电气安全专业课程设计.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：
蒋从银、蒋敏、汪贵、 杨 敏、冯鹏欣
指引教师：
刘爱群
职称：
副专家
专 业：
安全工程
班 级：
安本1103班
完毕时间：
12月

摘 要

本设计通过自动化检测仪器对特定水箱液位进行全自动控制，以实现当水箱没水时，水位控制器可以自动控制水泵抽水，当抽水满时可以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显示水箱内水位状况，然后依照系统接线状况对线路进行安全防护，以达到该系统可以在现状下正常运营。

核心词：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 1
2 水箱控制系统简介 2
2.1 控制系统 2
2.1.1 人工控制与自动控制  2
2.1.2 水箱液位控制系统原理框图  3
2.2 水箱水位设计实验目和内容 3
2.2.1 实验目 3
2.2.2 实验内容 3
3 水箱水位控制设计实验构成 4
3.1 设计原理简介 4
3.1.1 电路安装面板 4
3.1.2 水泵控制设计 4
3.1.3 液位显示设计 5
3.2 实验选材 6
3.2.1 刀闸开关 6
3.2.2 断路器 6
3.2.3 变压器 7
3.2.4 显示灯 8
3.2.5 增压泵 8
3.2.6 液位开关 9
3.2.7 蜂鸣器 10
4 设计总结 11
5 结束语 13
文 献 14
附 录 15

1 前言

水箱（水塔）水位自动控制器重要用途是配合水泵，依照水箱（水塔）水位高低变化来启动及停止。合用于工农业及民用自动供水。 
本电路涉及水位检测电路，水位范畴测量电路，水泵开关电路，显示电路和电源电路5某些。水位测量电路功能是运用水导电性检测水位变化，水位范畴测量电路功能是运用传感器原理实现水位范畴拟定，应依照水井涌水量来调节中水位探头及高水位探头之间距离，应调节在水箱（水塔）水满后，同步运用传感器迟敏捷性实时监控水位。水泵开关电路功能是完毕控制电路和水泵与否工作，显示电路功能是显示水泵与否在工作。电源电路则为以上电路提供直流电源。 
随着当代工业生产迅速发展，对自动化控制需求徐徐增大。单回路控制系统是过程控制中构造最简朴、最基本、应用最广泛一种形式，它解决了工业生产过程中大量参数定值控制问题。大大将人力从工业中解放出来，从而提高了生产效率，是工业自动化一种巨大进步。
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重要设计办法和环节，虽然只是单回路控制系统一种简朴应用例子，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，操作人员应依照液位高度变化状况控制净水量。手工控制过程重要分为三步： 
① 用眼睛观测水箱液位高低以获取测量值，并通过神经系统传到大脑； 
② 大脑依照眼睛看到水位高度，与设定值进行比较，得出偏差大小和方向，然后依照操作经验发出控制命令； 
③ 依照大脑发出命令，用双手去变化给水阀（或进水阀）开度，使水箱液位包持在工艺规定高度上。 
在整个手工控制过程中，操作人员眼、脑、手、三个器官，分别肩负了检测、判断、和运算、执行三个作用，来完毕测量、求偏差、在施加控制操作以纠正偏差工作过程，保持水箱液位恒定。 

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；控制阀接受控制器控制信号，按其大小变化阀门开度，调节给水量，以克服扰动影响，使被控变量回到设定值，最后达到水箱液位恒定。这样就完毕了所规定控制任务。这些自动控制装置和被控工艺设备构成了一种没有人直接参加自动控制系统。 
2.1.2 水箱液位控制系统原理框图 
本设计对水箱液位控制系统设计是一种简朴控制系统，所谓简朴液位控制系统普通是指由一种被控对象、一种检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一种执行器（控制阀）所构成单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。 
简朴控制系统有着共同特性，它们均有四个基本环节构成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象简朴控制系统，尽管其详细装置与变量不相似，但都可以用相似方框图表达：
图2 简朴控制系统示意图
2.2 水箱水位设计实验目和内容
2.2.1 实验目
本次课程设计通过综合应用电气安全课程基本知识，加深对所学传感器检测技术基本理论应用，有助于加深对电气安全控制知识理解，培养创新意识，增强动手能力。达到如下规定：
1）设计满足特定功能或规定控制电路原理图；
2）可以简述设计原理；
3）有必要安全保护办法；
4）完毕实验验证。
2.2.2 实验内容
水箱水位设计内容规定如下：
1）设备名称、用途、基本构造、动作规定及工艺过程简介。
2）供电方式及控制规定、保护规定等。
4）自动供水和手动供水规定。
5）操作台、照明、信号批示、报警方式等规定。
3 水箱水位控制设计实验构成

3.1 设计原理简介
3.1.1 电路安装面板
本次设计从仪器到安装都是由同窗们亲自动手组装和调试，面板上显示有断路器、变压器、LED液位批示灯、蜂鸣器和三档开关，为了面板美观简洁、易于操作和观测所有线路均由面板背面连接。
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水位变化，本次设计是运用水导电性使批示灯形成闭合电路，由5个LED（12V）灯和一种蜂鸣器来批示液位其中红色灯批示最高警戒水位、绿色灯批示安全水位、两个橙色灯批示1/4水位和1/2水位、红色灯批示最低警戒水位。批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分别表达最高警戒水位、满水位、3/4水位、1/2水位和1/4水位，C表达最高水位蜂鸣器；a、b、c、d、e分别表达5个水位接触点。
当水位到达e点时，由于水导电性使O、e点连通，则批示灯5亮；当水位到达d点位置时批示灯4亮；同理当水位分别到达c、b位置时，批示灯2、3亮；当水位到达a点警戒水位时批示灯1亮，同步蜂鸣器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平行闸板，两片闸板间用品有弹簧夹持螺栓相连，在两片闸板内侧分别连有两对相对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间隙，二面角形动触头一种面是用螺栓连在闸板上，另一种面上有熔断片电接点，在活动刀闸下端有与底座下端钩形下承座架相配合活动刀闸轴，活动刀闸上端有摘挂钩。本实用新型活动刀闸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、和短路保护电器。它可用来分派电能，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)、灭弧系统等构成。 （构成涉及: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）。自动空气开关主触点是靠手动操作或电动合闸。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器线圈和热脱扣器热元件与主电路串联，欠电压脱扣器线圈和电源并联。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，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。本次设计使用是DZ47-C16型断路器如图4，其最高容许电流16A。

图4 断路器
3.2.3 变压器
变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗器件， 当时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）和线圈构成，线圈有两个或两个以上绕组，其中接电源绕组叫初级线圈，别的绕组叫次级线圈。在本次设计中使用变压器是I/P:220V AC 50HZ、O/P:12*2，其能输出12V/24V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缩写，中文名称“发光二极管” 其发光原理跟激光产生相似。
一种原子中电子有诸多能级，当电子从高能级向低能级跳变时，电子能量就减少了，而减少能量则转变成光子发射出去。大量这些光子就是激光了。
LED原理类似。但是不同是，LED并不是通过原子内部电子跃变来发光，而是通过将电压加在LEDPN结两端，使PN结自身形成一种能级（事实上，是一系列能级），然后电子在这个能级上跃变并产生光子来发光。本次设计选用5个12VLED灯来实时显示水箱水位，其中红色灯批示最高警戒水位、绿色灯批示安全水位、两个橙色灯批示1/4水位和1/2水位、红色灯批示最低警戒水位。
3.2.5 增压泵
增压泵运用大面积活塞低压气体（2—8bar）驱动而在小面积活塞上产生高压气体/液体。本次设计实验用是1ZDB-35型清水泵（如图6）。可用于压缩空气及其她气体，输出气压可通过驱动气压无级调节。 增压泵具备如下特点：维护简朴：增压泵零件及密封少，维护简朴且成本低着一起复增压。性价比高：增压泵具备输出性能高而成本低特性。可调性强：增压泵输出压力和流量都由驱动气体压力调节阀精确地调节。调节驱动气压，使气压管道增压泵输出压力在预增气压和最大输出压力之间精准调节。 输出压力高：气动液体管道增压泵最高工作压力可达到700Mpa，气动气体管道增压泵最高工作压力可达到300 Mpa。 材质优良：增压泵高压某些材质为硬质铝合金。高压柱塞材质为不锈钢。并采用双层密封。核心部位材质可以依照介质性制选配。
1）清水泵安装使用
使用前，先检查电线或插头与否完好无损，各处螺栓有无松动现象，电机绝缘电阻应不不大于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畴与否在额定电压+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不不大于水泵电源引线，接上电源先空载数秒钟（不超过60秒），查看启动、动转与否正常，转向与否对的，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，底阀放置必要垂直于平面，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电源与否符合电机规定。电机应避免雨淋及溅水。为安全起见，电机接地必要可靠。初次使用时，应通电试运营，且空载不能超过60秒，并且检查水泵运转与否正常，然后在灌水口处灌水，排除阀内空气以保证流量、扬程达到最佳性能规定。泵应接近水源，尽量减少吸水管长度及弯头个数，保证各接头处密封良好，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，应拔动电机电扇，如有卡死或过紧现象，应清晰泵内锈渍、杂物，否则将会损坏电机。如发现时，请送到就近维修店服务维修。
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一种流量大、高效率、构造紧凑新型泵。输送水源条件为常温清水，PH值在6.5-8范畴内，如河水、井水、自来水等。
3） 清水泵常用故障及排除办法
清水泵常用故障及排除办法见下表1所示。
表1 清水泵常用故障及排除办法
故障
因素
排除办法
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
灌水局限性
吸程过高
吸水管接头漏气
水源局限性底阀露面
重新灌满水
移动水泵减少扬程
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
浮球液位开关构造重要基于浮力和弹簧弹力原理设计生产。本设计使用是雷达牌液位开关（如图6），它是运用水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
压电式蜂鸣器重要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等构成。有压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
本设计使用是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1.5~2.5kHZ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

通过认真设计和重复地实验，设计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可以较好地达到自动控制成果。其自动化限度已达到半自动化，操作人员，只需要注意安全警示器预警，就可以懂得贮水池进、抽水状况，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，即可完毕盼望功能。由于设备在购买组装时，选用电路元件都是可靠性比较高产品，其安全性符合安全原则，因而它稳定性及抗干扰能力达到了预设规定。
在实验过程中也发现，工业生产中水位控制系统（涉及相应安全装置）一种完整系统是一种复杂系统，由于它除了水泵、控制器、调节器外，尚有诸多安全附件，并且各个线路串在一起，在一种系统中工作，互相之间或多或少有些影响。这些复杂系统相比咱们设计来说，是没法比，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，可以保证在进水箱水局限性时，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，可以报警警示，避免水箱中水溢出，挥霍水资源。
在演示实验中存在诸多局限性和缺陷：
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、进水用软管，很容易吸扁，进而中断电路；
3、 使用水质比较脏，没有达到清水规定，有也许堵塞电机；
4、 在做实验过程中，由于用水桶代替水箱，在往水桶灌水过程中，地上溅满了水，而实验场地比较窄，电机木板上有些许水，有也许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、实验场地周边混乱，如有电路故障，难以理清。
6、 没有考虑到随着水量增长，批示灯电路电阻增大使批示灯和蜂鸣器工作电压过低，故而不能明显显示水位变化；
本次设计电路还没有达到安全美观规定，亟待进一步改进。
在指引教师指引下，本组独立完毕了设计绝大某些，固然，本论文只是对水箱水位控制比较浅显阐述。由于设计系统较为简朴，为了避免十分繁琐理论分析，采用了简朴小型仪器设备，但这样显然对自动控制原理应用就减少工艺、生活实际应用了。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、安全监测技术等有关知识，其中电气安全技术和安全监测技术均是本次控制系统设计重要根据。总之，本毕业设计只是对所学知识一种简朴应用，由于知识有限，尚有某些较为复杂和细化问题有待于解决，因而，这次课程设计是一种锻炼开始。本设计阐述了生活中最常用液位控制系统，具备较大实际意义。
5 结束语

通过成员几周努力，本次设计圆满完毕。在本次设计中通过查阅大量资料，是我知识得以扩充，加深了对本专业结识，这次毕业设计通过教师指引，同组同窗讨论，以及自己努力，我圆满完毕了任务，达到了设计目。我学会了过程控制设计基本办法，对系统整体分析。真正感受到所学知识与实际应用。 
通过这次设计使我明白到有些东西看上去非常简朴，当自己臵身其中去做时，并不容易了。在毕业设计这段时间里，我也发现了自己所应当改进或是较为缺少某些，其一是分析问题能力：也许是自己学习不够夯实，实习中遇到了不少钉子，遇到问题时头脑很茫然；二是解决问题成熟度：这也许是个性使然，再加上缺少经验累积和历练，因此在解决设计中问题时，容易慌慌张张．这次设计也让我再次体会到课本上学习到专业知识和实际应用起来是两个完全不同概念，因此在现阶段学习中，咱们重要是应当去学习专业理论知识，学习掌握分析问题和解决问题能力。在后来工作中，把理论和实际相结合，努力实现大学所学习理论知识。因此说，这次毕业设计也是对此前所学知识一种初审吧！对于我后来学习、找工作也真是受益菲浅。我感性回到理性重新结识，进一步对社会认知，对于后来工作所应把握方向也有所启发。
文 献

[1] 徐兵等，过程控制，机械工业出版社，
[2] 金以慧等，过程控制，清华大学出版社，1993
[3] 王化祥，张淑英，传感器原理及应用，天津大学出版社，1999
[4] 陈隆昌等，控制电机，西安电子科技大学出版社，
[5] 何离庆等，过程控制系统与装置，重庆大学出版社，
[6] 施仁等，自动化仪表与过程控制，电子工业出版社，
[7] 刘爱群，廖可兵，电气安全技术，中华人民共和国矿业大学出版社，
附 录

附图一 水箱水位控制设计电路原理图