【導(dǎo)讀】水系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)小區(qū)供水中、占用面積大、建設(shè)費(fèi)。用高、管理維護(hù)復(fù)雜困難、水質(zhì)二次污染等缺點(diǎn)。起來(lái)，形成模糊PID控制，有效的克服了它們的缺點(diǎn)而發(fā)揮了它們的優(yōu)勢(shì)。

　　

【正文】 圖 38優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真圖 fuzzy fuzzy 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 第四章 變頻恒壓供水控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)概述 給水行業(yè)為貫徹《城市供水行業(yè) 2020 年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》中提出的“二提高三降低”（即提高供水水質(zhì)，提高供水安全可靠性，降低能耗、降低漏和降低藥耗）的奮斗目標(biāo)和要求。由此，住宅小區(qū)的給水系統(tǒng)已逐步取消了高位 水箱，而采用變頻調(diào)速供水，克服了傳統(tǒng)供水方法的缺點(diǎn)。這種供水方式既滿(mǎn)足供水安全，又避免水質(zhì)的二次污染。對(duì)于多層住宅來(lái)說(shuō)，是一種比較完善的供水系統(tǒng)。 目前的自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統(tǒng)的控制裝置采用以單片機(jī)為基礎(chǔ)的供水控制器，因單片機(jī)系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)泵組、閥門(mén)的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字 PID調(diào)節(jié)功能，可對(duì)系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù)、控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運(yùn)行工礦的 LED 顯示、故障報(bào)警等功能。自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)還具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可與城市供水的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)提供 了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段。 在自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量是由用戶(hù)用水量決定的，泵站供水的壓力以滿(mǎn)足管網(wǎng)中壓力最不利點(diǎn)的壓力損失。根據(jù)反饋原理：要想維護(hù)一個(gè)物理量不變或基本不變，就應(yīng)該引這個(gè)物理量與恒值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng) 。但被控制的系統(tǒng)特點(diǎn)是非線性、大慣性的系統(tǒng)，現(xiàn)代控制和 PID 相結(jié)合的方法，在壓力波動(dòng)較大時(shí)使用模糊控制，以加快響應(yīng)速度；在壓力范圍較小時(shí)采用 PID 來(lái)保持靜態(tài)精度。 系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)由變頻器、控制器、傳感器、水泵電機(jī)及相關(guān)電氣控制設(shè)備集成而成，是一種具有變頻調(diào)速和全自動(dòng)閉環(huán)控制功能的機(jī)電一體化智能設(shè)備。它可同時(shí)對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)三相 380/220V、 50/60Hz 異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和閉環(huán)控制，其系統(tǒng)組成示意圖如圖 41所示。 從上圖中我們可以看到，自動(dòng)恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與供水控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。 整個(gè)系統(tǒng) 的具體工作流程為：系統(tǒng)通過(guò)安裝在出水總管上的壓力傳感器，將供水管網(wǎng)的非電量信號(hào)（動(dòng)態(tài)壓力）轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，輸入至供水控制器的輸入模塊，信號(hào)經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，得出偏差值，再經(jīng)過(guò)PID處理得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出變頻器的頻率設(shè)定值至變頻調(diào)速器，變頻調(diào)速器控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)管網(wǎng)內(nèi)的實(shí)際壓力值趨向于設(shè)定壓力值，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的恒壓供水。對(duì)于多臺(tái)泵調(diào)速的方式 ，控制器控制泵站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵根據(jù) CPU 指令實(shí)施軟啟動(dòng)、 軟切換及變頻運(yùn)行。系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算判定目前是浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 否已達(dá)到設(shè)定壓力，決定是增加（投入）或減少（撤出）水泵。即：當(dāng)一臺(tái)水泵工作頻率達(dá)到最高頻率時(shí)，若管網(wǎng)水壓仍達(dá)不到預(yù)設(shè)水壓，則將此臺(tái)泵切換到工頻運(yùn)行，變頻將自動(dòng)啟動(dòng)下一臺(tái)水泵，控制其變頻運(yùn)行。此后，往復(fù)工作，直至滿(mǎn)足設(shè)定壓力要求為止。反之，若管網(wǎng)水壓大于預(yù)設(shè)水壓，控制器控制變頻器頻率降低，使變頻低于下限時(shí)自動(dòng)切掉一臺(tái)工頻泵或此變頻泵，始終使管網(wǎng)水壓保持恒定。進(jìn)入消防余興時(shí)，按下消防按扭，所有水泵逐臺(tái)切入工頻運(yùn)行保證消防用水壓力，用戶(hù)可在適當(dāng)?shù)胤酵饧酉腊磁?，以保證迅速切 入工頻狀態(tài)?？傊?，系統(tǒng)可根據(jù)用戶(hù)用水量的變化，自動(dòng)確定泵組的水泵的循環(huán)運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質(zhì)量。 圖 41 自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 下面我們對(duì)系統(tǒng)的各組成部分分別加以介紹： 由水泵 管道供水原理可知，調(diào)節(jié)供水流量原則上有兩種方法：一是節(jié)流調(diào)節(jié)，開(kāi)大供水閥，流量上升；關(guān)小供水閥，流量下降。二是調(diào)速調(diào)節(jié)，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水流量增加；轉(zhuǎn)速下降，流量降低，對(duì)于用水流量經(jīng)常變化的場(chǎng)合（例如生活用水），采用調(diào)速調(diào)節(jié)流量，具有優(yōu)良的節(jié)能效果，本文所采用的就是后一種方法，即 調(diào)速調(diào)節(jié)方法。 水池：在這我們所要做的工作是對(duì)其水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)水位過(guò)低時(shí)就產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，再通過(guò)繼電器把報(bào)警信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)控制報(bào)警燈亮同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)停泵保護(hù)。 水泵：水泵電機(jī)是輸出環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速由變頻器控制，實(shí)現(xiàn)變流量恒壓控制，在這些水泵中，一般只有一臺(tái)變頻泵。當(dāng)供水設(shè)備供電開(kāi)始工作時(shí)，先啟動(dòng)變頻泵，管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在一定的數(shù)值上。每臺(tái)水泵均采用星 三角的啟動(dòng)方式，各水泵之間實(shí)行變頻循環(huán)軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)可減小電動(dòng)機(jī)硬啟動(dòng)（即直接起動(dòng)）引起的電網(wǎng)電壓降，使之不影響其它電氣設(shè) 備的正常運(yùn)行，可減小電動(dòng)機(jī)的沖擊電流，沖擊電流會(huì)造成電動(dòng)機(jī)局部溫升過(guò)大，降低電動(dòng)機(jī)壽命，可減小硬起動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械沖力，沖力加速所帶來(lái)的傳動(dòng)機(jī)械（軸，齒合齒輪等）的磨損，減少電磁干擾，沖擊電流會(huì)以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運(yùn)行。軟起動(dòng)使堤岸動(dòng)機(jī)可以起停自如，減少空轉(zhuǎn)，提高作業(yè)率，因而有節(jié)能作用。 傳感器：將其安裝在水池與用戶(hù)之間的出水管道上，它的任務(wù)是實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的水壓檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換成 4~20mv 的電信號(hào)，再將此信號(hào)傳給 A/D 芯片進(jìn)行處理。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 變頻器：它的作用是接收 PID 控制器的信號(hào)，為水泵 電機(jī)提供可變頻率的電源。 供水控制器：這是本文主要研究?jī)?nèi)容，將在后面的章節(jié)詳細(xì)地加以論述。 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門(mén)的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。 由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)白呢感和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。 因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。 水泵呢感電動(dòng)機(jī)采 用軟啟動(dòng)發(fā)誓，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速再成白呢感系統(tǒng)的喘振。 由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運(yùn)行過(guò)程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可節(jié)約可觀的電能末期經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快，而長(zhǎng)期受益，其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大。 控制系統(tǒng)的工作原理 供水管網(wǎng)中的流量和壓力是隨著用戶(hù)用水量的改變而不斷變化的，而改變泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以提高供水壓力或減少供水壓力。所以，為 了保持出口供水壓力恒定就必須根據(jù)用水量的大小不斷改變電機(jī)的轉(zhuǎn)死。三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： ? ? psfN ?? 160 （ 41） 式中 n為電機(jī)轉(zhuǎn)速 ， f為定子供電頻率， s為轉(zhuǎn)差率（ s ? ）， p 為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由公式可見(jiàn)，水泵轉(zhuǎn)速 ‘n = n正比于供電頻率，因此，連續(xù)地改變電機(jī)定子的供電頻率就可以平滑改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到天界速度的目的。 由流 體力學(xué)知：管網(wǎng)壓力 P，流量 Q和功率 N 的關(guān)系為 N=PQ，而功率與水泵轉(zhuǎn)速 n成三次方的正比關(guān)系。圖 2 中的 n族曲線為不同功率（轉(zhuǎn)速）下水泵 P=F（ Q） 特性曲線上的不同點(diǎn)，其管阻是不同的。因?yàn)橛泄剑? Q= gHK 2 （ 42） 式中， K為管阻系數(shù)，對(duì)某恒定管阻， K 為常數(shù)，圖 42中 β 族曲線為不同管阻時(shí)的 P=F（ Q） 曲線，同一曲線上的不同點(diǎn)，其功率是不同的。 由圖 43可見(jiàn)：設(shè)定壓力值為 0P ，初始用水量為 2Q ，工作點(diǎn)為檢α 1，可假定用戶(hù)需要用水量為 Q1，打開(kāi)閥門(mén)（可定打開(kāi)時(shí)間 t~0），管阻將突然變化，點(diǎn)α 1將沿 n1線下降，在未下降至α 1之前，壓力傳感器已將檢測(cè)到的下降壓力 P 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸往 PID 控制器，經(jīng)比較處理后，輸出一個(gè)令變頻器頻率升高的信號(hào)，從而水泵轉(zhuǎn)速升高，工作點(diǎn)不會(huì)降至α 1，而是沿著 β 曲線升至α 4，達(dá)新的穩(wěn)態(tài)。實(shí)際上，用水量是不會(huì)突變的。管阻不會(huì)一下下降很多，實(shí)際工作情況如圖 44所示。 20 PPP ??? 由管阻變化時(shí)間和系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間決定。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 42 水泵的特性曲線 圖 43 恒壓過(guò)程分析圖 圖 44 變頻調(diào)速供水原理 為了保持電機(jī)在調(diào)速時(shí)最大轉(zhuǎn)距不變，需要維持磁通恒定，這就要求定子供電電壓也作相應(yīng)的調(diào)節(jié)，而 VVVF 變頻器可以滿(mǎn)足這個(gè)要求，根據(jù)上述和用戶(hù)要求設(shè)定供水系統(tǒng)壓力，并在供水出口處設(shè)置壓力傳感器，隨時(shí)檢測(cè)用戶(hù)用水情況，然后將檢測(cè)的壓力與設(shè)定壓力相比較，經(jīng)控制器運(yùn)算，輸出通過(guò)變頻器改變泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，使輸出壓力始終保持在恒定壓力。其閉環(huán)控制 原理如圖 45所示。 圖 45 變頻恒壓供水系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)的控制原理 該變頻恒壓供水控制器以單片機(jī)為核心，在水泵的出水管道上安裝一個(gè)壓力傳感器，用于檢測(cè)管道壓力，并把出口壓力變成 0~5V 或 4~20MA 的模擬信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)經(jīng)運(yùn)算后與設(shè)定的壓力進(jìn)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(hào)，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(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 管道壓力的目的。當(dāng)實(shí)際管道壓力小于給定壓力時(shí)，變 頻器輸出頻率升高，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，管道壓力升高；反之，頻率越低，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，管道壓力降低。其變過(guò)程可以表示如下： 檢測(cè)壓力↓→控制器輸出↑→變頻器頻率↑→電機(jī)轉(zhuǎn)速↑，反之相反，最終達(dá)到恒壓。 控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)電控部分以 ATMEL 公司的 AT89C52 為核心芯片，這種芯片內(nèi)置有4K的 EPROM，具有控制信號(hào)采集、處理、輸出三個(gè)功能。因?yàn)橄到y(tǒng)要求控制線較多，如果采用 8031 外置 EPROM 程序控制結(jié)構(gòu)，則會(huì)造成控制線不夠；而 AT89C52卻可以利用 P0、 P1 口作控制總線，大大簡(jiǎn)化了 硬件結(jié)構(gòu)，并可以直接控制鍵盤(pán)參數(shù)輸入、 LED 數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)，使整個(gè)系統(tǒng)的通用性和智能化得到很大地提高。 [15]其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 46所示。 [16]硬件原理框圖如圖所示。[17] 下面詳細(xì)介紹一下各部分硬件電路的組成和功能。 圖 46所示 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖 恒壓變頻控制板設(shè)計(jì) 恒壓控制板設(shè)計(jì)主要包括基于 AT89C52 的單片機(jī)主控制電路設(shè)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)、前向輸入通道設(shè)計(jì)和后向輸 出通道設(shè)計(jì)、故障檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。 單片機(jī)主控制電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)主控制電路以 AT89C52 單片機(jī)作為可以變成微控制器核心，在外部晶振提供的 12MHZ 工作頻率下開(kāi)始工作，內(nèi)部通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)模糊 PID 控制。外部電路設(shè)計(jì)包括：擴(kuò)展并口，擴(kuò)展串口，地址鎖存，看門(mén)狗 （復(fù)位定時(shí)） 電路， 報(bào)警電路。 設(shè)計(jì)各模塊設(shè)計(jì)的具體介紹如下： （ 1）微控制器 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 由于整個(gè)系統(tǒng)的工作速度要求不高，采樣處理速度為每秒 5 次，本設(shè)計(jì)采用技術(shù)成熟，穩(wěn)定性能好，性?xún)r(jià)比極高的 AT89C52 足已滿(mǎn)足性能要求。 C52 單片機(jī)內(nèi)部資源比較豐富，包 適： 8K 的片內(nèi) ROM， 256個(gè)字節(jié)的 RAM32 根 I/O 并口 1 個(gè)UART 串口，中斷線有 6根，內(nèi)部定時(shí)器有 3 個(gè) 16 位的定時(shí)妻 /計(jì)數(shù)器等資源。 本設(shè)計(jì)把 P0口作為主要數(shù)據(jù) /地址總線端口接 74LS373 地址鎖存器； P2口哦主要用語(yǔ)控制擴(kuò)展串口和產(chǎn)生重要的片選信號(hào)； P1 口主要做鍵盤(pán)輸入端口和其他的一些狀態(tài)控制信號(hào)。單片機(jī)內(nèi)部 ROM 用于燒寫(xiě)整個(gè)控制系統(tǒng)的主程序，各種處理和算法的子程序及控制表。 ALE， RD， WR， TXD， RXD， RESET， DUSPLAY—CS， PWM1— CS 和 PWM2— CS等重要引腳接法見(jiàn)圖 47。 圖 47 單片機(jī)接口電路 （ 2）擴(kuò)展并口 圖 48 擴(kuò)展并口電路圖 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 由于并口資源的不足，在此對(duì)單片機(jī)的并口進(jìn)行擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)采用 8255A 擴(kuò)展并口，把 8255A 設(shè)置成工作方式 0（直接傳輸，不需要 C端口來(lái)控制）， 3 個(gè)并口 PA， PB， PC 都定義成輸出，驅(qū)動(dòng)顯示和報(bào)警。擴(kuò)展電路如圖 48 所示。 基于系統(tǒng)集成的考慮，該數(shù)字模塊可以用 VHDL 實(shí)現(xiàn)。由于該數(shù)字模塊設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，針對(duì)擴(kuò)展并口的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)用 VHDL 只實(shí)現(xiàn)了工作方式 0的 8255A具體設(shè)計(jì)如下