現(xiàn)今社會(huì)，自動(dòng)化裝置無所不在，在控制技術(shù)需求的推動(dòng)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(shí)踐證明，自動(dòng)化操作，具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值。水塔水位自動(dòng)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(jì)中分析了利弊，考慮了各種液體的阻值大小，是可以投入實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品。

1 設(shè)計(jì)分析：

“水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)”的控制對象為水泵，容器為水塔或儲(chǔ)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(diǎn)時(shí)，水泵開始進(jìn)水，如圖1（b）。當(dāng)水位高于D點(diǎn)時(shí)，水泵停止進(jìn)水，如圖1（c）。當(dāng)水位低于C點(diǎn)并到達(dá)B點(diǎn)時(shí)就報(bào)警，采取手動(dòng)啟動(dòng)水泵，如圖1（d）。當(dāng)水位超過D點(diǎn)并到達(dá)E點(diǎn)時(shí)上限報(bào)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(jì)分析示意圖

為了精確的實(shí)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(dòng)控制水泵，使水位處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。

2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的分析：

（1） 555定時(shí)器組成的水位自動(dòng)控制器。圖2可以看出，電路設(shè)計(jì)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(jì)報(bào)警電路，無法方便地讀取水位實(shí)際數(shù)值。

圖2 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)

（2） 用51單片機(jī)設(shè)計(jì)的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。51單片機(jī)實(shí)際是個(gè)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(huì)使設(shè)計(jì)變得很繁瑣，同時(shí)從電磁兼容方面考慮，軟件設(shè)計(jì)存在系統(tǒng)地不穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，為了滿足工廠的實(shí)際條件，大部分自動(dòng)化控制裝置采用純硬件的電路設(shè)計(jì)。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(shí)際上測量的是B、C、D、E四個(gè)探頭相對于A點(diǎn)（即地）電位的高低，在水塔中清水里的四個(gè)探頭B、C、D、E各點(diǎn)和探頭A點(diǎn)之間實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)可變電阻。當(dāng)電阻值發(fā)生變化時(shí)，各點(diǎn)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(dòng)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(shí)，BCDE四個(gè)探頭的邏輯電平為0011，即保持狀態(tài);當(dāng)水位低于C點(diǎn)，處于B、C之間時(shí)，BCDE四個(gè)探頭的邏輯電平為0111，即進(jìn)水狀態(tài);當(dāng)水位高于D點(diǎn)，處于D、E之間時(shí)，BCDE四個(gè)探頭的邏輯電平為0001，即停進(jìn)狀態(tài);當(dāng)水位低于B點(diǎn)或水位高于E點(diǎn)，此時(shí)，BCDE四個(gè)探頭的邏輯電平為1111或0000時(shí)，水塔水位的報(bào)警電路開始工作，產(chǎn)生下限報(bào)警或上限報(bào)警，即低報(bào)和高報(bào)。這時(shí)，需要工作人員進(jìn)行手動(dòng)關(guān)閉報(bào)警設(shè)備才可以解除警報(bào)。

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(gè)探頭每個(gè)都接有一個(gè)運(yùn)算放大器。實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)某個(gè)探頭出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以及時(shí)檢測到，不會(huì)造成誤動(dòng)作的產(chǎn)生。同時(shí)，新增了報(bào)警確認(rèn)電路。這樣，當(dāng)誤動(dòng)作產(chǎn)生以及水塔內(nèi)水位的過低或者過高，都會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置。一旦系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警，就可以及時(shí)去處理問題。問題處理完畢之后，工作人員可以手動(dòng)關(guān)閉報(bào)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(shí)用性。

4 水塔水位控制器的可行性試驗(yàn)

4.1可行性試驗(yàn)

圖6為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報(bào)警確認(rèn)燈、水位指示燈以及報(bào)警確認(rèn)開關(guān)組成。接通電源時(shí)，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同位置時(shí)，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(diǎn)之下，指示燈B、C、D、E全亮，報(bào)警電路開始報(bào)警，即下限報(bào)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(diǎn)之上，指示燈B、C、D、E全滅，水泵不工作，報(bào)警電路開始溢出報(bào)警，即上限報(bào)警。

⑥報(bào)警電路可以手動(dòng)關(guān)閉，只要按下報(bào)警確認(rèn)開關(guān)，就可以解除報(bào)警的蜂鳴聲。此時(shí)，報(bào)警確認(rèn)燈亮起。處理完故障時(shí)，必須關(guān)閉報(bào)警確認(rèn)燈，報(bào)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(jì)，避免了軟件程序設(shè)計(jì)中的不穩(wěn)定因素，提高了實(shí)際運(yùn)用中的可靠性。同時(shí)，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(shí)，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(gè)數(shù)量級(jí)上就可以很方便的實(shí)現(xiàn)此液體的水位控制操作。試驗(yàn)證明，此水塔水位控制器不僅實(shí)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(shí)際性。

5 結(jié)束語

本文通過介紹自行設(shè)計(jì)的水塔水位控制器，系統(tǒng)地闡述了設(shè)計(jì)方案及成品試驗(yàn)。試驗(yàn)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。