监测水箱液位、管道压力，合理控制供水时间，减少资源浪费。
　　3.集体定时供水时间内会出现水压降低的情况，此系统可保障水压的稳定。
　　4.本系统有断电保护功能，不必重新输入相关参数。
　　5.本系统采用PLC控制，与其他单片机系统相比较，系统更稳定、可靠。
　　6.与传统的供水系统相比，它的控制调节控制更加精确。
　　一、系统设计
　　（一）系统整体结构
　　本系统主要由主控制模块，供电电源模块、管道水压采集模块、液位采集模块、定时模块、触摸屏显示模块、管道水压控制模块、液位控制模块、时间控制模块、触摸屏控制模块构成。传感器检测所处环境各项指标，主控制器处理并显示数据，将数据传至上位机，通过上位机显示并进行处理。系统的总体结构框图如图1所示：
　　（二）主控模块采用台达PLC作为主控制器，型号为DVP-20SX2。该主机具有PID Auto Tuning指令，提供高效率PID控制功能，同时具备4AI/2AO。
　　（三）采集模块介绍
　　此模块分为两部分：水压采集模块和液位采集模块。水压采集模块采用PTH501压力传感器，此传感器采用全不锈钢封焊结构具有良好的防潮能力和介质兼容能力，成本低，量程在1-150MPa，综合精度0.1%FS，介质温度：-20-82℃，长期稳定性能较好。液位采集模块采用投入式液位传感器PTl24B-220，其用精堪的封装技术及完善的装配工艺，确保了产品长期工作无渗漏，高稳定性，多种标准信号输出选择，用户调试方便。量程：0…1mH20～0….300mH20。综合精度：0.25%FS；0.5%Fs。输出信号：4-20mA（两线制），0-5V，0-10V（三线制）。供电电压：24（12-36）VDC（放大信号）。
　　（四）PID控制原理说明
　　比例（P）：反应系统的基本（当前）偏差e（t），系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；积分（I）：反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差；微分（D）：反映系统偏差信号的变化率e（t）-e（t-1），具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。PT控制是由比例控制（P）和积分控制（I）组合成，根据偏差和时间变化产生一个执行量；PD控制是由比例控制（P）和微分控制（D）组合成，根据改变动态特性的偏差速率产生一个执行量；PID控制是利用PT控制和PD控制的有点组合组成的控制，其核心运算是P、I、D三个运算的综合。PID控制是闭环控制系统的比例、积分、微分控制算法，PID控制器根据设定值与被控制对象的实际值的差值，按照PID控制法的算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控制对象的变化，其控制过程如图2所示。
　　（五）控制模块介绍
　　水压控制模块由施耐德公司的ATV312变频器与家用小型自吸泵构成。此模块采用变频器实现对水泵的软启动和变频调速。压力传感器检测当前水压信号（4-20mA电流）作为反馈值送入PLC与通过人机界面输入的压力设定值比较进行PID运算，然后PLC将数字量信号转换成模拟量信号（4-20mA电流）输出，通过导线输入到变频器中，其中变频器是采用两线控制，在此之前变频器需要进行相关参数的设定（即控制方式为两线控制）。控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持水管压力稳定在设定值附近。

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