904953397小區(qū)水塔供水電氣控制系統(tǒng)

1、電電氣控制技?xì)饪刂萍夹g(shù)課術(shù)課程程設(shè)計設(shè)計課題課題任任務(wù)書務(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，其啟停 控制取

2、決于溢出水位與低水位。 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 入隨變頻電機的

3、頻率逐臺接入或退出，為供水安全也要設(shè)立溢出水位。 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， 輔助電機數(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，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。 控制面板上除自動控制外，對每臺電機都應(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)電機的運行狀態(tài)顯示、故障狀態(tài)的報警等。每臺電機都應(yīng)設(shè)過流

4、、 過載、過壓保護。 功能的實現(xiàn)可采用基本電氣控制器件，也可使用 plc 可編程控制器和基本電 氣控制器件共同實現(xiàn)；還可以采用單片機控制和基本電氣控制器件共同實現(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。仿真或連接實際電路演示功能。 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)

5、； 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)

6、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 3 3.1 水箱水位與電機啟動及停止的原理.3 3.2水位指示器原理.4 第第 4 4 章電氣控制電路設(shè)計章電氣控制電路設(shè)計.5 5 4.1控制電路設(shè)計部分.5 4.2 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 參考文獻參考文獻 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

7、、維修管理均不利，因此必須進行合理的豎向分區(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，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

8、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]到重力供水系統(tǒng)的 缺點，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，且運行效率低，還需設(shè)置空氣壓縮機為水箱補氣，因此耗費動力較多， 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充氣，既節(jié)省了

9、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，如用計算機控制更為理想。一般采用調(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可調(diào)速的聯(lián)軸器或者采用調(diào)速電動機，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

10、水系統(tǒng)，最好是用于水量變化不太大的建筑，因為水泵 要長時間不停的工作，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， 經(jīng)濟上最合理的供水系統(tǒng)。 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

11、過在水箱中設(shè)置幾個不同的水位點控制 3 臺電機的啟動/停止，三臺電機都采用同功率的 電機，根據(jù)水塔高度和小區(qū)用水量選擇電動機的型號，查閱相關(guān)資料，水泵的種類很多， 根據(jù)水泵的流量、揚程、功率及數(shù)量選用型號 y132s4，5.5kw,380v,12a,1440r/min 的電 機。同時為了達到水位指示的要求，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，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，

12、便于對 系統(tǒng)進行控制和故障維修。在考慮實用與經(jīng)濟的情況下，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。考慮到具體情況，該設(shè)計也可以進行功能擴展， 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)前電機的 運行情況，看是啟動還是停止，同時對電機進行過流和過載的保護也是必不可少的。 不過本設(shè)計也存在一些缺點，由于采用的是基本的電氣控制器件，沒有實用單片機及 plc 不能對水位進行精確控制，同時水位顯示也不夠精確，只能顯示反映幾個水位采集點 的水位。此外沒有做后備電機的考慮，在出現(xiàn)意外情況下，只能更換電機。由于時間有限， 設(shè)計也難免有局限性。 第第

13、3 章章設(shè)計原理設(shè)計原理 3.1 水箱水位與電機啟動及停止的原理水箱水位與電機啟動及停止的原理 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行放大， 然后變?yōu)殡姶爬^電器的運行形式。其工作原理如下圖所示，利用電動泵的運轉(zhuǎn)實現(xiàn)供水。 當(dāng)水箱中的水位達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 轉(zhuǎn)，于是停止供水，電動泵的停止運行狀態(tài)將持續(xù)到水箱的水位下降到低于 e2 極為止

14、； 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)，于是啟動電動機并向水箱供水，電動泵的運轉(zhuǎn)狀態(tài)一直將持 續(xù)到水箱的水位達到電極 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)為下限水位，水位就在 e1 和 e2 點之間變化。 當(dāng)然考慮實際情況，一個電機可能不夠，通常情況下需要 3 臺電機工作，此時，只要 使用 3 個電極保持器分別控制 3 臺電機即可，電極保持器 e2 點設(shè)置為不同的水位，以便 在不同水位時啟動不同的電機。當(dāng)水位上升到上限水位時，3 臺電機都會停止工作，隨著 水位的下降，低于

15、 a1 電極保持器的 e2 時啟動 m1 電機；如果水位下降太快，低于 a2 電 極保持器的 e2 點時，啟動 m2 電機，此時有 2 臺電機在工作；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 臺電機一起工作，直到達到上限水 位時停止，以滿足用水要求。 圖 3.1 水箱電極保持器示意圖 3.2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 點被水逐一 淹沒，aj 點的電位與 o 點的電位逐一被短路。按照設(shè)計原理，水滿時，led 顯示器上的 最高點的發(fā)光二極管點亮；水少時，發(fā)光二極管被依次點亮。 圖 3

16、.2 水位傳感器 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，三臺電機都進行過流和過載保護。 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際應(yīng)用中由于水面的上下浮動，使接 觸觸電時通時斷，造成接觸器頻繁吸合釋放，恨容易燒壞接觸器觸點。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，即可保護接觸器觸點。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

17、斷開，其常開觸點閉合，使電 磁接觸器 mc 得電，啟動電機；待水箱水滿時，vt2 導(dǎo)通，vt1 截止，使 k1 釋放，常開斷開， 常閉閉合，使電機停止。同時 mc 的一個常閉和一個常開分別接一顯示燈，綠燈表示運行， 紅燈表示停止，達到顯示電機的運行/停止。在實際應(yīng)用中，控制電路二端分別接主電路的 l1 和 l2 端提供 380v 的相電壓。這只是控制一臺電機 m1 的電路，如果要控制 3 臺電機， 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 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

18、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 點與 o 點的電位被逐一短路， ，晶體管 vt1 接成射極 跟隨器，其輸入阻抗高。j 點對地點的電位不受 vt1 輸入阻抗的影響，約等于未被淹沒的 二極管的正向壓降。當(dāng)水淹沒 a 點時，j 點的電位約等于 5.4-6.3v；淹沒 d 點時，j 點的 電位約為 3.6-4.2v；淹沒 i 點時，j 點的電位約為 0.6-0.7v。vt1 的發(fā)射極得到與 j 點對 應(yīng)的而低于 j 點電位 0.6v 左右的電壓。此

19、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，只是為點顯示模式，本電路采用點顯示模式。 整機采用交流穩(wěn)壓電源供電，圖中 t1 為變壓器，vd21-vd24 是全波整流電

20、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，可通電進行測試，將傳感器放入水箱中，使 i 點被水淹 沒，調(diào)節(jié) rp2，使發(fā)光二極管 vd11 點亮；將傳感器拉出，使 a 點露出水面，調(diào)節(jié) rp1 使發(fā) 光二極管 vd20 點亮；重復(fù)以上步驟，使 a 點拉出水面和 i 點浸入水面時，發(fā)光二極管 vd20 和 vd11 都能分別點亮，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 用。 水塔水位控制系統(tǒng)的設(shè)計其實有很多種方法，可以用到以前學(xué)過的很多知識，包括單片機， c 語