摘要：為滿足及時(shí)、準(zhǔn)確、安全保證充足供水，若沿用人工方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，安全性難以保障，因此對(duì)水塔水位控制自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行改造。采用分立元件電路實(shí)現(xiàn)了水塔水位的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)出一種低成本、高實(shí)用價(jià)值的水塔水位控制器。該系統(tǒng)具有水源檢測(cè)、等功能。采用獨(dú)立的電路實(shí)現(xiàn)超高、低水位水位處理，自動(dòng)控制電機(jī)電路。它能自動(dòng)完成上水停水的全部工作循環(huán)，保證液面高度始終處于較理想的范圍內(nèi)。改造后的水塔水位自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水塔水位自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人值守。

    關(guān)鍵詞：冷卻水塔，自動(dòng)控制，水塔水位

引言

    水塔水位控制系統(tǒng)是我國住宅小區(qū)廣泛應(yīng)用的供水系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點(diǎn)，而自動(dòng)控制原理，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，保持水壓恒定以滿足用水要求，從而提高了供水系統(tǒng)的質(zhì)量。近幾十年來，自動(dòng)控制技術(shù)迅猛發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，國防建設(shè)和航空，航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)至今已滲透到各種科學(xué)領(lǐng)域，成為促進(jìn)當(dāng)今生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。比如在生活方面的溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)、自動(dòng)洗衣機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)電梯、空氣調(diào)節(jié)器、電冰箱、自動(dòng)路燈、自動(dòng)門、保安系統(tǒng)等。在工業(yè)方面主要分為兩大類：一類是氣體、液體、粉體、石油化工制藥、輕工食品、建材等行業(yè)。需要對(duì)溫度、壓力、物位、流量、成分等參數(shù)進(jìn)行控制。另一類是對(duì)已成型材料的進(jìn)一步加工或者對(duì)多種已成型材料的裝配，主要控制位移、速度、角度等參數(shù)這些都需要應(yīng)用自動(dòng)控制學(xué)科的知識(shí)。控制理論一般分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。

    水行業(yè)是推動(dòng)水科技產(chǎn)業(yè)化的龍頭。給水行業(yè)是城市基礎(chǔ)設(shè)施投資的主要方向之一，在體制上，供水企業(yè)體制的變革已成為市場(chǎng)化發(fā)展的必然；在技術(shù)上，供水行業(yè)則面臨著關(guān)鍵給水裝備國產(chǎn)化、工藝技術(shù)成套設(shè)備化、自動(dòng)控制現(xiàn)代化的迫切的技術(shù)要求。優(yōu)質(zhì)供水是水工業(yè)市場(chǎng)化發(fā)展的新增長點(diǎn)，同時(shí)要倡導(dǎo)節(jié)約用水，提高水的重復(fù)利用率，并逐步建立完善的水工業(yè)學(xué)科體系。完善的水工業(yè)學(xué)科體系是水工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要保證，傳統(tǒng)的給水排水工程學(xué)科體系已難以包還水工業(yè)的豐富內(nèi)涵，已不能很好地適應(yīng)水工業(yè)發(fā)展的需要，而水工業(yè)學(xué)科體系正是在給水排水工程學(xué)科組成，包括：水質(zhì)與水處理技術(shù)、水工業(yè)工程技術(shù)、水處理基礎(chǔ)科學(xué)、水社會(huì)科學(xué)、水工業(yè)設(shè)備制造技術(shù)等，它們共同支撐著水工業(yè)的工業(yè)體系，而在這些學(xué)科中水質(zhì)與水處理技術(shù)和水工業(yè)工程技術(shù)是水工業(yè)學(xué)科體系中的主導(dǎo)學(xué)科。

    現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生,隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，特別是空間技術(shù)和各類高速飛行器的發(fā)展，使各受控對(duì)象要求高速度、高精度，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，要求控制理論解決動(dòng)態(tài)耦合的多輸入多輸出、非線形以及時(shí)變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。此外，對(duì)控制性能的要求也在逐步提高，很多情況下要求系統(tǒng)的某種性能是最優(yōu)的，而且對(duì)環(huán)境的變化要有一定適應(yīng)能力等。這些新的要求用經(jīng)典理論是無法解決的，這同時(shí)也為現(xiàn)代控制理論的形成創(chuàng)造了條件。具有結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，可靠性高，操作維修方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)是用于各種高層液體儲(chǔ)存的理想設(shè)備。

1  水位自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

    水塔水位控制系統(tǒng)采用交流電壓檢測(cè)水位，水位低于下限B點(diǎn)水位時(shí)，水泵抽水，水位達(dá)到最高水位線A時(shí)，水泵停止抽水，水位降低到最低水位線B以下時(shí)，恢復(fù)運(yùn)行抽水。從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

    該系統(tǒng)采用分立元件電路實(shí)現(xiàn)了水塔水位的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)出一種低成本、高實(shí)用價(jià)值的水塔水位控制器。采用分立的電路實(shí)現(xiàn)超高、低水位處理，自動(dòng)控制電機(jī)電路。依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù),保持水壓恒定以滿足用水要求,從而提高了供水系統(tǒng)的質(zhì)量。

圖1冷卻水塔供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    水塔水位控制系統(tǒng)是我國住宅小區(qū)廣泛應(yīng)用的供水系統(tǒng),傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點(diǎn),而自動(dòng)控制原理,依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù),保持水壓恒定以滿足用水要求,從而提高了供水系統(tǒng)的質(zhì)量。而且成本低，安裝方便，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)證明，靈敏性好，是節(jié)約水源，方便家庭和單位控制水塔水位的理想裝置。水塔水位控制系統(tǒng)采用交流電壓檢測(cè)水位，當(dāng)水位低于下限水位時(shí)，水泵抽水，水位達(dá)到上限水位時(shí)，水泵停止抽水，水位降低到下限水位時(shí)，恢復(fù)運(yùn)行抽水。從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

    該系統(tǒng)采用分立元件電路實(shí)現(xiàn)了水塔水位的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)出一種低成本、高實(shí)用價(jià)值的水塔水位控制器。采用分立的電路實(shí)現(xiàn)超高、低水位處理，自動(dòng)控制電機(jī)電路。

    它能自動(dòng)完成上水停水的全部工作循環(huán)，保證液面高度始終處于較理想的范圍內(nèi)，它結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，靈敏度高，節(jié)約能源顯著，是用于各種高層液體儲(chǔ)存的理想設(shè)備。

    通過指示燈模擬上水水泵，結(jié)合鈕子開關(guān)模擬水位監(jiān)測(cè)信號(hào)，模擬了水塔自動(dòng)上水控制，當(dāng)水池水位低于水池低位界面（s1為ON）時(shí)，電磁閥Y打開進(jìn)水（Y為ON），定時(shí)器開始定時(shí)，4S后，如果S1還不為OFF，那么閥Y指示燈閃爍，表示閥Y沒有進(jìn)水，出現(xiàn)故障，S3為ON后，閥Y關(guān)閉(Y為OFF)。當(dāng)S1為OFF，且水塔水位低于水塔低位水位界時(shí)，S3為ON，水泵M運(yùn)轉(zhuǎn)抽水。當(dāng)水塔水位高于水塔高水位界時(shí)水泵M停止。如表1-1為水塔水位模擬控制接線列表

表1-1水塔水位模擬控制接線列表

2  水塔水位PID控制系統(tǒng)的工作原理

    傳統(tǒng)的水塔水位控制方式具有占地面積大、投資高、水泵電機(jī)頻繁起動(dòng)、耗電多、管網(wǎng)水壓不穩(wěn)、爆管現(xiàn)象頻繁、水漏失嚴(yán)重等缺點(diǎn)；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機(jī)的頻繁起動(dòng)使設(shè)備故障率高，檢修、維護(hù)也存在困難。因此如何利用有效的水源和電能保證各行各業(yè)正常供水，已是迫在眉睫。

    該系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)了水塔水位的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)出一種低成本、高實(shí)用價(jià)值的水塔水位控制器。系統(tǒng)具有水源檢測(cè)等功能。采用獨(dú)立的電路實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)處理，自動(dòng)控制電機(jī)電路。它能自動(dòng)完成上水、停水的全部工作循環(huán)過程，保證水面高度始終處于較理想的范圍內(nèi)，它結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，靈敏度高，節(jié)約能源顯著，是適用于各種場(chǎng)合的理想設(shè)備。

    為了精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，必須建立自動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進(jìn)、出水的水位可以自動(dòng)控制水泵的運(yùn)行與停止，使水位處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)主要分為水位的模擬檢測(cè)和執(zhí)行兩部分組成。

    在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的基礎(chǔ)上，加入了PLC及液壓變送器等器件．利用PLC和組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制．提供了一種實(shí)用的水塔水位控制方案。在系統(tǒng)中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整達(dá)到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口，用于動(dòng)控制輸入控制液體閥，使水位達(dá)到滿水位的75%，然后打開出水口，同時(shí)輸入控制液體閥從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。這種切換由一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。

    “水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)”的控制對(duì)象為水泵，容器為水塔或儲(chǔ)液罐。將容器從下至上依次分為四等高度B，C，D，E。水位高度正常情況下控制在C、D之間。當(dāng)水位在低于C點(diǎn)時(shí)，水泵開始進(jìn)水。當(dāng)水位高于D點(diǎn)時(shí)，水泵停止進(jìn)水。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。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。

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(cè)故障的功能。

3  水位閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖1供水系統(tǒng)控制原理圖

M1、M2—水泵Y0-Y3—液位開關(guān)F1—手閥F2—電磁閥

    為了精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)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)。

    供水系統(tǒng)的基本原理如圖3-5所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中的三個(gè)液壓變送器，將水位值變換為4～20mA電流信號(hào)進(jìn)入PLC，把該信號(hào)和PLC中的設(shè)定值的程序進(jìn)行比較，并執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對(duì)水塔中的水位進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)PLC出現(xiàn)故障時(shí)，還有一套手動(dòng)控制來進(jìn)行對(duì)水塔水位控制。手動(dòng)控制采用交流接觸器。

    上水箱液位低于Y3時(shí)，M1、M2同時(shí)工作，F(xiàn)2打開。液位上升至Y2時(shí)，M2停止，F(xiàn)2關(guān)閉，M1繼續(xù)工作。液位上升至Y1時(shí)，M1也停止。打開F1手閥使上水箱放水，液位下降。當(dāng)液位又低于Y1時(shí)M1起動(dòng)工作，如F1開度較大下水量大于上水量，使液位繼續(xù)下降至Y2時(shí)，M2啟動(dòng)工作同時(shí)F2打開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0為下水箱缺水報(bào)警開關(guān)下水箱液位低于Y0時(shí)意味著水泵進(jìn)水口缺水，此時(shí)應(yīng)自動(dòng)切斷電源并報(bào)警。

4  結(jié)論

    本文研究設(shè)計(jì)的水塔水位控制系統(tǒng)采用可編程控制器、變頻器依據(jù)用水量的變化通過壓力變送器來實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速,在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求,從而達(dá)到恒壓供水的目的，設(shè)計(jì)出一種低成本、高實(shí)用價(jià)值的水塔水位控制器。采用分立的電路實(shí)現(xiàn)超高、低水位處理，自動(dòng)控制電機(jī)電路。它能自動(dòng)完成上水停水的全部工作循環(huán)，保證液面高度始終處于較理想的范圍內(nèi)，它結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，靈敏度高，節(jié)約能源顯著，是用于各種高層液體儲(chǔ)存的理想設(shè)備。