智能大厦生活水泵的电气控制装置

编号：机电工程学院08级电气综合设计论文课题：智能大厦生活水泵的电气控制装置院〔系〕：机电工程学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：学号：2011年12月22日目录前言1第1章绪论11.1课题概论11.2课题研究的意义及目的1第2章方案论证22.1方案论述22.1.1方案一小功率生活水泵电动机电气控制22.1.2方案二大功率生活水泵电动机电气控制22.1.3方案三变频调速恒压供水电气控制22.2供水系统的要求2设计原理2控制要求22.3方案选择2第3章方案设计的条件及要求33.1控制线路的组成33.2小功率生活水泵的电气控制线路的工作原理分析53.2.1万能转换开关的作用和结构53.2.2万能转换开关的符号表示63.2.3水位开关73.2.4电磁式继电器83.2.5时间继电器KT9第4章智能大厦生活水泵运行控制情况104.1自动控制104.2手动控制104.3信号显示10总结设计控制线路的要点104.4.1明确控制线路的分工，增强线路的可读性。104.4.2区别水泵电动机正常停车和故障状态下的保护停车。104.4.3利用万能转换开关的不同档位进行手动和自动控制之间的转换。114.4.4水泵电动机的起动方案由电网功率及电动机功率决定11第5章结束语11意见及建议11设计体会11参考文献：11附录12附录A12附录B12前言智能化建筑的开展日新月异，智能化住宅更是人们生活质量提高的重要标志，人们对智能化住宅的需求促进了智能化建筑的开展，目前，在世界各地智能化工程技术证逐步走向创新阶段。楼宇控制系统的主要功能是对建筑物内部的能源使用。坏境、交通以及供电进行统一监控与管理，以便提供一个既平安可靠、节约能源又舒适宜人的工作和居住

，主要包括对中央空调、给排水、变配电、照明、电梯等系统的监控，这些系统一般运用在商场、宾馆、体育馆等大型的公共场所里。随着科学技术的快速开展，进人21世纪以来，电子化、信息化和智能化开始逐渐成为楼宇建设的趋势和新亮点。楼宇智能化，是指建筑物拥有完整的控制、管理、维护和通信设施，便于进行环境控制、平安管理、监视报警，为人们提供优越的生活环境和高效率的工作环境。它的根本要求是：办公现代化、智能化，通信系统高性能化，建筑柔性化，建筑管理效劳自动化。

通过先进的中央整体监察、控制系统，智能化楼宇可以迅速发现机电设备故障和火险隐患，节省时间和资金，提高能源分配使用和故障维修能力，配合自控系统的节能程式操作，减少不必要的能源浪费，可到达平均节省百分之五到十五的水平。可以说，智能化楼宇在实时监控、快速反响的同时，最大程度的提供了适宜的工作和生活环境。因此，楼宇智能化的建设和改造，已经成为国际房地产行业开展的方向之一，而一个区域内建筑，尤其是商务和商业设施的智能化程度，也往往表达了该区域的综合水准和国际竞争力。这是因为，智能化的应用并不仅仅局限在技术层面上的，它对于高绩效和人性化的不懈追求，更多的表达出了一个城市和地区的奋斗精神和创新意识，以及敢于突破传统的时代特征。正在积极打造“科教兴市”核心区的徐汇区在这一方面最具有综合优势，也完全可以发挥更大的作用。经过多年来的探索、推进，我国楼宇智能化理论、建设法规、设计施工、物业管理等方面，也随之得到较大开展。现在兴旺国家的智能建筑系统大都是按照建筑物使用功能进行设置，尽管没有刻意把智能化放在建设目标上，但是智能化系统的装备技术是先进的，系统的设置是完备的，系统的工程设计是合理的，系统的运行状态是良好的。摘要：随着现代建筑的开展，建筑的智能化也越来越深入，无论是大厦的整体布线系统，大厦的接地系统和安防系统，也越来越完善地开展起来，本文从电气专业角度出发，介绍了现代建筑的智能化状况，讨论了智能大厦的生活给水系统问题关键词：智能大厦生活给水电气接线PLC控制水泵高水位低水位绪论1.1课题概论智能大厦是计算机和信息处理等高技术与建筑艺术的有机结合。综合型智能大厦由三大根本要素构成，即办公自动化系统〔OAS〕，大厦设备自动化系统〔BAS〕和通讯网络系统〔CNS〕，这三大要素也称之为3A系统。大厦设备自动化系统保证机电设备和平安管理的自动化，对楼宇温度、湿度、含氧量与照明度等参数值进行测量，并按照使用者要求迅速实施调节和综合管理，为用户提供舒适宜人的室内环境和可靠的平安保障。智能大厦生活给水系统属大厦设备管理自动化系统的一局部，要求其运行平安可靠，实现水泵最正确运行控制。1.2课题研究的意义及目的通过设计，接触实际工程，进一步理解和掌握专业知识。在设计中依照相关设计标准、设计手册，理论联系实际，设计出符合使用功能要求、经济合理的给水排水工程工程，具备一定的初步设计能力，为以后进行的本专业的工作做好铺垫。第2章方案论证2.1方案论述以生活给水系统的电气控制为载体，能够用低压电器、水位开关的符号与认识其作用，利用三相异步电动机降压启动控制、调速控制的方法及其控制线路，能够掌握变频器的使用，能够按照国家标准绘制常用的生活给水系统的电气控制线路，并能够完成控制线路的安装与检修。方案一小功率生活水泵电动机电气控制本方案以小功率生活水泵的电气控制为载体，利用万能转换开关、电磁继电器、时间继电器及水位开关等，按照国家标准绘制生活水泵直接启动控制线路的电气原理图和电气安装接线图，正确分析其控制线路工作原理，正确选择低压电器并判断其是否完好，完成控制线路的安装与检修。2.1.2方案二大功率生活水泵电动机电气控制本方案以大功率生活水泵的电气控制为载体，利用三相异步电动机降压启动控制的方法及其控制线路，按照国家标准绘制生活水泵降压启动控制线路的电气原理图和电气安装接线图，正确分析其控制线路工作原理，选择低压电器并判断其是否完好，完成控制线路的安装与检修。当生活水泵电动机容量较大时通常采用星三角形降压启动，鼠笼式异步电动机的降压启动方式有自耦变压器降压启动、星三角形降压启动等多种降压方式。2.1.3方案三变频调速恒压供水电气控制本方案以变频调速恒压供水的电气控制为载体，利用三相异步电动机调速控制的方法及其控制线路，正确使用变频器,完成生活泵变频调速恒压供水电气控制线路的识读和安装。2.2供水系统的要求智能大厦生活给水根本组成：〔1〕大厦自动化系统将监控生活给水系统的所有水泵的运行状态。〔2〕大厦自动化系统将对生活给水系统的设备运行时间、状态、水量、压力值进行记录。〔3〕当水泵出现故障时，大厦自动化系统会通过联锁控制备用泵自动投入运行。给高层建筑、大厦供水，一般采用市网水先注入大厦的低层储水池中，再用水泵把水输送至大厦高层水箱或天面水池，由天面水池或高位水箱下部的输水管送至大厦各用户的供水方式。〔1〕水泵的自动运行由地下水池水位和高位水箱〔或天面水池〕水位控制。当高位水箱水位到达低水位时，生活水泵启动往高位水箱注水；当水箱中水位升至高位时，水泵自动关闭。当地下水池水位处于低水位时，为防止水泵的空转运行，无论高位水箱的水位如何，水泵都不能启动。〔2〕为保障供水可靠性，水泵有工作泵和备用泵，工作泵发生故障时，备用泵自动启动。〔3〕控制系统有水泵电动机运行指示，及自动和手动控制的切换装置、备用泵自投控制指示。2.3方案选择选择给水方式是高层建筑生活给水系统设计的关键，它直接关系到生活给水系统的使用和工程造价。对于高层建筑，城市给水管网的水压一般不能满足高区局部生活用水的要求，绝大多数采用分区给水方式，即低区局部直按由城市给水管网供水，高区局部由水泵加压供水。就目前我国城市给水状况而言，水压一般可满足建筑五～六层的生活用水要求，高区局部的供水应根据具体情况确定。《建筑给水排水设计标准》〔GBJ15－88〕第2.3.4条规定：“高层建筑生活给水系统的竖向分区，应根据使用要求、材料设备性能、维修管理、建筑物层数等条件，结合利用室外给水管网的水压合理确定。分区最低卫生器具配水点处的静水压，住宅、旅馆、医院宜为300～350KPa；办公楼宜为350～450KPa。”因此，根据《标准》规定的分区给水静水压，兼顾消防给水系统的给水方式，高层建筑生活给水系统高区局部应进行合理的竖向分区。高区局部可以采用的分区给水方式有：〔1〕高位水箱给水方式；〔2〕变频调速水泵给水方式〔3〕气压罐给水方式。对于本文的论题：智能大厦生活水泵的电气控制装置，对此要求，智能大厦是属于高区局部，从各方面选择，本文选择高位水箱给水方式，同时选择小功率生活水泵电动机，即选择上面的方案一：小功率生活水泵电动机电气控制。此方案是用PLC控制的电气系统。第3章方案设计的条件及要求3.1控制线路的组成该供水系统设置地下水池和高位水箱，地下水池设于大厦底层，高位水箱设于大厦顶层。水泵供水控制系统原理图如下列图所示，图〔a〕为水泵电动机主电路、电源为交流380/220V；图〔b〕为控制电路，由水位信号控制回路、1#～2#电动机控制回路组成，控制电压分别为交流220V、交流380V。〔b1〕生活水泵的电气控制的控制电路〔b2〕生活水泵的电气控制的控制电路1#控制局部〔b3〕生活水泵的电气控制的控制电路2#控制局部〔b〕生活水泵的电气控制的控制电路生活水泵的电气控制原理图〔a〕主电路〔b〕控制电路3.2小功率生活水泵的电气控制线路的工作原理分析3.2.1万能转换开关的作用和结构万能转换开关〔文字符号SA〕的作用：是用于不频繁接通与断开的电路，实现换接电源和负载，是一种多档式、控制多回路的主令电器。转换开关由转轴、凸轮、触点座、定位机构、螺杠和手柄等组成。当将手柄转动到不同的档位时，转轴带着凸轮随之转动，使一些触头接通，另一些触头断开。它具有寿命长，使用可靠、结构简单等优点，适用于交流50Hz、380V，直流220V及以下的电源引入，5KW以下小容量电动机的直接启动，电动机的正、反转控制及照明控制的电路中，但每小时的转换次数不宜超过15～20次。LW5系列万能转换开关3.2.2万能转换开关的符号表示万能转换开关符号表示上图显示了开关的档位、触头数目及接通状态，表中用“×”表示触点接通，否那么为断开，由接线表才可画出其图形符号。具体画法是：用虚线表示操作手柄的位置，用有无“.”表示触点的闭合和翻开状态，比方，在触点图形符号下方的虚线位置上画“．”，那么表示当操作手柄处于该位置时，该触点是处于闭合状态；假设在虚线位置上未画“.”时，那么表示该触点是处于翻开状态。SA是万能转换开关〔LW5系列〕，万能转换开关的操作手柄一般是多档位的，触点数量也较多。其触点的闭合或断开在电路中是采用展开图来表示，即操作手柄的位置用虚线表示，虚线上的黑圆点表示操作手柄转到此位置时，该对触点闭合；如无黑圆点，表示该对触点断开。转换开关触点闭合表如下表所示，用“×”表示触头闭合，无此标记表示触头断开。转换开关触点闭合表触点编号1号泵用2号泵备Z145°手动S0°2号泵用1号泵备Z245°1-2

×

3-4×5-6×7-8×9-10×11-12×13-14×15-16×3.2.3水位开关水位开关〔水位信号控制器〕也叫液位开关，又可称液位信号器。它是控制液体的位式开关，即是随液位变动而改变通断状态的有触点开关。按结构区分，液位开关有磁性开关〔称干式舌簧管〕、水银开关和电极式开关等几大类。〔1〕浮球磁性开关浮球磁性开关有不同系列。这里以FQS系列浮球磁性开关为例，说明其构造及原理。FQS系列浮球磁性开关主要由工程塑料浮球、外接导线、密封在浮球内的装置〔干式舌簧管、磁环和动锤等〕组成。由于磁环轴向已充磁，其安装位置偏离舌簧管中心，又因磁环厚度小于舌簧管一根簧片的长度，所以磁环产生的磁场几乎全部从单根簧片上通过，磁感线被短接，两簧片之间无吸力，干簧管接点处于断开状态。当动锤靠紧磁环时，可视为磁环厚度增加，此时两簧片被磁化，产生相反的极性而相互吸合，干簧管接点处于闭合状态。〔2〕晶体管液位继电器晶体管液位继电器是利用水的导电性能制成的电子式水位信号器。它由组件式八角板和不锈钢电极构成，八角板中有继电器和电子器件，不锈钢电极长短可调。JYB晶体管液位继电器电路图当水位低于低水位时，三个长短电极均不在水中，故晶体管V2基极呈高电位，V2截止；V2的集电极呈低电位，V1的基极呈低电位，V1导通；V1的集电极电流流过继电器KA1的线圈，使KA1触点动作。当水位处于上下水位之间时，虽然长电极已经浸在水中，但是短电极仍不在水中，其V2基极仍呈高电位，KA1继续通电。当水位高于高水位时，三个电极均浸在水中，由于水的导电性将水箱壁低电位引至电极上，使KA1的5～7短接，于是V2基极呈低电位，V2导通；V1截止，KA1的线圈失电，其触点复位。3.2.4电磁式继电器电磁式继电器按吸引线圈的电流种类可分为：交流电磁继电器和直流电磁继电器。按继电器反映的参数可分为：中间继电器、电流继电器、电压继电器〔1〕电磁式继电器的结构与工作原理电磁式继电器的结构及工作原理与接触器相似，电磁继电器是由缠绕于铁心的线圈的“电磁铁局部”，安装于铁片上的可动触点与固定触点组合而成的“触点局部”，共同结合构成的。当电流流过线圈，铁心变成电磁铁。可动铁片被吸引，受到向下的力的作用。可动触点也向下方移动，与固定触点接触构成闭合电路。当线圈中无电流流动，铁心不再变成电磁铁。可动铁片不再受到吸引，由于返回弹簧的作用，受到向上方的力的作用。可动触点也向上方移动，于是与固定触点脱离接触而使电路断开。〔2〕中间继电器〔文字符号KA〕

中间继电器是将一个输入信号变成一个或多个输出信号的继电器，它的输入信号为线圈的通电或断电，它的输出信号是触头的动作，不同动作状态的触头分别将信号传给几个元件或回路。中间继电器与接触器所不同的是中间继电器的触头对数较多，并且没有主、辅之分，各对触头允许通过的电流大小是相同的，其额定电流约为5A。〔3〕电磁式电压继电器电压继电器用于电力拖动系统的电压保护和控制。使用时电压继电器线圈并联接入主电路，感测主电路的电路电压；触头接于控制电路，为执行元件。电压继电器的线圈匝数多、导线细、阻抗大。电压继电器又分过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。1、过电压继电器过电压继电器线圈在额定电压值时，衔铁不产生吸合动作，只有当电压高于额定电压105％～115％以上时才产生吸合动作。2、欠电压继电器当电路中的电器设备在额定电压下正常工作时，欠电压继电器的衔铁处于吸合状态。如果电路出现电压降低时，并且低于欠电压继电器线圈的释放电压，其衔铁翻开，触点复位，从而控制接触器及时分开电气设备的电源。通常欠电压继电器的吸合电压值的整定范围是额定电压值的30％～50％，释放电压值整定范围是额定电压值的10％～35％。零电压继电器是当电路电压降低到〔5%～25%〕UN时释放，对电路实现零电压保护。用于电路的失压保护。〔4〕电磁式电流继电器电流继电器用于电力拖动系统的电流保护和控制。使用时电流继电器线圈串联接入主电路，用来感测主电路的电流；触头接于控制电路，为执行元件。电流继电器反映的是电流信号。根据通过继电器线圈自身电流的大小而动作实现对被控电路的通断控制。电流继电器的线圈的匝数少、导线粗、阻抗小。根据用途不同电流继电器又分为过电流继电器和欠电流继电器。1、欠电流继电器欠电流继电器用于电路起欠电流保护，吸引电流为线圈额定电流30%～65%，释放电流为额定电流10%～20%，因此，在电路正常工作时，衔铁是吸合的，只有当电流降低到某一定值时，继电器释放，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路。2、过电流继电器过电流继电器线圈在额定电流值时，衔铁不产生吸合动作，只有当负载电流超过一定值时才产生吸合动作。过电流继电器常用于电力拖动控制系统中起保护作用。通常，交流过电流继电器的吸合电流整定范围为额定电流的1.1倍～4倍，直流过电流继电器的吸合电流整定范围为额定值的0.7倍～3.5倍。3.2.5时间继电器KT〔1〕时间继电器的作用和符号

时间继电器是在电路中起着控制电路通、断动作时间长短的继电器。按动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式、电子式、可编程式和数字式；按延时方式可分为通电延时型与断电延时型两种。时间继电器的图形、文字符号如下列图所示：时间继电器的图形符号a〕线圈一般符号b〕通电延时线圈c〕断电延时线圈d〕延时闭合常开触头e〕延时断开常闭触头f〕延时断开常开触头g〕延时闭合常闭触头h〕瞬动常开触头i〕瞬动常闭触头〔2〕直流电磁式时间继电器在直流电磁式电压继电器的铁心上增加一个阻尼铜套，即可构成时间继电器，它是利用电磁阻尼原理产生延时的，由电磁感应定律可知，在继电器线圈通断电过程中铜套内将感应电势，并流过感应电流，此电流产生的磁通总是反对原磁通变化。当继电器通电时，由于衔铁处于释放位置，气隙大，磁阻大，磁通小，铜套阻尼作用相对也小，因此衔铁吸合时延时不显著(一般忽略不计)。而当继电器断电时，磁通变化量大，铜套阻尼作用也大，使衔铁延时释放而起到延时作用。因此，这种继电器仅用作断电延时。这种时间继电器延时较短，而且准确度较低，一般只用于要求不高的场合，如电动机的延时启动等。〔3〕电子式时间继电器电子式时间继电器在时间继电器中已成为主流产品，电子式时间继电器是采用晶体管或集成电路和电子元件等构成，目前已有采用单片机控制的时间继电器。电子式时间继电器具有延时范围广、精度高、体积小、耐冲击和耐振动、调节方便及寿命长等优点，所以开展很快，应用广泛。近年来随着微电子技术的开展，采用集成电路、功率电路和单片机等电子元件构成的新型时间继电器大量面市，如DHC6多制式单片机控制时间继电器、JSS17、JSS20、JSZ13等系列大规模集成电路数字时间继电器，JS14S等系列电子式数显时间继电器等。DHC6多制式单片机控制时间继电器是为适应工业自动化控制水平越来越高的要求而生产的。多种制式时间继电器可使用户根据需要选择最适宜的制式，使用简便方法到达以往需要较复杂接线才能到达的控制功能，这样既节省了中间控制环节，又大大提高了电气控制的可靠性。〔4〕时间继电器的选择原那么时间继电器型式多样，各具特点，选择时应从以下几方面考虑：1)根据控制电路对延时触头的要求选择延时方式，即通电延时型或断电延时型。2)根据延时范围和精度要求选择继电器类型。3)根据使用场合、工作环境选择时间继电器的类型。如电源电压波动大的场合可选空气阻尼式或电动式时间继电器，电源频率不稳定场合不宜选用电动式；环境温度变化大的场合不宜选用空气阻尼式和电子式时间继电器。第4章智能大厦生活水泵运行控制情况自动控制将转换开关SA转至“Z1”位，其触点5-6、9-10、15-16接通，其它触头断开，控制过程如下。〔1〕正常工作时的控制假设高位水箱为低水位，干簧式水位信号器接点SL1闭合，回路1–3–5–2接通，水位继电器KA1线圈得电并自锁，其动合触头闭合，1–7点接通，109-107点接通，209–207点接通，那么回路101–109–107–104–102接通，使接触器KM1线圈得电，KM1主触头闭合，使1号泵电动机M1启动运转。当高位水箱中的水位到达高水位时，水位信号器SL2动断触点断开，KA1线圈失电，其动合触头恢复断开，109-107点断开，KM1线圈失电，KM1主触头断开，使1号泵电动机M1脱离电源停止工作。〔2〕备用泵自动投入控制在故障状态下，即使高位水箱的低水位信号发出，水位继电器KA1线圈得电，其动合触头闭合，但如果KM1机械卡住触头不动作，或电动机M1运行中保护电器动作导致电动机停车，KM1的动断触头复位闭合，9–11点接通，所以回路1–7–9–11–13–2接通，警铃HA发出事故音响信号，同时时间继电器KT线圈得电，经预先整定的时间延时后，备用继电器KA2线圈通电，其动合触头211–207接通，故回路201–211–207–204–202接通，使KM2线圈通电，其主触头闭合，备用2号泵M2自动投入。由于线路对称性，当万能转换开关SA手柄转至“Z2”位时，M2为工作泵，M1为备用泵，其工作原理与SA位于“Z1”档类似。手动控制将转换开关SA转至“S”档，其触点1-2、3-4接通，其它触头断开，接通M1和M2泵手动控制电路，这时，水泵启停不受水位信号控制。当按下启动按钮SB1或SB3，使KM1或KM2得电吸合并自锁，可任意启动1号泵M1或2号泵M2。此档主要用于调试。信号显示合上开关S，绿色信号灯HL1亮，表示电源已接通，水位控制信号回路投入工作。电动机M1启动时，开泵红色信号灯HL3亮；M2启动时，开泵红色信号灯HL4亮；当备用泵投入时，黄色事故信号灯HL2亮。信号灯采用不同的颜色，可以直观地区别电气控制系统的不同状态。总结设计控制线路的要点4.4.1明确控制线路的分工，增强线路的可读性。由于水位信号器为小容量继电器，其触点不适合直接控制接触器，故需要通过中间继电器进行转换，到达扩展触点容量的目的。为了便于线路的维护、管理等，应将辅助线路分为信号控制回路和电动机控制回路等几局部，这样既使控制线路的分工更加明确，又增强了复杂线路的可读性。.2区别水泵电动机正常停车和故障状态下的保护停车。当工作泵不能正常运行时，要求备用水泵电动机能自动投入。工作泵与备用泵两者运行情况转换的关键是寻找一个适宜的转换信号，即能反映工作泵不能正常运行的信号。接触器的动断触点〔即9–11点或15–11点〕的闭合与否反映了电动机的工作情况。为了与正常停车相区别，要求备用泵自投信号仅在工作泵信号发出前方起作用。即只有高位水箱的低水位信号器发出起泵信号后，水位继电器KA1的线圈得电，其动合触点〔1-7点〕闭合后，警铃HA才能发出事故音响信号。另外，为了判别工作泵是否因故障不能起动，备用泵起泵信号应延时发出，即由时间继电器KT的延时闭合的常开触头〔7-17〕点控制。.3利用万能转换开关的不同档位进行手动和自动控制之间的转换。为了实现手动和自动控制的切换，利用万能转换开关的不同档位进行手动和自动控制之间的转换。自动控制时，由水位信号器发出信号起开工作泵或备用泵；手动控制时，直接由控制柜上的按钮开关送出控制信号。.4水泵电动机的起动方案由电网功率及电动机功率决定第5章结束语意见及建