采用交流調(diào)壓調(diào)速的方法實(shí)現(xiàn)高樓供水

1、采用交流調(diào)壓調(diào)速的方法實(shí)現(xiàn)高樓供水             采用交流調(diào)壓調(diào)速的方法實(shí)現(xiàn)高樓供水哈爾濱理工大學(xué)邱瑞生   楊  濱雙鴨山礦業(yè)集團(tuán)         于洪君    摘  要：本文采用了交流調(diào)壓調(diào)速模塊和壓力傳感器，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)高樓全自動(dòng)恒壓供水。文中對(duì)系統(tǒng)的要求和結(jié)構(gòu)，恒壓供水原理和特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，

2、并對(duì)主電路和控制電路以及算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)介紹了具體的抗干擾措施。    關(guān)鍵詞：調(diào)壓調(diào)速   單片機(jī)   恒壓供水   閉環(huán)系統(tǒng)1  概述    建筑給水排水是給水排水工程三大支柱之一，它是與人民生活、生產(chǎn)活動(dòng)、衛(wèi)生安全保障有著密切相關(guān)的一門學(xué)科。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，城市人口的增加，用水量也隨著增加，促使著高樓供水技術(shù)的發(fā)展。由于供水方式的不同，有的技術(shù)指標(biāo)雖然很高，但是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)很高。本文提出的全自動(dòng)調(diào)壓調(diào)速供水系統(tǒng)是采用了調(diào)壓調(diào)速控制器，單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，該

3、裝置實(shí)現(xiàn)了直接向管網(wǎng)供水，適應(yīng)供水管網(wǎng)水量的變化，通過壓力給定和壓力傳感器檢測(cè)的壓力之差，構(gòu)成控制量在單片機(jī)的運(yùn)算，判斷自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)和水泵轉(zhuǎn)速，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)恒壓供水。該裝置比變頻供水要節(jié)省很多投資，同時(shí)很少出現(xiàn)故障，這對(duì)供水的質(zhì)量是有保障的。2  高樓建筑恒壓給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案2.1  系統(tǒng)的主要要求    (1)供水系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在保證最高樓層供水條件下，使水壓維持恒壓給定值。    (2)系統(tǒng)控制應(yīng)有實(shí)測(cè)壓力顯示和各種工況指示；    (3)系統(tǒng)能隨時(shí)中斷處理一些緊急事件，

4、如管道漏水等；    (4)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)供水和連續(xù)供水；    (5)系統(tǒng)具有超壓，電機(jī)斷相和短路等保護(hù)和報(bào)警功能；    (6)系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)切換開關(guān)；    (7)按使用情況，系統(tǒng)至少應(yīng)滿足最高樓層最大供水的要求。2.2  系統(tǒng)供水的主體框圖<!endif>2.3  系統(tǒng)的自動(dòng)控制原理    調(diào)壓調(diào)速供水設(shè)備采用單片機(jī)控制調(diào)壓調(diào)速裝置，具有控制水泵恒壓和變壓的功能。該自動(dòng)控制系統(tǒng)通過安裝在水泵出口管上的遠(yuǎn)

5、傳壓力變送傳感器，把出口壓力變成(05)V的模擬信號(hào)，經(jīng)過前置放大，多路切換，A/D變換成數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得出一調(diào)節(jié)參量，經(jīng)由D/A變換給調(diào)壓調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。用水需水量與輸出電壓有關(guān)：用水多時(shí)，輸出電壓提高，水泵電機(jī)加速；反之，輸出電壓降低，水泵電機(jī)處于低速狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能，恒壓之目的。當(dāng)系統(tǒng)所需流量降至所配小型氣壓罐及小水泵最大供水能力時(shí)，主泵暫行，系統(tǒng)由氣壓設(shè)備供水，這樣既可確保供水管網(wǎng)壓力恒定，又可節(jié)省電能。3  設(shè)計(jì)原理    在電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)中我們已經(jīng)知道

6、，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)為恒定時(shí)，在一定的轉(zhuǎn)差率下，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M與加在其定子繞組上電壓U的平方成正比，即：    MUz    因此，改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓就可以改變其機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變轉(zhuǎn)速，如圖2所示。    在電力電子技術(shù)的發(fā)展下，交流調(diào)壓調(diào)速發(fā)展到現(xiàn)在的晶閘管交流調(diào)壓調(diào)速，即在恒定交流電源與負(fù)載電路之間接入晶閘管作為一種交流電壓控制器。本設(shè)計(jì)用的就是SVK系列的晶閘管三相交流調(diào)壓調(diào)速控制器。其工作原理是按相位控制的方式，根據(jù)電壓有效值的改變而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的調(diào)壓。 &#

7、160;  在本設(shè)計(jì)中，我們是用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵提水，那么水泵就是負(fù)載，水泵的機(jī)械特性即負(fù)載機(jī)械特性是MC2n，為了明白理解使用調(diào)壓調(diào)速的合理性，我們把電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載機(jī)械特性畫在同一坐標(biāo)圖上(圖3)。     由圖3所示，我們可知道異步機(jī)的機(jī)械特性可視為兩部分組成：當(dāng)MMe時(shí)，為直線部分，電機(jī)不論帶動(dòng)何種負(fù)載均能運(yùn)行；當(dāng)SSm時(shí)，為曲線部分，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或恒功率負(fù)載而言，此為非工作部分，對(duì)于通風(fēng)機(jī)負(fù)載卻能穩(wěn)定運(yùn)行。我們以C點(diǎn)分析為例，C點(diǎn)為兩特性曲線的交點(diǎn)，顯然在C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上有MMz，而在這一轉(zhuǎn)速之下則MMz，特性這樣的配合，保

8、證系統(tǒng)有恢復(fù)原轉(zhuǎn)速的能力，即系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)。4  算法的選擇和實(shí)現(xiàn)4.1  控制算法的選擇和實(shí)現(xiàn)    簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的一般形式如圖4所示     在本設(shè)計(jì)中，我們用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的處理。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)控制算法，達(dá)到控制的作用。然而，在不同的控制對(duì)象，不同的干擾下，要選擇適應(yīng)的控制算法，才能達(dá)到理想的控制效果。    PID控制算法就是對(duì)偏差的比例，積分和微分。它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最廣泛的一種算法。特別是在工業(yè)中，由于控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)

9、又經(jīng)常發(fā)生變化，人們常采用PID控制算法。    智能自適應(yīng)控制算法具有實(shí)時(shí)辨識(shí)對(duì)象參數(shù)并及時(shí)修正控制器參數(shù)的能力。它適用于被控制對(duì)象的模型不太清楚或模型參數(shù)是一個(gè)慢時(shí)變且有隨機(jī)擾動(dòng)影響的工業(yè)過程控制中。相對(duì)于常規(guī)的PID算法，造價(jià)高是它的缺點(diǎn)。    比較這兩種控制算法，并結(jié)合被控制對(duì)象的類型，是一階滯后慣性環(huán)節(jié)，所以我們選擇PID控制算法。4.2  數(shù)字PID的設(shè)計(jì)    (1)數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)的一般組成形式如圖5所示。  各種符號(hào)定義如下：R(t)系統(tǒng)的模擬輸入量R*(t)

10、系統(tǒng)輸入量的采樣函數(shù)R(z)系統(tǒng)輸入量的脈沖傳感函數(shù)C(t)系統(tǒng)的模擬輸出量C*(t)系統(tǒng)輸出量的采樣函數(shù)C(z)系統(tǒng)輸出量脈沖傳遞函數(shù)E(t)偏差模擬量E*(t)偏差采樣函數(shù)E(z)偏差脈沖傳遞函數(shù)D(z)8098的脈沖傳遞函數(shù)U*(t)8098的輸出量的采樣函數(shù)U(z)8098的脈沖傳遞函數(shù)Ho(s)零階保持器的傳遞函數(shù)Un(t)零階保持器的模擬輸出量Go(s)被控對(duì)象的傳感函數(shù)G(s)廣義被控對(duì)象傳感函數(shù)G(z)廣義被控對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)e(z)系統(tǒng)的便差的脈沖傳遞函數(shù)(z)系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)T采樣開關(guān)(采樣周期)    (2)系統(tǒng)數(shù)字模型的建立 

11、;   供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。     本設(shè)計(jì)的供水過程，供水管網(wǎng)從壓力等于零的初始狀態(tài)，開始啟動(dòng)水泵運(yùn)行，到壓力達(dá)到給定值為止，要經(jīng)歷兩個(gè)過程，首先，水泵要將水從水箱送到管網(wǎng)，這個(gè)過程壓力基本保持零，因此它是一個(gè)純滯后過程。第二階段，水泵將水充滿整個(gè)管路，壓力也隨著增加，直到壓力達(dá)到設(shè)定值為止，這兩個(gè)過程綜合起來，可以認(rèn)為供水系統(tǒng)水壓建立過程的數(shù)學(xué)模型為一個(gè)純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即    K供水系統(tǒng)的放大倍數(shù)  1供水系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)  2供水系統(tǒng)的純滯后時(shí)間 &#

12、160;  T采樣周期    N大于零的整數(shù)    系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)如調(diào)壓速裝置，電動(dòng)機(jī)，水泵等環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)與系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)相比，可以忽略不計(jì)，認(rèn)為都是比例環(huán)節(jié)。PID控制器由單片機(jī)采用達(dá)林算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的數(shù)字結(jié)構(gòu)如圖7所示。    (3)達(dá)林算法從略5  抗干擾措施    為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，需對(duì)系統(tǒng)的電源與供電系統(tǒng)，接口與過程通道，控制對(duì)象與終端采取了抗干擾措施。5.1  電源與供電系統(tǒng)的抗干擾措施  

13、0; 采用能抑制交流電源干擾的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源如圖8所示    圖中，電抗器用來抑制電源線上引入的高頻干擾，讓50HZ的基波通過。變阻二級(jí)管用來抑制進(jìn)入交流電源上的瞬時(shí)干擾(或者大幅值的尖端脈沖干擾)；隔斷變壓器的初次級(jí)之間加有靜電屏蔽層，從而進(jìn)一步減小進(jìn)入電源的各種干擾。該交流電壓再通過整流濾波和直流電子穩(wěn)壓后使干擾被抑制到最小。    穩(wěn)壓電源變壓器采用靜電蔽屏措施，與微型機(jī)方面有關(guān)的變壓器應(yīng)向電動(dòng)機(jī)、繼電器等供電的變壓器分開。5.2  接口與過程通道的抗干擾措施    接口與過程通道是單片機(jī)

14、與外部設(shè)備、被控對(duì)象進(jìn)行信息交換的渠道，對(duì)于接口和過程通道侵入的噪聲主要是因?yàn)楣驳鼐€引起，其次，在信號(hào)微弱和傳輸線路較長時(shí)還會(huì)受到靜電噪聲和電磁噪聲的干擾。    雙絞線抗共模噪聲能力強(qiáng)，可作為接口用連接線，為集成電路與驅(qū)動(dòng)器之間的連線。光電隔離電路的使用，當(dāng)組件之間接地電位有差值時(shí)，或在噪聲電平高的地方，光電偶合器作為數(shù)字量，開關(guān)量的隔離電路用于開關(guān)接口，能收到很好的效果。    此外，對(duì)于接口和過程通道尚應(yīng)采取下述幾種措施：    (1)輸入端子不能開路，必須經(jīng)過負(fù)載電阻接到電源線上。    (2)盡量縮短信號(hào)線的長度。    (3)在信號(hào)線與電源線間因公共而形成的共同阻抗。    (4)為防止電磁感應(yīng)，信號(hào)線應(yīng)用屏蔽線。6  結(jié)束語    本文介紹的是一種單片機(jī)控制的調(diào)壓調(diào)速高樓供水系統(tǒng)，是比較容易構(gòu)成的，比變頻調(diào)速方案投資少，符合當(dāng)代控制要求，滿足生活供水要求。參考文獻(xiàn)1劉復(fù)華.8098單片機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.清華大學(xué)出版社，