1、目 录中文摘要 .1中文摘要 .21 绪论 .31.1 课题研究的目的与意义 .31.2 国内外发展的状况 .31.3 变频供水系统应用范围 .51.4 恒压供水的实现 .52 变频调速系统能耗分析 .72.1 供水系统分析 .72.2 变频调速恒压供水工况与能耗机理分析 .83 系统结构与设备选型 .113.1 系统总体设计 .113.2 变频调速 .113.3 单片机 .163.4 控制算法 .174 系统硬件设计 .204.1 系统工作过程说明 .204.2 变频器部分硬件设计 .214.3 单片机部分硬件设计 .235 系统软件设计 .295.1 主程序流程 .295.2 继电器动作控
2、制流程 .305.3 PID 控制流程 .31结论 .33致谢 .34参考文献 .35附录 1 .36附录 2 .371单片机恒压供水系统的设计摘 要：建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据居民用水时间集中，用水量变化较大的特点，因此居民原供水系统存在了耗能高，可靠性低，水资源浪费严重，管网系统待完善的问题。提出利用压力反馈，PID 控制，配以变频器、单片机、压力传感器等，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，从而使管网中的压力始终保持在合适的范围。从而解决因楼层太高而导致压力不足及小流量时能耗大的问题。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵
3、调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，电机的使用寿命大大延长。关键字：恒压变频供水，单片机，差压供水，自动控制2The Design base on MCU for pressure water supply systemAbstract：Building the conservation-oriented society, the reasonable development, saves and the effective protecting water resource
4、s is an arduous task. According to the users water used time and the water consumption changing characteristic, so the resident original water supply system has many problems. E.g. the existence cost to be high, the reliability is low, the water resources waste, and the pipe network system need cons
5、ummation. Through the way of using pressure feedback, PID control, together with the converter, microcontroller, pressure sensors, etc, according to the network management pressure, control water pump rotational speed through the inverter. So that the pressure in the pipe network is always maintaine
6、d at a appropriate scope. Through this way, we solve the problem that the high floor case inadequate pressure and energy consumption high when the flow is low.Moreover the water pump consumes the electric power and the electric machinery rotational speed is proportional three cubed the relations, th
7、erefore the water pump velocity modulation gets an obvious energy conservation effect. The average power consumption saves 40% than usual water supply method. Combination of relays, it can achieve the main pump frequency adjust, the deputy pump soft start, with the function of short circuit protecti
8、on and over current protection. It is stable and reliable further more greatly extend the life of the motor.Key words: Constant pressure frequency conversion water supply, SCM, differential pressure water supply, automatic control31 绪 论1.1 课题研究的目的与意义随着高层建筑层数的不断加高，高层居民经常出现用水难问题。该设计针对上述问题，要求研制变频调速恒压供水
9、控制器，该控制器是基于单片机为核心，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)，使供水系统自动稳定于设定的压力值。传统的蓄水加压办法有：高位水箱、气压给水以及无水箱供水等三种方式。高位水箱给水的方式，靠水的势能向用户提供一定压力的生活用水和生产用水。这种办法显然比较落后，一是投资大，二是不利与维护和抗震。将增加房屋强度设计要求，增加成本。而且采用高位水箱最重要的是将产生二次污染。1982 年以后开始出现气压供水设备，虽比前者有所改进，但仍有很多不足之处，如占地面积大，水罐和泵房投资高，电机频繁启动，耗电量大且供水压力不稳。1究竟采
10、用何种供水方式效果更好呢？根据流体力学的原理，水泵的流量与转速成正比，而电机轴上消耗的功率与转速的平方成正比。由此可见，采用交流变频调速恒压供水系统即可做到用水量和供水量的统一，又极大地降低了电耗。近几年随着交流变频调速技术的发展和微型计算机的推广应用，上述想法已成为现实。1.2 国内外发展的状况变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压
11、力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。即 1968 年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发4现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像 ABB 集团推出了 HVAC 变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水用的变频器。它将 PID 调节器和 P LC 可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指
12、令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如 BA 系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。2目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的
13、动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(2.2k-30w) ，无需外接 PLC 和 PID 可完成。最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性( EMC) 的变频
14、恒压供水系统的水压闭环控制的研究迁是不够的。采用变频调速恒压供水，利用反馈控制来进行恒压供水设计时还存在的问题有：由于供水系统的供水管道长、拐弯多, 难于确定系统的数学模型; 且该系统具有非线性、高阶次、大滞后、参数易变等特点。变频恒压供水系统主要特点：（1）节能，可以实现节电 20%40%，能实现绿色省电。（2）占地面积小，投资少，效率高。（3）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。（4）运行合理，由于是软启和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减小了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。5（5）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
15、，防止了很多传染疾病。（6）通过通信控制，可以实现无人职守，节约了人力物力。21.3 变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw 以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。 (2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在 135kw320kw 之间，电网电压通常为 220V 或 380
16、V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。(3)大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器1.4 恒压供水的实现系统结构的设计：系统为压力反馈的单闭环控制。利用浩捷PTJ207压力传感器测量水管压力，其输出为数字量。STC89C52单片机获得测量值后通过算法计算出频率值。作为变频器（ABB ACS510）的给定，通过变频器输出调节泵的转速，来调节水压，从而达到恒压控制的目的。控制算法的设计
17、：由于供水系统难于确定系统的数学模型且具有非线性、高阶次、大滞后、参数易变等特点。3而在本科所学的方法中都要求控制对象明确才能计算控制器参数。用凑试法确定PID参数不需要知道系统模型。因此拟用单片机来完成人工参数试凑的过程来整定参数。6目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设
18、计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题4。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题。72 变调速系统能耗分析2.1 供水系统分析水泵机组应用变频调速技术。即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速可以相应的改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网压力恒定，达到节能效果。如图 2.1 所示，n 为水泵特性曲线，A 管路特性曲线， H0 为管网末端的服务压力，H
19、1 为泵出口压力。当用水量达到最大 Qmax 时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性 n0 和用水管特性曲线 A0 汇交于 b 点，此时，水泵输出口压力为 H，末端服务压力刚好为 H0。当用水量从 Qmax 减少到 Q1 的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。图 2.1 节能分析曲线图(1)水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由 b 点上滑到 c 点，而管路所需的扬程将由 b 点滑到 d 点，这样 c 点和 d 点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。(2)水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制；此时，当用水量由
20、Qmax 下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点是在 H 上平移。在水量到达 Q1 时，相应的水泵特性趋向为 nx。而管路的特性曲线将向上平移到 A1，两线交点 e 即为此时的工况点，这样，在水量减8少到 Q1 时，将导致管网不利点水压升高到 H0H1，则 H1 即为水泵的能量浪费。(3)水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制；此时，当用水量由 Qmax下降到 Q1 时，水泵降低转速，水泵的特性曲线 n1，其工况点为 d 点，正好落在管网特性曲线 A0 上，这样可以使水泵的工作点式中沿着 A0 滑动，管网的服务压力H0 恒定不变，其扬程与系
21、统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了 h1.根据水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)*2P1/P2=(n1/n2)*3式中，Q、H、P、n 分别为泵流量、压力、轴功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的，保证了供水压力的
22、可靠5。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性。另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速 n 为：n=120(1-s)/p （2.1）式中 s 为电机的转差率（s=0.02），p 为电机极对数，f 为定子供电频率。当水泵电机选定后，p 和 s 为定值，也就是说电机转速与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低，变频调速时是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力 P、
23、流量 Q 和功率 N 的关系为： N=PQ由功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比，基于流量控制可以大幅度降低轴频率。2.2 变频调速恒压供水工况与能耗机理分析9管路水力损失分为扬程损失和局部损失两种hs=hy+hj （2.2）沿程损失 hy= LQ2 （2.3）式中 y-管路沿程摩擦损失系数；j-局部损失系数；L- 管路长度（m ）；A- 过水截面的面积。（2.4 ）=2+12=2式中 S 被称为管路阻力系数。当水泵管路系统去掉后，相应的 y，j ，L ，A 等参数都能去顶，S 也就确定了。由式（ 2.4）可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水损失就
24、等于上下水位差（即实际扬程 H）加上管路损失Hx=Hsj+Hs （2.5）由式（2.5）可以得到如图所示的 Hs-Q 管路性能曲线图 2.2 水泵工作点的确定水泵运行工况点 A 是水泵性能曲线 n1 和管道性能曲线 R1 的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量，需要减少流量时关小阀门，管路性能曲线有 R1 变为 R2.运行工况点沿着水泵性能曲线从 A 点移到 D 点，扬程从 H0 上升到 H1，流量从 Q0 减少到 Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线 R1 保持不变，水泵的特性取决于转速，如果水泵转速从 n0 降到 n1，水泵性能曲线从 n0 平移到 n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从 A 点移到 C 点，扬程从 H0 下降到 H1，流量从 Q0 减少到Q1.在图 2-5 中水泵运行在 B 点时消耗的轴功率与 H1BQ1O 的面积成正比，运行在C 点时消耗的轴功率与 H2CQ1O 的面积成正比，从图 2.3 上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果明显5。
