采用交流调压调速的方法实现高楼供水

1、采用交流调压调速的方法实现高楼供水             采用交流调压调速的方法实现高楼供水哈尔滨理工大学邱瑞生   杨  滨双鸭山矿业集团         于洪君    摘  要：本文采用了交流调压调速模块和压力传感器，构成闭环系统，由单片机控制实现对高楼全自动恒压供水。文中对系统的要求和结构，恒压供水原理和特点进行了阐述，

2、并对主电路和控制电路以及算法进行了设计，同时介绍了具体的抗干扰措施。    关键词：调压调速   单片机   恒压供水   闭环系统1  概述    建筑给水排水是给水排水工程三大支柱之一，它是与人民生活、生产活动、卫生安全保障有着密切相关的一门学科。随着人类社会的发展，城市人口的增加，用水量也随着增加，促使着高楼供水技术的发展。由于供水方式的不同，有的技术指标虽然很高，但是经济指标很高。本文提出的全自动调压调速供水系统是采用了调压调速控制器，单片机闭环控制系统，该

3、装置实现了直接向管网供水，适应供水管网水量的变化，通过压力给定和压力传感器检测的压力之差，构成控制量在单片机的运算，判断自动调节电机和水泵转速，以达到实现恒压供水。该装置比变频供水要节省很多投资，同时很少出现故障，这对供水的质量是有保障的。2  高楼建筑恒压给水系统的设计方案2.1  系统的主要要求    (1)供水系统是一个自动控制系统，在保证最高楼层供水条件下，使水压维持恒压给定值。    (2)系统控制应有实测压力显示和各种工况指示；    (3)系统能随时中断处理一些紧急事件，

4、如管道漏水等；    (4)系统能实现实时供水和连续供水；    (5)系统具有超压，电机断相和短路等保护和报警功能；    (6)系统具有手动和自动切换开关；    (7)按使用情况，系统至少应满足最高楼层最大供水的要求。2.2  系统供水的主体框图<!endif>2.3  系统的自动控制原理    调压调速供水设备采用单片机控制调压调速装置，具有控制水泵恒压和变压的功能。该自动控制系统通过安装在水泵出口管上的远

5、传压力变送传感器，把出口压力变成(05)V的模拟信号，经过前置放大，多路切换，A/D变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出一调节参量，经由D/A变换给调压调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速。用水需水量与输出电压有关：用水多时，输出电压提高，水泵电机加速；反之，输出电压降低，水泵电机处于低速状态，达到节能，恒压之目的。当系统所需流量降至所配小型气压罐及小水泵最大供水能力时，主泵暂行，系统由气压设备供水，这样既可确保供水管网压力恒定，又可节省电能。3  设计原理    在电机与拖动基础中我们已经知道

6、，当异步电动机定子和转子回路的参数为恒定时，在一定的转差率下，电动机的电磁转矩M与加在其定子绕组上电压U的平方成正比，即：    MUz    因此，改变电动机的定子电压就可以改变其机械特性的函数关系，从而改变转速，如图2所示。    在电力电子技术的发展下，交流调压调速发展到现在的晶闸管交流调压调速，即在恒定交流电源与负载电路之间接入晶闸管作为一种交流电压控制器。本设计用的就是SVK系列的晶闸管三相交流调压调速控制器。其工作原理是按相位控制的方式，根据电压有效值的改变而实现对负载的调压。 &#

7、160;  在本设计中，我们是用电动机带动水泵提水，那么水泵就是负载，水泵的机械特性即负载机械特性是MC2n，为了明白理解使用调压调速的合理性，我们把电动机的机械特性和负载机械特性画在同一坐标图上(图3)。     由图3所示，我们可知道异步机的机械特性可视为两部分组成：当MMe时，为直线部分，电机不论带动何种负载均能运行；当SSm时，为曲线部分，对于恒转矩负载或恒功率负载而言，此为非工作部分，对于通风机负载却能稳定运行。我们以C点分析为例，C点为两特性曲线的交点，显然在C点所对应的转速之上有MMz，而在这一转速之下则MMz，特性这样的配合，保

8、证系统有恢复原转速的能力，即系统能稳定运。4  算法的选择和实现4.1  控制算法的选择和实现    简单闭环控制系统的一般形式如图4所示     在本设计中，我们用单片机来实现对被控参数的处理。通过软件编程实现控制算法，达到控制的作用。然而，在不同的控制对象，不同的干扰下，要选择适应的控制算法，才能达到理想的控制效果。    PID控制算法就是对偏差的比例，积分和微分。它是连续系统中技术成熟，应用最广泛的一种算法。特别是在工业中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统参数

9、又经常发生变化，人们常采用PID控制算法。    智能自适应控制算法具有实时辨识对象参数并及时修正控制器参数的能力。它适用于被控制对象的模型不太清楚或模型参数是一个慢时变且有随机扰动影响的工业过程控制中。相对于常规的PID算法，造价高是它的缺点。    比较这两种控制算法，并结合被控制对象的类型，是一阶滞后惯性环节，所以我们选择PID控制算法。4.2  数字PID的设计    (1)数字随动系统的一般组成形式如图5所示。  各种符号定义如下：R(t)系统的模拟输入量R*(t)

10、系统输入量的采样函数R(z)系统输入量的脉冲传感函数C(t)系统的模拟输出量C*(t)系统输出量的采样函数C(z)系统输出量脉冲传递函数E(t)偏差模拟量E*(t)偏差采样函数E(z)偏差脉冲传递函数D(z)8098的脉冲传递函数U*(t)8098的输出量的采样函数U(z)8098的脉冲传递函数Ho(s)零阶保持器的传递函数Un(t)零阶保持器的模拟输出量Go(s)被控对象的传感函数G(s)广义被控对象传感函数G(z)广义被控对象脉冲传递函数e(z)系统的便差的脉冲传递函数(z)系统的闭环脉冲传递函数T采样开关(采样周期)    (2)系统数字模型的建立 

11、;   供水系统结构框图如图6所示。     本设计的供水过程，供水管网从压力等于零的初始状态，开始启动水泵运行，到压力达到给定值为止，要经历两个过程，首先，水泵要将水从水箱送到管网，这个过程压力基本保持零，因此它是一个纯滞后过程。第二阶段，水泵将水充满整个管路，压力也随着增加，直到压力达到设定值为止，这两个过程综合起来，可以认为供水系统水压建立过程的数学模型为一个纯滞后的一阶惯性环节，即    K供水系统的放大倍数  1供水系统的惯性时间常数  2供水系统的纯滞后时间 &#

12、160;  T采样周期    N大于零的整数    系统的其它环节如调压速装置，电动机，水泵等环节的时间常数与系统的时间常数相比，可以忽略不计，认为都是比例环节。PID控制器由单片机采用达林算法进行设计。本系统的数字结构如图7所示。    (3)达林算法从略5  抗干扰措施    为了提高控制系统的可靠性，需对系统的电源与供电系统，接口与过程通道，控制对象与终端采取了抗干扰措施。5.1  电源与供电系统的抗干扰措施  

13、0; 采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源如图8所示    图中，电抗器用来抑制电源线上引入的高频干扰，让50HZ的基波通过。变阻二级管用来抑制进入交流电源上的瞬时干扰(或者大幅值的尖端脉冲干扰)；隔断变压器的初次级之间加有静电屏蔽层，从而进一步减小进入电源的各种干扰。该交流电压再通过整流滤波和直流电子稳压后使干扰被抑制到最小。    稳压电源变压器采用静电蔽屏措施，与微型机方面有关的变压器应向电动机、继电器等供电的变压器分开。5.2  接口与过程通道的抗干扰措施    接口与过程通道是单片机

14、与外部设备、被控对象进行信息交换的渠道，对于接口和过程通道侵入的噪声主要是因为公共地线引起，其次，在信号微弱和传输线路较长时还会受到静电噪声和电磁噪声的干扰。    双绞线抗共模噪声能力强，可作为接口用连接线，为集成电路与驱动器之间的连线。光电隔离电路的使用，当组件之间接地电位有差值时，或在噪声电平高的地方，光电偶合器作为数字量，开关量的隔离电路用于开关接口，能收到很好的效果。    此外，对于接口和过程通道尚应采取下述几种措施：    (1)输入端子不能开路，必须经过负载电阻接到电源线上。    (2)尽量缩短信号线的长度。    (3)在信号线与电源线间因公共而形成的共同阻抗。    (4)为防止电磁感应，信号线应用屏蔽线。6  结束语    本文介绍的是一种单片机控制的调压调速高楼供水系统，是比较容易构成的，比变频调速方案投资少，符合当代控制要求，满足生活供水要求。参考文献1刘复华.8098单片机及其应用系统设计M.清华大学出版社，