基于西門子DDC控制的給排水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

伍文馳，馮維慶，周紅鍇，陸生鮮，譚澤寧

（桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西崇左，532100）

0 引言

目前，建筑設(shè)備智能化控制與人們的生活息息相關(guān)，為了適應(yīng)建筑設(shè)備智能化控制課程的教學(xué)需要，設(shè)計(jì)一款小型的給排水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行教學(xué)演示，開展驗(yàn)證性、綜合性、創(chuàng)新性的給排水實(shí)驗(yàn)[1]，該裝置可以進(jìn)行創(chuàng)新思維訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、解決問題的能力，對提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力起到積極作用。

1 給排水系統(tǒng)原理

1.1 給水系統(tǒng)原理

給水系統(tǒng)由蓄水池、水泵和高位集水箱等組成，即在屋頂設(shè)高位集水箱，在低處（地面）設(shè)蓄水池，設(shè)置水泵給高位集水箱供水[2]。自來水廠的水流入蓄水池，蓄水池中的水通過水泵抽取到高位集水箱儲存，然后再從高位集水箱中流出供用戶使用。當(dāng)高位集水箱水位到達(dá)啟泵水位時(shí)，啟動水泵抽水工作，水位到達(dá)停泵水位時(shí)，停止所有水泵抽水工作，設(shè)置低水位報(bào)警和溢出水位報(bào)警顯示。給水系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 給水系統(tǒng)原理圖

1.2 排水系統(tǒng)原理

排水系統(tǒng)由集水坑、水泵、排污管道等組成，將廢水收集到集水坑中，再通過水泵抽到市政排污管道進(jìn)行排放[3]。當(dāng)集水坑水位到達(dá)啟泵水位時(shí)，啟動水泵排水工作，水位降低到停泵水位時(shí)，停止所有水泵排水工作，設(shè)置溢出水位報(bào)警顯示。排水系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 排水系統(tǒng)原理圖

2 給排水系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

裝置由西門子PXC16型DDC、水泵、水位檢測傳感器、蓄水池、高位集水箱、集水坑、指示燈、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、繼電器、水管、水閥組成。通過計(jì)算機(jī)編寫程序下載到DCC，DCC根據(jù)采集的水位情況控制水泵啟停。裝置上設(shè)置有指示燈，表示水位高度，水泵的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)置有轉(zhuǎn)換開關(guān)，對給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)進(jìn)行切換。在組態(tài)監(jiān)控界面上對給排水系統(tǒng)過程監(jiān)控顯示，對異常水位進(jìn)行報(bào)警提示。本實(shí)驗(yàn)裝置水泵采用兩用一備的方式工作，使用兩個(gè)水泵作為主水泵，當(dāng)其中一個(gè)不能正常工作時(shí)，備用水泵進(jìn)入工作狀態(tài)。系統(tǒng)原理圖如圖3所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)原理圖

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 水位檢測電路設(shè)計(jì)

水位檢測電路原理圖如圖5所示，采用電阻、晶體三極管等組成水位檢測電路，當(dāng)高位集水箱無水時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，水位高度LED指示燈全滅。當(dāng)水位到達(dá)啟動水泵水位時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，表示啟泵水位LED2指示燈點(diǎn)亮，繼電器2線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，輸入啟泵信號給DDC，DDC根據(jù)啟泵信號發(fā)送指令控制水泵啟動。水位到達(dá)停泵水位時(shí)，三極管Q3導(dǎo)通，表示停泵水位LED3指示燈點(diǎn)亮，繼電器3線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，輸入停泵信號給DDC，DDC根據(jù)停泵信號發(fā)送指令控制水泵停止。水位到達(dá)溢出水位報(bào)警時(shí)，表示溢出水位報(bào)警LED4指示燈點(diǎn)亮和組態(tài)監(jiān)控界面進(jìn)行溢出水位報(bào)警顯示。水位降低到低水位報(bào)警時(shí)，表示低水位報(bào)警LED1指示燈點(diǎn)亮和組態(tài)監(jiān)控界面進(jìn)行低水位報(bào)警顯示。設(shè)計(jì)的水位檢測電路經(jīng)過Proteus軟件仿真測試驗(yàn)證后，進(jìn)行安裝調(diào)試。Proteus仿真水位檢測電路圖如圖6所示。

圖5 水位檢測電路原理圖

圖6 Proteus仿真水位檢測電路圖

3.2 水泵控制電路設(shè)計(jì)

水泵控制電路設(shè)計(jì)圖如圖7所示，采用電阻、晶體三極管、繼電器等組成水泵控制電路，DDC輸出高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，水泵啟動。水泵正極端串入一個(gè)1kΩ電阻連接到DDC輸入端，進(jìn)行監(jiān)控水泵動作。電路中三極管的基極串入10kΩ基極限流電阻，防止燒壞管腳。串入220kΩ電阻接地，防止干擾時(shí)，輸入小電流，導(dǎo)致三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，水泵誤動作。DDC輸入端口的電壓范圍為0~10V,需要串入電阻降壓后，接入到DDC輸入端。電路設(shè)置有轉(zhuǎn)換開關(guān)QS，在自動模式下，給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)共用DO輸出端口，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)QS進(jìn)行功能切換。在手動模式下，通過手動按鈕啟動水泵工作。水泵控制電路經(jīng)過Proteus軟件仿真測試驗(yàn)證后，進(jìn)行安裝調(diào)試。Proteus仿真水泵控制電路圖如圖8所示。

圖7 水泵控制電路設(shè)計(jì)圖

圖8 Proteus仿真水泵控制電路圖

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 DDC程序流程圖

給水、排水系統(tǒng)流程圖，分別如圖9、圖10所示。

圖9 給水系統(tǒng)流程圖

圖10 排水系統(tǒng)流程圖

4.2 DDC的I/O地址分配

給水系統(tǒng)的高位集水箱設(shè)置有4個(gè)水位檢測，分別是低水位報(bào)警檢測、啟泵水位檢測、停泵水位檢測和溢出水位報(bào)警檢測。排水系統(tǒng)的集水坑設(shè)置有3個(gè)水位檢測，分別是啟泵水位檢測、停泵水位檢測和溢出水位檢測。設(shè)置有3個(gè)水泵，其中2個(gè)作為主水泵，1個(gè)作為備用水泵。DDC的I/O地址分配如表1所示。

表1 DDC的I/O地址分配表

4.3 裝置狀態(tài)定義及控制邏輯

裝置狀態(tài)定義如表2所示，裝置控制邏輯表如表3所示。

表2 裝置狀態(tài)定義

表3 裝置控制邏輯表

4.4 給、排水系統(tǒng)監(jiān)控程序例程

(1)給水系統(tǒng)監(jiān)控程序

(到達(dá)低水位報(bào)警水位時(shí)啟動給水泵1和給水泵2)

(到達(dá)啟泵水位時(shí)啟動給水泵1和給水泵2）

(到達(dá)啟泵水位且檢測到給水泵1發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉給水泵1）

(到達(dá)低水位報(bào)警水位且檢測到給水泵1發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉給水泵1）

(當(dāng)給水泵1關(guān)閉時(shí)啟動備用給水泵3）

(到達(dá)停泵水位時(shí)關(guān)閉所有的水泵）

(到達(dá)啟泵水位且檢測到給水泵2發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉給水泵2）

(到達(dá)低水位報(bào)警水位且檢測到給水泵2發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉給水泵2）

(當(dāng)給水泵2關(guān)閉時(shí)啟動備用給水泵3）

(檢測到備用水泵3發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉備用水泵3）

（2）排水系統(tǒng)監(jiān)控程序

(到達(dá)啟泵水位時(shí)啟動排水泵1和排水泵2）

(到達(dá)停泵水位時(shí)關(guān)閉所有的水泵）

(到達(dá)溢出水位報(bào)警水位時(shí)啟動排水泵1和排水泵2并且報(bào)警）

(檢測到排水泵1發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉排水泵1）

(排水泵1發(fā)生故障停泵時(shí)啟動備用排水泵3）

(檢測到排水泵2發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉排水泵2）

(排水泵2發(fā)生故障停泵時(shí)啟動備用排水泵3）

(檢測到備用排水泵3發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉備用排水泵3）

采用Insight軟件編寫、下載上述程序到實(shí)驗(yàn)裝置中，繪制給、排水系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)圖，實(shí)驗(yàn)過程結(jié)合給、排水系統(tǒng)組態(tài)圖觀察實(shí)驗(yàn)效果，組態(tài)監(jiān)控界面圖如圖11所示。

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)裝置具有體積小、成本低、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，是一款與建筑智能化專業(yè)知識緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)裝置，能較好地用于《建筑智能化技術(shù)》、《建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)》等課程的教學(xué)演示及學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，具有實(shí)驗(yàn)展示直觀、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，可開展驗(yàn)證性、綜合性、創(chuàng)新性給排水實(shí)驗(yàn)等特點(diǎn)，此外可拓展到消防系統(tǒng)中消防水箱的給水、暖通空調(diào)系統(tǒng)中供給水箱的給水、農(nóng)林灌溉系統(tǒng)中水池的給排水等實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)裝置具有很好的實(shí)用性。