基于PLC的智能控制冲水系统设计
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摘 要：基于PLC的智能控制冲水系统，是在分析目前学校公共卫生间所使用的两种冲水系统优缺点的基础上设计完成的。与目前所使用的两种冲水系统相比，基于PLC的智能控制冲水系统能够根据学校学生作息时间进行忙时和闲时的设定，并由PLC控制忙时和闲时使用不同的冲水方式。这种分时段采用不同冲水方式的设计，既能更好地控制用水量以达到节约用水的目的，又能根据学校作息时间进行人性化设计，体现了以人为本的思想。
关键词：PLC;冲水系统;红外传感器;忙时;闲时
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2020）02-0061-06
我国是水资源大国，但是由于人口基数的庞大使得人均水资源占有量还不到世界平均数的四分之一，节约用水形势严峻。[1]学校作为人口较为密集的场所，对于节约用水的要求应该更高。本文针对学校厕所的用水情况，设计了一种基于PLC的智能控制冲水系统。
1 概述
目前，学校公共卫生间坑位通常采取两种形式：一种是采用浮球阀等控制冲水系统的长蹲位式，如幼儿园、中小学、高中及部分高校公共卫生间;另一种是采用红外传感器或人工控制冲水系统的单蹲位式，如多数高校卫生间。总的来说，浮球阀等控制的冲水系统不管是在白天还是黑夜，只要水的压力满足要求，水箱上满水就会冲水，这样不仅无法做到有效地节约用水，也会影响到学生夜晚的正常休息;红外传感器或人工控制的冲水系统能够根据有无人员如厕进行自动或者手动控制冲水，但是，这种冲水方式不适用于目前大多数学校所采用的长蹲位式厕所，且每次冲水用水量较大，不如长蹲位式厕所节约用水。当然，目前也有一些长蹲位式厕所使用红外传感器控制的冲水系统，这种仅仅使用红外传感器的冲水系统，只要有人就会冲水，一次有效冲水的用水量过大，也不能达到节约用水的目的。
基于PLC的智能控制冲水系统能够根据学生作息时间设定忙时和闲时，并由PLC控制在忙时使用类似浮球阀等控制的冲水方式，只要水的压力够大水箱上满水就能够进行冲水;而在闲时采用红外传感器控制的冲水方式，只有在一定数量的人如厕，或者从首次有人如厕开始计时的时间到后，系统才会控制冲水。另外，该系统还设置了报警指示灯进行故障信号报警指示。这种分时段采用不同冲水方式的设计，使得基于PLC的智能控制冲水系统既能更好地控制用水量，又能根据作息时间进行人性化设计。系统设置的报警指示灯也可以实时对整个系统进行监控，从而便于进行设备保养及维修。
2 系统设计
基于PLC的智能控制冲水系统总体架构如图1所示，整个系统由PLC担任主角，担负核心控制作用。PLC的输入端信号来源于红外传感器和压力传感器。PLC的输出端用来驱动电磁阀、中间继电器、指示灯等输出设备。本文以一栋6层教学楼，每层设有男女公共卫生间各1个共计12个卫生间为例，来进行系统设计。
2.1 系统硬件设计
PLC在整个系统中占据着核心的地位，该系统PLC选用的是西门子S7-200系列CPU224 AC/DC/RLY的PLC[2]。这款PLC采用的是交直流负载通用的RLY输出模式，14输入10输出，产品标号是6ES7 214-1BD23-0XB0。另外，扩展一个数字量输入输出模块EM223 DC/RLY（交直流负载通用的RLY输出模式，16输入16输出），用来弥补CPU224本身输入输出点数的不足。
PLC的输入信号来源于红外传感器和压力传感器，这里，红外传感器和压力传感器均选用欧姆龙公司DC24 V的传感器，要求红外传感器安装在每个卫生间的合适位置，压力传感器安装于每个卫生间冲水水箱的底部。二者的接线[3]如图2所示。
PLC的输出端驱动设备电磁阀用于控制水箱冲水，选用的是山野品牌生产的型号为2W-160-15（额定电压是220 V）的电磁阀。报警指示灯用于故障信号指示，选择的是浙江启晟有限公司生产的多层警示灯红色LTA504-1WJ，额定电压是DC24 V，它能够在有故障信号时发出红色闪亮的光，并能够使内部蜂鸣器发出报警声音。中间继电器主要用于电磁阀信号的转接。因为实际连线时PLC是固定在某一层的卫生间中的控制箱内，其他楼层的电磁阀安装在各自卫生间的水箱中，与PLC之间有一定的距离;因此，当距离较远时，电磁阀可能会因为信号传输过程中的衰减导致无法接收到信号，不能正常工作。此时，需要中间继电器作为中间过渡的桥梁来转换一下，以解决远距离传输的问题。这里选用的是欧姆龙DC24 V的中间继电器，要求全部安装在PLC的控制箱中。
PLC的输入端用来连接每个卫生间的红外传感器和压力传感器，输出端用来驱动每个卫生间的中间继电器和报警指示灯。系统PLC的I/O分配表如表1所示，系统硬件接线如图3所示。
2.2 系统软件设计
基于PLC的智能控制冲水系统最大的特点是：可以根据学生的作息时间来设定忙时和闲时的时段，并采用不同的冲水方式，从而达到节约用水的目的。表2是某学校初中生的作息时间表。
从学生的作息表中可以看出，他们的上厕所时间集中在两节课的中间休息时间和课外活动时间，即每天上午8：45—8：55、9：40—10：10、10：55—11：05，共计50 min，下午时间会根据季节的不同而稍微有所变化，也是40～50 min，这些时间段就是本文中所述的忙时。在这段时间内，学生会集中上厕所，所以采用的是类似浮球阀的冲水方式，由压力传感器检测水箱水压是否正常即水箱是否上滿水，如果上满则PLC驱动电磁阀打开进行实时冲水，如果没有则电磁阀关闭，系统控制水箱不会冲水。 除了上述的忙时，一天中的其他时间为闲时时段。在这些时间段内，因为是上课时间或者其他没有学生的时间，所以上厕所的人数会相对较少。闲时，根据厕所中红外传感器检测到的如厕的人数、首次有人如厕时开始计时的时间长短、压力传感器检测水箱水压是否正常即水箱是否上满水这三个条件的状态，系统通过PLC控制是否驱动电磁阀打开并进行冲水。[3]
系统程序流程如图4所示，系统首先由PLC来判定忙时和闲时，然后选择相应的冲水方式进行冲水。（1）忙时，采用的是类似浮球阀的冲水方式，由压力传感器检测水箱水压是否正常即水箱是否上满水，如果上满，PLC则驱动电磁阀打开并进行实时冲水;如没有则电磁阀关闭，系统控制水箱不会冲水。（2）闲时，根据红外传感器检测到的如厕人数、从首次有人如厕开始计时的时间长短及水箱是否上满水这三个条件的状态，通过PLC程序共同协作完成冲水状态的控制。当如厕人数达到设定值且水箱水位上满或者从首次有人如厕开始计时且计时时间到时，系统通过PLC控制电磁阀打开进行冲水;否则，系统控制水箱不会冲水。[4]
除了上述冲水方式的控制，系统还设置了报警指示灯用于故障信号显示与诊断。当系统出现红外传感器长时间不能接通没有信号;压力传感器始终没有闭合状态，进水出现问题;电磁阀故障不能正常打开;各个中间继电器不能正常工作等故障时，通过PLC控制各个卫生间的报警指示灯HL1至HL12发出红色闪亮的光，并使内部蜂鸣器发出报警声音，从而根据指示灯的位置可以确定是哪个卫生间出现故障，可以提示工作人员前去维修。
3 结语
基于PLC的智能控制冲水系统能够更好地控制用水量以达到节约用水的目的。（1）教室的忙时和闲时时段和学生宿舍的忙时和闲时时段，可以通过PLC程序较为方便地进行设置。（2）系统通过设置报警指示灯进行故障报警，可以对设备加以实时监控，以便于进行设备的保养及维修。（3）系统使用中间继电器作为中间过渡的桥梁，解决了远距离传输的问题，同时，还可以很方便地通过增加PLC扩展模块进行I/O点数的增加，来扩充控制公共卫生间的个数，升级改造十分简单。（4）该系统不仅适用于学校公共卫生间，对于景区等公共场所卫生间也具有一定的适用性[5]，只需根据客流高峰时段和低峰时段做相应的忙时和闲时设定，即可满足要求。
综上所述，该系统能够通过PLC根据忙时和闲时时段设置不同的冲水控制方式，可以更加有效地节约用水;也能够根据不同的作息时间或者客流高低峰时段，进行人性化的设计，体现了以人为本的思想。该系统可适用于各种公共场所卫生间，具有一定的推广价值。[6]
参考文献：
[1] 何智娥.基于CGA的水资源优化调度研究[D].兰州：兰州理工大学，2015.
[2] 王小阳，杜爱丽.柠条颗粒饲料包装机控制系统设计[J].农业工程，2016（4）：26-28.
[3] 陈鸿桂，付斌，朱秋平，等.公共卫生间自动冲水装置的PLC控制[J].武汉工程职业技术学院学报，2015（4）：47-49.
[4] 刘力郡.基于PLC公厕自动节水控制系统的设计[J].宁波职业技术学院学报，2016（6）：84-86.
[5] 夏玉红.基于PLC的景区卫生间智能控制系统设计[J].电脑编程技巧与维护，2015（24）：103-104.
[6] 朱艳青.浅谈如何用PLC实现公共卫生间的自动冲水控制[J].数字技术与应用，2015（3）：5.
责任编辑 盛 艳
Design of Intelligent Control Flushing System Based on PLC
LI Mei
（Engineering Institute of Technology，Fuyang Institute of Technology，Fuyang 236031，China）
Abstract： Based on the analysis of the advantages and disadvantages of two kinds of flush systems used in school public toilets，the intelligent control flushing system based on PLC is designed. Compared with the two kinds of flushing systems used at present，the system can set the free time and idle time according to the work and rest time of school students，and use different flushing methods by PLC to control the free time and free time. This kind of design with different flushing methods in different periods can not only better control water consumption to achieve the purpose of water conservation，but also humanize the design according to the school work and rest time，reflecting the idea of people oriented.
Key words： PLC;flushing system;infrared sensor;busy time;idle time
收稿日期：2020-02-11
基金项目：安徽省教育厅2018年高等学校省级质量工程项目“西门子控制实习实训中心”（2018sxzx03）;安徽省高校 自然科学研究项目“虚拟仿真技术在工业机器人系統开发中的应用”（KJ2019A1022）
作者简介：李梅，讲师，主要研究方向为机电一体化技术、自动控制。
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