智能變頻恒壓供水控制器的軟硬件設(shè)計(jì)
智能變頻恒壓供水控制器的軟硬件設(shè)計(jì)
目前,，國(guó)外的恒壓供水工程設(shè)計(jì)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式,，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)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(jì)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(diǎn),，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(diǎn),，且可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),、社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。
1 智能變頻恒壓供水控制器控制原理
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(hào),，并經(jīng)過(guò)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(yùn)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(shí),，管網(wǎng)壓力低于預(yù)設(shè)值,，變頻器頻率就會(huì)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(wú)法滿足用戶供水要求時(shí),，該泵自動(dòng)轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)行狀態(tài)，并變頻啟動(dòng)下一臺(tái)水泵;反之,，當(dāng)用水量減少,，則降低水泵運(yùn)行頻率直至設(shè)定的下限運(yùn)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(guò)一定的延時(shí)，控制器重新比較壓力,，并計(jì)算控制輸出,，從而維持恒壓供水。
該智能變頻恒壓供水控制器系統(tǒng)可以同時(shí)控制2臺(tái)水泵,，根據(jù)不同的場(chǎng)合可以采用不同的運(yùn)行模式,，如單泵運(yùn)行、一用一補(bǔ),、一工一變,、定時(shí)換泵等。
2 智能變頻恒壓供水控制器系統(tǒng)總體方案
智能變頻恒壓供水控制器系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化,、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),，并充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展能力?？刂破饔芍骺匕?、顯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(guò)顯示按鍵面板設(shè)定預(yù)設(shè)壓力和控制器運(yùn)行的各個(gè)功能參數(shù),，保存至E2PROM存儲(chǔ)器用作掉電存儲(chǔ)，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(hào)經(jīng)過(guò)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(jì)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(guò)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(guò)繼電器輸出電路送給繼電器組，用以控制各個(gè)泵工作于工頻或是變頻狀態(tài),。最后單片機(jī)把實(shí)際壓力值,、預(yù)設(shè)壓力值、輸出頻率和各個(gè)泵的工作狀態(tài)送到顯示面板,，以便用戶進(jìn)行觀測(cè)和操作,。
3 智能變頻恒壓供水控制器系統(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(hào)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(shí)硬件實(shí)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(shí)時(shí)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 智能變頻恒壓供水控制器系統(tǒng)電源電路
該智能變頻恒壓供水控制器設(shè)計(jì)采用基于三端穩(wěn)壓芯片TOP221Y的高精度開(kāi)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(hào)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(cè)到的壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)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(shí)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(duì)其信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)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(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前經(jīng)過(guò)光電隔離電路時(shí),，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(hào)。
由部電壓信號(hào)從IN端口接入,，經(jīng)過(guò)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(shí)在模擬信號(hào)采集到單片機(jī)系統(tǒng)的過(guò)程中,，各種干擾信號(hào)都會(huì)隨著被測(cè)量信號(hào)進(jìn)入MCU控制系統(tǒng)，這些信號(hào)迭加在有用的被測(cè)信號(hào)上會(huì)降低測(cè)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(jì)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(hào)傳輸,，在電氣上使測(cè)量系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)完全隔離,，從而實(shí)現(xiàn)了電平線性轉(zhuǎn)換且不把現(xiàn)場(chǎng)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(guò)內(nèi)部的電流輸出型數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊(IDAC),，將計(jì)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(guò)濾波和比例轉(zhuǎn)換處理后用來(lái)控制變頻器的頻率。同時(shí)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(chǔ)器電路
該變頻恒壓供水控制器設(shè)計(jì)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(chǔ)一些用戶設(shè)定和運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù),，以便重新啟動(dòng)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(jì)單，工作可靠,，而且成本低廉,。
3.6 繼電器控制輸出電路
主控制器驅(qū)動(dòng)5個(gè)靈敏繼電器K1～K5，分別控制1個(gè)泄流閥和2個(gè)泵電機(jī),，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄流閥的打開(kāi)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(guò)信號(hào)線RX與TX將繼電器狀態(tài)控制信號(hào)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(guò)達(dá)林頓管ULN2003提高驅(qū)動(dòng)能力，以控制水泵電機(jī)的工作狀態(tài)和泄流閥的動(dòng)作,。
4 變頻恒壓供水控制器的軟件設(shè)計(jì)
該變頻恒壓供水控制器設(shè)計(jì)中對(duì)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(duì)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?yàn)榭刂茖?duì)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,，.
在實(shí)際應(yīng)用中,，一般選擇增量式PID控制規(guī)律。因?yàn)樵隽啃退惴ㄅc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(dòng)作的影響比較小,，更易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。
在該變頻恒壓供水控制器設(shè)計(jì)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(duì)于每個(gè)采樣周期,，控制器輸出的控制量都相對(duì)于上次的增加量,，. 為增量式數(shù)字PID算法在整個(gè)系統(tǒng)中的控制流程，每次進(jìn)入A/D定時(shí)采集中斷，壓力信號(hào)便會(huì)被轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,，PID控制模塊便將壓力信號(hào)的數(shù)字量通過(guò)算法處理得出相應(yīng)的控制輸出數(shù)字量,，接著啟動(dòng)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(kāi)關(guān)輸出模塊和壓力采集模塊,，通過(guò)相應(yīng)的控制策略實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量和控制，保持供水管網(wǎng)壓力的動(dòng)態(tài)平衡,。為了方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,，在設(shè)計(jì)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(kāi)機(jī)時(shí)通過(guò)鍵盤改變其值,，從而改變PID參數(shù)，以適應(yīng)不同場(chǎng)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(shí)間變化的響應(yīng)曲線;曲線2為參數(shù)經(jīng)過(guò)多次調(diào)整之后的響應(yīng)曲線?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)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(shí)際應(yīng)用環(huán)境中需要經(jīng)過(guò)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(yǔ)
分析了智能變頻恒壓供水控制器的軟件和硬件設(shè)計(jì),。該控制器以SoC單片機(jī)C8051F410為核心,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管網(wǎng)壓力的采集，對(duì)變頻器輸出的控制,，而且擁有獨(dú)特靈活的用戶界面,。控制器不但采樣和控制精度高,，而且有多種保護(hù)和抗干擾功能,，保證了控制器的穩(wěn)定性和安全性.
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