高樓供水拖動電機節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

張坤平

摘 ?要：文章闡述了恒壓供水變頻電機控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。該控制系統(tǒng)的控制器以89C51單片機為核心，再加以外圍接口電路組成，控制對象是供水管道的壓力，主要應(yīng)用在高層樓房的自動供水系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：89C51單片機;變頻供水;PID控制

引言

隨著我國城市化的快速發(fā)展，城市中的高層建筑以及高層居民小區(qū)也越來越多，隨之而來的高層供水問題也應(yīng)運而生。目前對于供水系統(tǒng)中多采用交流異步電機作為拖動動力，然而由于被控對象即供水系統(tǒng)中的管道壓力是一個不確定的參數(shù)，因此我們就有必要通過供水壓力的變化來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而達到節(jié)能的效果。在較多的供水方案中，恒壓變頻供水系統(tǒng)是目前應(yīng)用的最多的一種，它的主要思想就是保持供水管道內(nèi)壓力恒定，也就是水泵電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)根據(jù)供水管道壓力的大小而定。當供水需求量大時，水壓變小，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使其加快，壓力上升。當供水需求量小時，水壓過大，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使其減速，壓力下降。此控制方案的優(yōu)點是自動化程度高、節(jié)能（節(jié)約水源，節(jié)約電能）、可靠性高，抗干擾強等。與傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)方案對比，由于采用了PID儀表和PLC控制器相結(jié)合，因此造價高，功能單一。文章正是克服了傳統(tǒng)方案中的缺點而設(shè)計的。因此非常適用于高層建筑、居民區(qū)的取暖鍋爐自動供水需要。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件選擇

該供水控制系統(tǒng)以89C51單片機為核心，在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，利用此芯片的P0、P2口作輸入、輸出I/O口，又因為該芯片片內(nèi)有EPROM，對于此系統(tǒng)來說，無需外擴EPROM。本控制系統(tǒng)采用74LS164（4片）來驅(qū)動數(shù)碼管作為顯示部分，片外數(shù)據(jù)存儲器外擴一片RAM6264，將開機設(shè)定的一些原始參數(shù)保存進去。供水管道的壓力大小信號由壓力傳感器MPX2000采集，將采集來的壓力信號經(jīng)放大電路（由LM358組成雙運放電路）進行放大，然后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。計算出的控制參數(shù)經(jīng)SLE4520三相可編程脈寬調(diào)制器變成相應(yīng)寬度的脈沖模擬信號，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小。考慮到此供水系統(tǒng)在不同場合調(diào)試時參數(shù)的設(shè)定，我們對此系統(tǒng)設(shè)置四鍵小鍵盤、LED顯示模塊，操作方便，易于安裝。

1.2 控制原理

在設(shè)計該變頻恒壓供水系統(tǒng)時，將檢測壓力信號大小的壓力傳感器安裝在水泵出水管道上，并把檢測到的管道壓力即水壓變成0～5V或4～20MA的模擬信號，然后將此模擬信號變換成相應(yīng)的數(shù)字信號（由A/D轉(zhuǎn)換完成），最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入89C51單片機進行數(shù)據(jù)處理。水壓偏差值的大小就是通過比較單片機處理后的數(shù)據(jù)與設(shè)定壓力得來的。將偏差值經(jīng)PID調(diào)節(jié)得到最終的控制參數(shù)，經(jīng)SLE4520三相可編程脈寬調(diào)制器變成相應(yīng)寬度的脈沖模擬信號，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小，以此改變水泵的電機轉(zhuǎn)速，達到控制管道壓力的目的。當供水管道壓力比給定壓力小時，系統(tǒng)變頻器的輸出頻率將會升高，進而加快水泵轉(zhuǎn)速，管道壓力隨之升高;反過來，當供水管道壓力比給定壓力大時，系統(tǒng)變頻器的輸出頻率將會降低，進而減慢水泵轉(zhuǎn)速，管道壓力隨之降低，最終達到恒壓供水的目的，供水系統(tǒng)的原理框圖及硬件結(jié)構(gòu)圖分別如圖1所示：

此供水系統(tǒng)由三臺水泵組成，控制方式有多種，根據(jù)應(yīng)用場合的不同可以采用三泵聯(lián)運、二泵聯(lián)運、一用一備、一用二備、定時換泵等。在聯(lián)運的工作方式下，當某臺變頻泵電機頻率達到工頻時（50Hz），若水壓還達不到設(shè)定值，那么將此泵切換為工頻工作，同時啟動下一臺水泵變頻運行，直到達到給定壓力為止。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件系統(tǒng)的組成

在系統(tǒng)軟件設(shè)計方面，主要由主程序、定時中斷顯示和頻率輸出子程序組成。為了防止在程序運行中死機現(xiàn)象的發(fā)生，系統(tǒng)每隔1S復位一次，即軟件程序采用定時復位方案，主程序和子程序采用模塊化設(shè)計。為了消除干擾信號，采用平均值的數(shù)字濾波方法，由于供水管道水壓為一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)相串聯(lián)，在控制算法上采用典型的PID算法。

要想使恒壓供水系統(tǒng)中管道水壓恒定，實際上就是要滿足管道內(nèi)供水能力和用水流量的平衡，換句話說就是要滿足用戶的用水流量，然而在現(xiàn)實中，流量是一個連續(xù)的量，供水與用水之間并不存在差異，為了說明問題，當兩者之間不適應(yīng)時導致水壓發(fā)生的變化，我們假定Qg為供水流量，Qu為用水流量。因此在動態(tài)的情況下，供水系統(tǒng)中水壓的大小P與供水能力和用水流量之間的平衡情況有關(guān)，如果以安裝壓力表的位置作為分界點，把壓力表之前的流量稱為供水流量（Qg），壓力表之后的流量稱為用水流量（Qu），則有如下關(guān)系：

如Qg>Qu，則p↑;

如Qg

如Qg=Qu，則p=const（恒量）。

2.2 PID控制算法概述

變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器中，ps是壓力變送器，它在測量管道壓力p的同時，還將測得的壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號或電流信號。該信號在控制系統(tǒng)中作為反饋信號，用Xf表示。所以反饋信號也就是實測的壓力信號，即Xf正比于p。變頻器預制為PID控制方式，Xf接至變頻器的反饋信號輸入端VPF（電壓信號）或IPF（電流信號）。與用戶要求的壓力大小對應(yīng)的信號稱為目標信號，用Xt表示。由電位器Rp或鍵盤直接給出。Xt和Xf兩者是相減的，其合成信號Xd=（Xt-Xf）;經(jīng)過PID調(diào)節(jié)處理后成為頻率給定信號Xg，決定變頻器的輸出頻率fx。

當用水流量減小，使Qg>Qu時，則供水壓力p↑→Xf↑→Xd↓→fx↓→電動機轉(zhuǎn)速nx↓→Qg↓→Qg=Qu直至壓力大小回復到目標值（Xt≈Xf），從而達到平衡;

反之，當用水流量增加，使Qg

因此，供水系統(tǒng)總是根據(jù)用戶的用水情況不斷地處于自動調(diào)整狀態(tài)中。

3 結(jié)束語

本套拖動電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)控制，實現(xiàn)供水系統(tǒng)的恒壓變頻調(diào)速。本套系統(tǒng)中水泵電動機啟動平穩(wěn)，系統(tǒng)動態(tài)性能良好，穩(wěn)態(tài)性能誤差很小，抗干擾性能強，滿足了實際控制的要求。

參考文獻

[1]譚建成.電機控制專用集成電路[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997..

[2]徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996.