自动水位控制系统

常州工学院毕业设计论文第1页共21页绪论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。水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,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，经过多次实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。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。自动水位控制系统适用的条件是：当建筑外管网压力经常低于建筑内给水系统所需压力，而且建筑内用水量又很不均匀时，采用水泵加压给水，同时采用水箱贮存调节用水量。此方式，一是能使水泵在高效率条件下工作，同时水箱能够贮存调节生活和其他用水量，二是使水泵间断工作，可以利用变频器和PLC来实现对水泵的变频调速控制来达到水泵运行与停止自动化，能及时向管网和水箱充水，也可使水箱容积大大减小。这种给水方式技术上合理，供水可靠，节能，是我过和国外建筑采用的一种常见给水方式。常州工学院毕业设计论文第2页共21页自动水位控制系统的理论概述1-1水泵一、水泵的定义：通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力,即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。二、水泵类型分类泵的种类繁多，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、容积泵、喷射泵。1、容积式泵:利用工作腔容积周期变化来输送液体。2、叶片泵:利用叶片和液体相互作用来输送液体。泵的具体用途：泵具有不同的用途，不同的输送液体介质，不同的流量、扬程的范围，因此，它的结构形式当然也不一样，三、水泵的参数1、流量Q流量是泵在单位时间内输送出去的液体量（体积或质量）。体积流量用Q表示，单位是：m3/s，m3/h，l/s等。质量流量用Qm表示，单位是：t/h，kg/s等。质量流量和体积流量的关系为：Qm=ρQ式中ρ——液体的密度（kg/m3，t/m3），常温清水ρ=1000kg/m3。2、扬程H扬程是水泵所抽送的单位重量液体从泵进口处（泵进口法兰）到泵出口处（泵出口法兰）能量的增值。也就是一牛顿液体通过泵获得的有效能量。其单位是N·m/N=m，即泵抽送液体的液柱高度，习惯简称为米。3、转速n转速是泵轴单位时间的转数，用符号n表示，单位是r/min。4、汽蚀余量NPSH汽蚀余量又叫净正吸头，是表示汽蚀性能的主要参数。汽蚀余量国内曾用Δh表示。5、功率和效率常州工学院毕业设计论文第3页共21页水泵的功率通常是指输入功率，即原动机传支泵轴上的功率，故又称为轴功率，用P表示；泵的有效功率又称输出功率，用Pe表示。它是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。6、泵的汽蚀余量在水泵中产生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。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Δ表示，其单位为m这是用能量的观点来表示泵的汽蚀性能。Δ的表达式中，Δ=（m）式中-泵吸入口处的压力（Pa）-液体重度（kgf/ms）-液体吸入口处的平均流速（m/s）-液体所处温度下的饱和蒸汽压力（Pa）1-2离心泵一、水泵装置水泵装置常指水泵电机的总称，是抽水加压的通用设备。正确选择水泵装置能降低设备投资，合理使用地面面积，降低能耗，提高供水的可靠性。一般给水系统中水泵选择清水离心泵，选择时主要考虑供水流量及所对应的扬程，并使其在高校区下工作。在给水加以系统中，水泵分直接抽水和间接抽水，直接抽水是指水泵直接从给水管道中抽水，能充分利用外管网水压，减少水泵扬程。水泵间接抽水是指建筑外管网水流进贮水池内抽水，水泵不能利用建筑外给水管网水压。水泵间接抽水按水泵的安装位置分自吸式和自灌式两种，自吸式是水泵位置高于水池水面，在吸水管进口安装底阀；自灌式是水泵位置低于水池水面，水池内水能自流入水泵内，无需在水泵吸水管进口安装底阀。自灌式抽水可靠，在有条件的地方应尽量把水泵安装成自灌式。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、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、轴流泵和旋涡常州工学院毕业设计论文第4页共21页泵等。本次设计采用的是离心泵，所以下面详述一下离心泵。二、离心泵的选用（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。见附录“表1水泵型号的选择”。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1.05～1.1倍作为选型依据。ISG型立式离心泵(又称管道泵、离心泵、管道离心泵、单级离心泵、立式泵、增压泵、热水泵、循环泵等)，是我国联合国内水泵专家选用国内优秀水力模型，采用IS型离心泵和SG型管道泵之性能参数，在一般立式管道泵的基础上进行巧妙组合设计而成。该系列产品具有高效节能、噪音低、性能可靠等优点。符合最新国家机械部JB/T53058-93的标准要求，按国际ISO2858标准设计制造。外形如图2-1ISG型系列单级单吸管道离心泵：ISG型系列单级单吸管道离心泵输送清水、适用于工业和城市给排水、与其它设备配套方便、使用温度最高可达240℃、高效节能、噪音低、有冷水型、热水型、高温型、化工型、输油型、性能可靠、国际标准。图3-1ISG型系列单级单吸管道离心泵结构特点：1、管道泵为立式结构，电机盖与泵盖联体设计，外形紧凑美观，且占地面积小，建筑投入低，如采用户外型电机则可置于户外使用。2、泵进出口口径相同，且位于同一中心线，可象阀门一样直接安装在管道常州工学院毕业设计论文第5页共21页上，安装极为简便。3、巧妙的底脚设计，方便了泵的安装稳固。4、泵轴为电机的加长轴，解决了常规离心泵与电机轴采用联轴器传动而带来严重的振动问题。泵轴外加装了一个不锈钢套。5、叶轮直接安装在电机加长轴上，泵在运行时无噪音，电机轴承采用低噪音轴承，从而确保整机运行时噪音很低，大大改善了使用环境。6、该泵轴封采用机械密封，解决了常规离心泵填料密封带来的严重渗漏问题，密封静环和动环采用钛合金碳化硅、碳化钨制成，增强了密封的使用寿命，确保了工作场地的干燥整洁。7、泵盖上留有放气孔，泵体下侧和两侧法兰上均设有放水孔及压力表孔，能确保泵的正常使用和维护。图3-2ISG型水泵内部结构8、独特的结构以致勿需拆下管道系统，只要拆下泵盖螺母即可进行检修，检修极为方便。普通型结构：ISG型结构说明1.水泵与电动机同端盖，轴向尺寸缩短，结构简单；2.泵体上设有取压孔和放水孔；3.泵体上设有排气阀，工作前能排放泵内空气；4.泵体底部设有安装底板和螺栓孔，保证整体机壳安装稳固。内部结构如图2-2ISG型水泵内部结构。（3）水泵的安装安装应达到的要求：1、各紧固连接部位不应松动；2、基础的尺寸、位置、标高应符合设计要求；3、安全、保护装置应灵敏、可靠。4、卧式和立式泵的纵、横向水平度不应超过0.1/1000；测量时，应以加工而为准；5、小型整体安装的泵，不应有明显的偏斜；6、设备不应有缺件、损坏和锈蚀等情况，管口保护物和堵盖应完好；7、水泵与管路连接后，应复校找正情况，如由于与管路连接而不正常时，应调整管路；8、水泵的进出水管安装如图3-3所示。常州工学院毕业设计论文第6页共21页图3-3进出水管的安装方式1.进口阀门2.直管3.弯管4.采用水泥浇注基础5.出口阀门1-4变频器一、变频器的工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类[1]:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。二、变频器的分类变频器即电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。目前国内外变频器的分类很多，可按以下几种分类方式分类：（1）按变频环节分类可分为：交-直-交变频器、交-交变频器；（2）按电压的调制方式分类可分为：PAM（脉幅调制）、PWM（脉宽调制）；（3）按滤波方式分类可分为：电压型变频器、电流型变频器；（4）按输入电源的相数分类可分为：三进三出变频器、单进三出变频器；（5）按控制方式分类可分为：U/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制方式变频器。三、变频器的构成常州工学院毕业设计论文第7页共21页以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。目前，通用变频器几乎都是交—直—交型变频器，所以就以交—直—交电压型变频器为例讲述变频器的基本构成。变频器的基本构成如图1-3-2所示，由主电路和控制电路组成。图1-3-2变频器的基本结构外接控制电路1）外接给定电路2）外接输入控制电路3）外接输出电路变频器内设有多端速度功能，能进行7段速度特性运行，能连续、断续、保持最终值，对各种速度，能任意设置加速时间、旋转方向、运转时间等。本课题采用三速运转，高速、中速和低速指令由外部输入后，则选定频率给定信号给变频器输入指令，以所定的速度运转。三速运转外部接线如图1-3-4。变频器的功能预置高速：在用水很多的情况下高速进水。中速：在用水较多的情况下中速进水。低速：在用水少的情况下低速进水。加、减时间：水泵由于水管中有一定压力的缘故，因此在转速上升和下降的过程中，惯性的作用极微，但过快地升降或降速，会在管道中引起水锤效应。所以也应将加、减速时间适当预置的长一些。常州工学院毕业设计论文第8页共21页三速运转外部接线图四、变频器的选择变频器的最大输出功率按三相异步电动机的额定功率11kW也选用11kW。变频器的容量只需按照说明书上表明的“配用电动机容量”进行选择即可。变频器容量的计算连续恒载运转时所需的变频器容量(kVA)的计算式：（3-6）≥≥（3-7）常州工学院毕业设计论文第9页共21页≥（3-8）式中-负载所要求的电动机的轴输出功率；-电动机的效率(通常约0.85)；-电动机的功率因素(通常约0.75)；-电动机的电压V；-电动机工频电源时的电流A；-电流波形的修正系数(PWM方式