PLC智慧家庭自动节水系统的设计与实现

张轩浩 冯京晓 秦宇龙 徐晓阳

摘 要：水是人们生产生活必不可少的资源，会直接影响人们的衣食住行各方面。但由于淡水资源的逐渐减少，用水形势日益严峻，这就使节约用水显得非常重要。笔者所设计的家用自动节水系统，通过对家用废水进行合理处理和存储，使废水实现再利用。通过查阅相关文献、走访实地调研，深入了解家庭用水的循環方式、智慧家庭自动节水的原理，完成智慧家庭自动节水系统的设计与实现。

关键词：PLC;智慧家庭;节水

中图分类号：TP273.5    文献标志码：A     文章编号：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

节约资源是我国的基本国策。淡水作为人类生存的必需资源，在生产生活中发挥着极其重要的作用。然而，随着世界经济的快速发展，全球生态环境持续恶化，可用淡水资源逐渐减少，人居环境异常严峻。在此背景下，节约用水就显得尤为重要。目前，家庭节水一般都是由政府劝导民众节约、循环用水，但却收效甚微。基于此，本研究设计一种基于PLC的智慧家庭节水系统，可将部分家庭用水进行收集，并将收集到的水用于冲洗马桶或拖地板等[1]。如通过对家用净水器、洗衣、洗澡、洗菜、洗脸等产生的废水进行合理处理和存储，用于洗抹布、擦地板、冲马桶、浇花等，使废水再利用，降低家庭用水成本，响应国家政策。

1 系统设计思路

根据自动节水系统的总目标，需要实现优质水和劣质水循环，设计核心是系统控制部分，需要和执行层设备共同协作，控制自动节水系统的稳定运行。为了方便人工监控、调试和控制，系统还需设计人机交互的系统组态，按照系统功能，在交互界面设定可对系统参数进行读和写的输入模块，方便对不同环境下的参数设定。在系统功能部分确定后，按照设计思路，挑选合适型号的上位机和设备组态，主要包括触摸屏（人机交互主要设备）、可编程控制器（系统控制核心）和水泵、电磁阀、传感器等基本元器件。最后，按照设计理念和功能要求，根据系统设计的总目标搭建系统总体框架，在经过实地调研后决定设备布局和走线，进行仿真调试运行，最终实现自动节水系统功能[2]。

2 系统方案设计

2.1 系统构成

自动节水系统由可编程控制器、上位水箱、下位水箱、电磁阀门、过滤管道、水泵、报警器、指示灯、液位传感器组成，如图1所示。贮水箱可以像空调室外机一样外挂墙壁，也可以悬挂房屋内。当可回收的废水流入下水箱时，过滤网可以过滤掉比较明显的脏东西。此外，系统有8个电磁阀门分别控制废水外排或流入上、下水箱，按系统控制要求进行打开或关闭操作。管道上有5个压差发讯器，安装在过滤器旁，用于检测滤网是否堵塞，并可将报警信息上传到上位机触摸屏，以提醒用户更换滤网。下水箱主要用来存储被处理的洗衣机、洗脸盆和洗菜盆中的水，并经过二次过滤，再由水泵将水送入上水箱;上水箱中的水经过管道送至拖把池或马桶，供日常生活使用。上、下水箱分别设有多个液位开关，用于水位控制，根据液位差异控制1～8号等阀门开关，确保水箱液位正常，为生活用水提供保障。下位机由可编程控制器负责系统整体信号的接收、数据的处理、工艺的控制和信号的输出。马桶和拖把池管道上安装有手动阀门，当需要用水时手动打开阀门即可。报警器在系统发生故障时会报警提醒。将指示灯、传感器结合起来，用来采集水位信号，分别向控制器和监控设备传递信号，实现水位的实时监控。

2.2 系统设计要求

智慧家庭节水系统通过水泵、电磁阀、液位传感器、手动阀门以及相配套管道，控制下水箱进水及上、下水箱内水循环，达到节水的目的。具体设计要求如下。

①水箱能够自动控制水位，保持有足够的储水，使用户用水方便。

②数据监控实时更新，确保数据准确，尽量将误差影响控制在可接受范围内。

③具有故障报警能力，当液位达到上限或下限时发出报警指示;当水泵过载时发出报警信号，并关停水泵;滤网堵塞时发出报警信号等。

④为了使下水箱起到过滤作用，可以在进下水箱前进行第一次过滤，将大块的杂质滤除。在上水箱输送通道内可以进行二次过滤沉淀，定期手动更换滤网。

2.3 系统控制方案设计

通过控制水泵的启停来间接控制水位，进而达到循环用水。系统分自动控制和手动控制两种方式。在自动控制方式下，当下水箱水位未达上限时，进水阀处于打开状态，随时接收家用废水，当水位达到上限时关闭进水阀;当上水箱水位未达上限，水泵可以随时供水，直至上限，时刻为用水做好准备。手动模式下可以单独对水泵、电磁阀进行操作。但不管是自动还是手动模式，水泵的运行必须满足工作条件，否则禁止启泵。在操作中通过现场传感器、电磁阀、压差发讯器、水泵的良好配合，各个设备的状态都通过触摸屏显示出来，方便用户对系统的操作、监控，实现系统出现故障时的报警功能，达到期待的人机交互效果[3]。

3 控制系统的电路设计及I/O分配

3.1 控制系统电路设计

根据现场执行层设备及控制系统的要求，對系统控制回路电路图进行设计。系统控制核心为西门子S7-200PLC，通过输入、输出通道检测外部液位、压差等信号。在经过程序处理后，通过数字量输出模块通道和中间继电器发出信号给执行层的电磁阀、水泵等设备带上电，以完成相应工艺动作。控制系统如图2所示。

3.2 PLC I/O地址分配

I/O模块是PLC进行信息交换和数据传递的最主要硬件通道。I/O模块分为四部分，分别是数字输入（DI）、数字输出（DO）、模拟输入（AI）、模拟输出（AO），可以根据不同的应用场合进行具体使用。但模块的多少是由I/O端口数量决定的。该控制系统的I/O端口分配如表1所示。

4 中间控制层软件设计

以PLC为控制核心，用合理设计的运行程序建立中间控制层。根据电磁阀、水泵、压差发讯器、液位计等现场执行层的反馈信号，来对上位机触摸屏画面实现对系统的操作和监控[4]。根据控制系统目标要求，对智慧家庭节水系统软件程序进行设计编写。该程序主要包括系统自动和系统手动两种控制方式。

4.1 系统自动控制

自动控制模式需要系统能够自行控制水位高低，能够及时响应水位的变化，其主要分为水泵的自动控制和电磁阀的自动控制两部分，主要控制流程如下。

4.1.1 水泵自动控制。该部分对自动模式下的水泵工作情况进行描述，通过同上水箱液位传感器和下水箱液位传感器的配合，完成控制系统对水泵工作的自动控制。在自动模式下，液位传感器自动检测上水箱水位，当上水箱水位低时，水泵启动并开始工作;当上水箱水位高时，水泵停止工作;水位正常，则系统循环检测判断。对于下水箱来说，液位低，不允许水泵工作;液位正常水泵才可以启动。具体控制流程如图3所示。

4.1.2 电磁阀自动控制。系统对进水电磁阀进行控制，主要根据下水箱液位情况来控制进水阀的开关。自动模式下，当下水箱液位低时，2、3、4号阀门关闭，6、7、8号电磁阀打开;当下水箱液位高时，2、3、4号阀门打开，6、7、8号阀门关闭（见图4）。

4.2 系统手动控制

在手动模式下，用户能够通过触摸屏对系统进行操作，通过触摸屏向PLC发出控制信号，切断自动控制程序部分的循环，实现点动式触发，具体操作分为水泵的手动控制和电磁阀的手动控制。

4.2.1 水泵手动控制。在手动模式下，上水箱液位高，水泵无法启动;上水箱液位低，且下水箱液位不低的情况下，点击水泵启动按钮，水泵启动后进入工作状态;点击水泵停止，水泵停止工作。

4.2.2 电磁阀手动控制。在手动模式下，点击打开/关闭阀门按钮，阀门会转为打开/关闭状态。

5 上位机画面设计

监视与控制通用系统（Monitor and Control Generated System，MCGS）是一套基于Windows平台的，用以快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。触摸屏控制界面窗口主要包括画面监控、系统控制、参数设置三个基本模块，需要实现实时监控、实时反馈、精准控制、数据处理等基本功能。除基本功能外，可根据个人需要，在设备窗口和用户窗口添加动画以及各种开关按钮，可以点击产品型号按钮来选择不同品牌型号的产品，能够更加灵活地更改挑选设备。主监控画面如图5所示。

6 结语

从水循环利用促进节约水资源的目的来看，节水控制系统最终实现了预定的设计功能，且系统设计中控制系统的构成、硬件设计和软件设计都符合国家对相关产业的要求和规定。该产品采用水循环式的处理办法，并根据不同的用水需求将水循环利用，减少了普通家庭日常用水的浪费，体现了可持续发展理念，可以很大程度上减少居民在使用水资源时所产生的浪费。

参考文献：

[1] 田杨，杨岸，孔龙，等.基于PLC的家庭节水控制系统的设计[J].黑龙江科技信息，2016（8）：160.

[2] 赵辉.基于PLC的矿井水泵自动化控制系统探究[J].机械管理开发，2021（12）：263-264，269.

[3] 赵忠厚，赵辉，刘俊清.家庭自动循环节水系统的设计[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2014（3）：256-259.

[4] 乔鸿云，杨雄，张善彪，等.智能节水系统的设计[J].科技创新导报，2009（28）：91-92.