摘要：為滿足及時、準確、安全保證充足供水，若沿用人工方式，勞動強度大，工作效率低，安全性難以保障，因此對水塔水位控制自動化系統(tǒng)進行改造。采用分立元件電路實現(xiàn)了水塔水位的自動控制，設計出一種低成本、高實用價值的水塔水位控制器。該系統(tǒng)具有水源檢測、等功能。采用獨立的電路實現(xiàn)超高、低水位水位處理，自動控制電機電路。它能自動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)，實現(xiàn)水塔水位自動控制，遠程監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守。

    關(guān)鍵詞：冷卻水塔，自動控制，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，而自動控制原理，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(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，自動控制技術(shù)迅猛發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，國防建設和航空，航天事業(yè)等領域中獲得廣泛的應用。隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)至今已滲透到各種科學領域，成為促進當今生產(chǎn)發(fā)展和科學技術(shù)進步的重要因素。比如在生活方面的溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)、自動洗衣機、自動售貨機、自動電梯、空氣調(diào)節(jié)器、電冰箱、自動路燈、自動門、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)。需要對溫度、壓力、物位、流量、成分等參數(shù)進行控制。另一類是對已成型材料的進一步加工或者對多種已成型材料的裝配，主要控制位移、速度、角度等參數(shù)這些都需要應用自動控制學科的知識?？刂评碚撘话惴譃榻?jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。

    水行業(yè)是推動水科技產(chǎn)業(yè)化的龍頭。給水行業(yè)是城市基礎設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)成套設備化、自動控制現(xiàn)代化的迫切的技術(shù)要求。優(yōu)質(zhì)供水是水工業(yè)市場化發(fā)展的新增長點，同時要倡導節(jié)約用水，提高水的重復利用率，并逐步建立完善的水工業(yè)學科體系。完善的水工業(yè)學科體系是水工業(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，已不能很好地適應水工業(yè)發(fā)展的需要，而水工業(yè)學科體系正是在給水排水工程學科組成，包括：水質(zhì)與水處理技術(shù)、水工業(yè)工程技術(shù)、水處理基礎科學、水社會科學、水工業(yè)設備制造技術(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)學科體系中的主導學科。

    現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生,隨著科學技術(shù)的突飛猛進，特別是空間技術(shù)和各類高速飛行器的發(fā)展，使各受控對象要求高速度、高精度，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復雜，要求控制理論解決動態(tài)耦合的多輸入多輸出、非線形以及時變系統(tǒng)的設計問題。此外，對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，而且對環(huán)境的變化要有一定適應能力等。這些新的要求用經(jīng)典理論是無法解決的，這同時也為現(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)濟實用的優(yōu)點是用于各種高層液體儲存的理想設備。

1  水位自動控制系統(tǒng)概述

    水塔水位控制系統(tǒng)采用交流電壓檢測水位，水位低于下限B點水位時，水泵抽水，水位達到最高水位線A時，水泵停止抽水，水位降低到最低水位線B以下時，恢復運行抽水。從而實現(xiàn)自動控制。

    該系統(tǒng)采用分立元件電路實現(xiàn)了水塔水位的自動控制，設計出一種低成本、高實用價值的水塔水位控制器。采用分立的電路實現(xiàn)超高、低水位處理，自動控制電機電路。依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(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,而自動控制原理,依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(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)過多次實驗證明，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)采用交流電壓檢測水位，當水位低于下限水位時，水泵抽水，水位達到上限水位時，水泵停止抽水，水位降低到下限水位時，恢復運行抽水。從而實現(xiàn)自動控制。

    該系統(tǒng)采用分立元件電路實現(xiàn)了水塔水位的自動控制，設計出一種低成本、高實用價值的水塔水位控制器。采用分立的電路實現(xiàn)超高、低水位處理，自動控制電機電路。

    它能自動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存的理想設備。

    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)測信號，模擬了水塔自動上水控制，當水池水位低于水池低位界面（s1為ON）時，電磁閥Y打開進水（Y為ON），定時器開始定時，4S后，如果S1還不為OFF，那么閥Y指示燈閃爍，表示閥Y沒有進水，出現(xiàn)故障，S3為ON后，閥Y關(guān)閉(Y為OFF)。當S1為OFF，且水塔水位低于水塔低位水位界時，S3為ON，水泵M運轉(zhuǎn)抽水。當水塔水位高于水塔高水位界時水泵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、水泵電機頻繁起動、耗電多、管網(wǎng)水壓不穩(wěn)、爆管現(xiàn)象頻繁、水漏失嚴重等缺點；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機的頻繁起動使設備故障率高，檢修、維護也存在困難。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實現(xiàn)了水塔水位的自動控制，設計出一種低成本、高實用價值的水塔水位控制器。系統(tǒng)具有水源檢測等功能。采用獨立的電路實現(xiàn)水位檢測處理，自動控制電機電路。它能自動完成上水、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，是適用于各種場合的理想設備。

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

    在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的基礎上，加入了PLC及液壓變送器等器件．利用PLC和組態(tài)軟件來實現(xiàn)水塔水位的控制．提供了一種實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，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定，但還需要進一步調(diào)整達到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動時，關(guān)閉出水口，用于動控制輸入控制液體閥，使水位達到滿水位的75%，然后打開出水口，同時輸入控制液體閥從手動方式切換到自動方式。這種切換由一個輸入的數(shù)字量控制。

    “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。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。當水位在低于C點時，水泵開始進水。當水位高于D點時，水泵停止進水。當水位低于C點并到達B點時就報警，采取手動啟動水泵。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。

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(guān)閉，只要按下報警確認開關(guān)，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(guān)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。

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、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)。

    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液壓變送器，將水位值變換為4～20mA電流信號進入PLC，把該信號和PLC中的設定值的程序進行比較，并執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對水塔中的水位進行自動控制。當PLC出現(xiàn)故障時，還有一套手動控制來進行對水塔水位控制。手動控制采用交流接觸器。

    上水箱液位低于Y3時，M1、M2同時工作，F(xiàn)2打開。液位上升至Y2時，M2停止，F(xiàn)2關(guān)閉，M1繼續(xù)工作。液位上升至Y1時，M1也停止。打開F1手閥使上水箱放水，液位下降。當液位又低于Y1時M1起動工作，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，M2啟動工作同時F2打開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0為下水箱缺水報警開關(guān)下水箱液位低于Y0時意味著水泵進水口缺水，此時應自動切斷電源并報警。

4  結(jié)論

    本文研究設計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現(xiàn)變頻驅(qū)動水泵電機無級調(diào)速,在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求,從而達到恒壓供水的目的，設計出一種低成本、高實用價值的水塔水位控制器。采用分立的電路實現(xiàn)超高、低水位處理，自動控制電機電路。它能自動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存的理想設備。