畢業(yè)設計（論文）交流變頻恒壓供水控制器的設計

1、目 錄摘要ivabstractv第一章 前言1.1交流變頻恒壓供水控制器的研究背景及意義1.1.1課題提出的背景和意義1.1.2交流變頻技術的發(fā)展1.2變頻調速在恒壓供水中的應用1.3恒壓供水器的基本組成1.4 本文的主要工作第二章 變頻調速技術概況2.1 變頻調試技術的原理2.2 了解國內外交流變頻調速系統(tǒng)技術發(fā)展情況2.3 變頻器的控制方式2.4 變頻節(jié)能調速理論2.5 變頻調速系統(tǒng)的效率分析2.5.1 變頻器的效率與損耗2.5.2 變頻調速后電動機效率的變化2.5.3 變頻器的pid組成部分2.6 變頻器的基本組成第三章 基于at89c51的變頻恒壓供水控制器的總體設計3.1 控制系統(tǒng)的

2、工作原理3.2 系統(tǒng)的控制原理3.3 控制器的硬件系統(tǒng)設計3.3.1 硬件總體說明3.3.2 系統(tǒng)的顯示部分3.3.3按鍵接口電路的設計3.3.4 mc1413集成電路3.3.5 eeprom93c46在供水控制器中的應用3.3.6 定時復位電路3.3.7 鎖存電路3.3.8 數(shù)模（d/a）和模數(shù)（a/d）轉換電路3.4軟件系統(tǒng)設計3.4.1獨立按鍵程序設計3.4.2 顯示子程序3.4.3系統(tǒng)的主程序流程圖3.5 系統(tǒng)抗干擾措施3.5.1 硬件抗干擾技術3.5.2 軟件抗干擾技術3.6 變頻恒壓供水控制器的性能特點第五章 結束語參考文獻附錄致 謝交流變頻恒壓供水控制器的設計摘要近年來，隨著城市

3、居民區(qū)的不斷擴建與改造，樓房層數(shù)的不斷加高，我國居民用水難的問題越來越突出，原有的自來水管網(wǎng)的壓力出現(xiàn)了不足，用水困難給生活帶來極大不便。為解決上述問題，本文研制了交流變頻恒壓供水控制器。該控制器是以at89c51為核心，并與變頻器、壓力傳感器等器件有機結合起來，構成了變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以管網(wǎng)水壓為設定參數(shù)，通過控制變頻器的輸出頻率來自動調節(jié)水泵電機的轉速，并根據(jù)用水量的大小由單片機控制水泵數(shù)量及變頻器對水泵的調速，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調節(jié)，即恒壓供水。針對供水系統(tǒng)難以為被控對象確定精確的數(shù)學模型、水壓精度要求不太高的特征，本文提出的是一種基于模糊pid的恒壓供水控制方案。并利用matl

4、ab對其模型進行仿真，仿真結果說明了將模糊控制與pid控制相結合時，系統(tǒng)響應曲線沒有超調，系統(tǒng)的建立時間比較短，抗干擾能力強，是一種魯棒性很強的控制器。此外， 為了方便遠程監(jiān)控，我們還選用了北京亞控公司推出的組態(tài)軟件kingview6.00，來進行變頻恒壓供水控制器實驗裝置上位機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件組態(tài)工作。基于king view開發(fā)環(huán)境下的工程組態(tài)，界面友好、易于操作，圖形形象豐富.能以動畫的形式實時顯示現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)。綜上所述 ，交流變頻調速恒壓供水是現(xiàn)代化城市和生活小區(qū)供水的發(fā)展方向。采用單片機控制的變頻供水系統(tǒng)具有實現(xiàn)容易、價格低廉等特點，是較理想的控制器。關鍵詞：恒壓供水系統(tǒng) 交流變頻

5、vvvf consant-pressure water-supply controllerabstractin 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 in

6、convenience 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-s

7、tarting and timing cutting. the software adopts the dynamic digital filter skills. it has completed protective functions.in the light of that the excise mathematical model of water supply system is difficult to find and no more request for the control precision, this paper put forwards a fuzzy-pid d

8、esign for water supply under constant pressure. and also simulate the system with matlab, the simulation result shows that this compound control system has more significant robustness. moreover, the configuration monitor software- -king view is also introduced. the data acquisition and control schem

9、e are analyzed.sum up the above, the vvvf constant-pressure water supply controller is the development direction of modernization city and communitys 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: w

10、ater supply system under constant pressure, fuzzy self-tuning pid king view第一章 前言1.1交流變頻恒壓供水控制器的研究背景及意義1.1.1課題提出的背景和意義近年來，隨著居民區(qū)的不斷擴建與改造，樓房層數(shù)的不斷加高，我國居民用水難問題越來越突出，特別是高層建筑居民，原有的自來水管網(wǎng)的壓力出現(xiàn)不足，大部分地區(qū)普遍存在著用水高峰期高層供不上水，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問題，給生活帶來極大不便,這種用水難問題在大城市表現(xiàn)尤為突出。針對上述問題，本文研制了變頻調速恒壓供水控制器，該控制器是以管網(wǎng)水壓為設定參數(shù)，通過控制變頻器的輸

11、出頻率從而自動調節(jié)水泵電機的轉速，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調節(jié)(piu)，使供水系統(tǒng)自動恒穩(wěn)于設定的壓力值。即用水量增加時，頻率升高，水泵轉速加快，供水量相應增大，當用水量超過一臺泵的供水量時，通過控制器加泵:用水量減少時，頻率降低，水泵轉速減慢，供水量相應減小。也就是根據(jù)用水量的大小，由供水控制器控制水泵數(shù)量以及變頻器對水泵的調速，來實現(xiàn)恒壓供水。同時達到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。采用該供水系統(tǒng)不需建造高位水箱，水塔，水質無二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水方案。此外，恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)

12、品質量，嚴重時使產(chǎn)品報廢和設備損壞。又如發(fā)生火災時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。1.1.2交流變頻技術的發(fā)展交流變頻調速技術是集電子、自動控制、微電子、電機學等技術組成的一項先進技術。它以其優(yōu)異的調速性能、顯著的節(jié)能效果被廣泛應用在各個領域，是電氣傳動的發(fā)展方向。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，電力電子器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量、耐壓、特性和類型等方面得到了很大的發(fā)展，變頻調速技術已日臻完善。進入90年代電力電子器件向著大容量、高頻率、響應快、低損耗的方向發(fā)展。作

13、為應用現(xiàn)代電力電子器件與微型計算機技術有機結合的交流變頻調速裝置，隨著產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新和推廣應用，使得交流異步電動機調速領域發(fā)生一場巨大的技術革命。交流變頻調速裝置不僅僅可以大幅度節(jié)能，而且在改善機械性能、實現(xiàn)完善的自動控制、環(huán)境保護等多方面都有顯著的效果?，F(xiàn)代樓宇自控中，采用變頻調速技術將會改善系統(tǒng)的品質，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。1.2變頻調速在恒壓供水中的應用作為交流變頻調速裝置的一個代表，變頻器恒壓供水裝置技術已經(jīng)成熟，在市場上得到良好反映，從節(jié)能運行到系統(tǒng)穩(wěn)定可靠得到社會認可。該系統(tǒng)伴隨著控制器和變頻器的發(fā)展技術也不斷更新和發(fā)展。就控制器來說，其發(fā)展經(jīng)歷了從繼電器邏輯，到單片機、plc,再

14、到專用控制器等幾步。從變頻器調速來說，其發(fā)展經(jīng)歷了多段速度控制、模擬量給定控制到專用控制器。每一步發(fā)展都意味著更新更好的器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)方式。用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，壓力低;用水少而供水多，壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質量。為了提高供水質量，以變頻調速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊。由于泵的平均轉速降低了，從而可

15、延長泵和閥門等東西的使用壽命還可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達到高效率運行的目的。綜上所述，變頻調速給水在建筑給水中應用越來越廣泛，其主要原因是：1.變頻調速給水的供水壓力可調，可以方便地滿足各種供水壓力的需要。2.目前，變頻器技術己經(jīng)成熟，在市場上有很多國內外品牌的變頻器，這為變頻調速提供了充分的技術和物質基礎。3.變頻調速恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果。1.3恒壓供水器的基本組成系統(tǒng)有變頻器、控制器、傳感器、水泵電機及相關電氣控制設備集成而成，是一種具有變頻調速和全自動閉環(huán)控制功能的機電一

16、體化智能設備。它可同時對一臺或多臺三相380/220v、50/60hz異步電動機進行變頻調速和閉環(huán)控制。 自動恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采樣電動機調速裝置與供水控制器構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行，并自動調速整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的循環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。 整個系統(tǒng)的具體工作流程為：系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器。將供水管網(wǎng)的非電量信號（動態(tài)壓力）轉變成電信號。輸入至供水控制器的輸入模塊，信號經(jīng)單片機運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出偏差值，再經(jīng)過pid處理得出最佳的運行工作狀況參數(shù)，并將其轉化成模擬信號，由系統(tǒng)的輸出模

17、塊輸出變頻器的頻率設定值至變頻調速器，變頻調速器控制水泵的轉數(shù)來調節(jié)管網(wǎng)內的實際壓力值趨向與設定壓力值，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制的恒壓供水。對于多臺泵調速的方式，控制器控制泵站投運水泵的臺數(shù)及變量泵的運行工作狀態(tài)，并實現(xiàn)對每臺水泵根據(jù)cpu指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統(tǒng)通過計算判定目前是否已達到設定壓力，決定是否增加（投入）或較少（撤除）水泵。即：當一臺水泵工作頻率達到最高頻率時，若管網(wǎng)水壓達不到預設水壓，則將此臺水泵切換到工頻運行，變頻器將自動啟動下一臺水泵，控制其變頻運行。此后，往復工作，直至滿足設定壓力要求為止。反之，若管網(wǎng)壓力大于預設壓力，控制器控制變頻器頻率降低，使變頻轉速降低當頻率

18、低于下限時自動切掉一臺工頻泵或此變頻泵，始終使管網(wǎng)水壓保持恒定。進入消防運行時，按下消防按鈕，以保證迅速切入工頻狀態(tài)?？傊?，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循環(huán)運行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質量。1.4 本文的主要工作具體來講，本文的主要工作可以概括為以下幾點:1.進行市場調查了解用戶的需求，以及目前市場上流行的幾種變頻恒壓供水控制系統(tǒng)。2.進行系統(tǒng)的總體設計根據(jù)用戶需求和變頻恒壓供水控制器的基本原理對控制器進行總體設計，出系統(tǒng)整體框圖。3.系統(tǒng)的詳細設計根據(jù)系統(tǒng)整體框圖對系統(tǒng)進行硬件電路的詳細設計，選擇元器件，利用protel軟件繪制系統(tǒng)原理圖，并依據(jù)系統(tǒng)原理圖生成印刷電

19、路板。4.電路板的調試選擇合適的元器件焊在印刷電路板上，用單片機語言c51編制相應模塊的子程序(包括自整定pi。算法子程序)，利用wave仿真器逐一對各模塊進行調試:5.供水控制器與pc上位機的通訊界面的設計利用組態(tài)軟件-組態(tài)王(king view)根據(jù)應用的要求，來對上位機的監(jiān)控界面進行設計。第二章 變頻調速技術概況2.1 變頻調試技術的原理變頻調速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： ，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。三相異步電動機轉速公式為： 從上式可見，改變供電頻率f、電動

20、機的極對數(shù)p及轉差率s均可太到改變轉速的目的。從調速的本質來看，不同的調速方式無非是改變交流電動機的同步轉速或不改變同步轉兩種。在生產(chǎn)機械中廣泛使用不改變同步轉速的調速方法有繞線式電動機的轉子串電阻調速、斬波調速、串級調速以及應用電磁轉差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調速。改變同步轉速的有改變定子極對數(shù)的多速電動機，改變定子電壓、頻率的變頻調速有能無換向電動機調速等。 從調速時的能耗觀點來看，有高效調速方法與低效調速方法兩種：高效調速指時轉差率不變，因此無轉差損耗，如多速電動機、變頻調速以及能將轉差損耗回收的調速方法（如串級調速等）。有轉差損耗的調速方法屬低效調速，如轉子串電阻調速方法，能量

21、就損耗在轉子回路中；電磁離合器的調速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉差損耗隨調速范圍擴大而增加，如果調速范圍不大，能量損耗是很小的。2.2 了解國內外交流變頻調速系統(tǒng)技術發(fā)展情況變頻器是20世紀中葉發(fā)展起來的一種交流調速設備，是為了解決傳統(tǒng)的交流電動機調速困難，交變速設備結構復雜且效率和可靠性均不盡人意的缺點而出現(xiàn)的。由于其使交流電動機的調速范圍和調速性能均大為提升，因此交流電動機逐漸代替直流電動機出現(xiàn)在各個應用領域，甚至包括交流伺服系統(tǒng)控制領域。隨著電力半導體的長足發(fā)展，變頻器也隨之不斷進步。如今變頻器已經(jīng)深入日常生活，隨處可見其服務的影子

22、。交流變頻器的主要調速對象是交流電感電動機。變頻器在對交流感應電動機實施調速的過程中，輸出電壓和輸出頻率的變化必須遵守一定的規(guī)則。這就是通常所說變壓變頻（vvvf）的基本原則。2.3 變頻器的控制方式變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾經(jīng)出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖21所示的基本結構。圖21變頻器的基本結構變頻調速的控制方式經(jīng)歷了v/f控制、轉差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉矩控制。1、v/f控制異步電動機的轉速與定子電源頻率f和極對數(shù)有關，改變f 就可以平滑的調節(jié)同步轉速，但是頻率f的上升

23、或者下降可能會引起磁路飽和轉矩不足的現(xiàn)象，所以在改變f的同時，還需要調節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機的效率不下降，這就是v/f控制。v/f控制簡單，通用性優(yōu)良。2、轉差頻率控制 由電機學的基礎知識可知，異步電動機轉矩m與氣隙磁通、轉差頻率f2的關系為： (2-1)只要保持氣隙中磁通一定，控制轉差頻率f2就可以控制電動機的轉矩，這就是轉差頻率控制。3、矢量控制矢量控制是在交流電動機上模擬直流電動機控制轉矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應于直流電動機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠對轉矩進行控制，獲得和直流電動機一樣的優(yōu)良的調速性能。2.4 變頻節(jié)能調速理論1、

24、水泵工況點的確定以及變化 水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。如果把某一水泵的性能曲線（即h-q曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標系中（圖2-2），則這兩條曲線的交點a,就是水泵的工作點。 工作點a是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定在a點。若把水泵的效率曲線-q也畫在同一坐標系中，在圖2-2中可以找出a點的揚程ha、流量qa以及效率ha。從圖2-2中可以看出，水泵在工作點a點提供的揚程和管路所需的水頭相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一

25、旦當水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。另外確定工作點一定要保證水圖2-2 水泵工作點的確定工作點的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設計和運行管理中一個重要問題。交流電機轉速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機轉速，f為交流電頻率，s 為轉差率，p為極對數(shù)。 電機選定之后s 、p則為定值，電機轉速n和交流電頻率f 成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實現(xiàn)對電機變頻無級調速。在變頻調速恒水位供水過程中，水泵工況點的變化如圖23所 圖23水泵工況點的變化當p1、p2高于p0時，說明管網(wǎng)系統(tǒng)用水量減少，管路阻力特性曲線a1、a2 向a

26、0方向變化，此時水泵轉速逐漸降低，管網(wǎng)口壓力也由p2、p1逐漸下降，當p低于p0時，其工況點變化與上述相反即由a1逐漸向a0移動，使管網(wǎng)系統(tǒng)供水始終保持恒定。流量與轉速成正比： 轉矩與轉速的平方成正比： 功率與轉速的三次方成正比： 而且變頻調速自身的能量損耗極低，在各種轉速下變頻器輸入功率幾乎等于電機軸功率，由此可知在使用變頻調速技術供水時，系統(tǒng)中流量變化與功率的關系： 變額額 采用出口閥控制流量的方式，電機在工頻運行時，系統(tǒng)中流量變化與功率的關系：閥（.+.）額 其中，為功率 為轉速 為流量 根據(jù)2-4圖水泵變速恒壓工況分析：當管網(wǎng)用水由q2、q1.向q0移動時，通過改變水泵轉速使p0保持恒

27、定。由此可見從理論計算結果可以看到節(jié)能效果非常顯著，而且在實際運行中小區(qū)變頻恒壓供水技術比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有自動控制恒壓、無污染等明顯優(yōu)勢。而且新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)能自動地控制一至多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網(wǎng)用水量減少到單臺主泵流量的約1/6-1/8時，系統(tǒng)自動停止主泵，啟動小功率的休眠泵工作，保證系統(tǒng)小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節(jié)能。2.5 變頻調速系統(tǒng)的效率分析2.5.1 變頻器的效率與損耗變頻器效率是指其本身變換效率。就變頻器的兩種形式而言。交-交變頻器盡管效率較高，但調頻范圍受到限制，應用受到限制，目前通用的變頻器主要是交

28、-直-交型，其工作原理是先把工頻交流電通過整流器變換成直流，然后用逆變器再變換成所需頻率的交流電。所以變頻器的損耗有三部分組成，整流損耗約占40%，逆變損耗約占50%，控制回路損耗占10%。其前兩項損耗是隨著變頻器的容量、負荷、拓撲結構的不同而變化的，而控制回路損耗不隨變頻器容量、負荷而變化。變頻器采用大功率自關斷開關器件等現(xiàn)代電力電子技術，其整流損耗、逆變損耗等都比傳統(tǒng)電子技術中整流損耗力量小，根據(jù)文獻1提供資料，變頻器在額定狀態(tài)運行時，其效率為86.4%96%，隨著變頻器功率增大而得到提高。 2.5.2 變頻調速后電動機效率的變化變頻調速后，電動機的各種損耗和效率均有所變化，根據(jù)電機學理論

29、，電動機的損耗可分為鐵芯損耗(包括磁滯損耗和渦流損耗)、軸承摩擦損耗、風阻損耗、定子繞組銅耗、轉子繞組銅耗、雜散損耗等幾種。鐵芯中的磁滯損耗表達式為: （3-1）說明磁滯損耗pn與磁通的交變頻率f成正比，與磁通密度的幅值bm的次方成正比，對于一般硅鋼片，當bm=0.81.6w/m2時，=2，由風機和泵類理論，其流量q與所需電動機軸功率p與轉速n的關系為: qn; pn3; pq3變頻調速后，磁滯損耗減少速度比電動機有功減少，速度慢，損耗所占比例有所提高。渦流損耗表達式為: peaf2;式中a=(bm)2d2/rw; bm磁通密度的幅值bm; d鐵心厚度; rw渦流回路等效電阻。軸承摩擦損耗:

30、pzf1.5風阻損耗: pff3，定子繞組銅耗和轉子繞組銅耗其大小與電源頻率f沒有直接關系，但高次諧波及脈動電流增加了電動機的銅耗。雜散損耗及附加損耗:不論何種形式的變頻器，變頻后除基波外，都產(chǎn)生現(xiàn)諧波，這些附加的高次諧波，許多諧波的轉矩方向是與基波轉矩方向相反的，另外高次諧波也會增加渦流損耗。綜上所述，變頻調速后，電動機的磁滯損耗、渦流損耗、軸承摩擦損耗、定轉子銅損及雜散損耗在功率中所占比例都有所增加，有關文獻指出，變頻調速后電動機電流增加10%，溫升增加20%。2.5.3 變頻器的pid組成部分該給水設備系統(tǒng)采用2臺水泵，一用一備，由可編程控制器定時切換。若用水量大，變頻器也可以通過可編程

31、接口向可編程控制器發(fā)出信號，由可編程控制器控制兩臺泵同時工作，一臺變頻運行，一臺工頻運行。傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的pid調節(jié)器輸入口i、5g，而壓力設定既可以使用變頻器的鍵盤以數(shù)字量的形式設定，也可以采用一只電位器以模擬量的形式送入vr、v1。這樣通過變頻器的控制面板，在變頻器的pid選項中選擇合適的pid參數(shù)，并經(jīng)過現(xiàn)場調試校正，設備就可以正常運行了。 由于pid運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對pid算法的編程，而且pid參數(shù)的在線調試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內部自帶的pid調節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓

32、的調節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調試非常簡單、方便。2.6 變頻器的基本組成(1)系統(tǒng)主控環(huán)節(jié)系統(tǒng)整體的控制信號，包括壓力設定信號，工頻和變頻故障信號處理，水位故障檢測處理均由主控plc或主控人機設定，對于整個系統(tǒng)的運行信號進行綜合，尤其是當出現(xiàn)故障狀態(tài)的系統(tǒng)處理操作，是整個系統(tǒng)的核心控制部分。(2)變頻器內部控制環(huán)節(jié)變頻器內部控制，主要是指變頻器內部pid功能模塊，內部pid功能使現(xiàn)場工程師設置和調試方便，相對于原來的硬件pid板控制，省去了硬件維護需要，節(jié)省了成本。主控環(huán)節(jié)的壓力設定信號與系統(tǒng)

33、壓力信號反饋形成閉環(huán)以維持管網(wǎng)恒定壓力。pid的特性可由參數(shù)選擇。圖2-5 變頻器pid閉環(huán)控制圖(3)電機控制環(huán)節(jié)當管網(wǎng)壓力的變化要求增加或減少工作水泵時，通過供水附件基板的中間繼電器，控制各個電機交流接觸器?；遢敵龆丝诘臓顟B(tài)決定外部各個水泵的運行狀態(tài)。 (4)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)為各水泵。第三章 基于at89c51的變頻恒壓供水控制器的總體設計3.1 控制系統(tǒng)的工作原理供水管網(wǎng)中的流量和壓力是隨著用戶用水量的改變而不斷變化的，而改變泵電機的轉速就可以提高供水壓力或較少供水壓力。所以，為了保持出口供水壓力恒定就必須根據(jù)用水量的大小不斷改變電機的轉速。三相交流電機的轉速公式為： （2-1）由流體

34、力學知：管網(wǎng)壓力,流量和功率的關系為，而功率與水泵電機轉速成三次方的正比關系。不同功率（轉速）下水泵的特性曲線上的不同點，其管阻是不同的。因為有公式：式中，為管阻系數(shù)，對某恒定管阻，為常數(shù)，不同管族時的曲線，同一曲線上的不同點，其功率是不同的。設定壓力值為,初始用水量為，工作點位檢,可假定用戶需要用水量為，打開閥門（可定打開時間）,管阻將突然變化，點將沿n1線下降，在未下降至之前，壓力傳感器已將檢測到的下降電壓轉換成電信號輸往pid控制器，經(jīng)比較處理后，輸出一個令變頻器頻率升高的信號，從而水泵轉速升高，工作點不會積降低至a1,而是沿著b曲線升至a4,達到新的穩(wěn)態(tài)。實際上，用水量是不會突變的，管

35、阻不會一下下降很多。由管阻變化時間和系統(tǒng)的響應時間決定。為了保持電機在調速時最大轉矩不變，需要維持磁通恒定，這就要求定子供電電壓也作相應的調節(jié)，而vvvf變頻器可以滿足這個要求。根據(jù)上述分析和用戶要求設定供水系統(tǒng)壓力，并在供水出口處設置壓力傳感器，隨時檢測用戶用水情況，然后將檢測的壓力與設定壓力相比較，經(jīng)控制器運算，輸出通過變頻器改變泵電機轉速，使輸出壓力始終保持在恒定壓力。其閉環(huán)控制原理如圖2-1所示。 圖3-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖3.2 系統(tǒng)的控制原理 該變頻恒壓供水控制器以單片極為核心，在水泵的出水管道上安裝一個壓力傳感器，用于檢測管道壓力，并把出口壓力變成05v或420m

36、a的模擬信號，送到單片機系統(tǒng)的a/d轉換變成相應的數(shù)字信號。送入單片機進行數(shù)據(jù)處理。單片機經(jīng)運算后與設定的壓力進行比較，得出偏差值，再經(jīng)pid調節(jié)得出控制參數(shù)，經(jīng)d/a轉換變成05v或010v的模擬信號，送入變頻器中，以控制器輸出頻率的大小。以此改變水泵的電機轉速，從而達到控制管道壓力的目的。當實際管道壓力小于給定壓力時，變頻器輸出頻率升高，電機轉速加快，管道壓力升高；反之，頻率降低，電機轉速減小，管道壓力降低。最終達到恒壓。3.3 控制器的硬件系統(tǒng)設計3.3.1 硬件總體說明整個系統(tǒng)電控部分以at89c51為核心芯片，這種芯片內置有4k的eprom,具有控制信號采集、處理、輸出的功能。因為系

37、統(tǒng)要求控制線較多，如果采用8031外置eprom程序控制結構，則會造成控制線不夠；而at89c51卻可以利用p0、p2口作為控制總線，大大簡化了硬件結構，并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入。led數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場調試和維護，使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大地提高。其硬件結構框圖如圖32所示，圖3-2 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件結構框圖3.3.2 系統(tǒng)的顯示部分 在單片機應用系統(tǒng)中，led顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個led都要占用單獨的具有鎖存功能的i/o接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它啦，直到顯示新的數(shù)據(jù)時，再

38、發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中cpu的開銷小?？梢蕴峁﹩为氭i存的i/o接口電路很多，我們這里用到的是常用的串并轉換電路74hc164,來與at89c51單片機和共陰極數(shù)碼管led組成靜態(tài)顯示電路。 本恒壓供水系統(tǒng)的顯示部分就是采用at89c51單片機與74hc164的靜態(tài)顯示接口電路。采用4片74hc164分別驅動4片led,led的顯示方式為靜態(tài)顯示方式，at89c51的串行口工作方式0，既移位寄存器方式。把at89c51的rxd作為數(shù)據(jù)輸出線，txd作為移位時鐘脈沖。74hc164為ttl單向8位移位寄存器，可實現(xiàn)穿行輸入，并行輸入。其中a、b（第1、2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2

39、個引腳按邏輯與運算規(guī)律輸入信號有一個輸入信號時刻并接。t（第8腳）為時鐘輸入端，可連接到串行口的txd端，每一個時鐘信號的上升沿加到t端時，移位寄存器移一位；8個時鐘脈沖過后，8位二進制數(shù)全部移入74hc164中。r（第9腳）為復位端，當r=0時，移位寄存器各位復0，只有當r=1時，時鐘脈沖才起作用。q1q8(第36和1013引腳)并行輸出端分別接led顯示器的hga各段對應的引腳上，在給出了8個脈沖后。最先進入74hc164的第一個數(shù)據(jù)到達了最高位，然后再來一個脈沖，第一個脈沖就會從最高位移出。從圖23的電路圖中我們可以看到，4片74hc164首尾相串，而時鐘端則接在一起，這樣，當輸入8個脈

40、沖時，從單片機rxd端輸出的數(shù)據(jù)就進入到了第一片74hc164中了，而當?shù)诙€8個脈沖到來后，這個數(shù)據(jù)就進入了第二片74hc164，而新的數(shù)據(jù)則進入了第一片74hc164，這樣，當?shù)诹鶄€8個脈沖完成后，首次送出的數(shù)據(jù)被送到了最左邊的74hc164中，其他數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在第一、二、三片74hc164中。這樣就完成了led的顯示功能。3.3.3按鍵接口電路的設計 本系統(tǒng)采用獨立式按鍵，獨立式按鍵的各按鍵相互獨立，每個按鍵都有一個輸入線，各按鍵的狀態(tài)互不影響，cpu需對按鍵狀態(tài)分別檢測，只適用于按鍵數(shù)量較少的場合。獨立按鍵與單片機接口電路如圖23所示。圖3-3 按鍵與單片機接口電路 在此電路中，按鍵輸

41、入部分采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時，i/o口線有確定的電平。 在掃描時，先讀取p0口的低四位，若某電平為低電平，應先延時10ms,然后再讀取該位，如果讀的值仍為低電平，可確認此鍵已按下，然后調用該鍵的鍵處理子程序，各鍵的優(yōu)先級別由軟件安排。3.3.4 mc1413集成電路mc1413為七達林頓結構非門，具有集成度高、性能可靠、靜態(tài)功耗電流低矮、抗干擾能力強等特點，其工作電壓范圍318v，輸出電流200ma，由于輸入阻抗高，故輸入電流在1ua以下，最高時鐘頻率可達10 hz。利用mc1413和繼電器組形成簡單的“01”裝置，來控制水泵電機的起停和報警信號。3.3.5 eeprom93

42、c46在供水控制器中的應用93c46提供1024位串行eeprom，它有省空間的8腳pdip、8腳jeoe和eiajsoic封裝形式，其8腳pdip封裝如圖24所示。 93c46是一個有128字節(jié)的串行eeprom，可以是8位或16位的存儲模式。當6管腳與8管腳（vcc）相連時，內部組態(tài)為64*16位的存儲模式。當6管腳與5管腳（gnd）相連時，內部組態(tài)為128*8位。用來保存開機設定時的原始參數(shù)，這樣當系統(tǒng)掉電時，設定的數(shù)據(jù)能永久保存，再開機上電時無需再重新設定參數(shù)，既可以運行與掉電的狀態(tài)。如果我們不使用plug and play方式，那么從12h到7fh地址空間可以用來儲存用戶自己的數(shù)據(jù)，

43、用戶可以在12-7f里寫入任何數(shù)據(jù)。3.3.6 定時復位電路圖34 eeprom93c46圖35 定時復位電路采用ne555組成的硬件定時復位電路，可以有效防止程序死機現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。（如圖25所示）復位電路每一秒鐘向at89c51的reset端發(fā)出復位信號。根據(jù)程序的需要，通過at89c51的p0.4可以隨時控制復位電路的啟動和停止，當p0.4=0時ne555的2引腳為低電平，停止復位；當p0.4=1時ne555的2引腳為高電平，起動復位。3.3.7 鎖存電路74ls273用于對繼電器輸出狀態(tài)硬件鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾。（如圖26所示）同時在74ls273的clear管腳外

44、接了rc電路，用于開機上電時清零74ls273的輸出端，可以防止繼電器的誤動作，對變頻器起到保護作用。圖36 鎖存電路74ls273圖3-7 數(shù)模轉換電路tlc08313.3.8 數(shù)模（d/a）和模數(shù)（a/d）轉換電路由于系統(tǒng)要求的響應速度并不快，因此系統(tǒng)a/ d輸入采用8位串行tlc0831逐次逼近模數(shù)轉換器（如圖3-7所示），這樣一來可以節(jié)省at89c51的i/o口，并可降低成本。d/a輸出電路采用了光藕隔離式d/a輸出，并采用了lm358雙運放組成d/a輸出及驅動電路，具體d/a電路如圖3-8所示。圖3-8 光耦隔離式da輸出p3.3定時輸出占空比與頻率相對應的pwm調試信號,通過二極運

45、算放大器后,在lm358的第7引腳輸出與頻率相對應的電壓信號。在輸出端調節(jié)電位器可以調整輸出電壓的大小，兩放大器之間的rc電路起到濾波的作用。3.4軟件系統(tǒng)設計恒壓供水控制器對生活供水、消防供水系統(tǒng)進行監(jiān)控，要求軟件具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高抗干擾能力，檢測信號準確，有良好的動靜態(tài)性能，該軟件按結構化流水設計，分為若干功能模塊，采用c51語言編寫，并利用wave仿真器同時結合硬件電路對其3來進行測試。該控制系統(tǒng)的軟件主要由以下的子程序構成。3.4.1獨立按鍵程序設計鍵盤的設計要求是：能檢測是否有鍵按下，并判斷是哪個鍵：鍵按下或松開操作都應等到鍵抖動消失后再執(zhí)行;有兩個鍵或者更多鍵同時按下時，都

46、不執(zhí)行。鍵盤程序難點在于，在軟件中必須妥善解決鍵盤掃描、去抖動、多鍵同時按下等問題。1.按鍵連擊的處理連擊食指操作者按下某一鍵但沒有釋放該鍵，則該鍵對應的功能將反復被執(zhí)行，好像操作者在連續(xù)操作該鍵一樣。由于單片機的速度較快，這種情況很容易發(fā)生。連擊在很多情況下是不允許的，它使操作者很難準確地進行操作。解決連擊的關鍵是一次按鍵只讓它相應一次，該間不釋放那就不執(zhí)行第二次。2.軟件去抖動處理按鍵的觸點在閉合和斷開時均會產(chǎn)生抖動，這是觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不妥善處理，將會引起按鍵命令的錯誤執(zhí)行或重復執(zhí)行。我們采用軟件延時的方法來避開抖動階段，在延時開始和結束時讀取線狀態(tài)，如果一致，則判斷有鍵按下

47、。延時時間為10ms。3.4.2 顯示子程序其功能是顯示系統(tǒng)的倒計時數(shù)，以及各功能參數(shù)。利用查詢方式編制的部分顯示子程序如附錄1所示。其中，timer(100)為延時1s子程序。該程序的功能是：在數(shù)碼管上依次顯示cc20，cc19cc00（也就是顯示開機倒計時數(shù)），時間間隔為1s。3.4.3系統(tǒng)的主程序流程圖圖39主程序流程圖3.5 系統(tǒng)抗干擾措施因系統(tǒng)工作的電源環(huán)境比較惡劣，同時變頻器也輻射電磁波，因此需采用多種抗干擾措施，是系統(tǒng)的運行可靠性得到保證。3.5.1 硬件抗干擾技術干擾是單片機應用系統(tǒng)故障的主要原因之一。工業(yè)應用環(huán)境干擾紛雜。因此采用抗干擾措施也能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸渠道

48、。只要合理布置與選擇有關參數(shù)，適當?shù)挠布垢蓴_措施就能抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾。常用的硬件抗干擾措施有:濾波技術、去藕技術、隔離技術及接地技術。其中光電隔離技術是指：是有光電藕合器來完成的，以光為媒介傳輸信號的器件，其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器。因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。此外，它還能起到很好的安全保障作用。由于光電耦合器是以光為媒介進行間接耦合，所以具有較高的電氣割禮和抗干擾能力。本控制系統(tǒng)中我們用到的抗干擾技術有：（1）采用效率高、抗干擾能力強的開關電源供電；（2）輸入輸出均經(jīng)光電隔離，不與cpu電源共地;（3）印刷電路板的設計采用特定規(guī)則，并覆蓋屏蔽層；（4）控制信號連接采

49、用屏蔽線，屏蔽層良好接地；傳輸線采用雙絞線，對對線電阻、電壓產(chǎn)生的干擾有很強的抑制作用；（5）在繼電器輸入斷增加了續(xù)流二極管，增加了硬件鎖定及電源濾波電路。3.5.2 軟件抗干擾技術竄入單片機測控系統(tǒng)中的干擾，其頻譜往往很寬，而且具有隨機性，采用硬件抗干擾措施，只能抑制某個頻率段的干擾，仍有一些干擾會侵入系統(tǒng)，因此，因此還需要采用軟件抗干擾措施。疊加在系統(tǒng)被測模擬輸入信號上的噪聲干擾回導致系統(tǒng)較大的測量誤差，可以通過軟件濾波來抑制干擾量，是程序自恢復。此外，當系統(tǒng)受到干擾后，往往使可編程的輸出端口狀態(tài)發(fā)生變化，因此可以通過反復向這些端口定期重寫控制字和輸出狀態(tài)字，來維持既定的輸出端口狀態(tài)不變，

50、如果竄入系統(tǒng)的干擾作用于cpu部位時，其后果更加嚴重，將使系統(tǒng)失控，最典型的故障是破壞程序計數(shù)器pc的狀態(tài)，導致程序從一個區(qū)域跳到另一個區(qū)域，或者程序在地址空間內亂飛，或者陷入死循環(huán)。工業(yè)應用中，因pc受干擾而引起程序失控的后果是十分嚴重的。本系統(tǒng)采用的定時復位軟件設計方案，可以消除程序運行時的死機現(xiàn)象。3.6 變頻恒壓供水控制器的性能特點1.高效節(jié)能優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實現(xiàn)最大限度的節(jié)能運行。由電機學公式可知，系統(tǒng)電機功耗與電機轉速成立方關系，在壓力不變時，水泵出水量與電機轉速成正比。本設計采用恒壓量工作方式，當用水量減小時，系統(tǒng)保持管網(wǎng)恒壓，通過降低水泵轉速來減少供水量，好電量按立方

51、特性降低，根據(jù)實際用水情況設定管網(wǎng)壓力，自動控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象。2.設備投資省、站地面積小本系統(tǒng)與其它供水方式比較，由于主要設備是控制柜及水泵，省去了大量的設備占地面積，從而大幅度節(jié)省領土建投資，而且就設備本身而言，供水量越大。采用變頻恒壓供水設備的價格優(yōu)勢就越顯著。3.設備運行合理、可靠性高、配置靈活采用閉環(huán)調節(jié)控制技術，達到了恒壓供水，避免了由于超壓供水造成的電能浪費。變頻器采用軟起動工作方式，消除了直接起動對電網(wǎng)的沖擊和干擾，徹底避免了水泵啟動時大電流和水壓突增的情況，減少對供電電網(wǎng)的沖擊，降低了電機及電氣元件的故障率。由于系統(tǒng)自身檢測及保護功能完備，延長機泵和閥門管網(wǎng)

52、的使用壽命。改設備可控制1-3臺泵。從而使變頻容量得以降低。由于是軟起和軟停，電機軸上的平均扭矩和磨損減少，減少了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。模擬和數(shù)字信號全部采用光隔離，全面提高電磁兼容性。4.自我保護功能完善該系統(tǒng)性能可靠。而且對輸入電源欠壓、過壓、缺相，對水泵電機的過電流、短路均有保護功能。如某臺泵出現(xiàn)故障，主動向上位機發(fā)出報警信息，同時起動備用泵，以維持供水平衡。萬一自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，用戶可以直接操作手動系統(tǒng)，以保護供水。5.操作維護簡便按鍵操作，數(shù)字顯示，非專業(yè)人員也可以方便地操作本裝置，專業(yè)人員可以本說明書為指南，方便地對設備進行性能測試和簡單維護。6.聯(lián)網(wǎng)功能采用全

53、中文工控組態(tài)軟件-king view，實時監(jiān)控各個站點，如電機的電壓、電流、工作頻率、管網(wǎng)電壓及流量等。并且能夠累積每個站點的用電量，累積每臺泵的出水量，同時提供各種形式的打印報表，以便分析統(tǒng)計。7.減少污染由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。第五章 結束語變頻調速恒壓供水是現(xiàn)代化城市和生活小區(qū)供水的發(fā)展方向，采用單片機控制的變頻供水系統(tǒng)具有工作可靠、實現(xiàn)容易、價格低廉等特點，是較理想的控制器。本論文的研究主要完成了以下內容:通過對變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的工作原理和控制原理的分析，用單片機語言c51結合硬件電路，設計出以at89c51為核心

54、的恒壓供水控制器。并將模糊自整定p工d算法應用到變頻恒壓供水控制器甲，使得用戶在使用時更加方便快捷。同時，還用組態(tài)軟件-king view對上位機監(jiān)控界面進行了設計，實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。該監(jiān)控系統(tǒng)界面友好、易于操作，圖形象豐富，能以動畫的形式實時顯示現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)。雖然研究工作取得了一些成果，但由于本人的時間和能力有限，所以目前還有很多不足之處，有待進一步的完善與發(fā)現(xiàn):在日常生活中，深夜的用水量很小，采用單純變頻調速供水設備容易使水泵頻繁啟停，影響水泵的壽命。針對這種情況，我們可以考慮再在原有供水設備的基礎上，附加一個小氣壓罐和一臺穩(wěn)壓水泵組成一個副系統(tǒng)。這樣在用水量很小時，主系統(tǒng)(由變

55、頻器控制的主供水泵)自動切斷，而由副系統(tǒng)供水從而防止了主供水泵的頻繁啟動。我們還可以進一步考慮將變頻恒壓供水用于船舶供水方面，由于在船舶系統(tǒng)中，使用環(huán)境較為惡劣，適當?shù)谋Ｗo和抗干擾措施是必不可少的。此外，本文設計的上位機監(jiān)控界面圖形比較單一，功能還有待于進一步的完善。參考文獻1李長軍，變頻調速在恒壓供水的應用，煤礦機械，2004，第11期p122-1242王松等，變頻器內置p工d功能在恒壓供水設備中的應用，廣州匯尼克機電設備有限公司 ，2002年3秦海洋，專用變頻器在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應用，通用機械，2004，第10期p37-384組態(tài)王用戶手冊，北京亞控科技發(fā)展有限公司，2003年5李旭霞

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