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。
液位检测系统中通过液位传感器将水位信号以电信号（4-20mA电流）的方式送入PLC中，将模拟量转换为数字量并与设定值进行比较，输出一个高电位或者低电位，控制电磁阀的启动或关闭，一个简单的闭环控制系统。在系统开始运行后PLC将控制电磁阀开启向水箱中注水，当水箱中的水达到设定值时，PLC控制电磁阀的关闭，停止向水箱中注水，其中考虑到注水过程中液位是一个不稳定值，会在设定值附近有一个浮动的范围，这样在实际工作中继电器会出现高频率的开通和关断，为保护继电器所以设定了一个浮动值，这个浮动值是大于设定值的。
时间控制模块又分为两部分，其一是针对广大农村地区家庭院落中存在的菜园花园之类需要按时浇灌而设计的，以菜园来讲，蔬菜需要按时浇水，所要浇灌的时长，浇水时间过长对水资源是一种浪费，时间过短则达不到蔬菜的生长需求，因此精确地控制时间显得尤为重要；另一部分则是定时启动，通过PLC内在的万年历功能，设定一个定时启动整个供水系统的时间点，系统会将设定时间和实际时间进行比较，控制整个系统的开关。
（六）报警模块介绍
报警模块系统本身运行有可能发生紧急的情况：电磁阀、水泵出现问题，造成液位高于极限值，供水时间高于极限值。报警模块非常重要，为了能避免损失或使损失降到最低，采用声光双重警报信号来报警，使报警系统更有效起到报警的功效，当报警信号来到时PLC接受信号并发出报警信号，使报警器动作并使系统进行相关动作避免造成进一步的损失。
二、系统硬件、软件设计
（一）PLC的I/0口配
在此系统中没有用到外部开关，仅通过通讯口实现参数采集，因此在I/0口分配时只有输出没有输入。
（二）程序设计
程序设计包括：①PLC的程序设计②触摸屏画面的程序设计③PLC与触摸屏通讯的程序设计。
1.PLC程序
篇幅不宜过长，此处只展示PLC的部分程序。以上述部分程序为例以其中的部分控制程序做一个简单说明。其中M100常闭触点作为整个系统的强制关闭的开关，当系统出现故障其动作继电器Y0和Y2失电系统关闭。M13和M15常闭触点分别作为变频器和浇灌阀门的手动开关，当其动作后继电器YO和Y2分别关闭，从而可以达到手动控制电磁阀门开关的目的。对于常开触点Y1和Y2而言，其中常开触点Y1是继电器Y1的一个内部辅助触点，当它们两个同时不得电时即阀门都处于关闭状态此时变频器和水泵不会运行。
2.触摸屏画面设计
系统监控如图4所示，其中的部分参数设定画面，图中触摸屏画面绿色区域均可输入相关数值，进行数值的设定。
3.PLC与触摸屏的通讯程序
PLC与上位机触摸屏的通讯采用RS232的通讯方式，两者根据相应的通讯指令进行通讯参数的设置。
三、结论
本方案实现了智能自动恒压供水的控制，针对广大集体定时供水地区而设计了这个系统。此系统操作简单，易于维护，造价低，运行稳定，节省人力、物力，即使无人看管同样可以获得生活所需用水，使用者只需要将一系列的参数输入到人机界面，系统即可按此运行，特别是同人工相比这个更为精确。