小區(qū)水塔供水電氣控制系統(tǒng)

1、電氣控制技術(shù)課程設(shè)計電氣控制技術(shù)課程設(shè)計課題任務(wù)書課題任務(wù)書系（部）：電子與通信工程系 專業(yè)： 指導(dǎo)教師： 課題名稱小區(qū)水塔供水電氣控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容及要求本設(shè)計是針對獨(dú)立生活小區(qū)的高層水塔供水的自動控制，要求使用三臺同功率的高壓水泵，每臺水泵揚(yáng)程大于 20 米。采用光電浮子式水位檢測（精度 1 厘米） ，三臺電機(jī)的控制策略如下：1、基于時間的水位控制系統(tǒng)需要對用水時間段進(jìn)行統(tǒng)計，確定早、中、晚的用水高峰段，控制策略選擇為：用一臺水泵控制水位在高水位與低水位之間變化；早、中用水高峰時段加入一臺水泵輔助供水，晚間高峰時段加入兩臺水泵輔助供水，在輔助水泵工作時段，其啟?？刂迫Q于溢出水位與低水位。2

2、、基于流量變化的水位控制系統(tǒng)用一臺主水泵控制水位在高水位與低水位之間變化，輔助水泵接入一臺或兩臺取決于單位時間內(nèi)流量的大小，停止取決于溢出水位。3、基于水位變化速度的控制系統(tǒng)用一臺主水泵控制水位在高水位與低水位之間變化，輔助水泵接入一臺或兩臺取決于水位上升或下降的速度，停止取決于溢出水位。4、基于水壓及壓力變化速度的控制系統(tǒng)用一臺主水泵控制水壓在高水壓與低水壓之間變化，輔助水泵接入一臺或兩臺取決于壓力變化的速度，停止取決于溢出水位。5、基于水位變化的變頻供水控制系統(tǒng)用一臺變頻電機(jī)驅(qū)動主水泵控制水位在高水位與低水位之間變化，輔助水泵接入隨變頻電機(jī)的頻率逐臺接入或退出，為供水安全也要設(shè)立溢出水位。

3、6、高層接力式水箱供水控制系統(tǒng)將高層建筑分為每四層共用一個水箱，為確保每層樓水壓在安全范圍內(nèi)，水箱位置應(yīng)比供水區(qū)高兩層樓，水箱大小應(yīng)由低層到高層遞減，每層都設(shè)一臺變頻電機(jī)，輔助電機(jī)數(shù)也應(yīng)由低層到高層遞減。這樣可以解決高層建筑供水需要高壓水管導(dǎo)致成本高的缺點(diǎn)，且提高供水安全。水位檢測與流速檢測方式還很多，本設(shè)計不限定檢測方式，但要求水位精確到厘米、流速精確到立方米/分鐘。作為本設(shè)計的重要內(nèi)容?？刂泼姘迳铣詣涌刂仆?，對每臺電機(jī)都應(yīng)設(shè)手動啟停控制。對水位狀態(tài)顯示形式不限，還應(yīng)設(shè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)顯示、故障狀態(tài)的報警等。每臺電機(jī)都應(yīng)設(shè)過流、過載、過壓保護(hù)。 功能的實(shí)現(xiàn)可采用基本電氣控制器件，也可使用 p

4、lc 可編程控制器和基本電氣控制器件共同實(shí)現(xiàn)；還可以采用單片機(jī)控制和基本電氣控制器件共同實(shí)現(xiàn)。畫出原理圖、電氣控制圖、控制面板接線圖；寫出原理說明書、使用說明書、控制程序。仿真或連接實(shí)際電路演示功能。ii設(shè)計工作量第一周完成選題、收集設(shè)計資料、信號采集方式設(shè)計、傳感部件設(shè)計、控制電路設(shè)計與制圖；第二周完成傳感部件制作、控制電路連接、程序設(shè)計、系統(tǒng)功能調(diào)試、撰寫論文、論文答辯。起止日期（或時間量）設(shè)計內(nèi)容（或預(yù)期目標(biāo)）備注星期一上午設(shè)計動員、課題選擇；下午課題講解、注釋要求。星期二上午查閱資料、收集數(shù)據(jù)；下午設(shè)計信號采集方式星期三上午設(shè)計傳感器電路部分；下午確定參數(shù)、器件選型。星期四上午系統(tǒng)控制

5、方式設(shè)計；下午系統(tǒng)控制電路設(shè)計。星期五上午面板、接口電路設(shè)計；下午繪制設(shè)計電路的圖紙。周末休息星期一上午傳感部件電路制作；下午傳感部件功能調(diào)試。星期二上午系統(tǒng)控制程序設(shè)計；下午控制程序功能調(diào)試。星期三上午系統(tǒng)電路功能調(diào)試；下午修改設(shè)計功能調(diào)試。星期四上午撰寫論文、整理文檔；下午提交論文；準(zhǔn)備答辯。進(jìn)度計劃星期五上午提交論文；準(zhǔn)備答辯；下午設(shè)計總結(jié)；優(yōu)劣講評。 目目 錄錄第第 1 1 章章 供水系統(tǒng)簡介供水系統(tǒng)簡介.1 1第第 2 2 章章 設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容.2 2第第 3 3 章章 設(shè)計原理設(shè)計原理.3 33.1 水箱水位與電機(jī)啟動及停止的原理.33.2水位指示器原理.4第第 4 4 章電氣控

6、制電路設(shè)計章電氣控制電路設(shè)計.5 54.1控制電路設(shè)計部分.54.2 主電路設(shè)計部分.6第第 5 5 章章 心得體會心得體會.8 8參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1第一章第一章供水系統(tǒng)簡介供水系統(tǒng)簡介 隨著電氣控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代樓宇小區(qū)大都屬于高層建筑，其供水系統(tǒng)都向智能化方向發(fā)展。高層建筑高度大，一般的城市管網(wǎng)中的水壓不能滿足其用水要求，除了最下面幾層可由城市管網(wǎng)供水外，其余上部各層均需提升水壓供水。由于過高的水壓對使用、材料設(shè)備、維修管理均不利，因此必須進(jìn)行合理的豎向分區(qū)供水。 為了節(jié)省能量，應(yīng)充分利用室外管網(wǎng)中的水壓，在最地區(qū)可直接采用城市網(wǎng)管供水，并將大用水戶如洗衣房、餐廳、理發(fā)室、浴室等布置在低

7、區(qū)，以便城市管網(wǎng)直接供水，充分利用室外管道的壓力，可以節(jié)省電能。 根據(jù)建筑給水高度、要求、分區(qū)壓力等情況，進(jìn)行合理分區(qū)，然后布置供水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)形式有多種，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但基本上可劃分為兩大類，即重力供水系統(tǒng)和壓力供水系統(tǒng)。重力供水系統(tǒng)的特點(diǎn)是以水泵將水提升到最高水箱中，以重力給水管網(wǎng)配水，對樓頂水池水位的監(jiān)測當(dāng)高/低水位超限時報警，根據(jù)水箱的高/低水位控制水泵的啟動/停止，監(jiān)測給水泵的工作狀態(tài)喝故障，如果當(dāng)使用水泵出現(xiàn)故障時，備用水泵投入工作。重力供水系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定，且有水箱儲水，供水較為安全，但水箱重量大，增加建筑符合，占用樓層建筑面積，且有產(chǎn)生噪聲振動之弊，應(yīng)根據(jù)具體情況使用?？紤]到

8、重力供水系統(tǒng)的缺點(diǎn)，為此可考慮壓力供水系統(tǒng)。不在樓層中或屋頂上設(shè)置水箱，僅在地下室或者空余之處設(shè)置水泵機(jī)組、氣壓水箱等設(shè)備，采用壓力供水滿足供水要求。壓力供水系統(tǒng)可用并聯(lián)的氣壓水箱給水系統(tǒng)，也可采用無水箱的幾臺水泵并聯(lián)供水系統(tǒng)。并聯(lián)氣壓水箱需要金屬制造，投資比較大，且運(yùn)行效率低，還需設(shè)置空氣壓縮機(jī)為水箱補(bǔ)氣，因此耗費(fèi)動力較多，近年來有的采用密封式彈性隔膜氣壓水箱，可以不用空氣壓縮機(jī)充氣，既節(jié)省了電能又防止了空氣污染水質(zhì)，有利于環(huán)境衛(wèi)生。水泵直接供水系統(tǒng)，一般不采用水箱，而是采用多臺可自動控制的水泵并聯(lián)運(yùn)行，根據(jù)用水量的變化，開停不同的水泵來滿足用水要求，也可節(jié)省電能，如用計算機(jī)控制更為理想。一

9、般采用調(diào)速水泵供水，即根據(jù)水泵出水量與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系的特性，調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速滿足用水量的變化，同時可節(jié)省動力。水泵的調(diào)速一般是采用水泵電動機(jī)可調(diào)速的聯(lián)軸器或者采用調(diào)速電動機(jī)，不過近年來國外研究一種自動控制水泵葉片角度的水泵，即隨著用水量的變化控制葉片角度來改變調(diào)節(jié)水泵的出水量，以滿足用水量的需要，這種供水系統(tǒng)設(shè)備簡單，使用方便，是一種恨有前途的新型水泵供水系統(tǒng)。不過無水箱的水泵供水系統(tǒng)，最好是用于水量變化不太大的建筑，因?yàn)樗靡L時間不停的工作，即便在夜間用水量不大的情況下，也要消耗動力，且水泵機(jī)組投資較高。 以上幾個比較有代表性的供水系統(tǒng)，如何選用，應(yīng)在使用要求、用水量大小、建筑物結(jié)構(gòu)以及材

10、料設(shè)備供應(yīng)等具體問題上全面考慮。在用水安全可靠的前提下，考慮技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上最合理的供水系統(tǒng)。2 第二章第二章 設(shè)計設(shè)計內(nèi)容內(nèi)容本次課程設(shè)計的內(nèi)容為小區(qū)水塔水位控制系統(tǒng)的設(shè)計，按要求是基于水位的變化來控制三臺電機(jī)的啟停，同時帶有 led 顯示的水位指示器，方便工作人員觀察水位變化。根據(jù)自己所學(xué)過的電氣控制知識，本次供水系統(tǒng)的設(shè)計采用無浮子液位繼電器的供水控制電路，通過在水箱中設(shè)置幾個不同的水位點(diǎn)控制 3 臺電機(jī)的啟動/停止，三臺電機(jī)都采用同功率的電機(jī)，根據(jù)水塔高度和小區(qū)用水量選擇電動機(jī)的型號，查閱相關(guān)資料，水泵的種類很多，根據(jù)水泵的流量、揚(yáng)程、功率及數(shù)量選用型號 y132s4，5.5kw,38

11、0v,12a,1440r/min 的電機(jī)。同時為了達(dá)到水位指示的要求，安裝 10 個二極管液位傳感器，其中最上端和最下端分別為上溢和下溢警戒水位，通過點(diǎn)顯示模式顯示相應(yīng)的水位。由于是小區(qū)供水，樓層也不會特別高，設(shè)計的系統(tǒng)的功能也能夠滿足小區(qū)的供水需求。設(shè)計的原理較為簡單，沒有采用 plc 及單片機(jī)，只使用了基本的電氣控制器件和傳感器，工作人員也容易掌握，便于對系統(tǒng)進(jìn)行控制和故障維修。在考慮實(shí)用與經(jīng)濟(jì)的情況下，選用的器件都為常用的器件，成本低，穩(wěn)定性好，也便于工作人員維修?？紤]到具體情況，該設(shè)計也可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，可以設(shè)計出可切換自動控制和手動控制操作兩種控制形式，通過 led 等的顯示當(dāng)前電機(jī)

12、的運(yùn)行情況，看是啟動還是停止，同時對電機(jī)進(jìn)行過流和過載的保護(hù)也是必不可少的。不過本設(shè)計也存在一些缺點(diǎn)，由于采用的是基本的電氣控制器件，沒有實(shí)用單片機(jī)及plc 不能對水位進(jìn)行精確控制，同時水位顯示也不夠精確，只能顯示反映幾個水位采集點(diǎn)的水位。此外沒有做后備電機(jī)的考慮，在出現(xiàn)意外情況下，只能更換電機(jī)。由于時間有限，設(shè)計也難免有局限性。3第第 3 章章設(shè)計原理設(shè)計原理3.1 水箱水位與電機(jī)啟動及停止的原理水箱水位與電機(jī)啟動及停止的原理在無浮子液位繼電器的供水控制電路中，水箱中放置 3 個電極保持器，每個電極保持器包括 3 個電極 e1、e2、e3。所謂無浮子液位繼電器就是在不采用浮子的情況下，使電流

13、在液體中流動，并且通過電流的變化控制液位，這時會對電極間的電流變化進(jìn)行放大，然后變?yōu)殡姶爬^電器的運(yùn)行形式。其工作原理如下圖所示，利用電動泵的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)供水。當(dāng)水箱中的水位達(dá)到無浮子液位繼電器的電極 e1 時，電極 e1 和 e3 導(dǎo)通，電動泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，于是停止供水，電動泵的停止運(yùn)行狀態(tài)將持續(xù)到水箱的水位下降到低于 e2 極為止；當(dāng)不斷使用水箱中的水，使水位下降到低于無浮子液位繼電器的電極 e2 時，電極 e2(e1)與 e3 之間變?yōu)榉菍?dǎo)通狀態(tài)，于是啟動電動機(jī)并向水箱供水，電動泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)一直將持續(xù)到水箱的水位達(dá)到電極 e1 時停止。所以把電極 e1 最下端設(shè)為上限水位，電極 e2 最下端設(shè)為下

14、限水位，水位就在 e1 和 e2 點(diǎn)之間變化。當(dāng)然考慮實(shí)際情況，一個電機(jī)可能不夠，通常情況下需要 3 臺電機(jī)工作，此時，只要使用 3 個電極保持器分別控制 3 臺電機(jī)即可，電極保持器 e2 點(diǎn)設(shè)置為不同的水位，以便在不同水位時啟動不同的電機(jī)。當(dāng)水位上升到上限水位時，3 臺電機(jī)都會停止工作，隨著水位的下降，低于 a1 電極保持器的 e2 時啟動 m1 電機(jī)；如果水位下降太快，低于 a2 電極保持器的 e2 點(diǎn)時，啟動 m2 電機(jī)，此時有 2 臺電機(jī)在工作；如果用水量太大以至于低于a3 電極保持器的 e2（下限水位）時，啟動 m3，此時 3 臺電機(jī)一起工作，直到達(dá)到上限水位時停止，以滿足用水要求。

15、 圖 3.1 水箱電極保持器示意圖43.2水位指示器原理水位指示器原理 如下圖所示，采用十個二極管組成水位傳感器， ，當(dāng)水箱中注水時，aj 點(diǎn)被水逐一淹沒，aj 點(diǎn)的電位與 o 點(diǎn)的電位逐一被短路。按照設(shè)計原理，水滿時，led 顯示器上的最高點(diǎn)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮；水少時，發(fā)光二極管被依次點(diǎn)亮。 圖 3.2 水位傳感器5 第第 4 4 章章 電氣控制電路設(shè)計電氣控制電路設(shè)計 4.14.1 供水控制電路設(shè)計供水控制電路設(shè)計 主電路設(shè)計如下圖所示，三臺電機(jī)都進(jìn)行過流和過載保護(hù)。 圖 4.1 供水控制系統(tǒng)主電路圖控制電路設(shè)計如下圖所示，水位的自動控制在實(shí)際應(yīng)用中由于水面的上下浮動，使接觸觸電時通時斷，造

16、成接觸器頻繁吸合釋放，恨容易燒壞接觸器觸點(diǎn)。所以在一般的晶體管水位控制電路中，加一個電容 c 使三極管的導(dǎo)通或者截止時間延遲，不使接觸器馬上動作，即可保護(hù)接觸器觸點(diǎn)。當(dāng)總開關(guān) qs 按下時，此時如水塔中的水位下降到最低水位時，vt2 截止，vt1 導(dǎo)通，這樣使得繼電器 k1 吸合，其常閉觸點(diǎn)斷開，其常開觸點(diǎn)閉合，使電磁接觸器 mc 得電，啟動電機(jī)；待水箱水滿時，vt2 導(dǎo)通，vt1 截止，使 k1 釋放，常開斷開，6常閉閉合，使電機(jī)停止。同時 mc 的一個常閉和一個常開分別接一顯示燈，綠燈表示運(yùn)行，紅燈表示停止，達(dá)到顯示電機(jī)的運(yùn)行/停止。在實(shí)際應(yīng)用中，控制電路二端分別接主電路的l1 和 l2

17、端提供 380v 的相電壓。這只是控制一臺電機(jī) m1 的電路，如果要控制 3 臺電機(jī)，只需采用 3 個這樣的簡單電路即可，將接觸器 km1 分別換成 km2 和 km3,這樣即可控制電機(jī)m2 和 m3，同樣二端接 380v 的相電壓。 圖 4.3 水塔水位控制電路圖4.24.2 水位指示器設(shè)計水位指示器設(shè)計4.2.1 工作原理二極管 vd1-vd10 組成水位傳感器，水位指示器原理圖如下圖所示。工作原理：當(dāng)水箱中注水時，vd1-vd10 被逐一淹沒，a-i 點(diǎn)與 o 點(diǎn)的電位被逐一短路， ，晶體管 vt1 接成射極跟隨器，其輸入阻抗高。j 點(diǎn)對地點(diǎn)的電位不受 vt1 輸入阻抗的影響，約等于未被

18、淹沒的二極管的正向壓降。當(dāng)水淹沒 a 點(diǎn)時，j 點(diǎn)的電位約等于 5.4-6.3v；淹沒 d 點(diǎn)時，j 點(diǎn)的7電位約為 3.6-4.2v；淹沒 i 點(diǎn)時，j 點(diǎn)的電位約為 0.6-0.7v。vt1 的發(fā)射極得到與 j 點(diǎn)對應(yīng)的而低于 j 點(diǎn)電位 0.6v 左右的電壓。此電壓經(jīng)電位器 rp1、rp2 調(diào)節(jié)后，送集成電力ic1（lm3941）的輸入端。lm3941 是十位線性 led 指示驅(qū)動器，其內(nèi)包含一個輸入緩沖器、十個比較器、一個十位線性分壓器、一個 1.25v 的基準(zhǔn)電源和模式轉(zhuǎn)換電路等，由分壓器和比較器組成了十級線性比較器，它和輸入 5 腳的信號電壓比較，得到相應(yīng)的輸出驅(qū)動，與之相連的發(fā)光

19、二極管 vd20-vd11 發(fā)光，指示水箱中水位的高低。lm3941 的 9 腳接 vcc時，指示為線顯示模式，當(dāng) 9 腳懸空或接地時，只是為點(diǎn)顯示模式，本電路采用點(diǎn)顯示模式。整機(jī)采用交流穩(wěn)壓電源供電，圖中 t1 為變壓器，vd21-vd24 是全波整流電路，ic2（7809）是集成穩(wěn)壓電路，c1、c2 為電源濾波電容器，提供整機(jī)的直流 9v 電源，供顯示器使用。 圖 4.2.1.2 圖 4.4 水位指示器原理圖4.2.2 傳感器的制作 先按水箱實(shí)際深度取一空心塑料管，直徑約 0.5-1cm；將塑料管等分為十段并打孔，將二極管串聯(lián)并按上圖把各電極引出；用耐高溫石蠟或樹脂灌入管中，將二極管封牢并

20、對外絕緣；連接好引線。 當(dāng)零件安裝結(jié)束，檢查無誤時，可通電進(jìn)行測試，將傳感器放入水箱中，使 i 點(diǎn)被水淹沒，調(diào)節(jié) rp2，使發(fā)光二極管 vd11 點(diǎn)亮；將傳感器拉出，使 a 點(diǎn)露出水面，調(diào)節(jié) rp1 使發(fā)8光二極管 vd20 點(diǎn)亮；重復(fù)以上步驟，使 a 點(diǎn)拉出水面和 i 點(diǎn)浸入水面時，發(fā)光二極管vd20 和 vd11 都能分別點(diǎn)亮，調(diào)試結(jié)束。第第 5 5 章章心得體會心得體會本次為期兩周的課程設(shè)計使我們對電氣控制技術(shù)有了進(jìn)一步的熟悉，對于水塔水位控制系統(tǒng)的設(shè)計看似恨簡單，但自己真的動手操作起來才發(fā)現(xiàn)有很多困難，很多知識來源與課本卻又高于課本，理論知識跟實(shí)際應(yīng)用有恨大區(qū)別，發(fā)現(xiàn)自己很難把書本的知識靈活運(yùn)用。水塔水位控制系統(tǒng)的設(shè)計其實(shí)有很多種方法，可以用到以前學(xué)過的很多知識，包括單片機(jī)，c 語言，