集成电路自动上水系统

【摘要】基于集成电路的发展，充分利用该元件的可靠，低成本，方便等特点设计一套自动上水，监控电气系统。该系统可用于工业锅炉，水塔，家用太阳能热水蓄水装置用。也可用于水源不稳定地区补水。

【关键词】集成块；变频器；电源变压器

1.引言

1.1 该系统里关键的元件之一是个***定时器集成块。定时器是一种通用的集模拟与逻辑功能为一体的中规模集成电路。利用这种集成单片，只要适当配接少量元件，可以很方便地构成脉冲产生和变换电路及具有其他定时间功能的电路。该集成块工作原理如图1。它是由***定时器构成的多谐振荡器。图中R1，R2和C为定时元件。

电源接通瞬间，由于电容C上的电压不能跳变，Vc=0，使***定时器的阀值输入端6和触发输入端2电压均为0，通过***内部电路运算，使输出端3的电压Vo=1，并持续保持，同时电源通过R1，R2对电容C充电，电路进入第一暂稳态；当电容电压Vc上升到2/3Vcc时，***定时器通过内部电路使输出端3，输出Vo=0，电路进入第二暂稳态；当电容电压下降到Vc

1.2 该系统中另一个重要元件是变频器，这里选用西门子MICROMASTER 440 变频器，该元件给水泵电机提供电源和控制电机起动，停止。变频器的优势在于软启动，使电机由零速度在设置的启动时间里连续变速达到正常工作速度，相比传统交流接触器启动电流较大减少对电机线圈的冲击，同时对线缆也起到保护作用。变频器内部参数的设置正确，能保护电机过载，堵转，缺相运行。使电机或者线路出现故障时候，变频器本身跳闸处于停止状态，直到查出问题，解决故障才能再次恢复运行的优点。同时为了方便该系统中，补水速度的快慢能人为的设置控制，改变电机工作转速由零速至电机全速能连续可调。相反当电机停止运行时也有个减速时间，防止电机硬生生停下来甚至反转，使电机能量无法释放而烧毁电机线圈和对线路冲击，同时由于水锤现象防止水泵倒转毁坏水泵和相关的阀门的作用。如果变频器不工作，它本身可以存储故障信息，以方便工程维修人员迅速查找并排除故障。因此变频器越来越广泛的应运到工业控制中，它代替减速器实现变速作用也很明显。变频器接线如图2。

L1，L2，L3是电源，PE为接地线。U，V，W为连接电机线，K11是集成块控制继电器常开触头，KM2为手动启动常开触头，当K11或则KM2任何一个闭合，启动变频器，运行电机补水。

变频器参数设置如下：

P0010=1 快速调试

P0003=2 扩展级

P0004=0 允许访问全部参数

P0006=1 运行准备状态时显示频率的设定值。在运行状态时，显示输出频率。

P0100=0 频率缺省值为50Hz

P0304=380V 电机额定电压

P305=？A 电机额定电流

P0307=？KW 电机额定功率

P0308=？ 电机功率因数

P0311=？ r∕min 电机额定转速

P0700=1 BOP（键盘）设置

P0701=16 固定频率设定值（直接+ON命令）

P0731=52.3 变频器故障

P1000=1 MOP设定值

P1001=2 直接选择+ON命令

P1002=0——50Hz 根据现场需要设定

P1080=Ohz 最小频率

P1082=50Hz 最大频率

P1120=？S 斜坡上升时间（根据实际设置）

P1121=？S 斜坡下降时间（根据实际设置）

P3900=3 结束快速调试，只进行电机数据数据计算

P0010=0 调试结束，变频器运行准备

2.自动补水原理图论述

根据自动补水原理图（图3），电源变压器提供直流12V的电压。a，b，c为水池中的三个水位探测电极。A1和A2是两个***时基集成电路，其中A1及R1=？K，R2=？K，C1=100u组成自激多谐振荡器，A1的3脚每50s输出一个宽度仅为0.1s低频脉冲。A2与R4=？K，C3=？u组成延迟约为70s的单稳态触发器。a，b，c电极上能通过占空比极小的脉冲电流，有效地防止了电极氧化。

当水池中水位低于电极a，b时，a与b，c断开。此时，A2的2脚为高电平，3脚为低电平，继电器K吸合。使K11闭合，变频器工作启动电机，水泵供水。同时K13断开手动禁止。K12将b，c断开。当水位上升到a，b之间时，因K12已断开，A2的2脚仍为高电平，K1仍处于吸合状态，水泵供水，水位继续上升。在水位上升到c点时，A1的3脚输出的低电平脉冲经水阻传输触发A2单稳态电路，A2的3脚变为高电平，K1失电，K11断开，变频器停止工作，水泵停止抽水。与此同时，K12闭合。A2进入暂稳态。由于R2，C2决定的单稳延迟时间长于A1的脉冲周期，所以A2延时未结束时A1又将触发A2，C2上的电荷被放掉，这样A2将保持暂稳状态，K1不动作，变频器不工作，电机不抽水。

当水位下降到电极c以下时，因K12闭合，所以A2的2脚继续受到A1的3脚输出的负脉冲触发，水泵仍不启动。

当水位下降到b以下时，A2的暂稳态过后，不再受到触发，3脚变为低电平，变频器工作，启动水泵电机抽水。以后过程如前面所述。

调试方法是：调节R1的阻值可改变A1的振荡周期，调节R4的阻值可改变A2的延迟时间。但必须保证A2的脉冲周期大于A1的脉冲周期，否则会发生逻辑混乱。

3.自动补水电气接线图论述

图4里的电机选择根据现场要求，水泵选定根据出水率，扬程，蓄水容积等选择，这里不给出计算方法，但是一旦泵定好了，电机也就定好了，这里主要论述怎么启动和停止水泵电机。电机选定好后，定线径，根据我的经验选择1KW电机，两个电流，一平方多股铜线能带5—7个电流定线径，这里指的是主回路，控制线路线一般选0.75—1个平方的线就可以了。

断路器选择电机额定电流的约1.5倍。如自动补水电气接线图。当K11触头的继电器吸合时候，变频器工作，启动电机。当自动控制出现问题时，使用手动控制补水，按下启动按纽启动电机补水，停止按纽（选用急停按纽）用来停止补水，平时停止按纽为断开状态防止误操作，手动KM和自动K1继电器也为互锁接线。防止同时手动和自动动作。

4.自动补水监控图

直流电源与自动补水电源用同一个电源a1，b1为水位探测电极与原理图中的a，b用绝缘体连接平行安装，这里a1，b1做为信号取用点。红灯指示低水位，黄灯指示中水位，绿灯指示高水位。电阻R5=R6=680K，电容C3=C4=100u。

（1）当水位在蓄水池底部到a1之间时，A3集成块的2脚为高电平，A4集成块的2脚为高电平，A3，A4的3脚输出低电平，K2，K3继电器吸合。K21闭合红灯亮，指示水位在低水位。同时，K22断开，K31闭合，黄灯不亮。K32断开，绿灯也不亮。如果这时还不启动电机。操作人员应该检查设备，叫维修人员来现场处理。绿灯处也可并联个蜂鸣器报警，用以提醒操作工。这是危险水位。停留现场观察有无异常情况。

（2）当水位到a1时，A3集成块的2脚为低电平，A4集成块的2脚仍为高电平。则A3的3脚输出为高电平，A4的3脚输出仍为低电平，K2继电器不吸合，K3继电器吸合。K21断开，红灯灭K22闭合，K31闭合，黄灯亮。K32断开，绿灯不亮。指示水位到中位。并保持黄灯亮。

（3）当水位到b1点时候，A3集成块的2脚为低电平输出保持不变，A4的2脚为低电平，则A3，A4集成块的3脚输出为高电平。K2，K3两继电器都不吸合，K21断开，红灯不亮。K22闭合，K31断开，黄灯灭。K32闭合绿灯亮。水位在高位。

参考文献

[1]梁明理，邓仁清，主编.普通高等教育“九五”国家教委重点教材《电子线路》（第四版）[M].高等教育出版社出版.

[2]MICROMASTER 440通用型变频器0.12KW—250KW使用手册[M].SIEMENS版本，2012，3.