單片機(jī)控制恒壓供水調(diào)研報告

1、調(diào)研報告1.1課題來源及研究意義 水是人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的重要組成部分，但是由于受到輸送管道和供水設(shè)備的限制，生產(chǎn)和生活用水普遍存在著高峰期流量不足問題，因此擺在用戶面前的突出問題一是蓄水，二是升壓。傳統(tǒng)的蓄水加壓辦法是采用高位水箱和水塔，靠水的勢能向用戶提供一定壓力的生活用水和生產(chǎn)用水。這種辦法顯然比較落后，一是投資大，二是不利與維護(hù)和抗震。1982年以后開始出現(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，耗電量大且供水壓力不穩(wěn)。究竟采用何種供水方式效果更好呢？根據(jù)流體力學(xué)的原理，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，而電機(jī)軸上消耗的功率與轉(zhuǎn)

2、速的平方成正比。由此可見，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。近幾年隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和微型計算機(jī)的推廣應(yīng)用，上述想法已成為現(xiàn)實(shí)。1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r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)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能。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，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，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器

3、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(yùn)行的情況，因而投資成本高。即1968年，月麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器(丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球五大核心供應(yīng)商之一)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，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的abb集團(tuán)推出了hvac變頻技術(shù)，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有.“變頻泉固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。它將pid調(diào)節(jié)器和p lc可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)plc

4、和pid等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)川。這類設(shè)備雖然說是微化了電路結(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)際使用時其范圍將會受到限制。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器. （plc)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn);有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定

5、性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團(tuán)也推出了恒壓供水專用變頻器( 2.2k-30w)，無需外接plc和pid可完成。最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(huán). (月麥丹佛斯公司的vlt系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺水泵機(jī)組的切換)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同

6、時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性( emc)的變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究遷是不夠的。因此，有待于進(jìn)一步研究改善,變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。1.3 研究的目標(biāo)及主要內(nèi)容 本課題的目標(biāo)是通過變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，達(dá)到相關(guān)工藝的標(biāo)準(zhǔn)要求，確保供水系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)、高效、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，使之達(dá)到國內(nèi)甚至國際的領(lǐng)先水平。本文研究的主要內(nèi)容如下 : (1)通過揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行曲線，說明供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。(2)變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及j作原理。(3)分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸

7、納實(shí)用性的控制方案。(4)研究單片機(jī)控制的設(shè)計原理及方法。(5)在實(shí)際供水系統(tǒng)中運(yùn)行該系統(tǒng)，分析系統(tǒng)性能。 (6)恒壓供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。1.4研究手段與研究方法通過安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水轉(zhuǎn)換成420ma的模擬信號，通過變頻器內(nèi)置的pid控制器，來改變電動水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時，電動機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速不再變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定壓力上；反之亦然。目前交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項業(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

8、率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。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確定相應(yīng)的揚(yáng)程設(shè)計，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配。并確定水泵的運(yùn)行方式。由于用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問題。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二、相關(guān)背景資料2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)本文研究的變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以

9、及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn): (1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng).(2)用戶著網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強(qiáng)的多變性，(4)在變頻調(diào)速恒壓供水系

10、統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運(yùn)行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。(5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。(6)水泵的電氣控制柜，其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時傳送，以便顯示和監(jiān)控

11、以及報表打印等功能。(7)系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動，啟動電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。2.2單片機(jī)歷史單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)歷了scm、mcu、soc三大階段。 1.scm即單片微型計算機(jī)（single chip microcomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了scm與通用計算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上，intel公司功不可沒。 2.mcu

12、即微控制器（micro controller unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展mcu的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看，intel逐漸淡出mcu的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展mcu方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù)philips公司。 philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將mcs-51從單片微型計算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記intel和philips的歷史功績。 3.單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展

13、之路，向mcu階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了soc化趨勢。隨著微電子技術(shù)、ic設(shè)計、eda工具的發(fā)展，基于soc的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機(jī)的理解可以從單片微型計算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。三、主要工作進(jìn)度安排第一周 制定畢業(yè)設(shè)計進(jìn)度計劃，收集中外文資料。第二周 深入了解課題，做出初步構(gòu)思，完成3000調(diào)研報告第三周 查閱資料，完成一萬字符的外文資料翻譯。第四周 課題的前期研究，撰寫論文提綱。第五周 完成單片機(jī)控制恒壓供水程序設(shè)計、驗證設(shè)計系統(tǒng)的可行性。第六周 完成變頻恒壓供水的工況分析和能耗機(jī)理分析。

14、第七周 設(shè)計cpu基本單元連接電路。第八周 完成薄碼盤接口電路，壓力顯示電路，壓力檢測電路的設(shè)計。第九周 完成系統(tǒng)開關(guān)電路圖，輸出控制電路原理圖的設(shè)計。第十周 完成恒壓供水系統(tǒng)主程序框圖，t。定時控制計算和功能處理服務(wù)程序框圖。第十一周 對設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行仿真和分析。第十二周 整理設(shè)計資料 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書的初稿第十三周 修改、完善并提交畢業(yè)設(shè)計說明書。整理所有中外文資料，準(zhǔn)備答辯。第十四周 畢業(yè)答辯。四、 可行性分析作為交流變頻調(diào)速裝置的一個代表，變頻器恒壓供水裝置技術(shù)已經(jīng)成熟，從節(jié)能運(yùn)行到系統(tǒng)穩(wěn)定可靠得到社會認(rèn)可。該系統(tǒng)伴隨著控制器和變頻器的發(fā)展技術(shù)也不斷更新和發(fā)展。就控制器來說，其發(fā)展經(jīng)

15、歷了從繼電器邏輯，到單片機(jī)、plc,再到專用控制器等幾步。從變頻器調(diào)速來說，其發(fā)展經(jīng)歷了多段速度控制、模擬量給定控制到專用控制器。每一步發(fā)展都意味著更新更好的器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)方式。這為利用單片機(jī)變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)供水的恒壓控制提供了理論依據(jù)和硬件技術(shù)上面的支持。五、 參考文獻(xiàn)1 陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng),機(jī)械工業(yè)出版社，1998.2 李華.變頻調(diào)速應(yīng)用手冊,機(jī)械工業(yè)出版社，2000.3 李曼珍.過程控制中pid控制算法的實(shí)用性,eic.2004.4 杜金城電.氣變頻調(diào)速設(shè)計技術(shù),中國電路出版社，1999.5 孫增析.智能控制理論與技術(shù),清華大學(xué)出版社，1997.6 韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用,機(jī)械工業(yè)出版社，2000.7 杜消府.小氣壓罐與變頻調(diào)速結(jié)合的節(jié)能供水系統(tǒng),中國給水排水，2005.8 吳紹林.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù),19