基于PLC的家用智能自動供水控制系統(tǒng)設(shè)計

　　[摘要]針對我國很多地區(qū)未能實施全天候供水的情況，設(shè)計了家用智能供水控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)的上位機由觸摸屏組成實行對系統(tǒng)的整體監(jiān)控，下位機由臺達的DVP-20SX2PLC組成了控制系統(tǒng)，并通過傳感器模塊對儲水容器液位、供水水壓、時間的變化等參數(shù)進行采集，將采集的數(shù)據(jù)送入PLC控制器進行處理，然后控制模塊做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，完成了無人儲水和指定液位儲水等功能。
　　[關(guān)鍵詞]PLC；智能控制；供水；恒壓
　　[基金項目]唐山學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目（0202158）。
　　[作者簡介]周亮，唐山學(xué)院智能與信息工程學(xué)院，河北唐山，063000；馬壯，唐山學(xué)院智能與信息工程學(xué)院副教授，研究方向：自動控制理論的研究與自動控制技術(shù)的應(yīng)用，河北唐山，063000；丁超雄，唐山學(xué)院智能與信息工程學(xué)院，河北唐山，063000；胡大龍，唐山學(xué)院智能與信息工程學(xué)院，河北唐山，063000；
　　引言
　　據(jù)了解，我國現(xiàn)在很多地區(qū)仍然不能實現(xiàn)全天候供水，而是定時供水。這與人們的生活水平逐漸提高出現(xiàn)了一種不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。不斷加快的生活節(jié)奏很難與這種定時的供水模式找到一個平衡點。因此，我們利用我們所學(xué)的知識和相關(guān)資料的搜集，利用相關(guān)設(shè)備設(shè)計了一個自動控制的家用供水系統(tǒng)。通過實時的檢測與控制，精確地控制供水量與供水時間，即使無人看管也可獲取日常生活所需用水；另一方面對于水泵電動機來講，據(jù)有關(guān)學(xué)者研究調(diào)查表明，它的耗電量超過全國總耗電量的百分之二十多，因此采用變頻器進行恒壓控制能有效節(jié)約電能，并提升整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。常規(guī)的恒速供水系統(tǒng)均為通過常規(guī)閥門實現(xiàn)對供水量的控制，這就使得一大部分電能在閥門和額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的電機中消耗掉。所以盡管這個常規(guī)的調(diào)控方法簡單易行，但是從自然節(jié)能減排的角度下來分析，這個方法的經(jīng)濟性非常差。在大環(huán)境下，隨著變頻調(diào)速技術(shù)在實踐中的成熟，這就在很大程度上為水泵電機的節(jié)能奠定了堅實的基礎(chǔ)。它能夠利用對電動機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的方式滿足水壓以及水量的改變，保證水泵一直在高效率區(qū)運行，顯著減少水泵的耗能，做到節(jié)能環(huán)保。在方案中其中有一個報警系統(tǒng)這對于一個智能的自動控制系統(tǒng)而言有重要的意義，它能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行的異常情況，并及時做出調(diào)整或者是采取緊急措施避免造成進一步的損失，安全可靠。
　　本系統(tǒng)的作用和特點是：
　　1.解決人員控制水泵及其閥門的開啟所帶來的不便。
　　2.實時監(jiān)測水箱液位、管道壓力，合理控制供水時間，減少資源浪費。
　　3.集體定時供水時間內(nèi)會出現(xiàn)水壓降低的情況，此系統(tǒng)可保障水壓的穩(wěn)定。
　　4.本系統(tǒng)有斷電保護功能，不必重新輸入相關(guān)參數(shù)。
　　5.本系統(tǒng)采用PLC控制，與其他單片機系統(tǒng)相比較，系統(tǒng)更穩(wěn)定、可靠。
　　6.與傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)相比，它的控制調(diào)節(jié)控制更加精確。
　　一、系統(tǒng)設(shè)計
　�。ㄒ唬┫到y(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
　　本系統(tǒng)主要由主控制模塊，供電電源模塊、管道水壓采集模塊、液位采集模塊、定時模塊、觸摸屏顯示模塊、管道水壓控制模塊、液位控制模塊、時間控制模塊、觸摸屏控制模塊構(gòu)成。傳感器檢測所處環(huán)境各項指標，主控制器處理并顯示數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳至上位機，通過上位機顯示并進行處理。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：
　�。ǘ�）主控模塊采用臺達PLC作為主控制器，型號為DVP-20SX2。該主機具有PID Auto Tuning指令，提供高效率PID控制功能，同時具備4AI/2AO。
　�。ㄈ�）采集模塊介紹
　　此模塊分為兩部分：水壓采集模塊和液位采集模塊。水壓采集模塊采用PTH501壓力傳感器，此傳感器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)具有良好的防潮能力和介質(zhì)兼容能力，成本低，量程在1-150MPa，綜合精度0.1%FS，介質(zhì)溫度：-20-82℃，長期穩(wěn)定性能較好。液位采集模塊采用投入式液位傳感器PTl24B-220，其用精堪的封裝技術(shù)及完善的裝配工藝，確保了產(chǎn)品長期工作無滲漏，高穩(wěn)定性，多種標準信號輸出選擇，用戶調(diào)試方便。量程：0…1mH20～0….300mH20。綜合精度：0.25%FS；0.5%Fs。輸出信號：4-20mA（兩線制），0-5V，0-10V（三線制）。供電電壓：24（12-36）VDC（放大信號）。
　�。ㄋ模㏄ID控制原理說明
　　比例（P）：反應(yīng)系統(tǒng)的基本（當前）偏差e（t），系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分（I）：反應(yīng)系統(tǒng)的累計偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無誤差；微分（D）：反映系統(tǒng)偏差信號的變化率e（t）-e（t-1），具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是微分對噪聲干擾有放大作用，加強微分對系統(tǒng)抗干擾不利。積分和微分都不能單獨起作用，必須與比例控制配合。PT控制是由比例控制（P）和積分控制（I）組合成，根據(jù)偏差和時間變化產(chǎn)生一個執(zhí)行量；PD控制是由比例控制（P）和微分控制（D）組合成，根據(jù)改變動態(tài)特性的偏差速率產(chǎn)生一個執(zhí)行量；PID控制是利用PT控制和PD控制的有點組合組成的控制，其核心運算是P、I、D三個運算的綜合。PID控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例、積分、微分控制算法，PID控制器根據(jù)設(shè)定值與被控制對象的實際值的差值，按照PID控制法的算法計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機構(gòu)去影響被控制對象的變化，其控制過程如圖2所示。
　�。ㄎ澹┛刂颇�塊介紹
　　水壓控制模塊由施耐德公司的ATV312變頻器與家用小型自吸泵構(gòu)成。此模塊采用變頻器實現(xiàn)對水泵的軟啟動和變頻調(diào)速。壓力傳感器檢測當前水壓信號（4-20mA電流）作為反饋值送入PLC與通過人機界面輸入的壓力設(shè)定值比較進行PID運算，然后PLC將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號（4-20mA電流）輸出，通過導(dǎo)線輸入到變頻器中，其中變頻器是采用兩線控制，在此之前變頻器需要進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定（即控制方式為兩線控制）�？刂谱冾l器的輸出電壓和頻率，進而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來改變供水量，最終保持水管壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

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