恒压供水.docx

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恒压供水

水位恒压控制系统设计

一、教学目标

1、培养自动控制系统设计的全局观念

2、熟悉自控系统设计的步骤

3、掌握恒压控制的原理

4、巩固PLC模拟输入模块的使用及输出电路设计

5、巩固PLC控制变频器的工作方法

二、设计要求

1．设计一个采用全自动变频恒压控制方式来实现恒压供水的自控系统。

2．本系统主要以PLC来控制，按照控制要求选择器件，设计其硬件主控电路。

3．根据要求选择相应的传感器、驱动电机、阀门等；

4．按照设计要求编制相应的PLC控制程序。

三、教学内容

1系统概述

随着人口的不断增加，楼房越来越高，如何利用有效的水源保证高层建筑的正常供水已是迫在眉睫。

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位（如高校，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”。

其工作原理是：

控制器通过检测实际水压值，比较设定水压值和实际水压值的差别，按PID控制规律运算后，输出控制信号至变频器，变频器则根据控制器的输入信号调节水泵电机的供电电压和频率。

当用水量增加时，控制器控制变频器使电动机的电压和频率加大，水泵转速升高，出水量增加；当用水量减少时，控制器控制变频器使电动机的电压和频率降低，水泵转速下降，出水量减少。

通过这种控制方式，就可以使自来水管道压力保持在设定值上。

该系统具有结构简单，运行稳定，节约能源，同时也克服了传统控制方式所具有的不足。

1）压力、流量、水位等容易控制；

2）可节约由阀门引起的管阻损失；

3）便于和上位微机联接；

4）容易实现反复多次的起动和停止。

2系统设计

2.1单片机系统

如图2-1是一个典型的由8051单片机控制的闭环调速恒压供水系统。

系统由微机控制器、交流变频调速器、水泵机组、供水管网和压力传感器等组成，控制系统结构原理如图2-2所示。

8051单片机在这里主要起压力采集、PID调节器计算、功能判断处理、消防处理、逻辑切换、压力显示和声光报警等作用。

图2-1供水系统组成原理

图2-2供水控制系统结构原理

2.2PLC控制系统

图2-3CPU基本单元连接电路

3系统相关硬件设计

3.1自动进水系统

自动进水系统实现的主要功能是:

在保证自来水管网水压在设定范围（即不影响客户的用水）的前提下，自动调节进水阀门的开度，尽可能增大进水量。

进水阀门主要依据两个参数:

管网水压与设定水压之间的偏差、水池的水位。

当水池水位到达高水位时，进水门必须关闭:

当水池水位低于最高水位时，进水阀门的开度由管管网水压与设定水压之间的偏差决定。

802电控调节阀内部采用三相电机驱动，经过实验，阀门从全关至全开只需要15秒。

而在实际的调整过程中，有时只需要调节1%的开度，也就是只需要阀门通电0.15秒即可。

但由于阀门存在惯性，0.15秒的通电时间不足以使阀门有所动作。

而当通电时间大于0.5秒时，阀门可以动作，但每次的调节量并不确定。

这也正是自动进水系统控制的难点所在。

自动进水系统的控制目标是保证管网水压在目标水压的士0.015Mpa之间。

（1）系统首先检查水池的水位，当水池达到最高水位时，应停止进水，关闭阀门。

（2）当水池需要进水时，将当前水压与目标水压比较，如果水压过低，说明阀门开度过大，阀门关向调节:

水压过高，说明阀门开度可以更大，阀门开向调节:

水压正常，阀门保持原有开度。

阀门的调节时间选择0.5秒。

（3）当阀门进行调节后，由于进水量发生变化，管网压力会有较大波动，水压通常需耍20秒钟后才能重新趋于稳定。

因此，需要等特一段时间，以避开水压不稳定的情况。

从抗干扰的角度来看，软件控制对象或测量对象可能出现大波动的情况时，不进行处理，也是抗干扰的一种有效途径。

系统提供了一个参数，调节该参数可以调节系统的等待时间。

从而控制自动进水系统调节的灵敏度。

3.2自动供水系统

自动供水系统实现的主要任务是根据水管水压情况，自动起动或停止45KW水泵，开始或停止向用户供水。

水管水压情况由系统传感器任务更新。

当水管的水压低于给定水压时，系统通过控制自耦减压起动箱的“起动”按钮起动45KW水泵，在45KW水泵内的水压建立起来后（约15秒）自动打开电动阀门，由进水管向水池供水。

当水管的水压高于用户需求水压时，系统首先关闭45KW水泵的电动阀门，当阀门关闭后（关闭时间需要15秒）。

通过控制自耦减压起动箱的“停止”按钮停止45KW水泵.

3.3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:

（1）量程:

0-0.6MPa;

（2）电源电压:

24V;

（3）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:

0.05^0.5%FS;

（5）温度漂移:

0.25%FS/℃;

（6）过载能力:

2倍;

（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。

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。

某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。

科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。

其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。

由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。

而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。

磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途[7]。

3.4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）250V10（4）A380V;

（2）额定功率:

1KW;

（3）工作温度:

-10摄氏度-90摄氏度;

（4）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[11]。

3.5电源

根据硬件设计的要求，计算机需要提供以下五种电源:

（1）系统电源:

+5v;

（2）水位开关模块电源:

+9v,

（3）传感器电源:

十24V;

（4）A/D转换器电源:

+5V;

（5）D/A转换器电源:

+5V。

小区由农村电网供电，供电不正常，停电频率较高。

为保证系统运行，电网停电时需采用自备发电机组发电。

但该小区的发电机组输出电能质量较差，在系统试运行期间，曾造成主板部分芯片损坏。

为保证系统的正常运行，系统配备了一台300W的不间断电源（UPS），为系统供稳定的交流电源，该交流电源同时为停电期间的报普电铃供电。

3.5.1传感器电源

传感器电源配置是数据采集系统的重要环节。

数据采集模块是千扰侵袭的主要渠道，对电源配置要充分考虑到干扰的隔离与抑制。

其电源配置一般要求具有功率小、高稳定度、高纯净度、有干扰隔离与抑制措施等特点.因为传感器要求的供电电压为24V，而单片机应用系统工作电压一般为+5V.为了统一供电系统，本系统选用DC-DC变换器MAX629升压芯片为传感器提供工作电源。

DC-DC变换器的输入回路与输出回路是隔离的，这样就切断了系统的主电源与数据采集通道间的干扰渠道，起到电源隔离的作用，提高了数据采集系统的抗干扰能力。

MAX629是MAXIM公司生产的DC-DC变换器集成芯片。

它可以实现低电压输入而输出高电压功能，而且根据需要设计应用电路可以提供不同的电压输出。

其主要技术参数和性能如下:

（1）输入电压:

2.7-5.5V；

（2）供电电流:

典型值为80uA，最大值为120UA;

（3）输出电压:

-28V-+28V;

（4）最大输出电流:

20mA;

（5）最大转换频率:

300KHz;

（6）内置28V,多通道转换开关;

（7）最大关断电流:

IuA.

3.5.2A/D转换器电源和D/A转换器电源

为保证A/D转换器与D/A转换器的精度，由高精度稳压器78LO5提供精确的+5V的电源V-AD。

D/A转换器Max518根据美信公司的应用笔记要求，需经过一个滤波网络后接入VDD引脚。

4PID控制原理

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

同时，控制理论的发展也经历了古典控制