单片机变频恒压供水系统设计论文.doc
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1、 摘 要 本论文介绍了加压泵站自动控制系统软件硬件设计的主要内容。在硬 件上,本课题涉及了模数转换,数模转换,实时时钟,开关量输入,开关 量输出,打印机接口,MODEM控制,EEPROM,点阵图形式液晶显示, 红外遥控键盘等芯片和接口,并讨论了硬件的通用性和可扩展性。在软件 编制上,本课题将软件分为三个层次:系统层,驱动程序层和应用任务层,阐述了每层的结构和意义,并将本课题软件在三个层次上加以实现。在算法上,本课题利用单片机实现了增量式PID控制算法,并利用PID控制算 法实现了变频恒压供水。在功能上,本课题实现了基于PID控制的变频恒 压供水系统,自动进水系统,自动供水系统和无人值守自动供水
2、系统。本 课题还利用由MODEM和公用电话网组成的通讯线路实现了对远程无人值 守自动控制系统的监控。最后,讨论了本系统的通用性及其研究意义。 关键词:增量式PID控制;变频恒压供水;自动控制系统;通用性; MODEM远程通讯 1.前言 本课题是导师吴锤红教授受阂候县自来水公司委托,为某加压泵站进行技术改造的一个项目。本课题主要是为了配合自来水公司一个大型用水用户(某大型饮料厂供水方案的技术改造而进行的。该饮料厂原供水方案是:厂区蓄水池从自来水管网进水,泵房从蓄水池取水并加压后送入生产线。根据该饮料厂的新生产要求,该饮料厂决定撤消蓄水池,由自来水公司加压泵站提供恒定压力的供水,并直接送入生产线。
3、1.1本课题研究的现状 根据该饮料厂的生产线对进水压力要求,泵站必须提供 24小时不间断的恒定压力的供水,供水压力在0.38Mpa以上。本课题拟采用变频恒压供水方案.计算机系统根据出水压力与目标压力的差值,通过 PID调节控制变频器的输出频率,从而控制水泵的出水压力保持在一个恒定值。 泵站配备有一个蓄水量达 800吨的水池 (以下简称水池 A),直接由自来水公司的主管网进水。进水阀门原采用手动控制,由工作人员根据管网的压力,调节阀门的开度从而调节进水量。本课题拟采用自动进水方案.计算机系统根据当前的管网压力,实时调整进水阀门 (电动调节阀)的开度,以保证管网压力在给定的范围内。 泵站的计算机系
4、统简称计算机A. 泵站同时还给一个工厂生活区供水。这个生活区与泵站距离约三公里。生活区有两个水池,分别为后山水池 以下简称水池B)和大后山水池 (以下简称水池C)其中后山水池B由泵站供水。值班人员当水池C缺水时,启动生活区泵房水泵,从水池B给水池C供水。由于自来水公司不准备在生活区泵房安排值班人员,本课题拟采用无人值守自动供水系统 (以下简称为计算机 B),安装在生活区的泵房。该系统用于检测两个水池的水位情况,并且在水池 C水位低于进水水位时,自动启动泵房水泵,由水池B向水池C供水。 为保证水池B的供水,本课题拟采用白动供水方案。当水池B低于某一水位时无人值守自动供水系统通知泵站启动水泵,由水
5、池A给水池B供水。由于工厂生活区与泵站相距较远,计算机A与计算机B之间的通讯拟采用MODEM十公用电话网建立联系。1.2本课题研究的意义 本课题研究可以分为四个子系统:变频恒压供水系统,自动进水系统,自动供水系统和无人值守自动供水系统。其中自动供水系统和无人值守自动供水系统实际上是一套完整的远程测控系统,本节将其作为一个整体进行讨论。1.2.1变频恒压供水系统研究的意义 一般给水管网中的水压 (自来水厂的一次供水压力)已很难满足用户的用水需求,除建筑低层可由市政管网直接供水外,其余高层用户或大型用水单企业)均须加压供水。 目前常用的加压方案,无论是水塔、高位水箱、还是气压罐,都必须由水泵以高出
6、用户实际所需水压的压力进行 “提升.,从而造成能源的浪费。 采用水塔或高位水箱式供水.用户管网水压较稳定,具有一定的蓄水能力。但水塔 (或水箱)的存在,增加了建筑物结构的承重和建筑造价,同时造成了水质的二次污染,且高层最不利配水点水压不能满足用户需要。 气压式供水其实是把高位水箱移到了地面。它虽然可减少污染,并一定程度上消除 “水锤”现象,但气压罐的有效容积有限,水泵电机启停十分频繁,管网压力波动较大;气压罐为钢制压力容器,还需使用胶囊隔膜或补气装置,运营费用高,潜在费用较高。 变频恒压供水系统以管网水压 (或用户用水流量)为设定参数,通过微机控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速,实
7、现管网水压的闭环调节 (PID),使供水系统自动恒稳于设定的压力值:即用水量增加时,频率升高,水泵转速加快,供水量相应增大:用水量减少时,频率降低,水泵转速减慢,供水量亦相应减小,这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求,同时达到了提高供水品质和供水效率的目的,“用多少水,供多少水”;采用该设备不需建造高位水箱,水塔,水质无二次污染,是一种理想的现代化建筑供水设备。 新型的变频恒压供水与传统的水箱和气压供水方式相比,不论是设备的投资额,运行的经济性,还是系统的稳定性,可靠性,节能效果、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势,这些优越性引起了几乎所有供水设备厂家的高度重视,争相研制、开发这一新技
8、术产品,最近几年,随着交流变频调速技术的成熟和普及,变频恒压供水系统以其技术之先进,得到了飞速的发展。目前该产品正向着高可靠性、全数字化、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、网络供水调试和整体规划要求的必然趋势川。 因此,研究变频恒压供水系统的意义在于提供一种经济,节能,稳定且高品质的供水方案。1.2.2自动进水系统研究的意义 管网水压力是供水系统的重要参数,中华人民共和国建设部发行的行业标准中有许多与自来水管网的水压力相关,甚至做了严格的规定。这里列举 建筑给水排水设计规范(GBJ 15-88(公告6)中与水压力相关的部分条例,如下: 第 2
9、.1.4条 生活用水定额、水压及用水条件,应按工艺要求确定。生活用水定 额、水压及用水条件,应按工艺要求确定。 第 2.2.4条 生活饮用水管道不得与非饮用水管道连接。在特殊情况下,必须以 饮用水作为工业备用水源时,两种管道的连接处,应采取防止水质 污染的措施。在连接处,生活饮用水的水压必须经常大于其他水管 的水压。 第2.3.4条 高层建筑生活给水系统的竖向分区,应根据使用要求、材料设备性 能、维修管理、建筑物层数等条件,结合利用室外给水管网的水压 合理确定。分区最低卫生器具配水点处的静水压,住宅、旅馆 院宜为300-350kPa:办公楼宜为350-450kPa. 由此可见,供水管网压力是白
10、来水传输的一个极为重要的基本参数。供水太低,将使某些管段得不到充足的用水供应;供水压力过高,爆管机率增加,量越大,水资源浪费越严重。 由于泵站直接从自来水公司主管网中取水,泵站的进水量对管网压力影响极在项目实施过程中,在对进水阀门进行实验时,曾将进水阀门全部打开,管网力几乎降至OMpa. 因此,研究自动进水系统的意义在于根据管网的当前压力,调整泵站的进水以保证管网的压力处于正常值。1.2.3自动供水系统研究的意义 研究自动供水系统和无人值守自动供水系统的现实意义在于为生活区提供的生活用水,系统根据水位情况自动取水,保证了居民的生活用水。 研究自动供水系统的通用性意义在于,该系统实现了一个完整的
11、远程测控系并研究了通过MODEM和公用电话网(PSTN)进行远程测控的方法。1.3本课题的研究内容 本课题研究的主要内容:研究变频恒压供水系统、自动进水系统、自动供统和无人值守自动供水系统的软硬件设计和实现。 硬件方面主要研究多种芯片和外设的接口,包括:模数转换,数模转换,时钟,开关量输入,开关量输出,打印机接口.MODEM控制,EEPROM,点形式液晶显示模块,红外遥控键盘等。 软件方面主要研究软件的分层设计方法。本课题将软件分为三种层次:系统驱动程序层和应用任务层。其中,系统层主要提供系统的总体结构并提供系统干扰措施,驱动程序层提供了芯片和外设的接口,应用任务层实现了系统的具育旨。1.4本
12、课题的研究目标 本课题研究要求达到以下目标: (1)实现24小时不间断变频恒压供水,供水压力可实时调整; (2)保证管网压力在允许值范围内自动进水; (3)实时测量进水压力和出水压力: (4)实现水池C无人值守白动供水: (5)实现水池B自动供水: (6)实现计算机B机与计算机A的MODEM通讯; (7)实现系统异常情况时报警; (8)保存报替情况并提供打印接口:(9)提供中文液晶显示:2.加压泵站供水设备及其控制特性2.1加压泵站供水系统简图 泵站供水系统简图如图2.1所示。 图2.1泵站供水系统简图 1:压力传感器,用于检测自来水公司主供水管线的当前水压: 2:电控调节阀,用于控制泵站水池
13、进水量: 3, 7: 45KW和37KW变频器,分别用于给45KW水泵 1和 15KW水泵提供频率可变的三相电压; 4:电动控制阀门,用于控制45KW水泵1的出水管道: 5:压力传感器,用于检测出水管道的当前水压: 6:止回阀门,当 15KW水泵出水水压高于一定值时,自动打开:当出水压力低于一定值时,自动关闭阀门: 8: 45KW自祸减压起动箱,用于控制45KW水泵2的启动与停止; 9:电动控制阀门,用于控制45KW水泵2的出水管道: 10: 28KW自祸减压起动箱,用于控制28KW水泵的启动与停止; 11:止回阀门。 水池水位的检测采用力普浮球开关。2.2供水水泵泵站共有4台供水水泵。其主要
14、参数及控制方式如表2.1所示。 表2.1水泵及其控制方式 对于配置电动阀门的水泵,在开机和关机都必须遵守一定的顺序。开机顺序为:先关闭阀门,再启动电机,经一段时间 (约 30秒)水泵水压建立后,再开闭电动阀门。关机顺序为:先关闭阀门,确定阀门关闭 (对于本课题使用的电动阀门需要 巧秒以上)后,关闭电机。2.2.1水泵特性分析及节能原理 水泵是一种平方转矩负载,其转速n与流量Q、扬程H及泵的轴功率N的关系如式2.1所示。 式2.1表明,泵的流量与其转速成正比,泵的扬程与其转速的平方成正比,泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时,电动机的辅功率P(kW)可按式2.2计算。 图2.2是泵的
15、流量Q与扬程H的关系曲线。图中,曲线1为泵在转速n1下的扬程一流量(H-Q)的特性:曲线5为泵在转速n2下的扬程一流量(H-Q)的特性;曲线2为泵在转速nl下的功率一流量(P-Q)的特性;曲线3, 4为管阻特性。 假设泵的标准工作点A点的效率最高,输出流量Q为1000%,此时轴功率P1与Q1, Hl的乘积面积AH10Q1成正比。根据生产工艺要求.当流量从Ql减小到Q2时,如果采用调节阀门方法(相当于增加管网阻力),使管阻特性从曲线3变到曲线4.系统由原来的工作点A变到新的工作点B运行。此时,泵扬程增加,轴功率P2与面积BH20Q2成正比。 如果采用变频器控制方式,泵转速由nl降到n2,在满足同
16、样流量Q2的情况下,扬程H3大幅降低,轴功率P3与面积CH30Q3成正比。轴功率P3与PI, P2之和相比较,将显著减小。节省的功率损耗P与面积BH2H3C成正比,节能效果十分显著 2.3变频器 (SANKEN ) 泵站共有两台三垦力达电气 (江阴)有限公司生产的 SANKEN变频器,分别为SPF-37K一和SPF-45K-A。变频器的主要参数如表2.2所示。 在本系统中。使用控制回路端子启动和停止变频器,使用0-5v的计算机可控的模拟电压来设定变频器的输出频率。 控制特性:需要两路开关量输出,及两路0-5V的数模转换电路。2.4自祸减压起动箱 系统共有两台自祸减压起动箱,分别为XJOI-45
17、和XJOI-28。主要参数是:额定电压3相380V,频率SOHz.容量分别为45KW和28KW,最大启动时间120秒. 白拙a.压起动箱提供一个“起动”按钮和一个“停止”按钮。通过继电器直接并入自祸减压起动箱的端子排,利用继电器触点控制自祸减压起动箱的起动和停止。计算机通过控制继电器触点的通断来控制自祸减压起动箱。 控制特性:需要两路开关量输山信号。2.5电动调节阀 (802) 电动调节阀为天律北方阀门控制设备公司生产的 802电动调节阀门。型号为802.120-1,主要参数如下: (1)电源:三相交流电源380V,50Hz; (2)功率:370W; (3)阀位电位器:560 0 ; (4)开
18、向行程限位开关和关向行程限位开关; (5)全自动手电动切换结构,无切换用的手柄。 厂家未提供从全开至全关所需的时间参数。经过实验,开度从0%至 100%或从100%至0%平均需要 15秒。 由控制中心通过控制线 (长度约为20米)给阀位电位器提供 5V电压,并返回电位器电压值。经过实验,当开度为0%时,电位器电压为0.02V,当开度为100%时.电位器电压值为3.67V. 系统需要通过两组交流接触器提供正反转三相电源,以控制电动调节阀开向运转或关向运转。计算机通过输出两个开关量,控制两个可控硅开关,由可控硅控制交流接触器的线圈,以控制交流接触器的通断。 控制特性:需要两路开关量输出,并提供一路
19、5V模拟信号的测量。2.6电动阀门 (LQA) 电动阀门为天津北方阀门控制设备公司生产的LQA电动阀门。型号为LQA40-1,主要参数如下: (1)输入电压:三相380V, (2)功率:90W; (3)阀位电位器:5600; (4)开向行程限位开关和关向行程限位开关: (5)全自动手电动切换结构,无切换用的手柄。 经过实验,阀门开度从0%至100%或从100%至0%平均需要15秒。系统没有使用阀门提供的电位器,只需要对阀门进行全开和全关操作。 系统需要通过两组交流接触器提供正反转三相电源,以控制电动调节阀开向运转或关向运转。系统通过输出两个开关量,控制两个可控硅开关,由可控硅控制交流接触器的线
20、圈,以控制交流接触器的通断。 由于电动阀门只有两种互斥的状态:全开和全关。计算机只需要输出一路开关量信号即可。以“0即低电平表示阀门打开,以“1”即高电平表示阀门关闭。 控制特性:需要一路开关量输出。2.7水压传感器 根据应用系统的测压范围、精度要求、工作环境等因素,本系统选用安徽传感器集团天诚传感器有限公司设计的NS-F压力传感器。该传感器的技术指标如下:171 (1)量程:0-0.6MPa; (Z)电源电压:24V; (8)输出为电压量:0-5V;满量程输出:Wt零点输出:续100mv; (4)综合精度:0.050.5 %FS; (5)温度漂移:0.25 % FS/; (6)过载能力:2倍
21、; (7)工作方式:绝压、表压、差压: (8)工作温度:40-120r; (9)测量介质:对不锈钢不腐蚀的气、液体。 控制特性:需要系统提供24V直流电源,提供一路模拟量输入的模数转换电路。2.8浮球开关 本课题使用乐清力普电气有限公司生产液位浮球开关 MAC3-1 测量水池的水位。该液位浮球开关能够测量桶,槽或井中液位的。它采用一次性密封成形,便于安装,安全可靠,免予维修,无毒环保。每个浮球开关可以提供两种水位状态,常用于直接控制水泵的动作。主要技术参数如下: (1)额定电流:10 (8A) 250V 10 (4) A380V; (2)额定功率:1KW; (3)工作温度:-10摄氏度-90摄
22、氏度: (d)工作气压:1大气压: (5)工作寿命:5000次; (6)引线长度:4米 (特殊长度可按要求订制)。 本课题采用该浮球开关用于测量水池的水位。为提高水位测量的精确性,每一个浮球开关仅用于测量一个水位。 控制特性:需要提供一路开关量的测量电路。3.设计概述 加压泵站自动控制系统原理图如图3.1所示。该系统由计算机A和计算机B组成,两个计算机之间通过MODEM进行远程通讯。 3.1计算机A 如图3.1所示,计算机A由自动进水系统、变频恒压供水系统和自动供水系统组成。3.1.1自动进水系统 自动进水系统要求在保证自来水管网水压在设定范围 (即不影响自来水公司其它客户的用水)的前提下,进
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