【正文】 目 錄中文摘要 1中文摘要 21 緒論 3 課題研究的目的與意義 3 國內(nèi)外發(fā)展的狀況 3 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍 5 恒壓供水的實(shí)現(xiàn) 52 變頻調(diào)速系統(tǒng)能耗分析 7 供水系統(tǒng)分析 7 變頻調(diào)速恒壓供水工況與能耗機(jī)理分析 83 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備選型 11 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 11 變頻調(diào)速 11 單片機(jī) 16 控制算法 174 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 20 系統(tǒng)工作過程說明 20 變頻器部分硬件設(shè)計(jì) 21 單片機(jī)部分硬件設(shè)計(jì) 235 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 29 主程序流程 29 繼電器動(dòng)作控制流程 30 PID控制流程 31結(jié)論 33致謝 34參考文獻(xiàn) 35附錄1 36附錄2 37單片機(jī)恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要：建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，合理開發(fā)、節(jié)約利用和有效保護(hù)水資源是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。根據(jù)居民用水時(shí)間集中，用水量變化較大的特點(diǎn)，因此居民原供水系統(tǒng)存在了耗能高，可靠性低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，管網(wǎng)系統(tǒng)待完善的問題。提出利用壓力反饋，PID控制，配以變頻器、單片機(jī)、壓力傳感器等，根據(jù)管網(wǎng)的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，從而使管網(wǎng)中的壓力始終保持在合適的范圍。從而解決因樓層太高而導(dǎo)致壓力不足及小流量時(shí)能耗大的問題。另外水泵耗電功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系，所以水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節(jié)省近四成。結(jié)合使用可編程控制器，可實(shí)現(xiàn)主泵變頻，副泵軟啟動(dòng)，具有短路保護(hù)、過流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，電機(jī)的使用壽命大大延長。關(guān)鍵字：恒壓變頻供水，單片機(jī)，差壓供水，自動(dòng)控制 1 緒 論 課題研究的目的與意義隨著高層建筑層數(shù)的不斷加高，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問題。該設(shè)計(jì)針對上述問題，要求研制變頻調(diào)速恒壓供水控制器，該控制器是基于單片機(jī)為核心，以管網(wǎng)水壓為設(shè)定參數(shù)，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)(PID)，使供水系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)定于設(shè)定的壓力值。傳統(tǒng)的蓄水加壓辦法有：高位水箱、氣壓給水以及無水箱供水等三種方式。高位水箱給水的方式，靠水的勢能向用戶提供一定壓力的生活用水和生產(chǎn)用水。這種辦法顯然比較落后，一是投資大，二是不利與維護(hù)和抗震。將增加房屋強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，增加成本。而且采用高位水箱最重要的是將產(chǎn)生二次污染。1982年以后開始出現(xiàn)氣壓供水設(shè)備，雖比前者有所改進(jìn)，但仍有很多不足之處，如占地面積大，水罐和泵房投資高，電機(jī)頻繁啟動(dòng)，耗電量大且供水壓力不穩(wěn)。[1]究竟采用何種供水方式效果更好呢？根據(jù)流體力學(xué)的原理，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，而電機(jī)軸上消耗的功率與轉(zhuǎn)速的平方成正比。由此可見，采用交流變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)即可做到用水量和供水量的統(tǒng)一，又極大地降低了電耗。近幾年隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，上述想法已成為現(xiàn)實(shí)。 國內(nèi)外發(fā)展的狀況變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水用的變頻器。它將PID調(diào)節(jié)器和P LC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖然說是微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。[2]目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)；有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團(tuán)也推出了恒壓供水專用變頻器()，無需外接PLC和PID可完成。最多四臺(tái)水泵的循壞切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所?？梢钥闯?，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性( EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究遷是不夠的。采用變頻調(diào)速恒壓供水，利用反饋控制來進(jìn)行恒壓供水設(shè)計(jì)時(shí)還存在的問題有：由于供水系統(tǒng)的供水管道長、拐彎多, 難于確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 且該系統(tǒng)具有非線性、高階次、大滯后、參數(shù)易變等特點(diǎn)。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)：（1）節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%~40%，能實(shí)現(xiàn)綠色省電。（2）占地面積小，投資少，效率高。（3）配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。（4）運(yùn)行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費(fèi)用，并且水泵的壽命大大提高。（5）由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。（6）通過通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無人職守，節(jié)約了人力物力。[2] 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類：(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在 135kw以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多的方式。 (2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機(jī)功率在135kw~320kw之間，電網(wǎng)電壓通常為220V或380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大、機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器 恒壓供水的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)為壓力反饋的單閉環(huán)控制。利用浩捷PTJ207壓力傳感器測量水管壓力，其輸出為數(shù)字量。STC89C52單片機(jī)獲得測量值后通過算法計(jì)算出頻率值。作為變頻器（ABB ACS510）的給定，通過變頻器輸出調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)水壓，從而達(dá)到恒壓控制的目的。控制算法的設(shè)計(jì)：由于供水系統(tǒng)難于確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型且具有非線性、高階次、大滯后、參數(shù)易變等特點(diǎn)。[3]而在本科所學(xué)的方法中都要求控制對象明確才能計(jì)算控制器參數(shù)。用湊試法確定PID參數(shù)不需要知道系統(tǒng)模型。因此擬用單片機(jī)來完成人工參數(shù)試湊的過程來整定參數(shù)。目前交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)業(yè)已廣泛應(yīng)用的技能技術(shù)，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備軟啟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應(yīng)的揚(yáng)程設(shè)計(jì)，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運(yùn)行方式。由于用水有著季節(jié)和時(shí)段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問題[4]。變頻調(diào)速技術(shù)在給水泵站上的應(yīng)用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。2 變調(diào)速系統(tǒng)能耗分析 供水系統(tǒng)分析水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)。即通過改變電動(dòng)機(jī)定子電源頻率來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網(wǎng)末端的服務(wù)壓力，H1為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到最大Qmax時(shí)，水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行，水泵的特