高樓供水拖動(dòng)電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張坤平

摘 ?要：文章闡述了恒壓供水變頻電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)的控制器以89C51單片機(jī)為核心，再加以外圍接口電路組成，控制對(duì)象是供水管道的壓力，主要應(yīng)用在高層樓房的自動(dòng)供水系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：89C51單片機(jī);變頻供水;PID控制

引言

隨著我國城市化的快速發(fā)展，城市中的高層建筑以及高層居民小區(qū)也越來越多，隨之而來的高層供水問題也應(yīng)運(yùn)而生。目前對(duì)于供水系統(tǒng)中多采用交流異步電機(jī)作為拖動(dòng)動(dòng)力，然而由于被控對(duì)象即供水系統(tǒng)中的管道壓力是一個(gè)不確定的參數(shù)，因此我們就有必要通過供水壓力的變化來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到節(jié)能的效果。在較多的供水方案中，恒壓變頻供水系統(tǒng)是目前應(yīng)用的最多的一種，它的主要思想就是保持供水管道內(nèi)壓力恒定，也就是水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)根據(jù)供水管道壓力的大小而定。當(dāng)供水需求量大時(shí)，水壓變小，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使其加快，壓力上升。當(dāng)供水需求量小時(shí)，水壓過大，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使其減速，壓力下降。此控制方案的優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高、節(jié)能（節(jié)約水源，節(jié)約電能）、可靠性高，抗干擾強(qiáng)等。與傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)方案對(duì)比，由于采用了PID儀表和PLC控制器相結(jié)合，因此造價(jià)高，功能單一。文章正是克服了傳統(tǒng)方案中的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。因此非常適用于高層建筑、居民區(qū)的取暖鍋爐自動(dòng)供水需要。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件選擇

該供水控制系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為核心，在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，利用此芯片的P0、P2口作輸入、輸出I/O口，又因?yàn)樵撔酒瑑?nèi)有EPROM，對(duì)于此系統(tǒng)來說，無需外擴(kuò)EPROM。本控制系統(tǒng)采用74LS164（4片）來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管作為顯示部分，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外擴(kuò)一片RAM6264，將開機(jī)設(shè)定的一些原始參數(shù)保存進(jìn)去。供水管道的壓力大小信號(hào)由壓力傳感器MPX2000采集，將采集來的壓力信號(hào)經(jīng)放大電路（由LM358組成雙運(yùn)放電路）進(jìn)行放大，然后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。計(jì)算出的控制參數(shù)經(jīng)SLE4520三相可編程脈寬調(diào)制器變成相應(yīng)寬度的脈沖模擬信號(hào)，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小?？紤]到此供水系統(tǒng)在不同場(chǎng)合調(diào)試時(shí)參數(shù)的設(shè)定，我們對(duì)此系統(tǒng)設(shè)置四鍵小鍵盤、LED顯示模塊，操作方便，易于安裝。

1.2 控制原理

在設(shè)計(jì)該變頻恒壓供水系統(tǒng)時(shí)，將檢測(cè)壓力信號(hào)大小的壓力傳感器安裝在水泵出水管道上，并把檢測(cè)到的管道壓力即水壓變成0～5V或4～20MA的模擬信號(hào)，然后將此模擬信號(hào)變換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)（由A/D轉(zhuǎn)換完成），最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。水壓偏差值的大小就是通過比較單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)與設(shè)定壓力得來的。將偏差值經(jīng)PID調(diào)節(jié)得到最終的控制參數(shù)，經(jīng)SLE4520三相可編程脈寬調(diào)制器變成相應(yīng)寬度的脈沖模擬信號(hào)，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小，以此改變水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制管道壓力的目的。當(dāng)供水管道壓力比給定壓力小時(shí)，系統(tǒng)變頻器的輸出頻率將會(huì)升高，進(jìn)而加快水泵轉(zhuǎn)速，管道壓力隨之升高;反過來，當(dāng)供水管道壓力比給定壓力大時(shí)，系統(tǒng)變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，進(jìn)而減慢水泵轉(zhuǎn)速，管道壓力隨之降低，最終達(dá)到恒壓供水的目的，供水系統(tǒng)的原理框圖及硬件結(jié)構(gòu)圖分別如圖1所示：

此供水系統(tǒng)由三臺(tái)水泵組成，控制方式有多種，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同可以采用三泵聯(lián)運(yùn)、二泵聯(lián)運(yùn)、一用一備、一用二備、定時(shí)換泵等。在聯(lián)運(yùn)的工作方式下，當(dāng)某臺(tái)變頻泵電機(jī)頻率達(dá)到工頻時(shí)（50Hz），若水壓還達(dá)不到設(shè)定值，那么將此泵切換為工頻工作，同時(shí)啟動(dòng)下一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，直到達(dá)到給定壓力為止。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)的組成

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，主要由主程序、定時(shí)中斷顯示和頻率輸出子程序組成。為了防止在程序運(yùn)行中死機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生，系統(tǒng)每隔1S復(fù)位一次，即軟件程序采用定時(shí)復(fù)位方案，主程序和子程序采用模塊化設(shè)計(jì)。為了消除干擾信號(hào)，采用平均值的數(shù)字濾波方法，由于供水管道水壓為一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)相串聯(lián)，在控制算法上采用典型的PID算法。

要想使恒壓供水系統(tǒng)中管道水壓恒定，實(shí)際上就是要滿足管道內(nèi)供水能力和用水流量的平衡，換句話說就是要滿足用戶的用水流量，然而在現(xiàn)實(shí)中，流量是一個(gè)連續(xù)的量，供水與用水之間并不存在差異，為了說明問題，當(dāng)兩者之間不適應(yīng)時(shí)導(dǎo)致水壓發(fā)生的變化，我們假定Qg為供水流量，Qu為用水流量。因此在動(dòng)態(tài)的情況下，供水系統(tǒng)中水壓的大小P與供水能力和用水流量之間的平衡情況有關(guān)，如果以安裝壓力表的位置作為分界點(diǎn)，把壓力表之前的流量稱為供水流量（Qg），壓力表之后的流量稱為用水流量（Qu），則有如下關(guān)系：

如Qg>Qu，則p↑;

如Qg

如Qg=Qu，則p=const（恒量）。

2.2 PID控制算法概述

變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器中，ps是壓力變送器，它在測(cè)量管道壓力p的同時(shí)，還將測(cè)得的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)或電流信號(hào)。該信號(hào)在控制系統(tǒng)中作為反饋信號(hào)，用Xf表示。所以反饋信號(hào)也就是實(shí)測(cè)的壓力信號(hào)，即Xf正比于p。變頻器預(yù)制為PID控制方式，Xf接至變頻器的反饋信號(hào)輸入端VPF（電壓信號(hào)）或IPF（電流信號(hào)）。與用戶要求的壓力大小對(duì)應(yīng)的信號(hào)稱為目標(biāo)信號(hào)，用Xt表示。由電位器Rp或鍵盤直接給出。Xt和Xf兩者是相減的，其合成信號(hào)Xd=（Xt-Xf）;經(jīng)過PID調(diào)節(jié)處理后成為頻率給定信號(hào)Xg，決定變頻器的輸出頻率fx。

當(dāng)用水流量減小，使Qg>Qu時(shí)，則供水壓力p↑→Xf↑→Xd↓→fx↓→電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nx↓→Qg↓→Qg=Qu直至壓力大小回復(fù)到目標(biāo)值（Xt≈Xf），從而達(dá)到平衡;

反之，當(dāng)用水流量增加，使Qg

因此，供水系統(tǒng)總是根據(jù)用戶的用水情況不斷地處于自動(dòng)調(diào)整狀態(tài)中。

3 結(jié)束語

本套拖動(dòng)電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的恒壓變頻調(diào)速。本套系統(tǒng)中水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好，穩(wěn)態(tài)性能誤差很小，抗干擾性能強(qiáng)，滿足了實(shí)際控制的要求。

參考文獻(xiàn)

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