变频控制器设计论文

-变频控制器设计摘 要近年来，随着城市居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难的问题越来越突出，原有的自来水管网的压力出现了不足，用水困难给生活带来极大不便。为解决上述问题，本文研制了变频供水控制器。该控制器是以AT89C51为核心，并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由单片机控制水泵数量及变频器对水泵的调速，实现管网水压的闭环调节，即变频供水。针对供水系统难以为被控对象确定精确的数学模型、水压精度要求不太高的特征，本文提出的是一种基于变频恒压的供水控制方案。并利用单片机对其进行控制，实现了变频调速控制相结合，抗干扰能力强，是一种很理想的控制器。此外，变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水 压力的需要。在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。但在选泵时应注意 ，泵的功率宜大一些，因为变频调速其最大压力受水泵限制 。最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负荷工作，否则应加大变频器和水泵电机的容量， 以防止发生过载。为了方便远程监控，用组太王进行了简单的动画连接，动画的形式实时显示现场设备的运行状态。综上所述，交流变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向。采用单片机控制的变频供水系统具有实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制器。关键字：变频恒压供水系统；组态AbstractIn recent years, with the continuously building and rebuilding of residential areas the problem of our inhabitants using water is more and more serious, the old tap waters pressure appears deficient, the difficulty of using water bring the big inconvenience to the inhabitants daily life. In order to solve the above problem, this paper introduces a new style of VVVF constant-pressure water-supply controller. It can be used in water supply for daily life and use in case of fire and other case. The frequency-conversion pumps use cycling soft-starting and timing cutting. The software adopts the dynamic digital filter skills. It has plete protective functions.In the light of that the e*cise mathematical model of water supply system is difficult to find and no morefor the control precision, this paper put forwards ath design for water request supply under constant pressure. And also simulate system with Matlab, the simulation result shows that this pound control system more significant robustness. Moreover, the configuration monitor software-kingview is also introduced. The data acquisition and control scheme are analyzed.Sum up the above, the VVVF constant-pressure water supply controller is the development direction of modernization city and munitys water supply, and it has the characteristics such as stable working, easily realizing and low price etc. So it is more perfect controller.Key words Water supply system under constant pressure; Kingview . z.-目 录摘 要1Abstract2第 1 章绪 论51.1交流变频恒压供水控制器的研究背景及意义51.1.1课题提出的背景和意义51.1.2变频技术的发展51.1.3关于变频给水的原理61.1.4变频调速在供水中的应用91.2研究环境91.3本文的组织结构10第 2 章基于AT89C51的变频恒压给水控制器的设计112.1系统概述及控制原理112.1.1系统的组成122.1.2设计方案及系统优点142.2控制的硬件系统设计172.2.1硬件总体说明172.2.2系统的显示部分172.2.3按键接口电路的设计192.2.4单片机借口电路与MC1413集成电路192.2.5EEPROM93C46在供水控制器中的应用192.2.6定时复位电路202.2.7锁存电路202.2.8数模(D/A)和模数(A/D)转换电路202.3软件系统设计212.3.1独立按键程序设计222.3.2显示子程序222.3.3模数转换(A/D压力数据采集)子程序222.3.4系统的主程序流程图222.4系统抗干扰措施232.4.1硬件抗干扰技术242.4.2软件杭干扰技术242.5变频恒压供水控制器的性能特点252.6恒压供水设备的应用场合25第 3 章变频恒压供水控制器在PC上位机的通讯273.1Kingview组态软件简介273.1.1组态王软件的结构273.1.2组太王和下位机通信283.1.3怎样产生动画效果283.2系统开发过程293.2.1制作图形画面293.2.2构造数据库293.2.3定义动画连接293.2.4运行和调试303.3通讯方式303.4系统功能实现30结 论32致 谢33参考文献34第 1 章 绪 论1.1 交流变频恒压供水控制器的研究背景及意义1.1.1 课题提出的背景和意义近年来，随着居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国民用水难问题越来越突出，特别是高层建筑居民，原有的自来水管网的压力出现不足，大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水，高层居民经常出现用水难问题，给生活带来极大不便。这种用水难问题在大城市表现尤为突出。针对上述问题，本文研制了变频调速供水控制器，该控制器是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动稳于设定的压力值。即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，当用水量超过一台泵的供水量时，通过控制器调节;用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量相应减小。也就是根据用水量的大小，由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速，来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。采用该供水系统不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水方案。此外，恒压供水系统对于*些上业或特殊用户是非常重要的。例如在*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，*些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。1.1.2 变频技术的发展变频调速技术是集电子、自动控制、微电子、电机学等技术之人成的一项先进技术。言以其优异的调速性能、显著的节能效果被广泛应用在各个领域，是电气传动的发展方向。随着电力电子技术的飞速发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性等方面得到了很大的发展，变频调速技术己日臻完善。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。交流变频调速装置不仅仅可以大幅度节能，而且在改善机械性能、实现完善的自动控制、环境保护等多方面都有显著的效果。现代楼宇自动控制中，采用变频调速技术将会改善系统的品质，并产生巨大的经济效益。1.1.3 关于变频给水的原理目前，变频调速生活给水在建筑给水中应用越来越广，其主要原因是：1.变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。但在选泵时应注意，泵的扬程宜大一些，因为变频调速其最大压力受水泵限制。最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负荷工作，否则应加大变频器和水泵电机的容量，以防止发生过载。2.目前，变频器技术已很成熟，在市场上有很多国内外品牌的变频器，这为变频调速供水提供了充份的技术和物质基础。变频器已在国民经济各部门广泛使用。任何品牌的变频器与变频供水控制器配合，即可实现多泵并联恒压供水。因为建筑供水的应用广泛，有些变频器设计生产厂家把变频供水控制器直接做在供水专用变频器中；这种变频器具有可靠性好，使用方便的优点。3.变频调速恒压供水具有优良的节能效果。由水泵管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。调节流量的第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合(例如生活用水)，采用调速调节流量，具有优良的节能效果。我国国家科委和国家经贸委在中国节能技术政策大纲中把泵和风机的调速技术列为国家九五计划重点推广的节能技术项目。应当指出，变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，只要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，可以实现恒压变量供水。在变频恒压变量供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。多泵并联恒压供水，在设计上可做到在恒压条件下各工频泵的效率不变(因工况不变)，并使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的，其工作效率随流量而改变。因为采用多泵并联恒压供水，变频泵的功率降低，从而可以降低多泵并联变频恒压供水系统的能耗，改善节能状况。当多泵并联恒压供水系统采用具有自动睡眠功能的变频器，当用水流量接近于零，变频泵能自动睡眠停泵，从而可以做到不用水时自动停泵而没有能量损耗，具有最佳的节能效果。多泵并联变频恒压变量供水的工作模式通常是这样的：当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量，由一台变频泵调速恒压供水；当用水流量增大，变频泵的转速自动上升；当变频泵的转速上升到工频转速，为用水流量进一步增大，由变频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供的流量是恒定的(工频转速恒压下的流量)，其余各并联工频泵按相同的原理投入。在多泵并联变频恒压变量的供水情况下，当用水流量下降，变频调速泵的转速下降(变频器供电频率下降)；当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之超出并联供水。为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击(水力的或电流的冲击)。在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在超出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。上述频率自动上升，下降由供水变频控制器控制。另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式。在这种供水模式中，当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流量增大，变频泵的转速升高。当变频泵的转速升高到工频转速，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电(不通过变频器供电)。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。这就是循环软启动投入方式。当用水流量减少，各并联工频泵按次序关泵超出，并泵超出的顺序按先投入先关泵超出的原则由变频控制器单板计算机控制。由上述可见，对于变频恒压变量给水通常有两种工作模式，一是变频泵固定方式，二是变频循环软启动工作方式。在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或超出的。因为变频泵固定不变，当用水流量变化，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。为了均衡各水泵的运行时间，对于变频泵固定运行方式，可以设计成变频泵定时轮换运行方式。即当*一台变频泵运行一定时间后，由变频控制器控制变频泵自动进行轮换。例如：开始时1泵变频，2泵工频，当1泵变频运行T时间后(T可按序设定)自动轮换为2泵变频，1泵工频；在此状态下运行T时间后自动轮换为1泵变频，2工频，。如此反覆进行定时轮换。显然，具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统，变频泵是定时改变的，即任何一台并联泵都有可能成为变频泵。由变频恒压变量供水理论可知，为了保证恒压供水，变频泵必须是各并联泵中的最大者。为此，对于变频恒压供水并变频泵自动定时轮换的水机，各并联水泵的大小应相同以保证恒压供水。按变频器工作原理，在运行中的变频器不允许在其输出端进行切换；否则在切换过程中会使变频器中的*些电子器件受到大电流冲击而降低其寿命。在变频泵自动轮换过程中，要在变频器的输出端进行切换；为了保护变频器，在进行自动切换之前应使变频器停止运行。在变频器停止运行的条件下，在其输出端进行切换。在切换好后再重新启动变频器而恢复正常运行。因此，自动轮换控制的电路比较复杂，会增加变频控制柜的造价并降低其使用可靠性。当变频恒压变量供水系统具有变频泵自动轮换功能，其优点是各并联泵可定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡。但是，在任一台泵变频运行时，万一水泵故障有可能使变频器保护跳闸而停止工作。各并联水泵是由变频器控制运行的；当变频器跳闸，必然使所有并联水泵停机而中断供水。因此，当水泵的可靠性一定，具有自动轮换控制功能的变频恒压供水机的供水可靠性将低于不具备自动轮换控制功能的变频恒压供水机。笔者认为，供水可靠性是主要矛盾。因此我们不主*采用具有自动轮换控制功能的变频恒压给水系统。多泵并联，循环软启动的变频恒压给水系统，同样存在上述变频恒压自动轮换工作模式的缺点。为了保证恒压供水，同样要求各并联泵的大小相同。综上可述，为保证供水可靠性，不主*采用自动轮换和变频循环软启动的工作模式。清华紫光集团自动化工程部在其ABB恒压供水系统用户手册中说，“循环软启动!这是一个危险的诱惑，很多搞恒压供水的人热衷于发展此项技术，但我们的建议是否定的。”我赞同清华紫光集团自动化工程部的上述学术见解，不热衷于搞变频循环软启动供水。由水泵管路供水原理可知，当节流损耗等于零，则供水系统具有最佳的节能效果，此时水泵的供水扬程完全消耗在供水高度和供水流阻损失上。这种变频调整供水称为理态的变压变量供水，这种供水系统的扬程流量曲线和管路系统的流阻流量曲线重合。在理想的变压变量供水系统中，在用水点，其扬程恒定，属于恒压供水。在实际建筑中，用水点是多处，不是一处，因此很难确定何处是恒压用水点。变压变量供水系统没有通用性，在工程上很少应用。一种实用的变压变量供水系统叫做准变压变量供水系统；在准变压变量供水系统中，其恒压值随用水流量增加而跃阶上升。例如多泵并联恒压供水，当一台泵工作，其恒压值为P1；当投入一台泵，其恒压值自动变为P1P1；当二、三、四台泵投入，其恒压值分别自动变为P1P1P2，P1P1P2P3，P1P1 P2P3P4，。其中P1，P1，P2，P3，P4， 可按需要设定；因此，准变压变量系统(设备)的供水特性可以十分接近理想的变压变量供水特性，具有优良的节能效果，这种供水系统(设备)具有通用性。例如国际上著名的ABB供水专用变频器就具有上述的准变压变量供水控制功能。事实上，在建筑供水当中，准变压变量供水模式也很少应用，因为在实际使用当中，很难给出P1，P2，P3等等的具体参数。1.1.4 变频调速在供水中的应用作为交流变频调速装置的一个代表，变频器恒压供水装置技术己经成熟，在市场上得到良好反映，从节能运行到系统稳定可靠得到社会认可。该系统伴随着控制器和变频器的发展技术也不断更新和发展。就控制器来说，其发展经历了从继电器逻辑，到单片机、PLC，再到专用控制器等几步。从变频器调速来说，其发展经历了多段速度控制、模拟量给定控制到专用控制器。每一步发展都意味着更新更好的器件代替传统方式。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，月水少时供水也少，从而可提高了供水的质量。为了提高供水质量，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水设备，起动平就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。还可以消除起动称停机时的水锤效应。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，将使供水系统实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率运行的目的。综上所述，变频调速给水在建筑给水中应用越来越广泛，其主要原因是:1.变频调速给水的供水压力可调，可以方便地.满足各种供水压力的需要。2.目前，变频器技术己经成熟，在市场上有很多国内外品牌的变频器，这为变频调速提供了充分的技术和物质基础。3.变频调速恒压供水具有优良的节能效果。1.2 研究环境本文的研究环境是Windows2000操作系统，PC机的硬件配置如下:硬盘:40G内存:128MCPU: PIIII.OG网卡:3 Fast EtherLink *L 10/100Mb T* Ethernet NIC1.3 本文的组织结构本文组织如下:按照论文的选题背景、目的和意义以引言开始，介绍了基于AT89C51的变频恒压供水控制器的总体设计方案。包括硬件系统的设计、软件系统的设计以及系统的抗干扰设计。其中，软件系统设计主要是根据各模块的程序流程图，应用单片机编程语一言C51来完成的。自整定PID在变频恒压供水控制器中的应用及组太王仿真。主要是将PC机与变频器相结合，来实现PID参数的自整定。然后是变频恒压供水控制器与 PC位机的通讯界面的设计。主要是应用目前比较流行的组态软件组态王(Kingview)建立一个功能齐全、可实际使用的上位机监控系统。最后总结全文并展望今后的研究工作。我设计的论文就是按以上的顺序进行开展。第 2 章 基于AT89C51的变频恒压给水控制器的设计2.1 系统概述及控制原理给水行业为贯彻城市供水行业2000年技术进步发展规划中提出的“二提高三降低”(即提高供水水质，提高供水安全可靠性，降低能耗、降低漏和降低药耗)的奋斗目标和要求。由此，住宅小区的给水系统己逐渐取消了高位水箱，而采用变频调速供水，克服了传统供水方法的缺点。这种供水方式既满足供水安全，又避免水质的二次污染。对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。目前的自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用以单片机为基础的供水控制器，因单片机系统不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的LED显示、故障报警等功能。给水控制器采用单片机技术，具有锅炉给水、采暖循环、恒压给水等多种可选方式。本设计仅要求具有带缺水保护，两泵循环启、停的恒压给水功能。自动恒压供水系统还具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失。根据反馈原理:要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引入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，现代控制和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*围较小时采用PID来保持静态精度。 控制原理为： 该变频恒压供水控制器以单片机为核心，在水泵的出水管道上安装一个压力传感器，用于检测管道压力，并把出口压力变成05V或420mA的模拟信号，送到单片机系统的A/D转换输入端，在经A/D转换成相应的数字信号，送入单片机进行数据处理。单片机经过运算后与设定的压力进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数，经D/A转换成05V或510V的模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的目的。当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率升高，电机转速加快，管道压力升高；反之，频率降低，电机转速减小，管道压力降低。其变换过程可以表示如下：检测压力控制器输出变频器频率电机转速反之相反，最终达到恒压给水。2.1.1 系统的组成系统由变频器、控制器、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。它可同时对一台或多台三相380/220V, 50/60Hz异步电动机行变频调速和闭环控制，其系统组成示意图如图2-1所示。图2-1自动恒压供水系统结构框图 从上图中我们可以看到，自动恒压供水控制系统的基本控制策略是:采用电动机调速装置与供水控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压勺的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定: 供水压力和节约电能的目的。 整个系统的具体工作流程为:系统通过安装在出水总管上的压力传感器，将供水管网的非电量信号(动态压力)转变成电信号，输入至供水控制器的输入模块，信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出偏差值，再经过PID处理得出最佳的运行工况参数，并将其转换成模拟信号，由系统的输出模块输出变频器的频率设定值至变频调速器，变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力值趋向于设定压力值，从而实现闭环控制的恒压供水。.对于多台泵调速的方式，控制器控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统通过计算判定目前是否己达到设定压力，决定是否增加(投入)或减少(撤出)水泵。即:当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压仍达不到预设水压，则将此台泵切换到工频运行，变频器将自动启动下一台水泵，控制其变频运行。此后，往复工作，直至满足设定压力要求为让:反之，若管网水压大于预设水压，控制器控制变频器频率降低，使变频泵转速降低，当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保待恒定。进入消防运行时，按下消防按扭，所有水泵逐台切入工频运行保证消防用水压力，用户可在适当地方外加消防按扭，以保证迅速切入工频状态。总之，系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循坏运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。 下面我们对系统的各组成部分分别加以介绍:由水泵管道供水原理可知，调节供水流量原则上有两种方法:一是节流调节，开大供水阀，流量上升，关小供水阀，流量下降。第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加;转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合（例如生活用水），采用调速调节流量，具有优良的节能效果，本文所采用的就是后一种方法，即调速调节方法。水池:在这我们所要做的工作是对其水位进行监测，当水位过低时，就产生报警信号，再通过继电器把报警信号传给单片机，单片机控制报警灯亮同时一发出报警声，同时停泵保护。水泵:水泵电机是输出环节，转速由变频器控制，实现变流量恒压控制。在这些水泵中，一般只有一台变频泵。当供水设备供电开始工作时，先起动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在一定的数值上。每台水泵均采用星-星的启动方式，各水泵之间实行变频循环软起动。软起动可减小电动机硬起动(即直接起动)引起的电网电压降，使之不影响其它电气设备的正常运行，可减小电动机的冲击电流，冲击电流会造成电动机局部温升过大，降低电动机寿命，可减小硬起动带来的机械冲力，冲力加速所带来的传动机械(轴、啮合齿轮等)的磨损，减少电磁干扰，冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。软起动使电动机可以起停自如，减少空转，提高作业率，因而有节能作用。传感器:将其安装在水池与用户之间的出水管道上，它的任务是实时地测量参考点的水压检测管网出水压力，并将其转换成4-20mv的电信号，再将此信号传给A/D芯片进行处理。变频器:它的作用是接收PID控制器的信号，为水泵电机提供可变频率的电源。供水控制器:这是本文的主要研究内容，将在后面的章节详细地加以论述。2.1.2 设计方案及系统优点通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定的压力进行比较，得出一比较参数，送给变频器，由变频器控制电机的转速，调节系统的供水量，使供水管网上的压力保持在给定的压力上，当用水量超过一台泵的供水量时，通过单片机控制进行加泵。根据用水量的大小由计算机控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。变频恒压供水系统中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无极调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需求的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种方法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输出给变频器一个转速调节信号，供水设备控制12台水泵，在这些水泵中，只有一台变频泵。当供水设备供电开始时，先启动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在这一数值上。而当用水量增加，水压降低时，传感器将这一信号送入PID回路调节器，PID回路调节器则送出一个比用水量增大的信号，使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能使管网水压达到设定值，PID回路调节器就发出控制信号，启动一台工频泵，其他泵依次类推。反之，当用水量减少，变频器的频率达到最小值时，则发出减少一台工频泵的信号，其他泵依次类推。由于变频器的转速控制信号是由PID回路调节器给出的，所以对系统来讲，要有模拟量输入接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带模拟量输入/输出接口技术，则要在数字量输出口另接一块PWM调制板，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出接口的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出接口的可编程控制器差不多。所以，在变频器调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。本设计具有以下特点：1、恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。 2、由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。 3、因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。 4、水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。 5、由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。控制系统的工作原理：供水管网中的流量和压力是随着用户用水量的改变而不断变化的，而改变泵电机的转速就可以提高供水压力或减少供水压力。所以，为了保持出口供水压力恒定就必须根据用水量的大小不断改变电机的转速。三相交流电机的转速公式为: 式中n为电机转速，f为定子供电频率，s为转差率，P为电机的极对数。由公式可见，水泵转速n正比于供电频率，因此，连续地改变电机定子的供电频率就可以平滑改变电动机的转速，从而达到调节速度的目的。由流体力学知:管网压力P，流量Q和功率N的关系为N=PQ，而功率与水泵电机转速n成三次方的正比关系。图2-2中的n族曲线为不同功率(转速)一下水泵的P=F(Q)特性曲线上的不同点，其管阻是不同的。因为有公式:式中，K为管阻系数，对*恒定管阻，K为常数，图2-2中族曲线为不同管阻时的p=F（Q）曲线，同一曲线上的不同点，其功率是不同的。图2-2水泵的特性曲线 图2-3恒压过程分析图由图2-2可见:设定压力值为Po，初始用水量为Q1恒压过程分析图，工作点位检a1，可假定用户需要用水量为Q2，打开阀门(可定打开时间t)，管阻将突然变化，点a1将沿n1线下降，在未下降至a1之前，压力传感器己将检测到的下降压力P转换成电信号输往PID控制器，经比较处理后，输出一个令变频器频率升高的信号，从而水泵转速升高，工作点不会降至a1，而是沿着Beita曲线升至a4，达到新的稳态。实际上，用水量是不会突变的。管阻不会一下下降很多，实际工作情况如图2-3所示，管阻变化时间和系统的响应时间决定。为了保持电机在转速时最大转距不变，需要维持磁通恒定这就要求锭子供电电压也作相应的调节，而VVVF变频器可以满足这个要求。根据上述分析和用户要求设定供水压力，并在供水出口处设置压力传感器，随时检测用户用水情况，然后将检测的压力与设定压力相比较，经控制器运算，输出通过变频器改变泵电机转速，使输出压力始终保持恒定压力，其闭环控制原理如下： 图2-4 变频恒压供水系统闭环控制系统框图2.2 控制的硬件系统设计2.2.1 硬件总体说明整个系统电控部分以ATMEL公司的AT89C51为核心芯片，这种芯片内置有4K的EPROM，具有控制信号采集、处理、输出三个功能。因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则会造成控制线不够;而AT89C51却可以利用P0, P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大地提高。其硬件结构框图如图2-6所示。硬件原理框图如图所示。图2-5变频恒压供水系统的硬件结构框图下面详细介绍一下各部分硬件电路的组成和功能。2.2.2 系统的显示部分在单片机应用系统中，LED显示常用两种方法:静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个LED都要占用单独的具有锁存功能的I/0接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。可以提供单独锁存的I/0接口电路很多，我们这里用到的是常用的串并转换电路74HC164，来与AT89C51单片机和共阴极数码管LED组成静态显示电路。本恒压供水系统的显示部分就是采用AT89C51单片机与74HC164的静态显示接口电路。具体电路如图2-7所示。采用4片74HC164分别驱动4片LED, LED的显示方式为静态显示方式，AT89C51的串行口工作于方式0，即移位寄存器方式。把AT89C51的R*D作为数据输出线，T*D作为移位时钟脉冲。TA89C51单片机芯片如下图：图26 AT89C51单片机芯片 AT89C51内部有4K闪烁存储器，芯片本身就是一个最小系统。这重芯片构成的最小系统，简单可靠，与8031系统相比，本系统省去了外扩展存储器的工作。但本系统也有不足，就是该最小系统只能应用与一些数字量的检测单元，如本设计。本设计还用到一些其他组成部分：74HC164为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。其中A,B(第1, 2脚)为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，有一个输入信号时可并接。T(第8脚)为时钟输入端，可连接到串行口的T*D端。每一个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74HC164中。R(第9脚)为复位端，当R=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。Q1.Q8(第3-6和10-13引脚)并行输出端分别接LED显示器的各段对应的引脚上。在给出了8个脉冲后，最先进入74HC164的第一个数据到达了最高位，然后再来一个脉冲，第一个脉冲就会从最高位移出。从电路图中我们可以看到，4片74HC164首尾相串，而时钟端则接在一起，这样，当输入8个脉冲时，从单片机R*D端输出的数据就进入到了第一片74HC164中了，而当第二个8个脉冲到来后，这个数据就进入了第二片74HC164，而新的数据则进入了第一片74HC164，这样，当第六个8个脉冲完成后，首次送出的数据被送到了最左面的74HC164中，其他数据依次出现在第一、二、三片74HC164中。这样就完成了LED的显示功能。2.2.3 按键接口电路的设计本系统采用独立式按键，独立式按键的各按键相互独立，每个按键都有一个输入线，各按键的状态互不影响，CPU需对按键状态分别检测，只适用于按键数量较少的场合。独立按键与单片机接口电路如图2-8所示。在此电路中，按键输入部分采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的电平。 在扫描时，先读取PO口的低四位，若*位为低电平，应先延时10ms，然后再读取该位，如果读得的值仍为低电平，可确认此键已按下，然后调用该键的按键处理子程序，各键的优先级别由软件安排。2.2.4 单片机借口电路与MC1413集成电路图2-7按键与单片机接口电路图 MC1413为七达林顿结构非门，具有集成度高、性能可靠、静态功耗电流低、抗干扰能力强等特点，其工作电压*围3-18V，输出电流200mA，由于输入阻抗高，故输入电流在1 uA以下，最高时钟频率可达l0MHz 。利用MC1413和继电器组形成简单的“0-1”装置来控制水泵电机的起停和报警信号。2.2.5 EEPROM93C46在供水控制器中的应用93C46提供1024位串行EEPROM，它有省空间的8脚PDIP,8脚JEOE和EIAJSOIC封装形式，其8脚PDIP封装。 93C46是一个有128字节的串行EEPROM，可以是8位或16位的存储模式。当6管脚与8管脚（Vcc)相连时，内部组态为64*16位，当6管脚与5管脚(GND )相连时，内部组态为128*8位。用来保存开机设定时的原始参数，这样当系统掉电时，设定的数据能永久保存，再开机上电时无需再重新设定参数，即可以运行于掉电前的状态。如果我们不使用Plug and Play方式，则从12h到7fh地址空间可以用来存储用户自己的数据.用户可以在12-7f里写入任何的数据.这样就可以节省用户自己的EEPROM。2.2.6 定时复位电路图2-8 EEPROM93C46 图2-9定时复位电路 采用NE555组成的硬件定时复位电路，可以有效防止程序死机现象提高了系统的抗干扰性能。(如图2-11所示)复位电路每一秒钟向AT89C51的RESET端发出复位信号。根据程序的需要，通过AT89C51的P0.4可以随时控制复位电路的起动和停止，当P0.4=0时NE555的2引脚为低电平，停止复位:当P0.4 =1时NE555的2引脚为高电平，起动复位。2.2.7 锁存电路74LS273用于对继电器输出状态硬件锁存，(如图2-10所示)同时在74LS273的CLEAR管脚外接了RC电路，用于开机上电时清零以防止输出状态被干扰。74LS273用于对继电器输出状态硬件锁存，(如图2-10所示)同时在74LS273的CLEAR管脚外接了RC电路，用于开机上电时清零以防止输出状态被干扰。2.2.8 数模(D/A)和模数(A/D)转换电路由于系统要求的响应速度并不快，因此系统A/D输入采用8位串行TLC0831逐次逼近模数转换器(如图2-13所示)，这样可以节省AT89C51的I/O口，并可降低成本。图2-10锁存电路74LS273 图2-11模数转换电路TLC0831D/A输出电路采用了光电隔离式D/A输出，并采用了LM358双运放组成D/A输出及驱动电路，具体D/A电路如图2-12所示。图2-12光电隔离式D/A输出 P3.3定时输出占空比与频率相对应的PWM调制信号，通过二极运算放大器后，在LM358的第7引脚输出与频率相对应的电压信号。在输出端调节电位器可以调整输出电压的大小，两放大器之间的RC电路起到滤波的作用。2.3 软件系统设计恒压供水控制器对生活供水、消防供水系统进行监控，要求软件具有高可靠性、高稳定性、高抗干扰能力，检测信号准确，有良好的动静态性能，该软件按结构化流水设计，分为若干功能模块，采用C语言编写，并利用wave仿真器同时结合硬件电路对其逐一来进行调试。该控制系统的软件主要由附录的子程序构成。2.3.1 独立按键程序设计键盘的设计要求是:能检测是否有键按下，并判断是哪个键;键按下或松开操作都应等到键抖动消失后再执行;有两个键或者更多键同时按下时，都不执行。键盘程序难点在于，在软件中必须妥善解决键盘扫描、去抖动、多键同时按下等问题。1、连连击是指操作者按下*一键但没有释放该键，则该键对应的功能将反复被执行，好像操作者在连续操作该键一样。由于单片机的速度较快，这种情况很容易发生。连击在很多情况下是不允许的，它使操作者很难准确地进行操作。解决连击的关键是一次按键只让它响应一次，该键不释放就不执行第二次。2、按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。我们采用软件延时的方法来避开抖动阶段，在延时开始和结束时读取线状态，如果一致，则判断有键按F。延时时间为lOms.键盘的设计要求是:能检测是否有键按下，并判断是哪个键;键按下或松开操作都应等到键抖动消失后再执行;有两个键或者更多键同时按下时，都不执行。键盘程序难点在于，在软件中必须妥善解决键盘扫描、去抖动、多键同时按下等问题。2.3.2 显示子程序其功能是显示系统的到计时数，以及各功能参数。利用查询方式编制的部分显示子程序如附录1所示:其中，timer(100)为延时1s子程序。该程序的功能是:在数码管上依次显示CC20, CC19CC00(也就是显示开机倒计时数)，时间间隔为1s.2.3.3 模数转换(A/D压力数据采集)子程序该程序用于把压力传感器送过来的模拟信号变化成数字信号，见附录。2.3.4 系统的主程序流程图2.4 系统抗干扰措施因系统工作的电源环境比较恶劣，同时变频器也辐射电磁波，因此需采用多种抗干扰措施，使系统的运行可靠性得到保证。2.4.1 硬件抗干扰技术干扰是单片机应用系统故障的主要原因之一。工业应用环境干扰纷杂，因此采用抗干扰措施也能有效提高系统可靠性。硬件抗干扰技术是系统设计时的首选，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输渠道。只要合理布置与选择有关参数，适当的硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰。常用的硬件抗干扰措施有:滤波技术，去电技术，隔离技术及接地技术。其中光电隔离技术是指:是由光电器件来完成的，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置感光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。此外，他还能起到很好的安全保障作用。由于光电藕合器是以光为媒介进行间接祸合，所以具有较高的电气隔离和抗干扰能力。本控制系统中我们用到的抗干扰技术有: (1)采用效率高、抗干扰能力强的开关电源供电; (2)输入输出均经光电隔离，不与CPU电源共地; (3)印刷电路板的设计采用特定规则，并覆盖屏蔽层; (4)控制信号连接采用屏蔽线，屏蔽层良好接地;传输线选用双绞线，对线电阻、电压产生的干扰有很强的抑制效果; (5)在继电器输入端增加了续流二极管，增加了硬件锁定及电源滤波电路。2.4.2 软件杭干扰技术窜入单片机测控系统中的干扰，其频谱往往很宽，而且具有随机性，采用硬件抗干扰措施，只能抑制*个频率段的千扰，仍有一些干扰会侵入系统。因此，还需要采用软件抗干扰措施。叠加在系统被测模拟输入信号上的噪声干扰，会异致系统较大的测量误差，可以通过软件滤波来抑制干扰量，使程序自恢复。此外，当系统受到干扰后，往往使可编程的输出端口状态发生变化，因此可以通过反复将这些端口定期重写控制字和输出状态字，来维持既定的输出端口状态不变。如果窜入系统的干扰作用于CPU部位时，其后果更加严重，将使系统失控。最典型的故障是破坏程序计数器PC的状态，导致程序从一个区域跳转到另一个区域，或者程序在地址空间内乱飞，或者陷入死循环。工业应用中，因PC受干扰而引起程序失控的后果是十分严重的。本系统采用的定时复位软件设计方案，可以消除程序运行时的死机现象。2.5 变频恒压供水控制器的性能特点1.高效节能优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行。由电机学公式可知，系统电机功耗与电机转速成立方关系，在压力不变时，水泵出水量与电机转速成正比。本设备采用恒压量工作方式，当用水量减小时，系统保持管网恒压，通过降低水泵转速来减少供水量，耗电量按立方特性降低。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。2.设备投资省、占地面积小本系统与其它供水方式比较，由于主要设备只是控制柜及水泵，省去了大量的设备占地面积，从而大幅度节省了土建投资，而且就设备本身而言，供水量越大，采用变频恒压供水设备的价格优势就越显著。3.设备运行合理、可靠性高、配置灵活采用闭环调节控制技术，达到了恒压供水，避免了由于超压供水造成的电能浪费。变频器采用软起动工作方式，消除了直接起动对电网的冲击和干扰，彻底避免了水泵启动时大电流和水压突增的情况，.减少对供电电网的冲击，降低了电机及电气元件的故障率。由于系统自身检测及保护功能完备，延长机泵和阀门管网的使用寿命。该设备可控制1-2台泵，从而使变频容量得以降低。由于是软起和软停，电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。模拟和数字信号全部采用光隔离，全面提高电磁兼容性。4.自我保护功能完善该系统性能可靠，而且对输入电源欠压、过压、缺相，对水泵电机的过电流、短路均有保护功能。如*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。5操作维护简便按键操作，数字显示，非专业人员也可以方便地操作本装置，专业人员可以本说明书为指南，方便地对设备进行性能测试和简单维护。6.联网功能采用全中文工控组态软件Kingview，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。7.减少污染由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。2.6 恒压供水设备的应用场合1、居民区、住宅楼、村镇的集中生活供水系统。2、高层建筑、宾馆、饭店等生活供水系统。3、综合市场、写字楼、商务楼宇的生活供水系统。4、自来水厂、供水加压泵站。5、工矿企业的生产、生活供水、恒压流量供水工艺流程等。第 3 章 变频恒压供水控制器在PC上位机的通讯分布式控制系统(DCS )是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种控制技术。随着计算机技术的发展，分布式控制系统作为一种比较先进的控制技术，已经广泛应用于电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等多种工程领域。在分布式控制系统中，由于大量控制设备和过程监控装置之间的通讯的需要，监控和数据采集系统越来越受到用户的重视，从而导致组态软件的大量使用。目前市场上组态软件种类繁多，粮莠不齐，我们选用了亚控公司推出的组态软件最新版本Kingview6. 00，来进行变频恒压供水控制器实验装置上位机监控系统的软件组态工作。利用来实现实验装置的数据采集、Kingview6.00自动化组态软件和外围控制采集电路数据处理及实时监控。AT89C51的数据分段传送给上位机，在上位机再重新组合，绘出图形。将前端设备采集来硬件只需利用一个fZS232接口。利用计算机可以监测压力也可以控制变频器的各类参数。3.1 Kingview组态软件简介组态王是运行在Windows98/NT/2000上，用户可以快速构造生成上位机监控系统的组态软件包，他方便地构造适应自己需要的数据采集系统，在任何需要的时候把现场的信息实时地传送到控制室，保证信息在人与现场之间的畅通。使现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高劳动生产效率。Kingview6. 00为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、动画显示、报表输出等组态工作的操作平台。它具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC+编程，