基于西门子DDC控制的给排水系统实验装置设计

伍文驰，冯维庆，周红锴，陆生鲜，谭泽宁

（桂林理工大学南宁分校，广西崇左，532100）

0 引言

目前，建筑设备智能化控制与人们的生活息息相关，为了适应建筑设备智能化控制课程的教学需要，设计一款小型的给排水系统实验装置，进行教学演示，开展验证性、综合性、创新性的给排水实验[1]，该装置可以进行创新思维训练，培养学生独立思考、解决问题的能力，对提高学生的综合实践能力起到积极作用。

1 给排水系统原理

1.1 给水系统原理

给水系统由蓄水池、水泵和高位集水箱等组成，即在屋顶设高位集水箱，在低处（地面）设蓄水池，设置水泵给高位集水箱供水[2]。自来水厂的水流入蓄水池，蓄水池中的水通过水泵抽取到高位集水箱储存，然后再从高位集水箱中流出供用户使用。当高位集水箱水位到达启泵水位时，启动水泵抽水工作，水位到达停泵水位时，停止所有水泵抽水工作，设置低水位报警和溢出水位报警显示。给水系统原理图如图1所示。

图1 给水系统原理图

1.2 排水系统原理

排水系统由集水坑、水泵、排污管道等组成，将废水收集到集水坑中，再通过水泵抽到市政排污管道进行排放[3]。当集水坑水位到达启泵水位时，启动水泵排水工作，水位降低到停泵水位时，停止所有水泵排水工作，设置溢出水位报警显示。排水系统原理图如图2所示。

图2 排水系统原理图

2 给排水系统整体设计

装置由西门子PXC16型DDC、水泵、水位检测传感器、蓄水池、高位集水箱、集水坑、指示灯、转换开关、按钮、继电器、水管、水阀组成。通过计算机编写程序下载到DCC，DCC根据采集的水位情况控制水泵启停。装置上设置有指示灯，表示水位高度，水泵的运行状态。设置有转换开关，对给水系统、排水系统进行切换。在组态监控界面上对给排水系统过程监控显示，对异常水位进行报警提示。本实验装置水泵采用两用一备的方式工作，使用两个水泵作为主水泵，当其中一个不能正常工作时，备用水泵进入工作状态。系统原理图如图3所示，系统结构图如图4所示。

图3 系统原理图

图4 系统结构图

3 硬件电路设计

3.1 水位检测电路设计

水位检测电路原理图如图5所示，采用电阻、晶体三极管等组成水位检测电路，当高位集水箱无水时，三极管处于截止状态，水位高度LED指示灯全灭。当水位到达启动水泵水位时，三极管Q2导通，表示启泵水位LED2指示灯点亮，继电器2线圈得电，常开触点闭合，输入启泵信号给DDC，DDC根据启泵信号发送指令控制水泵启动。水位到达停泵水位时，三极管Q3导通，表示停泵水位LED3指示灯点亮，继电器3线圈得电，常开触点闭合，输入停泵信号给DDC，DDC根据停泵信号发送指令控制水泵停止。水位到达溢出水位报警时，表示溢出水位报警LED4指示灯点亮和组态监控界面进行溢出水位报警显示。水位降低到低水位报警时，表示低水位报警LED1指示灯点亮和组态监控界面进行低水位报警显示。设计的水位检测电路经过Proteus软件仿真测试验证后，进行安装调试。Proteus仿真水位检测电路图如图6所示。

图5 水位检测电路原理图

图6 Proteus仿真水位检测电路图

3.2 水泵控制电路设计

水泵控制电路设计图如图7所示，采用电阻、晶体三极管、继电器等组成水泵控制电路，DDC输出高电平，三极管导通，继电器线圈得电，常开触点闭合，水泵启动。水泵正极端串入一个1kΩ电阻连接到DDC输入端，进行监控水泵动作。电路中三极管的基极串入10kΩ基极限流电阻，防止烧坏管脚。串入220kΩ电阻接地，防止干扰时，输入小电流，导致三极管导通，继电器线圈得电，水泵误动作。DDC输入端口的电压范围为0~10V,需要串入电阻降压后，接入到DDC输入端。电路设置有转换开关QS，在自动模式下，给水系统、排水系统共用DO输出端口，通过转换开关QS进行功能切换。在手动模式下，通过手动按钮启动水泵工作。水泵控制电路经过Proteus软件仿真测试验证后，进行安装调试。Proteus仿真水泵控制电路图如图8所示。

图7 水泵控制电路设计图

图8 Proteus仿真水泵控制电路图

4 程序设计

4.1 DDC程序流程图

给水、排水系统流程图，分别如图9、图10所示。

图9 给水系统流程图

图10 排水系统流程图

4.2 DDC的I/O地址分配

给水系统的高位集水箱设置有4个水位检测，分别是低水位报警检测、启泵水位检测、停泵水位检测和溢出水位报警检测。排水系统的集水坑设置有3个水位检测，分别是启泵水位检测、停泵水位检测和溢出水位检测。设置有3个水泵，其中2个作为主水泵，1个作为备用水泵。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 装置状态定义及控制逻辑

装置状态定义如表2所示，装置控制逻辑表如表3所示。

表2 装置状态定义

表3 装置控制逻辑表

4.4 给、排水系统监控程序例程

(1)给水系统监控程序

(到达低水位报警水位时启动给水泵1和给水泵2)

(到达启泵水位时启动给水泵1和给水泵2）

(到达启泵水位且检测到给水泵1发生故障时关闭给水泵1）

(到达低水位报警水位且检测到给水泵1发生故障时关闭给水泵1）

(当给水泵1关闭时启动备用给水泵3）

(到达停泵水位时关闭所有的水泵）

(到达启泵水位且检测到给水泵2发生故障时关闭给水泵2）

(到达低水位报警水位且检测到给水泵2发生故障时关闭给水泵2）

(当给水泵2关闭时启动备用给水泵3）

(检测到备用水泵3发生故障时关闭备用水泵3）

（2）排水系统监控程序

(到达启泵水位时启动排水泵1和排水泵2）

(到达停泵水位时关闭所有的水泵）

(到达溢出水位报警水位时启动排水泵1和排水泵2并且报警）

(检测到排水泵1发生故障时关闭排水泵1）

(排水泵1发生故障停泵时启动备用排水泵3）

(检测到排水泵2发生故障时关闭排水泵2）

(排水泵2发生故障停泵时启动备用排水泵3）

(检测到备用排水泵3发生故障时关闭备用排水泵3）

采用Insight软件编写、下载上述程序到实验装置中，绘制给、排水系统组态监图，实验过程结合给、排水系统组态图观察实验效果，组态监控界面图如图11所示。

5 结束语

实验装置具有体积小、成本低、实验内容丰富，是一款与建筑智能化专业知识紧密结合的实验装置，能较好地用于《建筑智能化技术》、《建筑设备自动化系统》等课程的教学演示及学生自主实验，具有实验展示直观、实验内容丰富，可开展验证性、综合性、创新性给排水实验等特点，此外可拓展到消防系统中消防水箱的给水、暖通空调系统中供给水箱的给水、农林灌溉系统中水池的给排水等实验，该实验装置具有很好的实用性。