水塔水位自动控制系统设计.docx
《水塔水位自动控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水塔水位自动控制系统设计.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
水塔水位自动控制系统设计
开题报告
设计题目：
水塔水位自动控制系统的设计
主要研究内容：
水塔水位自动控制系统采用传感器或电极检测水位，水位低于下限水位A时，启动水泵抽水；水位高于上限水位B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。
主要技术指标或研究目标：
本设计的相关技术数据：
电源电压220伏，电源频率50赫兹。
要求：
系统工作稳定、结构简单、制造成本低、灵敏度高。
本系统采用分立元件实现控制系统的设计。
能利用所学知识进行分析与设计，进一步加深和巩固课本所学知识，学会分析电路、设计电路的方法与步骤，培养综合运用知识的能力。
基本要求：
（1）控制系统整体方案的可行性分析。
（2）工作原理与电路设计。
（3）元器件的选择
（4）绘制设备示意图和系统原理图
（5）编制设计说明书
摘要
在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。
水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
而水位检测可以有很多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。
本文采用分立元件实现控制系统的设计，在水箱上安装一个自动检测水位装置，利用水的导电性，连续的全天候的测量水位的变化，把测量的水位变化转换成相应的电信号，由逻辑电路进行处理，完成相应的动作，使水位保持在适当的位置。
关键词水位控制分立式元件控制
目录
1引言……………………………………………………………………………1
2系统方案…………………………………………………………………………2
2.1概述…………………………………………………………………………2
2.2系统组成……………………………………………………………………3
2.2.1系统工作原理框图……………………………………………………3
2.2.2功能原理………………………………………………………………3
3单元电路设计…………………………………………………………………4
3.1系统电源电路设计…………………………………………………………4
3.1.1三端集成稳压器的介绍………………………………………………4
3.1.2电源电路工作过程……………………………………………………6
3.2液位传感器电路设计………………………………………………………6
3.3报警显示电路设计…………………………………………………………7
4系统电路设计……………………………………………………………………8
4.1系统主干电路………………………………………………………………8
4.2系统手动电路………………………………………………………………9
4.3系统自动电路………………………………………………………………9
5系统运行总体过程………………………………………………………………12
6元件清单…………………………………………………………………………13
附录……………………………………………………………………………18
总结………………………………………………………………………………19
参考文献…………………………………………………………………………20
致谢………………………………………………………………………………21
1.引言
随着我国经济和科学技术的飞速发展，我国各个领域的现代化建设都取得可喜的成果：
尤其在中国的广大城市中，可以说现代化的进程已经赶上了发达国家，这一点是我们华夏儿女几代人的梦想。
然而，我国农村的现代化进程现在还存在着许多的不足，很多科学成果不能得到广泛的推广，比如人们日益关注的水资源，在中国广大农村供水系统中有很大的浪费，这主要是由于农村供水体系中简单的水塔结构所造成的，这种水塔存在着种种弊端，比如：
无法实现自动供水，没有报警系统，经常造成水资源浪费，供水不及时等等。
不论社会经济如何飞速，水在人们正常生活和生产中起着重要的作用。
一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，从而对供水系统提出了更高的要求，满足及时、准确、安全充足的供水。
如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须进行自动化控制系统的改造。
从而实现提供足够的水量、平稳的水压、较低的设计成本、高实用价值的控制器。
就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下、市政水管补水，改进供水装置就能实现供水自动化。
水塔很高，水位高低不便于观察，水少供水中断，水多则会溢出来，可用以下方法来解决这个问题，改进供水装置就能实现供水自动化。
水塔水位自动控制装置还应用于工厂的锅炉系统，主要起锅炉水位自动调节作用，并防止锅炉缺水爆炸和满水位事故的发生。
该设计采用分立式元件的控制电路实现超高、低警戒水位处理,实现自动控制,而达到节能的目的,提高了供水系统的质量。
2.系统方案
2.1概述
目前在用的水位控制方式主要有以下种：
1）电极式水位控制系统：
使用多个电极线与水面接触，探测水位。
优点：
价格便宜。
缺点：
属于开关量控制，无法给出实际水位，探测电极容易腐蚀，安装不便，如有污物粘附在电极上，会使水位失控。
2）浮球水位控制器
分为管式浮球与缆浮球。
管式浮球适合清水及粘度不大的液体。
缆浮球适合污水。
优点：
价格适中，可以做出高、低、超高、超低四点控制。
缺点：
属于开关量控制，无法给出实际水位；浮球上易粘附污物，使浮球不能可靠动作，管式浮球容易卡滞，缆浮球容易缠绕，所有浮球都有触点接触不良现象，结果都是系统失控；调整控制点很不方便。
3）液位变送器+智能控制器方式
优点：
属于模拟量控制，可以实时显示水位数值，对于水位失控或设备故障可以提前预警。
集成了双泵智能控制，控制系统接线简单。
可设高、低、超高、超低四点控制，控制点在控制器上设定，极其方便。
智能控制器可与电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。
缺点：
价格高。
4）超声波液位控制器
优点：
属于模拟量控制，可以实时显示水位数值，对于水位失控或设备故障可以提前预警。
集成了双泵智能控制，控制系统接线简单。
可设高、低、超高、超低四点控制，控制点在控制器上设定，极其方便。
智能控制器可与电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。
探头不与待测物质接触，适合污水及有毒有害液体的液位控制。
缺点：
价格高。
不适合水面有大量气泡的场合
通过以上对不同液位传感器性能的分析和设计任务书的设计要求，本设计选择电极式液位传感器组成液位自动控制系统。
其特点为，液位自动控制，不溢出，不缺水，无需人值班看守；其工作原理是，通过无缝钢管筒体内所安装预先设定的不同长度的不锈钢电极棒，在水位变化过程中与水接触或脱离，从而传递信号给后续电路，通过后续电路实现液位显示、自控、满水、故障报警等，达到确保安全运行，减轻劳动强度的目的。
系统电路简单，低成本，符合国家卫生标准。
2.2系统组成
2.2.1系统工作原理框图
系统工作原理框图如图1所示：
水位过低
检测器相关电路电动机水泵
发出信号动作起动抽水
电动机无动作
报警
电动机没有停止
图1系统组成框图
由系统框图可以看出水塔水位控制系统中备有水位检测系统，水位低于下限水位时，启动水泵抽水，如果没有启动则开始报警；水位高于上限水位时，水泵停止抽水，如果水泵继续工作则报警，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。
2.2.2功能原理
电极式传感器安装在容器的上方，电极插入液体（分高液位、低液位），使高液位电极对准液体的上限，低液位电极对准液体下限。
测量时，电极上通有信号电压，当水位上升接触到高液位电极时，该电极就把信号电压传输给后续电路，从而控制继电器开关停止蓄水。
当水位下降到离开下液位电极时，该电极就没有信号传送给后续电路，继电器开始接通蓄水。
因此通过水与电极接触与不接触，便可以正确测量出水位高低位置，控制水位的高低，保证用户能不断用水。
水箱示意图如图2：
图2水箱示意图
1）采用分立元件实现控制系统；
2）液位传感器采用电极式液位传感器；
3）系统电源220V/50Hz市电；
3单元电路设计
3.1系统电源电路设计
3.1.1三端集成稳压器的介绍：
（1）三端集成稳压器的内部集成了一个串联型稳压电路，引入了电压负反馈稳定输出电压，同时采用多种措施提高性能，如提高温度稳定性、稳压系数、过流及过压保护等。
三端集成稳压器根据输出电压是否可调分为固定式和可调式；根据输出电压的极性分为正电压输出和负电压输出。
如图3所示三端集成稳压器的输出端与输入端之间串接调整管，为了使调整管工作在线性状态，不论是固定式还是可调式一定要保证输入端与输出端之间最少有（2～3V）的压差，小于此值时调整管会进入饱和区，失去调节作用。
最大压差一般不能超过40V，否则可能会使调整管击穿。
不同型号的三端集成稳器的最大压差的是有区别的。
图3输入输出内部结构
（2）固定式与可调式三端稳压器的对比
a.从引脚名称作比较：
三端固定式稳压器的三个引出端分别为输入端、输出端、公共端（或接地端）；三端可调式稳压器的三个引出脚分别为输入端、输出端、调整端。
b.从外形和方框图作比较：
三端固定式稳压器和可调式稳压器的外形与框图如图4所示。
图4引脚与框图
c.从稳压器的系列与输出电压的品种作比较：
三端固定式稳压器输出正电压为78××系列，输出负电压为79××系列，型号中“××”表示输出电压值；三端固定式稳压器的输出电压共有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个品种。
d.从输出电流作比较:
常用三端固定式稳压器和可调式稳压器的输出电流均有5A、3A、1.5A、0.5A、0.1A五个档次，在型号中用字母表示输出电流的大小。
H表示5A,，T表示3A，无字母时表示1.5A，M表示0.5A，L表示0.1A。
可调式稳压器在使用时负载电流不能小于5mA。
加装合适的散热片后,可适当超限应用。
e.从取得基准电压的位置作比较：
三端固定式稳压器的输出端与公共端之间的电压即为型号中表示的标称电压，常规应用时即输出电压，三端可调式稳压器的输出端与调整端之间的电压为（1.2～1.3V），称为基准电压。
它是输出电压的最小值，常取1.25V进行相关计算。
3.1.2电源电路工作过程
电源电路由变压器将220V/50Hz电变为18V，经过二极管整流与C1的滤波作用，再经过w7812稳压、C0的滤波可获得纹波很低的直流（DC）12V电压。
直流稳压电路如图5所示：
图5直流稳压电路示意图
3.2液位传感器电路设计
电极式液位传感器的基本原理是利用液体水有一定导电性的物理性质，设置长度不等的三根导体作为具有相应功能的电极，利用液位变化的状态所形成的信号来完成液位变化转换成相应电信号变化的电极式液位传感器的功能。
液位传感器示意图如图6所示：
图6液位传感器示意图
电极式液位传感器具有简单、传递可靠等特点，本设计是由一个绝缘体支架安装在水塔底部，在不同位置放置相应的传感极，最底端为供电电极，为上面的电极提供电信号，当水位到达相应的位置时所形成的电信号，就传递给后续电路，从而控制电动机的转停。
主要技术参数:
1.使用介质:
非腐蚀性液体,比重≤1
2.工作压力：
≤2.5Mpa
3.工作温度：
≤250℃
4.相对湿度：
≤85％
3.3报警显示电路设计
（1）报警部分：
报警电路是一个系统中必不可少的部分，它起到安全警告、预防祸患的重大作用。
本设计的报警电路结构比较简单，由蜂鸣器与热继电器、交流接触器的触点组成，此报警电路只有在水位处于下限水位以下而电机仍然没有工作和上限水位以上但是电机没有停止工作的情况下报警。
具体分析如下：
当水位下降至下限水位以下时，接头G得电（接头E为低电位）如果此时交流接触器KM1没有动作即控制线路出问题或者是电动机出现故障（监测点出自于热继电器FR）,那么报警电路就会被接通，从而开始报警；
当水位上升至上限水位以上时，接头F得电如果此时交流接触器KM1没有复位，那么报警电路也就会被接通，从而开始报警。
报警电路电路图如图7所示：
图7液位传感器示意图
（2）显示部分：
此设计的显示部分由发光二极管组成，图示见自动电路原理图，具体分析如下：
当水位在下限水位以上时，则三极管V1导通，从而使发光二极管D1导通，点亮，表示水位处于低水位以上；
当水位超过上限水位时，则三极管V2导通，从而使发光二极管D3导通，点亮，表示水位处于高水位以上。
指示灯D1亮，D3不亮表明水位处于正常状态；D1不亮表明处于缺水状态；D3亮表明处于过满状态。
4系统电路设计
4.1系统主干电路
系统主干电路主要由电动机M、热继电器FR、熔断器FU、交流接触器常开触点KM1，KM2和开关QS组成。
熔断器FU短路保护，热继电器FR过载保护，交流接触器KM1，KM2控制电路。
系统主干电路如图8所示：
图8主干电路原理图
4.2系统手动电路
手动操作是将转换开关SA转换到2号位置，按下按钮SB2，交流接触器KM2得电，常开触点动作电动机开始工作，并且自锁；停止时按下按钮SB1，交流接触器KM2失电，常开触点断开，电机停止工作。
手动电路如图9所示：
图9手动电路原理图
4.3系统自动电路
在水箱中有两只检测探头"A"和"B"，其中"A"是下限水位探头，"B"是上限水位探头，12V直流电源接到探头"C"，它是水箱中储存水的最低水位。
下限水位探头"A"连接到晶体管V1（BC547）的基极，其集电极连到12V电源，发射极连到继电器K1，继电器Kl接入与非门N1的第①脚。
同样，上限水位探头"B"接到晶体管V2的基极（BC547），其集电极连到12V电源，发射极经电阻R3接地，并接入与非门N2第①、②脚，与非门N3的输出第③脚和与非门N1的第②脚相连，N3第②脚输入端接到N1第③脚输出端，并经电阻R4与晶体管V3的基极相连，与晶体管V3发射极相连的继电器K2用来驱动电动机M。
当水箱向水位在探头A以下，晶体管V1与V2均不导通，N1输出高电平，晶体管V3导通，使继电器K2有电流通过而动作，因而电动机工作，开始将水抽入水箱。
当水箱的水位在探头A以上、探头B以下时，水箱中的水给晶体管V1提供了基极电压，使V1导通，继电器Kl得电吸合N1第①脚为高电平，由于晶体管V2并无基极电压，而处于截止状态，N2第①、②脚输入为低电平，第③脚输出则为高电平，而N3第②脚输入端仍为高电平，因而N3第③脚输出则为低电平，最终N1第③脚输出为高电平，电动机继续将水抽入水箱。
当水箱的水位超过上限水位B时，晶体管V1仍得到基极电压，继电器Kl吸合。
N1第①脚仍为高电平，同时，水箱中的水也给晶体管V2提供基极电压使其导通，N2第①、②脚输入端为高电平，第③脚输出端为低电平，N3第③脚输出端为高电平，N1第③脚最终输出低电平，使V3截止……电动机停止抽水。
系统自动电路原理图如图10所示：
图10自动电路原理图
若水位下降低于探头B但高于探头A，水箱中的水依然供给晶体管V1的基极电压，继电器Kl继续吸合，使N1第①脚仍为高电平，但晶体管V2不导通，N2第①、②脚输入端为低电平，其第③脚输出端为高电平，N3第②脚为低电平，则N3第②脚输出为高电平，最终N1第②脚输出端继续保持低电平，电动机仍停止工作。
若水位降到探头A以下，晶体管V1与V2均不导通，与非门N1输出高电平，驱动继电器K2……电动机又开始将水抽入水箱。
5系统运行总体过程
本设计分为手动与自动两个部分。
手动：
将转换开关SA转换到2号位置，按下按钮SB2，交流接触器KM2得电，常开触点动作电动机开始工作，并且自锁；根据需要情况停止供水按下按钮SB1，交流接触器KM2失电，常开触点断开，电动机停止工作。
自动：
将转换开关SA转换到1号位置，一开始水位比较低处于下限水位A以下，根据控制电路可知，晶体管V1与V2均不导通，在与非门的作用下晶体管V3导通，使继电器K2有电流通过而动作，后继电器K3得电动作，使交流接触器KM1得电，常开触点闭合，电动机工作。
如果此时电动机故障使热继电器动作（或交流接触器没有动作），那么报警系统工作，开始报警，提示工作人员水塔出现故障；当水位上升到下限水位A以上时，晶体管V1导通，但由于与非门的作用，晶体管V3仍然处于导通状态，所以电机还是工作，继续给水塔供水。
此时显示系统工作指示灯D1点亮，表明水位处于下限水位以上；当水位上升到上限水位以上时，晶体管V1、V2均导通，在与非门的作用下，晶体管V3截止，继电器K2、K3复位，交流接触器KM1失电，常开触点断开，电动机停止工作。
如果电动机没有停止工作，那么报警系统开始报警，提示工作人员水塔故障。
此时显示系统也工作点亮指示灯D3，表明水位处于上限水位以上。
6元件清单
（1）接触器的选择
选择接触器主要依据以下数据：
电源种类（直流或交流）；主触点额定电流；辅助触点的种类、数量和触点的额定电流；电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；额定操作频率等。
此设计用到的是交流接触器：
①主触点的额定电流IN可根据下面经验公式进行选择IN≥PNx103/（KUN）
IN——接触器主触点的额定电流，A；
K——比例系数，一般取1~1.4；
PN——被控电动机的额定功率，KW；
UN——被控电动机的额定线电压，V；
②交流接触器主触点的额定电压一般按高于线路额定电压来确定。
③根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压。
为保证安全，一般接触器吸引线圈选择比较低的电压。
但如果在控制线路比较简单的情况下，为了省去变压器，可选用380V电压。
值得注意的是，接触器产品系列是按使用类别设计的，所以要根据接触器负担的工作任务来选用相应的产品系列。
④接触器辅助触点的数量、种类满足线路需要。
综上，在此假设电机为7.5KW，得出选择型号CJ0-20B，线圈电压380V
（2）继电器的选择
①一般继电器的选择：
一般继电器是指具有相同电磁系统的继电器，又称电磁继电器。
选用时，除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外，还应按照控制需要分别选用过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器等中间继电器。
另外电压、电流继电器还有交流、直流之分，选择时也应当注意。
②热继电器的选择：
热继电器的选择应按电动机的工作环境、启动情况、负载性质等因素来考虑。
一方面要充分发挥电动机的过载能力；另一方面对电动机在短时过载与启动瞬间不受影响。
ⅰ.热继电器结构形式的选择。
星形连接的电动机可以选择两相或三相结构的热继电器，三角形连接的电动机应当选择带断相保护装置的三相结构热继电器。
ⅱ热元件额定电流的选择。
一般可按下式选取：
IR=（0.95~1.05）IN
式中：
IR——热元件的额定电流，A；
IN——电动机的额定电流，A；
对于工作环境恶劣、启动频繁的电动机，则按下式选取：
IR=（1.15~1.5）IN热元件选好后，还需要根据电动机的额定电流来调整它的整定值。
综上，得出选择继电器K1、K2的型号可以选择JS1-12V-F，K3由于线圈位于直流电路中触点位于交流电路中，因此可以选择T73，热继电器FR的型号可以选择JR16-20/3D、15.4A
（3）熔断器的选择
熔断器选择内容主要是熔断器种类、额定电压、额定电流等级和熔体的额定电流的确定。
①熔断器类型与额定电压选择：
根据负载保护特性和短路电流大小、各类熔断器的适用范围来选用熔断器的类型。
根据被保护电路的电压来决定熔断器的额定电压。
②熔体与熔断器额定电流的选择：
熔断器熔体的额定电流大小与负载大小、负载性质有关。
对于负载平稳、无冲击电流，如一般照明电路、电热电路可按照负载电流大小来确定熔体额定电流。
对于有冲击电流的电动机负载为达到短路保护目的，又保证电动机正常启动，对三相鼠笼式异步电动机其熔断器熔体的额定电流如下。
单台电动机IR=（1.5~2.5）IN
式中：
IR——熔体额定电流，A；
IN——电动机额定电流。
A；
多台电动机共用一个熔断器保护IR≥（1.5~2.5）INMAX+∑IN
式中：
IR——熔体额定电流，A；
INMAX——容量最大的电动机的额定电流，A；
∑IN——其他电动机额定电流之和，A
轻载启动或启动时间较短时，第二式中系数取1.5；重载启动或启动时间较长时，第二式中系数取2.5。
熔断器的额定电流大于或等于熔体额定电流。
③熔断器上下级的配合：
为满足选择性保护的要求，应注意熔断器上下级之间的配合，一般要求上一级熔断器的熔断时间至少是下一级的3倍，不然将会发生越级动作，扩大停电范围。
为此，当上下级采用同一种型号的熔断器时，其电流等级以相差两级为宜；若上下级所采用的熔断器型号不同时，则应根据保护特性上给出的熔断时间选取。
综上，得出熔断器的型号RL1-6060A、熔体20A
（4）刀开关的选择
①刀开关结构形式的选择：
应根据刀开关的作用和装置的安装形式来选择，如是否带灭弧装置，若分断负载电流时，应选择带灭弧装置的刀开关。
根据装置的安装形式来选择，是否是正面、背面或侧面操作形式，是直接操作还是杠杆传动，是板前接线还是板后接线的结构形式。
②刀开关的额定电流的选择：
一般应等于或大于所分断电路中各个负载额定电流的总和。
对于电动机负载，应考虑其启动电流，所以应选用额定电流大一级的刀开关。
若再考虑电路出现的短路电流，还应选用额定电流更大一级的刀开关。
综上，得出刀开关的型号选择HZ10-25/3J25A,380V
（5）控制按钮的选用
①根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式、保护式、防水式、防腐式等。
②根据用途，选用合适的形式，如手把旋转式、钥匙式、紧急式、带灯式等。
③按控制回路的需要，确定不同的按钮数，如单钮、双钮、三钮、多钮等。
④按工作状态指示和工作情况的要求、选择按钮及指示灯的颜色。
综上，按钮选择型号LA20-11D
（6）二极管的选择
①根据电源规格，设计的工作频率等，合理选择：
高电压应用，当选用快恢复和超快恢复二极管；15V以下电源中的输出整流二极管应尽可能选萧特基；
②选择时，如工作电流较大，则在相同的器件额定参数下，应尽可能选择正向导通电压小的二极管；应尽可能选择反响恢复快或软恢复的二极管；应尽可能选择萧特基二极管。
③根据电源规格，计算所选变换器中二极管的稳态参数：
反向阻断电压最大值；最大的正向电流平均值；
④从器件商的DATASHEET中选择合适的二极管，可多选一些以便实验时比较；从所选的二极管的其它参数，如正向通态压降，反向恢复时间等等，估算其工作时的最大损耗，与其它元器件的损耗一起，估算变换器的效率；由实验选择最终的二极管器件。
综上，二极管的型号选择IN4001，发光二极管的型号选择FG1130
（7）三极管的选择
①选用三极管时首先要搞清楚电子电路的工作频率大概是多少，工程设计中一般要求三极管的fT大于3倍的实际工作频率。
所以可按照此要求来选择三极管的特征频率fT。
②小功率三极管BVCEO的选择可以根据电路的电源电压来决定，一般情况下只要三极管的BVCEO大于电路中电源的最高电压即可。
当三极管的负载是感性负载时，如变压器、线圈等时BVCEO数值的选择要慎重，感性负载上的感应电压可能达到电源电压的2～8倍（如节能灯中的升压三
升级会员 