嵌入式船用變頻供水控制系統(tǒng)

韓中建

（武警海警學(xué)院，浙江寧波 315801）

0 引言

船舶供水系統(tǒng)作為機電設(shè)備中的重要組成部分，可影響船舶正常運行及船員的日常生活質(zhì)量。恒壓變頻供水系統(tǒng)因具有壓力穩(wěn)定、節(jié)約能源、成本低廉、自動化程度高、方便管理等優(yōu)點，逐漸成為船舶主要供水方式[1]。目前，基于PLC的恒壓變頻供水系統(tǒng)因編程快捷、成功率高等優(yōu)點在船舶業(yè)及市場中占比較大。然而，隨著自動化和智能化水平的不斷提高，控制系統(tǒng)的功能不只局限于控制環(huán)節(jié)，更擴展到水質(zhì)數(shù)據(jù)分析、水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持等方面，而嵌入式系統(tǒng)成本低廉、控制功能強、功耗低、體積小且擴展靈活，必定成為未來變頻供水控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向之一[2]。

1 控制原理

如圖1所示，本文中的變頻供水控制系統(tǒng)采用經(jīng)典閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過壓力傳感器將供水管路的出口壓力轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，而后經(jīng)信號處理和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后在嵌入式微處理器中結(jié)合液晶屏上設(shè)置的恒定壓力進行PID計算；再經(jīng)過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換與電壓放大模塊，將電路線性放大為0 V～10 V的電壓信號，并控制變頻器輸出0 Hz～50 Hz的交流電，進而控制水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水管路的出口壓力[3]。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)框圖

2 控制電路設(shè)計

如圖2所示，本控制電路設(shè)計主要設(shè)備包括：STM32F429嵌入式微處理器、SKI600-1D5-4變頻器、25WBS3-8離心泵、電壓繼電器、接觸繼電器以及各類電氣元件。通過改變旋鈕開關(guān)SA，實現(xiàn)液晶屏控制與本地控制2種模式間的切換。當(dāng)SA＝1時，為液晶屏控制模式，該模式下通過壓力變送器、電磁流量計、電壓繼電器等設(shè)備采集管路出口壓力、流量、輸出頻率、水泵運行狀態(tài)等參數(shù)信息，而后經(jīng)嵌入式微處理器在液晶顯示模塊顯示。當(dāng)在液晶屏上選擇變頻啟動時，微處理器控制電壓繼電器接通 KV2、KV4，斷開KV1，接通接觸器KM2與變頻器主線，斷開KM1，則水泵接通變頻電壓。同時，將出口壓力傳感器采集的信息與液晶屏上設(shè)定的恒壓值相結(jié)合進行PID運算，運算值經(jīng)D/A變換和電壓放大電路線性放大為0 V～10 V電壓信號后反饋給變頻器的AI2端口，從而使變頻器給1#泵輸出頻率緩慢升高的380 V交流電，并穩(wěn)定在設(shè)定值壓力所對應(yīng)的頻率。當(dāng)在液晶屏上點擊變頻停止時，微處理控制KV2、KV3、KV4斷開，接通KV1，則水泵接通工頻電壓，系統(tǒng)恢復(fù)為手動運行模式；此時可通過液晶屏上的按鈕，手動控制1#泵、2#泵的啟動停止。當(dāng)SA＝2時，為本地控制，該模式下水泵接通工頻電壓，可通過控制箱按鈕 SB1、SB2、SB3、SB4控制1#泵、2#泵的啟動停止。

圖2 基于嵌入式變頻供水系統(tǒng)控制線路

3 軟件控制邏輯流程

當(dāng)系統(tǒng)在液晶屏控制模式下工作時，嵌入式微處理器開始工作，其軟件邏輯控制流程如圖 3所示。系統(tǒng)啟動后首先進行各外設(shè)的初始化，包括GPIO端口、定時器、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、SDRAM 以及液晶觸摸屏的初始化；而后系統(tǒng)檢測出口壓力、流量、頻率以及供水泵運行狀態(tài)，并在液晶屏顯示；再判斷手動啟動還是變頻啟動（系統(tǒng)默認(rèn)為手動啟動），可通過液晶屏上按鈕手動控制1#泵、2#泵的啟動停止。當(dāng)選擇變頻啟動時，系統(tǒng)默認(rèn)為1#泵單泵啟動，出口壓力與設(shè)定壓力進行PID運算，并經(jīng)I/O端口調(diào)整變頻器輸出頻率，而后判斷當(dāng)前運行模式。當(dāng)單泵運行時，若當(dāng)前變頻器輸出頻率大于單泵運行最大頻率F單max，由此說明單泵已無法滿足當(dāng)前的用水需求；系統(tǒng)啟動2#泵開始雙泵運行，并經(jīng)I/O端口調(diào)整變頻器輸出為雙泵運行最小頻率F雙min，否則繼續(xù)單泵運行。當(dāng)雙泵運行時，若當(dāng)前變頻器輸出頻率小于雙泵運行最小頻率F雙min，則說明無需雙泵運行，系統(tǒng)停止2#泵，開始單泵運行，并經(jīng)I/O端口調(diào)整變頻器輸出為單泵運行最大頻率F單max，否則繼續(xù)單泵運行。最后進行停機檢測，當(dāng)執(zhí)行停機時，KV2、KV3、KV4斷開，KV1接通，系統(tǒng)恢復(fù)初始的手動啟動狀態(tài)。

圖3 軟件控制邏輯流程

4 控制界面設(shè)計

如圖4所示，變頻供水控制系統(tǒng)采用5英寸RGB電容觸摸屏作為人機交互界面，分辨率為800×480像素，使用emWin軟件設(shè)計、CodeBocks軟件進行模擬仿真。功能主要包含1#供水泵、2#供水泵的運行狀態(tài)監(jiān)測、運行數(shù)據(jù)監(jiān)測、恒壓設(shè)定、手動啟動、變頻啟動等。

圖4 變頻供水模擬控制界面

當(dāng)控制系統(tǒng)為液晶屏控制時，默認(rèn)為手動運行模式，可選擇單泵或雙泵運行模式，通過點擊1#泵、2#泵啟動停止按鈕，以控制各泵的運行。當(dāng)1#泵、2#泵處于停止?fàn)顟B(tài)時，點擊變頻啟動按鈕后，系統(tǒng)開始變頻啟動運行，同時可設(shè)定供水管路的出口壓力；點擊變頻停止按鈕，系統(tǒng)停止工作，恢復(fù)為手動運行模式。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合船舶實際應(yīng)用，設(shè)計出一套嵌入式船用變頻供水控制系統(tǒng)，分析介紹了該系統(tǒng)控制原理、設(shè)備組成、安裝線路和運行軟件邏輯流程，并采用emWin和CodeBocks軟件設(shè)計出人機交互界面。該控制系統(tǒng)經(jīng)安裝測試后達到多地控制、恒壓設(shè)定、運行數(shù)據(jù)監(jiān)測等目的，為嵌入式變頻供水系統(tǒng)實際應(yīng)用于船舶運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。