高樓供水拖動電機節能控制系統的設計

張坤平

摘 ?要：文章闡述了恒壓供水變頻電機控制系統的軟硬件設計。該控制系統的控制器以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，主要應用在高層樓房的自動供水系統中。

關鍵詞：89C51單片機;變頻供水;PID控制

引言

隨著我國城市化的快速發展，城市中的高層建筑以及高層居民小區也越來越多，隨之而來的高層供水問題也應運而生。目前對于供水系統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中的管道壓力是一個不確定的參數，因此我們就有必要通過供水壓力的變化來改變電機的轉速，從而達到節能的效果。在較多的供水方案中，恒壓變頻供水系統是目前應用的最多的一種，它的主要思想就是保持供水管道內壓力恒定，也就是水泵電機轉速的調節根據供水管道壓力的大小而定。當供水需求量大時，水壓變小，調節水泵轉速使其加快，壓力上升。當供水需求量小時，水壓過大，調節水泵轉速使其減速，壓力下降。此控制方案的優點是自動化程度高、節能（節約水源，節約電能）、可靠性高，抗干擾強等。與傳統的供水系統方案對比，由于采用了PID儀表和PLC控制器相結合，因此造價高，功能單一。文章正是克服了傳統方案中的缺點而設計的。因此非常適用于高層建筑、居民區的取暖鍋爐自動供水需要。

1 硬件系統設計

1.1 硬件選擇

該供水控制系統以89C51單片機為核心，在硬件結構設計方面，利用此芯片的P0、P2口作輸入、輸出I/O口，又因為該芯片片內有EPROM，對于此系統來說，無需外擴EPROM。本控制系統采用74LS164（4片）來驅動數碼管作為顯示部分，片外數據存儲器外擴一片RAM6264，將開機設定的一些原始參數保存進去。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放大電路（由LM358組成雙運放電路）進行放大，然后送入模數轉換器ADC0809。計算出的控制參數經SLE4520三相可編程脈寬調制器變成相應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。考慮到此供水系統在不同場合調試時參數的設定，我們對此系統設置四鍵小鍵盤、LED顯示模塊，操作方便，易于安裝。

1.2 控制原理

在設計該變頻恒壓供水系統時，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的數字信號（由A/D轉換完成），最后將轉換后的數字信號送入89C51單片機進行數據處理。水壓偏差值的大小就是通過比較單片機處理后的數據與設定壓力得來的。將偏差值經PID調節得到最終的控制參數，經SLE4520三相可編程脈寬調制器變成相應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，系統變頻器的輸出頻率將會升高，進而加快水泵轉速，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，系統變頻器的輸出頻率將會降低，進而減慢水泵轉速，管道壓力隨之降低，最終達到恒壓供水的目的，供水系統的原理框圖及硬件結構圖分別如圖1所示：

此供水系統由三臺水泵組成，控制方式有多種，根據應用場合的不同可以采用三泵聯運、二泵聯運、一用一備、一用二備、定時換泵等。在聯運的工作方式下，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 軟件系統設計

2.1 軟件系統的組成

在系統軟件設計方面，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象的發生，系統每隔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計。為了消除干擾信號，采用平均值的數字濾波方法，由于供水管道水壓為一階慣性環節和純滯后環節相串聯，在控制算法上采用典型的PID算法。

要想使恒壓供水系統中管道水壓恒定，實際上就是要滿足管道內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，然而在現實中，流量是一個連續的量，供水與用水之間并不存在差異，為了說明問題，當兩者之間不適應時導致水壓發生的變化，我們假定Qg為供水流量，Qu為用水流量。因此在動態的情況下，供水系統中水壓的大小P與供水能力和用水流量之間的平衡情況有關，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

變頻器內部的PID調節器中，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換成電壓信號或電流信號。該信號在控制系統中作為反饋信號，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）;經過PID調節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，供水系統總是根據用戶的用水情況不斷地處于自動調整狀態中。

3 結束語

本套拖動電機變頻調速控制系統由單片機系統控制，實現供水系統的恒壓變頻調速。本套系統中水泵電動機啟動平穩，系統動態性能良好，穩態性能誤差很小，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：機械工業出版社，1997..

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