電氣安全課程設計

1、 水箱水位控制設計 電氣安全課程設計院 、 部： 安全與環(huán)境工程學院 學生姓名：蔣從銀、蔣敏、汪貴、 楊 敏、馮鵬欣 指導教師： 劉愛群 職稱： 副教授 專 業(yè)： 安全工程 班 級： 安本1103班 完成時間： 2014年12月 摘 要 本設計通過自動化檢測儀器對特定的水箱液位進行全自動控制，以實現(xiàn)當水箱沒水時，水位控制器能夠自動控制水泵抽水，當抽水滿時能夠自動控制水泵停止抽水；當水源缺水或沒水時，自動控制水泵停止工作，防止水泵空轉導致燒毀。并且通過內置水位感應儀器實時LED顯示水箱內水位情況，然后根據(jù)系統(tǒng)接線情況對線路進行安全防護，以達到該系統(tǒng)能夠在現(xiàn)實情況下正常運行。 關鍵詞：水箱、水位控

2、制器；水泵;安全防護；LED顯示ABSTRACT This design through an automated testing instrument for specific water level automatic control, in order to realize when there is no water tank, water level controller can automatically control the pump pumping, when pumped full can automatically control the pump stopped pum

3、ping; When the water source of water or no water, automatic control water pump stop working, and prevent the idle running result in burning. And through the built-in water level induction instrument LED display real-time water tank water level, and then according to the wiring of a circuit system fo

4、r security protection, in order to achieve the system can normal operation in the real situation.Key words：water tank;water level controller; water pump ; safety protection; LED display 目 錄1 前言12 水箱控制系統(tǒng)簡介22.1 控制系統(tǒng)22.1.1 人工控制與自動控制 22.1.2 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖 32.2 水箱水位設計實驗的目的和內容32.2.1 實驗目的32.2.2 實驗

5、內容33 水箱水位控制設計實驗的組成43.1 設計原理介紹43.1.1 電路安裝面板43.1.2 水泵控制設計43.1.3 液位顯示設計53.2 實驗選材63.2.1 刀閘開關63.2.2 斷路器63.2.3 變壓器73.2.4 顯示燈83.2.5 增壓泵83.2.6 液位開關93.2.7 蜂鳴器104 設計總結115 結束語13文 獻14附 錄151 前言  水箱（水塔）水位自動控制器主要用途是配合水泵，根據(jù)水箱（水塔）水位高低的變化來啟動及停止。適用于工農業(yè)及民用自動供水。 本電路包括水位檢測電路，水位范圍測量電路，水泵開關電路，顯示電路和電源電路5部分。水位

6、測量電路的功能是利用水的導電性檢測水位的變化，水位范圍測量電路的功能是利用傳感器的原理實現(xiàn)水位范圍的確定，應根據(jù)水井涌水量來調節(jié)中水位探頭及高水位探頭之間的距離，應調節(jié)在水箱（水塔）水滿后，同時利用傳感器的遲靈敏性實時監(jiān)控水位。水泵開關電路的功能是完成控制電路和水泵是否工作，顯示電路的功能是顯示水泵是否在工作。電源電路則為以上電路提供直流電源。 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產的快速發(fā)展，對自動化控制的需求漸漸增大。單回路控制系統(tǒng)是過程控制中結構最簡單、最基本、應用最廣泛的一種形式，它解決了工業(yè)生產過程中大量的參數(shù)定值控制問題。大大的將人力從工業(yè)中解放出來，從而提高了生產效率，是工業(yè)自動化的一個巨大

7、的進步。 本課程設計針對液位對象淺述了，通過浮球液位控制器對水箱液位進行控制的主要設計方法和步驟，雖然只是單回路控制系統(tǒng)的一個簡單的應用例子，但也初步綜合了自動控制原理、過程控制等知識，培養(yǎng)了實踐動手能力。2 水箱控制系統(tǒng)簡介2.1 控制系統(tǒng)2.1.1 人工控制與自動控制 圖1為水箱液位控制系統(tǒng)示意圖，在人工控制示意圖中，為保持水箱液位恒定，操作人員應根據(jù)液位高度的變化情況控制凈水量。手工控制的過程主要分為三步：  用眼睛觀察水箱液位的高低以獲取測量值，并通過神經系統(tǒng)傳到大腦；  大腦根據(jù)眼睛看到的水位高度，與設定值進行比較，得出偏差大小和方向

8、，然后根據(jù)操作經驗發(fā)出控制命令；  根據(jù)大腦發(fā)出的命令，用雙手去改變給水閥（或進水閥）的開度，使水箱液位包持在工藝要求的高度上。 在整個手工控制過程中，操作人員的眼、腦、手、三個器官，分別擔負了檢測、判斷、和運算、執(zhí)行三個作用，來完成測量、求偏差、在施加控制操作以糾正偏差的工作過程，保持水箱液位的恒定。 圖1 人工與自動控制示意圖如果采用檢測儀表和自動控制裝置來代替人工控制，就成為過程控制系統(tǒng)。在自動控制示意圖中，當系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量（液位）發(fā)生變化，通過檢測變送儀表得到其測量值；控制器接受液位測量變送器送來的信號，與設定值相比較得出偏差，按某

9、種運算規(guī)律進行運算并輸出控制信號；控制閥接受控制器的控制信號，按其大小改變閥門的開度，調整給水量，以克服擾動的影響，使被控變量回到設定值，最終達到水箱液位的恒定。這樣就完成了所要求的控制任務。這些自動控制裝置和被控的工藝設備組成了一個沒有人直接參與的自動控制系統(tǒng)。 2.1.2 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖 本設計對水箱液位控制系統(tǒng)的設計是一個簡單控制系統(tǒng)，所謂簡單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個被控對象、一個檢測變送單元（檢測元件及變送器）、以個控制器和一個執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。 簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個基本環(huán)

10、節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對于不同對象的簡單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖表示：圖2 簡單控制系統(tǒng)示意圖2.2 水箱水位設計實驗的目的和內容2.2.1 實驗目的此次課程設計通過綜合應用電氣安全課程基礎知識，加深對所學傳感器檢測技術基本理論的應用，有助于加深對電氣安全控制知識的理解，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，增強動手能力。達到以下要求：1）設計滿足特定功能或要求的控制電路原理圖； 2）能夠簡述設計原理；3）有必要的安全保護措施；4）完成實驗驗證。2.2.2 實驗內容水箱水位設計的內容要求如下：1）設備名稱、用途、基本結構、動作要求及工藝過程介紹。2）供電

11、方式及控制要求、保護要求等。4）自動供水和手動供水的要求。5）操作臺、照明、信號指示、報警方式等要求。3 水箱水位控制設計實驗的組成3.1 設計原理介紹3.1.1 電路安裝面板 本次設計從儀器到安裝都是由同學們親自動手組裝和調試的，面板上顯示的有斷路器、變壓器、LED液位指示燈、蜂鳴器和三檔開關，為了面板的美觀簡潔、易于操作和觀察所有的線路均由面板后面連接。圖8 安裝面板圖3.1.2 水泵控制設計圖9 水泵控制電路圖本次設計為簡易水箱自動控制，當關閉刀閘開關S1、斷路器QF時，將三檔開關（S2）撥動到“手動”檔實現(xiàn)手動供水；當撥到“自動”檔時則由液位開關控制水泵的工作；當撥到“關”檔位時水泵停

12、止工作。3.1.3 液位顯示設計液位顯示是實時監(jiān)測水箱內的水位變化，本次設計是運用水的導電性使指示燈形成閉合電路，由5個LED（12V）燈和一個蜂鳴器來指示液位其中紅色燈指示最高警戒水位、綠色燈指示安全水位、兩個橙色燈指示1/4水位和1/2水位、紅色燈指示最低警戒水位。指示燈和蜂鳴器并且電源由220V交流電經變壓器提供12V直流電供電，其電路圖如圖10所示。圖10 液位顯示電路其中1、2、3、4、5分別表示最高警戒水位、滿水位、3/4水位、1/2水位和1/4水位，C表示最高水位蜂鳴器；a、b、c、d、e分別表示5個水位接觸點。當水位到達e點時，由于水的導電性使O、e點連通，則指示燈5亮；當水位

13、到達d點位置時指示燈4亮；同理當水位分別到達c、b位置時，指示燈2、3亮；當水位到達a點警戒水位時指示燈1亮，同時蜂鳴器c發(fā)出警報響聲。3.2 實驗選材3.2.1 刀閘開關 刀閘開關如圖3，有底座和活動刀閘，底座上有兩個銅板靜觸頭，底座的下端有鉤形下承座架，活動刀閘有兩片整體絕緣材料板制成的平行的閘板，兩片閘板間用具有彈簧的夾持螺栓相連，在兩片閘板內側分別連有兩對相對的二面角形銅板動觸頭，每對銅板動觸頭間有與銅板靜觸頭相配合的間隙，二面角形動觸頭的一個面是用螺栓連在閘板上，另一個面上有熔斷片的電接點，在活動刀閘的下端有與底座下端鉤形下承座架相配合的活動刀閘軸，活動刀閘的上端有摘掛鉤。本實用新型

14、活動刀閘的兩片閘板是用整體絕緣材料板制成，動觸頭是二面角形，一面用螺栓定位連在閘板上，另一面上有熔斷片電接點，刀閘開關在開關活動時，電連接點不受外力影響，保證電接點接觸良好。本次設計使用的是普通刀閘開關。 圖3 刀閘開關3.2.2 斷路器斷路器又稱自動開關，它是一種既有手動開關作用，又能自動進行失壓、欠壓、過載、和短路保護的電器。它可用來分配電能，不頻繁地啟動異步電動機，對電源線路及電動機等實行保護，當它們發(fā)生嚴重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路。自動空氣開關由操作機構、觸點、保護裝置(各種脫扣器)、滅弧系統(tǒng)等組成。 （組成包括:主觸點，自由脫扣機構 ，

15、過電流脫扣器 ，分勵扣器脫，熱脫扣器 ，欠電壓脫扣器 ，停止按鈕）。自動空氣開關的主觸點是靠手動操作或電動合閘的。主觸點閉合后，自由脫扣機構將主觸點鎖在合閘位置上。過電流脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯(lián)，欠電壓脫扣器的線圈和電源并聯(lián)。當電路發(fā)生短路或嚴重過載時，過電流脫扣器的銜鐵吸合，使自由脫扣機構動作，主觸點斷開主電路。當電路過載時，熱脫扣器的熱元件發(fā)熱使雙金屬片上彎曲，推動自由脫扣機構動作。當電路欠電壓時，欠電壓脫扣器的銜鐵釋放。也使自由脫扣機構動作。分勵脫扣器則作為遠距離控制用，在正常工作時，其線圈是斷電的，在需要距離控制時，按下起動按鈕，使線圈通

16、電，銜鐵帶動自由脫扣機構動作，使主觸點斷開。本次設計使用的是DZ47-C16型斷路器如圖4，其最高允許電流16A。 圖4 斷路器3.2.3 變壓器變壓器是變換交流電壓、交變電流和阻抗的器件， 當初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。在本次設計中使用的變壓器是I/P:220V AC 50HZ、O/P:12*2，其能輸出12V/24V的直流電壓，在系統(tǒng)中為LED燈和蜂鳴器提供低壓電源。圖5 變壓器3.2.4 顯示燈LED是light

17、emitting diode的縮寫，中文名稱“發(fā)光二極管” 其發(fā)光原理跟激光的產生相似。 一個原子中的電子有很多能級，當電子從高能級向低能級跳變時，電子的能量就減少了，而減少的能量則轉變成光子發(fā)射出去。大量的這些光子就是激光了。 LED原理類似。不過不同的是，LED并不是通過原子內部的電子躍變來發(fā)光的，而是通過將電壓加在LED的PN結兩端，使PN結本身形成一個能級（實際上，是一系列的能級），然后電子在這個能級上躍變并產生光子來發(fā)光的。本次設計選用5個12V的LED燈來實時顯示水箱水位，其中紅色燈指示最高警戒水位、綠色燈指示安全水位、兩個橙色燈指示1/4水位和1/2水位、紅色燈指示最低警戒水位。

18、3.2.5 增壓泵增壓泵利用大面積活塞的低壓氣體（28bar）驅動而在小面積活塞上產生高壓氣體/液體。本次設計實驗用的是1ZDB-35型的清水泵（如圖6）?？捎糜趬嚎s空氣及其他氣體，輸出氣壓可通過驅動氣壓無級調節(jié)。 增壓泵具有以下特點：維護簡單：增壓泵的零件及密封少，維護簡單且成本低著一起復增壓。性價比高：增壓泵具有輸出性能高而成本低的特性?？烧{性強：增壓泵輸出壓力和流量都由驅動氣體的壓力調節(jié)閥準確地調節(jié)。調節(jié)驅動氣壓，使氣壓管道增壓泵的輸出壓力在預增氣壓和最大輸出壓力之間精確調整。 輸出壓力高：氣動液體管道增壓泵的最高工作壓力可達到700Mpa，氣動氣體管道增壓泵的最高工作壓力可達到300

19、Mpa。 材質優(yōu)良：增壓泵高壓部分材質為硬質鋁合金。高壓柱塞材質為不銹鋼。并采用雙層密封。關鍵部位材質可以根據(jù)介質性制選配。1）清水泵的安裝使用使用前，先檢查電線或插頭是否完好無損，各處螺栓有無松動現(xiàn)象，電機絕緣電阻應大于50兆歐。還需安裝漏電斷路器等保安設施，水泵都附有接地標志，進行可靠接地。接著檢測電壓波動范圍是否在額定電壓+5%15%之間，否則會使會使電機壽命減短甚至燒壞。如電泵使用地距電源較遠，則應當加粗電源輸送線，注意電源輸送線線徑一定要大于水泵電源引線，接上電源先空載數(shù)秒鐘（不超過60秒），查看啟動、動轉是否正常，轉向是否正確，三相電泵如轉向不對，則調接電源輸出線中任兩根即可。安裝

20、時，先固定好泵體，然后用鋼管或橡皮管（不得過軟，以免吸扁）連接進水口和底閥，底閥放置必須垂直于平面，離水底30cm以上。接妥后，擰開空氣螺塞，從出水口向泵內灌滿清水等泵內排盡空氣后，在擰緊空氣螺塞，重新接上電源，即可使用。自吸泵安裝后，未免使雜質吸入，應先在在進水管口包上過濾紗布，然后接上鋼管或橡皮管。為提高吸水效率，工作前貯水箱內灌滿水。通過5分鐘自動抽水。注意事項：使用前請檢查所使用的電源是否符合電機要求。電機應避免雨淋及濺水。為安全起見，電機接地必須可靠。初次使用時，應通電試運行，且空載不能超過60秒，并且檢查水泵運轉是否正常，然后在灌水口處灌水，排除閥內空氣以確保流量、揚程達到最佳性能

21、要求。泵應靠近水源，盡可能減少吸水管長度及彎頭個數(shù)，確保各接頭處密封良好，底閥應距離池底或河底150mm以上高度。水泵每次使用或放置長時間，應拔動電機風扇，如有卡死或過緊現(xiàn)象，應清楚泵內銹漬、雜物，否則將會損壞電機。如發(fā)現(xiàn)時，請送到就近的維修店服務維修。2） 使用條件與特點清水泵是一種適合家庭、園林、農田、旅館和循環(huán)供水加壓等而設計的一種流量大、高效率、結構緊湊的新型泵。輸送水源的條件為常溫清水，PH值在6.5-8范圍內，如河水、井水、自來水等。3） 清水泵常見故障及排除方法清水泵常見故障及排除方法見下表1所示。表1 清水泵常見故障及排除方法故障原因排除方法水泵不啟動燒壞開關保險絲水泵堵死電容

22、器燒壞電機燒壞更換保險絲拆開水泵清洗凈異物更換電容器修理電機水泵抽不上水灌水不足吸程過高吸水管接頭漏氣水源不足底閥露面重新灌滿水移動水泵降低揚程擰緊接頭，消除漏氣現(xiàn)象將底閥侵入水中一定深度水泵流量小，揚程低葉輪磨損過大泵殼磨損過大機械密封件磨損電壓過低更換葉輪更換泵殼變換機械密件用調壓器升高電壓3.2.6 液位開關浮球液位開關結構主要基于浮力和彈簧彈力原理設計生產的。本設計使用的是雷達牌液位開關（如圖6），它是利用水的浮力和浮筒重力控制開關動作。當水箱中水位到達最低液位（即最下面的浮子時）時，兩浮筒由于浮力減小重力拉動使開關閉合，水泵通電供水；當水位到達安全水位（即最上面的浮筒）時，浮筒浮力增

23、大使開關斷開，則水泵停止供水。圖6 液位開關3.2.7 蜂鳴器壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。本設計使用的是12V低壓蜂鳴器。當接通電源后（12V直流工作電壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.52.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。蜂鳴器原理圖如圖7所示。圖7 蜂鳴器原理圖4 設計總結經過認真設計和反復地實驗，設計的各項性能指標均達到了預期效果。其中水位控制功能通過手動開關和自動開關能夠很好地達到自動控制的結果。其自動化程度已達到半自動化，操作人員，只需要注意安全警示器的預警，就可以知道貯水池的進、抽水

24、情況，待水注至設定液面時，將自動切斷電路；如需繼續(xù)注滿水，可按手動開關，即可完成期望功能。由于設備在購買組裝時，選用的電路元件都是可靠性比較高的產品，其安全性符合安全標準，因而它的穩(wěn)定性及抗干擾能力達到了預設的要求。在實驗過程中也發(fā)現(xiàn)，工業(yè)生產中的水位控制系統(tǒng)（包括相應的安全裝置）一個完整的系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，因為它除了水泵、控制器、調節(jié)器外，還有很多安全附件，而且各個線路串在一起，在一個系統(tǒng)中工作，互相之間或多或少有些影響。這些復雜的系統(tǒng)相比我們的設計來說，是沒法比的，特別是電腦自動控制，達到了高度自能化。而本設計僅僅做到了液位自動控制，能夠保證在進水箱水不足時，切斷線路，避免水泵空載，損

25、壞水泵；或者儲水箱水位達到設定值時，能夠報警警示，避免水箱中水溢出，浪費水資源。在演示實驗中存在諸多的不足和缺陷：1、 連接電路時，大功率負載與電機連接，使電路無法啟動；2、 再者實驗抽水、進水用的軟管，很容易吸扁，進而中斷電路；3、 使用的水質比較臟，沒有達到清水要求，有可能堵塞電機；4、 在做試驗過程中，由于用的水桶代替水箱，在往水桶灌水的過程中，地上濺滿了水，而實驗場地比較窄，電機的木板上有些許水，有可能發(fā)生觸電事故和摔傷事故；5、 實驗過程中，各電路元件接線有些混亂、實驗場地周圍混亂，如有電路故障，難以理清。6、 沒有考慮到隨著水量的增加，指示燈電路電阻增大使指示燈和蜂鳴器工作電壓過低，故而不能明顯的顯示水位的變化；本次設計的電路還沒有達到安全美觀的要求，亟待進一步改進。在指導老師指導下，本組獨立完成了設計的絕大部分，當然，本論文只是對水箱水位控制比較淺顯的論述。由于設計的系統(tǒng)較為簡單，為了避免十分繁瑣的理論分析，采用了簡單的小型儀器設備，但這樣顯然對自動控制原理的應用就減少工藝、生活實際的應用了。在設計中綜合應用了過程控制技術、自動控制原理、電氣安全技術、安全監(jiān)測技術等相關知識，其中電氣安全技術和安全監(jiān)測技術均是此次控制系統(tǒng)設計的重