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”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，必須建立閉環控制系統。根據水塔中的進、出水的水位可以自動控制水泵，使水位處于動態的平衡狀態。

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：探頭發生故障，則此系統無法檢測，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
　　
（2） 用51單片機設計的水位自動控制系統。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，軟件設計存在系統地不穩定性。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 最優方案：
　　
3.1系統框圖
　　
控制系統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 系統框圖
　
3.2原理圖
　　
圖5為最優方案的原理圖。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;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;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;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 水塔供水系統的最終連線圖
　　
3.3系統優化
　　
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。一旦系統發生報警，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，優化的方案增強了系統的可靠性、穩定性和實用性。

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，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，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，此系統更具有工業生產的實際性。

5 結束語
　　
本文通過介紹自行設計的水塔水位控制器，系統地闡述了設計方案及成品試驗。試驗證明，該系統在運行期間穩定性高，完全符合預先規定的標準，是可以投入生產的水塔水位控制器。

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