西安工程大學 謝檬
現今社會，自動化裝置無所不在，在控制技術需求的推動下，控制理論本身也取得了顯著的進步。水塔水位的監(jiān)測和控制，再也不需要人工進行操作。實踐證明，自動化操作，具有不可替代的應用價值。水塔水位自動控制器，具有適應各種液體液位的檢測和控制的功能，設計中分析了利弊，考慮了各種液體的阻值大小，是可以投入實際生產的產品。
1 設計分析：
“水塔水位自動控制系統(tǒng)”的控制對象為水泵，容器為水塔或儲液罐。水位高度正常情況下控制在C、D之間，如圖1（a）。當水位在低于C點時，水泵開始進水，如圖1（b）。當水位高于D點時，水泵停止進水，如圖1（c）。當水位低于C點并到達B點時就報警，采取手動啟動水泵，如圖1（d）。當水位超過D點并到達E點時上限報警，采取強制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖1（e）。
圖1 設計分析示意圖
為了精確的實現對水位的控制，必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據水塔中的進、出水的水位可以自動控制水泵，使水位處于動態(tài)的平衡狀態(tài)。
2 現有設計方案的分析：
（1） 555定時器組成的水位自動控制器。圖2可以看出，電路設計過于簡單化，沒有考慮異常情況的排除方法。例如：探頭發(fā)生故障，則此系統(tǒng)無法檢測，導致水位控制器操作異常;沒有設計報警電路，無法方便地讀取水位實際數值。
圖2 水位自動控制系統(tǒng)
（2） 用51單片機設計的水位自動控制系統(tǒng)。51單片機實際是個小的微型機，除了硬件電路的搭接外，還需要軟件的開發(fā)和應用。這樣會使設計變得很繁瑣，同時從電磁兼容方面考慮，軟件設計存在系統(tǒng)地不穩(wěn)定性。在實際應用中，為了滿足工廠的實際條件，大部分自動化控制裝置采用純硬件的電路設計。此外，該電路不能檢測液體的電導率，不適用水塔中液體性質改變的情況。
圖3 水塔水位控制電路
3 最優(yōu)方案：
3.1系統(tǒng)框圖
控制系統(tǒng)主要分為模擬檢測和邏輯判斷兩大塊。如圖4所示，模擬檢測實際上測量的是B、C、D、E四個探頭相對于A點（即地）電位的高低，在水塔中清水里的四個探頭B、C、D、E各點和探頭A點之間實際上相當于一個可變電阻。當電阻值發(fā)生變化時，各點的電位值不同，通過邏輯判斷，就得到不同的輸出，即操作控制不同的動作。
圖4 系統(tǒng)框圖
3.2原理圖
圖5為最優(yōu)方案的原理圖。如圖所示：水位正常情況下應處于C、D之間，此時，BCDE四個探頭的邏輯電平為0011，即保持狀態(tài);當水位低于C點，處于B、C之間時，BCDE四個探頭的邏輯電平為0111，即進水狀態(tài);當水位高于D點，處于D、E之間時，BCDE四個探頭的邏輯電平為0001，即停進狀態(tài);當水位低于B點或水位高于E點，此時，BCDE四個探頭的邏輯電平為1111或0000時，水塔水位的報警電路開始工作，產生下限報警或上限報警，即低報和高報。這時，需要工作人員進行手動關閉報警設備才可以解除警報。
圖5 水塔供水系統(tǒng)的最終連線圖
3.3系統(tǒng)優(yōu)化
從圖5中可以看出，B、C、D、E四個探頭每個都接有一個運算放大器。實際運行中，當某個探頭出現故障時，系統(tǒng)可以及時檢測到，不會造成誤動作的產生。同時，新增了報警確認電路。這樣，當誤動作產生以及水塔內水位的過低或者過高，都會啟動報警裝置。一旦系統(tǒng)發(fā)生報警，就可以及時去處理問題。問題處理完畢之后，工作人員可以手動關閉報警裝置。因此，優(yōu)化的方案增強了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和實用性。
4 水塔水位控制器的可行性試驗
4.1可行性試驗
圖6為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報警確認燈、水位指示燈以及報警確認開關組成。接通電源時，電源指示燈亮，當水塔中水深處于不同位置時，水位指示燈B、C、D、E情況不同。
圖6 水塔水位控制器外觀圖
①當水位處于B點之下，指示燈B、C、D、E全亮，報警電路開始報警，即下限報警。
②當水位處于B、C之間，指示燈B滅，C、D、E亮，水泵開始進水。
③當水位處于C、D之間，指示燈B、C滅，C、D亮，保持狀態(tài)，即保持進水。
④當水位處于D、E之間，指示燈B、C、D滅，E亮，停進狀態(tài)，即水泵不工作。
⑤當水位處于E點之上，指示燈B、C、D、E全滅，水泵不工作，報警電路開始溢出報警，即上限報警。
⑥報警電路可以手動關閉，只要按下報警確認開關，就可以解除報警的蜂鳴聲。此時，報警確認燈亮起。處理完故障時，必須關閉報警確認燈，報警確認電路復位，恢復其監(jiān)測故障的功能。
4.2可行性分析
此方案采用純硬件電路設計，避免了軟件程序設計中的不穩(wěn)定因素，提高了實際運用中的可靠性。同時，對于不同類型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。當水塔中液體改變時，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調節(jié)到一個數量級上就可以很方便的實現此液體的水位控制操作。試驗證明，此水塔水位控制器不僅實現了對水塔水位的精確控制，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產的實際性。
5 結束語
本文通過介紹自行設計的水塔水位控制器，系統(tǒng)地闡述了設計方案及成品試驗。試驗證明，該系統(tǒng)在運行期間穩(wěn)定性高，完全符合預先規(guī)定的標準，是可以投入生產的水塔水位控制器。
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