【文章內(nèi)容簡介】 的大規(guī)模開展 ，我國城市給水工程建設(shè)也得到了飛速發(fā)展。 舊式水位控制系統(tǒng)是通過繼電器接觸線路控制開停泵機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制 水箱 水位的。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是控制線路復(fù)雜，維護(hù)工作繁重，操作麻煩，可靠性低，故障率高，而且供水量的增加也增加了供水人員的數(shù)量以及勞動(dòng)量。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，可編程控制 單片機(jī) 已具有很強(qiáng)的通訊功能， 單片機(jī) 系統(tǒng)也從單機(jī)控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)、分散型控制系統(tǒng)，發(fā)展到遠(yuǎn)程 I/O控制系統(tǒng)。人們對(duì)供水系統(tǒng)的要求也越來越高如何及時(shí)、安全的供水成為不可避免的問題。能夠準(zhǔn)確有效的控制 水箱 水位達(dá)到供水要求就成為 供水系統(tǒng)急需解決的問題。 目前，水箱控制系統(tǒng)已不僅僅局限于大型的電廠、煤炭、鋼鐵等大型企業(yè)領(lǐng)域，它以自身的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全優(yōu)勢，已經(jīng)慢慢深入到一些民用水箱產(chǎn)品。但是目前階段，它的成本還很高。比如把一臺(tái)純手工家用水箱設(shè)計(jì)成自動(dòng)化控制的水箱，從硬件的設(shè)計(jì)和鋪設(shè)，對(duì)于民用化產(chǎn)品實(shí)施的性價(jià)比較高。因此大規(guī)模的使用仍受到經(jīng)濟(jì)上的限制。 但是，從長遠(yuǎn)來看，隨著自動(dòng)化技術(shù)的改進(jìn)和硬件成本的降低，以及人們對(duì)資源浪費(fèi)的重視。水箱控制系統(tǒng)仍然有大規(guī)模推廣的前景。 我國仍然處于生產(chǎn)型發(fā)展中國家，所有幾乎在能源相關(guān)的所有領(lǐng)域中 ，水箱是比不可少的部件，即使是發(fā)達(dá)國家也不例外。它性能的優(yōu)良與否關(guān)系直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)安全和效益。隨著我國嵌入式技術(shù)的發(fā)展，我國控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國際水平，但是在中小型企業(yè)以及民用產(chǎn)品，大量的水箱控制任然通過專職的人員進(jìn)行控制。隨著我國單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的逐漸成熟，以及單片機(jī)生產(chǎn)成本的下降，基于單片機(jī)的水箱控制系統(tǒng)應(yīng)用到中小型以及民用產(chǎn)品有著交大的發(fā)展空間。而且越來越多的水箱生產(chǎn)廠商開始聘用單片機(jī)開發(fā)人員和電路設(shè)計(jì)人員，將控制系統(tǒng)成為水箱設(shè)計(jì)的一部分，以提高自身產(chǎn)品的安全性能和科技含量來提高產(chǎn)品在市場中的競 爭力。 3 第二章 水箱控制基礎(chǔ)知識(shí) ZigBee 技術(shù) ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。 ZigBee 協(xié)議的概述 ZigBee堆棧是在 IEEE ，定義了協(xié)議的 MAC和 PHY層。 ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括 （該標(biāo)準(zhǔn)定義了 RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信）的 PHY和MAC層，以及 ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。 圖 21 ZigBeee 堆?？蚣? ZigBee 的主要特征 與其它無線通信協(xié)議相比， ZigBee 無線協(xié)議復(fù)雜性低、對(duì)資源要求少，主要有以下特點(diǎn)： （ 1） 低功耗：這是 ZigBee的一個(gè)顯著特點(diǎn)。由于工作周期短、收發(fā)信息功耗較低、以及采用了休眠機(jī)制， ZigBee終端僅需要兩節(jié)普通的五號(hào)干 電池 就可以 工作六個(gè)月到兩年。 （ 2） 低成本：協(xié)議簡單且所需的存儲(chǔ)空間小，這極大降低了 ZigBee的成本，每塊芯片的價(jià)格僅 2美元，而且 ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。 （ 3） 時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延為 30ms，休眠激活時(shí)延為 15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為 15ms。 （ 4） 傳輸范圍小：在不使用功率 放大器 的前提下， ZigBee節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍 一般為10至 75m，能覆蓋普通的家庭和辦公場所。 （ 5） 數(shù)據(jù)傳輸速率低： GHz 頻段為 250 kb/s， 915MHz 頻段為 40kb/s， 868MHz 頻段只有 20kb/s。 （ 6） 數(shù)據(jù)傳輸可靠 ： 由于 ZigBee 采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè) 4 務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，從而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。 MAC 層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，保證了節(jié)點(diǎn)之間傳輸信息的高可靠性。 zigbee 的應(yīng)用 ZigBee是一種基于 、 低傳輸速率、架構(gòu)簡單的短距離無線通信技術(shù)，它在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用正越來越引起業(yè)界的矚目。 Zigbee傳輸距離為數(shù)十米，使用頻段為免費(fèi)的 900MHz頻段，傳輸速率為 20kbps至 250kbps。 BobHeile 認(rèn)為，相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)， ZigBee 技術(shù)的低功耗、低速率是最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，這將成為未來 Zigbee 技術(shù)主要的發(fā)展方向。此外，Zigbee成本低、結(jié)構(gòu)簡單、耗電量小等特點(diǎn)，使得利用 Zigbee技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)具備省電、可靠、成本低、容量大、安全、自愈性強(qiáng)等諸多優(yōu) 勢，基于 Zigbee技術(shù)的網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)在組網(wǎng)和選擇網(wǎng)絡(luò)路徑時(shí)更加靈活、自由 。 ZigBee的出現(xiàn)將給人們的工作和生活帶來極大的方便和快捷，它以其低功耗、低速率、低成本的技術(shù)優(yōu)勢，適合的應(yīng)用領(lǐng)域主要有： 家庭和建筑物的自動(dòng)化控制：照明、空調(diào)、窗簾等家具設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以使其更加節(jié)能、便利，煙塵、有毒氣體探測器等可自動(dòng) 監(jiān)測 異常事件以提高安全性； 消費(fèi)性電子設(shè)備：電視、 DVD、 CD 機(jī)等 電器的遠(yuǎn)程遙控（含 ZigBee 功能的 手機(jī) 就可以支持主要遙控器功能）。 PC外設(shè)：無線鍵盤、鼠標(biāo)、游戲操縱桿等； 工業(yè)控制：利用傳感器和 ZigBee網(wǎng)絡(luò)使數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易； 醫(yī)療設(shè)備控制：醫(yī)療傳感器、病人的緊急呼叫按鈕等； 水箱 系統(tǒng)構(gòu)成及其控制 圖 22 水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng) M1: 水箱水位上限 ， 當(dāng)水箱水位達(dá)到此位置時(shí)液位傳感器將向單片機(jī)發(fā)出 最高水位信號(hào) 5 請(qǐng)求停止水泵工作 M2: 水箱水位 中 限 ， 當(dāng)水箱水位達(dá)到此位置說液位傳感器將向單片機(jī)發(fā)出低水位信號(hào)請(qǐng)求開啟水泵工作 M3: 水槽水位下限 ， 當(dāng)水箱水位達(dá)到此位置說液位傳感器將向單片機(jī)發(fā)出最低水位信號(hào)請(qǐng)求開啟水泵工作 M: 抽水泵 ， 當(dāng)水箱水位達(dá)到最低水位時(shí)單片機(jī)將開到抽水泵向水箱供水 Y: 補(bǔ)水泵 ， 當(dāng)水 槽 水位達(dá)到最低水位時(shí)單片機(jī)將開到抽水泵向水箱供水 原理 在控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，若水槽水位低于水槽最低水位時(shí)液位傳感器將水位信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)打開補(bǔ)水泵向水槽補(bǔ)水，當(dāng)水位達(dá)到水 槽最高水位時(shí)液位傳感器將水位信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)停止補(bǔ)水泵的工作，當(dāng)水箱水位達(dá)到最低水位時(shí)，液位傳感器將水位信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)向單片機(jī)輸出，單片機(jī)在收到信號(hào)后啟動(dòng)水泵向水箱加水，當(dāng)水箱水位達(dá)到最高水位時(shí)傳感器將水位信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)停止水泵的工作。 系統(tǒng)框圖 如下圖整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)水位傳感器，一臺(tái)單片機(jī)和一臺(tái)水泵以及若干部件組成。安裝于水箱上的傳感器將水箱的水位轉(zhuǎn)化成 15伏的電信號(hào)；電信號(hào)到達(dá)單片機(jī)將控制控制水泵的開關(guān)。水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)由 單片機(jī) !核心控制部件 高低位水箱的 水位檢測電路高低水位信號(hào)傳送給 單片機(jī) 水泵電動(dòng)機(jī)控制電路 單片機(jī) 控制啟停及主備切換 圖 23 系統(tǒng)組成框圖 在水箱水位檢測系統(tǒng)中通過超聲波液位傳感器將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入單片機(jī)中，在通過單片機(jī)控制水泵的啟動(dòng)或關(guān)閉。在系統(tǒng)運(yùn)行中當(dāng)水為低于最低值時(shí)單片機(jī)將啟動(dòng)水泵向水箱中加水，當(dāng)水箱中的水達(dá)到最高值時(shí)單片機(jī)使水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)即水泵停止向水箱供水。等到水箱水位再次達(dá)到控制最低水位時(shí) 系統(tǒng)再次重復(fù)這個(gè)過程 單片機(jī) 水箱水位檢測系統(tǒng) 水箱水位的實(shí)際高度 水泵 6 第 三 章 水箱 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 水泵電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) 給排水工程中常使用三相異步電動(dòng)機(jī)， 水泵上的電動(dòng)機(jī)一般都是單向旋轉(zhuǎn)有以下控制 在水箱水位檢測系統(tǒng)中通過水位傳感器檢測實(shí)際水位的高度，當(dāng)水位低于最低水位時(shí)向單片機(jī)發(fā)出信息啟動(dòng)水泵，經(jīng)過 5分鐘檢測水箱水位是否提高控制水泵的工作，當(dāng)水位達(dá)到最高水位時(shí)向單片機(jī)發(fā)出信息控制信息停止水泵工作。 供水系統(tǒng)的基本原理如圖 31 所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水箱中的水位傳感器，將水位值變換為電流信號(hào)進(jìn)入 單片機(jī) ，執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對(duì)水箱中的水位進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng) 單片機(jī) 出現(xiàn)故障時(shí)，還有一套手動(dòng)控制來進(jìn)行對(duì)水箱水位控 制。手動(dòng)控制采用交流接觸器。 圖 31 水泵電動(dòng)機(jī)控制圖 水泵啟動(dòng)工作：當(dāng)投入作為主電路電源開關(guān)的配線切斷器 MCCB時(shí)，在收到單片機(jī)的啟動(dòng)水泵指令后，電磁線圈 MC中有電流流過，電磁接觸器 MC運(yùn)行。當(dāng)電磁接觸器 MC運(yùn)行時(shí)，主電路的主觸點(diǎn) MC閉合，常閉觸點(diǎn) MCb打開，常開觸點(diǎn) MCm2閉合，當(dāng)主觸點(diǎn)閉合時(shí)，電源電壓施加到電動(dòng)機(jī) M上，開始運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)常閉觸點(diǎn) MCb打開時(shí)，綠燈 GNL中無電流流過，綠燈熄滅，當(dāng)常開觸點(diǎn) MCm2 閉合時(shí)，紅燈 RDL中有電流流過，紅燈點(diǎn)亮。 水泵停止工作：當(dāng)投入作為主電路電源 開關(guān)的配線切斷器 MCCB時(shí)，在收到單片機(jī)的停止水泵指令后，電磁線圈 MC中無電流流過，電磁接觸器 MC恢復(fù)。當(dāng)電磁接觸器 MC恢復(fù)時(shí)，主電路的主觸點(diǎn) MC打開，常閉觸點(diǎn) MCb閉合，常開觸點(diǎn) MCm2打開，當(dāng)主觸點(diǎn) MC打開時(shí)，電源電壓施不再施加到電動(dòng)機(jī) M上，電動(dòng)機(jī) M停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)常閉觸點(diǎn) MCB閉合時(shí)，綠燈 GNL中有電流流過，綠燈點(diǎn)亮，當(dāng)常開觸點(diǎn) MCm2打開時(shí)，紅燈 RDL中無電流流過，紅燈熄滅。 7 MCCB： Molded case circuit breakers 配線切斷器是把開閉機(jī)構(gòu)、后動(dòng)裝置等統(tǒng)一裝到絕 緣容器內(nèi)的部件，它是利用操作手柄對(duì)通常使用狀態(tài)的電路進(jìn)行開閉控制的。經(jīng)常應(yīng)用于電源電路的開閉中，當(dāng)發(fā)生過載、短路等情況時(shí)自動(dòng)地切斷電路。 MC： Electromagic contactors 所謂電磁接觸器，就是應(yīng)用電磁鐵對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行開閉控制的接觸器，主要用于電源電路的開閉。電磁接觸器有主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)構(gòu)成的觸點(diǎn)和電磁線圈與鐵心構(gòu)成的靠做電磁鐵部分組成。 THR: 熱敏繼電器（ thermal rekay） 是由加熱器部分和觸點(diǎn)機(jī)構(gòu)部分組成的。當(dāng)夠電流流過加熱部分時(shí)，雙金屬片因?yàn)槭軣岫l(fā)生彎曲，因 此觸點(diǎn)部分被打開而使電路得到保護(hù)。 水位傳感器的選擇： 根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求所選傳感器要求在水面和水底都可以使用，所以選擇超聲波液位傳感器U9ULS 系列的 U9ULS—— 10/100 系列。 U9ULS 系列超聲波液位傳感器開關(guān)使用范圍非常廣。本產(chǎn)品具有焊接的不銹鋼傳感器探頭，沒有縫隙不會(huì)泄露，另外沒有易損的活動(dòng)部件，故可承載非常高的溫度和壓力。它不會(huì)受溫度、壓力、密度和液體類型等參數(shù)的影響。在大多數(shù)情況下，電子設(shè)備放在鑄鋁的， NEMA 4/NEMA 7 防爆且防水的殼體中。 U9ULS 具有以下特點(diǎn)： 可應(yīng)用于多 種液體中 可承受高達(dá) 1000psi的壓力 不受氣泡、蒸汽、雜質(zhì)后湍流等因素的影響。 長度達(dá) 121in（ ） 可安裝在側(cè)面、頂部或底部 工作原理： U9ULS 系列是給予超聲波理論工作的。當(dāng)超聲波在空氣中傳播時(shí)，會(huì)被嚴(yán)重衰減 相反地，如果在液體中傳播時(shí)，超聲波的傳播會(huì)被大大增強(qiáng)。電 子控制單元發(fā)出一系列的電信號(hào)，傳感器將其轉(zhuǎn)化為超聲能量脈沖，并在被探測區(qū)內(nèi)傳播。當(dāng)另一端街道有效信號(hào)時(shí)，就發(fā)出數(shù)據(jù)有效的信號(hào)，表明有液體存在。這個(gè)信號(hào)輸送到繼電器，從而產(chǎn)生輸出信號(hào)。 U9ULS—— 100系列產(chǎn)品具有 性能優(yōu)異的傳感器探頭，可在溫度為 300F 和壓力為 1000PSI的情況下良好的工作。 U9ULS—— 10 系列產(chǎn)品為更靠近池底，將頂端的探頭設(shè)計(jì)成缺口形狀?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)成小型，密封的結(jié)構(gòu)，可安裝在遠(yuǎn)程的控制地點(diǎn)。 特點(diǎn)： 10A的繼電器輸出 115/230V AC， 12V DC 或 24V DC 輸入 高增益。無需效準(zhǔn)，工作溫度可達(dá) 300 長度可達(dá) 8 表 31 主要技術(shù)指標(biāo) 輸入電壓 115/230V AC， 50/60HZ 或 12/24V DC U9ULS— 10 系列增益 300： 1 U9ULS— 100 系列增益 1000： 1 U9ULS— 10 系列輸出 10 A DPDA繼電器滅火兩線制， 4mA干；20 mA 濕 U9ULS— 100 系列輸出 10 A DPDT繼電器 延時(shí) 重復(fù)性 2mm 外殼 NEMA 4/NEMA 7,防水防爆罩，環(huán)氧涂層，鑄鋁。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)過程建模 描述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)圖及語言描述）。 利用實(shí)驗(yàn)建模方法建立進(jìn)水流量和主管道流量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。要求寫出具體的建模步驟及結(jié)果。 利用實(shí)驗(yàn)建模方法建立進(jìn)水流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型 。要求寫出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線（ 2種不同幅值的階躍擾動(dòng)）。 利用實(shí)驗(yàn)建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。要求寫出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線（ 2種不同幅值的階躍擾動(dòng)）。 利用實(shí)驗(yàn)建模方法建立雙容水箱（上下串聯(lián)）的進(jìn)水流量（上水箱進(jìn)水）和水箱（下）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。要求寫出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線（ 2種不同幅值的階躍擾動(dòng)）。 實(shí)現(xiàn)單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畫出此單回路控制