基于三菱FX2N系列PLC的智能供水控制系统设计

赵媛

(杨凌职业技术学院 机电工程分院，陕西 杨凌 712100)



基于三菱FX2N系列PLC的智能供水控制系统设计

赵媛

(杨凌职业技术学院 机电工程分院，陕西 杨凌 712100)

文章以三菱FX2N-32MR型PLC为智能核心元件，设计了可能在工作/备用状态下任意切换的两台供水泵电机的自动控制系统，包括控制方案、主电路、控制电路(I/O接线图)、控制程序(梯形图)，并阐明了水位信号的PLC识别问题等技术细节，经过生产实际运行检验，设计合理、运行可靠。

三菱；PLC；FX2N；智能供水；控制；水位信号

定稿日期: 2016-01-13

0 引 言

PLC是可编程序的逻辑控制器((Programmable Logical Controller)的简称，自1969年问世以来，目前已广泛应用到电子、纺织、印刷、食品加工、建筑等生产领域的自动控制[1]。 本设计以三菱FX2N-32MR型PLC作为智能核心元件，以水塔(高位水池)中水位的维持为目标，实现两台供水泵的自动控制系统，具有造价低廉运行可靠的特点，能广泛应用在工农业生产及城镇供水工程中。

1 控制方案设计

图1 两台水泵电机控制主电路图

如图1所示，供水工程如果选用两台水泵，必然存在两台水泵的分工问题。在供水能力上单泵应能承担用户设计用水流量的要求，两台泵合力应该能承担用户用水峰值的要求[2]。在工作方式上的一般分工是一台工作,一台备用，当然也可以同时工作或同时备用。

详细设计方案如下：

(1) 水泵具有“手动”、“自动工作”、“自动备用”和“停止”四种工作状态，状态的切换由四位万能转换开关实现[3-4]。

(2) “手动”工作状态应用于供水系统设备安装检修完成、或水位信号采集回路故障时，由运行管理人员现场手动操作启动、停止按钮实现水泵运行的人工控制。

(3) 水塔中设置“公共”、“高水位”、“低水位”、“过低水位”等四个水位电极以采集自动控制信号。

(4) 水泵处于“自动工作”状态时，其工作范围为“低水位”至“高水位”之间。即水塔中水位低于“低水位”时自动启动运行抽水，水位上升到“高水位”时自动停止运行，如此自动反复运行，以实现无人值守的智能控制。

(5 水泵处于“自动备用”状态时，其工作范围为“过低水位”至“高水位”之间。当出现用水高峰时“自动工作”状态的一台水泵无法满足用水量的需求时，虽然工作泵在“低水位”自动启动运行，但水塔中水位因为供水量小于用水量而继续降低，当水塔水位持续降低到低于“过低水位”时，备用泵自动启动抽水，水塔水位在工作、备用两台水泵供水的情况下逐渐升到“高水位”，两台水泵同时停止运行，如此自动反复运行，以实现无人值守的智能控制。

(6) “停止”工作状态用于当供水系统检修、或较长时间停止运行时应用，也作为紧急情况下人为停机开关之用。

(7) 在主电路中装置低压断路器(自动空气开关)作为水泵电机主电路的短路保护，也作为紧急情况的急停开关。

(8) 在主电路交流接触器后串接热继电器，作为水泵电机的过载保护。

(9) 设置必要的信号装置。每台水泵机组设置一组红、绿信号灯，作为水泵机组运行、停止状态信号。设置一组黄色电源指示灯，通过万能转换开关监视三相电源，作为缺相监视。

2 主电路设计

根据控制方案，系统控制主电路设计如图1所示。两台水泵电机M1、M2为控制对象，低压断路器QF1起总电源开关和短路保护作用。交流接触器KM1、KM2为自动控制信号的执行设备，起到控制水泵电机电源的通断作用。热继电器FR1、FR2分别作为两台水泵电机的过载保护。三位转换开关SA1和黄色信号灯HY组合装置在低压断路器QF1之前，用于电源指示监视、运行前或故障排除过程中的缺相检查。

3 水位电极布设与水位信号识别

图2 水位电极布设图

根据设计方案，水塔中水位电极的布设如图2所示，分别设置“公共”、“高水位”、“低水位”、“过低水位”等四个水位电极。“公共”电极接PLC“COM”点，“过低水位”、“低水位”、“高水位”分别接入PLC地址为“X014”、“X015”、“X016”的控制信号输入点[5-6]。

图3 工作泵、备用泵自动工作图表

电极布设完成并接入PLC输入点之后，PLC如何识别水位信号既是关键点、又是难点。控制决策既要依据水位电极回路的通断、又要依据水位变化的趋势(是正在上升、还是正在下降)。例如：当水塔中水位处于低水位和高水之间的某水位时，根本无法决策此时水泵此时是在运行状态，还是处在停止状态。但如果此时水位处于下降(或静止)，那很显然此时水泵停机，水位随着用户的用水而下降(静止则为用户用水量为零)。因此，在设计水泵电机的PLC控制时首先要解决水位信号的PLC识别问题。本控制任务中，两台水泵电机自动控制工作状态时的设计工况是一台工作、另一台备用，工作泵和备用泵的自动工作情况如图3所示。

对于工作泵来说，当水位低于“低水位”时自动启动，并保持运行直到水位达到“高水位”停止运行。对于备用泵，当水位低于“过低水位”时自动启动，并保持运行直到水位达到“高水位”停止运行。显然，PLC在识别水位时，除了识别“低水位”、“过低水位”、“高水位”，还有个运行状态的过程 “保持”问题。三菱FX2N-32MR型PLC的SET(置位)、RST(复位)指令就具备将短信号或阶跃信号转化成长信号的“保持”功能。

根据图2所示水位电极布设、水位信号输入地址，采用如图5所示控制程序中第5、6行及第7、8行程序段，就可以将来至水位电极的水位信号，分别转换成满足图3所要求功能的自动工作泵控制信号和自动备用泵控制信号。

4 PLC控制硬件设计

4.1 I/O地址分配

初步确定使用FX2N型PLC，根据控制要求及FX2N的编程元件，分配输入、输出的I/O地址如下：

输入(IN)地址：

(1) 1#泵转换开关自动工作SA2(1-2) X000

(2) 1#泵转换开关自动备用SA2(3-4) X001

(3) 1#泵转换开关手动SA2(5-6) X002

(4) 2#泵转换开关自动工作SA3(1-2) X003

(5) 2#泵转换开关自动备用SA3(3-4) X004

(6) 2#泵转换开关手动SA3(5-6) X005

(7) 1#泵手动启动按钮SB1 X006

(8) 1#泵手动停止按钮SB2 X007

(9) 2#泵手动启动按钮SB3 X010

(10) 2#泵手动停止按钮SB4 X011

(11) 1#泵FR1动合触点 X012

(12) 2#泵FR2动合触点 X013

(13) 水池高水位电极 X014

(14) 水池低水位电极 X015

(15) 水池过低水位电极 X016

输出(OUT)地址：

(16) 1#泵电机交流接触器KM1 Y000

(17) 1#泵运行指示灯(红灯)HR1 Y001

(18) 1#泵准备指示灯(绿灯)HG1 Y002

(19) 2#泵电机交流接触器KM2 Y003

(20) 2#泵运行指示灯(红灯)HR2 Y004

(21) 2#泵准备指示灯(绿灯)HG2 Y005

4.2 PLC选型

根据地址分配，输入点数15点，输出点数6点，共21点，选用FX2N-32M型PLC，其输入16点、输出16点资源可以满足控制要求[7]。如果考虑输入点仅余1点影响功能扩展的话，也可考虑选用FX2N-64M型PLC。

4.3 I/O接线设计

根据控制方案及地址分配设计I/O接线如图4所示。PLC工作电源及控制电源采用AC220 V，通过控制回路的短路保护作用的单极低压断路器QF2引入，输入端除接入必要的控制操作信号及水位信号外，将两台水泵电机主电路中的过载保护热继电器辅助触点的动合触点接入输入端(图中X012、X013)，以便在过载保护动作切断主电路的同时，中断PLC内部程序。

图4 两台水泵电机PLC控制I/O接线图

5 控制系统软件设计

PLC控制软件采用梯形图进行编程[8]，控制程序如图5所示。

图5 两台水泵电机PLC自动控制梯形图

程序图中第1、2行程序段用于将来至1#泵手动启、停按钮SB1、SB2的手动控制短信号转换长信号并置于内部辅助继电器M000，串接高水位电极输入点X014动断触点可实现“手启自停”功能，即手动启动水泵后，如果出现工作人员疏忽大意未能及时手动停止水泵运行情况时，可在水塔中水位达到高水位时自动停止水泵运行，以免出现水塔水满溢出事故。第3、4行程序段为1#泵手动控制信号转换程序段，原理同1#泵。第5、6、7、8行程序段为工作泵、备用泵自动控制信号转换程序段。

第9、10、11行程序段为1#泵自动工作、自动备用及手动控制信号综合并经Y000输出到水泵电机回路交流接触器线圈KM1及运行状态指示红灯HR1，串FR1动合触点输入X012用于过载保护动作时中断输出。X000、X001、X002为万能转换开关SA2的“自动工作”、“自动备用”、“手动”状态指令输入点，如果万能转换开关SLevel SingaA2置于“停止”，则X000、X001、X002都不通，任何控制信号都不会起作用。如果万能转换SA2开关置于“自动工作”位置，则来至M002的自动工作信号起作用控制水泵运行。如果万能转换开关SA2置于“自动备用”位置，则来至M003的自动备用信号起作用控制水泵运行。如果万能转换开关SA2置于“手动工作”位置，则来至M000的手动工作信号起作用控制水泵运行。

第12、13、14行为1#泵准备状态指示灯HG1控制程序段，在万能转换开关SA2置于“自动工作”、“自动备用”、“手动”任一位置、水泵停运及热继电器未动作时，输出信号点亮指示灯HG1。如果电源正常，水泵停运(HR1灭)，万能转换开关SA2置于“自动工作”、“自动备用”、“手动”任一位置时指示灯HG1不亮，则说明热继电器动作后未复位。

第15、16、17、18、19、20行为2#泵控制信号综合并输出到交流接触器KM2、信号灯HR2、HG2程序段，原理同1#泵。

6 结束语

该控制系统经过安装调试后，满足控制系统的所有工艺要求，运行工作状态良好，实践证明使用三菱FX2N系列PLC控制两台水泵电机实现自动/手动运行，可完全取代传统继电器控制系统，具有开发周期短，硬件设计简单的优势，广泛用于工业控制、农业灌溉、水塔/水位控制等领域中的水泵电机自动控制系统中。

[1] 周萌,陈跃东,宋少雷.基于PLC和MCGS的水塔水位监控系统的设计[J].南阳理工学院学报,2013,5(3):11-14.

[2] 蒋祥龙,刘文超 .基于PLC及组态王水塔液位控制系统[J].伺服控制,2015,10(7):72-74.

[3] 刘杰.基于PLC控制的水塔供水系统设计[J].价值工程,2014,8(22):87-89.

[4] 邬丽娜.基于PLC的水塔水位控制设计[J].机电产品开发与创新,2007,20(5):171-172.

[5] 刘彦齐.基于PLC控制的城市变频恒压供水系统设计[J].通讯世界,2013,20(8):27-28.

[6] 宋阳.基于PLC的双恒压供水控制系统设计研究[J].制造业自动化,2012,8(8):138-140.

[7] 李克俭,饶满和.水塔水位控制系统的研究与设计[J].广西工学院学报,2006,4(19):76-79.

[8] 肖峰.PLC 编程 100 例[M].北京：中国电力出版社,2009.

献出的血有限，献出的爱无限。

献血的你，灵魂如虹；你献的血，生命涌动。

Design of an Intelligent Water Supply Control System Based on Mitsubishi FX2N Series PLC

Zhao Yuan

(Branch of Electromechanical Engineering, Yangling Vocational Technical College, Yangling Shaanxi 712100, China)

Using Mitsubishi PLC FX2N-32MR as intelligent core element, this paper gives the design of an automatic control system consisting of two water supply pump motors which can be switched over at will between working/stand-by states, including control scheme, main circuit, control circuit (I/O wiring diagram) and control program (ladder diagram), and clarifies technical details such as PLC identification of water level signal. Actual operation in production process verifies its reasonable design and reliable operation.

Mitsubishi； PLC;FX2N; intelligent water supply;control; water level signal

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.013

TP273

A

1000-3886(2016)03-0038-03

赵媛(1979-)，女，陕西长安人，讲师，主要从事机电及电气专业的教学和科研工作。研究方向：电气自动化技术。

(杨凌职业技术学院 机电工程分院，陕西 杨凌 712100)

摘 要： 文章以三菱FX2N-32MR型PLC为智能核心元件，设计了可能在工作/备用状态下任意切换的两台供水泵电机的自动控制系统，包括控制方案、主电路、控制电路(I/O接线图)、控制程序(梯形图)，并阐明了水位信号的PLC识别问题等技术细节，经过生产实际运行检验，设计合理、运行可靠。