基于單片機和變頻調(diào)速技術的水塔液位控制系統(tǒng)研究?

（渭南師范學院物理與電氣工程學院 渭南 714099）

1 引言

人民群眾的用水是每天日常生活中必不可少的一部分，但是隨著社會的發(fā)展，城市各住宅小區(qū)的樓房越來越高，如何保證高層住宅的市民能夠正常供水成為必要考慮的因素之一。對于較高樓層的供水，首要考慮是水壓問題，但是水壓水位如何控制成為本文研究熱點問題。而傳統(tǒng)的城市生活供水維持水壓的方法是建造水塔，水塔水位控制系統(tǒng)是我國住宅小區(qū)廣泛應用的供水系統(tǒng)，傳統(tǒng)的水塔水位控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點［1～4］。本文在結合單片機技術和變頻調(diào)速控制技術的基礎上，設計了一套根據(jù)人民生活用水量的變化而自動自動調(diào)節(jié)的一種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)解決傳統(tǒng)負荷水位穩(wěn)定和供水設備一直高速工作而造成浪費資源問題。

2 液位控制系統(tǒng)結構組成和工作原理

基于單片機和變頻調(diào)速技術的水塔液位控制系統(tǒng)其硬件電路包括液位檢測電路、變頻器電路、水位報警控制電路、顯示電路及通信模塊等電路構成，該系統(tǒng)以單片機為主要的控制芯片，系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

該液位控制系統(tǒng)的工作過程為：當水箱中液位發(fā)生變化時，由液位檢測電路中水位壓力傳感器檢測到水位壓力變化，根據(jù)液位檢測原理將液位的變化轉化成電信號輸出，然后將檢測的電信號經(jīng)模數(shù)轉換電路將輸出的模擬信號轉成數(shù)學信號輸出。單片機為控制芯片，接受到輸出信號后對輸出電信號進行分析處理，根據(jù)鍵盤電路預先設定的水位閾值來判定供水泵如何工作，同時若水位高度超出預設上下限閾值，則會控制報警電路發(fā)出報警，及時將報警信息經(jīng)通信模塊電路傳遞給上位機并作出處理。

3 系統(tǒng)的硬件設計

3.1 液位檢測電路

圖2 液位檢測電路

水的液位檢測電路由水位壓力傳感器和放大電路組成，水位壓力傳感器選擇的型號為B2119壓阻式壓力傳感器［5～7］，在液位的測量中，通常采用電橋電路的形式來測量壓力的大小，其原理是水位高低產(chǎn)生的壓力不同，從而造成壓阻式壓力傳感器電阻的阻值變化也不相同。由于電阻變化從而使得輸出電信號發(fā)生變化，由輸出電信號變化大小從而可以得出水位的高低。液位檢測電路如圖1所示，當壓阻式壓力傳感器沒有受到水的壓力時，壓阻式壓力傳感器的電阻阻值Rx和其他三個固定電阻Ra、Rb、Rc處于電橋的平衡狀態(tài)，當壓阻式電壓傳感器受到水位壓力作用，壓阻式壓力傳感器阻值就會發(fā)生變化，從而使得電橋就失去平衡狀態(tài)，電橋兩端就產(chǎn)生輸出電壓，由于水位壓力變化導致壓阻式壓力傳感器所引起輸出電壓變化比較小，為了更好測量輸出電壓值和水位的關系，故此把電橋輸出電壓通過放大電路進行放大。電橋輸出的電壓的大小與液位高低成正比例。根據(jù)輸出電壓的大小可以檢測出液位高度的大小，其液位檢測電路如圖2所示。

3.2 變頻器

小區(qū)供水變頻器型號選用的是JD-BP32-XF來拖動水泵進行供水，該種型號的變頻器的供水控制方式是采用的恒壓頻比的控制方式，這種變頻器的優(yōu)點是除了具有一般變頻器的功能外，還具有變頻器的頻率可以上下調(diào)節(jié)及雙壓力控制/智能的PID控制的優(yōu)點［8～9］。變頻器的接線原理圖如圖3所示。

圖3 變頻器接線原理示意

3.3 水位報警控制電路

水位報警控制電路包括高水位一、高水位二、低水位一、低水位二等四路報警高度，該水位高度可通過下位機按鍵或上位機界面中人為設定和修改。當水位檢測電路檢測到水位值（水位示意圖如圖4所示）高于蓄水池總量的90%（高水位一）及或者低于蓄水池（低水位二）的10%時，繼電器就開始工作時，并把信號傳給外部報警電路及時發(fā)出報警信號。當水位檢測電路檢測水位值高于蓄水池總量的80%（高水位二）及時關閉水泵供水閥門，當水位檢測電路檢測水位值低于蓄水池總量的20%（低水位一）及時打開水泵供水閥門，無需發(fā)出報警信號。報警電路如圖5所示。

圖4 水位值示意圖

圖5 水位報警控制電路

3.4 水泵控制原則

根據(jù)水塔水位供水的要求，在該供水系統(tǒng)中可以采用一臺變頻器控制三臺水泵的控制方案［10］。該控制方案的控制原理如下。

1）增泵工作過程：假定增泵順序為Ml、M2、M3泵。給控制系統(tǒng)供電后，當系統(tǒng)接收到供水信號時，由變頻器拖動水泵M1工作于變頻狀態(tài)。根據(jù)用戶用水的需要所造成的水位壓力和預設水位壓力的偏差調(diào)節(jié)情況來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而控制水泵Ml的轉速，當系統(tǒng)輸出壓力沒有到達設定值（高水一和低水位一中間）時，這期間水泵Ml工作在變頻運行狀態(tài)。當用水量增大，水位壓力傳感器檢測到水位低于低水位一時，此時M1的工作頻率到達了最高頻率時，則需進入增泵過程。系統(tǒng)在將在單片機的變頻控制下將水泵M2投入變頻運行狀態(tài)，同時變頻泵M1做工頻運行。如果系統(tǒng)的用水量繼續(xù)增加，水位壓力傳感器檢測水位值低于（低水位二）時，說明此狀態(tài)再次滿足水泵的需求，將根據(jù)需求繼續(xù)如上操作，把將另一臺水泵M3也投入使用，使之工作于變頻狀態(tài)，此時M1、M2處于工頻運行狀態(tài)。假設水泵M3運行頻率到達最大值時，水位壓力仍然達不到小區(qū)居民用戶需求時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出超限報警。

2）減泵工作過程：假定減泵順序依次為M3、M2、M1泵。小區(qū)居民用水高峰過后，此時居民的用水量減少，變頻器的輸出頻率下降，當水位壓力傳感器檢測到水位值高于高水位一時，滿足了減泵的條件時，系統(tǒng)將變頻泵M3關掉，使水泵M2處于變頻的運行狀態(tài)，M1仍處于工頻運行狀態(tài)。當用戶用水量繼續(xù)下降，水位壓力傳感器檢測到水位值高于高水位二時，滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，將另一臺變頻運行狀態(tài)水泵M2關掉，使水泵M1處于變頻的運行狀態(tài)。如果M1頻率工作到最小頻率甚至停止運行時，水位值仍然高于高水位一的情況下，控制將會發(fā)出報警。

4 水位檢測系統(tǒng)的安全性問題

異步電動機在全電壓啟動和制動時，由于啟動和制動時間較短，啟動動態(tài)轉矩大導致水流量變化量迅速增大，如果在較短的時間內(nèi)供水管道產(chǎn)生的巨大流量變化情況下，就會使管道產(chǎn)生的壓強過高或過低的沖擊，從而造成一種空化現(xiàn)象。此現(xiàn)象的產(chǎn)生就會引發(fā)一種效應，該效應稱為水錘效應［11～12］。水錘效應出現(xiàn)會導致兩種情況，一種情況就是管道壓強過高時造成管道破裂，反之，導致管道的癟塌。在變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)中，決定加速過程的是動態(tài)轉矩TJ，如式（1）所示：

式中TJ為電機動態(tài)轉矩，單位(N ?m)；TM為電動機的拖動轉矩；TL為負載阻轉矩。

產(chǎn)生水錘效應的根本原因是供水水泵的電機在啟動和制動過程中的動態(tài)轉矩過大。圖6給出了水泵、異步電動機在全壓啟動和變頻啟動狀態(tài)下的機械特性曲線。由圖6可知曲線1表示的是異步電動機機械特性，曲線2表示的是水泵機械特性，而式（1）可以看出圖6中的陰影部分表示其啟動過程中的動態(tài)轉矩TJ。同時由圖6（a）可以看出，當控制系統(tǒng)工作于全壓啟動模式時，曲線1和曲線2之間的陰影部分較大，由此可得當系統(tǒng)工作于全壓啟動模式，其啟動的動態(tài)轉矩較大，易產(chǎn)生水錘效應。為了降低動態(tài)轉矩，減少水錘效應，可以采用變頻調(diào)速的方法來實現(xiàn)，變頻啟動的機械特性曲線如圖6（b）所示，由圖6（b）曲線圖可以看出，當系統(tǒng)工作于變頻啟動模式，通過延長升速時間的預置，使得其啟動的動態(tài)轉矩大大減小。同理在要使系統(tǒng)處于制動模式時，可以延長對降速時間的預置來減小制動狀態(tài)的動態(tài)轉矩。通過延長變頻模式下啟動的升速時間和制動狀態(tài)降速時間，減小了該模式下啟動、制動狀態(tài)下的動態(tài)轉矩，從而徹底消除了水錘效應。

對水泵負載的轉矩、功率與轉速之間的關系式分別為式（2）和（3）所示：

式中T0為空載損耗轉矩，單位(N ?m)；P0為空載時的功率損耗，單位（kW）；TL為負載阻轉矩，單位(N ?m)；PL為電機輸出負載功率，單位（kW）；nL為電機帶負載轉速，單位（r/min）；Kr為轉矩比例常數(shù)；Kp為功率比例常數(shù)。

由式（2）可知，水泵的負載轉矩和電機帶負載轉速平方成正比，因此在變頻調(diào)速時，應該禁止在額定頻率以上運行。變頻調(diào)速（即f改變）瞬間時，負載特性曲線不變，轉速n不變，負載的阻轉矩TL不變；但是電動機機械特性曲線改變，從而電動機轉矩TM改變。電動機要能夠穩(wěn)定運行的條件是：升速時，TL＜TM；降速時，TL＞TM。

圖6 水泵的全壓啟動與變頻啟動

5 系統(tǒng)的軟件設計

5.1 系統(tǒng)主程序的設計

圖7 系統(tǒng)主程序設計圖

系統(tǒng)控制的主程序設計如圖7所示，由圖7的主程序流程圖可以看出，當系統(tǒng)在初始狀態(tài)運行時，首先對要對系統(tǒng)中各參數(shù)進行初始化設置，針對該系統(tǒng)的需求，要設置液位在不同情況下的水位值，所需參數(shù)設定完成進入進入液位的采集狀態(tài)，將水位壓力傳感器采集到電信號經(jīng)模數(shù)轉換電路轉換后送入單片機進行處理，把所采集的信號與預先設定的液位閾值進行比較，如果超過了極限值，通過按鍵控制變頻器進行液位調(diào)節(jié)，直至液位到達正常范圍；如果超出液位的上下限閾值則發(fā)出報警，經(jīng)通信模塊發(fā)送到上位機后做出及時處理，沒有超過極限值就正常顯示。

5.2 水泵供水程序設計

為了更好地消除水錘現(xiàn)象，對水泵控制采用PID控制［13～15］，其控制原理如圖8所示。根據(jù)壓力傳感器采集的信號計算出偏差，然后按照PID的控制規(guī)則計算控制量，并輸出控制量經(jīng)轉換后的信號送至變頻控制器，并通過變頻控制器調(diào)節(jié)水泵供水情況。

圖8 PID控制原理

由文中3.4節(jié)的水泵控制原則，可以得出水泵的控制流程圖如圖9所示。

圖9 水泵供水流程示意

6 結語

根據(jù)水塔水位控制系統(tǒng)的要求，本文設計了以單片機STC89C52芯片為控制核心芯片，以單片機技術和變頻調(diào)速相結合的液位控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)根據(jù)用戶用水的需求，自動調(diào)節(jié)水泵的運行狀態(tài)，滿足了用戶用水的需求，從保證了系統(tǒng)工況壓力的穩(wěn)定，減少了資源的浪費。實現(xiàn)了過低過高水位報警、過低過高警戒水位自動處理以及正常水位處理變頻電機調(diào)速的供水等功能。