任務(wù)二計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例概述

1、17:252022-5-5一、變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)一、變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)任務(wù)二任務(wù)二 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 應(yīng)用交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的高度自動(dòng)化供水系統(tǒng)，適用于一切需要壓力供水的適用于一切需要壓力供水的場(chǎng)合場(chǎng)合，可取代水塔、高位水箱和氣壓罐。17:25目的：了解變頻調(diào)試恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程；掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、方法的具體運(yùn)用；把握實(shí)際供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)點(diǎn)及相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的綜合運(yùn)用。重點(diǎn)：工藝要求分析，總體方案設(shè)計(jì)，硬件功能電路設(shè)計(jì)，控制算法設(shè)計(jì)。 、 17:25（一）（一） 明確工藝要求明確工藝要求 高層建筑的生活、消防供水，住宅小區(qū)的生活、消防

2、供水，工廠、企業(yè)中水處理、循環(huán)用水中的壓力供水，建筑施工、流動(dòng)作業(yè)中的臨時(shí)供水，噴泉、水上樂(lè)園等場(chǎng)所的壓力供水，農(nóng)村、園藝灌溉設(shè)備的壓力供水。（1）主要適用范圍流量：102500m3/h，揚(yáng)程20200m。（2）供水量17:251）可根據(jù)水壓和用水量的大小合理選配水泵。（3）性能特點(diǎn)2）無(wú)壓力罐，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，便于集中管理。3）全自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到無(wú)人操作。4）系統(tǒng)具有欠電壓、過(guò)電壓、過(guò)電流、短路、過(guò)熱等多種故障保護(hù)和報(bào)警裝置。5）全部水泵循環(huán)軟起動(dòng)，減少電氣和機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。 通過(guò)采用降壓、補(bǔ)償或變頻等技術(shù)手段，電壓由零慢慢提升到額定電壓，使電機(jī)啟動(dòng)的全過(guò)程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，

3、實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)及機(jī)械負(fù)載的平滑起動(dòng)，減少起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的影響程度，使電網(wǎng)和機(jī)械系統(tǒng)得以保護(hù)。17:256）具有水池水位自動(dòng)控制水泵的起動(dòng)和停止。7）具有定時(shí)開(kāi)停功能，可白天自動(dòng)開(kāi)機(jī)，夜間自動(dòng)停機(jī)。8）為確保消防水泵功能正常，系統(tǒng)可定時(shí)巡檢或隨時(shí)手動(dòng)巡檢。9）具有小流量自動(dòng)停機(jī)功能。10）具有與消防控制中心聯(lián)網(wǎng)的控制功能。11）全部設(shè)備均可自動(dòng)和手動(dòng)操作。17:25（二）（二） 總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)1控制任務(wù)(1)控制泵數(shù)4臺(tái)主泵+1臺(tái)附屬小泵(主泵個(gè)數(shù)可在14臺(tái)內(nèi)設(shè)定)。(2)供水壓力閉環(huán)榨制粹制精彥0.01 MPa。(3)所有泵均采用軟起動(dòng)。(4)恒壓變量控制。 (5)變壓變量控制將壓力變送

4、器安置在管網(wǎng)末梢，可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)末梢恒壓、泵出口變壓的目的。也可將流量計(jì)瞬時(shí)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為05v電信號(hào)進(jìn)行變壓控制。17:25(6)內(nèi)增量方式采用泵組運(yùn)行時(shí)(即無(wú)變頻器)，利用水泵的開(kāi)停次數(shù)進(jìn)行變電壓控制。(7)定時(shí)換泵功能切換時(shí)間由用戶設(shè)定，達(dá)到換泵時(shí)間時(shí)，工作泵與休息泵自動(dòng)切換。(8)定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)功能開(kāi)機(jī)時(shí)間到水泵自動(dòng)運(yùn)行，關(guān)機(jī)時(shí)間到水泵自動(dòng)停止。 (9)預(yù)置消防壓力功能按下消防按鈕時(shí)系統(tǒng)立刻以第二恒壓值為給定壓力進(jìn)行工作。17:25(10)無(wú)水停機(jī)功能蓄水池?zé)o水時(shí)水泵自動(dòng)停機(jī)，水位回升到一定高度水泵自動(dòng)開(kāi)起。(11)小流量補(bǔ)壓功能當(dāng)夜間用水量減小，管網(wǎng)壓力升高時(shí)，若恒壓泵全關(guān)后，反饋壓力還略

5、大于給定壓力，則起動(dòng)附屬小泵，維持供水；當(dāng)反饋壓力大于給定壓力較多時(shí)，附屬小泵自動(dòng)停機(jī)。(12)抗干擾設(shè)計(jì)和故障保護(hù)功能。系統(tǒng)具有自診斷功能，遇故障自動(dòng)報(bào)警停機(jī)，有效保護(hù)變頻器和整個(gè)供水系統(tǒng)。17:252控制計(jì)算機(jī)選擇 對(duì)于給定的控制任務(wù)，選擇何種機(jī)型不是唯一的。本系統(tǒng)由于控制對(duì)象單一，卻不需要多級(jí)聯(lián)網(wǎng)控制，控制精度要求不是很高，所以采用了89C52單片機(jī)。根據(jù)需要擴(kuò)展了A/D、D/A通道和開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道，設(shè)計(jì)成了最小系統(tǒng)。17:25 蓄水池與水泵機(jī)組距離不到30m，壓力傳感器選用遠(yuǎn)傳壓力表，安裝在總管網(wǎng)水口處，負(fù)責(zé)將00.1MPa的水壓轉(zhuǎn)換成05V的反饋電壓信號(hào)送至單片機(jī)。3現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選

6、擇 執(zhí)行機(jī)構(gòu)為變頻器，單片機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算后輸出010V電壓信號(hào)，控制變頻器的輸出電壓和頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。YTZ-150遠(yuǎn)傳壓力表17:25（二）（二） 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)1強(qiáng)電線路設(shè)計(jì) 水泵軟起動(dòng)由變頻器實(shí)現(xiàn)。由于變頻器昂貴，所以在多泵系統(tǒng)中采用了“一變多恒”的控制原則，即多臺(tái)水泵共用一個(gè)變頻器，任意時(shí)刻只有一臺(tái)水泵處于變頻狀態(tài)，利用增、減運(yùn)行水泵的個(gè)數(shù)進(jìn)行粗調(diào)，利用變頻泵加、減速進(jìn)行微調(diào)，使供水壓力趨于恒定。系統(tǒng)具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種控制切換功能開(kāi)關(guān)。4個(gè)變頻通道的交流接觸器設(shè)置機(jī)械互鎖。 每個(gè)水泵電動(dòng)機(jī)設(shè)置正反轉(zhuǎn)交流接觸器。 系統(tǒng)設(shè)置三個(gè)空氣開(kāi)關(guān)，控制電路通/斷。17:25強(qiáng)電線路

7、原理圖控制器遠(yuǎn)傳壓力表停止/運(yùn)行010V教材此處有錯(cuò)機(jī)械互鎖進(jìn)水上限輸入進(jìn)水下限輸入污水上限輸入污水下限輸入KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1變頻故障火警缺水欠壓超壓軟起動(dòng)輸入1手動(dòng)起動(dòng)/自動(dòng)消防信號(hào)輸入管網(wǎng)過(guò)壓輸入KAR US VT 變頻器 WGVRF ACM DCM FR VC GND COM RUN H/A M1M2M3 VM4 PFOPCOM GNDWHWLDHDL COMB0 H3H0 B3B1 H2H1 B2FOP CFP F

8、OR CFR TA TC M13KM0KM1M23KM2KM3M33KM4KM5M43KM6KM7QF1QF2QF3L1L2L3NKM0KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KA選擇開(kāi)關(guān)H/A軟起動(dòng)輸入2軟起動(dòng)輸入3軟起動(dòng)輸入4單片機(jī)控制器工作指示燈控制輸入水泵電機(jī)工作控制內(nèi)部控制邏輯強(qiáng)電互鎖電路17:25 變頻器的R、S、T端子接380V交流輸入，U、V、W是變頻器的三相電壓輸出。由于采用了一變多恒的控制方案，故4個(gè)變頻通路上的變頻切入接觸器KM0、 KM2、 KM4、 KM6采取了機(jī)械互鎖。 機(jī)械互鎖：通過(guò)機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)互鎖，比如兩個(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)合上，可以通過(guò)機(jī)械杠桿，使得一個(gè)開(kāi)關(guān)合上時(shí)

9、，另一個(gè)開(kāi)關(guān)被機(jī)械卡住無(wú)法合上。 電氣互鎖就是通過(guò)繼電器、接觸器的觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互鎖。17:25 另外，同一時(shí)刻一臺(tái)泵只能工作在一種狀態(tài)，故每臺(tái)電變頻或恒壓機(jī)有兩個(gè)切入接觸器，分別用于變頻和恒壓工作控制，所以電路設(shè)計(jì)中KM0和KM1互鎖， KM2和KM3互鎖， KM4和KM5互鎖， KM6和KM7互鎖。17:25 控制系統(tǒng)具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種控制切換功能，當(dāng)年H/A閉合時(shí)進(jìn)入手動(dòng)控制，此時(shí)M1與COM閉合為1號(hào)泵手動(dòng)軟啟動(dòng)，1號(hào)電動(dòng)機(jī)上升到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，自動(dòng)切換到工頻。M2、M3、M4分別控制2、3、4號(hào)泵的手動(dòng)軟起動(dòng)。17:25 設(shè)置相關(guān)指示燈： KM0KM7、H/A、欠壓超壓、火警、缺水、故障等。消

10、防輸入鍵及水位報(bào)警等輸入觸點(diǎn)。17:252單片機(jī)控制器設(shè)計(jì) 89C52單片機(jī)作為控制核心，將遠(yuǎn)傳壓力表采集的實(shí)際壓力信號(hào)進(jìn)行A/D變換后，與設(shè)定壓力進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。光 隔鎖存器光 隔鎖存器光 隔鎖存器繼電器繼電器現(xiàn)場(chǎng)繼電器D/A變頻器M1M4A/D供水管網(wǎng)380V顯示器看門狗鍵 盤附屬泵單片機(jī)89C5217:25 給定壓力減去實(shí)際壓力的偏差信號(hào)糾正輸入壓力誤差，控制器模擬輸出信號(hào)為D/A變換后的010V電壓信號(hào)，作為變頻器的控制信號(hào)。17:25 增泵過(guò)程：當(dāng)用戶用水量增大時(shí)，CPU檢測(cè)到管網(wǎng)出水口壓力趨于下降，讓變頻泵加速運(yùn)行，增大出水量，使管網(wǎng)壓力恒等。17:25若壓力上升到設(shè)定

11、壓力，則穩(wěn)態(tài)后變頻泵維持瞬時(shí)轉(zhuǎn)速值不變；若變頻泵加速到額定轉(zhuǎn)速后，實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力，則將變頻泵切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)起動(dòng)下一臺(tái)泵變頻運(yùn)行 如此循環(huán)，直到最后一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行，達(dá)到管網(wǎng)壓力恒定。17:25 減泵過(guò)程：當(dāng)用戶用水量減小時(shí)，CPU檢測(cè)到管網(wǎng)出水口壓力趨于上升，讓變頻泵減速運(yùn)行，減小出水量，使管網(wǎng)壓力恒等。17:25若變頻泵轉(zhuǎn)速已減到最低轉(zhuǎn)速，管網(wǎng)壓力仍高于設(shè)定值，就給此機(jī)組斷電，起動(dòng)另一臺(tái)水泵機(jī)組變頻減速運(yùn)行 如此循環(huán)，直到管網(wǎng)壓力等于設(shè)定值。17:25 附屬小泵用于一定時(shí)間內(nèi)用水量急劇減少的供水場(chǎng)合，如大多數(shù)用戶夜間用水量為零，電動(dòng)機(jī)若按照白天的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，管網(wǎng)壓力會(huì)超過(guò)設(shè)定壓力很

12、多，此時(shí)將逐臺(tái)關(guān)斷所有的生活供水泵，起動(dòng)附屬小泵運(yùn)行維持管網(wǎng)壓力。當(dāng)管網(wǎng)壓力低于設(shè)定的休眠壓力時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)喚醒變頻泵投入工作，當(dāng)管網(wǎng)壓力高于設(shè)定時(shí)，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，只有附屬小泵運(yùn)行。17:25（1）多段定時(shí)定壓控制 適應(yīng)每天生活用水的高峰期，控制系統(tǒng)提供了6段的定時(shí)定壓控制，每段時(shí)間按不、同的壓力供水，所有參數(shù)通過(guò)面板上的按鈕設(shè)置。（2）定時(shí)輪換控制 通電一定時(shí)間后，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)有無(wú)休息的泵，若有則讓休息的泵和工作泵輪換，可以均衡各泵的運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，且能有效防止因備用泵長(zhǎng)期不用而發(fā)生的銹死現(xiàn)象。單片機(jī)控制器功能設(shè)計(jì)17:25（3）消防控制 當(dāng)有火警或消防信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切

13、換到消防壓力運(yùn)行。（4）蓄水池液位檢測(cè) 當(dāng)液位傳感器檢測(cè)出低水位時(shí)，水泵自動(dòng)停止運(yùn)行，有效防止水泵無(wú)水運(yùn)行而損壞；當(dāng)蓄水池水位正常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。17:25（5）密碼保護(hù)功能 為防止無(wú)關(guān)人員更改變頻器的參數(shù)設(shè)置而造成不可預(yù)計(jì)的后果，可設(shè)置密碼，只有密碼輸入正確后才能進(jìn)行控制功能參數(shù)的查詢和修改；否則，只能查看一些運(yùn)行參數(shù)（如頻率、壓力等）。17:25系統(tǒng)初始化開(kāi)始有鍵按下？按鍵處理是消防狀態(tài)？起動(dòng)第2壓力全部水泵停機(jī)蓄水池?zé)o水？定時(shí)運(yùn)行？當(dāng)前是開(kāi)機(jī)？開(kāi)機(jī)時(shí)刻到？停機(jī)時(shí)刻到？全部水泵停機(jī)讀入實(shí)際壓力，計(jì)算偏差ePID運(yùn)算，得控制量u水泵機(jī)組切換處理有錯(cuò)誤？出錯(cuò)處理系統(tǒng)主程序流程圖YYNNY

14、YYYYNNNNNNY17:253控制算法設(shè)計(jì) 由于用水量的隨機(jī)性和供水管網(wǎng)的差異性很難找到適合的數(shù)學(xué)模型，采用PID控制算法。比例控制可以提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，積分控制可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，微分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)慣性的影響。) 1()()()()(0TkekeTieTTkeKkuDikIp PID控制算法的輸出： u(k)不僅與本次的偏差e(k)和上次的偏差e(k-1)有關(guān)，而且還要在積分項(xiàng)中對(duì)歷史上各次的偏差信號(hào)e(j)進(jìn)行累加，容易產(chǎn)生大的累加誤差，故本系統(tǒng)采用增量型的PID控制算法。17:25 系統(tǒng)上電初始化時(shí)讓D/A轉(zhuǎn)換器輸出020V的中值5V，對(duì)應(yīng)變頻器的25Hz輸出，在此基礎(chǔ)上進(jìn)

15、行增量調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速水泵PID控制結(jié)構(gòu)圖數(shù)字設(shè)定給定壓力reuD/A變頻器水泵A/D壓力傳感器增量式PID管網(wǎng)實(shí)際輸出壓力c)2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkuDIp17:25采樣實(shí)際壓力c(k)結(jié)束計(jì)算偏差e(k)r(k)c(k)計(jì)算up(k)Kpe(k)- e(k-1)計(jì)算ur(k)Kre(k)計(jì)算uD(k)計(jì)算u(k)=up(k)+ur(k) +uD(k)相關(guān)參數(shù)移動(dòng)，為下次運(yùn)算做準(zhǔn)備，即以e(k-1)作為新的e(k-2)以e(k)作為新的e(k-1)2() 1(2)(kekekeKD增量型PID運(yùn)算流程圖17:254抗干擾設(shè)計(jì) 供水設(shè)備的工作環(huán)境較惡劣，電源電壓波動(dòng)大，大