【正文】 作點(diǎn) 與 供水功率 供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)是指系統(tǒng)揚(yáng)程特性與管阻特性關(guān)系曲線的交點(diǎn) ， 如圖 1 中的 N 點(diǎn) 就是供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) ，供水系統(tǒng) 不僅 滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是 保持水泵本身的供水能力不變 ，通過改變 供水管網(wǎng) 中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量，以 滿足用戶的用水需求 。減小為 QC（ =QX），揚(yáng)程減小為 HC，供水功率 PC 與面積 0DCK 同樣 成正比。 通過比較采用不同控制方式時的工作效率可知 ， 轉(zhuǎn)速控制法下的 水 泵工作效率要大得多。 (2) 信號 監(jiān) 測機(jī)構(gòu)： 系統(tǒng)運(yùn)行 過程中需要檢測管網(wǎng) 壓力 、 蓄水池 水位和 警報信號。為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng) 必須監(jiān)測 各種報警量，由 單片機(jī) 判斷報警類別，進(jìn)行 相應(yīng)的 保護(hù)措施 ，以免造成不必要的損失。另外高速度同時功耗也大。 本系統(tǒng) 選擇 AT89C51 單片機(jī)，它有 4KEPROM,所以不用外擴(kuò) EPROM,這樣可以利用 P0、 P2 口作為輸入、輸出 I/O 口，簡化了硬件結(jié)構(gòu)。 可得位置型 PID 算式： U(k) = Kp[e(k)+1TT ??K0 )(i ie +T D T keke )1()( ?? ] （ 公 式 7） 公式 7 提供 位置參數(shù) U（ k），例如閥的開度，因此被稱作 位置型 PID?？蛇x擇性利用氣壓供水罐增加系統(tǒng)阻尼。這時如圖 9，繼電器 KM1 吸合， KM2 與 KM3 斷開，直到電機(jī) M1 啟動結(jié)束。 變頻器部分 硬件設(shè) 計 主電路 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 15 圖 9 變頻器部分電路接線圖 如圖 9所示， 電機(jī) M1的作用是在供水系統(tǒng) 用水量最小的情況時，維持管道水壓。其中 KM11， KM22 為單片機(jī)控制的接觸器的觸點(diǎn)。LM7812為穩(wěn)壓模塊。 （ 5） A/D 轉(zhuǎn)換采樣電路 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 20 圖 17 A/D轉(zhuǎn)換模塊 A/D 轉(zhuǎn)換電路以 ADC0809 為核心，將采集的壓力傳感器的信號（ 4~20mA 信號），加以電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成 0~5V 的電壓信號。 ” [6]通過改變 芯片 的相應(yīng)位 的邏輯值可 設(shè)定 預(yù)置時間 ： 表 2 X25045 控制位 “看門狗的定時 周期 長短 通過編程改變芯片內(nèi)的兩個可編程位來實(shí)現(xiàn) ，編 寫 程序的過程中 ， 在 軟件 適當(dāng)?shù)奈恢眉?上 喂狗指令即可 ，使看門狗永遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)置時間，系統(tǒng)正常運(yùn)行不會復(fù)位。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖： 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 23 圖 21 NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 22 NE555定時電路及工作波形 （ 4） LED數(shù)值顯示 D/A數(shù)值采集 D/A數(shù)值反饋 ① LED數(shù)值顯示模塊 數(shù)碼管由 7個發(fā)光二極管組成，行成一 “ 日 ” 字形， 他們 可以共陰極，也可共陽極。 （ 4） 在 ST端給出一個至少有 100ns寬的正脈沖信號。 這時 KM11 閉合控制，變頻器起到軟啟動器的作用，帶動電機(jī)到工頻后變頻器停止輸出，繼電器自動將電機(jī)切換到電網(wǎng)。 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 30 6 結(jié)論 本文 針對城市小區(qū)供水的特點(diǎn) ，結(jié)合我國中高層小區(qū) 供水的現(xiàn)狀，設(shè)計了一套一臺水泵工作于工頻，另一臺 水泵 變頻 調(diào)速的控制系統(tǒng)。 （ 4）通過對控制過程和原理的分析，利用 Keil 軟件設(shè)計了 A/D 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化及顯示子程序 和 PID控制子程序 。 LCALL VOLT ；調(diào)用電壓轉(zhuǎn)換子程序。 RLC A ；移位 A。 SETB ； CLR 引腳恢復(fù)高電平。 CJNE R3,LIMIT, EXIT ；解除報警鍵是否按下？若按下則解除報警，否則繼續(xù)報警。 MOV DPTR,FD00H ； A 口，指向字段口。 RL A ：未掃描 完，位碼左移一位。A1*ek1 JNO NOVER2 JS NG2 MOV DH,80H JMP NOVER2 NG2: MOV DH,7FH NO。 INC R0 ；修改顯示緩沖區(qū)指針。 MOVX DPTR,A ；關(guān)顯示 MOV A,R1 MOV DPTR,FD01H ；指向 8255 B 口，位選。 EXIT: RET ALARM: SETB SUBB A,LIMIT ；所測重量與設(shè)定值相減。 RLC A ；移位。 MOVC A,A+DPTR ；相加送 A。 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 33 附錄 1 以單片機(jī)為主的主要硬件圖 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 34 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 35 附錄 2 主要程序 (1)主程序： LIMIT EQU 0030H OVER EQU 0031H WEIGH EQU 0039H QIAN EQU 004AH SAVE EQU 0050H ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H ；外部中斷 0入口 LJMP DOG ； 看門狗子程序 ORG 0023H ；串行中斷入口 LJMP INOUT ；通訊子程序 ORG 0100H 89C51 初始化： MAIN:MOV A,80H MOV DPTR,FD03H MOVX DPTR,A 串口通訊初始化： MOV TMOD,20H ；定時器 T1設(shè)為方式 2 MOV TL1,0F3H ；裝入定時器初值 MOV TH1,0F3H ； 8位重裝值 SETB TR1 ；啟動定時器 T1 MOV SCON,50H ；串行口設(shè)為方式 1 看門狗初始化： SETB ； PX0=1,將中斷優(yōu)先級 PX0設(shè)為最高 SETB ； EA=1，開總中斷 SETB ； EX0=1,允許外部中斷 0中斷 SETB ；選用跳變觸發(fā)方式。 （ 2）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要，在查閱資料以及利用互聯(lián)網(wǎng)工具基礎(chǔ)上，確定了單片機(jī)、變頻器、壓力傳感器、水位傳感器、供水水泵的具體型號。因?yàn)榍耙粻顟B(tài)若為停止，則前一個輸出和 e（ k）都應(yīng)為零，而單片機(jī)記錄的 u(k1),e(k),e(k1),e(k2)是停機(jī)前一個狀態(tài)的參數(shù)，應(yīng)該要?dú)w零處理。 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 26 圖 25 A/D轉(zhuǎn)換電路 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 27 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 主程序流程 延 時 系 統(tǒng) 初 始 化 固 定 參 數(shù) 設(shè) 置 可 變 參 數(shù) 設(shè) 置 A / D壓 力 數(shù) 據(jù) 采 集 計 算 壓 力 偏 差e（k）并 顯 示 采 樣 植 P I D控 制 控 制 信 號 輸 出繼 電 器 動 作 判斷 及 輸 出 Y N 有 參 數(shù) 修 改 ？ 開 始 圖 26 主程序流程圖 單片機(jī)上電后首先執(zhí)行的是初始化和自檢，初始化包括標(biāo)志位和變量的初始化、中斷初始化、設(shè)置各接口芯片初始化、各種程序模塊的初始化等；然后，程序進(jìn)入主循環(huán)；最后進(jìn)入 PID 計算及各種控制信號的輸出部分。 （ 2） 初始化時 ， ST和 OE信號為低電平。 脈沖寬度： TW =(R1+RW+R2)C； （公式 10） 振蕩周期： T=(R1+ RW+2*R2)C。 （ 2） 系統(tǒng) 電路 監(jiān)測電路 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 22 圖 19 看門狗電路 “ X25045 芯片 片內(nèi) 的 看門狗定時器，系統(tǒng)的監(jiān)控時間 可 利用 軟件 來 設(shè)置 。 （ 4） 單片機(jī)的外部通信電路 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 19 圖 16 通信模塊 單片機(jī)與變頻器的通信，單片機(jī)通過 MAX3232 芯片進(jìn)行串行通信。系統(tǒng)首先通過變壓器將220V 的交流電降壓為 15V交流，再通過整流橋變?yōu)橹绷?。可以通過按鍵控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，通過電位器來控制變頻器的輸出頻率，來控制系統(tǒng)水壓。故通過單片機(jī)對變頻器的頻率輸出（ u(k)）與壓力偏差 e(k)，來判斷用戶用水量。必要利用氣壓罐增加系統(tǒng)阻尼，這樣變頻器無需在低頻率下長期運(yùn)行，同時也解決了系統(tǒng) V/F控制不能在過低頻率下運(yùn)行的問題 。主要包括：主電路和控制電路。 ” [5] 其控制規(guī)律為： 011 ( )( ) ( ) ( )tpD d e tu t K e t e t d t TT d t??? ? ?????? (公式 4) U(t)為控制量， Kp 為比例增益， e(t)為控制偏差， T1為積分時間常數(shù) ， TD為微分時間常數(shù)。 （ 6） 抗干擾性、保密性 在 干擾比較大的工業(yè)環(huán)境中要選擇抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)。主要設(shè)備選型如表 1所示： 表 1系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號及其生產(chǎn)廠家 單片機(jī) AT89C51（ Intel） 變頻器 西門子 MM430 水泵機(jī)組 SFL系列水泵 2臺（ 上海 熊貓機(jī)械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 浩捷 PTJ20 XMT1270數(shù)顯儀 液位變送器 HM21投入式液位 變送器 圖 5系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 單片機(jī)的選擇 （ 1） 單片機(jī) 運(yùn)行 速度 單片機(jī)的運(yùn)行速度首先要看它的時鐘頻率，指令集和機(jī)器周期。 它 負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行過程中 壓力、 水位 、報警信號 的采集 ， 分析 人機(jī) 接口 和 通訊接口 所采集 到 的數(shù)據(jù)、 選擇具體的算法 ， 制定出系統(tǒng)的執(zhí)行 控制方案， 通過控制器控制接觸器的開斷實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組的切換 ；變頻器 控水位變送器 單片機(jī) 變頻器 M 水泵機(jī)組 壓力變送器 水池水位信號 水位水池信號 用戶 報警信號 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 8 制牽引水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ，其跟蹤控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 變頻恒 壓 供水 系統(tǒng)的 組成及原理圖 系統(tǒng)由 主要有單片機(jī)、 變頻器、 壓力變送器和 水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 3 所示： 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 7 圖 3 系統(tǒng)控制流程圖 此 系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號 監(jiān) 測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分 。 在 采用 轉(zhuǎn)速控制方式時， 閥門的開度基本保持不變 ，流量 Q*和轉(zhuǎn)速n*比值不變。 揚(yáng)程特性曲線隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變 ，而管阻特性則不變。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 （ 2） 管阻特性 假設(shè) 不改變水泵的轉(zhuǎn)速 情況下 ，全揚(yáng)程 HT 與 供水流量 Q的 關(guān)系曲線 HT=f(Q)，稱為 系統(tǒng)的 管阻特性。 “ 改變 電機(jī) p 調(diào)速的 方 式 控制簡單，效率高， 有很好的節(jié)能效果， 但 這種電動機(jī)的調(diào)速是有極的 ， 并 且級差 大 。 泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 2 （ 6） 利用 通信 技術(shù)進(jìn)行 控制， 減少了 人力物力 過度投入 。 [1]逐漸發(fā)展起來的 氣壓供水，雖有所改進(jìn)， 可取代任何高度的水塔或樓頂高位水箱， 但 它亦存在 很多 明顯的缺點(diǎn) ，如 氣壓供水設(shè)備笨重 ， 氣壓 罐和泵房 建造成本 高， 水泵 啟動 頻 繁 ，耗電量大 ，壓力不穩(wěn)定還會影 響電磁元件和水泵電機(jī)的壽命 。由于水泵耗電功率與電動機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比，故通過水泵調(diào)速有較好的節(jié)能效果，平均功耗相比節(jié)省近 40%的正常用水。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，利用 PID 調(diào)節(jié)器、變頻器、單片機(jī)、壓力傳感器等器件的有機(jī)組合， 構(gòu)成控制系統(tǒng)，利用變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水泵的輸出量，把管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)至一個合理的范圍，實(shí) 現(xiàn)高層建筑的恒壓供水。高位水箱給水靠水的勢能向用戶提供一定壓力的生活和生產(chǎn)用水 ， 但這種方式的不僅 造價高而 且 將影響建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗震性， 最重要的是高位水箱 給水 會 帶來 “ 二次污染 ” 。 （ 5）從水源供 直接 水， 設(shè)備 二次污染 的程度下降 ， 防止許多 傳染疾病 的滋生，清潔維修