水塔水位自动控制毕业设计

1、 毕业论文题 目：水塔水位自动控制系 别： 电气工程系专 业： 电气自动化技术 摘 要高使用关键词 水位 自动控制电路 设计 目录引言.4第一章 水塔水位自动控制系统方案.61.1 系统方案论证61.2水塔水位自动控制系统.71.3水塔水位发展与应用.8第二章 电路设计.9 2.1原理框图.92.2电容式传感器的应用及其原理.92.3电容式液位传感器结构示意图.112.4检测电路图.112.5检测电路分析.13第三章 工作原理分析3.1主电路图.143.2控制电路图.143.3工作原理.153.4元件清单.16总结.23致谢.24参考文献.25引言近几十年来，自动控制技术迅猛发展，在工农业生产

2、，交通运输，国防建设和航空，航天事业等领域中获得广泛的应用。随着生产和科学技术的发展，自动控制技术至今已渗透到各种科学领域，成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素。比如在生活方面的温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯、空气调节器、电冰箱、自动路灯、自动门、保安系统等。在工业方面主要分为两大类：一类是气体、液体、粉体、石油化工制药、轻工食品、建材等行业。需要对温度、压力、物位、流量、成分等参数进行控制。另一类是对以成型材料的进一步加工或者对多种已成型材料的装配，主要控制位移、速度、角度等参数这些都需要应用自动控制学科的知识。自动控制离不开控制理论，控制理论一般分为经典控制理

3、论和现代控制理论两大部分。经典控制理论最初被称为自动调节原理，适用于较简单系统特定变量的调节。随着后期现代控制理论的出现，故改称经典控制理论。经典控制理论以传递函数为数学工具研究单输入、单输出的自动控制系统的分析和设计方法。主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。现代控制理论的产生，随着科学技术的突飞猛进，特别是空间技术和各类高速飞行器的发展，使各受控对象要求高速度、高精度，而系统的结构更加复杂，要求控制理论解决动态耦合的多输入多输出、非线性以及时变系统的设计问题。此外，对控制性能的要求也在逐步提高，很多情况下要求系统的某种性能是做优秀的，而且对环境的变化要有一定的适应能力等。这些新的

4、要求用经典理论是无法解决的，这同时也为现代控制理论的形成创造了条件。具有结构简单，使用寿命长，可靠性高，操作维修方便，经济实用的优点是用于各种高层液体储存的理想设备。比如，我国的供水自动化系统发展已初有成效。供水自动化系统主要包括水厂自动化和供水管网调度自动化两个方面。由水工业的社会性所决定，水工业的学科体系有多个相互关联的学科组成，包括：水质与水处理技术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学、水工业设备制造技术等，他们共同支撑着水工业的工业体系。而在这些学科中水质与水处理技术和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学科。而本课题着眼于采用水塔进行储水与供水系统方面的研究，尝试用最简单的

5、控制电路，最初步的自动控制设想，完成对水塔水位的自动控制，实现自动上水供水的设想。第一章 水塔水位系统控制1.1系统方案论证现代控制理论本质是时域法，是建立在状态空间基础上的，他不传递函数，而是用状态向量方程做基本工具，从而大大简化了数学表达方式，因此原则上可以分析多输入多输出、非线性以及时变系统。自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展，而自动控制理论的发展，有指导了控制技术的应用，是其进一步完善，随着科学技术的发展，自动控制技术和理论已经广泛的应用于科技、石油、化工、电子、电力、航空、航天、核反应等各个学科领域。近年来，控制科学的范围还扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会领域，并

6、为各个学科之间的相互渗透起了促进作用，可以毫不夸张的讲，自动控制技术和理论已经成为现代社会的不可缺少的组成部分，自动控制技术的应用不仅是生产过程自动化，从而提高生产率和产品质量，降低成本提高经济效益，改善劳动条件，而且在探索新能源，发展空间技术和创造社会文明等方面都具有十分重要的意义。本系统中具有水位监测系统，水位低于下限水位时，启动水泵抽水；水位高于上限水位时，水泵停止抽水，实现水塔水位 的自动控制，并能自动完成上水与停水的全部工作循环，保证水塔的水位高度始终处于较理想的范围。1.2水塔水位自动控制系统水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的控制方式在控制精度地、能耗大额缺点

7、，而自动控制原理，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质量。而且成本低，安装方便，经过了多次试验证明，灵敏度好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。水塔水位控制系统采用直流电压检测水位，水位在低于下线B点水位时水泵抽水，水位达到最高水位A时，水泵停止抽水，水位降低到最低水位线B以下时回复运行抽水。从而实现自动控制。该系统采用分立元件实现了水塔水位的自动控制，设计出一种低成本、高使用价值的水塔水位控制器。采用分立元件的电路实现超高、低水位处理，自动控制电机电路。它能自动完成上水停水的全部循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内，它

8、结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约能源显著，适用于各种高层液位储存的理想设备。1.3水塔水位发展与应用我国的水工业科技发展较快，与国际先进水平的差距正在不断缩小，水工业科技体系已初步形成，拥有一支从事水工业基础科学研发、应用研究、产品研制和工程化产业化的科技队伍。但是，在水工业科技领域普遍存在着实用性差、转化率低的情况。这已成为制约我国水工业产业化发展的关键。在水工业科技产业化大潮到来之际，认真分析我国水工业科技发展历程，总结我国水工业科技的特点和特长是寻找水工业产业化突破口的关键。目前，我国的供水自动化系统发展一处有成效。供水自动化系统主要包括水厂自动化和供水管网调度自动化两个方面。我国供

9、水行业是推动水科技产业化的龙头。给水行业是城市基础设施投资的主要方向之一。在体制上，供水企业体制的变革已成为市场化发展的必然；在技术上，供水行业则面临着关键给水装备国产化、工业技术成套化、自动控制现代化的迫切的技术要求。有事供水时水工业市场化发展的新增长点，同时要倡导节约用水，提高水的重复利用率，并逐步的建立完善的水工业学科体系。完善的水工业学科体系是水工业产业发展的必要保证。传统的给水排水工程学科体系已难以包含水工业的丰富内涵，已不能很好的适应水工业发展的需要，而水工业体系是在给水排水工程学科体系发展而来。由于水工业的社会性所决定，水工业的学科体系有多个学科体系有多个相互关联的学科组成，包括

10、：水质与水处理技术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学、水工业设备制造技术等，他们共同支撑着水工业的工业体系。而在这些学科中水质与水处理技术和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学科。第二章 电路设计2.1 原理框图2.2 电容式传感器的应用及其原理电容式液位传感器是将被测的非物理量的变化转化为电容器的电容量变化的传感器。电容式液位传感器是用于测量非典物理量的经典式传感器之一.与其他传感器相比，电容式液位传感器具有四大优点：（1）电容传感器具有较高的灵敏度和较高的分辨力，电极间电测吸引力非常微小，保证了较高的测量精度；（2）电容式传感器响应时间短，动态响应速度快，可以直接用于生产线上

11、的动态测量；（3）从信号源取得能量少，有利于发挥其测量精度；(4)电容传感器结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能够经受相当大的温度变化和辐射作用，可以在温度较高有各种辐射等恶劣环境下工作，易于实现接触测量。因此电容传感器在精密测量中占有重要的地位。传统电容式传感器测量系统中常用的信号变化框图如图 ，其中放大检波两次放大和两次滤波全是单独的元器件，结构复杂连线多抗干扰性差.以平行板构成的电容C=§s/§为例，电容敏感于被测量，根据其工作原不同，可分为变面积，变介质，变介电常数三种。液位测量所用的电容式传感器属于变介电常数型。对于液位测量，从结构上考虑，则以圆柱形电

12、容为好。圆柱形电容液位传感器结构如图所示：若忽略边缘效应，再有介质的情况下，内外极筒见电容： 式中：h极筒的高度（m）； -内极筒外径、外径筒内径（m）； -被测液体高度（m）； -空气介质常数， -被测介质常数； 可见，传感器电容量C与北测液体高度h呈线性关系。当存在被测介质式，改变内外极筒见得介电常数，从而改变了电容量，这样电容量与液体高度形成了确定关系，从而可以得出液体高度。这就是变介质常数式电容传感器册页位的基本原理。2.3 电容式液位传感器结构示意图2.4 检测电路图2.5 检测电路分析电容传感器cx与R7、R8组成交流测量电桥。IC1.1和IC1.2构成振荡器，经IC1.3放大，I

13、C2.1和IC2.2组成的RS触发器整形，再经晶体管VT1和VT2电流放大为电桥提供电源，测量桥输出地信号加载比较器IC3.1和IC3.2和运算放大器A1构成的检波器上，检波器将交流信号的幅度变化转化为正比于传感器Cx的直流电平，调节RP2可调整同相信号部分的衰减系数直流放大器A2、A3将信号电压放大到所需的电平，RC滤波器抑制放大的直流信号中的交流分量。电位器RP3为直流放大器调平衡已放大的信号加在水位上限比较器上，A4的同相输入点和水限比较器A5的反相输入端，A4的阀值电压高于A5的阀值电压，他们分别由RP4 、RP5调整，由于二极管VD1VD2的限幅作用，A4和A5输出低电平不低于-0.

14、7V第三章 工作原理分析3.1 主电路图3.2 控制电路图3.3 工作原理将QS打到自动控制位置时,当蓄水池中无水时，信号电压低于A5的阀值电压A4输出低电平，A5输出高电平，该液位信号经直接加载触发器的IC4的KJ输入端，既K=0，J=1，JK触发器IC4输出高电平VT3和晶闸管VS导通线圈KA得电，常开主触点闭合KM线圈得电，水泵电动机开始工作向水池加水。当水位上升，传感器电容增大，水位测量电路输出电压增高，到达低液位标志是，A5输出低电平,A4仍输出低电平既K=0，J=0，JK触发器IC4输出状态不变，KA线圈继续得电保证线圈KM得电，水泵继续工作。当水位到达上限位标注时，A4输出高电平

15、，A5仍输出低电平，既K=1，J=0，JK触发器IC4输出状态到低电平，VT3截止，VT4关断，线圈KA断电，常开主触点复位线圈KM断电，水泵停止工作。在水消耗过程中水位变低，A4输出低电平，触发器IC4的K=0，J=0,IC4输出状态不变，直至水位下降到低位标志时触发器IC4的K=0，J=1，IC4的输出高电平线圈KA得电，常开主触点闭合KM线圈得电，重新接通水泵电机。将QS打到手动位置时，按下启动按钮SB1，线圈KM得电并自锁，常开主触点闭合电动机水泵工作，向水塔中抽水，当按下停止按钮SB0时线圈线圈KM断电，触点复位，电动机水泵停止工作，停止抽水。电容传感器是垂直放入水池与水绝缘的导体传

16、感器的长度与储水池的深度有关，其位置相对水池中的个点无严格要求但是传感器的位置必须固定，以保证在运行过程中电容不发生改变，如果储水池由混泥土制成，必须在水池中垂直放入两个导体，彼此之间隔一定的距离。自动抽水控制系统有±15V双极性稳压电源供电，用于作为检测电路的电源消耗的电流不大于2X100mA.3.4 元件清单熔断器是低压配电系统和电力拖动系统中的保护电器，在使用时串接在所保护的电路中。当电路出现短路或严重过载是，其内部低熔点的熔丝或熔片将自动熔断，将电路切断。熔断器由熔体、安装熔体的熔管和熔座三部分组成。规格的选择：1）熔体额定电流的选择1.对于变压器、电炉和照明等负载，熔体的额

17、定电流应略大于或等于负载电流；2.对于输配电线路，熔体的额定电流应略大于或等于线路的安全电流；3.在电动机回路用作短路保护时，应考虑电动机的启动条件，按电动机启动时间的长短来选择熔体的额定电流。电动机末端回路保护，选用aM型熔断器，熔断体的额定电流In稍大于电动机的额定电流；4.电容补偿柜回路的保护，选用gG型熔断器，熔断体的额定电流In约等于线路计算电流1.82.5倍；如选用aM型熔断器，熔断体的额定电流In约等于线路电流的12.5倍。5.线路上下级间的选择保护，上级熔断器与下级熔断器的额定电流In的比等于或大于1.6，就能满足防止发生越级动作而扩大故障停电范围的需要。6.保护半导体器件用熔

18、断器，熔断器与半导体器件串联，而熔断器熔体的额定电流用有效值表示，半导体器件的额定电流用正向平均电流表示，因此，应按下式计算熔体的额定电流：INR1.57 INR1.6 INR 式中 INR 表示半导体器件的正向平均电流。7.降容使用在20 的环境下，我们推荐熔断体的实际工作电流不应超过额定电流值。选用熔断体时应考虑到环境及工作条件，如封闭程度、空气流动连接电缆尺寸（长度及截面）瞬时峰值等方面的变化；熔断体的电流承载能力实验是在20 环境温度下进行的，实际使用时受环境温度变化影响。环境温度越高，熔断体的工作温度就越高，其寿命也就越短。相反，在较低的温度下运行将延长熔断体的寿命。来源：输配电设备

19、网8.在配电线路中，一般要求前一级熔体比后一级熔体的额定电流大23倍，以防止发生越级动作而扩大故障停电范围。（2）熔断器的选择1、UN熔断器UN线路。2、IN熔断器IN线路3、熔断器最大分断能力应大于被保护线路上的最大短路电流类型的选择：应根据使用场合选择熔断器。电网配电一般用刀型触头熔断器（如HDLRT0 RT36系列）；电动机保护一般用螺旋式熔断器；照明电路一般用圆筒帽形熔断器；保护可控硅元件则应选择半导体保护用快速式熔断器。常用的熔断器有：1、RC1A系列瓷插式熔断器、2、RL1 系列螺旋式熔断器3、RM10系列无填料封闭式熔断器。次外，还有RT0系列有填料封闭管式熔断器、RLS、RS0

20、系列快速熔断器、自复式熔断器等。本设计采用RL1系列螺旋式熔断器。RL1系列螺旋式熔断器 电源开关的选择开关是用于接通和断开电路的电器。常用的开关有刀开关、铁壳开关、组合开关和自动空气开关。刀开关它分单级、双级和三级。适用于接通和断开有电压而无负载电流的电路。因而结构简单、操作方便、价格便宜，在一般的照明电路小于5.5KW电动机的控制电路中常被采用。用于照明电路是可选用额定电压220V或250V，额定电流等于或大于电路最大工作电流的两极开关；用于电动机的直接启动时，可选用额定电压280V或500V，额定电流等于或大于电动机额定电流3倍的三级开关。在安装刀开关时刀口应朝上，防止热空气拉弧或重力闸

21、。铁壳开关 它又叫封闭式负荷开关。是带有熔断器的刀开关放在用铸铁或薄钢板冲压而成的铁壳中。铁壳开关配用的熔断器，额定电流为60A及以下者，配用瓷插式熔断器；额定电流为100A以下者，配用无填料封闭管式熔断器。组合开关 也称转换开关，多用于机床控制线中作为电源的引入开关，也可以用作不频繁地接通和断开电路接线电源和负载以及控制5KW及一下的小容量异步电动机正反转、星三角启动。自动空气开关又叫自动空气断路器，它能对电路进行短路 、欠压、严重过载保护，同时也可作不频繁地启动电动机。本设计采用,梅兰日空气开关梅兰日兰断路器C654P16A 交流接触器交流接触器是一种自动控制电器可频繁接通和切断电路。它主

22、要由电磁部分、触头部分及灭弧罩组成。灭弧罩用陶瓷制成的，盖在三个主触头上，使产生的电弧迅速熄灭，不外溅。当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将铁芯吸合，由于触头系统是于动铁芯联动的，因此动铁芯带动三条动触片同时运行，触点闭合，从而接通电源。当线圈失电时，吸力消失，动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离，使主触头断开，切断电源。同时交流接触器具有欠压保护。选择接触器1选择接触器主触头的额定电压：应等于或大于负载的饿额定电压。2选择接触器触头的额定电流：被选用接触器触头的额定电流应不小于负载电路的额定电流。也可根据所控制的电动机最大功率进行选择。如果接触器是用来控制电动机的频繁启动、正反或反接制动等

23、场合，应将接触器的主初头额定电流降低使用，一般可降低一个等级。3根据控制电路要求确定吸引线圈工作电压和辅助触点 容量：如果控制线路比较简单，所用接触器的数量较少，则交流接触器线圈的额定电压一般直接选用380V或220V。如果控制线路比较复杂，使用的电器又比较多，为了安全起见，线圈的额定电压选低一些，这时需要加一个控制变压器本设计采用,CJ10系列交流接触器热继电器热继电器常用来对电动机进行过载保护。电动机在运行过程中，由于种种原因，如长期过载、频繁启动、欠压运行、断相运行等均会使流过电动机的电流超过额定值。若过电流的数值不足以使电路中的熔断器熔断，电动机绕组就会因过电流而导致发热，影响电动机的

24、寿命，甚至烧毁电动机。这时就需要热继电器进行过载保护。通常热继电器的动作电流应等于电动机的额定电流热继电器的选择1.类型的选择：类型的选择：一般情况下，可选用两相结构的热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。对于三角形接线的电动机，应选用带断保护装置的热继电器2.热继电器额定电流的选择：热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。3.热元件额定电流的选择和整定：热元件的额定电流应略大于电动机额定电流。当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过5S时，热元件的整定电流调节到等于电动机额定电流；当电动

25、机的启动时间较长、拖动冲击性负载不允许停止时。热元件整定电流调节到电动机额定电流的101105倍本设计采用,JR10系列热继电器JR10系列热继电器名称文字符号型号个数与非门TTL5三极管VT3GD/303光电耦合器VMOC30511二极管VD1N40012晶闸管VSSCT5A1中间继电器KAJZ7-441交流接触器KMCJ20-401热继电器FRJR10-20/31熔断器FURL1-603RL1-152直流稳压电源M256604/WYJ-20A24V1刀开关QSHK2-3031总结毕业论文是我学习阶段的一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的水塔水位的自动控制系统设计，我摆脱

26、了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力的水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都是我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计对于我来说很困难，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的，和老师的沟通交流更是我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，提高虽然有限，但却是全面的