變頻調(diào)速水泵供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、過程裝備控制技術(shù)大作業(yè)變頻調(diào)速水泵供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作者姓名學(xué)生學(xué)號(hào)學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)教師2016年6月12_日一、設(shè)計(jì)依據(jù)1.1 設(shè)計(jì)背景隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，城市化普也越來(lái)越普及。加之土地資源的有限性，小區(qū)居民樓樓房也越來(lái)越高。由于居民生活用水時(shí)間的集中，因此高層住戶用水就成了關(guān)鍵性的問題。而在現(xiàn)實(shí)生活中，傳統(tǒng)供水方式普遍存在著效率低、穩(wěn)定性差、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，于是在用水高峰期時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)供水水壓不夠高的情況，以至于高層用戶處于斷水狀態(tài)，直接影響住戶的正常生活和工作，同時(shí)也體現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不完善性。因此，解決城市高層居民的供水系統(tǒng)穩(wěn)定性、節(jié)能性、高效性是我們必須研究和

2、處理的問題。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)與流量的檢測(cè)和控制技術(shù)也密切聯(lián)系，人們?cè)絹?lái)越多的采用單片機(jī)對(duì)工業(yè)系統(tǒng)中的流量進(jìn)行測(cè)量和控制。而單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，以使得她在檢測(cè)控制方面得到了很大的運(yùn)用。水泵的運(yùn)行直接影響到居民的生活，所以完善供水系統(tǒng)體系，實(shí)現(xiàn)智能控制是很有必要的。本文結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，采用變頻調(diào)速供水方式，安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值作比較，A/D轉(zhuǎn)后成數(shù)字型號(hào)后送入單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算以及PID調(diào)節(jié)，再有單片機(jī)輸出，通過D/A輸出模擬信號(hào)，再傳遞給執(zhí)行器和被控變量，使系統(tǒng)水壓無(wú)論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)

3、，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的調(diào)節(jié)方式。二、設(shè)計(jì)方案及控制原理察定壓力水泵系統(tǒng)的控制原理圖2.1 變頻調(diào)速恒壓供水的原理變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備是一種在保持供水壓力不變（理想狀態(tài)）的情況下,按需供水的新型自動(dòng)供水設(shè)備。電源的頻率與水泵的轉(zhuǎn)速成正比，水泵的轉(zhuǎn)速與供水量成正比，變頻調(diào)速控制柜通過改變水泵電源的頻率，控制水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整水泵的供水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶按需供水的目的。變頻調(diào)速控制柜通過壓力傳感器采集用戶管網(wǎng)的供水壓力，進(jìn)彳TPID運(yùn)算，使用戶管網(wǎng)的供水壓力始終穩(wěn)定在設(shè)定壓力的一定范圍內(nèi)。2.2 系統(tǒng)供水的主要操作特性 設(shè)備投入運(yùn)行前，首先應(yīng)設(shè)定設(shè)備的工作壓力等相關(guān)運(yùn)行參數(shù)； 設(shè)備運(yùn)行時(shí)，由壓力傳感器連續(xù)采集供

4、水管網(wǎng)中的水壓及水壓變化率信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送至變頻控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將反饋回來(lái)的信號(hào)與設(shè)定壓力進(jìn)行比較和運(yùn)算； 如果實(shí)際壓力比設(shè)定壓力低，則發(fā)出指令控制水泵加速運(yùn)行，如果實(shí)際壓力比設(shè)定壓力高，則控制水泵減速運(yùn)行，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，水泵就維持在該運(yùn)行頻率上； 如果變頻水泵達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速（頻率），經(jīng)過一定時(shí)間的判斷后，如果管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定壓力，則控制系統(tǒng)會(huì)將該水泵切換至工頻運(yùn)行，并變頻啟動(dòng)下一臺(tái)水泵，直至管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力；反之，如果系統(tǒng)用水量減少，則系統(tǒng)指令水泵減速運(yùn)行，當(dāng)降低到水泵的有效轉(zhuǎn)速后，則正在運(yùn)行的水泵中最先啟動(dòng)的水泵停止運(yùn)行，即減少水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，直至管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定

5、壓力范圍內(nèi)。三、方案選擇的原因傳統(tǒng)水泵供水方式例如恒速泵直接供水系統(tǒng)，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，或從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定，并且耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。而人工控制的水泵機(jī)組供水方式雖然控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是需要專門派人看著壓力傳感器輸送過來(lái)的數(shù)據(jù)在選擇泵的工作，控制方式落后，耗時(shí)耗力，效率低。而單片機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在已相當(dāng)成熟，設(shè)備簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，并且系統(tǒng)由于無(wú)需設(shè)置高位水箱或壓力水罐，所以占地更少，可有效地增加建筑使用面積，提高了資源的充分利用性，所以選用該設(shè)計(jì)方案。四、控制系統(tǒng)硬件型號(hào)的選取4.1 情景設(shè)定2015年杭州市

6、水資源公報(bào)發(fā)布，杭州城鎮(zhèn)居民人均年生活用水量61.2立方米，假定一家四口人，則每戶居民自來(lái)水用水量為0.6707m3,一棟樓房高100m共30層，每層12戶，則整棟樓日均用水量241.5m3。水泵出口控制的壓力范圍為1.60MPa-1.8MPa.4.2 單片機(jī)的選用在該供水控制系統(tǒng)中將用AT89S51來(lái)完成控制功能。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8單片機(jī)，40個(gè)引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM,32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗(WD

7、T電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元。止匕外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM時(shí)計(jì)數(shù)器，用行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM勺數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQF濟(jì)口PLC*三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。fl.0匚Fl.I匚FL.2CF1.3CP1.4EMDSI/P1,5CMIS0/P1ECSCK/P1

8、,7匚MD/P30匚TXD/Fa.1cIHT0,r3.2匚IBTl/FS.3CTUFFS,4cT1/P3,5CWP5,6EED/PS.7CmizcmuFDipGiro匚0987654321098765432143333333333222222222口ccFQ.Q/ADOFO.WADIFO.2MD2HPO.3?1D3PO4/AD4PO5/AD5JPO.G/AD&口PO.77AD7pea/vff_aALE；PROGPEEK6P2r7/A15F2.6/A14BP2.5/A13P2.4/Al2P23/A11P22/A10P2.1?AS口P2.O/AfiAT89S51弓唧圖4.3 A/D和D/A的選用4

9、.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器小區(qū)住宅樓高為80m控制的壓強(qiáng)范圍為1.60MPa-1.8MPq若選擇8位的轉(zhuǎn)換器，則分辨率為：0.2x106/28=781.25,相對(duì)于供水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，選用ADC0809轉(zhuǎn)換器可以滿足相應(yīng)要求。ADC080918位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位，具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100NS,單個(gè)+5V電源供電。模擬輸入電壓范圍0+5V,不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。工作溫度范圍為-40

10、+85攝氏度，低功耗，約15mWADC0809E片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示下面說(shuō)明各引腳功能：IN0IN7:8路模擬量輸入端。2-12-8:8位數(shù)字量輸出端。ADDAADDBADDC3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE地址鎖存允許信號(hào)，輸入端，產(chǎn)生一個(gè)正脈沖以鎖存地址。STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖(至少100ns寬)使其啟動(dòng)(脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換)。EOCA/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出端，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。OE數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入端，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸

11、入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHzREF(+)、REF(-):基準(zhǔn)電壓Vcc：電源，單一+5V。GND地。I)1Al11A4ALElUKihDBil叫UH1祖IN1-Lx-0-Jr1N-3加Urx.U1二一liLjAs21A311)HSTAR62xinx-)UaleUlj.入門bR口92ILOE-g11(AK-10J!-口1IL18Th1217IfGNir13-f1D-11ISJJH,ADC080唧示意圖4.3.2 D/A轉(zhuǎn)換器與ADC08091對(duì)應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器選為DAC0832DAC083218分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。電流

12、穩(wěn)定時(shí)間1us；可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；只需在滿量程下調(diào)整其線性度；單一電源供電(+5V+15V)；低功耗，20mW這個(gè)DA芯片價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易。DAC083囿腳功能說(shuō)明：DI0DI7:數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平。ILE:數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效。CS片選信號(hào)輸入線，低電平有效WR1為輸入寄存器的寫選通信號(hào)。XFER數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效。WR2為DACJ存器寫選通輸入線。Iout1:電流輸出線。當(dāng)輸入全為1時(shí)loutl最大。Iout2:電流輸出線。其值與loutl之和為一常數(shù),Rfb:反饋信號(hào)輸入線，芯片內(nèi)部有反饋電阻.Vcc:電源輸入線(+5v

13、+15v)Vref:基準(zhǔn)電壓輸入線(-10v+10v)AGND1擬地,摸擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地.DGNDK字地,兩種地線在基準(zhǔn)電源處共地比較好。DAC0832弓唧示意圖4.4 壓力傳感器的選擇該系統(tǒng)采用壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。壓阻式壓力傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變式壓力傳感器的靈敏度系數(shù)要大50-100倍。由于它采用集成電路工藝加工，因而結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。同時(shí)，其壓力分辨率高.頻率響應(yīng)好，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)。由于水泵出口控制的壓力范圍為1.60MPa-1.80MPa,所以其量程可選擇0-0.3MPa。與此同時(shí)，由于壓阻式傳感器的溫度穩(wěn)定性和線性度較

14、差，存在零點(diǎn)漂移和蠕變，所以在控制設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行零點(diǎn)溫度補(bǔ)償。壓阻式壓力傳感器4.5 變頻器的選擇選用AB球司的ACS51渡頻器。ACS51C#別適合風(fēng)機(jī)水泵傳動(dòng)，可以靈活的調(diào)節(jié)每一個(gè)泵，更經(jīng)濟(jì)，更環(huán)保，成本低。ACS510勺主要特性：完美匹配風(fēng)機(jī)水泵：增強(qiáng)的PFC應(yīng)用：最多可控制7(1+6)個(gè)泵；能切換更多的泵。SPFC循環(huán)軟起功能；可依次調(diào)節(jié)每個(gè)泵。多點(diǎn)U/F曲線：可自由定義5點(diǎn)U/F曲線；可靈活廣泛的應(yīng)用。超越模式：應(yīng)用于隧道風(fēng)機(jī)的火災(zāi)模式；應(yīng)用于緊急情況下。PID調(diào)節(jié)器：兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)置PID控制器：PID1和PID2,PID1可設(shè)置兩套參數(shù)；通過PID2可控制一個(gè)獨(dú)立的外部閥門。更經(jīng)濟(jì)：

15、直覺特性：噪音最優(yōu)化，當(dāng)傳動(dòng)溫度降低時(shí)增加開關(guān)頻率，可控的冷卻風(fēng)機(jī)，僅在需要時(shí)啟動(dòng)；可隨機(jī)分布開關(guān)頻率，從而降低噪音，極大改善了電機(jī)噪音，降低傳動(dòng)噪音并提高功效。磁通優(yōu)化：負(fù)載降低時(shí)自動(dòng)降低電機(jī)磁通；極大地降低能耗和噪音。連接性：簡(jiǎn)單安裝，可并排安裝，容易連接電纜，通過多種I/O連接和即插式可選件方便地連接到現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)上；減少安裝時(shí)間，節(jié)約安裝空間，可靠的電纜連接。更環(huán)保：EMC適用于第一及第二環(huán)境的RFI濾波器為標(biāo)配；不需要額外的外部濾波器。電抗器：變感電抗器：根據(jù)不同的負(fù)載匹配電感量，因此抑制和減少諧波；降低總諧波其它：高級(jí)控制盤：2個(gè)功能鍵，功能隨狀態(tài)不同而改變，內(nèi)置幫助鍵，已修改的參

16、數(shù)列表；容易配置和調(diào)試，快速啟動(dòng)，快速進(jìn)入?yún)?shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線：內(nèi)置RS485口，使用Modbus協(xié)議，即插式現(xiàn)場(chǎng)總線模塊作為可選件；降低了成本。4.6 水泵型號(hào)與臺(tái)數(shù)的選擇日均用水量：241.5m3,則每小時(shí)水泵平均需要供水量：241.5+24=10.1m3/h,結(jié)合所需揚(yáng)程，可以選擇兩臺(tái)型號(hào)為BYQDL16-60勺變頻水泵，其流量為8n3/h,揚(yáng)程為54m功率為2.2kW,轉(zhuǎn)速為2900r/min。于此同時(shí)，還可以配用一臺(tái)型號(hào)為BYQDL8-40流量為8n3/h,揚(yáng)程為36m功率為1.5kW,轉(zhuǎn)速為2900r/min,以為高峰時(shí)期備用。五、系統(tǒng)硬件控制圖利用傳感器等設(shè)備，對(duì)水泵的壓力、溫度、壓差

17、等模擬信號(hào)、故障報(bào)警、啟停等開關(guān)量信號(hào)實(shí)施集中監(jiān)控，并對(duì)水泵實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)控制。每臺(tái)水泵的運(yùn)行、停機(jī)時(shí)間在LED顯示器上實(shí)時(shí)顯示并切通過鍵盤的設(shè)置和編程，調(diào)節(jié)泵與泵之間的聯(lián)系。而我們所設(shè)計(jì)的自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了水泵的智能控制，并且從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，降低了機(jī)器的磨損程度，節(jié)約了能源，提高了水泵的利用率和維修周期。系統(tǒng)硬件控制連接圖六、軟件控制流程圖控制過程的概括就是是：用水量增加-頻率上升-轉(zhuǎn)速上升-輸出功率增加；用水量減小一頻率下降一轉(zhuǎn)速下降一功率減小。即“多用水，多耗電”，“少用水，少耗電”。七、方案的優(yōu)化針對(duì)節(jié)能問題，可在供水設(shè)備內(nèi)含氣壓供水功能，需要小流量供水和維持管網(wǎng)水壓時(shí)，自動(dòng)切換到氣壓自動(dòng)供水程序，需要大流量供水時(shí)又自動(dòng)切換到變頻調(diào)速恒壓供水程序。八、設(shè)計(jì)小結(jié)經(jīng)過對(duì)供水水泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我收獲頗豐，從確定情景到最終定稿，從理論到實(shí)踐，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。并且還熟悉了供水系統(tǒng)的工作過程，同時(shí)也了解到了其內(nèi)部硬件電路的構(gòu)成、每部分電路的設(shè)計(jì)等，還學(xué)會(huì)了各個(gè)硬件的選型要求及原則。同時(shí)，通過這次