【正文】 ...................................................... 5 恒壓供水 的 實(shí)現(xiàn) ...................................................................................................... 5 2 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 .............................................................. 8 3 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 ................................................................................................................ 17 4 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) ................................................................................................................. 20 系統(tǒng)工作過(guò)程說(shuō)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) ............................................................................................ 23 5 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 1 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(kāi)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(wèn)題。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(wèn)題。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(guò)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(zhǎng) 。該設(shè)計(jì)針對(duì)上述問(wèn)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(guò)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。高位水箱給水的方式，靠水的勢(shì)能向用戶提供一定壓力的生活用水和生產(chǎn)用水。將增加房屋強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，增加成本。 1982 年以后開(kāi)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)。由此可見(jiàn)，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。 國(guó)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(lái)的。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(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。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(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)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(guó)的施耐德公司就推出了恒壓供水 用的 變頻器 。這類(lèi)設(shè)備雖然說(shuō)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。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(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶的要求。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)。 可以看出，目前在國(guó)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(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)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。 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)。 （ 2） 占地面積小，投資少，效率高。 （ 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。 （ 6） 通過(guò)通信控制，可以實(shí)現(xiàn) 無(wú) 人職守，節(jié)約了人力物力。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國(guó)內(nèi)研究和推廣最多的方式 。這類(lèi)變頻器電機(jī)功率在 135kw~320kw 之間，電網(wǎng)電壓通常為 220V 或 380V。 (3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類(lèi)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)。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。 STC89C52單片 機(jī) 獲得測(cè)量值后通過(guò)算法計(jì)算出頻率值。 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)。用湊試法確定 PID參數(shù)不需要知道系統(tǒng)模型。 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(zhǎng)周期運(yùn)行。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(lái)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(lái)選配，并確定水泵的運(yùn)行方式。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。即通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子電源頻率來(lái)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。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(mén)全開(kāi)，達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行 ，水泵的特性 n0 和用水管特性曲線 A0 匯交于 b 點(diǎn)，此時(shí)，水泵輸出口壓力為 H，末端服務(wù)壓力剛好為 H0。 圖 節(jié)能分析曲線圖 (1)水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠關(guān)小泵出口閥門(mén)來(lái)控制；此時(shí)，管路阻力特性曲線變陡（ A2），水泵的工況點(diǎn)由 b 點(diǎn)上滑到 c 點(diǎn)，而管路所需的揚(yáng)程將由 b 點(diǎn)滑到 d 點(diǎn)，這樣 c 點(diǎn)和 d點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。 但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。在水量到達(dá) Q1 時(shí)，相應(yīng)的水泵特性趨向?yàn)?nx。 7 (3)水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來(lái)控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由 Qmax 下降到 Q1 時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線 n1，其工況點(diǎn)為 d 點(diǎn)，正好落在管網(wǎng)特性曲線 A0 上，這樣可以使水泵的工作點(diǎn)式中沿著 A0 滑動(dòng)，管網(wǎng)的服務(wù)壓力 H0 恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適 應(yīng)，沒(méi)有能量的浪費(fèi)。即通過(guò)控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。此外，最不利點(diǎn)的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無(wú)論管路特性等因素發(fā)生變化，最不利點(diǎn)的水壓是恒定的，保證了供水壓力的可靠 [5]。另外，變頻器本身具有過(guò)電流、過(guò)電壓、失壓等多種保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。當(dāng)水泵電機(jī)選定后， p 和 s 為定值，也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低，變頻調(diào)速時(shí)是根據(jù)這一公式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的。 變頻調(diào)速恒壓供水工況與能耗機(jī)理分析 管路水力損失分為 揚(yáng) 程損失和局部損失兩種 hs=hy+hj （ ） 沿程損失 hy= LQ2 （ ） 8 式中 y管路沿程摩擦損失系數(shù)； j局部損失系數(shù)； L管路長(zhǎng)度（ m）； A過(guò)水截面的面積。當(dāng)水泵管路系統(tǒng)去掉后，相應(yīng)的 y， j， L， A 等參數(shù)都能去頂， S 也就確定了。當(dāng)上下水位確定后，管路所需要的水損失就等于上下水位差 （即實(shí)際揚(yáng)程 H）加上管路損失 Hx=Hsj+Hs （ ） 由式（ ）可以得到如圖所示的 HsQ 管路性能曲線 圖 水 泵工作點(diǎn)的確定 水泵運(yùn)行工況點(diǎn) A 是水泵性能曲線 n1 和管道性能曲線 R1 的交點(diǎn)。采用變頻調(diào)速控制時(shí)，管路性能曲線 R1 保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果水泵轉(zhuǎn)速?gòu)?n0 降到 n1， 水泵性能曲線從 n0 平移到 n1，運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從 A 點(diǎn)移到 C 點(diǎn)，揚(yáng)程從 H0 下降到 H1，流量從 Q0 減少到 25 中水泵運(yùn)行在 B 點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與 H1BQ1O 的面積成正比，運(yùn)行在 C 點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與H2CQ1O 的面積成正比，從 圖 上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速