基于DSP在自动供水控制系统中.docx

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基于DSP在自动供水控制系统中

基于DSP在自动恒压供水系统中的应用

姓名：

孔祥松

学号：

090301010

班级：

测班101班

1引言

近年来,随着传感器、计算机和微电子的发展,传统的靠继电器和浮球阀设计的自动供水系统正在被以PLC或DSP所设计的控制系统来代替。

由于DSP具有体积小、功耗小、使用方便、处理数据量大及处理精度高等优点,被大量地用来设计自动控制系统,本文提出了利用DSP来设计自动供水系统原理和方法,所讨论的自动供水系统如图1所示。

图1自动供水系统

传统的控制方法由电动机和交流接触器以及浮球阀等组成（即图1中电子式水位开关）,并通过浮球阀的上下摆动常开常闭来控制交流接触器从而达到保持水井水位平衡。

但在要求精度较高的情形下,图1的设计就很难达到要求,此时,可以应用精度高的DSP控制方案来解决这一问题。

控制框图如图2所示。

1．1国内恒压供水系统的现状

目前,就国内而言，归结起来主要采用以下三种方法:

水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点  

（1）这种方式是集中供水。

对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。

一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。

主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。

恒压变频供水是较为理想和先进的。

首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。

各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。

（2）水池－水泵－高位水箱－用水点

此方式也是集中供水。

单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。

一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。

该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。

（3）单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点  

此方式已简化为单元总水表进水。

单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体，我们称之为单元增压器。

由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。

变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。

恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

1．2　恒压供水系统介绍

下面以一个三台泵生活/消防双恒压供水系统为例来说明其工艺过程，它主要是由PLC、变频器、压力传感器、水泵断路器、接触器、中间继电器以及水泵等组成。

用户通过控制柜上的指示操作面板上的指示灯、TD-200显示屏及按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。

市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，它们自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱内注水。

水池的高/低水位信号也接送给PLC，作为低水位报警用。

通过安装在出水管网上的远传压力传感器将压力信号转化为4-20mA的标准信号送入PLC，经PID运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵转速，调节系统供水量，使系统的供水管网压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。

根据用户用水量的大小来控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。

当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以压力设定值为基准的闭环控制系统。

为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离不是很大。

生活用水和消防用水共六台泵，其中三台消防泵，另外三台是生活泵，平时由三台生活泵负责生活用水，当消防系统启动时，生活用水水泵立即停止运行，消防泵立即投入运行，并按设定压力对消防水泵进行变频调速。

消防系统警报解除后，生活泵再投入运行。

1．3恒压供水系统的总体设计

为达到大范围恒压供水的目的,供水系统由三台水泵和一台变频器及控制器组成。

这样可以避免因一台水泵故障,导致整个供水系统瘫痪的弊端,而且能利用水泵的运行曲线和工作效率的关系,使得每台水泵轮流处于节能高效运行状态,既节约能源又延长水泵寿命。

系统的硬件结构图如图3所示。

图3　总体结构图

根据实际要求,给恒压供水系统设置了如下控制功能:

1.手动:

转换开关置于手动位置,能直接启停每台工频水泵,每台水泵状态由对应手动开关位置决定。

2.停止:

转换开关置于停止位置,设备进入停机状态,任何水泵都不能启动。

3.自动:

转换开关置于自动位置,设备进入自动运行状态,PLC按变频水泵循环工作方式对三台水泵进行自动控制。

控制过程可用图2所示的软件流程框图表示。

在这种设想下,任何一台水泵在程序的控制下,都可以工作在工频或变频状态。

进一步通过控制算法设计,可以保证三台水泵的运行时间和开启次数接近,从而延长设备的整体使用寿命。

1．4恒压供水的基本原理

 恒压供水指的是主管出口压力恒定的供水方式。

变频调速恒压供水系统通过实时检测供水主管出口压力，然后与设定值进行比较,经压力调节器运算处理后,在线自动调节变频器,控制泵的转速随压力变化而变化,最终达到主管出口压力稳定在设定值上的目的。

恒压供水原理图

下面我们就关心的问题就是水流量与转速及轴功率的关系。

由流体力学的原理可得下列表达首先我们要清楚变频调速的原理，由交流感应电动机转速公式ｎ=60f1/p*（1-s） （式中n—电机转速;f—定子供电频率;s—转差率;p—电机极对数）可知：

如均匀地改变电机定子的供电频率ｆ1,就可平滑改变电机转速.对于异步电动机的变频传动,为了避免电机过磁饱和,同时抑制启动电流,产生必需的转矩进行安全运转,在改变频率的同时,对定子电压也应作相应调节.逆变器主回路把三相50Ｈｚ交流电整流滤波为直流,再通过ＰＷＭ脉宽调制器触发大功率晶体管,把直流变为电压和频率可调的三相交流电，由此可实现变频调速。

那么式:

Q1/Q2=n1/n2;  H1/H2=（n1/n2）2;  P1/P2=（n1/n2）3 （其中Q代表流量；H代表扬程（水压）；P代表轴功率；n代表转速），当流量减小，水泵转速下降，其电机输出功率则大幅度下降。

例如：

当流量下降到80％，转速也下降到80％时，其轴功率则下降到额定功率的51％；当流量降到50％，轴功率将下降到额定功率的13％，即使考虑到由于转速降低引起效率下降等附加控制装置的效率等因素，其节能效果也是很明显的。

2具体控制方法

2.1供水系统构成

本文中供水系统是由DSP系列中的TMS320C2000、三菱FR-D740系列变频器、电动机组，传感器等组成。

2．2工作过程

当水井的水不足或满时,由压力传感器获得信号,经A/D转换器向DSP输送信号,此时DSP获得信号由事先写好程序发出指令,经由D/A转换成模拟信号送给变频器来决定电动机组是否加水或停止。

其中DSP是整个系统的大脑,此外DSP系统中还可以根据实际需要接入示波器等观察电动机的电流波形等。

2．3硬件线路设计

由于本系统的水泵有三台,而变频器只有一台,为了使三台水泵的使用工况接近,需要使三台水泵能够轮流进入变频运行状态,而未按变频运行的水泵也要轮流的处于工频运行,使得各水泵的运行时间接近,延长水泵和系统的使用寿命。

为此,在系统上需要进行硬件和软件的特殊设计,其中硬件设计如图4所示。

为了充分保障系统的安全,本系统采用以下措施:

（1）要求对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现互锁。

（2）当水泵的功率较大时,为防止直接启动时启动电流过大,需要采用软启动的方法,即用变频器来启动水泵。

（3）原先变频运行的水泵在断开变频器后,利用其运行的惯性切换到工频电源，避免切换过程中电流过大的问题。

为了实现恒压供水,首先将供水管道的出口压力值经压力传感器检测,并变送成0～10V的标准信号,送入变频器,经变频器内部A/D采样和PID运算,控制变频器的输出频率,从而控制供水的压力平衡。

由于在现场一般存在着各种各样的干扰,为了使控制系统能准确、稳定的运行,启用了变频器内部在A/D之前的一级一阶低通滤波器,其传递函数为

（1）

式中,

为0～255Ts,采样时间Ts=25ms。

在PLC软件之中采用平均值滤波的算法去除干扰,具体算式如下:

（2）

式中,i,j为自然数,n为样本数。

DSP系列TMS320C2000

TMS320C2000是基于20C2xLP核。

C2xLP核具有4级流水,工作在40MHz,具有JTAG仿真模块。

C2xLP有一个中心算术逻辑单元（CALU）,及32-bit的累加器（Acc）。

Acc也是CALU的一个输入。

Acc的其它输入包括16316-bit的乘法器通过定标移位器,以及输入数据定标移位器,为实现小数的算术运算和验证小数的乘积,C2xLP的乘积寄存器的输出通过乘积移位器,以抑制运算中产生的多出来的bit。

该乘积定标移位器允许作128个乘积累加而不会产生溢出。

基本的乘积累加（MAC）周期,包括将一个数据存储乘以一个程序存储器的值,并将结果加给累加器。

当C2000循环执行MAC,则程序计数器自动增量,并将程序总线释放给第二个操作数,从而达到单周期执行MAC。

C2xLP可以访问64000个16-bit的I/O口。

C2000的外设,诸如串口、软件等待状态发生器等都映射为数据或I/O空间。

用户程序必须使用其它的I/O地址来访问映射在I/O空间的片外外设。

C2000系列中的多数芯片可以产生0~7个等待状态。

C2000系列由C20x和C24x系列组成。

C20x的目标是低性能的电信设备,而C24x的目标是数字化的马达控制。

C24x系列的芯片具有事件管理器,以便支持马达控制。

该事件管理器具有3个加/减定时器和9个比较器,可以和波形产生逻辑配合产生12PWM的输出。

支持同步的和异步的PWM产生。

它还支持一个空间向量PWM状态机,用开关功率晶体管来实现,以以延长晶体管的寿命和降低功耗。

TMS320C2000控制板只要求输入5V电源,通过LDO转换为18V、33V,并用电源监测管理芯片控制复位信号和看门狗功能。

模拟输入的信号包括:

通过0/4~20mA、0~10V等输入的调速信号;电流传感器输出的电流信号;控制电源监测输入信号;主电路功率模块的温度传感器输出经调理后的温度电压信号。

所有模拟信号送入DSP的12位AD接口进行模数转换。

输出的信号有:

通过DSP的辅助PWM,用于输出对应脉宽的PWM信号,通过电路调理对应0~10V电压的模拟信号输出。

各种保护信号（包括过流保护信号、短路保护信号、过欠压信号等）输入PLD锁存,再送到DSP保护专用TZ引脚,实现故障锁存和快速关断PWM信号。

其它IO信号由DSP或PLD处理。

键盘、显示的接口:

通过RS232接口与键盘显示通信,完成变频器的参数设置、显示等用户接口功能;不需要快速响应的输入、输出信号,包括一些状态、指示开关量。

器的值

4.PLC与变频器的通信设计

西门子变频器可挂接的总线包括Profibus-DP总线、CAN总线和AS-I总线,在欧洲现场总线标准EN50170定义的分布式I/O现场总线中,Profibus-DP以其开放、明确的定义获得众多厂商的支持,更由于它能支持高通讯速率而广泛应用。

因此在通信设计时首选DP总线。

但DP的报文结构复杂,在单变频器的应用场合,用户应用DP协议开发控制程序非常复杂。

为此西门子公司将DP定义进行了部分简化形成了USS协议,并定义USS协议以字符信息为基本单元。

这样在用户编写应用程序时就可方便地使用ASCII码形式来发送信息,使之非常简单、方便。

因此在本系统中通信设计时选择了USS协议。

USS协议为主-从式结构:

从站变频器只是对主站（控制器如PC、PLC等）发来的报文作出回应,并发送报文。

每个从站都有唯一的从站号,主站依靠它来识别从站（变频器）。

USS协议由14个字节组成一个报文。

在系统选型时选用了一种把PID调节器、压力检测〔4〕、USS协议等功能集成为一体的标准驱动产品。

它是变频调速恒压供水系统的核心设备。

因此对系统的操作主要集中在对变频器的操作上。

操作内容主要有以下4个方面:

设定或查看变频器的有关功能参数+设定或查看变频器的运行特性;发送变频器启动和停止运行命令;设定压力传感器的量程范围等监控参数。

用上位机或用PLC对变频器进行监控,主要解决的问题是:

①PLC对变频器设置信息,此类信息包括设置功能参数和命令两大类,例如发送变频器的运行频率值,或启停命令等〔2〕。

②变频器获取所需的信息。

③在上位机上进行工程组态设计〔5〕。

为了节省系统的投资和充分利用变频器的资源,控制器PLC的操作面板由变频器的面板来代替,即PLC控制软件所需的参数均由变频器的面板输入,通过以USS协议的方式由PLC存取。

所用变频器的资源为变频器的参数区。

系统是DCS（集散控制系统）的分支,也可以在上位机上编程、组态。

为了保证通讯或PLC出现故障时,供水系统仍能暂时稳压运行,在系统设计时采用了变频器内部的PID调节功能。

4.1传感器

测量范围:

0~10m;分辨率:

&1mm;稳定性:

∋025%FS;工作温度:

0~70

4.2A/D转换

如图5右边所示选择8位模数转换ADC0809,片内8路模拟开关,气转换时间约为100s。

ADC0809主要信号引脚的功能说明如下:

（1）IN7~IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。

对应ALE上跳沿,A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

（2）START转换启动信号。

START上升沿,复位ADC0809;START下降沿时启动芯片,开始进行A/D转换;在A/D转换期间,START应保持低电平。

本信号有时简写为ST。

（3）CLK时钟信号。

ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号由外界提供,因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500kHz的时钟信号。

（4）EOC转换结束信号。

EOC=0,正在进行转换;EOC=1,转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志,又可作为中断请求信号使用。

（5）OE输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0,输出数据线呈高阻;OE=1,输出转换得到的数据。

（6）Vcc+5V电源。

（7）Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较,作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）。

5结论

本文采用以上器件设计而成的自动控制供水系统大大提高了控制精度,使得该系统在实际应用中更加方便、可靠,效率高,但其成本较采用浮球阀设计的控制系统稍高。

此设计方法也为一些高精度要求的提供了一个应用实例,有较好的应用前景。

实践证明运行稳定可靠,在恒压供水状况下不但能节约能源,降低设备维修费用,而且由于软件自我联锁保护丰富,无论在自动或手动状态下,都十分可靠,是一种新颖的恒压供水系统。