單片機控制的恒壓供水裝置設計_圖文

1、基于單片機控制的恒壓供水裝置設計方勇 安慶師范學院 安徽 安慶 080506003指導老師：吳文進摘要： 針對供水系統(tǒng)水泵多、水泵工作方式多, 要求供水壓力穩(wěn)定等特點, 設計了一種新型恒壓變頻供水自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以AT89C51 單片機和變頻器為核心, 采用改進的PID 算法，通過單片機在LCD1602上顯示變頻器的頻率、日期和水的壓力等。本文分析了系統(tǒng)的工作原理和工作過程, 給出了硬件框圖及控制算法實現(xiàn)流程圖, 著重說明了PID 算法在單片機上的實現(xiàn)方法, 同時闡述了系統(tǒng)的工作特點, 實踐證明這是一種經(jīng)濟實用的先進控制技術(shù)。關(guān)鍵詞：單片機; 變頻器; PID 算法; 供水控制系統(tǒng)；LC

2、D 屏1. 引言高樓供水是給水排水工程的重要組成部分, 與人民生活、生產(chǎn)活動、消防安全保障密切相關(guān)。隨著人們生活水平的提高、高層建筑的快速發(fā)展, 高樓供水系統(tǒng)的應用越來越多。供水系統(tǒng)的供水水壓會隨著管路的加長而逐漸減弱, 生活區(qū)用水, 一天內(nèi)不同時段的用水量具有明顯的差異, 晝夜負荷變化大, 供水量不固定, 不能滿足用戶及消防安全保障的需要; 要解決高層建筑的供水和生活區(qū)供水問題, 就要解決壓力不斷減弱和不穩(wěn)定問題。目前通常采用的方法是在供水管網(wǎng)的用戶端進行二次加壓。二次加壓有組合泵供水、氣壓供水、調(diào)節(jié)閥門供水、高位水塔供水等多種方式。在這些供水方式中, 常因供水拖動電機一直高速運行而造成了較

3、大的能量損耗。為了解決高樓供水水壓不穩(wěn)及節(jié)能等問題, 我們設計了基于AT89C51單片機的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)是根據(jù)用戶用水量的變化, 經(jīng)單片機運算并與給定參數(shù)進行比較, 隨時調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速和水泵開啟臺數(shù), 從而調(diào)節(jié)供水量, 實現(xiàn)恒壓變流量供水。且該系統(tǒng)具有電動機缺相或過載保護功能, 當電動機發(fā)生缺相或過載現(xiàn)象時, 系統(tǒng)及時啟動保護裝置, 避免電動機燒毀等故障發(fā)生。2. 控制系統(tǒng)原理及硬件電路部分2.1 恒壓供水系統(tǒng)的控制原理根據(jù)恒壓供水系統(tǒng)的工作要求，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。這個系統(tǒng)采用3 臺水泵并聯(lián)運行方式，壓力傳感器將主水管網(wǎng)水壓變換為電信號，經(jīng)模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，變

4、為數(shù)字信號輸入到控制器(AT89C51 ，控制器根據(jù)給定的壓力設定值與實際檢測值進行PID 運算，輸出控制信號經(jīng)模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機的供電電壓和頻率。當用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當用水量大時，但水泵全速運行仍不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時，控制器自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，同時將下一臺備用泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若2 臺泵運轉(zhuǎn)仍不能滿足壓力的要求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，再將一臺備用泵投入變頻運行。當用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)，控制器首先將最先工

5、頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述2 個信號仍存在時，控制器再停掉第2 臺工頻運行的電機，直到最后一臺泵用變頻器恒壓供水。所有水泵電機從停止到啟動及從啟動到停止都由變頻器來控制，實現(xiàn)帶載軟啟動，避免了啟動大電流給水泵電機帶來沖擊，相對延長了電機的使用壽命。同時，系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關(guān)”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死，這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運行時間，有效地防止因為備用泵長期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設備的綜合利用率，降低了維護費用。 2.2 變頻調(diào)速的特點及分析用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不

6、平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重時使產(chǎn)品報廢和設備損壞。又如發(fā)生火災時，若供水壓力不足或或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供

7、水設備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達到高效率的運行目的。2.2.1 恒壓供水的變頻應用方式通常在同一路供水系統(tǒng)中，設置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻調(diào)速進行恒壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據(jù)壓力反饋信號，通過PID 運算自動調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動機轉(zhuǎn)速，最

8、終達到管網(wǎng)恒壓的目的，就一個閉環(huán)回路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復雜，是未來的發(fā)展方向。2.2.2 PID控制原理根據(jù)反饋原理：要想維持一個物理量不變或基本不變，就應該引這個物理量與恒值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。但被控制的系統(tǒng)特點是非線性、大慣性的系統(tǒng)，現(xiàn)在控制和PID 相結(jié)合的方法，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快響應速度；在壓力范圍較小時采用PID 來保持靜態(tài)精度。這通過AT89C51加智能儀表可時現(xiàn)該算法，同時對AT89C51的編程來時現(xiàn)泵的工頻與變頻之間的切換。實踐證明，使

9、用這種方法是可行的，而且造價也不高。要想維持供水網(wǎng)的壓力不變，根據(jù)反饋定理在管網(wǎng)系統(tǒng)的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大，管網(wǎng)的充壓都較慢，故系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)，不易直接采用PID 調(diào)節(jié)器進行控制，而采用PLC 參與控制的方式來實現(xiàn)對控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。2.2.3變頻控制原理用變頻調(diào)速來實現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門來實現(xiàn)恒壓供水相比，節(jié)能效果十分顯著（可根據(jù)具體情況計算出來）。其優(yōu)點是：1、 起動平衡，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；2、 由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命；3、 可以消除起動和停機時的水錘效應；一般地說

10、，當由一臺變頻器控制一臺電動機時，只需使變頻器的配用電動機容量與實際電動機容量相符即可。當一臺變頻器同時控制兩臺電動機時，原則上變頻器的配用電動機容量應等于兩臺電動機的容量之和。但如在高峰負載時的用水量比兩臺水泵全速供水量相差很多時，可考慮適當減小變頻器的容量，但應注意留有足夠的容量。雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小。但是，當用戶的用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升、降速狀態(tài)，而升、降速的電流可略超過電動機的額定電流，導致電動機過熱。因此，電動機的熱保護是必需的。對于這種由于頻繁地升、降速而積累起來的溫升，變頻器內(nèi)的電子熱保護功能是難以起到保護作用的，所以應采用熱繼電器來進行電動

11、機的熱保護。在主要功能預置方面，最高頻率應以電動機的額定頻率為變頻器的最高工作頻率。升、降速時間在采用PID 調(diào)節(jié)器的情況下，升、降速時間應盡量設定得短一些，以免影響由PID 調(diào)節(jié)器決定的動態(tài)響應過程。如變頻器本身具有PID 調(diào)節(jié)功能時，只要在預置時設定PID 功能有效，則所設定的升速和降速時間將自動失效。2.2.4 恒壓供水系統(tǒng)特點1、 節(jié)電：優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實現(xiàn)最大限度地節(jié)能運行；2、 節(jié)水：根據(jù)實際用水情況設定管網(wǎng)壓力，自動控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象；3、 運行可靠：由變頻器實現(xiàn)泵的軟起動，使水泵實現(xiàn)由工頻到變頻的無沖擊切換，防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂。

12、4、 聯(lián)網(wǎng)功能：采用全中文工控組態(tài)軟件，實時監(jiān)控各個站點，如電機的電壓、電流、工作頻率、管網(wǎng)壓力及流量等。并且能夠累積每個站點的用電量，累積每臺泵的出水量，同時提供各種形式的打印報表，以便分析統(tǒng)計。5、 控制靈活：分段供水，定時供水，手動選擇工作方式。6、 自我保護功能完善：如某臺泵出現(xiàn)故障，主動向上位機發(fā)出報警信息，同時啟動備用泵，以維持供水平衡。萬一自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，用戶可以直接操作手動系統(tǒng)，以保護供水。2.2.5 系統(tǒng)應用范圍1、 自來水廠、加壓泵房2、 居民生活區(qū)、賓館及其它建筑3、 企業(yè)生產(chǎn)用水4、 鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)5、 農(nóng)田灌溉系統(tǒng)2.3變頻器和電機的選型2.3.1 電動機的選用和介

13、紹本系統(tǒng)選用浙江永發(fā)機電有限公司生產(chǎn)的Y2系列電動機。Y2系列電動機是全封閉、自扇冷式籠型三相異步電動機，是取代Y 系列（IP44）電動機的更新?lián)Q代產(chǎn)品，產(chǎn)品達到90年代國際先進水平。Y2系列電動機較Y 系列電動機的效率高、起動轉(zhuǎn)矩大、提高了防護等級（IP54）、提高了絕緣等級（F 級、按B 級考核）、降低了噪聲（用負載噪聲考核），電動機外型新穎美觀，結(jié)構(gòu)更加合理。其功率等級及安裝尺寸與Y 系列電動機相同，完全符合IEC 標準。Y2系列電動機是一般用途的電動機，適用于驅(qū)動無特殊要求的各種機械設備如機床、水泵、風機、壓縮機、運輸機、攪拌機、農(nóng)業(yè)機械、礦山機械等。Y2系列電動機額定電壓為380V

14、、額定頻率為50Hz 、防護等級為IP54、冷卻方式為IC0141，3kW 以下為Y 接，4kW 以上為接，環(huán)境溫度不超過40。最低溫度為-15，海拔不超過1000m ，工作方式為連續(xù)（S1）。本系統(tǒng)中選用的電動機的機座號為132S2，同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率為7.5kW ，額定電流15 A 。2.3.2 VVVF （Variable Voltage & Variable Frequency）變頻器1 VVVF變頻器的工作原理VVVF 變頻器是系統(tǒng)的執(zhí)行部件，也是系統(tǒng)的核心之一，原理圖如下：由二極管不可控整流電路將來自電網(wǎng)的三相交流電整流成直流，經(jīng)電容濾波后送給由六只晶體

15、管GTR 構(gòu)成的逆變橋，六只晶體管GTR 根據(jù)其基極的驅(qū)動信號的變化來改變輸出逆變電壓和頻率的大小，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。 2.2 變頻器原理圖2 變頻器的選用和介紹在本系統(tǒng)中選用成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的型號為J9Zn-5.5的J9Zn 系列節(jié)能型變頻器，該變頻器適用于風機和泵類平方減轉(zhuǎn)矩負載，對恒壓力、恒流量、恒液位、恒溫等系統(tǒng)可進行有效地節(jié)能控制。廣泛應用于給排水行業(yè)。具有較好的性價比。其技術(shù)參數(shù)如表2.1所示：表2.1 J9Zn-5.5的技術(shù)參數(shù) 2.3.3壓力傳感器傳感器是指對被測對象的某一確定信息具有感受（或響應）與檢出功能，并是指按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成與之對應的有用輸出信號的原件或

16、裝置。傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，完成將非電量轉(zhuǎn)化為電量功能。壓力傳感器作為檢測壓力元件, 安裝在管網(wǎng)中，用來檢測管網(wǎng)壓力的高低。本系統(tǒng)選用量程為00.8MPa ，輸出420mA 標準電流信號的CYYB-120系列壓力變送器。CYYB-120系列壓力變送器為兩線制420mA 電流信號輸出產(chǎn)品。它采用CYYB-105系列壓力傳感器的壓力敏感元件。經(jīng)后續(xù)電路給電橋供電，并對輸出信號進行放大、溫度補償及非線性修正、V/I變換等處理，對供電電壓要求寬松，具有420mA 標準信號輸出。一對導線同時用于電源供電及信號傳輸，輸出信號與環(huán)路導線電阻無關(guān)，抗干擾性強、便于電纜鋪設及遠距離傳輸，與數(shù)

17、字顯示儀表、A/D轉(zhuǎn)換器及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接方便。CYYB-120系列壓力變送器沿用了CYYB-105系列產(chǎn)品的量程、外形尺寸、結(jié)構(gòu)、壓力接嘴及電纜接插件，便于用戶選型安裝。CYYB-120系列壓力變送器新增加了全密封結(jié)構(gòu)帶現(xiàn)場數(shù)字顯示的隔爆型產(chǎn)品。可廣泛應用于航空航天、科學試驗、石油化工、制冷設備、污水處理、工程機械等液壓系統(tǒng)產(chǎn)品及所有壓力測控領(lǐng)域。 主要特點：高穩(wěn)定性、高精度、寬的工作溫度范圍 標準信號輸出、良好的互換性、抗干擾性強 數(shù)字顯示壓力變送器外形尺寸 抗沖擊、耐震動、體積小、防水 基本性能指標如下表：表2.2 CYYB-120系列壓力變送器的基本性能指標 2.4硬件電路圖 2

18、.4.1 A/D轉(zhuǎn)換電路 2.4.2 鍵盤接口電路 2.4.3 液晶顯示模塊 2.4.4 變頻器控制電路 3 控制系統(tǒng)軟件部分控制系統(tǒng)的軟件程序主要包括：主程序、初始化程序（包括顯示裝置自檢、各種標志的置位、復位）、數(shù)據(jù)處理程序（包括加、減、乘除、數(shù)字濾波等）、數(shù)字控制器算法運算程序及控制程序（包括電機的啟動、停止；有關(guān)開關(guān)量的打開、閉合等）、中斷服務子程序、鍵盤掃描程序和顯示子程序等，各部分程序都已模塊化，具有較強的軟件抗干擾能力。如下。 4 結(jié)束語 基于 A T 89C51 單片機變頻恒壓供水控制系統(tǒng)已經(jīng)在樓宇給水、鍋爐給水等控制中獲 得了成功的應用.從實際運行的效果來看, 水泵電動機起動

19、平穩(wěn), 系統(tǒng)動態(tài)性能良好, 系統(tǒng) 響應的穩(wěn)定時間在 30s 內(nèi), 穩(wěn)態(tài)性能能夠穩(wěn)定在±0.02M Pa 之間, 抗干擾能力強, 滿足了 實際控制的需要。在工業(yè)控制中使用單片機控制時,硬件系統(tǒng)設計應力求結(jié)構(gòu)簡單, 功能全 面可靠, 充分考慮抗干擾性能。當使用 PID 控制時, 如果控制效果不理想時, 應考慮使用 改良智能 PID 算法, 當控制中積分作用不理想時, 模糊智能積分控制算法是一種較好的控 制算法。 參考文獻： 參考文獻： 1 張春光. 單片機控制的無塔供水系統(tǒng)J. 連云港化工高等?？茖W校學報，2001， 14(338- 40. 2 尹明， 時代偉. 恒壓供水模糊控制器的研制

20、J. 齊齊哈爾大學學報， 2003， 19(1： 53- 55. 3 劉美俊. 基于 AT89C51 單片機的變頻恒壓供水系統(tǒng)J. 輕工機械， 2004，(2：102- 104. 4 朱安超， 白雪冰. 微機控制變頻給水系統(tǒng)J. 信息技術(shù)， 2002， (6： 2627. 5 SachedevM S, Phadke A G. M icroprocesso r Relays and Protection Tuto rial Course, IEEE P ress, 1988, 60- 70. System s M . IEEE 6 ATMEL MICROCONTROLLER OCTOBER 1995 The Constant Pressure Water Supply System Based on MCU Fang yong (School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal College, Anqing 080506003 Abstract：Water supply system for multi-pumps, water pumps work, and require stable water pr