【文章內容簡介】 的大規(guī)模開展 ，我國城市給水工程建設也得到了飛速發(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來實現(xiàn)控制 水箱 水位的。這種系統(tǒng)的缺點是控制線路復雜，維護工作繁重，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)量以及勞動量。隨著計算機網絡技術在工控領域的應用和發(fā)展，可編程控制 單片機 已具有很強的通訊功能， 單片機 系統(tǒng)也從單機控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)、分散型控制系統(tǒng)，發(fā)展到遠程 I/O控制系統(tǒng)。人們對供水系統(tǒng)的要求也越來越高如何及時、安全的供水成為不可避免的問題。能夠準確有效的控制 水箱 水位達到供水要求就成為 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)領域，它以自身的自動化控制系統(tǒng)的安全優(yōu)勢，已經慢慢深入到一些民用水箱產品。但是目前階段，它的成本還很高。比如把一臺純手工家用水箱設計成自動化控制的水箱，從硬件的設計和鋪設，對于民用化產品實施的性價比較高。因此大規(guī)模的使用仍受到經濟上的限制。 但是，從長遠來看，隨著自動化技術的改進和硬件成本的降低，以及人們對資源浪費的重視。水箱控制系統(tǒng)仍然有大規(guī)模推廣的前景。 我國仍然處于生產型發(fā)展中國家，所有幾乎在能源相關的所有領域中 ，水箱是比不可少的部件，即使是發(fā)達國家也不例外。它性能的優(yōu)良與否關系直接關系到企業(yè)的生產安全和效益。隨著我國嵌入式技術的發(fā)展，我國控制系統(tǒng)技術已經達到國際水平，但是在中小型企業(yè)以及民用產品，大量的水箱控制任然通過專職的人員進行控制。隨著我國單片機開發(fā)技術的逐漸成熟，以及單片機生產成本的下降，基于單片機的水箱控制系統(tǒng)應用到中小型以及民用產品有著交大的發(fā)展空間。而且越來越多的水箱生產廠商開始聘用單片機開發(fā)人員和電路設計人員，將控制系統(tǒng)成為水箱設計的一部分，以提高自身產品的安全性能和科技含量來提高產品在市場中的競 爭力。 3 第二章 水箱控制基礎知識 ZigBee 技術 ZigBee 技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數(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)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽谩? 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設備應該包括 （該標準定義了 RF射頻以及與相鄰設備之間的通信）的 PHY和MAC層，以及 ZigBee堆棧層：網絡層（ NWK）、應用層和安全服務提供層。 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)議復雜性低、對資源要求少，主要有以下特點： （ 1） 低功耗：這是 ZigBee的一個顯著特點。由于工作周期短、收發(fā)信息功耗較低、以及采用了休眠機制， ZigBee終端僅需要兩節(jié)普通的五號干 電池 就可以 工作六個月到兩年。 （ 2） 低成本：協(xié)議簡單且所需的存儲空間小，這極大降低了 ZigBee的成本，每塊芯片的價格僅 2美元，而且 ZigBee協(xié)議是免專利費的。 （ 3） 時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延為 30ms，休眠激活時延為 15ms，活動設備信道接入時延為 15ms。 （ 4） 傳輸范圍?。涸诓皇褂霉β?放大器 的前提下， ZigBee節(jié)點的有效傳輸范圍 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 采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè) 4 務預留了專用時隙，從而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。 MAC 層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，保證了節(jié)點之間傳輸信息的高可靠性。 zigbee 的應用 ZigBee是一種基于 、 低傳輸速率、架構簡單的短距離無線通信技術，它在自動控制領域的應用正越來越引起業(yè)界的矚目。 Zigbee傳輸距離為數(shù)十米，使用頻段為免費的 900MHz頻段，傳輸速率為 20kbps至 250kbps。 BobHeile 認為，相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術， ZigBee 技術的低功耗、低速率是最適合作為傳感器網絡的標準，這將成為未來 Zigbee 技術主要的發(fā)展方向。此外，Zigbee成本低、結構簡單、耗電量小等特點，使得利用 Zigbee技術組成的網絡具備省電、可靠、成本低、容量大、安全、自愈性強等諸多優(yōu) 勢，基于 Zigbee技術的網狀網結構在組網和選擇網絡路徑時更加靈活、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、低成本的技術優(yōu)勢，適合的應用領域主要有： 家庭和建筑物的自動化控制：照明、空調、窗簾等家具設備的遠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 監(jiān)測 異常事件以提高安全性； 消費性電子設備：電視、 DVD、 CD 機等 電器的遠程遙控（含 ZigBee 功能的 手機 就可以支持主要遙控器功能）。 PC外設：無線鍵盤、鼠標、游戲操縱桿等； 工業(yè)控制：利用傳感器和 ZigBee網絡使數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理變得更加容易； 醫(yī)療設備控制：醫(yī)療傳感器、病人的緊急呼叫按鈕等； 水箱 系統(tǒng)構成及其控制 圖 22 水箱水位自動控制系統(tǒng) M1: 水箱水位上限 ， 當水箱水位達到此位置時液位傳感器將向單片機發(fā)出 最高水位信號 5 請求停止水泵工作 M2: 水箱水位 中 限 ， 當水箱水位達到此位置說液位傳感器將向單片機發(fā)出低水位信號請求開啟水泵工作 M3: 水槽水位下限 ， 當水箱水位達到此位置說液位傳感器將向單片機發(fā)出最低水位信號請求開啟水泵工作 M: 抽水泵 ， 當水箱水位達到最低水位時單片機將開到抽水泵向水箱供水 Y: 補水泵 ， 當水 槽 水位達到最低水位時單片機將開到抽水泵向水箱供水 原理 在控制系統(tǒng)啟動后，若水槽水位低于水槽最低水位時液位傳感器將水位信號轉化為電信號向單片機發(fā)出信號，單片機根據(jù)此信號打開補水泵向水槽補水，當水位達到水 槽最高水位時液位傳感器將水位信號轉化為電信號向單片機發(fā)出信號停止補水泵的工作，當水箱水位達到最低水位時，液位傳感器將水位信號轉化為電信號向單片機輸出，單片機在收到信號后啟動水泵向水箱加水，當水箱水位達到最高水位時傳感器將水位信號轉化為電信號向單片機發(fā)出信號停止水泵的工作。 系統(tǒng)框圖 如下圖整個系統(tǒng)由一個水位傳感器，一臺單片機和一臺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化成 15伏的電信號；電信號到達單片機將控制控制水泵的開關。水箱水位自動控制系統(tǒng)由 單片機 !核心控制部件 高低位水箱的 水位檢測電路高低水位信號傳送給 單片機 水泵電動機控制電路 單片機 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轉換為電信號輸入單片機中，在通過單片機控制水泵的啟動或關閉。在系統(tǒng)運行中當水為低于最低值時單片機將啟動水泵向水箱中加水，當水箱中的水達到最高值時單片機使水泵停止運轉即水泵停止向水箱供水。等到水箱水位再次達到控制最低水位時 系統(tǒng)再次重復這個過程 單片機 水箱水位檢測系統(tǒng) 水箱水位的實際高度 水泵 6 第 三 章 水箱 水位自動控制系統(tǒng)設計 水泵電動機控制電路的設計 給排水工程中常使用三相異步電動機， 水泵上的電動機一般都是單向旋轉有以下控制 在水箱水位檢測系統(tǒng)中通過水位傳感器檢測實際水位的高度，當水位低于最低水位時向單片機發(fā)出信息啟動水泵，經過 5分鐘檢測水箱水位是否提高控制水泵的工作，當水位達到最高水位時向單片機發(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進入 單片機 ，執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關對水箱中的水位進行自動控制。當 單片機 出現(xiàn)故障時，還有一套手動控制來進行對水箱水位控 制。手動控制采用交流接觸器。 圖 31 水泵電動機控制圖 水泵啟動工作：當投入作為主電路電源開關的配線切斷器 MCCB時，在收到單片機的啟動水泵指令后，電磁線圈 MC中有電流流過，電磁接觸器 MC運行。當電磁接觸器 MC運行時，主電路的主觸點 MC閉合，常閉觸點 MCb打開，常開觸點 MCm2閉合，當主觸點閉合時，電源電壓施加到電動機 M上，開始運轉。當常閉觸點 MCb打開時，綠燈 GNL中無電流流過，綠燈熄滅，當常開觸點 MCm2 閉合時，紅燈 RDL中有電流流過，紅燈點亮。 水泵停止工作：當投入作為主電路電源 開關的配線切斷器 MCCB時，在收到單片機的停止水泵指令后，電磁線圈 MC中無電流流過，電磁接觸器 MC恢復。當電磁接觸器 MC恢復時，主電路的主觸點 MC打開，常閉觸點 MCb閉合，常開觸點 MCm2打開，當主觸點 MC打開時，電源電壓施不再施加到電動機 M上，電動機 M停止運轉。當常閉觸點 MCB閉合時，綠燈 GNL中有電流流過，綠燈點亮，當常開觸點 MCm2打開時，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構、后動裝置等統(tǒng)一裝到絕 緣容器內的部件，它是利用操作手柄對通常使用狀態(tài)的電路進行開閉控制的。經常應用于電源電路的開閉中，當發(fā)生過載、短路等情況時自動地切斷電路。 MC： Electromagic contactors 所謂電磁接觸器，就是應用電磁鐵對負載電流進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和輔助觸點構成的觸點和電磁線圈與鐵心構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機構部分組成的。當夠電流流過加熱部分時，雙金屬片因為受熱而發(fā)生彎曲，因 此觸點部分被打開而使電路得到保護。 水位傳感器的選擇： 根據(jù)本設計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使用范圍非常廣。本產品具有焊接的不銹鋼傳感器探頭，沒有縫隙不會泄露，另外沒有易損的活動部件，故可承載非常高的溫度和壓力。它不會受溫度、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： 可應用于多 種液體中 可承受高達 1000psi的壓力 不受氣泡、蒸汽、雜質后湍流等因素的影響。 長度達 121in（ ） 可安裝在側面、頂部或底部 工作原理： U9ULS 系列是給予超聲波理論工作的。當超聲波在空氣中傳播時，會被嚴重衰減 相反地，如果在液體中傳播時，超聲波的傳播會被大大增強。電 子控制單元發(fā)出一系列的電信號，傳感器將其轉化為超聲能量脈沖，并在被探測區(qū)內傳播。當另一端街道有效信號時，就發(fā)出數(shù)據(jù)有效的信號，表明有液體存在。這個信號輸送到繼電器，從而產生輸出信號。 U9ULS—— 100系列產品具有 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 系列產品為更靠近池底，將頂端的探頭設計成缺口形狀。控制電路設計成小型，密封的結構，可安裝在遠程的控制地點。 特點： 10A的繼電器輸出 115/230V AC， 12V DC 或 24V DC 輸入 高增益。無需效準，工作溫度可達 300 長度可達 8 表 31 主要技術指標 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 重復性 2mm 外殼 NEMA 4/NEMA 7,防水防爆罩，環(huán)氧涂層，鑄鋁。 實驗系統(tǒng)過程建模 描述實驗系統(tǒng)的總體結構（結構圖及語言描述）。 利用實驗建模方法建立進水流量和主管道流量之間關系的數(shù)學模型。要求寫出具體的建模步驟及結果。 利用實驗建模方法建立進水流量和水箱（上）液位之間關系的數(shù)學模型 。要求寫出具體的建模步驟及結果，記錄該對象的階躍響應曲線（ 2種不同幅值的階躍擾動）。 利用實驗建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之間關系的數(shù)學模型。要求寫出具體的建模步驟及結果，記錄該對象的階躍響應曲線（ 2種不同幅值的階躍擾動）。 利用實驗建模方法建立雙容水箱（上下串聯(lián)）的進水流量（上水箱進水）和水箱（下）液位之間關系的數(shù)學模型。要求寫出具體的建模步驟及結果，記錄該對象的階躍響應曲線（ 2種不同幅值的階躍擾動）。 實現(xiàn)單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)設計 畫出此單回路控制