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智能恒壓給水控制器設(shè)計及總體方案

O 引言

      隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市高層建筑的不斷涌現(xiàn),，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，加上目前能源緊缺對節(jié)能的要求,，因此利用先進(jìn)的電子測控技術(shù)和自動化控制技術(shù),，設(shè)計高性能、高可靠性,、低成本,、低能耗，以及能適用不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)也就成為必然趨勢,。隨著近年來變頻調(diào)速技術(shù)的飛速進(jìn)步,，變頻恒壓供水也在其基礎(chǔ)上慢慢發(fā)展起來，并成為一種新興的現(xiàn)代化供水技術(shù)。

目前,，國外的恒壓供水工程設(shè)計都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式,，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運行的情況，這種方式不但投資成本較高,，且功能單一,。

      為此設(shè)計了在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中加入基于C8051F410的單片機(jī)系統(tǒng)，構(gòu)成了功能更強(qiáng)的復(fù)合控制系統(tǒng),，它不但克服了以上缺點,，而且具有安裝調(diào)試方便，功能全面,，可靠性高,。抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點,，且可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),、社會生活的各個領(lǐng)域。

1 智能恒壓給水控制器控制原理

      在恒壓供水系統(tǒng)中,，安裝于管網(wǎng)的遠(yuǎn)傳壓力表提供水壓力信號,，并經(jīng)過光電隔離和電壓轉(zhuǎn)換電路，傳送給系統(tǒng)的中心控制器,，控制器將采集到的壓力數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)壓力進(jìn)行比較,，得出偏差值，再經(jīng)PID運算之后得出控制參數(shù),，D／A模塊將控制參數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出,，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速,，以保證管網(wǎng)壓力基本恒定,。當(dāng)用水量增大時，管網(wǎng)壓力低于預(yù)設(shè)值,，變頻器頻率就會升高,，水泵轉(zhuǎn)速加快，從而提升管道水壓,，但若達(dá)到水泵額定輸出功率仍無法滿足用戶供水要求時,，該泵自動轉(zhuǎn)換成工頻運行狀態(tài)，并變頻啟動下一臺水泵,；反之,，當(dāng)用水量減少，則降低水泵運行頻率直至設(shè)定的下限運行頻率,，若供水量仍大于用水量,，則減泵直至全部泵停止工作,，經(jīng)過一定的延時，控制器重新比較壓力,，并計算控制輸出,，從而維持恒壓供水。

      該智能恒壓給水控制器可以同時控制2臺水泵,，根據(jù)不同的場合可以采用不同的運行模式,，如單泵運行,、一用一補,、一工一變、定時換泵等,。

2 智能恒壓給水控制器總體方案

      智能恒壓給水系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化,、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，并充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展能力,?？刂破饔芍骺匕濉@示按鍵面板和電源板三部分組成,。圖2是控制器的結(jié)構(gòu)框圖,，其工作原理是：首先用戶通過顯示按鍵面板設(shè)定預(yù)設(shè)壓力和控制器運行的各個功能參數(shù)，保存至E2PROM存儲器用作掉電存儲,，位于用戶管網(wǎng)端的遠(yuǎn)傳壓力表輸出的電壓或是電流信號經(jīng)過采樣電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,，送入單片機(jī)與預(yù)設(shè)壓力進(jìn)行比較，計算并輸出模擬控制量和繼電器輸出狀態(tài)量,。其中,，模擬控制量輸出經(jīng)過變頻器控制模塊電路送給變頻器，用以控制變頻器的輸出頻率,；繼電器輸出狀態(tài)量經(jīng)過繼電器輸出電路送給繼電器組,，用以控制各個泵工作于工頻或是變頻狀態(tài)。最后單片機(jī)把實際壓力值,、預(yù)設(shè)壓力值,、輸出頻率和各個泵的工作狀態(tài)送到顯示面板，以便用戶進(jìn)行觀測和操作,。

3 智能恒壓給水系統(tǒng)單元電路

3．1 主控制器的選擇

      主控制器選用單片機(jī)C8051F410,，它是一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型芯片，其內(nèi)部還集成了12位高速ADC模塊和電流輸出型DAC模塊,，同時硬件實現(xiàn)的SMBus和UART串行接口,，能方便處理器與E2PROM通信和數(shù)據(jù)串行輸出。C2805lF410還支持JTAG實時仿真和跟蹤,，能夠進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)的全速在系統(tǒng)調(diào)試,。

3．2 系統(tǒng)電源電路

      該設(shè)計采用基于三端穩(wěn)壓芯片TOP221Y的高精度開關(guān)穩(wěn)壓電源電路,，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用單端反激式直流變換電路，其輸出采用兩組直流低壓電源：主回路為系統(tǒng)的數(shù)字電路部分提供5 V直流電源,，副回路為系統(tǒng)的模擬部分提供15 V直流電源,。

3．3 壓力表信號采集與光電隔離電路

      位于用戶管網(wǎng)的壓力傳感器監(jiān)測到的壓力信號經(jīng)過光電隔離電路進(jìn)行濾波和隔離處理后，進(jìn)入C8051F-410內(nèi)部的ADC模塊,，實現(xiàn)按比例轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換為12 b數(shù)字量，以供單片機(jī)對其信號進(jìn)行處理和計算,。為了保證輸入量與轉(zhuǎn)換量程相稱,，充分發(fā)揮A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率，在對壓力信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換之前經(jīng)過光電隔離電路時,，就已將外部傳入的O～5 V模擬電壓轉(zhuǎn)換為O～2 V模擬電壓信號,。電路原理如圖3所示。

      由圖3可見,，外部電壓信號從IN端口接入,，經(jīng)過隔離和濾波電路，轉(zhuǎn)換為O～2 V電壓,，從ADC端口送入單片機(jī),。同時在模擬信號采集到單片機(jī)系統(tǒng)的過程中，各種干擾信號都會隨著被測量信號進(jìn)入MCU控制系統(tǒng),，這些信號迭加在有用的被測信號上會降低測量的準(zhǔn)確度,，造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。以上電路設(shè)計便利用線性光耦進(jìn)行光電之間的相互轉(zhuǎn)換,，利用光作為媒介進(jìn)行信號傳輸,，在電氣上使測量系統(tǒng)與現(xiàn)場信號完全隔離，從而實現(xiàn)了電平線性轉(zhuǎn)換且不把現(xiàn)場的電噪聲干擾引入到控制系統(tǒng)中,。

3．4 控制變頻器輸出電路

      單片機(jī)通過內(nèi)部的電流輸出型數(shù)／模轉(zhuǎn)換模塊(IDAC),，將計算得出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出，其輸出電壓經(jīng)過濾波和比例轉(zhuǎn)換處理后用來控制變頻器的頻率,。同時為了保證單片機(jī)IDAC輸出電壓穩(wěn)定可靠,，不受干擾，外部電路同樣采用了光電隔離電路. 3．5 外擴(kuò)E2PROM存儲器電路

該設(shè)計采用Atmel公司的E2PROM芯片AT24C02,，其體積小,，性能優(yōu)，使用靈活方便,，能夠在系統(tǒng)掉電之后存儲一些用戶設(shè)定和運行的狀態(tài)參數(shù),，以便重新啟動機(jī)器之后讀取。處理器自身集成的SMBus兼容I2C接口,，可以直接與AT24C02通信,，此方案不僅設(shè)計單,，工作可靠，而且成本低廉,。電路原理如圖5所示,。

3．6 繼電器控制輸出電路

      主控制器驅(qū)動5個靈敏繼電器K1～K5，分別控制1個泄流閥和2個泵電機(jī),，實現(xiàn)對泄流閥的打開與關(guān)斷控制和泵的變頻或工頻狀態(tài)切換,。單片機(jī)通過信號線RX與TX將繼電器狀態(tài)控制信號串行輸出給串行移位寄存器芯片74HC595D，由74HC595D將輸出狀態(tài)的硬件鎖存,，以防止輸出狀態(tài)被干擾,，最后通過達(dá)林頓管ULN2003提高驅(qū)動能力，以控制水泵電機(jī)的工作狀態(tài)和泄流閥的動作,。

4 智能恒壓給水控制器的軟件設(shè)計

      該設(shè)計中對變頻器輸出頻率的調(diào)節(jié)采用PID控制算法,，其控制算法就是對偏差的比例、積分和微分,。它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最廣泛的一種算法,，特別是在工業(yè)控制中,，因為控制對象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化,，因此常采用PID控制算法.

它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 

式中：KP,，KI和KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù),；e(t)為誤差,。

式(1)離散化后可以用計算機(jī)很方便地實現(xiàn)，其位置式PID控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 

式中：e(j)為第j次采樣的誤差值,；T為采樣周期,。

      在實際應(yīng)用中，一般選擇增量式PID控制規(guī)律,。因為增量型算法與位置型算法相比,，前者不需要做累加，不易產(chǎn)生大的累加誤差,，而且得出的是控制量的增量,，誤動作的影響比較小，更易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換,。增量式數(shù)字PID控制算式為： 

      在該設(shè)計中,，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用變頻器，由于采用增量式數(shù)字PID控制算法,，所以對于每個采樣周期,，控制器輸出的控制量都相對于上次的增加量,，其系統(tǒng)控制算法流程如圖7所示

      為增量式數(shù)字PID算法在整個系統(tǒng)中的控制流程，每次進(jìn)入A／D定時采集中斷,，壓力信號便會被轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,，PID控制模塊便將壓力信號的數(shù)字量通過算法處理得出相應(yīng)的控制輸出數(shù)字量，接著啟動D／A將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出,，其模擬電壓輸出用以控制變頻器,。此模塊配合繼電器開關(guān)輸出模塊和壓力采集模塊，通過相應(yīng)的控制策略實現(xiàn)實時測量和控制,，保持供水管網(wǎng)壓力的動態(tài)平衡,。為了方便現(xiàn)場調(diào)試，在設(shè)計中使PID調(diào)整的上升,、下降和跟蹤采樣周期的設(shè)定值可變,，可以在開機(jī)時通過鍵盤改變其值，從而改變PID參數(shù),，以適應(yīng)不同場合的控制需要,。如圖8所示，曲線1是參數(shù)調(diào)整前電機(jī)模塊控制電壓隨時間變化的響應(yīng)曲線,；曲線2為參數(shù)經(jīng)過多次調(diào)整之后的響應(yīng)曲線,。可以看出,，經(jīng)過參數(shù)調(diào)整,，系統(tǒng)的響應(yīng)性能有了較大的提高，所以在實際應(yīng)用環(huán)境中需要經(jīng)過多次調(diào)整設(shè)定值,，以保證達(dá)到最佳的控制性能,。

5 結(jié)語

      分析了智能恒壓給水控制器的軟件和硬件設(shè)計。該控制器以SoC單片機(jī)C8051F410為核心,，實現(xiàn)了對管網(wǎng)壓力的采集,，對變頻器輸出的控制，而且擁有獨特靈活的用戶界面,?？刂破鞑坏蓸雍涂刂凭雀撸矣卸喾N保護(hù)和抗干擾功能,，保證了控制器的穩(wěn)定性和安全性,。采用控制器和變頻器構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)，不僅大大提高了供水質(zhì)量,，而且節(jié)能降耗效果也較為顯著,，在當(dāng)今國家能源緊張的情況下，具有重要的現(xiàn)實意義,。