【摘 要】近年来，随着人民生活水平日益提高，农村用水量也在不断提升，但是传统的水塔供水存在许多问题，主要存在供水压力不足、水质不能保障、供水不及时，以及技能型人才不足等问题，为满足农村灵活方便供水目的，在保证基础建设的情况下，研发出三种供水塔供水方案，人工就地按钮控制、 PLC自动控制、MCGS系统远程监控，确保了设计整体上能满足居民全天24小时用水，且压力恒定。
【关键词】农村用水 自来水供水塔水位 监控系统
1.引言
改革开放以来，我国自来水供水系统得到迅速发展，不仅极大的提高了供水能力，还不断在向自动化、智能化的方向发展，减轻了供水管理人员的工作负担，节约了人力。但是在我国农村或偏远地区，仍然存在供水不及时、供水有杂质、供水压力小等问题。农村供水问题也是扶贫攻坚的重要问题，我国农村扶贫开发纲要指出到2020年，农村饮水问题在基本得到解决的基础上，自来水普及率和提高供水安全质量要进一步提高。《“十三五”期间农村饮水安全巩固提升及规划编制工作的通知》中也曾指出：直至2020年，在农村饮用水方面，有两大指标性参数均要提高，第一是自来水普及率，第二是安全集中供水率，分别达到了80%以上和85%以上；另外，水质方面也有很大的改善，达标率在逐渐提高；在供水公共服务方面，城镇也在向农村覆盖，其指标性参数自来水管网覆盖村比例为33%。因此，我国村庄地区以及广大中西部农村地区供水工程建设空间巨大。
据水利部统计，2019年全国农村集体供水率达到86%，农村以村委单位的生活用水需要专人定期到管理的水塔上去上水，以保证村民的生活用水。由于用水存在高、低峰现象，就会出现水塔的储水量不足而导致经常断水，由于水塔全天人员值守浪费人力，就造成经常村民反馈后才能恢复供水。本文拟在全面分析以上问题的基础上，根据现有自动化技术设计出一套自来水供水塔水位监控系统，以解决乡村存在的吃水不稳定问题。
2.存在问题及原因分析
随着人民生活水平的日益提高，农村用水量也在不断提升，但是传统的水塔供水存在许多问题，主要有以下几个方面。
1）供水压力不足
导致供水压力不足的主要原因有：水塔的安装高度不够，水管道不够光滑或水管道直径不够，水管道弯头、阀门、三通过多，用水太快，水塔持续处于低水位。
2）水质不能保障
一是少数偏远地区的水源来自井水，上水前没有经过沉淀、过滤处理造成水质较差。二是水管道维修后的铁锈等杂质或水塔长期没人清洗导致。水管道维修后存在的杂质是正常现象，在自来水水管线维修后也不可避免，短时间用水后都会清除。
3）供水不及时
主要是水塔供水采用人员现场控制启停水泵的方式，人员难以做到24小时值守。另外由于水塔很高。对于水位多少人员也很难时刻监测到。
4）技能型人才不足
水塔供水系统的开发、建设、使用及维护，离不开专业电工人员进行管理。但是在农村及偏远地区由于相关技能型人才匮乏和资金的支持，导致原有水塔系统得不到很好的改造。
因此，设计一套成本低廉、使用便捷的自动化自来水水塔供水系统解决其存在的不足尤为必要。
3.整体方案
在保证基础建设的基础上，为供水塔实现三种供水方式，以满足灵活方便的目的。第一种是：当自动化系统需要维护检修时，可以关闭自来水源主管线阀门，进行原始的人工就地按钮控制方便暂时停水进行维修。第二种是：通过PLC配合抽水泵电动机、液位传感器等实现蓄水池的自动蓄水和供水塔的自动上水。第三种是：通过MCGS系统进行远程监测供水、上水情况以及水位变化情况，管理人员并能够根据实际水位变化情况，进行远程控制水泵的启停。设计整体上确保居民全天24小时用水，且压力恒定。
3.1相关设计内容
1）基于PLC的恒压供水的整体结构设计；
2）基础建设设计、电气回路设计、PLC的选型和PLC的I/O地址分配以及输入和输出接线设计；
3）根据程序流程图设计，做梯形图和语句表程序设计；
4）MCGS组态系统监控设计；
5）最终调试或模拟运行
3.2实现目标
本设计降低成本，主要是由PLC可编程控制器、水位传感器、进水阀（电磁阀）和水塔的抽水泵机组一起组成。PLC根据蓄水池和水塔的水位自动控制抽水泵的启、停。以 PLC的为控制核心，组态软件为上位机，通过PPI跟PLC进行通信。最终实现就地控制、PLC自动控制、远程组态系统控制三种模式。
4.设计方案
为了解决水压的问题，首先在基础设施建设上要保证水塔的高度，根据当地实际地势等因素考虑，建议高度在10米至20米之间。另外为提高供水压力，相关的水管道根据预算成本尽量选择较为平滑的材质和减少相关阀门、水管弯头、三通的数量，以避免产生过多的阻力。其次是建造蓄水池，一方面保证水塔平稳供水的需要，另一方面蓄水池可以起到对自来水管线维修过程中产生杂物的沉淀和过滤作用。为了便于后期蓄水池、水塔的维修和对供水进行控制，需要在进水管处设进水阀。水塔的上水需要由电动机带动抽泵完成。
图1：水塔水位控制系统方案设计图
本水塔供水系统的基础设施部分主要由：供水塔、蓄水池、抽水泵、水位传感器、进水阀（电磁阀）组成。
正常供水首先要保证蓄水池的水位始终在A1至A2之间，当蓄水池水位低于下限液位开关A1时，进水管上的进水阀打开进行注水。以5S时间注水到A1为正常标准，如果蓄水池的水位没在5S内没有达到A1位置，则系统发生警报；如果系统运行正常，则蓄水池的下限位开关A1为关闭状态，说明注水已经超过其下限位置。当注水高于蓄水池的上限位A2时，则B1为开启状态。同时，关闭进水管道的进水阀。
要保证向用户不间断供水需要水塔的水位在B1至B2之间，当水塔水位下降到水塔下限位开关B1时，抽水泵便在电动机M助力下开启抽水模式，将蓄水池中的水补给给水塔中，供水过程中，随着水塔水位的不断上升，当高于下限位开关B1时，该开关即关闭，当水位继续上升到水塔上限位B2时，该开关即关闭，随即抽水泵停止供水模式。
另外，供水模式开启还需要监测蓄水池水位和水塔水位，当都低于下限水位以下时，该模式也不能开启。
4.1就地手动控制
主要实现两种控制方式：就地电气控制和PLC自动控制，其中就地控制需要实现电动机M的自锁，而自动控制主要通过PLC在原有就地控制的基础上实现。
为满足管理人员现场维护要求，在抽水泵附近应设置相应启、停按钮，方便人员现场直接控制。其主要原理是通过按钮1使接触器线圈得电进行自锁主回路和按钮2使接触器线圈失电解锁主回路实现。
图2：抽水泵就地控制启、停原理图
要启动抽水泵时，按下按钮SB1即可完成，具体工作原理为：当开关SB1被按下后，接触器KM的线圈通电完成，即可完成电机M的供电。
抽水泵需要截止开启模式，即断开工作时，按下按钮SB2即可，具体工作原理为：当开关SB2被按下后，接触器KM的线圈不再通电，即电机M停止工作。整个控制回路恢复到原始的断开状态。
图中FU2为保险，用于保护电动机和控制回路。FR为热继电器，当回路过载发热时，断开相应电路。在本论文研究设计的自来水供水塔水位监控系统中，电机型号选择的是EJ15-3型（“J”表示交流供电，“E”是电动机，15为设计序号，3为最大工作电流），选择时考虑到了该型号电机的特性涵盖了三相异步性、自扇冷风式和全封闭的特征。另外该型号电机还具有堵转转矩高、效率高、振动小、噪音低、安全可靠等多方面的优势。
电动机M存在数值参数有：
第一，工作温度最低限-15℃，最高限40℃；工作湿度不能超过90%；
第二，正常市电（220V）是工作时的额定电压；工作功率和额定频率分别为2.5KW和50Hz；
综上所述，在选择电动机时需考虑以下两点原则：第一是保障基本工作正常；第二是确保高效运行且便捷可操作。
4.2PLC自动控制
4.2.1 PLC概述
在传统制造工业和过程工业中大量的开关顺序调控，均依赖于电气或者气动系统来进行动作控制，这过程也涉及到了联锁保护机制。自1968年美国，汽车公司掀起了替代传统电气控制系统的热潮，开始探索新的控制系统，智能化、程序化的控制系统开始出现在大众视野，经过逐步研究和技术探索，基于电子科技和集成电路控制的控制系统得以被研制出来，即可编程控制系统（第一代PC）。同样在80年代，个人计算机得以研制成功，个人计算机也被称之为PC，为了与个人计算机区分，也为了更直接的反应可编程控制系统的功能性，在原来简称PC的基础上将简称更改为了PLC（Programmable Logic Controller），紧接着也进行了相关商标的注册性工作。不过由于历史原因，现在仍有部分人们称可编程控制系统为PC。PLC发展最为迅速的时间段应是90年代中期，在该发展阶段，PLC在网路、人机接口、数字模拟计算等多方面性能都得到了明显提升，其在工业自动化控制特别是顺序控制中发挥着重要作用，在汽车生产、食品加工、矿产开采、化学化工等行业得到应用。
比较来看，PLC是电气控制系统的更新换代，二者不仅控制方式不同，运行方式也有差异。具体来看，PLC采纳了顺序逻辑的方法，去遍历扫描用户，当一个逻辑线圈或者输出线圈被执行了断开或者接通动作时，位于线圈上的触点只有再被扫描到以后才会进行相关动作，不被扫描到的触点不会有任何动作。而对于传统的控制系统装置来说，当一个逻辑线圈或者输出线圈被执行了断开或者接通动作时，位于线圈上的触点均会立马执行相关动作，这是所谓的硬逻辑并行。
上述提到了PLC运行模式中加入了扫描用户机制，该扫描周期的完成涵盖了三个步骤，分别是采样步骤、用户执行程序步骤和输出刷新步骤。
第一，采样步骤，在PLC控制器内读入全部的数据和状态，然后进行存储，存储位置是I/O映像区中的对应单元。
第二，用户执行程序步骤，PLC以从上到下的顺序梯形图的形式开始扫描用户程序。
第三，输出刷新步骤，将第一步骤中存入I/O映像区对应单元的数据和状态写入相应电路，完成刷新，然后输出新参数电路驱动下的外设。
PLC控制器在输出数字量时有三种方式，包含了晶闸管输出，晶体管输出和继电器输出。
第一，晶闸管输出：只支持交流负载，额定负载值为0.2A/点，高频动作也可支持，响应时间为1ms。
第二，晶体管输出：只支持直流负载（限定直流5-30V），额定负载值为0.5A/点，高频动作也可支持。
第三，继电器输出：可支持交流负载，也可支持直流负载，额定负载值为2A/点。
4.2.2 PLC自动控制原理
图3：PLC自动控制原理图
在水塔水位检测系统中，通过水位传感器检测蓄水池和水塔的实际水位高度，并将其水位高度值变换为电流信号传递给PLC程序。当PLC收到蓄水池水位低于最低水位信息时，PLC做出逻辑判断控制电磁阀进行注水。如果5S内检测到注水没有达到蓄水池的最低水位值，PLC则发出警报信号。当PLC收到蓄水池水位高于最高水位信息时，PLC做出逻辑判断控制电磁阀停止注水。当PLC收到水塔传感器低于最低水位信息时，通过逻辑判断控制抽水泵电机开始抽水。当PLC收到水塔传感器水位高于最高水位信息时，同样通过逻辑判断控制抽水泵的电动机停止抽水。
4.2.3 PLC信号选择
国内外PLC厂家及型号很多，其中以德国西门子品牌市场占有率约48%，其次是日本三菱约占12.9%，其它还有欧姆龙、台达、施耐德等。在PLC的品牌的选择时，考虑因素涵盖了三个方面，第一是售后服务和配套产品的便捷性；第二是设计者对PLC品牌的了解程度和设计契合度；第三是用户侧所提出的需求是否能够满足。PLC按照外形分类，分为模块式、整体式和叠装式。但一般是按照I/O点数的数量分类有：大、中、小型PLC。通常来说，控制关系的复杂程度与I/O的点数量正相关，两者与控制器的存储、指令功能复杂度也正相关。根据设计要求，选定台达 PLC型号为： DVP-40ES00R2，该台达控制器的数据参数如下：存储容量为8K步，主机点个数为40，完全满足了该设计中七输出六输入的需求。另外该台达控制器还具有可靠安全、高效的优势，是工业领域应用的热门选择。
4.2.4 PLC输入/输出接口分配表
表1 水塔水位监控系统PLC输入/输出接口分配
输入
输出
X0
启动按钮
Y0
电磁阀
X1
水塔下限位开关S1
Y1
电动机M
X2
水塔上限位开关S2
Y2
蓄水池下限指示灯A1
X3
蓄水池下限位开关S3
Y3
蓄水池上限指示灯A2
X4
蓄水池上限位开关S4
Y4
水塔下限指示灯B1
X5
停止按钮
Y5
水塔上限指示灯B2
Y6A1
报警指示灯
PLC系统接入的输入信号：控制开关2个，液位传感器开关4个，共有6个输入信号；接入的输出信号有：电动机1台，电磁阀1个，指示灯5个，共7个输出点。台达PLC有8个输入点，16个输出点，交流220V供电，符合设计要求。
4.2.5水塔水位系统输入/输出设备
水塔水位控制系统的输入输出I/O接线图如下：
图4：水塔水位监控系统的I/O接线图
在PLC中，通过X0、X1、X2、X3、X4、X5对水塔和蓄水池的水位进行检测和控制。Y0为电磁阀的地址输出继电器，Y1为抽水泵电动机的地址输出，Y2为蓄水池下限指示灯A1的地址输出（到蓄水池下限时指示灯亮），Y3为蓄水池上限指示灯A2的地址输出继电器（到水池上限时指示灯亮），Y4为水塔下限指示灯B1的地址输出继电器（到水塔下限时指示灯亮），Y5为水塔上限指示灯B2的地址输出（到水塔上限时指示灯亮），Y6为报警指示灯的地址输出继电器（故障报警指示灯亮），PLC通过Y0到Y6的端子对水位进行合理控制工作。
4.2.6工作流程设计
根据设计要求，水塔水位控制系统的PLC控制流程图如下：
图5：程序流程图
当水塔和蓄水池都没有水时，4个液位传感器指示灯全亮。当执行程序监测到蓄水池内的水容量高度在水位下限以下，便会控制电磁阀进入开启模式，当开始时长达到5S后，进行监测发现水位仍然在水位下限以下，那么说明电磁阀有问题或进水管没有水源，即可定性为故障，系统随即产生报警。相反的是，如果监测发现水位在水位下限以上了，该下限对应的指示灯会熄灭，则可判定为往蓄水池注水成功，PLC会正常运转。在该PLC控制系统中，当水塔水位下降到水塔下限位开关时，抽水泵便在电动机助力下开启抽水模式，将蓄水池中的水补给给水塔中，供水过程中，蓄水池中的水位上升到蓄水池水位上限的位置时，该位置指示灯A2会自动点亮，随即该控制系统控制电磁阀关闭抽水模式，即停止工作。另外，随着水塔水位的不断上升，当高于下限位开关时，该位置指示灯即关闭。当水塔的水抽满，即注水达到水塔水位上限时，水塔上限指示灯B2灭。由于刚才给水塔供水的时候，抽水泵最后将蓄水池的水抽走了一部分，蓄水池的水位已经低于其上限，因此蓄水池上限指示灯A2点亮，此次供水完成。
4.2.7梯形图设计
PLC使用的是与继电器电路图相似的梯形图语言，该语言较为直接和具象，并且还具有实用性的特征，方便电气人员上手和后期使用运维。并且设计者在设计梯形图时可以十分方便地依赖继电器电路图，因为传统的继电器电路图技术已经十分成熟，被多次实践应用验证，也经历了多次功能优化升级，依托此继电器电路图给设计者节省了较多时间，同时也少走了很多弯路。虽然梯形图的设计依托了原有的继电器电路图，但是它也有自己特定的变成规则：梯形图中的线圈只能出现一次，但是触点可以被使用多次，并且可以随意并联和串联。根据程序流程图设计的梯形图如下所示：
图6：程序梯形图
水塔水位控制系统工作时，按以下步骤进行：
第一，按钮SB1被按下开启后，M200因为X0的触通二产生了自锁模式；
第二，在蓄水池中，当存水慢慢下降到水位下限A1以下的时候，Y0因为X2的触通二产生了自锁模式，电磁阀打开；
第三，当蓄水池水位到下限A1时，输入触点X3接通，Y2得电，则蓄水池下限指示灯A1亮；
第四，电磁阀开启后往蓄水池注水，启动定时器T5定时为5S；
第五，5S后如果蓄水池水位没有超过水池下限A1，Y6得以触通，代表故障发生的警示灯被点亮；
第六，在水塔中，当水位慢慢下降到下限水位B1以下的时候，输入触点X2接通，Y1得电自锁，抽水泵开始向水塔注水；
第七，当水塔水位低于水塔下限B1时，输入继电器X2接通，Y4得电，被点亮的是下限指示灯B1；
第八，在水塔中，当水位慢慢上升到上限水位B2以下的时候，X1得以触通，被点亮的是上限指示灯B2；
第九，在水塔中，当水位慢慢上升到上限水位B2以下的时候，X1得以触通，因此Y1掉电，抽水泵停止向水塔注水；
第十，在蓄水池中，当存水慢慢下降到水位上限A2以下的时候，X4得以触通，被点亮的是上限指示灯A2；
第十一，当蓄水池的水达到水池的上限A2时，输入X4常开触点闭合、常闭触点断开，Y0失电，电磁阀关闭，完成供水。
PLC水塔水位控制系统指令如下：
LD X0
OR M200
ANI X5
OUT M200
LD M200
OR Y0
AND X3
ANI X4
OUT Y0
LD Y0
OUT Y2
LD M200
AND Y0
TMR T5 K50
LD M200
AND T5
AND X3
OUT Y6
LD M200
ANI X3
AND X2
ANI X1
OR Y1
OUT Y1
LD X2
OUT Y4
LD X1
OUT Y5
LD X4
OUT Y3
14
END
4.2.8 PLC使用及维护
PLC是一种自动化控制的设备，即使有较强的的抗干扰性和高可靠性，但是该设备也存在设备输出误差和失控的故障，有两方面的原因，第一是操作者使用或者安装过程中未高度严规范操作，第二是控制设备的运行环境不符合规范。
因此，PLC控制器运行稳定的环境参数值具体为：湿度小于85%，最高温度是55℃，最低温度是0℃。
4.3 MCGS系统远程监控
MCGS全称为：监视与控制通用系统，是一种上位机组态软件，主要用于数据采集和过程管理，能为用户提供快速构建工业自动化控制。主要由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库等组成。一般的功能模块涵盖了以下几个方面：形象的界面展示、庞大的数据集合、成熟的开放功能、健全的安全模式、多类的功能集合、仿真功能。提及的数据集合存储在数据库中，以离散量、模拟量和字符型等多种方式写入，另外，提及的仿真功能可支持并行模式，这种模式极大地节省了开发人员的时间周期。 本课题设计采用的MCGS系统是国产的组态王，是我国的第一个工业自动化组态软件民族品牌，其系统上分为管理层、监控层、控制层三个层次结构，具有适应性强、开放性好、开发时间短等优点。
4.3.1图形界面设计
图7：自来水水塔供水监控系统界面
根据设计，画出水塔、电动机M、抽水泵、蓄水池、进水阀（电磁阀）以及蓄水池上下限指示灯、水塔上下限指示灯，根据控制要求有启动按钮、停止按钮、复位按钮。为模拟进水阀故障设置了进水阀故障和解除以及故障报警定时器，时间为5S。另外设置了事件信息表，当人员操作和有报警时能够记录动作及相关时间。
4.3.2数据库创建
为能使各设备组件相互作用，需在组态王的数据词典中创建相关变量并设定其各组件的参数。如：液位模拟量的输入、开关量的输出，故障报警值等。
图8：组态王数据词典界面
4.3.3仿真动画工作状态
图9：监控系统初始画面
系统初始状态：即蓄水池无水、水塔无水、进水阀和抽水泵都处于停止状态。
图10：监控系统供水正常画面
正常工作状态：进水阀、抽水泵都处于工作状态分别进行注水，相应水位指示灯亮。由于蓄水池容积大于水塔的容积，随着时间推移会出现进水阀暂时关闭，抽水泵仍可向水塔供水的情况，直到蓄水池水位低于下限进水阀再次打开。也会出现水塔水满，抽水泵停止，直到水塔水位低于下限再次启动的情况。
图11：监控系统供水报警画面
故障报警状态：进水阀在启动状态，但由于故障不进水导致蓄水池水位在规定时间内没有达到蓄水池水位下限，因此抽水泵停止工作，故障指示灯亮且事件报表会有报文提醒。
5. 总结
通过本次课题设计，让我更加深刻的认识到知识就是力量，电力技术影响着人们的生活和工业生产。经过一次自来水水塔供水监控系统的设计，使我在实践中发现仅仅学好书本知识是不够的，让我知道实际做项目要考虑方方面面，综合运用所学的专业知识。在这过程中不仅提高了我找资料的学习能力，更让我对国内PLC品牌、特点、性能以及组态系统有了新的认识。
虽然课程的设计内容繁多，过程繁琐但锻炼了我的抗压能力和专注做事的耐心。课题所涉及的各种系统的相关认识和硬件设备的使用方法在实践和摸索中不断学会的，这将为我经后的工作奠定坚实的基础。在课程设计中学到了以往课本上没有的知识，对当前社会行业及企业的技术有所了解。
通过有计划、有头绪、有逻辑地完成设计整个流程让我比较系统的了解电动机控制、PLC控制、组态系统控制设计中的每一个环节。同时在这个过程中我也发现了自己的许多不足，例如：开始全局设计思考不足，就水塔供水系统方案而言还有多种方式，但是就其成本和复杂性而言，个人能力上只能勉强设计较为简单的。这说明学无止境，自己以后还有待加强学习和提升。
感谢学校及老师机遇的这次设计的机会，让我更深入理解了专业知识的用途以及行业前景，更增强了我追求知识的欲望。能源是人类社会关注的重点问题，随着近年我国完成碳中和、碳达峰的规划要求，氢能源、风能源、光能源不仅改变着人们的生活，还改变着工业生产。这是让我所学的专业知识有了更广阔的发挥空间，今后我将更加关注和学习新技术、新工艺，争取为祖国谋富强、人民谋幸福贡献出自己的力量。
参考文献：
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作者：陕西理工大学特莱恩工学院 电气工程及其自动化
寿云洁410901200309035569 19839312040
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