PLC智慧家庭自動(dòng)節(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張軒浩 馮京曉 秦宇龍 徐曉陽(yáng)

摘 要：水是人們生產(chǎn)生活必不可少的資源，會(huì)直接影響人們的衣食住行各方面。但由于淡水資源的逐漸減少，用水形勢(shì)日益嚴(yán)峻，這就使節(jié)約用水顯得非常重要。筆者所設(shè)計(jì)的家用自動(dòng)節(jié)水系統(tǒng)，通過對(duì)家用廢水進(jìn)行合理處理和存儲(chǔ)，使廢水實(shí)現(xiàn)再利用。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、走訪實(shí)地調(diào)研，深入了解家庭用水的循環(huán)方式、智慧家庭自動(dòng)節(jié)水的原理，完成智慧家庭自動(dòng)節(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：PLC;智慧家庭;節(jié)水

中圖分類號(hào)：TP273.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）7-0024-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.005

Abstract： Water is an essential resource， which directly affects People's Daily life， at the same time， the household water is more important. Due to the gradual reduction of fresh water resources， the water situation is becoming increasingly severe， which makes it very important to save water. The household automatic water-saving system designed in this study can reuse the wastewater through reasonable treatment and storage of the wastewater. Through referring to relevant literature and visiting field research， we have an in-depth understanding of the household water circulation mode and the principle of automatic water-saving in the smart home， so as to complete the design and implementation of automatic water-saving system in the smart home.

Keywords： PLC; smart home; water saving

0 引言

節(jié)約資源是我國(guó)的基本國(guó)策。淡水作為人類生存的必需資源，在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著極其重要的作用。然而，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，可用淡水資源逐漸減少，人居環(huán)境異常嚴(yán)峻。在此背景下，節(jié)約用水就顯得尤為重要。目前，家庭節(jié)水一般都是由政府勸導(dǎo)民眾節(jié)約、循環(huán)用水，但卻收效甚微?；诖?，本研究設(shè)計(jì)一種基于PLC的智慧家庭節(jié)水系統(tǒng)，可將部分家庭用水進(jìn)行收集，并將收集到的水用于沖洗馬桶或拖地板等[1]。如通過對(duì)家用凈水器、洗衣、洗澡、洗菜、洗臉等產(chǎn)生的廢水進(jìn)行合理處理和存儲(chǔ)，用于洗抹布、擦地板、沖馬桶、澆花等，使廢水再利用，降低家庭用水成本，響應(yīng)國(guó)家政策。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)自動(dòng)節(jié)水系統(tǒng)的總目標(biāo)，需要實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)水和劣質(zhì)水循環(huán)，設(shè)計(jì)核心是系統(tǒng)控制部分，需要和執(zhí)行層設(shè)備共同協(xié)作，控制自動(dòng)節(jié)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了方便人工監(jiān)控、調(diào)試和控制，系統(tǒng)還需設(shè)計(jì)人機(jī)交互的系統(tǒng)組態(tài)，按照系統(tǒng)功能，在交互界面設(shè)定可對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行讀和寫的輸入模塊，方便對(duì)不同環(huán)境下的參數(shù)設(shè)定。在系統(tǒng)功能部分確定后，按照設(shè)計(jì)思路，挑選合適型號(hào)的上位機(jī)和設(shè)備組態(tài)，主要包括觸摸屏（人機(jī)交互主要設(shè)備）、可編程控制器（系統(tǒng)控制核心）和水泵、電磁閥、傳感器等基本元器件。最后，按照設(shè)計(jì)理念和功能要求，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總目標(biāo)搭建系統(tǒng)總體框架，在經(jīng)過實(shí)地調(diào)研后決定設(shè)備布局和走線，進(jìn)行仿真調(diào)試運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)節(jié)水系統(tǒng)功能[2]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

自動(dòng)節(jié)水系統(tǒng)由可編程控制器、上位水箱、下位水箱、電磁閥門、過濾管道、水泵、報(bào)警器、指示燈、液位傳感器組成，如圖1所示。貯水箱可以像空調(diào)室外機(jī)一樣外掛墻壁，也可以懸掛房屋內(nèi)。當(dāng)可回收的廢水流入下水箱時(shí)，過濾網(wǎng)可以過濾掉比較明顯的臟東西。此外，系統(tǒng)有8個(gè)電磁閥門分別控制廢水外排或流入上、下水箱，按系統(tǒng)控制要求進(jìn)行打開或關(guān)閉操作。管道上有5個(gè)壓差發(fā)訊器，安裝在過濾器旁，用于檢測(cè)濾網(wǎng)是否堵塞，并可將報(bào)警信息上傳到上位機(jī)觸摸屏，以提醒用戶更換濾網(wǎng)。下水箱主要用來(lái)存儲(chǔ)被處理的洗衣機(jī)、洗臉盆和洗菜盆中的水，并經(jīng)過二次過濾，再由水泵將水送入上水箱;上水箱中的水經(jīng)過管道送至拖把池或馬桶，供日常生活使用。上、下水箱分別設(shè)有多個(gè)液位開關(guān)，用于水位控制，根據(jù)液位差異控制1～8號(hào)等閥門開關(guān)，確保水箱液位正常，為生活用水提供保障。下位機(jī)由可編程控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)整體信號(hào)的接收、數(shù)據(jù)的處理、工藝的控制和信號(hào)的輸出。馬桶和拖把池管道上安裝有手動(dòng)閥門，當(dāng)需要用水時(shí)手動(dòng)打開閥門即可。報(bào)警器在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)報(bào)警提醒。將指示燈、傳感器結(jié)合起來(lái)，用來(lái)采集水位信號(hào)，分別向控制器和監(jiān)控設(shè)備傳遞信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

智慧家庭節(jié)水系統(tǒng)通過水泵、電磁閥、液位傳感器、手動(dòng)閥門以及相配套管道，控制下水箱進(jìn)水及上、下水箱內(nèi)水循環(huán)，達(dá)到節(jié)水的目的。具體設(shè)計(jì)要求如下。

①水箱能夠自動(dòng)控制水位，保持有足夠的儲(chǔ)水，使用戶用水方便。

②數(shù)據(jù)監(jiān)控實(shí)時(shí)更新，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，盡量將誤差影響控制在可接受范圍內(nèi)。

③具有故障報(bào)警能力，當(dāng)液位達(dá)到上限或下限時(shí)發(fā)出報(bào)警指示;當(dāng)水泵過載時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并關(guān)停水泵;濾網(wǎng)堵塞時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)等。

④為了使下水箱起到過濾作用，可以在進(jìn)下水箱前進(jìn)行第一次過濾，將大塊的雜質(zhì)濾除。在上水箱輸送通道內(nèi)可以進(jìn)行二次過濾沉淀，定期手動(dòng)更換濾網(wǎng)。

2.3 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

通過控制水泵的啟停來(lái)間接控制水位，進(jìn)而達(dá)到循環(huán)用水。系統(tǒng)分自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式。在自動(dòng)控制方式下，當(dāng)下水箱水位未達(dá)上限時(shí)，進(jìn)水閥處于打開狀態(tài)，隨時(shí)接收家用廢水，當(dāng)水位達(dá)到上限時(shí)關(guān)閉進(jìn)水閥;當(dāng)上水箱水位未達(dá)上限，水泵可以隨時(shí)供水，直至上限，時(shí)刻為用水做好準(zhǔn)備。手動(dòng)模式下可以單獨(dú)對(duì)水泵、電磁閥進(jìn)行操作。但不管是自動(dòng)還是手動(dòng)模式，水泵的運(yùn)行必須滿足工作條件，否則禁止啟泵。在操作中通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器、電磁閥、壓差發(fā)訊器、水泵的良好配合，各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)都通過觸摸屏顯示出來(lái)，方便用戶對(duì)系統(tǒng)的操作、監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的報(bào)警功能，達(dá)到期待的人機(jī)交互效果[3]。

3 控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)及I/O分配

3.1 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層設(shè)備及控制系統(tǒng)的要求，對(duì)系統(tǒng)控制回路電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制核心為西門子S7-200PLC，通過輸入、輸出通道檢測(cè)外部液位、壓差等信號(hào)。在經(jīng)過程序處理后，通過數(shù)字量輸出模塊通道和中間繼電器發(fā)出信號(hào)給執(zhí)行層的電磁閥、水泵等設(shè)備帶上電，以完成相應(yīng)工藝動(dòng)作。控制系統(tǒng)如圖2所示。

3.2 PLC I/O地址分配

I/O模塊是PLC進(jìn)行信息交換和數(shù)據(jù)傳遞的最主要硬件通道。I/O模塊分為四部分，分別是數(shù)字輸入（DI）、數(shù)字輸出（DO）、模擬輸入（AI）、模擬輸出（AO），可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行具體使用。但模塊的多少是由I/O端口數(shù)量決定的。該控制系統(tǒng)的I/O端口分配如表1所示。

4 中間控制層軟件設(shè)計(jì)

以PLC為控制核心，用合理設(shè)計(jì)的運(yùn)行程序建立中間控制層。根據(jù)電磁閥、水泵、壓差發(fā)訊器、液位計(jì)等現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層的反饋信號(hào)，來(lái)對(duì)上位機(jī)觸摸屏畫面實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作和監(jiān)控[4]。根據(jù)控制系統(tǒng)目標(biāo)要求，對(duì)智慧家庭節(jié)水系統(tǒng)軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)編寫。該程序主要包括系統(tǒng)自動(dòng)和系統(tǒng)手動(dòng)兩種控制方式。

4.1 系統(tǒng)自動(dòng)控制

自動(dòng)控制模式需要系統(tǒng)能夠自行控制水位高低，能夠及時(shí)響應(yīng)水位的變化，其主要分為水泵的自動(dòng)控制和電磁閥的自動(dòng)控制兩部分，主要控制流程如下。

4.1.1 水泵自動(dòng)控制。該部分對(duì)自動(dòng)模式下的水泵工作情況進(jìn)行描述，通過同上水箱液位傳感器和下水箱液位傳感器的配合，完成控制系統(tǒng)對(duì)水泵工作的自動(dòng)控制。在自動(dòng)模式下，液位傳感器自動(dòng)檢測(cè)上水箱水位，當(dāng)上水箱水位低時(shí)，水泵啟動(dòng)并開始工作;當(dāng)上水箱水位高時(shí)，水泵停止工作;水位正常，則系統(tǒng)循環(huán)檢測(cè)判斷。對(duì)于下水箱來(lái)說，液位低，不允許水泵工作;液位正常水泵才可以啟動(dòng)。具體控制流程如圖3所示。

4.1.2 電磁閥自動(dòng)控制。系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水電磁閥進(jìn)行控制，主要根據(jù)下水箱液位情況來(lái)控制進(jìn)水閥的開關(guān)。自動(dòng)模式下，當(dāng)下水箱液位低時(shí)，2、3、4號(hào)閥門關(guān)閉，6、7、8號(hào)電磁閥打開;當(dāng)下水箱液位高時(shí)，2、3、4號(hào)閥門打開，6、7、8號(hào)閥門關(guān)閉（見圖4）。

4.2 系統(tǒng)手動(dòng)控制

在手動(dòng)模式下，用戶能夠通過觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，通過觸摸屏向PLC發(fā)出控制信號(hào)，切斷自動(dòng)控制程序部分的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)式觸發(fā)，具體操作分為水泵的手動(dòng)控制和電磁閥的手動(dòng)控制。

4.2.1 水泵手動(dòng)控制。在手動(dòng)模式下，上水箱液位高，水泵無(wú)法啟動(dòng);上水箱液位低，且下水箱液位不低的情況下，點(diǎn)擊水泵啟動(dòng)按鈕，水泵啟動(dòng)后進(jìn)入工作狀態(tài);點(diǎn)擊水泵停止，水泵停止工作。

4.2.2 電磁閥手動(dòng)控制。在手動(dòng)模式下，點(diǎn)擊打開/關(guān)閉閥門按鈕，閥門會(huì)轉(zhuǎn)為打開/關(guān)閉狀態(tài)。

5 上位機(jī)畫面設(shè)計(jì)

監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）是一套基于Windows平臺(tái)的，用以快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。觸摸屏控制界面窗口主要包括畫面監(jiān)控、系統(tǒng)控制、參數(shù)設(shè)置三個(gè)基本模塊，需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)反饋、精準(zhǔn)控制、數(shù)據(jù)處理等基本功能。除基本功能外，可根據(jù)個(gè)人需要，在設(shè)備窗口和用戶窗口添加動(dòng)畫以及各種開關(guān)按鈕，可以點(diǎn)擊產(chǎn)品型號(hào)按鈕來(lái)選擇不同品牌型號(hào)的產(chǎn)品，能夠更加靈活地更改挑選設(shè)備。主監(jiān)控畫面如圖5所示。

6 結(jié)語(yǔ)

從水循環(huán)利用促進(jìn)節(jié)約水資源的目的來(lái)看，節(jié)水控制系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計(jì)功能，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)的構(gòu)成、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都符合國(guó)家對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的要求和規(guī)定。該產(chǎn)品采用水循環(huán)式的處理辦法，并根據(jù)不同的用水需求將水循環(huán)利用，減少了普通家庭日常用水的浪費(fèi)，體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展理念，可以很大程度上減少居民在使用水資源時(shí)所產(chǎn)生的浪費(fèi)。

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