基于单片机的小区恒压供水系统设计论文Word文档下载推荐.doc
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1.2变频恒压供水系统的主要优点 1
1.3本课题的主要研究内容 2
2变频调速恒压供水理论分析 3
2.1调速原理 3
2.2系统的节能原理分析 3
2.2.1供水系统特性与工作点 3
2.2.2流量调节的方法 4
2.2.3流量调节方法的比较 5
2.3变频恒压供水系统的组成及原理图 6
3系统结构与设备选型 9
3.1系统结构总体设计 9
3.2单片机的选择 9
3.3PID控制算法与其实现 10
4硬件设计 12
4.1系统工作过程说明 13
4.2变频器部分硬件设计 14
4.2.1主电路 14
4.2.2控制电路 15
4.3单片机部分硬件设计 16
4.3.1主要部分电路 16
4.3.2其它部分电路 20
5系统软件设计 27
5.1主程序流程 27
5.2继电器动作控制 27
5.3PID控制流程 28
6结论 30
参考文献 31
致谢 32
附录1以单片机为主的主要硬件图 33
附录2主要程序 35
Ⅲ
泰山学院本科毕业设计
1引言
1.1课题研究的提出
伴随着经济社会发展,城市高层建筑数量增多,与此同时高层建筑楼层层数也不断增加,高层居民经常出现用水难问题,针对上述问题,变频调速恒压供水系统应运而生。
恒压供水控制系统由单片机、电机水泵机组、变频控制器、压力传感器及继电控制逻辑等组成。
其中单片机是整个控制系统的核心,压力传感器用来测量系统中的控制变量,而水泵电机机组、变频器以及继电控制逻辑,可看作系统的执行机构。
当单片机压力采样到传感器所测的水压值超过设定水压范围时,然后根据系统设定的控制算法发送控制信号,从而得以选择水泵投入台数和控制拖动水泵电机的转速,以实现高层建筑恒压供水。
“传统的蓄水加压方法有高位水箱、气压给水以及无水箱供水等三种方式。
高位水箱给水靠水的势能向用户提供一定压力的生活和生产用水,但这种方式的不仅造价高而且将影响建筑物结构强度及抗震性,最重要的是高位水箱给水会带来“二次污染”。
[1]逐渐发展起来的气压供水,虽有所改进,可取代任何高度的水塔或楼顶高位水箱,但它亦存在很多明显的缺点,如气压供水设备笨重,气压罐和泵房建造成本高,水泵启动频繁,耗电量大,压力不稳定还会影响电磁元件和水泵电机的寿命。
根据流体力学的原理,采用交流变频调速恒压供水系统不仅可做到水量供需平衡,同时又降低了电耗。
随着交流变频调速技术的发展和微型计算机的广泛应用,上述想法已成为现实。
1.2变频恒压供水系统的主要优点:
(1)节约能源,可节电20%—40%,供水品质大大提高。
(2)设备简单,安装配置方便,投资成本低,水资源利用效率大大提高。
(3)自动化程度高,功能齐全,合理可靠。
(4)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)从水源供直接水,设备二次污染的程度下降,防止许多传染疾病的滋生,清洁维修方便。
(6)利用通信技术进行控制,减少了人力物力过度投入。
1.3本课题的主要研究内容
本设计以小区供水系统为控制对象,把单片机跟变频技术相结合,设计一套城市生活小区恒压供水系统,单片机控制的变频恒压供水系统主要由单片机、变频器、压力变送器和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,本设计中有1个贮水池2台水泵,采用PID调节方法,即2台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行,另一台水泵工频运行。
单片机根据管网压力自动控制水泵运行,并根据压力检测值和系统设定定值之间偏差进行PID运算,输出给变频器控制其输出频率,调节水泵电机转速,进而使供水管网压力恒定。
根据以上控制要求,进行设计系统总体控制方案、硬件设备选型、单片机选型,绘制系统硬件连接图,完成以单片机为核心的硬件设计:
A/D转换采样、PID控制、用户按键输入、显示屏显示、单片机和变频器的通信。
以及主电路和控制电路梯形图。
熟练使用相关软件,并对程序进行调试和修改。
2变频调速恒压供水理论分析
2.1调速原理
讨论异步电动机的转速,首先研究其转速公式:
(公式1)
式中:
f表示电源频率,p表示电机磁极对数,s表示转差率。
此式表明,改变三相异步电动机转速有三种方式,即改变电源频率f、改变电机磁极对数p及转差率S。
“改变电机p调速的方式控制简单,效率高,有很好的节能效果,但这种电动机的调速是有极的,并且级差大。
改变转差率调速的方法最大优点是设备简单、投资少、调速性能好,调速平滑性好,但是线路复杂,中间环节电能损耗加大”[2],且成本高,推广困难。
“由公式可知,转差率如果变化不大时,转速n基本上与电源频率f成正比。
连续调节电源频率,就可以平滑地改变电动机的转速。
然而,单一调节电源频率,将导致电机运行性能恶化。
随着电力电子技术的发展,变频调速电源装置的性能不断改善,促进了变频调速技术的广泛应用。
”[3]
2.2系统的节能原理分析
2.2.1供水系统特性与工作点
(1)扬程特性假设保持供水管道中阀门的大小不变,在某转速下,反映全扬程HT与流量Q关系的曲线HT=f(Q),称为系统扬程特性曲线,如图1中曲线①所示。
扬程特性用来表征用水需求与全扬程间的关系。
(2)管阻特性假设不改变水泵的转速情况下,全扬程HT与供水流量Q的关系曲线HT=f(Q),称为系统的管阻特性。
如图1中的曲线②所示,管阻特性主要是用来表明管组控制供水系统能力的大小。
(3)工作点与供水功率供水系统的工作点是指系统扬程特性与管阻特性关系曲线的交点,如图1中的N点就是供水系统的工作点,供水系统不仅满足了扬程特性,也符合了管阻特性。
此时供水系统稳定运行,达到平衡状态。
供水系统运行时所消耗的功率PG(KW)称为供水功率,供水功率与流量跟扬程的乘积成正比例关系:
PG=CPHTQ其中CP是常数。
由图1中可以看出:
供水系统的额定功率与OANG四点所成的正方形的面积成正比。
图1供水系统基本特性
2.2.2流量调节的方法
流量是供水系统中最根本也是最直接的控制对象。
讨论节能问题,首先要考察供水流量的调节方法。
常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。
(1)阀门控制法“即通过控制阀门大小来调节流量,而转速通常为额定转速。
阀门控制法的实质是保持水泵本身的供水能力不变,通过改变供水管网中的阻力大小来强行改变流量,以满足用户的用水需求。
这时,管阻特性跟阀门的开度直接相关成正比例关系变化,而扬程特性保持不变”[4]。
如图2所示,设用户所需流量QX为额定流量的60%(即QX=60%QN),当通过阀门控制法来实现时,关小阀门,管阻特性将改变为曲线③,而扬程特性曲线不变,显然供水系统的工作点由N点移到E点。
此时,流量减小为QE;
相反扬程增加为HE;
由图2知,供水功率PG与面积0DEJ成正比。
(2)转速控制法“即保持阀门开度不变(一般将阀门设置为最大开度)通过调节水泵的转速来改变流量。
”[5]转速控制法的实质是调节水泵的供水能力以满足用户对流量的需求。
扬程特性曲线随水泵转速的改变而改变,而管阻特性则不变。
仍以用户所需流量等于60%QN为例,降低转速使QX=60%QN时,扬程特性为曲线④,管阻特性曲线保持不变,显然工作点移到了C点。
减小为QC(=QX),扬程减小为HC,供水功率PC与面积0DCK同样成正比。
图2调节流量的方法与比较
2.2.3流量调节方法的比较
对比以上两种流量调节方法可知,同样用户所需流量小于额定流量(QX<100%QN)的情况下,转速控制法的扬程要比阀门控制法的扬程要小,同时也可发现转速控制法供水功率也比阀门控制法小。
两者之差P便是转速控制法所节约的功率,它与面积KCEJ(图中的阴影部分)成正比。
这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本表现。
从工作效率上看:
(1)工作效率即水泵的供水功率PG与轴功率PP(即电动机的输出功率)之比,记为ηP,
ηP=PG/PP(公式2)
(2)据有关资料介绍,水泵工作效率相对值η*的近似计算公式如下:
ηP*=C1(Q*/n*)—C2(Q*/n*)(公式3)
式中,ηP*、Q*、n*分别为效率、流量和转速的相对值;
C1、C2为一常数,通常由制造厂家提供,C1与C2遵循如下规律:
C1-C2=1。
(3)采用不同控制方式时的工作效率由(图2)可知,采用阀门控制法减少阀门开度减少流量时,因为转速不变,即n*=1,Q*/n*=Q*,显然,水泵工作效率随之减少明显。
在采用转速控制方式时,阀门的开度基本保持不变,流量Q*和转速n*比值不变。
水泵的工作效率总能达到最佳状态。
通过比较采用不同控制方式时的工作效率可知,转速控制法下的水泵工作效率要大得多。
这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个表现。
从电机的效率上看:
在我们设计供水系统时通常存在以下困难①用户的管路情况太复杂无法预测;
②管阻特性没有确切的函数关系来表示,因此计算困难;
③满足用户需求的同时还要留有余地。
所以,在实际的运行过程中,即便是在用水流量高峰期,电机一般处于轻载状态,此时电机效率与功率都比较低。
选用转速控制法后,可打开全部的排水阀并有计划地降低电机转速。
变频器具有能够根据负载大小调节输入电压的功能,利用变频器电机低频运行,从而大大提高了电机的运行效率。
2.3变频恒压供水系统的组成及原理图
系统由主要有单片机、变频器、压力变送器和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,该系统的控制流程图如图3所示:
水位变送器
单片机
变频器
M
水泵机组
压力变送器
水池水位信号
水位水池信号
用户
报警信号
图3系统控制流程图
此系统可分为:
执行机构、信号监测机构、控制机构三大部分。
(l)执行机构:
执行机构由两台水泵构成,它们用于将水送给用户,其中由一台变频泵和一台工频泵构成。
(2)信号监测机构:
系统运行过程中需要检测管网压力、蓄水池水位和警报信号。
压力信号反映小区用户的水压值,它是系统最重要的反馈控制信号。
因压力传感器所测得的是模拟量,因此需A/D转换才能读入单片机。
另外为了使得整个系统更加可靠,还需要用压力表检测一下供水的上下限水压,将检测结果转换成数字量后送给单片机;
水位信号反映供水水源的充裕程度,由安在蓄水池中的水位传感器发出,防止空抽损坏牵引电机,对控制系统起到保护作用;
报警信号主要监测系统是否运行平稳,当水泵电机发生过载或者变频器出现异常时会发出警报。
(3)控制机构:
控制机构由单片机、变频调速器和电力控制设备组成。
供水控制器是整个系统的控制中枢。
它负责系统运行过程中压力、水位、报警信号的采集,分析人机接口和通讯接口所采集到的数据、选择具体的算法,制定出系统的执行控制方案,通过控制器控制接触器的开断实现水泵机组的切换;
变频器控制牵引水泵电机的转速,其跟踪控制器送来的控制信号改变调速泵的频率,完成对调速泵的转速控制。
报警是每一个控制系统必不可少的部分。
为了保证系统安全、可靠、平稳的运行,防止因电机过载、电网过大波动、供水水源中断造成故障,因此系统必须监测各种报警量,由单片机判断报警类别,进行相应的保护措施,以免造成不必要的损失。
管网出口水压是变频恒压供水系统的主要控制目标,总体上把实际管网供水压力与设定值的差值控制在一个允许的范围内。
压力的设定值可以是具体的数值,也可以定义域为某时间段的分段函数。
故某个具体的时间段内,恒压控制就是为了使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上[10]。
变频恒压供水系统的结构框图如图4所示:
D/A转换器
A/D转换器
压力传感器
水压
给定水压
图4变频恒压供水系统框图
恒压供水系统通过安装在用户管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压,检测管网出水压力,并将其转换为电信号,由于电信号为模拟量,故必须通过单片机的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较,对偏差值进行PID运算,再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号,控制变频器的输出频率,从而控制电动机的转速,实现变频恒压供水。
3系统结构与设备选型
3.1系统结构总体设计
单片机系统硬件结构框架图如图5所示:
该系统的主要硬件设备:
(1)单片机、
(2)变频器、(3)水泵机组、(4)压力变送器、(5)液位变送器。
主要设备选型如表1所示:
表1系统主要硬件设备清单
主要设备
型号及其生产厂家
AT89C51(Intel)
西门子MM430
水泵机组
SFL系列水泵2台(上海熊猫机械有限公司)
压力变送器及显示仪表
浩捷PTJ206、XMT-1270数显仪
液位变送器
HM21投入式液位变送器
AT89C51
按键
泵
显示屏
A/D
图5系统总体设计框图
3.2单片机的选择
(1)单片机运行速度单片机的运行速度首先要看它的时钟频率,指令集和机器周期。
另外选择的时候不要追求运行的高速度,速度越高单片机的稳定性和抗干扰性会受影响。
另外高速度同时功耗也大。
(2)单片机I/O口的数量和功能根据实际需要确定I/O口的数量,I/O过多会增大芯片的体积,体积增大的同时也增加了成本。
(3)定时器和计数器多数的单片机提供2—3个定时/计数器,现在很多单片机都提供了看门狗定时器(WDT),当单片机发生“死机”后,可自动复位。
(4)串行接口和模拟电路功能单片机的串行接口有:
UART接口、SPI接口、USB接口等。
单片机集成片内A/D转换器的同时,还集成了采样/保持电路。
(5)工作电压和功耗工作电压一般在1.8V—6V之间,功耗参数主要是指正常模式、空闲模式、掉电模式下的工作电流。
(6)抗干扰性、保密性在干扰比较大的工业环境中要选择抗干扰能力强的单片机。
保密性主要是保护个人或企业的知识产权。
本系统选择AT89C51单片机,它有4KEPROM,所以不用外扩EPROM,这样可以利用P0、P2口作为输入、输出I/O口,简化了硬件结构。
系统的显示采用4片74LS164驱动LED,使用89C51的串行通讯口TXD,DXD。
93C46为串行EEPROM,用于保存开机设定的原始参数。
3.3PID控制算法与其实现
该系统采用PID进行控制,将PID算法编成程序输入到单片机中自动运行。
算法程序流程图如下:
压力采样
求实际压力与设定压力之差
调用PID控制子程序
控制量输出
图6PID算法流程
“PID控制是工业生产过程中应用最为广泛的调节器控制规律。
当我们不熟悉被控对象的函数控制模型或难以确定系统参数时,这种情况下我们就需要运用PID控制算法。
”[5]其控制规律为:
(公式4)
U(t)为控制量,Kp为比例增益,e(t)为控制偏差,T1为积分时间常数,TD为微分时间常数。
(1)位置型
把式公式4变换一下,作下面近似:
≈
(公式5)
≈(公式6)
T为时间周期,k为序号。
可得位置型PID算式:
U(k)=Kp[e(k)++TD](公式7)
公式7提供位置参数U(k),例如阀的开度,因此被称作位置型PID。
(2)增量型
由公式7可看出,位置型不是特别方便,e(i)还需要连续累加,这样不仅占用了多余的存贮空间,而且程序编写困难,现将式公式7做如下改进:
(公式8)
其中Kp=称为比例增益;
K=Kp称为积分系数;
KD=KP称为微分系数。
为编程方便,将式公式8改动如下:
(公式9)
其中=Kp(1++),=Kp(),q=Kp。
4硬件设计
系统的硬件设计如下:
(1)以8951单片机为核心的硬件部分设计。
主要包括:
(2)变频器硬件部分电路设计。
主电路和控制电路。
系统硬件结构如图7所示:
图7系统硬件结构示意图
45
图8实际供水系统示意图
实际供水系统如图8,电机M1工频直接接入电网,电机M2主要用来变频调速。
可选择性利用气压供水罐增加系统阻尼。
4.1系统工作过程说明
(1)两个泵的供水方式
结合图8,恒压供水系统选用两个泵,1#泵(M1)工频工作,系统处于用水低峰时,由它供水。
此时变频器与电机M2都不工作。
当小区居民用水量上升,水压低于系统设定值,这时变频器动态调节水压。
当用水需求量处于低用水区域时,变频器停止运行仍然由1#泵(M1)供水。
低用水量区水压在容许范围波动,只有水压低于一定程度才启动变频器。
必要利用气压罐增加系统阻尼,这样变频器无需在低频率下长期运行,同时也解决了系统V/F控制不能在过低频率下运行的问题。
图10水泵启停与用水量关系图
(2)系统的启动与运行系统
启动电机M1先投入运行。
这时如图9,继电器KM1吸合,KM2与KM3断开,直到电机M1启动结束。
变频器在电机M1的启动过程中相当于软启动器。
电机M1启动完毕后,变频器停止输出同时KM1断开,KM3吸合,再经过一个软件延时后KM2吸合。
此时电机M1直接接入电网,电机M2接到变频器。
当压力偏差超过设定时变频器工作输出电机M2运行。
变频器停止工作取决于是否在低用水量区,但用户需要的用水量难以测量。
故通过单片机对变频器的频率输出(u(k))与压力偏差e(k),来判断用户用水量。
显然在u(k),e(k)都小于设定值的情况下,用户需要的用水量必然在低用水量区,这时让单片机控制变频器停止工作。
4.2变频器部分硬件设计
4.2.1主电路
图9变频器部分电路接线图
如图9所示,电机M1的作用是在供水系统用水量最小的情况时,维持
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- 基于 单片机 小区 供水系统 设计 论文