1、自动水位控制系统第 1 页 共 29 页摘 要现代化政权不断完善了现代化经济制度,促进了现代化经济的发展,现代化经济的发展生产出了非常丰富品种多样的物质生活和精神生活产品,人们的生活质量有了极大的提高。人们对物质文化的要求越来越精细化，合理并充分的利用自然资源是时下人们考虑最多的问题，水作为人们每日生活的必需品，为避免水资源的浪费，我们需要将水源逐渐实现智能化控制，让水资源更好的为人类造福。自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产和产品质量，改善了劳动条件，并且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民物质生活等方面都起着极为重要的作用。因此，自动控制技术已经
2、成为实现工业、农业、科学技术和国防现代化必不可少的一门技术。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC
3、 在我国将有更广阔的应用天地。关键字：自动控制 可编程控制器 PLC 前 言自动化专业主要研究的是自动控制的原理和方法，自动化单元技术和集成技术及其在各类控制系统中的应用。它以自动控制理论为基础，以电子技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术、网络与通信技术为主要工具，面向工业生产过程自动控制及各行业、各部门的自动化。它具有“控（制）管（理）结合，强（电）弱（电）并重，软（件）硬（件）兼施”鲜明的特点，是理、工、文、管多学科交叉的宽口径工科专业。学生在毕业后能从事自动控制、自动化、信号与数据处理及计算机应用等方面的技术工作。此设计是为学院教学大楼全自动水位控制系统的开发，利用 PLC 系统对
4、水位进行及自动水位控制系统第 2 页 共 29 页时的调整。原来的控制系统在全校用水高峰时，会出现水流很小的情况。而且向楼顶水箱送水的水泵一直处于频繁工作状态，使得液位传感器因频繁使用，容易损坏。针对这一状况我们在楼顶的水箱内加了七个液位传感器，编制 PLC 控制程序，通过三菱 FX2N 可编程序控制器，根据水箱内液位传感器检测到的信号对水泵电动机进行控制。通过对学院教学大楼每日用水需求量和用水高峰时段用水量的实际调查，楼顶的水箱设计为长 2 米、宽 2 米、高 2.5 米，而地下水源蓄储室则是楼顶水箱容积的 4 倍，即满足正常供水，又不会造成水的滞留。三相异步电动机与水泵装置在地下水源蓄储室
5、的旁边，可以方便进水与机械维修。楼顶水箱与地下工作间用两根上水管（消防管、生活用水管且消防管是生活用水管直径的 2 倍）相连，即是楼顶水箱的供水管。楼顶水箱内的水位状态通过液位传感器向 PLC 传送开关量信号，PLC 按照预定程序控制水泵的运行状态，即进水量。注满水后能自动停止进水。当用水量增大时，PLC 按照预定程序控制水泵的运行状态，即加大进水量，使水箱水位基本保持。供水系统框图如下图所示。整套系统虽然结构简单，但是它集节水和节能等优点，给师生员工的生活带来了方便。第一章 自动水位控制系统理论概述1.1 水泵1.1.1 水泵的分类及泵的性能参数泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机
6、械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。泵的种类繁多，有不同的结构特点和使用范围，根据工作原理可分成三类：叶片泵、地下蓄水室M1M2楼顶水箱消防进水生活进水生活用水消防用水自动水位控制系统第 3 页 共 29 页容积泵、喷射泵。叶片泵是利用叶轮的叶片来输送液体的，如离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵等。本次设计采用的是离心泵，所以下面详述一下离心泵。离心泵的主要性能参数（1）泵的流量流量是泵在单位时间内所抽送液体的数量，有体积流量和重量流量两种表示方法。常用的流量是体积流量，以 表示，其单位是 m /h。 重量流量以 G 表示，其单位Q3是 kgf/h。 与 的关系是 = （1-1）G式中
7、-液体重度（kgf/m ） -泵的流量（m /h）3 3（2）泵的扬程扬程是单位重量的液体通过泵后获得的能量，有的也称总扬程或全扬程，通常用所抽送液体的液柱高度 表示，其单位是 m。H（3）泵的转速转速是指泵的转子每分钟旋转的圈数，以 表示，其单位是 r/min。n（4）泵的功率叶片泵的功率是指泵的轴功率，也是原动机传给泵的功率，用 表示，单位是 kW。P泵的输出功率，也称有效功率，用 表示，它是单位时间内泵输送出去的液体从泵Pe中获得的有效能量。的习惯计算式为： = (kW) （1-2）Pe 102QH式中 -液体重度（kgf/m ） -泵的流量（ m /h） -泵的扬程（m） 3 3H（5
8、）泵的效率叶片泵的轴功率 与有效功率 的差值，是泵工作时损失的功率。其大小用效率来Pe衡量。效率是 与 的比值，以 表示， 的计算式为 = 我们知道泵的有效功率ePe（或流量 、扬程 ）和效率 后，就可以计算出泵的轴功率：PeQH（kW） （1-3）102QHeP（6）泵的比转数 sn比转数 是水力机械的一个重要参数。但了解该参数前，必须搞清楚相似定律。s当离心泵出口阀关小后，由于扬程不变，流量减少，那么泵的电流减小，如果是全自动水位控制系统第 4 页 共 29 页关则电流最小，但略大于空转，因为水有阻力的。离心泵电流最小的时候，是空转的时候，即泵体内什么水都没有，和大气直接连接，泵轮空转（当
9、然潜水泵这样长时间转是会导致过热损坏的，而且即便是普通的泵，这样转也不好） 。而离心泵电流最大的时候，是当进口连接源物，比如水，而出口不加以限制，比如直接和大气相连，连管道都不接，这个时候，流量最大，泵的电流将最大 。但是，一般厂家的水泵，匹配的电机都是按照额定流量时计算的，像这样不加限制的时候就有可能导致电机过载烧毁，但是大厂家的则不一样，他们通常都是按照最大极限匹配电机的，即便这样不加限制，最多效率不高，但泵不会损坏。泵的相似定律：在叶片泵的设计研究中，由于经济性或技术条件的限制，经常将实型泵缩小成模型泵进行试验，再将模型泵放大成实型泵，这就必须用到流体动力相似定律。工况相似的实型泵和模型
10、泵，其流量、扬程、功率与泵的尺寸。转速及效率之间有以下三个关系：泵的流量相似定律： mvmDnQ3（1-4）泵的扬程相似定律： （1-mnmDH2)(5）泵的功率相似定律： （1-mmnP53)(6）式中 -叶轮外径尺寸 -容积效率 -水力效率 -机械效率Dvnm上角标 表示模型泵，无上角标表示实型泵。如果两个工况相似的泵的尺寸比不是m很大（不超过 23） ，转速比值不超过 2，而且是抽送同一种液体（即 ） ，则可认为两台泵的各种效率均相等，于是得到：（1-3)(mDnQ7）（1-2)(mH8）自动水位控制系统第 5 页 共 29 页（1-53)(mmDnp9）在工况相似时的实型泵和模型泵的参
11、数，应该满足以上公式所谓比转数就是把某一叶轮的几何尺寸相似缩小为标准叶轮，使这个标准叶轮所产生的扬程为 m，流量为 m/s，有效功率等于 746W（1 马力）时的转速。它的表达式075.为： （1-10）4365.HQnS式中 -转速（r/min） -流量（m /h） -扬程（m）nQ3比转数 是有因次的，但通常都省略其单位。比转数是以单吸离心泵为基准来比较的。s对于双吸单级离心泵，比转数为： （1-43265.HQns11）对于多级泵，比转数为 ： （1-4365.ins12）式中 -多级泵叶轮极数i（7）泵的汽蚀余量液体在一定温度下，降低压力至该温度下的汽化压力时，液体便产生汽泡。把这种产
12、生气泡的现象称为汽蚀。汽蚀时产生的气泡，流动到高压处时，其体积减小以致破灭。这种由于压力上升气泡消失在液体中的现象称为汽蚀溃灭。 泵在运转中，若其过流部分的局部区域（通常是叶轮叶片进口稍后的某处）因为某种原因，抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生大量蒸汽，形成气泡，当含有大量气泡的液体向前经叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以至破裂。在气泡凝结破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率打击金属表面，冲击应力可达几百至几千个大气压，冲击频率可达每秒几万次，严重时会将壁厚击穿。在水泵中产生
13、气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是水泵中的汽蚀过程。自动水位控制系统第 6 页 共 29 页水泵产生汽蚀后除了对过流部件会产生破坏作用以外，还会产生噪声和振动，并导致泵的性能下降，严重时会使泵中液体中断，不能正常工作。汽蚀余量是指为了保证泵不汽蚀，泵叶轮吸入口处单位重量液体所具有的能量必须比饱和蒸汽压力（相应于液体所处温度）时液体所具有的能量的富裕程度大，以 表h示，其单位为 m 这是用能量的观点来表示泵的汽蚀性能。 的表达式中， = （m） （1-hh8.928.9VSPgs13）式中 -泵吸入口处的压力（Pa） -液体重度（kgf/ms）SP-液体吸入口处的平均流速（m/s） -
14、液体所处温度下的饱和蒸汽压力（ Pa）Vs Pv-重力加速度（m/s ） g2等式右边括号内两项表示泵吸入口处单位重量液体具有的能量，第三项是饱和蒸汽压力下单位重量液体具有的能量。（8）泵的吸上真空高度泵的吸上真空高度是指为了保证泵运行时不发生汽蚀而具有的最大的吸上真空高度，以 表示，其单位为 m。在实际使用中规定留有 0.3m 的安全量，即将 减去maxHs maxHs0.3m 作为允许最大吸上真空高度，以 表示， = -0.3（m） Hs（1-14）泵吸入口处的吸上真空高度 不仅与水泵几何安装高度 有关，而且还与吸入口处sj的流速 ，吸入管路损失 及液面压力 有关，如果水泵在某一流量下运行
15、，则 项SVhw0p gsV2是定值，而管路水力损失 也几乎是定值，则吸上真空高度 随着几何安装高度的Hs的增大而逐渐增大。当几何安装高度 增大到某一数值后，泵就不能工作。对应于这Hj Hj一工况的吸上真空高度即为上面所述的最大吸上真空高度 ，目前 只能靠试maxsaxs验得出。对于泵的样本上或泵的铭牌上都已明确规定的允许吸上真空高度 ，并不等于几何安装高度 ，其相互关系应为： （ ） （m） j jsgsV2hw（1-15）1.1.2 离心泵的选用自动水位控制系统第 7 页 共 29 页（1）选型的意义泵的选型是一项十分重要的工作。如果选用不当，泵在工作中流量偏大或偏小，扬程偏高或偏低，材料
16、不耐腐蚀等，都会造成使用时满足不了生产要求，且效率低寿命短。（2）泵型号的确定按结构、口径、性能的不同，泵的种类繁多。所以在确定泵的型号前，首先要掌握整个装置所需要的流量和扬程，再选择泵型（系列）然后才能确定泵的型号。流量是选泵的重要性能数据之一。它关系到整个装置的生产能力。在对装置工艺流程设计时，泵所给出的设计流量不仅要与装置设备的生产能力相协调，而且还需了解在生产中流量的变化范围，即最小流量和最大流量，以适应工况变化要求。扬程是选泵的另一个重要的性能数据。它与管路系统的布置情况，容器间的压差，克服液体在系统内流动时的摩擦阻力（包括阀门、弯头、管径的大小、长短、材料）等一系列因素有关。同时还
17、要注意，选泵用的扬程应考虑到最低吸入液面和最高输出高度，并取系统扬程的 1.051.1 倍作为选型依据。（3）水泵应用于实际水泵普遍采用交流异步电动机作原动机。这是因为异步电动机结构简单，运行可靠，维修方便，价格便宜。单台水泵调速运行泵的调速范围是随实际工况的不同而变化的。一般来说,调速降低不宜超过 50%，否则水泵效率很低，不能保证安全供水，当转速太低时，甚至无法抽水。如图 1-1-1 所示，学校生活用水要求出水压力在高峰和低谷时不能低于 HB，也不要高于 HA，管路系统性能曲线与调速运行的泵的性能曲线相交于 A 和 B 点(即水泵工况点) 。这种情况下，调速装置的调速范围在 nA 到 nB
18、 之间，相应的流量是 QA 和 QB。HHA HBHO0AB nAnBQAQBQ管路系统性能曲线自动水位控制系统第 8 页 共 29 页图 1-1-1 单泵供水时调速范围的控制选用了两个离心泵，一个是冠力片离心泵它的型号是 650L-3，扬程为 48m，流量为30m /h，转速为 1350r/min，配套功率为 7.5kW。另一个是清水离心泵型号是 80DL2，3扬程为 40m，流量 50m /h，额定电压 36V，配套功率 11kW，转速 1450r/min。实物如图31-1-2图 1-1-2 水泵实物图 1.1.3 离心泵的主要部件离心泵主要部件有叶轮、泵壳和轴封装置。（1）叶轮叶轮的作用
19、是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能(主要增加静压能)。叶轮一般有 612 片后弯叶片。叶轮有开式、半闭式和闭式三种。开式叶轮在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于输送含有较大量悬浮物的物料，效率较低，输送的液体压力不高；半闭式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低；闭式叶轮在叶轮在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体。一般的离心泵叶轮多为此类。叶轮有单吸和双吸两种吸液方式。（2）泵壳作用是将叶轮封闭在一定的空间，以便由叶轮的作用吸入和压出液体。泵壳多做成蜗壳形，故又称蜗壳。由于流道截面积逐渐扩大，故
20、从叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流速，使部分动能有效地转换为静压能。泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。（3）轴封装置作用是防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气漏入泵壳内。常用轴封装置有填料密封和机械密封两种。自动水位控制系统第 9 页 共 29 页填料一般用浸油或涂有石墨的石棉绳。机械密封主要的是靠装在轴上的动环与固定在泵壳上的静环之间端面作相对运动而达到密封的目的。1.2 三相异步电动机1.2.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴
21、承、接线盒、吊环等其他附件，如图 1-2-1 所示。 图 1-2-1 封闭式三相笼型异步电动机结构图1轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心；7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇三相异步电动机由两个基本部分组成：定子和转子。（1）定子部分定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。（2）转子部分转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。1.2.2 三相异步电动机的变频调速的控制三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理：一是导体被磁场切割会在导体中产生感应电动势；二是载流导体与磁场
22、相互作用，使载流导体受力而运动的理论基础上的。自动水位控制系统第 10 页 共 29 页三相异步电动机和三相同步电动机，它们的转速 公式为：n（同步电动机） （2-Pfn/601）（异步电动机） （2-)1(/)1(0sfs2）式中 -频率 -极对数 -转差率（03或 06）fP由转速公式可见，只要设法改变三相异步电动机的供电频率 ，就能十分方便地改f变电动机的转速 ，比改变极对数 和转差率 两个参数简单得多，近二十年来，由于交ns流变频调速器得到了突飞猛进的发展，使得三相异步电动机变频调速成为当前电气调速的主流。1.2.3 三相异步电动机的选用应考虑额定电压、额定功率、额定频率、额定转速、绝
23、缘等级、安装结构形式、防护型式、传动方式、起动状况以及负载情况等参数。（1）电动机铭牌上的性能指标型号：用以表示电动机的类型、性能、用途、结构特征等。额定功率：也叫容量。以 W 或 kW 表示。额定电压：电动机正常工作时，加在定子绕组线端的电压，比如 220/380V。额定电流：在额定电压、额定频率、额定功率运行时，定子绕组线端的电流。额定频率：电动机规定的交流电源的频率。额定转速：在额定电压、额定频率、额定功率、额定电流下运行时，电动机每分钟的转速。电动机的额定电压、频率要和电源电压的电压值、频率相一致，尤其对 Y/接法的电动机更应注意这一点。电动机的额定功率一般情况下要略大于所用负载的功率，但不能大于两倍的负载功率。额定转速要依据被拖动机械的正常转速和传动方式决定，额定转速=被拖动机械转速传动比，转速一致时，可用联轴器传动；转速不一致时，可用皮带或齿轮传动；负载转速很低时配购减速装置。（2）电动机电压的选择电动机的额定电压应与电源电压相符。电动机只能在铭牌上规定的电压条件下使用，允许工作电压的偏差为额定电压的+10%5%。如果铭牌上标有 220V/380V，说明此电动机有两种额定电压。当电源电压为 380V 时，将电动机绕组接成 Y 形；当电源电压为 220V
