单片机恒压供水系统的设计.docx
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单片机恒压供水系统的设计
青岛理工大学
毕业设计（论文）
题目小区恒压供水系统设计（单片机）
学生姓名：
指导教师：
学院专业班
摘要
随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使供水设计得到了新的发展机遇，当前住宅建筑的规划趋向于更具有人性化的多层次住宅组合，人们不再仅仅追去立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。
恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。
供水压力值是根据用户需求确定的，利用变频器、PID调节器、传感器、单片机等器件的有机组合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。
关键字：
恒压变频供水，单片机，恒压供水，自动控制
Abstract
Aspeople'slivingstandardisrisingtotheapplicationofnewtechnologiesandadvancedequipment,thedesignofwatersupplytonewdevelopmentopportunities,thecurrentplanningofresidentialbuildingstendtobemoreuser-friendlymulti-levelresidentialportfolio,itisnolongerjusttochasefacadeandflatappearanceandreasonable,butthepursuitofsmoothlayoutanddesignandimplementpeople-centeredconceptofspace,especiallyinthetideofmarketeconomy,andstrivetomaximizethelanduseefficiency.
Theconstantpressurewatersupplyistheamountofwaterinthewatersupplynetworkchanges,theoutletpressuretomaintainaconstantwatersupply.Thewaterpressurevalueisdeterminedonthebasisofuserneeds,organiccombinationoftheinverter,thePIDregulator,sensors,microcontrollersandotherdevices,constitutethecontrolsystemadjustthepumpoutputflow,constantpressurewatersupply.
Keywords:
constantfrequencyofwatersupply,microcontroller,constantpressurewatersupply,automaticcontrol
第1章绪论
1.1恒压供水问题的提出
水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。
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。
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]
1.2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.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，防止了很多传染疾病。
6.通过通信控制，可以实现五人职守，节约了人力物力。
[2]
1.3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135kw~320kw之间，电网电压通常为220V或380V。
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（ABBACS510）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：
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。
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。
第2章
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，H1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，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H0﹥H1，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/n2
H1/H2=（n1/n2）*2
P1/P2=（n1/n2）*3（2.1）
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（2.2）
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、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
管路水力损失分为扬程损失和局部损失两种
hs=hy+hj（2.3）
沿程损失hy=LQ2（2.4）
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。
（2.5）
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等于上下水位差（即实际扬程H）加上管路损失
Hx=Hsj+Hs（2.6）
由式（2.6）可以得到如图所示的Hs-Q管路性能曲线
图2.2.1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2.4.2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..4.2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]。
图2.2.2变频调速恒压供水单台水泵工况调节图
求出运行在B点的泵的轴功率
（2.7）
运行在C点泵的轴功率
（2.8）
两者之差：
（2.9）
也就是说，采用阀门控制流量时有ΔV的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。
相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果显著。
考察水泵的效率曲线，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器效率降得过低，避免水泵在低效率段运行。
水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体降低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内。
在此范围内，电动机的负载率在50%~100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。
2.3变频调速
2.3.1变频器的控制方式选择
目前变频器对电动机的控制方式大体可分为：
V/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能控制等。
前四种已获得成功应用，并有商品化产品，本章只讨论前2种控制方式。
1）V/f恒定控制简介。
V/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压,使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。
因为是控制电压（Voltage）与频率（Frequency）的比，称为V/f恒定控制。
此种控制方式比较简单，多用于节能型变频器，如风机、泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动等。
另外，空调等家用电器也多采用此控制方式的变频器。
控制原理如下：
异步电动机的同步转速由电源频率和电动机极数决定，在改变频率时，电动机的同步转速随着改变。
当电动机带负载运行时，电动机转子转速略低于电动机的同步转速，即存在转差。
转差的大小和电动机的负载大小有关。
保持V/f恒定控制是异步电动机变频调速最基本的控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使两者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。
电动机定子的感应电动势：
E1＝4.44Kw1Фmf1N1（3.1）
式中Kwl——电动机绕组系数；
f1——电源频率；
N1——电动机绕组匝数；
Фm——每极磁通。
电动机端电压和感应电动势的关系式为：
Ul＝E1+（r1+jx1）I1，（3.2）
在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，电动机的端电压和电动机的感应电动势近似相等。
由式（2-1）可以看出，当电动机电源频率变化时，若电动机电压不随着变化，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。
例如当电动机的频率降低时，若继续保持电动机的端电压不变，即继续保持电动机感应电动势E不变，那么，电动机的磁通Фm将增大。
由于电动机设计时电动机的磁通常处于接近饱和值，磁通的进一步增大将导致电动机出现饱和。
磁通出现饱和后将会造成电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗。
而当电动机出现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。
因此，在改变电动机频率时应对电动机的电压或电动势进行控制，以维持电动机的磁通恒定。
[7]在变频控制时，保持E/f恒定，可以维持磁通恒定。
2）矢量控制简介。
矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有直流电动机相类似的控制性能。
直流电动机具有两套绕组，励磁绕组和电枢绕组。
两套绕组在机械上是独立的，在空间上互差90°；两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电。
在励磁电流恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。
当进行闭环控制时，可以很方便地构成速度、电流双闭环控制，系统具有良好的静、动态性能。
根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制[8]。
矢量控制技术经过20多年的发展，在异步电动机变频调速中已经获得广泛应用。
但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。
如果能对电动机参数（主要是转子电阻R2）进行实时辨识，则可随时修改系统参数。
另外一种思路是设计新的控制方法，降低性能参数的敏感性。
近年发展起来的直接转矩控制采用滞环比较控制电压矢量，使得磁通、转矩跟踪给定值，系统具有良好的静、动态性能，在电气机车、交流伺服系统中展现良好的应用前景[8]。
第3章系统结构与设备选型
3.1系统总体设计
单片机系统的硬件结构框架图如图3.1所示。
本系统以8951单片机为核心，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8951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[5]。
图3.1系统总体设计框图
3.1.1555定时器复位电路
用NE555组成的硬件定时复位系统，可以有效地防止程序死机现象。
NE555封装
图3.1.1NE555封装图
如图3.1.1和图3.1.2可知，NE555定时电路V0口输出连续的脉冲信号至RST，达到定时复位的效果。
电路使用电阻电容产生RC定时电路，用于设定脉冲的周期和脉冲的宽度。
调节RW或者电容C，可以得到不同的时间常数。
脉冲宽度计算公式：
TW=0.7（R1+RW+R2）C
振荡周期计算公式：
T=0.7（R1+RW+2*R2）C
从而通过控制振荡周期和脉冲宽度就可以控制定时时间。
内部结构图
图3.1.2NE555定时电路及工作波形
3.2变频器的选择
本系统中，采用MciorMaster430系列变频器，型号为HVAC（风机和水泵节能型）EC01—4500/3，额定电压为380V—500V，额定功率35kW。
MicroMaster430系列变频器是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家，功率范围7.5kW至250Kw。
它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性，牢固的EMC（电磁兼容性）设计；控制软件可以实现专用功能：
多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等[14]。
1.MM430变频器介绍
MciorMaster430变频器的端子接口分布如图3.3所示。
图3.3MM430端子接口分布图
2.端子功能介绍
各端子的功能如表3.4所示。
表3.4端子功能表
引脚序号
引脚名称
功能
引脚序号
引脚名称
功能
1
+10V
电源电压
12
AOUT1+
模拟输出1
2
0
13
AOUT1-
3
AIN1+
模拟输入1
14
PTCA
4
AIN1-
15
PTCB
5
DINN1
数字输入
16
DIN5
数字输入
6
DINN2
17
DIN6
7
DINN3
26
AOUT2+
模拟输出2
8
DINN4
27
AOUT2-
9
+24V
电源电压
28
PE
RS-485
10
AIN2+
模拟输入2
29
P+
11
AIN2-
30
P-
18
RL1-A
输出继电器的触头
22
RL2-C
输出继电器的触头
19
RL1-B
23
RL3-A
20
RL1-C
24
RL3-B
21
RL2-B
25
RL3-C
3.3压力传感器的选择
CYYB-120系列压力变送器为两线制4～20mA电流信号输出产品。
它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。
经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有4～20mA标准信号输出。
一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便。
CYYB-120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。
可广泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域[13]。
主要特点：
（1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；
（2）抗冲击、耐震动、体积小、防水；
（3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；
（4）最具有竞争力的价格。
3.4水位传感器的选择
SL980-投入式液位变送器，广泛用于储水池、污水池、水井、水箱的水位测量，油池、油罐的油位测量，江河湖海的深度测量。
接受与液体深度成正比的液压信号，并将其转换为开关量输出，送给计算机、记录仪、调节仪或变频调节系统以实现液位的全自动控制。
主要特点是：
安装简单，精度高，可靠性高，性能稳定，能实现自身保护等[14]。
3.5单片机的选择
3.3.1单片机的选择
1.单片机的基本参数例如速度，程序存储器容量，I/O引脚数量
2.单片机的增强功能，例如看门狗，双指针，双串口，RTC（实时时钟），EEPROM，扩展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。
3.Flash和OTP（一次性可编程）相比较，最好是Flash。
4.封装IP（双列直插），PLCC（PLCC有对应插座）还是贴片。
DIP封装在做实验时可能方便一点。
5.工作温度范围，工业级还是商业机。
如果设计户外产品，必须选用工业级。
6.功耗，比如设计并口加密狗，信号线取电只能提供几个mA,。
7.工作电压范围。
例如设计电视机遥控器，2节干电池供电，至少应该能在1.8-3.6V电压范围内工作。
[10]
3.6控制算法
该系统采用PID控制方法，将PID算法编入单片机自动运行。
其算法程序流程如图3.4所示：
图3.4PID算法流程
3.6.1数字PID控制算法的实现
1.数字PID位置型控制算法：
把式（3-4）变换为差分方程，为此可作如下近似
（3.5）
式中：
T为采样周期，k为采样序号。
可得数字PID位置型控制算式为：
（3.6）
式（3-5）的控制算法提供了执行机构的位置u（k），如阀的开度，所以被称为数字PID位置型控制算式。
[11]
2.数字PID增量型算法
由式（3-5）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e（i），不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，对此可将式（
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