智能水位监控系统（精选8篇）
智能水位监控系统 篇1
1 硬件设计
本设计欲实现水箱水位的液位控制, 首先必须获知目前的水位所处的一个状态。这里应用HC-SR04超声波测距模块通过超声波可以准确获知当前水位处于何种状态。从而将水位信息传送到以STC15F2K32S2单片机为中央数据处理单元, 进而控制水箱液位的高度变化。
单片机根据已经获知的水位状态, 水箱上标示出各种水位线, 可以通过STC15F2K32S2单片机设置用户想要的水位上限以及水位下限。可以实现与用户交互功能。并且, 如果水位达到报警值, 即水位过高或者过低, 就会发出报警信号, 报警信号就是蜂鸣器发出报警声音。如果水位低于水位下限, 单片机还将启动水泵控制模块从而启动水泵加水。然而, 在一般情况下单片机的输出电压仅为3.3V~5V, 想要实现驱动水泵, 还需要借助变压器连接电源才能够使水泵工作, 来实现大功率水泵加水功能。其硬件设计方案示意图如图1所示。
1.1 主控MCU电路接口设计。
主控MCU电路中一共有28个引脚, 其中P1.1~P1.7还有P5.4和P2.7还有P2.5是连接水位设置LED灯的引脚。P2.6是连接报警蜂鸣器的引脚, P2.0~P2.2是连接水位设置按钮的引脚, P3.6和P3.7是连接超声波测距模块的引脚, P3.2连接水泵控制模块的引脚, 还拥有一个VCC端和一个GND端。
1.2 超声波测距模块设计。
超声检测是五大常规无损检测技术之一, 是目前应用最广泛, 使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。超声波的指向性强, 在介质中可以传播的距离比较远, 因此超声波常用于各种距离的测量, 例如物位测量仪和测距仪等都是可以通过超声波技术来实现。利用超声波技术检测往往比较快速和方便、计算简单、易于做到实时控制, 并且在测量的精度方面还能达到很高的标准[1]。
1.3 按键电路设计。
本模块这里有着3个按键分别代表减小, 设置, 和增加三个按钮, 在实际操作过程中先点击第二个按钮 (设置键) , 然后开始设置水位下阈值, 10个LED灯开始显示。再通过减小或增加键来设置水位下限的高度, 这时LED灯显示出来的就是水位下阈值, 同理再次按下第二个按钮 (设置键) , 开始设置的就是水位上阈值同时用LED灯表示出来。当按键按下和地导通时, 即为有效。
1.4 水泵控制模块设计。
由于STC15F2K32S2单片机的输出电压为3.3V~5V, 拉电流约为5m A, 欲实现对水泵驱动, 则必须借助外界电源, 来实现大功率驱动水泵。一般由单片机驱动的元件, 例如本设计中选用的继电器, 其工作电流最小要求为0.4A~2A, 单片机提供的拉电流远不及其最小工作电流, 因此, STC15F2K32S2单片机必须通过三极管, 来间接驱动继电器, 以控制继电器的吸合与断开[2]。水泵驱动电路原理图如图2所示。
1.5 报警模块设计。
当水位状态达到上限阈值或者下限阈值时, 应发出报警信号, 告知用户当前水位已处于临界状态, 提醒用户应及时采取相应措施, 并且及时执行停止加水操作或者执行加水操作。在设计报警电路时, 希望能实现这样一个报警功能:开启蜂鸣器 (警铃) 。
2 水箱液位控制系统的软件设计
程序流程示意图是软件开发的必备之物, 是系统功能需求与程序代码之间的连接纽带[3]。本设计的程序流程图如图3所示。
首先, 水位报警控制系统上电之后, 第一步需要完成就是系统初始化工作, 主要包括:STC15F2K32S2单片机初始化、水位设置初始化、关闭 (继电器) 供水功能、关闭报警功能等。
接下来, 单片机读取与水位设置按钮相连接的P2.0~P2.2引脚的电平状态, 根据所获知的当前水位状态, 分别执行3种操作。具体操作如下:
2.1 当超声波测距模块检测到高水位报警信号时, 通过P2.0引脚可以将其转换为电平信号, 最终由STC15F2K32S2单片机接收其产生的超声波信号。在STC15F2K32S2单片机内部, 由软件来查询和鉴别以确定发出警报信号, 蜂鸣器发声。
2.2 当超声波测距模块检测到正常水位信号时, 可以将其转换为电平信号, 最终由单STC15F2K32S2片机接收其产生的超声波信号。在STC15F2K32S2单片机内部, 由软件来查询和鉴别以确定不发出警报信号, 水泵正常运行为工作状态。
2.3 当超声波测距模块检测到低水位报警信号时, 可以将其转换为电平信号, 最终由STC15F2K32S2单片机接收其产生的超声波信号。在单片机内部, 由软件来查询和鉴别以确定发出警报信号另外, STC15F2K32S2单片机启动水泵开始加水, 直到加到高水位关闭水泵。
最后, 单片机执行完相应操作之后, 超声波测距模块继续读取当前水位状态, 再执行相应操作, 如此循环进行, 以实现水位的实时监控。
摘要：设计了一种对水箱水位进行控制的智能系统。在日常生活中, 智能水箱广泛应用于各个领域。本次设计实验通过单片机来实现一种具有水位显示、水位控制、报警提醒的智能水箱系统。
关键词：水位控制,单片机,水位显示
参考文献
[1]吴斌方, 刘民.超声波测距传感器的研究[J].湖北工学院学报, 2004 (6) :26-28.
[2]李光友, 王建民, 孙雨萍.控制电机[M].北京:机械工业出版社, 2008:79-101.
[3]许江淳.单片机测控技术应用实例解析[M].北京:中国电力出版社, 2010:159-166.
智能水位监控系统 篇2
由设备表可知，所有的设备都是简单而常用的小型设备，价格低廉，控制和维护简单易于掌握，对远离城市的偏远地区非常适用。传统的水位控制系统通常使用传感器进行上、下限控制，以保证水位在上、下限之间。此设计中只用三根导线来代替传感器放置在上、下限水位之间，利用水的导电特性完成上、下限水位的自动控制，节省了购买传感器的费用，也不必考虑传感器的故障，进一步降低成本，提高系统的可靠性。
常见的生活用水供应系统工作形式是由外来补充水源（一次水源）向一个高位水塔和一个低位水池补水，再由高位水塔和低位水池（二次水源）向各用户供水。此设计主要考虑针对家庭供水系统（或者某些单独取用水之处），因此只需用（储）水箱而非水塔供水。系统供水是由水箱直接供应，不用考虑由位置高度所形成的压力来进行供水，不用气压供水，不必在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在厨房或需用水的地方放置一足够大的（储）水箱即可满足供水要求。
3水箱水位自动控制系统的控制原理
该水箱水位自动控制系统结构简单，控制原理如下：系统上电后，交流电源经整流、滤波、稳压后，由电位器调节获得12V直流工作电压。当水箱水位低于下限时，接触器线圈失电，其常闭触头使水泵接通工作，抽水到水箱中；当水位上升到上限时，接触器线圈得电，常闭触头断开，常开触头闭合，水泵停止抽水。
V1、V2用来保护LM317输出端电压为安全电压，使其免受短路电流的影响；V3用来保护三极管，同时避免触电事故的发生。水位的上、下限可通过调整三根导线的位置设定。
4测试应用
该设计经安装调试，结合实验室给排水系统进行测试，效果良好。正式应用于某乡镇几个家庭的日常用水装置中已将近两年，至今未发生故障。该系统在运行期间稳定性高，完全符合预先规定的标准，只需将控制电路稳压输出调整在10V-12V之间，可投入使用。可用交流变压器供电，也可以用直流供电。
5结束语
设计的水箱水位控制系统因价格便宜，结构简单，使用方便，不易发生故障，可用于要求不高的给排水系统中，特别适用于城镇及偏远山区取水装置。
参考文献：
[1]布挺，王帆.基于西门子PLC的水塔水位自动控制系统[J].科技信息，第12期.
[2]曹琦.一种节能的变压变频供水系统[J].变频器世界，（7）：133-137.
智能式水位实时检测系统的研制 篇3
本文介绍的智能式水位实时检测系统主要用于水位实时检测记录,适合于野外江河等自然水位或灌区水位检测,为实现水库水位调度自动化及排涝灌溉泵站的自动化提供技术支持。系统主要由下位机和上位机两部分组成,下位机完成对水位高度的实时检测、数据处理、贮存及与上位机之间的串行通信,上位机主要完成采集数据的传输、处理、汇总和分析。实时时钟、采样时间间隔、系统线性误差及传感器非线性误差修正系数等参数均由上位机设定或修正,并通过串行中断的方式现实上下位机的通信连接[1]。
1 硬件系统结构
1.1 单片机及外围线路原理
水位检测系统下位机的单片机及外围线路原理图如图1所示。其中单片机选择了PHILIPS公司近期推出51LPC系列中的P87LPC764 OTP单片机,该系列单片机采用80C51改进型MCU、增加了WDT看门狗、I2C总线及PWM输出[2]。
存储器选用了新型、大容量Flash:MM36SB020。MM36SB020是MEGAWIN公司生产的低功耗、大容量串行e-Flash存储器。存储空间为2Mbits,由52048个页面组成,每个页面为128字节。
实时时钟芯片选用了PCF8563,低工作电流:典型值为0.25μA,大工作电压范围:1.0~5.5V,所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。
由于P87LPC764为非总线结构,因此A/D转换器选择了八位三线串行A/D转换器TLC8031CP,其分辨率为1/25,。达到了系统技术指标的要求。同时选择了MAX6129_EUK25-T超低功耗、串联型电压基准为A/D提供2.5V基准电压。该串联模式电压基准有2.5V至12.6V宽电源电压范围、5.25µA(最大)超低电源电流和200mV低压差特性使其器件非常适合电池供电系统。
RS232串口驱动芯片采用了MAX232并通过串行中断的方式现实上下位机的通信连接。
1.2 传感器及信号调理电路
水位传感器选用Motorola公司的高精度X型硅压力传感器[3]。传感器的信号调理电路如图2所示,水位信号经MPX压力传感器变为电信号,再送入放大电路,进行调理后输出到A/D模数转换。
信号调理电路的工作电源VDD2由间隙性工作的电源管理线路提供,而MPX压力传感器的工作电压由HT7130-1电压调整器调整成3V电压提供。
放大器采用三个OP07运算放大器,它组成一个仪表放大电路,具有高差模增益和高共模抑制比,输入阻抗高。差模放大主要由AR2完成,AR1、AR3为电压跟随器,线路要求R5=R7,R6=R8,并要求有较高的一致性,线路的增益GAIN=R6/R5。
1.3 电源管理及信号采集
由于实时时钟芯片及掉电状态下的单片机应处于长期的电源供电状态。而其它线路处在间隙性工作状态,以延长蓄电池的工作时间,因此采用了间隙电源管理方式,如图3所示。
其间隙性时间长短由实时时钟芯片PCF8563的8位的倒计数器定时产生,每次计数结束,产生一个中断(INT),每个计数周期产生一个脉冲作为中断信号,用于对进入掉电状态的P87LPC764进行中断唤醒,控制图3中的T1 5551三极管导通,VDD2上电,进行一次水位数据采集及存贮。最长采集间隙周期为4小时,而系统的最小采样周期为1分钟。
由于间隙数据采集的特点,在上电后,必须等传感器处于稳定工作状态后,才可采样,因此必须进行一定的延时稳定。
2 下位机软件设计
下位机软件的设计主要包括主程序及串口中断服务程序的设计。主程序流程主要包括VDD2上电延时、PCF8563时钟信号读取及贮存、水位数据采样及处理、PCF8563计数定时启动、掉电状态进入程序、掉电状态中断唤醒程序等模块组成[4]。
水位数据一次采样采集10个水位数据,软件滤波、误差修正后,送存储器保存。间隙性时间长短由实时时钟芯片PCF8563的8位的计数器定时产生,其最长定时时间为255分钟,而最小定时时间设计为1分钟采集一次。
3 上位机软件设计
上位机软件设计主要包括利用Mscomm控件实现RS232串口的数据通信;水位数据采集、传输、保存、查询;利用picture控件实现水位历史数据的曲线绘制;下位机实时时钟设置、水位采集时间间隔设置、系统误差修正、传感器误差修正等模块。
3.1 Mscomm串口通信软件设计
Mscomm控件可提供两种处理通信方式:事件驱动方式及查询方式。本系统采用事件驱动方式,实现接收下位机器从串口传输的数据和对下位机的参数设置。事件驱动方式相当于程序中断方式,当串口发生事件或错误时,Mscomm控件会产生Mscomm事件,用户可以捕获该事件进行处理[5]。
3.2 上下位机交互软件模块设计
上位机与下位机交互的软件模块有:联机测试模块、下位机的参数设定模块(包括下位机时间设定、下位机水位数据记录清除、下位机零点水位的标定、水位采集时间间隔的设定)、误差修正模块、上传下位机水位数据模块。
3.3 水位记录查询模块设计
在水位记录查询模块中,可以选择某一天的某一时间点的水位历史数据进行查询。该模块通过Datacom控件进行日期和时间的选择,确定要查询的某天的那个水位采集时间点,然后水位数据会在“数据记录”栏中显示。
4 结束语
智能水位实时检测系统实现了以下的主要功能及技术指标:
1)通过微功耗及间隙性工作控制技术,采用一个6V/4A的蓄电池供电,能连续正常工作6个月时间。
2)在5分钟采集时间间隔情况下,可贮存6个月的水位实时数据。
3)采集时间间隔可通过上位机设置,设置时间范围:1—255分钟。
4)具有系统误差及传感器非线性误差修正功能,其中系统误差修正可在检测现场进行。
5)通过上位机软件可进行历史数据查询、分析及打印。
摘要：通过对PHILIPS公司P87LPC764 OTP单片机的开发应用,研制了智能式水位实时检测系统,重点阐述了单片机及外围线路、传感器选型及信号调理、电源管理等硬件线路设计,并对单片机下位机及上位机数据采集的软件设计进行介绍。
关键词：水位实时检测,压力传感器,单片机,软件设计
参考文献
[1]蔡勇,周明耀.灌区量水实用技术指南[M].北京:中国水利水电出版社.2001.
[2]周航慈,周立功,等.PHILIPS51LPC系列单片机机原理及应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社.2001.
[3]龚沛曾,陆慰民,杨志强.VisualBasic程序设计简明教程(第二版)[M].高等教育出版社,2003.
智能水位监控系统 篇4
我国是一个水资源相对匮乏的国家,人均占水量仅有2 300m3; 是世界人均用水的1 /4。在全国总用水当中,农业用水就占73% ,且有效利用率差,浪费严重[1]。我国灌溉水的利用率只有30% ~ 40% ,而发达国家可达70% ~ 80%[2],与发达国家相比还有较大差距。因此,采取一切提高水资源利用率的方法来保障粮食安全生产已成为我们每个人的责任和义务[3]。
鉴于以上原因,本文设计的智能水田水位控制器可通过对水位高度信息进行采集,校准节气时间,针对水稻不同叶龄期[4]进行自动灌水、排水。为了保障粮食产量,农户需要时刻关注水田的水位、水温及作物长势等信息。由于采用有线数据传输存在布线困难、费用高、线路易损坏及维护困难的劣势,本文利用Xbee无线通讯模块来解决此问题。Xbee被设计成Zig Bee协议下的无线传感器网络,可实现自组网,并具有低功耗、传输距离远的特点,能够快速、稳定地实现数据和控制信号传输。
1 硬件设计
11总体方案设计
智能水田水位控制器主要包括格田控制器和手持终端两部分。格田控制器由单片机、电源模块、XBee无线通讯模 块、超声波模 块、温度传感 器模块、12V20AH的蓄电池及控制阀组成。超声波液位传感器和温度传感器对水位和水温信息进行采集,采集完成后单片机对超声波液位传感器和温度传感器进行解析,将水位、水温信息上传至手持终端设备,并根据水田所需水位控制阀门开关。电源采用12V20AH的蓄电池保障阀的稳定运转。手持终端采用7寸液晶触摸屏,内部嵌入ARM7芯片,具有运算速度快、功耗低等特点。整体控制系统硬件原理图如图1所示。
1. 2 设备选取
为了实现系统的稳定运行,需对智能水田水位控制器的元器件进行选取。格田控制器部分选用STC公司生产的具有双串口STC12C5A60S2单片机作为主控处理器,在控制系统中接收手持终端设备发来的指令信号并将格田控制器采集完成的水田数据和阀的信息上传给手持终端。因此,选用双串口单片机控制芯片可以简化软件编程的过程。选用Xbee通讯模块作为控制阀与手持终端的无线通讯芯片,其单跳距离达10km,能解决水田管理中信号受障碍物遮挡,通讯距离受限等无线传输问题。手持终端选 用嵌入以ARM7为核心控制器的触摸屏,具有运算速度快的特点,其自带WIN. CE系统更加方便软件程序的编写。
1. 2. 1 Xbee 无线通讯模块
Xbee被设计成运行在Zig Bee协议下的无线传感器网络[5]。Xbee模块只需少量电量就提供了远程设备间的数据传递。选择Xbee作为水田水位控制器通信模块的主要原因是其具有低功耗、低成本、可靠性高及高性能等一系列优点。Xbee的封装形式无需要添加任何驱动程序,在配对成功后可直接进行数据传输,使用方便快捷,且小尺寸设计在保证高可高性的同时节省了空间。Xbee的应用电路如图2所示。
1. 2. 2 LJD - e Win7000Ls 触摸屏
智能水田水位控制器的手持终端设备采用LJD e Win7000Ls触摸屏。该设备支持多任务切换,主要用于可控制系统平台上的人机界面。目前,通常采用的人机界面大多是组态或类似模式,虽然这种模式显示方便,操作简单,但具有一 定的局限 性LJD e Win7000Ls触摸屏基于EVC或Visual Studio使用的语言,可使用BASIC,C#或是VC + + ,因此在可编写出更加完善的人机界面系统的同时更具有强大的移植性。
LJD - e Win7000Ls触摸屏具有超高集成度,自带完整的嵌入式结构,方便用户现场安装固定,其特点如下:
1) 接口丰富,带有USB DVICE、USB HOST、SD卡等接口。
2) 采用低功耗32位高速ARM芯片构成,主频为400MHz;
3 ) 系统内存 为SDRAM 64MB、NAND FLASH128M。
4) 采用7寸高清彩数字屏,输出分辩率为800×480,带有LED背光。
5) 可直接支持四线电阻式触摸,精确方便。
6) 带有2个RS232借口和1个RS485接口,可以和PC或者单片机、PIC、AVR、DSP等控制芯片等完美结合。
1. 2. 3 传感器选择
智能水田灌溉系统需要对格田的水温、水位信息进行采集,所以传感器的选择必不可少。目前常用的温度传感器有热电偶温度传感器、集成温度传感器及模拟集成温度传感器,选择传感器是应按照稳定性、精度、灵敏度及安装环境依次排列的进行选择。本设计选用DS18B20数字型温度传感器,此无需AD转换,具有体积小、抗干扰能力抢、精度高的特点,该传感器是智能水 田灌溉系 统采集水 温的最佳 选择。DS18B20的硬件结构图如图3所示。
常用的测量水位的设备和传感器种类繁多,根据农田实际环境,本控制系统选用超声波液位传感器为测量格田水位的元器件。由于发生的超声波脉冲有一定的宽度,使距离传感器较近小段区域内的反射波与发射波向重叠,无法识别,应在安装时留有一定的发射开角。超声波在空气中有一定的衰减,所以反馈信号的大小与液面位置有关: 液面位置越高信号越大,反之则信号越小。将接收后的信号进行放大、整流从而实现格田水位的采集。超声波时序图如图4所示。
1. 3 阀门设计
根据智能水田水位控制器应用的现场应用环境,对于格田控制器的阀门设计应达到成本低廉、防水、防潮及阀门动作迅速的要求,同时还需要方便安装、拆卸,便于第2年继续投入使用。
为了让格田控制器能够做到自身防水防潮,并且能将水有效地拦截,阀的外表和闸板采用硬塑制作而成,内部核心轴承( 驱动杆,阀门固定杆) 由不锈钢制作而成。将橡胶包裹在阀门边框的四周,避免材料变形时,发生挡水板漏水的情况。
为了保障格田控制器的长久稳定运行,阀门动作采用12V20Ah的可充电蓄电池进行供电。将12V减速直流电机与驱动杆对接,通过电机的正反转来实现阀门开启和关闭,同时阀门内部留有一部分空间为排除淤泥和草棍做了充分的准备。图5为采用SOLIDWORKS软件绘制的格田控制器阀门的结构示意图。
2 软件设计
2. 1 控制阀程序
智能水田水位控制器下位机部分的编写语言为C语言,控制系统由主程序、信号采集程序、中断程序,以及实现不同功能的子程序组成。通过对超声波模块采集的信号进行解析,控制下位机的阀门开关; 把温度传感器采集的信息通过Xbee无线通讯模块上传至手持终端,同时接收手持终端的对下位机的操作指令。软件流程图如图6所示。
2. 2 手持终端程序
手持终端触摸屏主板上设有两个RS232接口和一个RS485接口。将Xbee与RS232接口相连接,通过Visual Studio软件编写操作程序,实现生成设备编号,采集设置农田水位高度,采集农田水位、水温信息,时间日期校准与设定,以及存储数据等功能。手持终端控制流程图如7所示。
2. 3 Xbee 网络节点的参数配置
Xbee无线模块自带Zig Bee协议栈的程序,只需利用程序来改变模块参数就可实现自组网通信[6]。在本设计中采用4块Xbee收发模块,将1块设置成路由器,另外3块设置成终端。通过X - CTU软件对这一对Xbee模块进行设置,ID是局域网的标识符,在同一网络下ID需要相同,NI是节点标识符,利用它来配置远程地址; JN是允许加入网络使能端; SP是睡眠周期,路由器需要设置为0,持续工作,接收模块可以睡眠; SN是循环周期数,作用是计算机终端向前一级节点反馈时间,如果大于这个时间,终端将离开上级节点找新的节点。Xbee配置参数如表1所示。
所有模块的初始目标地址如下所示:
DH( Destination address high) = RT: 13A200; R1:13A200; R2: 13A200; R3: 13A200
DL( Destination address low) = RT: 40A8CE13; R1:40A8CDF8; R2: 409B23C6; R3: 40A48A49
3 实验调试
在实验过程中,选用了3块田地,温度传感器和超声波液位传感器把水田的水温以及水位高度信息采集成后,由Xbee无线模块把数据送入手持终端; 手持终端可以显示全部田地的信息,双击任意一块田地进入单一田地监控模式。手持终端可以完成存储 /读取历史数据、打开阀门、关闭阀门、打开所有阀、关闭所有阀、对农田编号管理和显示所有信息的功能。系统的界面可以显示12块田地,本实验只选用3块田地作为实验样本,监控界面如图8所示。
双击任意一块田进入对单一水田进行监控模式,单一监控模式可更加详细地了解水田和下位机的各个参数信息。其显示的信息有: 设备编号、水位高度、水温度、水渠的水位高度、阀状态、控水高度、电机状态、报警信息及电池电量的信息。点击退出窗口则返回上级监控画面,如图9所示。
4 结论
目前,我国大部分农户对农田的水位管理还限于人工灌、排水的方法,只有少数农户选用有线电动阀来进行农田管理,但存在造价昂贵,安装、维护不便,布线困难。智能水田水位控制器不仅安装简单方便,且省去了布线环节且成本低廉,同时实现了自动管理水田的水位; 并可通过Xbee无线通讯模块传输数据对水田主要参数进行检测、采集,对异常情况及时报警,以消除安全隐患。本设计极大的改善了我国水田人工灌溉的现状,提高农田管理水平并实现水资源高效利用,为水田灌溉的自动化管理提供服务。经实验表明: 其性能稳定,运行可靠,系统界面友好,操作简单,具有较高的实用价值。
摘要：设计了一种基于Xbee的智能水田灌溉控制系统,该系统可以根据水稻不同生长时期的需水量自动调节格田水位。控制系统由格田控制器和手持终端组成:控制器对水温、水位、阀运行状态、剩余电量等相关信息进行采集,并通过Xbee无线传输模块发送到手持终端设备;手持终端设备对数据进行存储及处理,然后向控制器发送阀门的控制信号并自动建立数据库生成数据报表。农户可对数据库进行访问、排序、查询,从而实现格田的智能灌溉和远程监控。
智能水位监控系统 篇5
1 锅炉缺水与满水
锅炉安全运行必须保持水位正常, 避免产生缺水和满水事故。当水位表中的水位低于最低安全水位时, 称为锅炉缺水事故。由于缺水原因造成的锅炉事故占很大比例, 锅炉爆炸的主要原因之一也是缺水, 因此锅炉运行时必须杜绝锅炉缺水事故。当水位表中的水位超过最高安全水位时, 称为满水事故。发生锅炉满水事故时, 锅筒蒸汽空间缩小, 不但使蒸汽大量带水影响蒸汽品质, 严重时还会造成蒸汽管道水击事故。因此锅炉运行时, 既要保证生产运行所需的用汽量, 又要保证锅炉的安全运行, 这就必须将水位控制在一定的范围内。
2 高低水位报警装置
锅炉的高低水位报警装置的作用是为了将锅炉的水位控制在一定的范围内。它的工作原理是利用锅筒和报警器内水位的联通性, 造成报警器的电气元件相应上、下移动与警报装置形成闭合回路。高低水位报警器的形式多样, 运用最广泛的是电极式高低水位报警装置。电极式水位报警器主要由一组高、低水位电极以及附属电气部分组成, 高低水位电极的末端分别在锅位最高和最低安全水位上。锅内的水位上升或下降至安全水位线时, 电极与炉水接触或脱开, 使接触回路电源导通或切断, 从而发出警报。常用的警报信号有灯信号、音信号和音灯混合信号, 可以与锅炉运行的鼓引风机构、给水机构等形成成联锁装置, 共同控制锅炉的运行。
3 SK-2智能高低水位报警装置
SK-2智能高低水位报警装置是一款简单实用的高低水位报警装置, 它针对小型蒸汽的锅炉使用特点而研创的。小型蒸汽锅炉在近年来使用越来越广泛, 而《蒸规》对小于2t/h的锅炉高低水位报警装置没有特殊要求。《锅规》中对于所有的蒸汽锅炉都要求有高低水位报警装置, 这增加了锅炉的使用成本。SK-2智能高低水位报警装置简单实用而且可靠, 成本低廉, 可广泛用于小型蒸汽锅炉中。图1为电源及硬件复位原理图, 图2为控制面板图。
SK-2智能高低水位报警的集成CPU从水位控制系统中获取指令, 放入指令寄存器, 并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作, 然后发出“注水”、“缺水”指令, 快速有效的执行微操作系列, 从而完成高低水位的控制。界面中的“电源”、“注水”、“缺水”三种灯:当报警装置电源接通时“电源”灯亮;当锅炉在进水时, “注水”灯亮, 停止进水时, 该灯熄灭;当锅炉水位低于低 (L) 点时, “缺水”灯亮, 锅炉水位上高于低 (L) 点时, 该灯熄灭。
“H”、“M”、“L”水位灯:表明锅炉内高 (H) 、中 (M) 、低 (L) 三点水位状态。哪点水位接点接触到水, 相应的灯就会亮, 否则就会熄灭。
结语
SK-2智能高低水位报警装置是新形势下适应新《锅规》而研发的产品, 它构造简单、操作方便、使用安全可靠。未来将在小型蒸汽锅炉系统控制中得到较好的应用。
摘要：《锅炉安全技术监察规程》对锅炉的高低水位报警装置提出了新的要求, 本介绍了一种新型的安全可靠的适应小型蒸汽锅炉的高低水位报警装置, 实践证明SK-2智能高低水位报警装置操作方便、使用安全可靠, 未来将在锅炉控制系统中得到广泛的运用。
关键词：锅炉,高低水位,报警装置
参考文献
[1]TSG G0001-2012, 锅炉安全技术监察规程[S].
远程水位监控系统设计与开发 篇6
对生产或设备运行的监测, 一般都需工作人员借助仪器仪表来就近监视作业情况, 凭直观作出决策判断。但如果现场设备运行环境比较恶劣或者生产过程分布的广, 相距遥远, 如果沿用就近监视的办法, 不仅有诸多不便, 在技术上和经济上都是不足取的。为了适应这种客观需要, 逐步发展了远程监控技术, 就是应用通信技术对远方的运行设备进行监视, 以实现远程测量, 远程传输和远程调节等各项功能。远程水位监控系统的设计就是利用无线数传模块, 结合单片机控制, 以无线的方式进行信号的远程传输, 简单灵活, 实用可靠。
1 总体设计方案
总体设计方案如图1所示。
其工作原理为:液位到达设定的液位检测高度后, 线路接通, 检测点电平为低。通过电流环将液位状态信息传给发送端的89C2051单片机, 89C2051随后将该状态信息传送到发送模块, 接收模块将接收到的数据信息送给89C51单片机, 89C51将信息处理后通过LED点阵显示出来, 相关管理人员通过LED点阵显示就可以判断液面是否达到了警戒线或者是液压不够等。
接收模块是本系统的核心部件, 所选用的是一款Jammy (捷麦) 公司的产品无线数传模块, 型号为C11。它包括一个发送模块 (缩写为:C11T) 和一个接收模块 (缩写为:C11R) , 单发单收, 分别与各自的控制电路相接后即可进行无线收发工作。该模块的额定工作频段为145.150 MHz, 通信速率为1 200 bps;通信格式采用异步通信, 1个起始位, 8个数据位, 1个停止位, 额定工作电源为DC6 V且发送模块及接收模块引脚结构完全相同。各引脚如图2所示。
其主要引脚介绍如下:
串口输入输出:RX为模块串行数据输入 (接上位机TXD) ;TX为模块串行数据输出 (接上位机RXD) 。
串口数据指示线:DTR:数据性质指示, 方向是上位机→模块;DSR:数据性质指示, 方向是模块→上位机。
PB5-PB8为可编程的开关量输入输出端口。
接收部分的控制器则选用89C51, 主要作用是将接收模块传来的数据信息存储并显示。模块与控制器之间通信的内容有两类, 一类是数据, 一类是命令。数据指的是通过无线发送和接收过程, 再由接收模块传送给其对应的控制器的信息。命令则是指上位机通过串口, 发送给模块让模块执行一定的动作或模块传送给控制器报送模块内的一些参数或者状态的数据信息。特别值得注意的是, 当控制器向模块传送信息时, 若传送的信息为命令, 则必须将模块的DTR端置为逻辑“0”;若传送的信息为数据, 则必须将模块的DTR端置为逻辑“1”。控制器对无线模块的控制是通过专用的控制指令来实现的, 其指令非常简单。
2 硬件电路设计
针对远程水位监测设计出一点对点无线收发监测装置, 可对16路液位状态进行检测。检测端通过电流环将液位状态信息传给发送端的89C2051单片机, 89C2051随后将该状态信息传送到发送模块C11T, 由发送模块C11T将数据信息远程传送给C11R。
接收端89C51将接收模块C11R传过来的状态数据信息存储并转换后通过LED点阵显示出来, 相关管理人员通过LED点阵显示就可以判断液面是否达到了警戒线或者是液压不够等。
接收端电路采用了74FS574锁存器, 要使其正常工作, 输出端应与89C51端之间接一反相器。为了以后大规模接收的需要, 可以采用LED点阵显示, 利用3-8译码器进行扩展选通每一列扫描线。发送端和接收端电路都采用了Maxim公司的MAX813看门狗, 以防止程序跑飞。本系统可以监测16路信号, 假如检测输入部分通道不够的话, 还可以通过在发送端选用其他I/O口较多的单片机并扩展I/O口来实现。发送和接收电路跟无线模块引出的四条通信线直接相连, 进行点对点的通信。类似地还可以采用多点发一点收的组网方式来对更多个检测点进行监测。
3 软件设计
模块初始化子程序主要是利用模块自带控制指令对模块身份地址和目的地址进行设置等工作, 也可以通过Jammy (捷麦) 公司提供的调试软件对模块进行初始化设置, 利用该软件可对C11R或C11T的4个开关量端口状态进行点对点设置。
特别注意在对模块进行初始化时, 控制器必须先将收接模块的DTR端置“0”。发送指令时应先发D7H然后发送后面的命令字节。控制器通过串口依次发送D7H F5H××H, ××H格式命令可设置身份地址;依次发送D7H E1H××H××H格式命令可设置目的地址。若将发送模块的身份地址设为0001, 目的地址设为0002准备无线发送数据时, 发送端控制器必须先将接模块的DTR端置“1”。
按照以上硬件电路设计, 对系统软件编程的基本思路是每隔2 s发送端控制器接收检测部分传来的状态信息, 并存储到固定地址中后准备发送。此处存储16路开关量信号。由于可能在发送过程中会有少量的误码产生, 故需在接收端由控制器查询CRC校验结果。此外, 程序设计还考虑了今后硬件检测点增多后传送多个字节的状况, 只需对其略加修改即可。
假如一次发送多个字节, 发送过程中可能会有数据丢失现象。但是判断数据丢失之前需要判断这次发送过程是否完成了。对此在程序设计中采取超时处理的方法:发送端每隔2 s检测一次开关量状态, 并将检测来的多个状态字节存储到固定地址中, 然后开始发送。每隔5～10 ms发送一个字节, 这样全部发送完也只需几十个毫秒的时间。接收端只要在超过这几十个毫秒的时间后去判断数据是否发送完, 就可以知道发送过程中是否有数据丢失现象。按照该方法, 接收端只需在第一个字节接收到的同时打开定时器进行计时 (发送数据较少时, 定时时间一般为100～200 ms) , 此后在每次数据来临前查询定时器是否溢出。假如定时器没有溢出且数据没有完全发送完则继续等待接收数据。若定时器溢出, 程序查询数据是否发送完, 没有发送完则表示在这次发送过程中有数据丢失, LED点阵继续显示上次的状态并等待下一次接收的到来。若是在发送过程中, 接收端查询到已经收到了预期的状态字节个数, 则关闭定时器提前结束计时, 转向CRC校验, 假若校验结果正确, 则显示这次接收的结果。若错误, 则继续显示上次的状态并等待下一次接收的到来。
4 结语
恒水位控制系统改造 篇7
曲靖卷烟厂的供水系统如图1所示, 三台水泵将蓄水池中的水加压后供生产、消防、生活和绿化用水, 系统中并联35m水塔, 起到稳定供水压力、高峰期补水的作用。水泵的启停由35m水塔浮子开关控制, 水位在400mm以下时水泵启动, 水位达到2200mm以上时水泵停止, 三台水泵由软启动器驱动。
供水系统存在的问题是:
(1) 水泵启动的瞬间, 对电网造成一定的冲击。水泵启动时, 易产生水锤效应, 对加压管道和水塔出水单向阀造成较大的冲击, 破坏性大, 安全隐患大。 (2) 水塔水位的波动较大, 且这种供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应, 供水质量差, 供水压力波动对生产造成严重的影响。 (3) 水位检测采用浮子开关, 容易卡滞, 可靠性差。 (4) 水泵全负荷运行, 频繁启停, 能耗较高且使用寿命缩短。
2 改造方案的提出
针对此供水系统存在的不足, 为了提高供水质量, 提高系统的稳定性和可靠性, 我们提出使用PLC和变频器改造成恒水位供水系统, 保证水塔水位恒定, 也就能保证系统恒压供水。
3 改造方案实施
3.1 控制系统设计
恒水位控制系统由PLC可编程控制器和变频器、超声波水位传感器组成一个闭环控制系统, 其框图如图2所示。
其中PLC可编程控制器系统根据设定的水位值与反馈的实际值进行比较, 其差值经PID运算处理后, 发出控制指令, 控制水泵的投运台数和水泵电机的转速, 从而达到水塔水位稳定在设定值附近。
3.2 水泵的控制策略
PLC自动累计三台水泵电机的运行时间, 水泵电机的切换采用连续运行24小时即自动停止, 当水位降低水位时, 启动两台备用水泵中总运行时间最短的那台。若一台水泵运行在50Hz仍不能满足供水, 水位继续下降至1800mm时, 则系统会自动运行总运行时间较短的备用泵。水泵电机是根据水位检测当前水位值送入PLC和给定值之间偏差进行PID运算, 从而控制变频器的输出电压和频率, 进而改变水泵电机的转速来改变供水量, 使水塔水位稳定, 达到供水管网压力的恒定。
3.3 控制系统的选型
本系统选用西门子S7-300型PLC、变频器选用丹佛斯FC300型、水位传感器选用E+H超声波液位计、人机界面选用WINCC7.02。其中PLC控制系统采用分布式控制系统, PLC主站安装在控制室的主控制柜内, 35m水塔装有从站, 主、从站通过Profibus网络通讯。PLC配置清单如表1所示。
3.4 程序设计
程序功能包含工作模式、模拟量输入输出处理、水泵自动选择、水塔水位的PID控制、声光报警等功能。
系统的工作模式有手动运行和自动运行两种, 考虑到系统的可靠性, 当自动模式出故障时, 系统能切换到手动运行模式, 可以通过控制柜的按钮进行对系统手动操作, 为了保证水塔水位, 不影响供水质量, 在水塔上同时装了两块E+H超声波水位计, 一块接入PLC, 另一块接入操作室的二次显示表。当接入PLC的水位计故障或PLC系统故障时, 可通过变频器的手操板控制变频器运行。
水塔水位的PID控制, 采用西门子的工程工具CFC编写, 通过绘制图表的方式来自动生成程序, 使用简单的连线来降低开发成本和降低程序的错误, 具有直观、调试方便的优点。CFC特别适合过程控制图, 因此水位的PID控制功能使用CFC实现。 (如图3)
水泵组的控制功能, 根据水泵的运行时间, 自动选择水泵, 达到三台水泵的运行时间的均衡。 (如图4)
系统报警是必不可少的重要组成部分, 为了保证系统安全、可靠、平稳的运行。对水泵供水池设定了最低水位500mm停机报警信号, 当水位降至此水位, PLC接收到信号, 立即对变频器发出停止信号, 停止水泵的运行, 以防机泵空转, 烧毁机封, 浪费电能。对35米水塔水位设定了2250mm的高水位报警信号, 水塔水位升至此水位发出声光报警信号, 提醒操作人员密切监视水塔水位, 以防水塔溢水。
3.5 人机界面的设计
系统人机界面采用西门子WINCC7.0进行设计, 画面美观简洁。具有系统监控、参数设置、报表输出等功能。 (如图5)
3.6 系统的调试
根据现场测试水塔水位在1800-2200mm之间, 供水压力稳定, 能够满足生产、生活用水的需求。水塔水位的下下限设为1800mm, 下限设为1900mm, 上限设为2100mm, 上上限设为2200mm, 整定PID控制参数后, 获得了理想的效果, 图6是2#泵供水时水塔水位与运行频率的趋势图, 从图中可以看出, 水塔水位十分稳定。
4 结束语
文章针对曲靖卷烟厂生产、消防、生活和绿化用水的特点, 摒弃原软启动控制装置, 重新设计开发了一套基于PLC的变频恒水位供水自动控制系统。该系统不仅有效地保证了供水系统水压的恒定, 而且具有工作安全可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。
摘要：介绍了采用带PID功能的西门子S7-300可编程控制器控制变频器进行水位调节, 系统存在工作可靠, 使用方便, 水位稳定, 无冲击等优越性。
关键词：PLC,恒水位供水,变频器,PID控制
参考文献
[1]张春.西门子STEP7编程语言与使用技巧[M].机械工业出版社, 2009.
[2]胡寿松.自动控制原理 (第四版) [M].北京:科学出版社, 2001.
[3]李军.Win CC组态技巧与技术问答[M].机械工业出版社, 2013, 1.
[4]丹佛斯变频器FC300设计指南[Z].2008, 7.
水位数据采集系统软件设计 篇8
关键词：水位数据采集,水位实时检测,mscomm控件,历史曲线绘制
引言
水位实时检测系统主要用于水位实时检测记录。系统主要由上位机及下位机二个部分组成, 由单片机组成的下位机完成对水位高度的实时检测、数据处理、贮存 (相关内容已另有文章发表) 。水位数据采集系统上位机软件主要利用mscomm控件实现和RS232串口的数据通信, 实现了对下位机参数设置、数据采集、传输, 保存、查询。并利用picture控件实现水位历史数据的曲线绘制。
1 硬件系统结构
1.1 单片机及外围线路。
水位检测系统下位机的单片机选择了PHILIPS公司近期推出51LPC系列中的P87LPC764 OTP单片机, 该系列单片机采用80C51改进型MCU、增加了WDT看门狗、I2C总线及PWM输出[2]。存储器选用了新型、大容量Flash:MM36SB020。MM36SB020是MEGAWIN公司生产的低功耗、大容量串行e-Flash存储器。存储空间为2Mbits, 由52048个页面组成, 每个页面为128字节。RS232串口驱动芯片采用了MAX232并通过串行中断的方式现实上下位机的通信连接。
1.2 传感器及信号调理电路。
水位传感器选用Motorola公司的高精度X型硅压力传感器[3]。传感器的信号调理电路如图2所示, 水位信号经MPX压力传感器变为电信号, 再送入放大电路, 进行调理后输出到A/D模数转换。1.3电源管理及信号采集。由于实时时钟芯片及掉电状态下的单片机应处于长期的电源供电状态。而其它线路处在间隙性工作状态, 以延长蓄电池的工作时间, 因此采用了间隙电源管理方式, 最长采集间隙周期为4小时, 而系统的最小采样周期为1分钟。由于间隙数据采集的特点, 在上电后, 必须等传感器处于稳定工作状态后, 才可采样, 因此必须进行一定的延时稳定。
2 下位机软件设计
下位机软件的设计主要包括主程序及串口中断服务程序的设计。主程序主要包括VDD2上电延时、PCF8563时钟信号读取及贮存、水位数据采样及处理、PCF8563计数定时启动、掉电状态进入程序、掉电状态中断唤醒程序等模块组成[4]。
水位数据一次采样采集10个水位数据, 软件滤波、误差修正后, 送存储器保存。间隙性时间长短由实时时钟芯片PCF8563的8位的计数器定时产生, 其最长定时时间为255分钟, 而最小定时时间设计为1分钟采集一次。
3 上位机软件设计
上位机软件设计主要包括利用Mscomm控件实现RS232串口的数据通信;水位数据采集、传输、保存、查询;利用picture控件实现水位历史数据的曲线绘制;下位机实时时钟设置、水位采集时间间隔设置、系统误差修正、传感器误差修正等模块。
以下对上位机主要软件模块的设计作一分析介绍。
3.1 mscomm串口通信模块。
mscomm控件可以通过串行端口传输和接收数据, 为应用程序提供串行通信功能, mscomm控件可提供两种处理通信方式:一是事件驱动方式, 该方式相当于一般程序的中断方式。当串口发生事件或错误时, mscomm控件会产生mscomm事件, 用户可以捕获该事件进行处理。二是查询方式, 在用户程序中定时查询mscomm控件的某些属性是否发生变化, 从而确定相应的处理。本文采用前一种工作方式, 可以实现接收下位机器从串口上传的数据和对下位机参数的设置。
串口设置的源代码如下:
MSComm2.Comm Port=1'设定Com1
If (MSComm2.Port Open=False) Then
MSComm2.Settings="19200, n, 8, 1
'9600波特率, 无校验, '8位数据位, 1位停止位
MSComm2.Port Open=True'打开串口
End If
MSComm2.Out Buffer Count=0'清空发送缓冲区
MSComm2.In Buffer Count=0'滑空接收缓冲区
MSComm2.Input Len=0
MSComm2.RThreshold=1
MSComm2.EOFEnable=True'接收二进制数据
MSComm2.Input Mode=com Input Mode Binary
MSComm2.Input Mode=1
3.2 上、下位机交互模块。
水位数据采集系统的上位机软件与下位机交互的软件模块有:
联机测试模块、下位机参数设定模块 (包括下位机水位采集时间设定、下位机水位数据记录清除、水位标定标定及误差修正、水位采集时间间隔的设定) 和上传下位机水位记录模块。如水位采集时间间隔的设定的见面见图1。
水位高度的测量由下位机单片机系统中的的Motorola公司的X型硅压力传感器实现。由于传感器存在着线性误差 (包括放大电路、A/D转换器的线性误差) 及离散性的非线性误差, 因此系统设计了传感器的线性误差、非线性误差修正软件。
线性误差的修正在满量程或接近满量程时进行, 由上位机发出相应的指令给下位机, 读取A/D转换器的转换数据, 并由上位机计算出相应的误差系数, 再回传给下位机存贮。
非线性误差修正程序。采用分段线性插值法对测量值的曲线进行误差修正, 按量程分10个工作区段, 其数据处理及贮存方式同系统的线性误差修正。其中非线性误差修正软件界面如图2所示。
3.3 水位记录查询模块。
下位机水位记录上传后, 记录已保存在水位数据文件中。在水位记录查询模块中, 可以打开保存的水位数据的文件, 在“查询历史记录”的对话框中, 选择某一天的某一时间点的水位历史数据进行查看。该模块通过Datacom控件实现日期和时间相结合的选择, 确定要查询的某天的那个水位采集时间点, 然后水位数据会在“数据记录”栏中显示, 水位记录查询界面见图3。
3.4 水位历史曲线模块。
水位历史曲线由VB的picture控件的画线功能来实现, 具体包括:24小时水位历史曲线、月水位历史曲线、年水位历史曲线。
4 结论
通过程序设计实现的水位数据采集软件已完成上位机对下位机的参数设置、误差修正, 数据接收、保存并分析等功能, 实现了课题中对水位数据采集软件要求, 现场使用稳定可靠。
参考文献
[1]龚沛曾, 陆慰民, 杨志强.Visual Basic程序设计简明教程 (第二版) [M].北京:高等教育出版社, 2003.
[2]李玉东, 李罡, 李雷.Visual Basic6.0控件大全[M].北京:电子工业出版社, 2000.
[3]蔡勇, 周明耀.灌区量水实用技术指南[M].北京:中国水利水电出版社, 2001.