利用單片機和變頻器改造城市小區(qū)供水系統(tǒng)

劉洪平

【摘 要】 隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，生活水平不斷提高；人們不再滿足于日求三餐夜求一宿，追求高質(zhì)量的生活水準。因本人居住的小區(qū)自來水壓偏低，特別是用水高峰期，只能望水興嘆干著急，正好本人在學校講授的機電專業(yè)課程，眠發(fā)了利用學校的實驗室的設(shè)備做試驗，用單片機和變頻器為主要單元組成變頻調(diào)速改造恒壓供水系統(tǒng)的試驗。

【關(guān)鍵詞】 單片機 變頻器 傳感器 供水系統(tǒng)

水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，城市的生活生產(chǎn)用水主要來自由自來水公司的市政管網(wǎng)提供。然而自來水的給水壓力通常只能達到0.35-0.4MPa，一般只能滿足8層樓的用水需求，隨著廣東梅州城區(qū)的發(fā)展，城市內(nèi)的次高層和高層建筑的比例不斷增加，自來水的給水壓力已無法滿足次高層和高層建筑的生活和消防給水的要求，只能由生活小區(qū)依靠二次加壓給水設(shè)備進行增壓給水，本人居住的老城區(qū)，自來水管網(wǎng)還是上世紀舊時代的，老化的管網(wǎng)普遍漏水，水壓力不能達到要求（偏低）。

近年來，隨著單片機和變頻調(diào)速等自動化技術(shù)的成熟、普及和應(yīng)用，變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)了電機無級調(diào)速，根據(jù)水泵出口的壓力情況自動調(diào)節(jié)水泵機組的轉(zhuǎn)速，通過壓力傳感器反饋到變頻器，由變頻器產(chǎn)生頻率的高低來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而保持水壓恒定，以滿足人們對給水系統(tǒng)的要求。變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)無論是投資規(guī)模、運行的經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性和自動化程度等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的給水系統(tǒng)，而且還能有效的降低能耗。

本系統(tǒng)具備同時控制三臺水泵的功能，根據(jù)不同場合，不同需要可以采取三臺同時運行；二臺同時運行，一臺備用；一臺運行，二臺備用；定時換泵等多種工作方式。水泵電機全部采用軟起動，遵循先起動先停止的原則，具有變頻器頻率顯示和實時壓力顯示；變頻器故障、遠傳壓力表故障、欠壓超時和水位報警指示；可設(shè)定上限保護壓力，PID上升和下降周期及跟蹤周期；還可以設(shè)定哪個水泵先供電工作，達到設(shè)定壓力時通過壓力傳感器自動切斷水泵電源。無需增加水泵時時行定時換泵工作，具有強制換泵功能。

本系統(tǒng)以AT89C51單片機和變頻器為核心，在水泵的出水管道上安裝一個遠傳壓力表，用于檢測管道壓力，并把出口壓力變成0～5V或4～20毫安的模擬信號，送到單片機系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成相應(yīng)的數(shù)字信號，送入AT89C51單片機進行數(shù)據(jù)運算和處理。單片機經(jīng)運算后與設(shè)定的壓力值進行比較，得出偏差值，再經(jīng)PID調(diào)節(jié)得出控制參數(shù)。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成0～5V或0～10V的模擬信號，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小，從而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，達到控制管道壓力的目的。

當實際管道壓力小于給定壓力時，變頻器輸出頻率上升，電機轉(zhuǎn)速加快，管道壓力開始升高；反之，變頻器頻率降低，電機轉(zhuǎn)速減小，管道壓力降低。如此上下調(diào)整多次，直到偏差值為零。這樣實際壓力圍繞設(shè)定壓力值上下波動，保持供水壓力恒定。系統(tǒng)組成的原理如圖1所示。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

由單片機和變頻器組成的恒壓供水系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)硬件以AT89C51單片機為核心，AT89C51單片機本身有4K的內(nèi)存，所以不需外擴展內(nèi)存；系統(tǒng)的顯示部分采用4片74LS164芯片驅(qū)動LED，LED顯示方式為靜態(tài)顯示方式，單片機的顯示信號輸出使用AT89C51的串行通訊口TXD、RXD，串行口工作于方式0，即移位寄存器方式。圖2中93C46為EEPROM（串行電可擦可編程只讀存儲器），用于保存開機設(shè)定時的原始參數(shù)，這樣系統(tǒng)斷電時，設(shè)定的數(shù)據(jù)能永久保存，再開機上電時無需再重新設(shè)定參數(shù)，即可以運行于斷電前的狀態(tài)。系統(tǒng)采用NE555組成硬件定時復(fù)位電路，可以有效防止程序死機現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)抗干擾性能。復(fù)位電路每1秒鐘向AT89C51的RESET復(fù)位端發(fā)出復(fù)位信號，根據(jù)程序的需要，通過AT89C51的P3.4端可以隨時控制復(fù)位電路的起動和停止，當P3.4=0時，NE555的2引腳為低電平，停止復(fù)位；當P3.4=1時，NE555的2引腳為高電平，起動復(fù)位。系統(tǒng)中74LS273用于對繼電器輸出狀態(tài)鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾。ULN2003為反向驅(qū)動芯片，同時在74LS273的CLEAR管腳外接了RC電路，用于開機上電時清零74LS273的輸出端，這樣可以防止繼電器的誤動作，對變頻器起到保護作用。同時在報警輸入端與CPU之間采用光耦隔離，以消除外部干擾。由于系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度并不快，因此，系統(tǒng)A/D輸入采用8位串行ADC0831逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這樣可以節(jié)省AT89C51單片機的I/O口，降低系統(tǒng)成本。D/A輸出采用光耦隔離式D/A輸出，在報警輸入端與CPU之間也采用了光耦隔離，以消除外部干擾。這樣現(xiàn)場模擬量信號經(jīng)AT89C51單片機運算處理后，向變頻器發(fā)出控制信號，改變變頻器的輸出頻率，從而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速。

2 變頻器功能的預(yù)置

變頻器需要預(yù)置的主要是基本運行功能、升降速功能、保護功能等，通用變頻器都能夠這些功能。系統(tǒng)采用變頻器內(nèi)部的PID功能時，其升、降速時間由PI的預(yù)置值決定，而降速時間的預(yù)置一般不起作用。

在不采用變頻器內(nèi)部的PID功能的情況下（如采用單片機的PID控制算法），變頻器工作頻率的變化速度主要取決于預(yù)置的升、降速時間。升、降速時間過短，變頻器可能因過流或過壓而跳閘；升、降速時間過長，則會使變頻器調(diào)速系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，造成管路中欠壓或超壓時間過長，滿足不了恒壓供水的要求。因此，升、降速時間的確定，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來調(diào)整。

（1）U/f圖形及轉(zhuǎn)矩補償功能的預(yù)置。對于水泵負載，通常選擇負補償最大的U/f曲線；如果滿足不了轉(zhuǎn)矩要求，則依次選取彎曲較小的U/f曲線。設(shè)定該功能的同時，要設(shè)定恒速運轉(zhuǎn)的電流限制功能。（2）運轉(zhuǎn)開始頻率的預(yù)置。一般情況下，水泵在低頻運行的意義并不大，有的水泵并不能從0Hz開始起動，所以應(yīng)該預(yù)置運轉(zhuǎn)開始頻率，在運轉(zhuǎn)開始頻率以下，變頻器處于待機狀態(tài)，以利于更好地節(jié)能。在變頻器起動無過流的前提下，運轉(zhuǎn)開始頻率可預(yù)置高一些，一般設(shè)定0～20Hz（也可通過預(yù)置下限頻率來達到此目的）。（3）載波頻率的預(yù)置。載波頻率增高，可以減小電機噪聲，但將增加對外電路的干擾，尤其是對共用電源的儀表、控制器等的干擾，并且增加輸出端對地漏電，不利于較長距離的輸出。載波頻率降低，則電機噪聲增加，且輸出電流的諧波分量增大。（4）保護功能的預(yù)置。在保護功能中，輸出電流限制功能和過負荷報警功能，兩者的出廠值是相同的。如果前者功能動作，則降低輸出頻率或減緩升速過程中的頻率變化；后者功能動作，則報警停機。為使系統(tǒng)更好地工作，不出現(xiàn)停機，輸出電流限制功能的預(yù)置值應(yīng)比過負荷報警功能的預(yù)置值小一些。

從實際運行效果來看，水泵電機起動平穩(wěn)，系統(tǒng)動態(tài)性能良好，系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)定時間在30秒內(nèi)，穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)定在±0.02MPa之間，抗干擾能力強，滿足了實際控制的需要。

自來水對人們的生活越來越重要，人們對供水的安全可靠性的要求不斷提高。給水壓力與流量對用戶的用水質(zhì)量具有直接影響，因而對給水水壓、流量的控制，直接影響到給水系統(tǒng)的供水質(zhì)量。給水泵組是一種長期運行的用電設(shè)備，節(jié)約泵組的電耗，對國家節(jié)能減排意義非常重大。把先進的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、節(jié)能技術(shù)等應(yīng)用于給水領(lǐng)域。針對城市高層建筑和消防供水系統(tǒng)的實際情況，以單片機和變頻器為主要單元組成變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。采用自動控制原理實現(xiàn)對供水壓力的連續(xù)監(jiān)督和控制，自動調(diào)節(jié)水泵電機加、減速，自動完成各泵的輪休、泵組軟啟動及無沖擊切換，使水壓平穩(wěn)過渡，延長設(shè)備壽命，提高供水水量，降低能耗。在傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方式上大大的提高了調(diào)速系統(tǒng)的性能。通過本項目的設(shè)計、研究及應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約水資源，減少設(shè)備維護，而且該系統(tǒng)結(jié)合高層建筑生活供水與消防供水于一體，在節(jié)約能源與水資源的前提下，既保證居民的生活用水，又提高了消防安全系數(shù)。具有較大的經(jīng)濟和社會意義。

參考文獻：

[1]機電儀一體化設(shè)備的組裝與調(diào)試，杜從商等編寫，廣西教育出版社.

[2]可編程控制器原理與應(yīng)用，楊公源主編，電子工業(yè)出版社.

[3]可編程控制器與變頻技術(shù)，劉守操等編，廣東省電工技能鑒定所.

[4]單片機原理及應(yīng)用，王法能、楊艷慈主編，科學出版社.

[5]電氣控制與可編程控制器技術(shù)，史國生主編，化學工業(yè)出版社.

[6]變頻器控制技術(shù)，李方園編著，電子工業(yè)出版社.endprint

【摘 要】 隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，生活水平不斷提高；人們不再滿足于日求三餐夜求一宿，追求高質(zhì)量的生活水準。因本人居住的小區(qū)自來水壓偏低，特別是用水高峰期，只能望水興嘆干著急，正好本人在學校講授的機電專業(yè)課程，眠發(fā)了利用學校的實驗室的設(shè)備做試驗，用單片機和變頻器為主要單元組成變頻調(diào)速改造恒壓供水系統(tǒng)的試驗。

【關(guān)鍵詞】 單片機 變頻器 傳感器 供水系統(tǒng)

水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，城市的生活生產(chǎn)用水主要來自由自來水公司的市政管網(wǎng)提供。然而自來水的給水壓力通常只能達到0.35-0.4MPa，一般只能滿足8層樓的用水需求，隨著廣東梅州城區(qū)的發(fā)展，城市內(nèi)的次高層和高層建筑的比例不斷增加，自來水的給水壓力已無法滿足次高層和高層建筑的生活和消防給水的要求，只能由生活小區(qū)依靠二次加壓給水設(shè)備進行增壓給水，本人居住的老城區(qū)，自來水管網(wǎng)還是上世紀舊時代的，老化的管網(wǎng)普遍漏水，水壓力不能達到要求（偏低）。

近年來，隨著單片機和變頻調(diào)速等自動化技術(shù)的成熟、普及和應(yīng)用，變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)了電機無級調(diào)速，根據(jù)水泵出口的壓力情況自動調(diào)節(jié)水泵機組的轉(zhuǎn)速，通過壓力傳感器反饋到變頻器，由變頻器產(chǎn)生頻率的高低來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而保持水壓恒定，以滿足人們對給水系統(tǒng)的要求。變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)無論是投資規(guī)模、運行的經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性和自動化程度等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的給水系統(tǒng)，而且還能有效的降低能耗。

本系統(tǒng)具備同時控制三臺水泵的功能，根據(jù)不同場合，不同需要可以采取三臺同時運行；二臺同時運行，一臺備用；一臺運行，二臺備用；定時換泵等多種工作方式。水泵電機全部采用軟起動，遵循先起動先停止的原則，具有變頻器頻率顯示和實時壓力顯示；變頻器故障、遠傳壓力表故障、欠壓超時和水位報警指示；可設(shè)定上限保護壓力，PID上升和下降周期及跟蹤周期；還可以設(shè)定哪個水泵先供電工作，達到設(shè)定壓力時通過壓力傳感器自動切斷水泵電源。無需增加水泵時時行定時換泵工作，具有強制換泵功能。

本系統(tǒng)以AT89C51單片機和變頻器為核心，在水泵的出水管道上安裝一個遠傳壓力表，用于檢測管道壓力，并把出口壓力變成0～5V或4～20毫安的模擬信號，送到單片機系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成相應(yīng)的數(shù)字信號，送入AT89C51單片機進行數(shù)據(jù)運算和處理。單片機經(jīng)運算后與設(shè)定的壓力值進行比較，得出偏差值，再經(jīng)PID調(diào)節(jié)得出控制參數(shù)。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成0～5V或0～10V的模擬信號，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小，從而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，達到控制管道壓力的目的。

當實際管道壓力小于給定壓力時，變頻器輸出頻率上升，電機轉(zhuǎn)速加快，管道壓力開始升高；反之，變頻器頻率降低，電機轉(zhuǎn)速減小，管道壓力降低。如此上下調(diào)整多次，直到偏差值為零。這樣實際壓力圍繞設(shè)定壓力值上下波動，保持供水壓力恒定。系統(tǒng)組成的原理如圖1所示。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

由單片機和變頻器組成的恒壓供水系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)硬件以AT89C51單片機為核心，AT89C51單片機本身有4K的內(nèi)存，所以不需外擴展內(nèi)存；系統(tǒng)的顯示部分采用4片74LS164芯片驅(qū)動LED，LED顯示方式為靜態(tài)顯示方式，單片機的顯示信號輸出使用AT89C51的串行通訊口TXD、RXD，串行口工作于方式0，即移位寄存器方式。圖2中93C46為EEPROM（串行電可擦可編程只讀存儲器），用于保存開機設(shè)定時的原始參數(shù)，這樣系統(tǒng)斷電時，設(shè)定的數(shù)據(jù)能永久保存，再開機上電時無需再重新設(shè)定參數(shù)，即可以運行于斷電前的狀態(tài)。系統(tǒng)采用NE555組成硬件定時復(fù)位電路，可以有效防止程序死機現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)抗干擾性能。復(fù)位電路每1秒鐘向AT89C51的RESET復(fù)位端發(fā)出復(fù)位信號，根據(jù)程序的需要，通過AT89C51的P3.4端可以隨時控制復(fù)位電路的起動和停止，當P3.4=0時，NE555的2引腳為低電平，停止復(fù)位；當P3.4=1時，NE555的2引腳為高電平，起動復(fù)位。系統(tǒng)中74LS273用于對繼電器輸出狀態(tài)鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾。ULN2003為反向驅(qū)動芯片，同時在74LS273的CLEAR管腳外接了RC電路，用于開機上電時清零74LS273的輸出端，這樣可以防止繼電器的誤動作，對變頻器起到保護作用。同時在報警輸入端與CPU之間采用光耦隔離，以消除外部干擾。由于系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度并不快，因此，系統(tǒng)A/D輸入采用8位串行ADC0831逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這樣可以節(jié)省AT89C51單片機的I/O口，降低系統(tǒng)成本。D/A輸出采用光耦隔離式D/A輸出，在報警輸入端與CPU之間也采用了光耦隔離，以消除外部干擾。這樣現(xiàn)場模擬量信號經(jīng)AT89C51單片機運算處理后，向變頻器發(fā)出控制信號，改變變頻器的輸出頻率，從而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速。

2 變頻器功能的預(yù)置

變頻器需要預(yù)置的主要是基本運行功能、升降速功能、保護功能等，通用變頻器都能夠這些功能。系統(tǒng)采用變頻器內(nèi)部的PID功能時，其升、降速時間由PI的預(yù)置值決定，而降速時間的預(yù)置一般不起作用。

在不采用變頻器內(nèi)部的PID功能的情況下（如采用單片機的PID控制算法），變頻器工作頻率的變化速度主要取決于預(yù)置的升、降速時間。升、降速時間過短，變頻器可能因過流或過壓而跳閘；升、降速時間過長，則會使變頻器調(diào)速系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，造成管路中欠壓或超壓時間過長，滿足不了恒壓供水的要求。因此，升、降速時間的確定，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來調(diào)整。

（1）U/f圖形及轉(zhuǎn)矩補償功能的預(yù)置。對于水泵負載，通常選擇負補償最大的U/f曲線；如果滿足不了轉(zhuǎn)矩要求，則依次選取彎曲較小的U/f曲線。設(shè)定該功能的同時，要設(shè)定恒速運轉(zhuǎn)的電流限制功能。（2）運轉(zhuǎn)開始頻率的預(yù)置。一般情況下，水泵在低頻運行的意義并不大，有的水泵并不能從0Hz開始起動，所以應(yīng)該預(yù)置運轉(zhuǎn)開始頻率，在運轉(zhuǎn)開始頻率以下，變頻器處于待機狀態(tài)，以利于更好地節(jié)能。在變頻器起動無過流的前提下，運轉(zhuǎn)開始頻率可預(yù)置高一些，一般設(shè)定0～20Hz（也可通過預(yù)置下限頻率來達到此目的）。（3）載波頻率的預(yù)置。載波頻率增高，可以減小電機噪聲，但將增加對外電路的干擾，尤其是對共用電源的儀表、控制器等的干擾，并且增加輸出端對地漏電，不利于較長距離的輸出。載波頻率降低，則電機噪聲增加，且輸出電流的諧波分量增大。（4）保護功能的預(yù)置。在保護功能中，輸出電流限制功能和過負荷報警功能，兩者的出廠值是相同的。如果前者功能動作，則降低輸出頻率或減緩升速過程中的頻率變化；后者功能動作，則報警停機。為使系統(tǒng)更好地工作，不出現(xiàn)停機，輸出電流限制功能的預(yù)置值應(yīng)比過負荷報警功能的預(yù)置值小一些。

從實際運行效果來看，水泵電機起動平穩(wěn)，系統(tǒng)動態(tài)性能良好，系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)定時間在30秒內(nèi)，穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)定在±0.02MPa之間，抗干擾能力強，滿足了實際控制的需要。

自來水對人們的生活越來越重要，人們對供水的安全可靠性的要求不斷提高。給水壓力與流量對用戶的用水質(zhì)量具有直接影響，因而對給水水壓、流量的控制，直接影響到給水系統(tǒng)的供水質(zhì)量。給水泵組是一種長期運行的用電設(shè)備，節(jié)約泵組的電耗，對國家節(jié)能減排意義非常重大。把先進的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、節(jié)能技術(shù)等應(yīng)用于給水領(lǐng)域。針對城市高層建筑和消防供水系統(tǒng)的實際情況，以單片機和變頻器為主要單元組成變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。采用自動控制原理實現(xiàn)對供水壓力的連續(xù)監(jiān)督和控制，自動調(diào)節(jié)水泵電機加、減速，自動完成各泵的輪休、泵組軟啟動及無沖擊切換，使水壓平穩(wěn)過渡，延長設(shè)備壽命，提高供水水量，降低能耗。在傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方式上大大的提高了調(diào)速系統(tǒng)的性能。通過本項目的設(shè)計、研究及應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約水資源，減少設(shè)備維護，而且該系統(tǒng)結(jié)合高層建筑生活供水與消防供水于一體，在節(jié)約能源與水資源的前提下，既保證居民的生活用水，又提高了消防安全系數(shù)。具有較大的經(jīng)濟和社會意義。

參考文獻：

[1]機電儀一體化設(shè)備的組裝與調(diào)試，杜從商等編寫，廣西教育出版社.

[2]可編程控制器原理與應(yīng)用，楊公源主編，電子工業(yè)出版社.

[3]可編程控制器與變頻技術(shù)，劉守操等編，廣東省電工技能鑒定所.

[4]單片機原理及應(yīng)用，王法能、楊艷慈主編，科學出版社.

[5]電氣控制與可編程控制器技術(shù)，史國生主編，化學工業(yè)出版社.

[6]變頻器控制技術(shù)，李方園編著，電子工業(yè)出版社.endprint

【摘 要】 隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，生活水平不斷提高；人們不再滿足于日求三餐夜求一宿，追求高質(zhì)量的生活水準。因本人居住的小區(qū)自來水壓偏低，特別是用水高峰期，只能望水興嘆干著急，正好本人在學校講授的機電專業(yè)課程，眠發(fā)了利用學校的實驗室的設(shè)備做試驗，用單片機和變頻器為主要單元組成變頻調(diào)速改造恒壓供水系統(tǒng)的試驗。

【關(guān)鍵詞】 單片機 變頻器 傳感器 供水系統(tǒng)

水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，城市的生活生產(chǎn)用水主要來自由自來水公司的市政管網(wǎng)提供。然而自來水的給水壓力通常只能達到0.35-0.4MPa，一般只能滿足8層樓的用水需求，隨著廣東梅州城區(qū)的發(fā)展，城市內(nèi)的次高層和高層建筑的比例不斷增加，自來水的給水壓力已無法滿足次高層和高層建筑的生活和消防給水的要求，只能由生活小區(qū)依靠二次加壓給水設(shè)備進行增壓給水，本人居住的老城區(qū)，自來水管網(wǎng)還是上世紀舊時代的，老化的管網(wǎng)普遍漏水，水壓力不能達到要求（偏低）。

近年來，隨著單片機和變頻調(diào)速等自動化技術(shù)的成熟、普及和應(yīng)用，變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)了電機無級調(diào)速，根據(jù)水泵出口的壓力情況自動調(diào)節(jié)水泵機組的轉(zhuǎn)速，通過壓力傳感器反饋到變頻器，由變頻器產(chǎn)生頻率的高低來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而保持水壓恒定，以滿足人們對給水系統(tǒng)的要求。變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)無論是投資規(guī)模、運行的經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性和自動化程度等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的給水系統(tǒng)，而且還能有效的降低能耗。

本系統(tǒng)具備同時控制三臺水泵的功能，根據(jù)不同場合，不同需要可以采取三臺同時運行；二臺同時運行，一臺備用；一臺運行，二臺備用；定時換泵等多種工作方式。水泵電機全部采用軟起動，遵循先起動先停止的原則，具有變頻器頻率顯示和實時壓力顯示；變頻器故障、遠傳壓力表故障、欠壓超時和水位報警指示；可設(shè)定上限保護壓力，PID上升和下降周期及跟蹤周期；還可以設(shè)定哪個水泵先供電工作，達到設(shè)定壓力時通過壓力傳感器自動切斷水泵電源。無需增加水泵時時行定時換泵工作，具有強制換泵功能。

本系統(tǒng)以AT89C51單片機和變頻器為核心，在水泵的出水管道上安裝一個遠傳壓力表，用于檢測管道壓力，并把出口壓力變成0～5V或4～20毫安的模擬信號，送到單片機系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成相應(yīng)的數(shù)字信號，送入AT89C51單片機進行數(shù)據(jù)運算和處理。單片機經(jīng)運算后與設(shè)定的壓力值進行比較，得出偏差值，再經(jīng)PID調(diào)節(jié)得出控制參數(shù)。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成0～5V或0～10V的模擬信號，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小，從而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，達到控制管道壓力的目的。

當實際管道壓力小于給定壓力時，變頻器輸出頻率上升，電機轉(zhuǎn)速加快，管道壓力開始升高；反之，變頻器頻率降低，電機轉(zhuǎn)速減小，管道壓力降低。如此上下調(diào)整多次，直到偏差值為零。這樣實際壓力圍繞設(shè)定壓力值上下波動，保持供水壓力恒定。系統(tǒng)組成的原理如圖1所示。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

由單片機和變頻器組成的恒壓供水系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)硬件以AT89C51單片機為核心，AT89C51單片機本身有4K的內(nèi)存，所以不需外擴展內(nèi)存；系統(tǒng)的顯示部分采用4片74LS164芯片驅(qū)動LED，LED顯示方式為靜態(tài)顯示方式，單片機的顯示信號輸出使用AT89C51的串行通訊口TXD、RXD，串行口工作于方式0，即移位寄存器方式。圖2中93C46為EEPROM（串行電可擦可編程只讀存儲器），用于保存開機設(shè)定時的原始參數(shù)，這樣系統(tǒng)斷電時，設(shè)定的數(shù)據(jù)能永久保存，再開機上電時無需再重新設(shè)定參數(shù)，即可以運行于斷電前的狀態(tài)。系統(tǒng)采用NE555組成硬件定時復(fù)位電路，可以有效防止程序死機現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)抗干擾性能。復(fù)位電路每1秒鐘向AT89C51的RESET復(fù)位端發(fā)出復(fù)位信號，根據(jù)程序的需要，通過AT89C51的P3.4端可以隨時控制復(fù)位電路的起動和停止，當P3.4=0時，NE555的2引腳為低電平，停止復(fù)位；當P3.4=1時，NE555的2引腳為高電平，起動復(fù)位。系統(tǒng)中74LS273用于對繼電器輸出狀態(tài)鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾。ULN2003為反向驅(qū)動芯片，同時在74LS273的CLEAR管腳外接了RC電路，用于開機上電時清零74LS273的輸出端，這樣可以防止繼電器的誤動作，對變頻器起到保護作用。同時在報警輸入端與CPU之間采用光耦隔離，以消除外部干擾。由于系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度并不快，因此，系統(tǒng)A/D輸入采用8位串行ADC0831逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這樣可以節(jié)省AT89C51單片機的I/O口，降低系統(tǒng)成本。D/A輸出采用光耦隔離式D/A輸出，在報警輸入端與CPU之間也采用了光耦隔離，以消除外部干擾。這樣現(xiàn)場模擬量信號經(jīng)AT89C51單片機運算處理后，向變頻器發(fā)出控制信號，改變變頻器的輸出頻率，從而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速。

2 變頻器功能的預(yù)置

變頻器需要預(yù)置的主要是基本運行功能、升降速功能、保護功能等，通用變頻器都能夠這些功能。系統(tǒng)采用變頻器內(nèi)部的PID功能時，其升、降速時間由PI的預(yù)置值決定，而降速時間的預(yù)置一般不起作用。

在不采用變頻器內(nèi)部的PID功能的情況下（如采用單片機的PID控制算法），變頻器工作頻率的變化速度主要取決于預(yù)置的升、降速時間。升、降速時間過短，變頻器可能因過流或過壓而跳閘；升、降速時間過長，則會使變頻器調(diào)速系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，造成管路中欠壓或超壓時間過長，滿足不了恒壓供水的要求。因此，升、降速時間的確定，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來調(diào)整。

（1）U/f圖形及轉(zhuǎn)矩補償功能的預(yù)置。對于水泵負載，通常選擇負補償最大的U/f曲線；如果滿足不了轉(zhuǎn)矩要求，則依次選取彎曲較小的U/f曲線。設(shè)定該功能的同時，要設(shè)定恒速運轉(zhuǎn)的電流限制功能。（2）運轉(zhuǎn)開始頻率的預(yù)置。一般情況下，水泵在低頻運行的意義并不大，有的水泵并不能從0Hz開始起動，所以應(yīng)該預(yù)置運轉(zhuǎn)開始頻率，在運轉(zhuǎn)開始頻率以下，變頻器處于待機狀態(tài)，以利于更好地節(jié)能。在變頻器起動無過流的前提下，運轉(zhuǎn)開始頻率可預(yù)置高一些，一般設(shè)定0～20Hz（也可通過預(yù)置下限頻率來達到此目的）。（3）載波頻率的預(yù)置。載波頻率增高，可以減小電機噪聲，但將增加對外電路的干擾，尤其是對共用電源的儀表、控制器等的干擾，并且增加輸出端對地漏電，不利于較長距離的輸出。載波頻率降低，則電機噪聲增加，且輸出電流的諧波分量增大。（4）保護功能的預(yù)置。在保護功能中，輸出電流限制功能和過負荷報警功能，兩者的出廠值是相同的。如果前者功能動作，則降低輸出頻率或減緩升速過程中的頻率變化；后者功能動作，則報警停機。為使系統(tǒng)更好地工作，不出現(xiàn)停機，輸出電流限制功能的預(yù)置值應(yīng)比過負荷報警功能的預(yù)置值小一些。

從實際運行效果來看，水泵電機起動平穩(wěn)，系統(tǒng)動態(tài)性能良好，系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)定時間在30秒內(nèi)，穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)定在±0.02MPa之間，抗干擾能力強，滿足了實際控制的需要。

自來水對人們的生活越來越重要，人們對供水的安全可靠性的要求不斷提高。給水壓力與流量對用戶的用水質(zhì)量具有直接影響，因而對給水水壓、流量的控制，直接影響到給水系統(tǒng)的供水質(zhì)量。給水泵組是一種長期運行的用電設(shè)備，節(jié)約泵組的電耗，對國家節(jié)能減排意義非常重大。把先進的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、節(jié)能技術(shù)等應(yīng)用于給水領(lǐng)域。針對城市高層建筑和消防供水系統(tǒng)的實際情況，以單片機和變頻器為主要單元組成變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。采用自動控制原理實現(xiàn)對供水壓力的連續(xù)監(jiān)督和控制，自動調(diào)節(jié)水泵電機加、減速，自動完成各泵的輪休、泵組軟啟動及無沖擊切換，使水壓平穩(wěn)過渡，延長設(shè)備壽命，提高供水水量，降低能耗。在傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方式上大大的提高了調(diào)速系統(tǒng)的性能。通過本項目的設(shè)計、研究及應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約水資源，減少設(shè)備維護，而且該系統(tǒng)結(jié)合高層建筑生活供水與消防供水于一體，在節(jié)約能源與水資源的前提下，既保證居民的生活用水，又提高了消防安全系數(shù)。具有較大的經(jīng)濟和社會意義。

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