恒壓節(jié)能自動(dòng)供水控制儀的研制與應(yīng)用

1、恒壓節(jié)能自動(dòng)供水控制儀的研制與應(yīng)用    關(guān)鍵詞:恒壓供水;變頻器;自動(dòng)控制;節(jié)能設(shè)計(jì)小區(qū)供水是民生中的一個(gè)大問題,多年來一直困擾著物業(yè)管理部門。很多小區(qū)采用定點(diǎn)供水的方式。這樣既給居民隨時(shí)用水帶來了不方便,同時(shí),物業(yè)部門還要派專人負(fù)責(zé)供水水泵的啟/停。根據(jù)小區(qū)用水的特點(diǎn):一天當(dāng)中早、午、晚三個(gè)用水高峰,其他時(shí)間用水量小的特殊性研制開發(fā)出了恒壓節(jié)能自動(dòng)供水控制儀,經(jīng)過多年實(shí)際應(yīng)用和改進(jìn),控制儀功能逐漸完善,逐漸變?yōu)閼?yīng)廣大用戶要求的高級(jí)微機(jī)給水控制器。它采用高品質(zhì)的元件、材料及融合最新的微電腦控制技術(shù)而成,和變頻器組合,即構(gòu)成生活與消防公用的供水系統(tǒng)。 一

2、、系統(tǒng)構(gòu)成 該系統(tǒng)由傳感器、控制儀、變頻調(diào)速、水泵組等4部分組成,傳感器采用遠(yuǎn)程壓力表,為壓阻器件,用于檢測(cè)水管道的壓力,并將水壓轉(zhuǎn)換為05V的模擬信號(hào)?？刂苾x是以MCS-51系列單片機(jī)為核心部件。根據(jù)傳感器檢測(cè)到的水壓完成變頻器調(diào)速及泵組切換的控制功能。變頻調(diào)速部分是由空氣開關(guān)、交流接觸器、變頻器等組成,為系統(tǒng)的動(dòng)力電供給和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。水泵組包括三臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的三臺(tái)離心式水泵。 二、工作原理 欲穩(wěn)定水壓,需要構(gòu)成一個(gè)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機(jī)、變頻器等器件構(gòu)成。該控制系統(tǒng)通過安裝在水泵出口管上的遠(yuǎn)程壓力變送傳感器,把出口壓力變成05V的模擬信號(hào),經(jīng)過前置放大、多路切換、PID變換

3、成數(shù)字信號(hào)傳送到控制儀中的控制核心單片機(jī),經(jīng)單片機(jī)與給定參量進(jìn)行比較,得出調(diào)節(jié)參量E,對(duì)E進(jìn)行PID運(yùn)算后輸出控制信號(hào),經(jīng)由D/A變換成模擬量作用到變頻器,控制其輸出頻率,以調(diào)節(jié)電機(jī)水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速,按實(shí)際用水量供水并使供水壓力恒定。單片機(jī)控制變頻調(diào)速供水系統(tǒng)控制原理如圖1所示: 圖1控制原理圖 為保證充足的水量供應(yīng),本系統(tǒng)采用三臺(tái)水泵構(gòu)成的供水控制系統(tǒng),具備同時(shí)控制三臺(tái)水泵的功能,如圖2所示。根據(jù)不同場(chǎng)合、不同需要可以采取三臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行、兩臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行、一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用、一臺(tái)運(yùn)行兩臺(tái)備用、定時(shí)換泵等多種工作方式。水泵電機(jī)全部變頻啟動(dòng),以先起先停為原則;具有變頻器頻率顯示和實(shí)時(shí)壓力顯示;變頻

4、器故障、遠(yuǎn)傳表故障或欠壓超時(shí)和水位報(bào)警指示?？稍O(shè)定上限保護(hù)壓力;可設(shè)定PID上升和下降周期及跟蹤周期;可設(shè)定泵的上電工作順序等功能。 圖2變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成 三、控制儀硬件電路設(shè)計(jì) 本控制器的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示,分為輸入、主機(jī)、輸出三個(gè)模塊。 1.輸入模塊。輸入模塊采用8通道8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0831。水壓設(shè)定和水壓均為05V電壓信號(hào)。 2.主機(jī)模塊。主機(jī)模塊包括AT89C51為核心部件的智能控制單元和LED顯示電路,AT89C51本身有4K EPROM,所以不用外擴(kuò)EPROM,系統(tǒng)的顯示部分采用4片74LS164驅(qū)動(dòng)LED,LED顯示方式為靜態(tài)顯示方式。由于74LS164低電平輸出電

5、流較大,所以LED采用共陽極接法,可以提高亮度。 圖 3 硬件框圖 接口與過程通道是單片機(jī)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(zhǎng)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。使用光電隔離電路,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,光電禍合器作為數(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。 采用555定時(shí)器設(shè)計(jì)一個(gè)“WatchDog”電路監(jiān)督程序的正常運(yùn)行,然后采用組合邏輯電路進(jìn)行互鎖保護(hù),使任意時(shí)刻變頻器只驅(qū)動(dòng)一臺(tái)水泵電機(jī)工

6、作,任意時(shí)刻水泵電機(jī)只工作在變頻或工頻一種狀態(tài),保證變頻器的安全運(yùn)行。 3.單片機(jī)變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。單片機(jī)變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示: 圖4單片機(jī)變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 通過傳感器采樣的水壓信號(hào)經(jīng)數(shù)字濾波,經(jīng)光電耦合送到A/D轉(zhuǎn)換單元ADC0831,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由AT 89C51的P2口輸入CPU,同輸入的設(shè)定值比較,PID調(diào)整處理后,得到變頻器的更新數(shù)據(jù),運(yùn)行結(jié)果由P3.3輸出,輸出給D/A轉(zhuǎn)換單元,用線性光電耦合放大轉(zhuǎn)化為05V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),送至變頻器,從而控制電機(jī)的運(yùn)行。鍵盤和報(bào)警輸入由P0口輸入,當(dāng)水源缺水時(shí),單片機(jī)控制電機(jī)停機(jī);當(dāng)電源電壓欠壓、斷相時(shí),電流增大,引起電動(dòng)機(jī)

7、過熱,會(huì)損壞電機(jī),電源電壓檢測(cè)信號(hào)通過P0口輸入,單片機(jī)控制電機(jī)停機(jī)。LED顯示由P3口輸出,LED可顯示管網(wǎng)水壓、變頻器的出頻率、工作水泵的數(shù)量、各水泵的累計(jì)工作時(shí)間及控制參數(shù)等。 四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1.PID控制算法。對(duì)變頻器頻率的調(diào)節(jié)采用PID調(diào)節(jié)方法,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)又經(jīng)常發(fā)生變化,人們常采用PID控制算法。PID調(diào)節(jié)是較成熟的傳統(tǒng)控制方法。        2.編程思路。根據(jù)

8、以上硬件系統(tǒng)要求,系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),該系統(tǒng)應(yīng)用程序由主程序、子程序模塊和中斷服務(wù)程序等組成。系統(tǒng)應(yīng)用程序采用結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計(jì),從功能上看,主要包括:主程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、報(bào)警程序、PID調(diào)節(jié)、水泵控制、故障檢測(cè)等。 主程序首先完成系統(tǒng)硬件的初始化任務(wù),包括堆棧指針、特殊功能寄存器、擴(kuò)展接口8155及數(shù)據(jù)區(qū)和標(biāo)志位等的初始參數(shù)設(shè)置,然后調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序,將采樣獲得的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)或由鍵盤輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)制變換及標(biāo)度處理,最終環(huán)節(jié)調(diào)用顯示子程序供用戶觀察。PID調(diào)節(jié)模塊由1號(hào)定時(shí)器中斷進(jìn)入該模塊,單片機(jī)將設(shè)定值與采樣值進(jìn)行比較,完成PID運(yùn)算并將現(xiàn)行輸出值送到輸出寄存器,由2號(hào)定時(shí)器中斷

9、時(shí)進(jìn)行PWM轉(zhuǎn)換,改變變頻器的輸出頻率,控制水泵轉(zhuǎn)速。 報(bào)警檢測(cè)模塊:完成管網(wǎng)壓力,水位和變頻器及水泵運(yùn)行故障的報(bào)警任務(wù)。 水泵控制模塊:水泵的控制有兩種方式: 方式1:系統(tǒng)僅使用一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行,單片機(jī)檢測(cè)軟件定時(shí)器狀態(tài),間隔24小時(shí)自動(dòng)進(jìn)行水泵切換。 方式2:以1號(hào)泵作為主泵運(yùn)行,當(dāng)1號(hào)泵工作頻率已經(jīng)達(dá)到50赫茲,而管網(wǎng)壓力低于設(shè)定值,則1號(hào)泵自動(dòng)轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行,再變頻啟動(dòng)2號(hào)泵;此時(shí)兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行。如果2號(hào)泵也達(dá)到50赫茲,管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定值,則2號(hào)泵自動(dòng)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行,變頻啟動(dòng)3號(hào)泵。三臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行。反之,當(dāng)3號(hào)泵已經(jīng)在低頻的極限運(yùn)行時(shí),則停止3號(hào)泵,2號(hào)泵由工頻運(yùn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)為變頻運(yùn)行,當(dāng)

10、2號(hào)泵已經(jīng)又工作在低頻的極限運(yùn)行時(shí),則停止2號(hào)泵,1號(hào)泵自動(dòng)變頻運(yùn)行。如果1號(hào)泵已經(jīng)連續(xù)工作24小時(shí)了,則自動(dòng)切換2號(hào)泵為主泵。這樣三臺(tái)泵輪流作為主泵。 3.程序流程圖。主程序流程如圖5所示: 圖5系統(tǒng)軟件流程圖 五、結(jié)語 本文介紹了單片機(jī)控制的小區(qū)供水系統(tǒng)中硬件構(gòu)成、軟件設(shè)計(jì),通過傳感器檢測(cè)水壓信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,輸入給單片機(jī),與給定壓力值進(jìn)行比較,按PID控制算法對(duì)差值進(jìn)行運(yùn)算,將運(yùn)算結(jié)果輸出給變頻器,由變頻器改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到恒壓供水的目的。在實(shí)際的應(yīng)用過程中,取得了良好的效果。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括: 1.系統(tǒng)采用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,調(diào)速范圍寬,頻率可以在低于或高于工頻頻率的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),從幾赫茲到幾百赫茲,具有很寬的調(diào)速范圍。 2.由于調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差率很小,轉(zhuǎn)差率小,損耗小,效率 高,所以節(jié)約電能。水壓的穩(wěn)定還可減少對(duì)管網(wǎng)的沖擊,提高供水的穩(wěn)定性和質(zhì)量。另外該系統(tǒng)還可以推廣到管道輸油等方面。 3.采用單片機(jī)控制,變頻調(diào)速系統(tǒng)采用閉環(huán)控制,可得到很高的控制精度。 參考文獻(xiàn) 1楊明發(fā),林榮文.PIC單片機(jī)在自動(dòng)供水系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)J.現(xiàn)代電子技術(shù),2002,(1). 2邱瑞生,楊濱.采用交流調(diào)壓調(diào)速的方法實(shí)現(xiàn)高樓供水J.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2002,21 #8197;(4). 3張春光.單片機(jī)控制的無塔供水系統(tǒng)J.連云港化