【文章內(nèi)容簡介】 制 器配 電 部 分變 頻 器傳 感 器進 水去 用 戶泵 3泵 2泵 1閥 圖 33 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成原理 The water supply system of frequency control of constant voltage form principle 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求和所要實現(xiàn) 的功能，設(shè)計整個變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件電路可以分為四個模塊：信號采集模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 [6]、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊、單片機其他外圍器件。 15 36393837353433322122232426272825EAP2.2P2.1P0.6P0.7P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0X1X287654321P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P1.7TXDINT1WRP2.0PSENP2.5162930INT0P2.6P2.3P2.4151413129T1T0RESETRXDP2.7RD89C51ALED1D2D3D4D5D6D7A B C CLKEOCSTARTALEOEIN1IN2IN3IN4INOIN5IN6IN7ADC080974L373GOE247。4111VccILEVsetRfbIout1Iout2AGNDDGNDDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7 +UA741+5V+5VDAC0832US510011D0＞＝1＞＝1WR1WR2CSXFERVR()VR(+)VccGND+5VWRVcc1710GND+5V121110131415161B2B3B4B5B6B7BULN2003泵2+5VSSR121110TEST131415161B2B3B4B5B6B7BULN2003VR S T泵1三 相 電USSR2018193140Vcc+5V電 位 計TEST 圖 34 恒壓供水硬件電路圖 The hardware circuit picture of constant voltage of water supply 16 設(shè)計系統(tǒng)具體的硬件電路圖如圖 34 所示。采用 US5100 壓力傳感器安裝在自來水的入口處，將其所測定的壓力值和設(shè)定的電位器值送入 ADC0809 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，比較 后送入 89C51 系列單片機進行處理。然后 89C51 的輸出值經(jīng)過 DAC0832[7]轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，控制變頻器的輸出電壓。 接口通過繼電器控制變頻泵 1 的運轉(zhuǎn)， 接口同樣是通過繼電器控制工頻泵 2 的運轉(zhuǎn)。由于單片機到配電部分的控制信號以及系統(tǒng)的一些控制開關(guān)的命令，均通過光電耦合電路進行隔離，減少強電回路對單片機的影響。 系統(tǒng)控制方案的選擇 輸入通道的設(shè)計 在微型計算機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，要將生產(chǎn)現(xiàn)場測得的信息傳給 CPU。 CPU 經(jīng)過計算、處理后，將結(jié)果以數(shù)字量的形 式輸出，并轉(zhuǎn)換為適合于對生產(chǎn)過程進行控制的量。一個生產(chǎn)過程有兩種基本量 :一是隨時間連續(xù)變化的物理量 。一是反映生產(chǎn)過程的兩態(tài)開關(guān)或某物理量的數(shù)字信號。前者為模擬量，后者為數(shù)字量。對外界的模擬量只有轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能為計算機所接受。對于本系統(tǒng)來說，只有兩路入通道，即為水壓的給定值和反饋值。當然也可設(shè)多路輸入通道，測量各水壓，然后取加權(quán)平均值。本系統(tǒng)先簡化為兩路通道。 對于水壓的檢測和變送可用差壓變送器完成。差壓變送器主要用于測量液體、氣體或蒸汽的壓力、差壓、流量、液位、比重等物理量，并把這些被測物理量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的 4~20mA ADC 的輸出。 輸出通道的設(shè)計 輸出通道分為兩大部分：模擬量輸出通道，進行水泵的轉(zhuǎn)速控制；數(shù)字量輸出通道，進行水泵電機的起?？刂?。 1）模擬量輸出通道 將經(jīng)過運算處理后的數(shù)字量送往 D/A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換變換成 0~5V， 4~20mA 信號，作為變頻器的頻率給定，來控制水泵電機的運轉(zhuǎn)。 2）數(shù)字量輸出通道 有許多執(zhí)行機構(gòu)需要開關(guān)量控制信號。 CPU 可通過 I/O 接口電路直接對執(zhí)行機構(gòu)進行控制，也可以通過半導體開關(guān)的動作或機電式繼電器接點的開閉進行控制。在本系統(tǒng)中，我們是控制繼電器，經(jīng)繼電 器放大后來達到控制電機起停的作用。 17 壓力傳感器的選擇 壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的 “居里點 ”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸 被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在此恒壓供水系統(tǒng)中采用 US5100[7]壓力傳感器。 US5100 壓力傳感器采用不銹鋼外殼，內(nèi)置超穩(wěn)定和高精度的傳感器， US5100 壓力傳感器壓力腔采用 100%的 316L 不銹鋼材料，而且通過了最新的重工業(yè)產(chǎn)品 CE 認證，包括浪涌保護，以及承受在電源正極和負極之間的過電壓保護，滿足了日益增加的環(huán)境要求而樹立了新的 性能價格比典范。 US5100 壓力傳感器可以適應(yīng)大多數(shù)腐蝕性工作環(huán)境，并可以按照 OEM 客戶的需要進行特殊材質(zhì)，特殊壓力接口及特殊輸出信號等要求的產(chǎn)品定制。US5100 壓力傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下： 1） US5100 電氣連接：電纜、 Packard、 Bendix、特殊接口； 2）壓力類型：表壓，絕壓； 3）特點：重工業(yè)產(chǎn)品 CE 認證、高精度、結(jié)構(gòu)小巧； 4）供電電源： 530~VDC（視輸入而定）； 5）標準輸出： ~ 、 1~5V、 4~20mA 等； 6）測量精度： 177。%FS； 7）工作溫度范圍： 40℃ ~25℃ ； 8）介質(zhì)兼容性：與 316L 不銹鋼兼容的各種介質(zhì)； 9）量程： 0~5 至 10000（ Psi）； 10）過載壓力：可達 3 倍額定壓力； 11）典型應(yīng)用：高級 HVAC 控制，制冷系統(tǒng)，自動檢測系統(tǒng)，空壓機，工業(yè)過程控制， 泵和壓縮機，液壓 /氣動系統(tǒng)，農(nóng)機設(shè)備，能源和水處理系統(tǒng)。 18 PID 控制器的設(shè)計 PID 控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制方式之一。它的原理如圖 35所示。 P 控 制 對 象驅(qū) 動 部DI目 標 值（ 設(shè) 定 值 ）反 饋 值（ 測 量 值 ）+ +++ 圖 35 PID 控制原理圖 PID control schematics 通過控制對象的傳感器等檢測控制量 (反饋量 )，將其與目標值 (壓力設(shè)定值 )進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與目標值相一致的一種通用控制方式。 PID 控制器根據(jù)目標值 (設(shè)定值 )r(t)與反饋值 (測量值 )c(t)構(gòu)成的控制偏差： e(t)=r(t)c(t) （ 31） 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構(gòu) 成控制量，對受控對 象進行控制。其控制規(guī)律為： ])()(1)([)( 0 dt tdeTteTiteKptu dt ??? ? （ 32） 式中： Kp：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) Ti：調(diào)節(jié)器的積分時間 Td：調(diào)節(jié)器的微分時間 e：調(diào)節(jié)器的偏差信號 u：輸出 離散 PID 控制算法在用計算機、單片機、 PLC 等作為控制裝置進行直接數(shù)字控制 (DDC)時，各個被控制變量的處理在時間上是離散進行的。 DDC 控制方式的特點是采樣控制，每個被控制變量的測量值隔一定時間與設(shè)定值比較一次，按照預(yù)定的控制算法得到輸出值，通常把它保留到 下一采樣時刻。 19 目前離散 PID 控制算法主要有兩類，第一類叫做位置式算法，即對 31 式進行差分后直接給出 u(k)，第二類叫做增量算法，給出 )1()()( ???? kukuku （ 33） 在此恒壓供水系統(tǒng)中使用增量算法： )2()1(2)([)()]1()([ )1()()( ????????? ???? kekekeKkeKkekeKp kukuku di （ 34） 上面的各式中： T： 采樣周期 e(k)：第 k 次采樣時的誤差值 e(k1)：第 kl 次采樣時的誤差值 Kp：比例系 數(shù) Ki=KpT/Ti ：積分系數(shù) Kd=KpTd/T：微分系數(shù) 為方便編程，將（ 34）整理為： )2()1()()( 210 ?????? keqkeqkeqku （ 35） 其中： )1(0 TTTTKq dip ??? （ 36） )21(1 TTKq dp ??? （ 37） TTKq dp?2 （ 38） A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，壓力信號是模擬信號，不能被單片機識別，這就需要 A/D轉(zhuǎn)換器將壓力傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機能識別的數(shù)字信號，這就涉及到 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇問題。在選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器時，主要考慮其以下指標： 1）精度 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度分為絕對精度和相對精度兩種。 (1)絕對精度：是指對應(yīng)于一個給定量 A/D 轉(zhuǎn)換器的誤 差，其誤差大小由實際模擬量輸入值與理論值之差來度量。例如，理論上 5V 模擬量輸入電壓應(yīng)產(chǎn)生 12 位數(shù)字量的一半， 20 但實際上 到 都能產(chǎn)生該數(shù)字量，這絕對誤差為 (+)/25= =2mV。 (2)相對誤差：是指絕對誤差與滿刻度值之比，一般用百分數(shù) (%)來表示。對 A/D 轉(zhuǎn)換器也常用 PPM(百萬分之一 )或最低有效值的位數(shù) LSB 來表示 :ILSB=1/2N 滿刻度值。 2）轉(zhuǎn)換時間 A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間叫做轉(zhuǎn)換時間 。產(chǎn)品資料給出的一指標是最長轉(zhuǎn)換時間的典型值。在選擇器件時，要根據(jù)應(yīng)用的需要和價格來考慮這一指標，有時還要同時考慮數(shù)據(jù)傳輸過程中轉(zhuǎn)換期間的工作特點。 3）分辨率 [8] 分辨率是 A/D 轉(zhuǎn)換器對微小輸入量變化的敏感程度。即二進制數(shù)的末位變化 1 所需要的最小輸入電壓對滿量程之比稱為分辨率。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入量微小變化的反應(yīng)