劉清文

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 南陽 473000）

1 現(xiàn)有控制方案

自動(dòng)上水控制器是以水位檢測裝置[1]為核心，綜合了基礎(chǔ)電路技術(shù)和控制系統(tǒng)[2]的一種通用家庭自動(dòng)控制裝置，應(yīng)用于城郊以及農(nóng)村家庭供給日常用水。由于水泵的工作特性，導(dǎo)致使用結(jié)束時(shí)必須斷電，雖然市面上已經(jīng)推出了自動(dòng)上水控制裝置，但是實(shí)際應(yīng)用中生產(chǎn)成本較高，安全性與穩(wěn)定性有所欠缺，故而對(duì)自動(dòng)上水控制器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)與生產(chǎn)與改造程本，并將水電進(jìn)行分離，從而達(dá)到安全使用的目的。

1.1 方案一：PLC+水位探針設(shè)計(jì)

通過在水箱中安置電子水位傳感器，通過傳感器不同節(jié)點(diǎn)與水接觸從而判斷水位高低[3]，PLC 控制原理示意圖如圖1 所示。

圖1 PLC 控制原理示意圖

優(yōu)點(diǎn)：可以使用戶對(duì)水箱內(nèi)的水位有較為明確的認(rèn)識(shí)。

缺點(diǎn)：水箱內(nèi)需要放置通電的水位監(jiān)測傳感器，長時(shí)間使用保護(hù)套易發(fā)生老化腐蝕；水位傳感器可適用的水位深度范圍較為固定，當(dāng)用戶對(duì)用水量需求較大時(shí)不能很好的滿足用戶需求；進(jìn)行水箱改造成本較高。

1.2 方案二：擺臂浮漂設(shè)計(jì)

通過在水箱中放置擺臂浮球，根據(jù)浮球擺臂的角度從而判斷水位高低[4]。擺臂浮球原理示意圖如圖2 所示。

圖2 擺臂浮球原理示意圖

優(yōu)點(diǎn)：用戶改造成本較低。

缺點(diǎn)：受限于水箱直徑限制，擺臂活動(dòng)范圍受限，進(jìn)而導(dǎo)致每次上水量有所限制；水箱內(nèi)浮球中通強(qiáng)電，長期使用無法保證浮球密閉性，存在一定的安全隱患；浮球長時(shí)間在水中使用會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部觸電接觸不良，引起無法給水泵通電或者斷電的故障。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原理

通過在水箱中安置垂直移動(dòng)的浮球，將水位信息反饋給控制器，由控制器對(duì)水泵進(jìn)行通斷電控制。

優(yōu)點(diǎn)：用戶改造成本低；強(qiáng)電弱電分離，保證使用安全；可根據(jù)用戶用水量需求調(diào)整水泵抽水量，提高了產(chǎn)品的適用性。

經(jīng)過對(duì)已有方案與優(yōu)化方案的比較可知，方案一中因?yàn)閷?duì)已有上水系統(tǒng)需要改造內(nèi)容較多，導(dǎo)致改造費(fèi)用與后續(xù)維護(hù)成本較高，且水位傳感器長度固定，不能滿足不同用戶對(duì)儲(chǔ)水量的要求；方案二由于是根據(jù)浮球擺臂角度判定水位高低，所以存在著擺臂過長或者過短，進(jìn)而導(dǎo)致水泵頻繁工作，降低水泵壽命，且水箱內(nèi)通強(qiáng)電，一旦發(fā)生漏電現(xiàn)象后果將十分嚴(yán)重。優(yōu)化后采用浮球垂直移動(dòng)位置進(jìn)而判斷水位高低，可以更加精確的對(duì)水箱內(nèi)水位進(jìn)行控制，從而避免了水泵的頻繁工作，同時(shí)水箱內(nèi)沒有通電設(shè)備，保證了長時(shí)間使用的安全性。浮球+控制器原理示意圖所圖3 所示。

圖3 浮球+控制器原理示意圖

2.2 硬件配置設(shè)計(jì)

優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案是一種電磁式上水控制器，其電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。水位控制器控制接觸器線圈的通電與否，接觸器安裝在水泵與電源之間，對(duì)水泵的工作狀況進(jìn)行控制。

圖4 電磁式自動(dòng)上水器的電路結(jié)構(gòu)示意圖

為了顯示正在上水，在水泵供電電路中加入通電警示器，如指示燈、或電鈴。在自動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以選擇手動(dòng)進(jìn)行上水以及斷電操作。

水位控制器工作原理：水箱內(nèi)浮球自身的重力與細(xì)繩的拉力（由彈簧拉伸后的形變提供）以及水箱內(nèi)水提供的浮力三力平衡，使得浮球能夠漂浮在水箱內(nèi)的水面上并收緊細(xì)繩，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。繞線輪錐形齒輪采用同軸聯(lián)結(jié)，在工作時(shí)候同步轉(zhuǎn)動(dòng)，繞線輪對(duì)細(xì)繩進(jìn)行收緊或者放松操作；錐形齒輪與齒輪也采用同軸聯(lián)結(jié)；繞線輪通過彈簧提供的拉力完成對(duì)細(xì)線的卷曲，使系統(tǒng)時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。圖5 中深黑色部分為通電線路。當(dāng)環(huán)形回路中金屬觸頭與金屬板（環(huán)形回路中共色部分）接觸時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)通電，水泵開始抽水工作；當(dāng)金屬觸點(diǎn)與金屬板斷開時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)斷電，水泵停止抽水工作。由于整個(gè)水位控制器安置在水箱上方外側(cè)的封箱中，并不會(huì)與水源進(jìn)行直接接觸，因此繞線輪、錐形齒輪、錘形齒輪、齒輪、齒條、環(huán)形回路均采用ABS 材質(zhì)制作即可滿足使用要求。齒輪嚙合部分可以使用少量油脂進(jìn)行潤滑，以保證長時(shí)間使用的穩(wěn)定性。浮球因?yàn)橐L期與水源直接接觸，因此應(yīng)采用無毒塑料制作，內(nèi)部安置的有配重塊，保證整個(gè)系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)。

圖5 水位控制器的結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)形回路具體結(jié)構(gòu)如圖6 所示，整體為橢圓形，內(nèi)部有兩條凹槽滑道，圖5 中的觸頭在滑道中做來回的橢圓運(yùn)動(dòng)，凹槽內(nèi)的滑道分為上下兩部分。上半部分沒有安置金屬板，為斷電部分，該階段的滑道部分為左側(cè)高右側(cè)低；下半部分安置的有金屬板，為通電部分，該階段的滑道部分為左側(cè)低右側(cè)高。圖5 中觸頭始終在環(huán)形回路的滑道中做橢圓往復(fù)運(yùn)動(dòng)，歷經(jīng)斷電通電循環(huán)，從而對(duì)接觸器進(jìn)行通斷電的控制。該環(huán)形回路因?yàn)槭前仓迷谒渖戏降拿荛]空間內(nèi)，所以采用ABS 材質(zhì)制作即可滿足使用要求。

圖6 環(huán)形回路的結(jié)構(gòu)示意圖

3 工作過程

水箱工作過程：閉合圖4 中總開關(guān)，當(dāng)水箱內(nèi)水位下降時(shí)，浮球跟隨水面一起向下移動(dòng)，通過細(xì)繩拉動(dòng)繞線輪向上轉(zhuǎn)動(dòng)，繞線輪帶動(dòng)錐形齒輪一起向上轉(zhuǎn)動(dòng)，錐形齒輪與齒輪一起向右旋轉(zhuǎn)，齒輪帶動(dòng)齒條向左移動(dòng)，環(huán)形回路中的金屬觸點(diǎn)隨齒條一起經(jīng)環(huán)形回路中上側(cè)的導(dǎo)槽向左移動(dòng)。當(dāng)水箱內(nèi)水位下降到預(yù)設(shè)高度時(shí)，剛好環(huán)形回路中的金屬觸點(diǎn)達(dá)到導(dǎo)槽最左端，觸點(diǎn)與環(huán)形回路中下側(cè)金屬板接觸形成閉合回路，相當(dāng)于開關(guān)閉合，從而導(dǎo)致接觸器線圈KM 通電，接觸器開關(guān)閉合，電燈跟水泵通電，進(jìn)而水泵開始工作往水箱中抽水。

隨著水箱內(nèi)水位的上升，浮球也在隨著水面不停上升。彈簧拉著齒條向右移動(dòng)，與齒條嚙合的齒輪跟錐齒輪一起向左旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)嚙合的錐齒輪向下旋轉(zhuǎn)，與錐齒輪同軸的繞線輪向下旋轉(zhuǎn)將細(xì)線纏繞在繞線輪上的凹槽中。當(dāng)水箱內(nèi)水位上升到預(yù)設(shè)高度時(shí)，環(huán)形回路中的金屬觸點(diǎn)剛好達(dá)到最右端，觸點(diǎn)斷開與金屬板的接觸，接觸器的線圈KM斷電，接觸器觸點(diǎn)斷開，水泵跟上水指示燈斷電停止工作，上水過程到此結(jié)束。

采用手動(dòng)模式時(shí)，閉合開關(guān)給上水指示燈與水泵通電，使水泵可以進(jìn)行抽水工作。調(diào)整水箱內(nèi)水位時(shí)只需要根據(jù)實(shí)際需要，將細(xì)固定在繞線輪不同的槽位中，按照繞線輪不同槽位提示的不同長度預(yù)留細(xì)繩長度即可。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)浮球上水控制器的重新設(shè)計(jì)，使其達(dá)到可以預(yù)設(shè)水箱內(nèi)水位高低、實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)工作、增加可靠性與安全性。

2）針對(duì)傳統(tǒng)浮球控制方案的不穩(wěn)定問題，采用環(huán)形回路設(shè)計(jì)，對(duì)水電進(jìn)行分離，確保了日常使用的安全性，同時(shí)因?yàn)椴捎铆h(huán)形回路的往復(fù)循環(huán)工作方式，增加使用過程的穩(wěn)定性。