基于STC12C5A60S2單片機(jī)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計方法

邊樹海， 馬 斌， 韓中華

(沈陽建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，以及自動控制水平的不斷提高，供水的方式越來越多，常見的有水塔高位水箱供水、恒速泵加壓供水、氣壓罐供水和變頻恒壓調(diào)速供水等幾種供水方式［1］。其中變頻恒壓調(diào)速供水方式在節(jié)能、可靠性和穩(wěn)定性都已經(jīng)得到了社會的認(rèn)可［2］，廣泛應(yīng)用于建筑供水系統(tǒng)中，其中有基于PLC變頻恒壓調(diào)速供水［3-5］、基于智能控制器恒壓調(diào)速供水［6］和基于單片機(jī)變頻恒壓調(diào)速供水［7］等方式。但是，目前的變頻恒壓供水方法還沒有達(dá)到節(jié)能的最優(yōu)化。本文介紹了一種新的變頻恒壓供水方法，與當(dāng)前的變頻恒壓供水方法相比，該方法調(diào)試簡單、更智能、更節(jié)能并且能夠延長泵組設(shè)備的使用壽命。

1 變頻調(diào)速的原理與節(jié)能分析

1.1 變頻調(diào)速原理

根據(jù)電機(jī)學(xué)可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速計算公式如式(1)所示:

式中:n——電機(jī)轉(zhuǎn)速;

f——交流電頻率;

s——轉(zhuǎn)差率;

p——極對數(shù)。

對于已經(jīng)選定的電機(jī)，其s和p為定值。由式(1)可看出，當(dāng)頻率增大時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加;當(dāng)頻率降低時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也減小，因此若想改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，需要改變交流電的頻率［8］。

1.2 變頻調(diào)速的節(jié)能分析

對于水泵，其揚(yáng)程(H)、流量(Q)、電機(jī)轉(zhuǎn)速(N)和軸功率(P)之間存在如下關(guān)系:

式中的K1、K2、K3、K 為常數(shù)。由式(2)～式(4)可以看出，流量、揚(yáng)程和軸功率分別與電機(jī)轉(zhuǎn)速的一次方、二次方和三次方成正比。因此，調(diào)節(jié)水泵的速度，不僅可以調(diào)節(jié)流量，還能夠起到節(jié)能的效果［9］。

2 系統(tǒng)強(qiáng)電回路的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)一次回路

系統(tǒng)的一次回路如圖1所示。由外部引入的三相電L1、L2和L3首先經(jīng)過斷路器Q，從斷路器Q出來后分成三路三相電，每一路依次接斷路器Q1、Q2和Q3。第一路接完斷路器Q1后連接到變頻器的三相電輸入端，經(jīng)過變頻器變頻后再引出兩路，分別與線圈3和線圈4相連，最后與泵組電機(jī)相連。接斷路器Q2和Q3的兩路直接與線圈1和線圈2相連，線圈1和線圈2的引出線再分別與熱斷電器1和2相連，最終連接到泵組電機(jī)。

圖1 系統(tǒng)一次回路

2.2 系統(tǒng)二次回路

系統(tǒng)的二次回路如圖2所示。利用繼電器對控制泵組電機(jī)的線圈進(jìn)行控制，繼電器1、2、3、4分別控制線圈1、2、3和4。繼電器的控制又由單片機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對泵組電機(jī)的智能控制。

圖2 系統(tǒng)二次回路

3 系統(tǒng)自動控制的硬件原理

3.1 系統(tǒng)的自動控制原理及過程

系統(tǒng)的自動控制原理圖如圖3所示。系統(tǒng)以宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，壓力傳感器將供水出口處的壓力(0～5 V模擬信號)送入單片機(jī)的P1.0引腳，單片機(jī)利用其P1.0口自帶的A/D轉(zhuǎn)換將壓力模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再與設(shè)定壓力比較和處理，得到一個對變頻器進(jìn)行控制的數(shù)字量，將該數(shù)字量通過D/A轉(zhuǎn)換送給變頻器，控制其輸出頻率的變化，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。

圖3 自動控制原理圖

具體實(shí)現(xiàn)過程如下:當(dāng)壓力傳感器檢測到的供水出口水壓值小于設(shè)定的水壓值時，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算和處理，輸出一個數(shù)字電流量送給DAC0832，經(jīng)過DAC0832將數(shù)字電流量轉(zhuǎn)換成模擬電流量，此模擬電流量控制變頻器，變頻器改變加在泵組電機(jī)的電源頻率使泵組電機(jī)加速，從而使供水出口壓力增大;反之，當(dāng)壓力傳感器檢測到的供水出口水壓值大于設(shè)定的水壓值時，控制泵組電機(jī)降速，使供水出口壓力減小;經(jīng)過多次這樣的調(diào)整，直至供水出口水壓值與設(shè)定的水壓值相等。

單片機(jī)的控制信號先經(jīng)過光電耦合器，再送到控制泵組的繼電器，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對泵組的智能控制。光電耦合器的作用是對自動控制電路與控制線圈的強(qiáng)電電路在電氣進(jìn)行隔離，抗干擾性較強(qiáng)，系統(tǒng)中共用到四個光電耦合器，正極分別與單片機(jī)的P3.2、P3.3、P3.4和P3.5相連，負(fù)極均與地相連，當(dāng)單片機(jī)的引腳為高電平時，光電耦合器導(dǎo)通，電壓Uc加到繼電器兩端，使繼電器動作，從而使線圈得電;使線圈失電只需將單片機(jī)的引腳置為低電平，光電耦合器驅(qū)動繼電器原理圖如圖4所示。鍵盤用于對壓力值的設(shè)定和泵組的切換，LCD1602液晶實(shí)時顯示設(shè)定的壓力值。

圖4 光電耦合器驅(qū)動繼電器原理圖

3.2 泵組電機(jī)的智能控制

通過單片機(jī)引腳的電平變化，可以控制泵組的不同運(yùn)行方式，以使供水出口水壓保持恒定不變。泵組運(yùn)行方式與單片機(jī)引腳電平變化對照如表1所示。

泵組開始起動時，運(yùn)行方式一或方式二;手動按下鍵盤的“切換”按鈕后，泵組運(yùn)行方式三或方式四;當(dāng)手動再一次按下鍵盤的“切換”按鈕后，泵組的運(yùn)行方式切換到方式一或方式二，依次這樣的循環(huán)，防止一臺水泵長期工作而另一臺水泵長期處于停止?fàn)顟B(tài)，這樣可延長泵組的使用壽命。

表1 泵組運(yùn)行方式與單片機(jī)引腳電平變化對照表

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

根據(jù)硬件電路需求，系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計分為主程序設(shè)計和子程序設(shè)計。主程序?yàn)橄到y(tǒng)整體智能控制的實(shí)現(xiàn)過程，子程序?yàn)?PID算法程序［5］。

4.1 系統(tǒng)的子程序

系統(tǒng)的PID算法程序如圖5所示。其控制算法程序就是對壓力偏差的比例、積分和微分，以得到控制變頻器輸出頻率的參數(shù)量。

圖5 系統(tǒng)PID算法程序

電流增量的計算方法如式(5)所示［10］。其中T為兩個平均壓力的采樣時間間隔，Pc-1和Pc-2分別為前一次和前二次的壓力差值。根據(jù)計算出的電流增量與上一次電流值相加得到當(dāng)前的電流值，用此電流值對變頻器進(jìn)行控制。

4.2 系統(tǒng)的主程序

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6所示。其中當(dāng)?shù)谝淮捂I盤的“切換”按鈕按下時，標(biāo)志符Flag=1;當(dāng)再一次按下鍵盤的“切換”按鈕時，F(xiàn)lag=0。Ps為設(shè)定的供水出口水壓，Pmax為一臺水泵運(yùn)行時在供水出口產(chǎn)生的最大水壓力。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化。接下來判斷切換標(biāo)志符Flag是否為1:如果是為1，再判斷設(shè)定的壓力是否小于一臺水泵運(yùn)行時在供水出口產(chǎn)生的最大水壓力，如果小于，則泵組按方式三運(yùn)行，否則按方式四運(yùn)行;如果標(biāo)志符Flag為0，則也再判斷設(shè)定的壓力是否小于一臺水泵運(yùn)行時在供水出口產(chǎn)生的最大水壓力，如果小于，則泵組按方式一運(yùn)行，否則按方式二運(yùn)行;然后進(jìn)行PID控制，循環(huán)此流程。

5 結(jié)語

本文所介紹的變頻恒壓供水系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對控制變頻器輸出頻率參數(shù)量的PID控制、泵組運(yùn)行臺數(shù)和運(yùn)行方式的智能控制、壓力值的設(shè)定和設(shè)定壓力值的顯示等功能。在節(jié)能方面明顯優(yōu)越于當(dāng)前的變頻恒壓供水方法，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，并且能夠延長泵組設(shè)備的使用壽命，在“節(jié)能、環(huán)?！边@一主題越來越被當(dāng)今社會重視的今天可以得到廣泛應(yīng)用。

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