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1、电气控制技术课程设计课题任务书系（部）：电子与通信工程系 专业： 指导教师： 课题名称小区水塔供水电气控制系统设计内容及要求本设计是针对独立生活小区的高层水塔供水的自动控制，要求使用三台同功率的高压水泵，每台水泵扬程大于20米。采用光电浮子式水位检测（精度1厘米），三台电机的控制策略如下：1、基于时间的水位控制系统需要对用水时间段进行统计，确定早、中、晚的用水高峰段，控制策略选择为：用一台水泵控制水位在高水位与低水位之间变化；早、中用水高峰时段加入一台水泵辅助供水，晚间高峰时段加入两台水泵辅助供水，在辅助水泵工作时段，其启停控制取决于溢出水位与低水位。2、基于流量变化的水位控制系统用一台主水泵
2、控制水位在高水位与低水位之间变化，辅助水泵接入一台或两台取决于单位时间内流量的大小，停止取决于溢出水位。3、基于水位变化速度的控制系统用一台主水泵控制水位在高水位与低水位之间变化，辅助水泵接入一台或两台取决于水位上升或下降的速度，停止取决于溢出水位。4、基于水压及压力变化速度的控制系统用一台主水泵控制水压在高水压与低水压之间变化，辅助水泵接入一台或两台取决于压力变化的速度，停止取决于溢出水位。5、基于水位变化的变频供水控制系统用一台变频电机驱动主水泵控制水位在高水位与低水位之间变化，辅助水泵接入随变频电机的频率逐台接入或退出，为供水安全也要设立溢出水位。6、高层接力式水箱供水控制系统将高层建筑
3、分为每四层共用一个水箱，为确保每层楼水压在安全范围内，水箱位置应比供水区高两层楼，水箱大小应由低层到高层递减，每层都设一台变频电机，辅助电机数也应由低层到高层递减。这样可以解决高层建筑供水需要高压水管导致成本高的缺点，且提高供水安全。水位检测与流速检测方式还很多，本设计不限定检测方式，但要求水位精确到厘米、流速精确到立方米/分钟。作为本设计的重要内容。控制面板上除自动控制外，对每台电机都应设手动启停控制。对水位状态显示形式不限，还应设电机的运行状态显示、故障状态的报警等。每台电机都应设过流、过载、过压保护。 功能的实现可采用基本电气控制器件，也可使用PLC可编程控制器和基本电气控制器件共同实现
4、；还可以采用单片机控制和基本电气控制器件共同实现。画出原理图、电气控制图、控制面板接线图；写出原理说明书、使用说明书、控制程序。仿真或连接实际电路演示功能。设计工作量第一周完成选题、收集设计资料、信号采集方式设计、传感部件设计、控制电路设计与制图；第二周完成传感部件制作、控制电路连接、程序设计、系统功能调试、撰写论文、论文答辩。进度计划起止日期（或时间量）设计内容（或预期目标）备注星期一上午设计动员、课题选择；下午课题讲解、注释要求。星期二上午查阅资料、收集数据；下午设计信号采集方式星期三上午设计传感器电路部分；下午确定参数、器件选型。星期四上午系统控制方式设计；下午系统控制电路设计。星期五上
5、午面板、接口电路设计；下午绘制设计电路的图纸。周末休息星期一上午传感部件电路制作；下午传感部件功能调试。星期二上午系统控制程序设计；下午控制程序功能调试。星期三上午系统电路功能调试；下午修改设计功能调试。星期四上午撰写论文、整理文档；下午提交论文；准备答辩。星期五上午提交论文；准备答辩；下午设计总结；优劣讲评。 目 录第1章 供水系统简介1第2章 设计内容2第3章 设计原理33.1水箱水位与电机启动及停止的原理33.2水位指示器原理4第4章电气控制电路设计54.1控制电路设计部分54.2主电路设计部分6第5章 心得体会8参考文献第一章 供水系统简介 随着电气控制技术的发展，现代楼宇小区大都属于
6、高层建筑，其供水系统都向智能化方向发展。高层建筑高度大，一般的城市管网中的水压不能满足其用水要求，除了最下面几层可由城市管网供水外，其余上部各层均需提升水压供水。由于过高的水压对使用、材料设备、维修管理均不利，因此必须进行合理的竖向分区供水。 为了节省能量，应充分利用室外管网中的水压，在最地区可直接采用城市网管供水，并将大用水户如洗衣房、餐厅、理发室、浴室等布置在低区，以便城市管网直接供水，充分利用室外管道的压力，可以节省电能。 根据建筑给水高度、要求、分区压力等情况，进行合理分区，然后布置供水系统。供水系统形式有多种，各有其优缺点，但基本上可划分为两大类，即重力供水系统和压力供水系统。重力供
7、水系统的特点是以水泵将水提升到最高水箱中，以重力给水管网配水，对楼顶水池水位的监测当高/低水位超限时报警，根据水箱的高/低水位控制水泵的启动/停止，监测给水泵的工作状态喝故障，如果当使用水泵出现故障时，备用水泵投入工作。重力供水系统供水压力稳定，且有水箱储水，供水较为安全，但水箱重量大，增加建筑符合，占用楼层建筑面积，且有产生噪声振动之弊，应根据具体情况使用。考虑到重力供水系统的缺点，为此可考虑压力供水系统。不在楼层中或屋顶上设置水箱，仅在地下室或者空余之处设置水泵机组、气压水箱等设备，采用压力供水满足供水要求。压力供水系统可用并联的气压水箱给水系统，也可采用无水箱的几台水泵并联供水系统。并联
8、气压水箱需要金属制造，投资比较大，且运行效率低，还需设置空气压缩机为水箱补气，因此耗费动力较多，近年来有的采用密封式弹性隔膜气压水箱，可以不用空气压缩机充气，既节省了电能又防止了空气污染水质，有利于环境卫生。水泵直接供水系统，一般不采用水箱，而是采用多台可自动控制的水泵并联运行，根据用水量的变化，开停不同的水泵来满足用水要求，也可节省电能，如用计算机控制更为理想。一般采用调速水泵供水，即根据水泵出水量与转速成正比的关系的特性，调整水泵的转速满足用水量的变化，同时可节省动力。水泵的调速一般是采用水泵电动机可调速的联轴器或者采用调速电动机，不过近年来国外研究一种自动控制水泵叶片角度的水泵，即随着用
9、水量的变化控制叶片角度来改变调节水泵的出水量，以满足用水量的需要，这种供水系统设备简单，使用方便，是一种恨有前途的新型水泵供水系统。不过无水箱的水泵供水系统，最好是用于水量变化不太大的建筑，因为水泵要长时间不停的工作，即便在夜间用水量不大的情况下，也要消耗动力，且水泵机组投资较高。 以上几个比较有代表性的供水系统，如何选用，应在使用要求、用水量大小、建筑物结构以及材料设备供应等具体问题上全面考虑。在用水安全可靠的前提下，考虑技术先进，经济上最合理的供水系统。 第二章 设计内容本次课程设计的内容为小区水塔水位控制系统的设计，按要求是基于水位的变化来控制三台电机的启停，同时带有LED显示的水位指示
10、器，方便工作人员观察水位变化。根据自己所学过的电气控制知识，本次供水系统的设计采用无浮子液位继电器的供水控制电路，通过在水箱中设置几个不同的水位点控制3台电机的启动/停止，三台电机都采用同功率的电机，根据水塔高度和小区用水量选择电动机的型号，查阅相关资料，水泵的种类很多，根据水泵的流量、扬程、功率及数量选用型号Y132S4，5.5KW,380V,12A,1440r/min的电机。同时为了达到水位指示的要求，安装10个二极管液位传感器，其中最上端和最下端分别为上溢和下溢警戒水位，通过点显示模式显示相应的水位。由于是小区供水，楼层也不会特别高，设计的系统的功能也能够满足小区的供水需求。设计的原理较
11、为简单，没有采用PLC及单片机，只使用了基本的电气控制器件和传感器，工作人员也容易掌握，便于对系统进行控制和故障维修。在考虑实用与经济的情况下，选用的器件都为常用的器件，成本低，稳定性好，也便于工作人员维修。考虑到具体情况，该设计也可以进行功能扩展，可以设计出可切换自动控制和手动控制操作两种控制形式，通过LED等的显示当前电机的运行情况，看是启动还是停止，同时对电机进行过流和过载的保护也是必不可少的。不过本设计也存在一些缺点，由于采用的是基本的电气控制器件，没有实用单片机及PLC不能对水位进行精确控制，同时水位显示也不够精确，只能显示反映几个水位采集点的水位。此外没有做后备电机的考虑，在出现意
12、外情况下，只能更换电机。由于时间有限，设计也难免有局限性。第3章 设计原理3.1水箱水位与电机启动及停止的原理在无浮子液位继电器的供水控制电路中，水箱中放置3个电极保持器，每个电极保持器包括3个电极E1、E2、E3。所谓无浮子液位继电器就是在不采用浮子的情况下，使电流在液体中流动，并且通过电流的变化控制液位，这时会对电极间的电流变化进行放大，然后变为电磁继电器的运行形式。其工作原理如下图所示，利用电动泵的运转实现供水。当水箱中的水位达到无浮子液位继电器的电极E1时，电极E1和E3导通，电动泵停止运转，于是停止供水，电动泵的停止运行状态将持续到水箱的水位下降到低于E2极为止；当不断使用水箱中的水
13、，使水位下降到低于无浮子液位继电器的电极E2时，电极E2(E1)与E3之间变为非导通状态，于是启动电动机并向水箱供水，电动泵的运转状态一直将持续到水箱的水位达到电极E1时停止。所以把电极E1最下端设为上限水位，电极E2最下端设为下限水位，水位就在E1和E2点之间变化。当然考虑实际情况，一个电机可能不够，通常情况下需要3台电机工作，此时，只要使用3个电极保持器分别控制3台电机即可，电极保持器E2点设置为不同的水位，以便在不同水位时启动不同的电机。当水位上升到上限水位时，3台电机都会停止工作，随着水位的下降，低于A1电极保持器的E2时启动M1电机；如果水位下降太快，低于A2电极保持器的E2点时，启
14、动M2电机，此时有2台电机在工作；如果用水量太大以至于低于A3电极保持器的E2（下限水位）时，启动M3，此时3台电机一起工作，直到达到上限水位时停止，以满足用水要求。 图3.1 水箱电极保持器示意图3.2水位指示器原理 如下图所示，采用十个二极管组成水位传感器，当水箱中注水时，AJ点被水逐一淹没，AJ点的电位与O点的电位逐一被短路。按照设计原理，水满时，LED显示器上的最高点的发光二极管点亮；水少时，发光二极管被依次点亮。 图3.2 水位传感器 第4章 电气控制电路设计 4.1供水控制电路设计 主电路设计如下图所示，三台电机都进行过流和过载保护。 图4.1 供水控制系统主电路图控制电路设计如下
15、图所示，水位的自动控制在实际应用中由于水面的上下浮动，使接触触电时通时断，造成接触器频繁吸合释放，恨容易烧坏接触器触点。所以在一般的晶体管水位控制电路中，加一个电容C使三极管的导通或者截止时间延迟，不使接触器马上动作，即可保护接触器触点。当总开关QS按下时，此时如水塔中的水位下降到最低水位时，VT2截止，VT1导通，这样使得继电器K1吸合，其常闭触点断开，其常开触点闭合，使电磁接触器MC得电，启动电机；待水箱水满时，VT2导通，VT1截止，使K1释放，常开断开，常闭闭合，使电机停止。同时MC的一个常闭和一个常开分别接一显示灯，绿灯表示运行，红灯表示停止，达到显示电机的运行/停止。在实际应用中，
16、控制电路二端分别接主电路的L1和L2端提供380V的相电压。这只是控制一台电机M1的电路，如果要控制3台电机，只需采用3个这样的简单电路即可，将接触器KM1分别换成KM2和KM3,这样即可控制电机M2和M3，同样二端接380V的相电压。 图4.3 水塔水位控制电路图4.2水位指示器设计4.2.1工作原理二极管VD1-VD10组成水位传感器，水位指示器原理图如下图所示。工作原理：当水箱中注水时，VD1-VD10被逐一淹没，A-I点与O点的电位被逐一短路，晶体管VT1接成射极跟随器，其输入阻抗高。J点对地点的电位不受VT1输入阻抗的影响，约等于未被淹没的二极管的正向压降。当水淹没A点时，J点的电位
17、约等于5.4-6.3V；淹没D点时，J点的电位约为3.6-4.2V；淹没I点时，J点的电位约为0.6-0.7V。VT1的发射极得到与J点对应的而低于J点电位0.6V左右的电压。此电压经电位器RP1、RP2调节后，送集成电力IC1（LM3941）的输入端。LM3941是十位线性LED指示驱动器，其内包含一个输入缓冲器、十个比较器、一个十位线性分压器、一个1.25V的基准电源和模式转换电路等，由分压器和比较器组成了十级线性比较器，它和输入5脚的信号电压比较，得到相应的输出驱动，与之相连的发光二极管VD20-VD11发光，指示水箱中水位的高低。LM3941的9脚接VCC时，指示为线显示模式，当9脚悬
18、空或接地时，只是为点显示模式，本电路采用点显示模式。整机采用交流稳压电源供电，图中T1为变压器，VD21-VD24是全波整流电路，IC2（7809）是集成稳压电路，C1、C2为电源滤波电容器，提供整机的直流9V电源，供显示器使用。 图4.2.1.2 图4.4 水位指示器原理图4.2.2传感器的制作 先按水箱实际深度取一空心塑料管，直径约0.5-1CM；将塑料管等分为十段并打孔，将二极管串联并按上图把各电极引出；用耐高温石蜡或树脂灌入管中，将二极管封牢并对外绝缘；连接好引线。 当零件安装结束，检查无误时，可通电进行测试，将传感器放入水箱中，使I点被水淹没，调节RP2，使发光二极管VD11点亮；将
19、传感器拉出，使A点露出水面，调节RP1使发光二极管VD20点亮；重复以上步骤，使A点拉出水面和I点浸入水面时，发光二极管VD20和VD11都能分别点亮，调试结束。第5章 心得体会本次为期两周的课程设计使我们对电气控制技术有了进一步的熟悉，对于水塔水位控制系统的设计看似恨简单，但自己真的动手操作起来才发现有很多困难，很多知识来源与课本却又高于课本，理论知识跟实际应用有恨大区别，发现自己很难把书本的知识灵活运用。水塔水位控制系统的设计其实有很多种方法，可以用到以前学过的很多知识，包括单片机，C语言，数电、模电等等知识的应用，也有后来我们要学习的PLC的应用。但本次设计大部分只用到了电气控制技术的知
20、识还有传感器的一些运用，有一定的局限性，其实这个设计还有很大的发挥空间。随着楼宇智能化的发展，还有很大的实际应用价值，有很多的挖掘的空间，由于时间有限，仅利用书本上所学的知识设计了一个较为简单的水塔水位控制系统，不过对于精度要求不太高的场合以及考虑经济性与实用性相结合的综合考虑还是可以的。不过通过这次课程设计，使自己的动手能力提高了许多,能够让我在做设计时,自己来解决碰到的问题,学会了怎样去分析控制电路,怎样把所学到的知识以及所查阅的资料和实际相起来。自己不能解决得问题，通过同学和老师的帮助解决了问题。同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识。同时也培养
21、了我独立思考的能力，树立了对自己能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。但是由于自己是第一次真正做电气控制系统的设计,所以在很多方面都没有经验,所以设计难免有缺陷和不足,望老师谅解。今后自己将多做系统来加强自己这方面的不足。在这次设计过程中所学到的东西是这次设计的最大收获，使我终身受益。参考文献1.钱如竹.家用热水器速修方法与技巧.北京：人民邮电出版社，20002.张振昭，许锦标.楼宇智能化技术.北京：机械工业出版社，20023.葛剑青.基础电工.北京：电子工业出版社，20074.王兰君，张景皓，谭亚林.电力拖动技术入门及应用.北京：科学出版社，2007
