基于CPLD的深井水塔自动供水系统的设计_

基于CPLD的深井水塔自动供水系统的设计
  随着科学成果逐步普及与推广，水井供水系统也由原来的专人值守改为自动化操作，使供水系统趋于科学化管理，达到自动操作，安全可靠，保护水泵和电动机，减少电能，节省水资源和降低成本等。这在农村、城市和工厂企业的供水系统中都是必要的。
  近几年来，随着农村饮水工程的启动和乡村集镇化建设的发展，深井取水成为解决饮用水的主要方法。由于取水层较深，多采用机器钻井，井管小，直径一般≤40 cm，水井蓄水容积小。人工抽水容易发生干抽现象，即水井没有水而水泵仍在工作，易损坏水泵，而且水塔的水用完了还不知道，有时则抽满溢出来，浪费水资源和能源。为此必须设计一种控制器，能根据水井和水塔的水位自动控制水泵的运行和停机，可在无人看守的情况下自动工作而且可避免水泵干抽和水塔水满溢出，并可在农村电源质量较差的地方实现对电动机在电源过电压或欠电压时的断电保护。
  研究现状及分析
  目前，国内外用于自动上水控制的装置主要有：浮球升降行程开关式、干簧管开关磁浮式、水压仪表电接点式和电极传导式等。浮球升降行程开关式和干簧管开关磁浮式和基于动静触片的形式，而动静触点控制器的触点长期置于水中容易生锈腐蚀，造成接触不良。而压力传感器成本较高，制作线路复杂。电极传导式无论从成本还是可靠性方面，都占一定优势，但也有其缺陷。其不足之处主要表现在：
  1)电极触点在水中容易腐蚀和电离，甚至沾上水垢，使其导电性能下降甚至失效，从而让控制系统处于瘫痪。更为严重的是，使系统误动作，造成水泵电动机烧坏和水塔水位溢出，甚至涨爆水管。
  2)凡采用电极传导式水位控制的系统，都要用到电子电路，而电子电路的可靠性是系统稳定运行的关键。尤其是采用微处理器的系统，要防止其死机和误复位。
  针对以上问题，本文设计一套基于CPLD的深井、水塔自动供水系统，从根本上解决微处理器系统的死机和误复位故障，并有效解决了电极触点腐蚀、电离和水垢问题。系统组成及原理
  基于CPLD的深井、水塔自动供水系统是为了实现以下功能而设计：
  1)可实现对水塔、水池水位的自动控制。即水塔水位低于指定低水位Ｂ时自动打开水泵抽水，当水位达到指定高水位Ａ时自动关闭电泵。
  2)开机后不来水自动保护。即开机后由于进水管无水或抽水设备故障等原因造成水抽不上来，经过约5 min延时后，自动关闭水泵并发出不来水故障报警声。
  3)系统能对水源情况进行检测，当水源无水后自动关闭水泵，并发出水源无水报警声，并在约30 min时间内不再起动水泵，以免频繁起动电泵，烧坏电动机。
  4)在系统控制部分失效时，具有超高水位报警和超低水位报警。系统创新点：
  1)水位检测电极触点采用间隙脉冲小电流工作方式，平均电流很小，因此探头电极使用寿命长。
  2)控制系统是基于CPLD设计，无死机和误复位现象，既能达到控制要求，又可提高系统的可靠性。
  基于CPLD的深井、水塔自动供水系统的系统图如图1所示。

  水位检测负责适时检测水塔的水位高低，将检测输出信号送到CPLD。水源检测负责适时检测水井水源的有无，其输出信号送至CPLD。报警驱动电路用于超高水位、超低水位和水源无水的报警。水泵电动机驱动电路可把CPLD输出的电动机控制信号加以隔离，驱动继电器，实现对水泵电动机的起停控制。水泵电动机的起停也可以由手动开关控制。
  电源电路将220 V/50 Hz的交流电经变压、整流、滤波和稳压后，输出12 V直流用于驱动继电器，输出5 V直流作为水位检测、水源检测、报警驱动电路和CPLD的工作电源。
  水位检测所检测的水塔水位信号，有高水位、低水位、超高水位和超低水位。水源检测所检测的只有水源的有无，两种信号，都送到CPLD所构成的主控系统的输入端。CPLD所实现的控制系统根据水塔水位和水井水源的情况，通过逻辑分析，输出相应的控制信号，以驱动报警和水泵电动机。电路设计及分析
  基于CPLD的深井、水塔自动供水控制系统的关键电路是水位、水源检测电路和水泵电动机驱动电路。下面分别介绍其设计原理和电路构成。
  1.水位、水源检测电路
  水位、水源检测电路可靠性高的关键是要求检测电极经久耐用。而检测电极在通电状态下置于水中会发生电解，并且容易吸附水中的杂质，在电极表面形成水垢。解决的根本方法是减少电极通电的时间，对电极采用脉冲间歇式供电。图2是水位、水源检测电路的电路原理图。

  2.水泵电动机驱动电路
  水泵电动机驱动电路的性能关系到整个系统的可靠性，故要求其安全、稳定。断路器开关动作时产生的冲击不能对主控系统产生干扰，断路器的开关动作情况要适时反馈回主控系统。图3是水泵电动机驱动电路系统图。
  CPLD输出的水泵电动机开关控制信号通过光电隔离控制断路器的通断。断路器的通断状态通过开关状态检测电路反馈回CPLD。

结束语
基于CPLD的深井、水塔自动供水系统能使供水系统趋于科学化管理，达到自动操作、安全可靠，能达到保护水泵和电动机，节省电能，节省水资源和降低成本等目的。从根本上解决微处理器系统的死机和误复位缺陷，并采用脉冲间歇检测方式，有效地解决了电极触点腐蚀、电离和水垢问题。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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