电气安全课程设计-水箱水位控制设计.doc

水箱水位控制设计 电气安全课程设计院 、 部： 安全与环境工程学院 学生姓名：指导教师： 职称： 副教授 专 业： 安全工程 班 级： 安本1103班 完成时间： 2014年12月 摘 要 本设计通过自动化检测仪器对特定的水箱液位进行全自动控制，以实现当水箱没水时，水位控制器能够自动控制水泵抽水，当抽水满时能够自动控制水泵停止抽水；当水源缺水或没水时，自动控制水泵停止工作，防止水泵空转导致烧毁。并且通过内置水位感应仪器实时led显示水箱内水位情况，然后根据系统接线情况对线路进行安全防护，以达到该系统能够在现实情况下正常运行。 关键词：水箱、水位控制器；水泵;安全防护；led显示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 pumping; 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 for 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 录1 前言12 水箱控制系统简介22.1 控制系统22.1.1 人工控制与自动控制22.1.2 水箱液位控制系统的原理框图32.2 水箱水位设计实验的目的和内容32.2.1 实验目的32.2.2 实验内容33 水箱水位控制设计实验的组成43.1 设计原理介绍43.1.1 电路安装面板43.1.2 水泵控制设计43.1.3 液位显示设计53.2 实验选材63.2.1 刀闸开关63.2.2 断路器63.2.3 变压器73.2.4 显示灯83.2.5 增压泵83.2.6 液位开关93.2.7 蜂鸣器104 设计总结115 结束语13文 献14附 录151 前言水箱（水塔）水位自动控制器主要用途是配合水泵，根据水箱（水塔）水位高低的变化来启动及停止。适用于工农业及民用自动供水。本电路包括水位检测电路，水位范围测量电路，水泵开关电路，显示电路和电源电路5部分。水位测量电路的功能是利用水的导电性检测水位的变化，水位范围测量电路的功能是利用传感器的原理实现水位范围的确定，应根据水井涌水量来调节中水位探头及高水位探头之间的距离，应调节在水箱（水塔）水满后，同时利用传感器的迟灵敏性实时监控水位。水泵开关电路的功能是完成控制电路和水泵是否工作，显示电路的功能是显示水泵是否在工作。电源电路则为以上电路提供直流电源。随着现代工业生产的快速发展，对自动化控制的需求渐渐增大。单回路控制系统是过程控制中结构最简单、最基本、应用最广泛的一种形式，它解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题。大大的将人力从工业中解放出来，从而提高了生产效率，是工业自动化的一个巨大的进步。 本课程设计针对液位对象浅述了，通过浮球液位控制器对水箱液位进行控制的主要设计方法和步骤，虽然只是单回路控制系统的一个简单的应用例子，但也初步综合了自动控制原理、过程控制等知识，培养了实践动手能力。2 水箱控制系统简介2.1 控制系统2.1.1 人工控制与自动控制图1为水箱液位控制系统示意图，在人工控制示意图中，为保持水箱液位恒定，操作人员应根据液位高度的变化情况控制净水量。手工控制的过程主要分为三步：用眼睛观察水箱液位的高低以获取测量值，并通过神经系统传到大脑；大脑根据眼睛看到的水位高度，与设定值进行比较，得出偏差大小和方向，然后根据操作经验发出控制命令；根据大脑发出的命令，用双手去改变给水阀（或进水阀）的开度，使水箱液位包持在工艺要求的高度上。在整个手工控制过程中，操作人员的眼、脑、手、三个器官，分别担负了检测、判断、和运算、执行三个作用，来完成测量、求偏差、在施加控制操作以纠正偏差的工作过程，保持水箱液位的恒定。图1 人工与自动控制示意图如果采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制，就成为过程控制系统。在自动控制示意图中，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来的信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。这样就完成了所要求的控制任务。这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接参与的自动控制系统。2.1.2 水箱液位控制系统的原理框图本设计对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：图2 简单控制系统示意图2.2 水箱水位设计实验的目的和内容2.2.1 实验目的此次课程设计通过综合应用电气安全课程基础知识，加深对所学传感器检测技术基本理论的应用，有助于加深对电气安全控制知识的理解，培养创新意识，增强动手能力。达到以下要求：1）设计满足特定功能或要求的控制电路原理图； 2）能够简述设计原理；3）有必要的安全保护措施；4）完成实验验证。2.2.2 实验内容水箱水位设计的内容要求如下：1）设备名称、用途、基本结构、动作要求及工艺过程介绍。2）供电方式及控制要求、保护要求等。4）自动供水和手动供水的要求。5）操作台、照明、信号指示、报警方式等要求。3 水箱水位控制设计实验的组成3.1 设计原理介绍3.1.1 电路安装面板 本次设计从仪器到安装都是由同学们亲自动手组装和调试的，面板上显示的有断路器、变压器、led液位指示灯、蜂鸣器和三档开关，为了面板的美观简洁、易于操作和观察所有的线路均由面板后面连接。图8 安装面板图3.1.2 水泵控制设计图9 水泵控制电路图本次设计为简易水箱自动控制，当关闭刀闸开关s1、断路器qf时，将三档开关（s2）拨动到“手动”档实现手动供水；当拨到“自动”档时则由液位开关控制水泵的工作；当拨到“关”档位时水泵停止工作。3.1.3 液位显示设计液位显示是实时监测水箱内的水位变化，本次设计是运用水的导电性使指示灯形成闭合电路，由5个led（12v）灯和一个蜂鸣器来指示液位其中红色灯指示最高警戒水位、绿色灯指示安全水位、两个橙色灯指示1/4水位和1/2水位、红色灯指示最低警戒水位。指示灯和蜂鸣器并且电源由220v交流电经变压器提供12v直流电供电，其电路图如图10所示。图10 液位显示电路其中1、2、3、4、5分别表示最高警戒水位、满水位、3/4水位、1/2水位和1/4水位，c表示最高水位蜂鸣器；a、b、c、d、e分别表示5个水位接触点。当水位到达e点时，由于水的导电性使o、e点连通，则指示灯5亮；当水位到达d点位置时指示灯4亮；同理当水位分别到达c、b位置时，指示灯2、3亮；当水位到达a点警戒水位时指示灯1亮，同时蜂鸣器c发出警报响声。3.2 实验选材3.2.1 刀闸开关 刀闸开关如图3，有底座和活动刀闸，底座上有两个铜板静触头，底座的下端有钩形下承座架，活动刀闸有两片整体绝缘材料板制成的平行的闸板，两片闸板间用具有弹簧的夹持螺栓相连，在两片闸板内侧分别连有两对相对的二面角形铜板动触头，每对铜板动触头间有与铜板静触头相配合的间隙，二面角形动触头的一个面是用螺栓连在闸板上，另一个面上有熔断片的电接点，在活动刀闸的下端有与底座下端钩形下承座架相配合的活动刀闸轴，活动刀闸的上端有摘挂钩。本实用新型活动刀闸的两片闸板是用整体绝缘材料板制成，动触头是二面角形，一面用螺栓定位连在闸板上，另一面上有熔断片电接点，刀闸开关在开关活动时，电连接点不受外力影响，保证电接点接触良好。本次设计使用的是普通刀闸开关。图3 刀闸开关3.2.2 断路器断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路。自动空气开关由操作机构、触点、保护装置(各种脱扣器)、灭弧系统等组成。（组成包括:主触点，自由脱扣机构，过电流脱扣器，分励扣器脱，热脱扣器，欠电压脱扣器，停止按钮）。自动空气开关的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开。本次设计使用的是dz47-c16型断路器如图4，其最高允许电流16a。 图4 断路器3.2.3 变压器变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件， 当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。在本次设计中使用的变压器是i/p:220v ac 50hz、o/p:12*2，其能输出12v/24v的直流电压，在系统中为led灯和蜂鸣器提供低压电源。图5 变压器3.2.4 显示灯led是light emitting diode的缩写，中文名称“发光二极管” 其发光原理跟激光的产生相似。 一个原子中的电子有很多能级，当电子从高能级向低能级跳变时，电子的能量就减少了，而减少的能量则转变成光子发射出去。大量的这些光子就是激光了。 led原理类似。不过不同的是，led并不是通过原子内部的电子跃变来发光的，而是通过将电压加在led的pn结两端，使pn结本身形成一个能级（实际上，是一系列的能级），然后电子在这个能级上跃变并产生光子来发光的。本次设计选用5个12v的led灯来实时显示水箱水位，其中红色灯指示最高警戒水位、绿色灯指示安全水位、两个橙色灯指示1/4水位和1/2水位、红色灯指示最低警戒水位。3.2.5 增压泵增压泵利用大面积活塞的低压气体（28bar）驱动而在小面积活塞上产生高压气体/液体。本次设计实验用的是1zdb-35型的清水泵（如图6）。可用于压缩空气及其他气体，输出气压可通过驱动气压无级调节。 增压泵具有以下特点：维护简单：增压泵的零件及密封少，维护简单且成本低着一起复增压。性价比高：增压泵具有输出性能高而成本低的特性。可调性强：增压泵输出压力和流量都由驱动气体的压力调节阀准确地调节。调节驱动气压，使气压管道增压泵的输出压力在预增气压和最大输出压力之间精确调整。 输出压力高：气动液体管道增压泵的最高工作压力可达到700mpa，气动气体管道增压泵的最高工作压力可达到300 mpa。 材质优良：增压泵高压部分材质为硬质铝合金。高压柱塞材质为不锈钢。并采用双层密封。关键部位材质可以根据介质性制选配。1）清水泵的安装使用使用前，先检查电线或插头是否完好无损，各处螺栓有无松动现象，电机绝缘电阻应大于50兆欧。还需安装漏电断路器等保安设施，水泵都附有接地标志，进行可靠接地。接着检测电压波动范围是否在额定电压+5%15%之间，否则会使会使电机寿命减短甚至烧坏。如电泵使用地距电源较远，则应当加粗电源输送线，注意电源输送线线径一定要大于水泵电源引线，接上电源先空载数秒钟（不超过60秒），查看启动、动转是否正常，转向是否正确，三相电泵如转向不对，则调接电源输出线中任两根即可。安装时，先固定好泵体，然后用钢管或橡皮管（不得过软，以免吸扁）连接进水口和底阀，底阀放置必须垂直于平面，离水底30cm以上。接妥后，拧开空气螺塞，从出水口向泵内灌满清水等泵内排尽空气后，在拧紧空气螺塞，重新接上电源，即可使用。自吸泵安装后，未免使杂质吸入，应先在在进水管口包上过滤纱布，然后接上钢管或橡皮管。为提高吸水效率，工作前贮水箱内灌满水。通过5分钟自动抽水。注意事项：使用前请检查所使用的电源是否符合电机要求。电机应避免雨淋及溅水。为安全起见，电机接地必须可靠。初次使用时，应通电试运行，且空载不能超过60秒，并且检查水泵运转是否正常，然后在灌水口处灌水，排除阀内空气以确保流量、扬程达到最佳性能要求。泵应靠近水源，尽可能减少吸水管长度及弯头个数，确保各接头处密封良好，底阀应距离池底或河底150mm以上高度。水泵每次使用或放置长时间，应拔动电机风扇，如有卡死或过紧现象，应清楚泵内锈渍、杂物，否则将会损坏电机。如发现时，请送到就近的维修店服务维修。2） 使用条件与特点清水泵是一种适合家庭、园林、农田、旅馆和循环供水加压等而设计的一种流量大、高效率、结构紧凑的新型泵。输送水源的条件为常温清水，ph值在6.5-8范围内，如河水、井水、自来水等。3） 清水泵常见故障及排除方法清水泵常见故障及排除方法见下表1所示。表1 清水泵常见故障及排除方法故障原因排除方法水泵不启动烧坏开关保险丝水泵堵死电容器烧坏电机烧坏更换保险丝拆开水泵清洗净异物更换电容器修理电机水泵抽不上水灌水不足吸程过高吸水管接头漏气水源不足底阀露面重新灌满水移动水泵降低扬程拧紧接头，消除漏气现象将底阀侵入水中一定深度水泵流量小，扬程低叶轮磨损过大泵壳磨损过大机械密封件磨损电压过低更换叶轮更换泵壳变换机械密件用调压器升高电压3.2.6 液位开关浮球液位开关结构主要基于浮力和弹簧弹力原理设计生产的。本设计使用的是雷达牌液位开关（如图6），它是利用水的浮力和浮筒重力控制开关动作。当水箱中水位到达最低液位（即最下面的浮子时）时，两浮筒由于浮力减小重力拉动使开关闭合，水泵通电供水；当水位到达安全水位（即最上面的浮筒）时，浮筒浮力增大使开关断开，则水泵停止供水。图6 液位开关3.2.7 蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。本设计使用的是12v低压蜂鸣器。当接通电源后（12v直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5khz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。蜂鸣器原理图如图7所示。图7 蜂鸣器原理图4 设计总结经过认真设计和反复地实验，设计的各项性能指标均达到了预期效果。其中水位控制功能通过手动开关和自动开关能够很好地达到自动控制的结果。其自动化程度已达到半自动化，操作人员，只需要注意安全警示器的预警，就可以知道贮水池的进、抽水情况，待水注至设定液面时，将自动切断电路；如需继续注满水，可按手动开关，即可完成期望功能。由于设备在购买组装时，选用的电路元件都是可靠性比较高的产品，其安全性符合安全标准，因而它的稳定性及抗干扰能力达到了预设的要求。在实验过程中也发现，工业生产中的水位控制系统（包括相应的安全装置）一个完整的系统是一个复杂的系统，因为它除了水泵、控制器、调节器外，还有很多安全附件，而且各个线路串在一起，在一个系统中工作，互相之间或多或少有些影响。这些复杂的系统相比我们的设计来说，是没法比的，特别是电脑自动控制，达到了高度自能化。而本设计仅仅做到了液位自动控制，能够保证在进水箱水不足时，切断线路，避免水泵空载，损坏水泵；或者储水箱水位达到设定值时，能够报警警示，避免水箱中水溢出，浪费水资源。在演示实验中存在诸多的不足和缺陷：1、 连接电路时，大功率负载与电机连接，使电路无法启动；2、 再者实验抽水、进水用的软管，很容易吸扁，进而中断电路；3、 使用的水质比较脏，没有达到清水要求，有可能堵塞电机；4、 在做试验过程中，由于用的水桶代替水箱，在往水桶灌水的过程中，地上溅满了水，而实验场地比较窄，电机的木板上有些许水，有可能发生触电事故和摔伤事故；5、 实验过程中，各电路元件接线有些混乱、实验场地周围混乱，如有电路故障，难以理清。6、 没有考虑到随着水量的增加，指示灯电路电阻增大使指示灯和蜂鸣器工作电压过低，故而不能明显的显示水位的变化；本次设计的电路还没有达到安全美观的要求，亟待进一步改进。在指导老师指导下，本组独立完成了设计的绝大部分，当然，本论文只是对水箱水位控制比较浅显的论述。由于设计的系统较为简单，为了避免十分繁琐的理论分析，采用了简单的小型仪器设备，但这样显然对自动控制原理的应用就减少工艺、生活实际的应用了。在设计中综合应用了过程控制技术、自动控制原理、电气安全技术、安全监测技术等相关知识，其中电气安全技术和安全监测技术均是此次控制系统设计的重要依据。总之，本毕业设