西安工程大學(xué) 謝檬

現(xiàn)今社會，自動化裝置無所不在，在控制技術(shù)需求的推動下，控制理論本身也取得了顯著的進(jìn)步。水塔水位的監(jiān)測和控制，再也不需要人工進(jìn)行操作。實踐證明，自動化操作，具有不可替代的應(yīng)用價值。水塔水位自動控制器，具有適應(yīng)各種液體液位的檢測和控制的功能，設(shè)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(chǎn)的產(chǎn)品。

1 設(shè)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(dāng)水位在低于C點時，水泵開始進(jìn)水，如圖1（b）。當(dāng)水位高于D點時，水泵停止進(jìn)水，如圖1（c）。當(dāng)水位低于C點并到達(dá)B點時就報警，采取手動啟動水泵，如圖1（d）。當(dāng)水位超過D點并到達(dá)E點時上限報警，采取強(qiáng)制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖1（e）。

圖1 設(shè)計分析示意圖
　　
為了精確的實現(xiàn)對水位的控制，必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進(jìn)、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(xiàn)有設(shè)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(shè)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(dǎo)致水位控制器操作異常;沒有設(shè)計報警電路，無法方便地讀取水位實際數(shù)值。

圖2 水位自動控制系統(tǒng)
　　
（2） 用51單片機(jī)設(shè)計的水位自動控制系統(tǒng)。51單片機(jī)實際是個小的微型機(jī)，除了硬件電路的搭接外，還需要軟件的開發(fā)和應(yīng)用。這樣會使設(shè)計變得很繁瑣，同時從電磁兼容方面考慮，軟件設(shè)計存在系統(tǒng)地不穩(wěn)定性。在實際應(yīng)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(shè)計。此外，該電路不能檢測液體的電導(dǎo)率，不適用水塔中液體性質(zhì)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(dāng)于一個可變電阻。當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(jìn)水狀態(tài);當(dāng)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(jìn)狀態(tài);當(dāng)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(chǎn)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(jìn)行手動關(guān)閉報警設(shè)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(yùn)算放大器。實際運(yùn)行中，當(dāng)某個探頭出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以及時檢測到，不會造成誤動作的產(chǎn)生。同時，新增了報警確認(rèn)電路。這樣，當(dāng)誤動作產(chǎn)生以及水塔內(nèi)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(guān)閉報警裝置。因此，優(yōu)化的方案增強(qiáng)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(rèn)燈、水位指示燈以及報警確認(rèn)開關(guān)組成。接通電源時，電源指示燈亮，當(dāng)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(dāng)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(dāng)水位處于B、C之間，指示燈B滅，C、D、E亮，水泵開始進(jìn)水。

③當(dāng)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(jìn)水。

④當(dāng)水位處于D、E之間，指示燈B、C、D滅，E亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵不工作。

⑤當(dāng)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(guān)閉，只要按下報警確認(rèn)開關(guān)，就可以解除報警的蜂鳴聲。此時，報警確認(rèn)燈亮起。處理完故障時，必須關(guān)閉報警確認(rèn)燈，報警確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)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(shè)計，避免了軟件程序設(shè)計中的不穩(wěn)定因素，提高了實際運(yùn)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(dāng)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(diào)節(jié)到一個數(shù)量級上就可以很方便的實現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)的實際性。

5 結(jié)束語
　　
本文通過介紹自行設(shè)計的水塔水位控制器，系統(tǒng)地闡述了設(shè)計方案及成品試驗。試驗證明，該系統(tǒng)在運(yùn)行期間穩(wěn)定性高，完全符合預(yù)先規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，是可以投入生產(chǎn)的水塔水位控制器。

參考文獻(xiàn)：
　　
（1）胡壽松主編.自動控制原理.第四版.北京：科學(xué)出版社，2001年
（2）劉豹主編.現(xiàn)代控制理論.第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004年
（3）Gene F.Franklin,J.David Powell,Abbas.Emami-Naeini,Feedback Control of Dynamic Systems,Publishing House of Electrronics Industry
（4）朱曉青主編.過程檢測控制技術(shù)與應(yīng)用.北京：冶金工業(yè)出版社，2002年
（5）姚伯威，孫銳主編.控制工程基礎(chǔ).北京：國防工業(yè)出版社，2002年
（6）李朝青編著.單片機(jī)原理及接口技術(shù).簡明修訂版.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1998年
（7）戴文進(jìn)，章衛(wèi)國主編.自動化專業(yè)英語.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001年
（8）談?wù)穹?，自動控制專業(yè)英語.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1999年