单片机控制的恒压供水装置设计_图文

1、基于单片机控制的恒压供水装置设计方勇 安庆师范学院 安徽 安庆 080506003指导老师：吴文进摘要： 针对供水系统水泵多、水泵工作方式多, 要求供水压力稳定等特点, 设计了一种新型恒压变频供水自动控制系统。该系统是以AT89C51 单片机和变频器为核心, 采用改进的PID 算法，通过单片机在LCD1602上显示变频器的频率、日期和水的压力等。本文分析了系统的工作原理和工作过程, 给出了硬件框图及控制算法实现流程图, 着重说明了PID 算法在单片机上的实现方法, 同时阐述了系统的工作特点, 实践证明这是一种经济实用的先进控制技术。关键词：单片机; 变频器; PID 算法; 供水控制系统；LC

2、D 屏1. 引言高楼供水是给水排水工程的重要组成部分, 与人民生活、生产活动、消防安全保障密切相关。随着人们生活水平的提高、高层建筑的快速发展, 高楼供水系统的应用越来越多。供水系统的供水水压会随着管路的加长而逐渐减弱, 生活区用水, 一天内不同时段的用水量具有明显的差异, 昼夜负荷变化大, 供水量不固定, 不能满足用户及消防安全保障的需要; 要解决高层建筑的供水和生活区供水问题, 就要解决压力不断减弱和不稳定问题。目前通常采用的方法是在供水管网的用户端进行二次加压。二次加压有组合泵供水、气压供水、调节阀门供水、高位水塔供水等多种方式。在这些供水方式中, 常因供水拖动电机一直高速运行而造成了较

3、大的能量损耗。为了解决高楼供水水压不稳及节能等问题, 我们设计了基于AT89C51单片机的变频调速恒压供水系统。该系统是根据用户用水量的变化, 经单片机运算并与给定参数进行比较, 随时调节水泵电机转速和水泵开启台数, 从而调节供水量, 实现恒压变流量供水。且该系统具有电动机缺相或过载保护功能, 当电动机发生缺相或过载现象时, 系统及时启动保护装置, 避免电动机烧毁等故障发生。2. 控制系统原理及硬件电路部分2.1 恒压供水系统的控制原理根据恒压供水系统的工作要求，其控制系统结构示意图如图1 所示。这个系统采用3 台水泵并联运行方式，压力传感器将主水管网水压变换为电信号，经模/ 数转换器转换，变

4、为数字信号输入到控制器(AT89C51 ，控制器根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID 运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大时，但水泵全速运行仍不能保证管网的压力稳定时，控制器自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，同时将下一台备用泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若2 台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，再将一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，控制器首先将最先工

5、频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述2 个信号仍存在时，控制器再停掉第2 台工频运行的电机，直到最后一台泵用变频器恒压供水。所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制，实现带载软启动，避免了启动大电流给水泵电机带来冲击，相对延长了电机的使用寿命。同时，系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死，这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。 2.2 变频调速的特点及分析用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不

6、平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供

7、水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。2.2.1 恒压供水的变频应用方式通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过PID 运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最

8、终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向。2.2.2 PID控制原理根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID 相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID 来保持静态精度。这通过AT89C51加智能仪表可时现该算法，同时对AT89C51的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使

9、用这种方法是可行的，而且造价也不高。要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID 调节器进行控制，而采用PLC 参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。2.2.3变频控制原理用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著（可根据具体情况计算出来）。其优点是：1、 起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；2、 由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；3、 可以消除起动和停机时的水锤效应；一般地说

10、，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动

11、机的热保护。在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用PID 调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由PID 调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有PID 调节功能时，只要在预置时设定PID 功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。2.2.4 恒压供水系统特点1、 节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；2、 节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；3、 运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。

12、4、 联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。5、 控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。6、 自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。2.2.5 系统应用范围1、 自来水厂、加压泵房2、 居民生活区、宾馆及其它建筑3、 企业生产用水4、 锅炉循环水系统5、 农田灌溉系统2.3变频器和电机的选型2.3.1 电动机的选用和介

13、绍本系统选用浙江永发机电有限公司生产的Y2系列电动机。Y2系列电动机是全封闭、自扇冷式笼型三相异步电动机，是取代Y 系列（IP44）电动机的更新换代产品，产品达到90年代国际先进水平。Y2系列电动机较Y 系列电动机的效率高、起动转矩大、提高了防护等级（IP54）、提高了绝缘等级（F 级、按B 级考核）、降低了噪声（用负载噪声考核），电动机外型新颖美观，结构更加合理。其功率等级及安装尺寸与Y 系列电动机相同，完全符合IEC 标准。Y2系列电动机是一般用途的电动机，适用于驱动无特殊要求的各种机械设备如机床、水泵、风机、压缩机、运输机、搅拌机、农业机械、矿山机械等。Y2系列电动机额定电压为380V

14、、额定频率为50Hz 、防护等级为IP54、冷却方式为IC0141，3kW 以下为Y 接，4kW 以上为接，环境温度不超过40。最低温度为-15，海拔不超过1000m ，工作方式为连续（S1）。本系统中选用的电动机的机座号为132S2，同步转速为3000r/min，额定功率为7.5kW ，额定电流15 A 。2.3.2 VVVF （Variable Voltage & Variable Frequency）变频器1 VVVF变频器的工作原理VVVF 变频器是系统的执行部件，也是系统的核心之一，原理图如下：由二极管不可控整流电路将来自电网的三相交流电整流成直流，经电容滤波后送给由六只晶体

15、管GTR 构成的逆变桥，六只晶体管GTR 根据其基极的驱动信号的变化来改变输出逆变电压和频率的大小，从而调节电机的转速。 2.2 变频器原理图2 变频器的选用和介绍在本系统中选用成都佳灵电气制造有限公司生产的型号为J9Zn-5.5的J9Zn 系列节能型变频器，该变频器适用于风机和泵类平方减转矩负载，对恒压力、恒流量、恒液位、恒温等系统可进行有效地节能控制。广泛应用于给排水行业。具有较好的性价比。其技术参数如表2.1所示：表2.1 J9Zn-5.5的技术参数 2.3.3压力传感器传感器是指对被测对象的某一确定信息具有感受（或响应）与检出功能，并是指按一定的规律转化成与之对应的有用输出信号的原件或

16、装置。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，完成将非电量转化为电量功能。压力传感器作为检测压力元件, 安装在管网中，用来检测管网压力的高低。本系统选用量程为00.8MPa ，输出420mA 标准电流信号的CYYB-120系列压力变送器。CYYB-120系列压力变送器为两线制420mA 电流信号输出产品。它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有420mA 标准信号输出。一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数

17、字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便。CYYB-120系列压力变送器沿用了CYYB-105系列产品的量程、外形尺寸、结构、压力接嘴及电缆接插件，便于用户选型安装。CYYB-120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。可广泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域。 主要特点：高稳定性、高精度、宽的工作温度范围 标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强 数字显示压力变送器外形尺寸 抗冲击、耐震动、体积小、防水 基本性能指标如下表：表2.2 CYYB-120系列压力变送器的基本性能指标 2.4硬件电路图 2

18、.4.1 A/D转换电路 2.4.2 键盘接口电路 2.4.3 液晶显示模块 2.4.4 变频器控制电路 3 控制系统软件部分控制系统的软件程序主要包括：主程序、初始化程序（包括显示装置自检、各种标志的置位、复位）、数据处理程序（包括加、减、乘除、数字滤波等）、数字控制器算法运算程序及控制程序（包括电机的启动、停止；有关开关量的打开、闭合等）、中断服务子程序、键盘扫描程序和显示子程序等，各部分程序都已模块化，具有较强的软件抗干扰能力。如下。 4 结束语 基于 A T 89C51 单片机变频恒压供水控制系统已经在楼宇给水、锅炉给水等控制中获 得了成功的应用.从实际运行的效果来看, 水泵电动机起动

19、平稳, 系统动态性能良好, 系统 响应的稳定时间在 30s 内, 稳态性能能够稳定在±0.02M Pa 之间, 抗干扰能力强, 满足了 实际控制的需要。在工业控制中使用单片机控制时,硬件系统设计应力求结构简单, 功能全 面可靠, 充分考虑抗干扰性能。当使用 PID 控制时, 如果控制效果不理想时, 应考虑使用 改良智能 PID 算法, 当控制中积分作用不理想时, 模糊智能积分控制算法是一种较好的控 制算法。 参考文献： 参考文献： 1 张春光. 单片机控制的无塔供水系统J. 连云港化工高等专科学校学报，2001， 14(338- 40. 2 尹明， 时代伟. 恒压供水模糊控制器的研制

20、J. 齐齐哈尔大学学报， 2003， 19(1： 53- 55. 3 刘美俊. 基于 AT89C51 单片机的变频恒压供水系统J. 轻工机械， 2004，(2：102- 104. 4 朱安超， 白雪冰. 微机控制变频给水系统J. 信息技术， 2002， (6： 2627. 5 SachedevM S, Phadke A G. M icroprocesso r Relays and Protection Tuto rial Course, IEEE P ress, 1988, 60- 70. System s M . IEEE 6 ATMEL MICROCONTROLLER OCTOBER 1995 The Constant Pressure Water Supply System Based on MCU Fang yong (School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal College, Anqing 080506003 Abstract：Water supply system for multi-pumps, water pumps work, and require stable water pr