1、目 錄中文摘要1中文摘要21 緒論31.1 課題研究的目的與意義31.2 國內外發展的狀況31.3 變頻供水系統應用范圍51.4 恒壓供水的實現52 變頻調速系統能耗分析72.1 供水系統分析72.2 變頻調速恒壓供水工況與能耗機理分析83 系統結構與設備選型113.1 系統總體設計113.2 變頻調速113.3 單片機163.4 控制算法174 系統硬件設計204.1 系統工作過程說明204.2 變頻器部分硬件設計214.3 單片機部分硬件設計235 系統軟件設計295.1 主程序流程295.2 繼電器動作控制流程305.3 PID控制流程31結論33致謝34參考文獻35附錄136附錄237

2、單片機恒壓供水系統的設計摘 要：建設節約型社會，合理開發、節約利用和有效保護水資源是一項艱巨任務。根據居民用水時間集中，用水量變化較大的特點，因此居民原供水系統存在了耗能高，可靠性低，水資源浪費嚴重，管網系統待完善的問題。提出利用壓力反饋，PID控制，配以變頻器、單片機、壓力傳感器等，根據管網的壓力，通過變頻器控制水泵的轉速，從而使管網中的壓力始終保持在合適的范圍。從而解決因樓層太高而導致壓力不足及小流量時能耗大的問題。另外水泵耗電功率與電機轉速的三次方成正比關系，所以水泵調速運行的節能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節省近四成。結合使用可編程控制器，可實現主泵變頻，副泵軟啟動，具有短路

3、保護、過流保護功能，工作穩定可靠，電機的使用壽命大大延長。關鍵字：恒壓變頻供水，單片機，差壓供水，自動控制 1 緒 論1.1 課題研究的目的與意義隨著高層建筑層數的不斷加高，高層居民經常出現用水難問題。該設計針對上述問題，要求研制變頻調速恒壓供水控制器，該控制器是基于單片機為核心，以管網水壓為設定參數，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調節水泵電機的轉速，實現管網水壓的閉環調節(PID)，使供水系統自動穩定于設定的壓力值。傳統的蓄水加壓辦法有：高位水箱、氣壓給水以及無水箱供水等三種方式。高位水箱給水的方式，靠水的勢能向用戶提供一定壓力的生活用水和生產用水。這種辦法顯然比較落后，一是投資大，二是不

4、利與維護和抗震。將增加房屋強度設計要求，增加成本。而且采用高位水箱最重要的是將產生二次污染。1982年以后開始出現氣壓供水設備，雖比前者有所改進，但仍有很多不足之處，如占地面積大，水罐和泵房投資高，電機頻繁啟動，耗電量大且供水壓力不穩。1究竟采用何種供水方式效果更好呢？根據流體力學的原理，水泵的流量與轉速成正比，而電機軸上消耗的功率與轉速的平方成正比。由此可見，采用交流變頻調速恒壓供水系統即可做到用水量和供水量的統一，又極大地降低了電耗。近幾年隨著交流變頻調速技術的發展和微型計算機的推廣應用，上述想法已成為現實。1.2 國內外發展的狀況變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早

5、期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發明并首家生產變頻器后，隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可后，

6、國外許多生產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ABB集團推出了HVAC變頻技術，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水用的變頻器。它將PID調節器和P LC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機(泵)的供水系統。這類設備雖然說是微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性不高，與別的監控系統(如BA系統)和組態軟件難以實現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。2目前國

7、內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速，水管的管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制，有的采用可編程控制器及相應的軟件予以實現；有的采用單片機及相應的軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團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。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只

8、適用于小容量，控制要求不高的供水場所。可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統的電磁兼容性( EMC)的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制的研究遷是不夠的。采用變頻調速恒壓供水，利用反饋控制來進行恒壓供水設計時還存在的問題有：由于供水系統的供水管道長、拐彎多, 難于確定系統的數學模型; 且該系統具有非線性、高階次、大滯后、參數易變等特點。變頻恒壓供水系統主要特點：（1）節能，可以實現節電20%40%，能實現綠色省電。（2）占地面積小，投資少，效率高。（3）配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。（4）運行

9、合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。（5）由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。（6）通過通信控制，可以實現無人職守，節約了人力物力。21.3 變頻供水系統應用范圍變頻恒壓供水系統在供水行業中的應用，按所使用的范圍大致分為三類：(1)小區供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統這類變頻供水系統主要用于包括工廠、小區供水、高層建筑供水、鄉村加壓站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在 135kw以下，控制系統簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內研究和推廣最多

10、的方式。 (2)國內中小型供水廠變頻恒壓供水系統這類變頻供水系統主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機功率在135kw320kw之間，電網電壓通常為220V或380V。受中小水廠規模和經濟條件限制，目前主要采用國產通用的變頻恒壓供水變頻器。(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統這類變頻供水系統用于大中城市的主力供水廠，特點是功率大、機組多、多數采用高壓變頻系統。這類系統一般變頻器和控制器要求較高，多數采用了國外進口變頻器和控制系統。如利德福華的一些高壓供水變頻器1.4 恒壓供水的實現系統結構的設計：系統為壓力反饋的單閉環控制。利用浩捷PTJ207壓力傳感器測量水管壓力，其輸出為數

11、字量。STC89C52單片機獲得測量值后通過算法計算出頻率值。作為變頻器（ABB ACS510）的給定，通過變頻器輸出調節泵的轉速，來調節水壓，從而達到恒壓控制的目的。控制算法的設計：由于供水系統難于確定系統的數學模型且具有非線性、高階次、大滯后、參數易變等特點。3而在本科所學的方法中都要求控制對象明確才能計算控制器參數。用湊試法確定PID參數不需要知道系統模型。因此擬用單片機來完成人工參數試湊的過程來整定參數。目前交流電機變頻調速技術是一項業已廣泛應用的技能技術，由于電子技術的飛速發展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實現控制設備軟啟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統

12、安全、穩定、長周期運行。長期以來區域的供水系統都是由市政管網經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。在供水系統中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于用水有著季節和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開度調節供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題4。變頻調速技術在給水泵站上的應用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。2 變調速系統能耗分析2.1 供水系統分析水泵機組應用變頻調速技術。即通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉速可以相應的

13、改變水泵轉速及工況，使其流量與揚程適應管網用水量的變化，保持管網壓力恒定，達到節能效果。如圖2.1所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網末端的服務壓力，H1為泵出口壓力。當用水量達到最大Qmax時，水泵全速運轉，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點，此時，水泵輸出口壓力為H，末端服務壓力剛好為H0。當用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。圖2.1 節能分析曲線圖(1)水泵全速運轉，靠關小泵出口閥門來控制；此時，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵的工況點由b點上滑到c點，而管路所需的揚程將由b點滑到d點，這

14、樣c點和d點揚程的差值即為全速水泵的能量浪費。(2)水泵變速運轉，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降時，控制系統降低水泵轉速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點是在H上平移。在水量到達Q1時，相應的水泵特性趨向為nx。而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點e即為此時的工況點，這樣，在水量減少到Q1時，將導致管網不利點水壓升高到H0H1，則H1即為水泵的能量浪費。(3)水泵變速運轉，靠管網取不利點壓力恒定來控制；此時，當用水量由Qmax下降到Q1時，水泵降低轉速，水泵的特性曲線n1，其工況點為d點，正好落在管網特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點

15、式中沿著A0滑動，管網的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統阻力相適應，沒有能量的浪費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1.根據水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3式中，Q、H、P、n分別為泵流量、壓力、軸功率和轉速。即通過控制轉速可以減少軸功率。根據以上分析表明，選擇供水管網最不利點允許的最低壓力為控制參數，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環壓力自控調速系統，以使水泵的轉速保持與調速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調速技術和自控技術相結合，達到最佳節能效果。此外，最不利點的控制壓力還保證了用戶水壓的穩定，無論管路特性

16、等因素發生變化，最不利點的水壓是恒定的，保證了供水壓力的可靠5。采用變頻恒壓供水系統除可節能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統產生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護功能，提高了系統的安全可靠性。目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據交流電機的轉速特性，電機的轉速n為：n=120(1-s)/p （2.1）式中s為電機的轉差率（s=0.02），p為電機極對數，f為定子供電頻率。當水泵電機選定后，p和s為定值，也就是說電機轉速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉速越高，反之，轉速越低，變頻調速時是根據這一公式來實現無

17、級調速的。由流體力學知：管網壓力P、流量Q和功率N的關系為：N=PQ由功率與水泵電機轉速成三次方正比關系，基于轉速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。2.2 變頻調速恒壓供水工況與能耗機理分析管路水力損失分為揚程損失和局部損失兩種hs=hy+hj （2.2）沿程損失 hy= LQ2 （2.3）式中y-管路沿程摩擦損失系數；j-局部損失系數；L-管路長度（m）；A-過水截面的面積。hs=LQ2+1gAQ2=SQ2 （2.4）式中S被稱為管路阻力系數。當水泵管路系統去掉后，相應的y，j，L，A等參數都能去頂，S也就確定了。由式（2.4）可知管路水力損失與流量的平方成正比。當上下水位確定后，管

18、路所需要的水損失就等于上下水位差（即實際揚程H）加上管路損失Hx=Hsj+Hs （2.5）由式（2.5）可以得到如圖所示的Hs-Q管路性能曲線圖2.2 水泵工作點的確定水泵運行工況點A是水泵性能曲線n1和管道性能曲線R1的交點。在常規供水系統中，采用閥門控制流量，需要減少流量時關小閥門，管路性能曲線有R1變為R2.運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到D點，揚程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調速控制時，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉速，如果水泵轉速從n0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到C點，揚程從H0下降到H1，流量從Q

19、0減少到Q1.在圖2-5中水泵運行在B點時消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正比，運行在C點時消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2.3上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調速控制比恒速泵控制節能效果明顯5。圖2.3 變頻調速恒壓供水單臺水泵工況調節圖求出運行在B點的泵的軸功率 PB=kQBHB運行在C點泵的軸功率 PC=kQCHC兩者之差： pj=j2gA2Q2也就是說，采用閥門控制流量時有V的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。相反，采用變頻調速控制水泵電機時，當轉速在允許范圍內降低時，功率以轉速的三次方下降，在可調節范圍內與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式

20、相比，節能效果顯著。考察水泵的效率曲線，水泵轉速的工況調節必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據用戶的揚程確定具體降低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉速下降在20%以內。在此范圍內，電動機的負載率在50%100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區。3 系統結構與設備選型3.1 系統總體設計該系統以AT8052單片機為核心，由單片機、變頻器、測量與轉換、顯示及用戶設定等

21、幾個主要部分組成。如圖3.1所示。圖3.1 系統總體設計框圖該系統采用壓力反饋的單閉環控制，通過對出水口壓力采樣反饋與壓力給定值做比較，計算出e（k）。通過控制算法輸出給定給變頻器來驅動泵來調節轉速，從而達到恒壓控制的目的。系統控制原理如圖3.2所示。圖3.2 系統控制原理圖3.2 變頻調速3.2.1 變頻器簡介直流電動機拖動和交流電動機拖動先后誕生于19世紀，距今已有100多年的歷史，并已成為動力機械的主要驅動裝置。但是，由于技術上的原因，在很長一段時期內，占整個電力拖動系統80左右的不變速拖動系統中采用的是交流電動機（包括異步電動機和同步電動機），而在需要進行調速控制的拖動系統中則基本上采

22、用的是直流電動機。但是，由于結構上的原因，直流電動機存在以下缺點：（1）需要定期更換電刷和換向器，維護保養困難，壽命較短；（2）由于直流電動機存在換向火花，難以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環境；（3）結構復雜，難以制造大容量、高轉速和高電壓的直流電動機。而與直流電動機相比，交流電動機則具有以下優點：（1）結構堅固，工作可靠，易于維護保養；（2）不存在換向火花，可以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環境；（3）容易制造出大容量、高轉速和高電壓的交流電動機。與傳統的交流拖動系統相比，利用變頻器對交流電動機進行調速控制的交流拖動系統有許多優點。在許多情況下，使用變頻器的目的是節能，尤其是對于在工業中大量使

23、用的風扇、鼓風機和泵類負載來說，通過變頻器進行調速控制可以代替利用擋板和閥門進行的風量、流量和揚程的傳統控制，所以節能效果非常明顯。對電動機的調速范圍和精度要求不高，通常采用在價格方面比較經濟的通用型變頻器。由于變頻器可以看作是一個頻率可調的交流電源，對于現有的進行恒速運轉的異步電動機來說，只需在電網電源和現有的電動機之間接入變頻器和相應設備，就可以利用變頻器實現調速控制，而無需對電動機和系統本身進行大的設備改造。在采用了變頻器的交流拖動系統中，異步電動機的調速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實現的。因此，在進行調速控制時，可以通過控制頻器的輸出頻率使電動機工作在轉差較小的范圍，電動機的調速范圍

24、較寬，并可以達到提高運行效率的目的。一般來說，通用型變頻器的調速范圍可以達到1:10以上，而高性能的矢量控制變頻器的調速范圍可以達到1:1000。此外，當采用矢量控制方式的變頻器對異步電動機進行調速控制時，還可以直接控制電動機的輸出轉短。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用電動機的組合在控制性能方面可以達到和超過高精度直流伺服電動機的控制性能。3.2.2 電動機的機械特性當定子電壓和電源角頻率恒定時，可以改寫成如下形式：當s很小時，忽略分母中含s各項，則，轉矩近似與s成正比，機械特性是一段直線，見圖3.1。當s接近于1時，可忽略分母中的，則，s接近于1時轉矩近似與s成反比，這時，是對稱于原

25、點的一段雙曲線。當s為以上兩段的中間數值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖3.3所示。6圖3.3 恒壓恒頻時異步電機的機械特性3.2.3 變頻器的控制方式目前變頻器對電動機的控制方式大體可分為：V/f恒定控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制、非線性控制、自適應控制、滑模變結構控制、智能控制等。前四種已獲得成功應用，并有商品化產品，本章只討論前2種控制方式。1) V/f恒定控制簡介。V/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓,使電動機磁通保持一定，在較寬的調速范圍內，電動機的效率、功率因數不下降。因為是控制電壓（Voltage）與頻率 (Frequency)的比，

26、稱為V/f恒定控制。此種控制方式比較簡單，多用于節能型變頻器，如風機、泵類機械的節能運轉及生產流水線的工作臺傳動等。另外，空調等家用電器也多采用此控制方式的變頻器。控制原理如下：異步電動機的同步轉速由電源頻率和電動機極數決定，在改變頻率時，電動機的同步轉速隨著改變。當電動機帶負載運行時，電動機轉子轉速略低于電動機的同步轉速，即存在轉差。轉差的大小和電動機的負載大小有關。保持V/f恒定控制是異步電動機變頻調速最基本的控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓，并使兩者之比為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。電動機定子的感應電動勢：E14.44Kw1m f 1 N1 (3

27、-1)式中 Kwl電動機繞組系數； f1 電源頻率； N1 電動機繞組匝數； m每極磁通。電動機端電壓和感應電動勢的關系式為： UlE1+(r1+jx1)I1， (3-2)在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻和漏電抗的壓降較小，電動機的端電壓和電動機的感應電動勢近似相等。由式(2-1)可以看出，當電動機電源頻率變化時，若電動機電壓不隨著變化，那么電動機的磁通將會出現飽和或欠勵磁。例如當電動機的頻率降低時，若繼續保持電動機的端電壓不變，即繼續保持電動機感應電動勢E不變，那么，電動機的磁通m將增大。由于電動機設計時電動機的磁通常處于接近飽和值，磁通的進一步增大將導致電動機出現飽和。磁通出現飽和后

28、將會造成電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的銅損耗和鐵損耗。而當電動機出現欠勵磁時，將會影響電動機的輸出轉矩。因此，在改變電動機頻率時應對電動機的電壓或電動勢進行控制，以維持電動機的磁通恒定。7在變頻控制時，保持E / f恒定，可以維持磁通恒定。2） 矢量控制簡介。矢量控制是一種高性能異步電動機控制方式，它基于電動機的動態數學模型，分別控制電動機的轉矩電流和勵磁電流，具有直流電動機相類似的控制性能。直流電動機具有兩套繞組，勵磁繞組和電樞繞組。兩套繞組在機械上是獨立的，在空間上互差90°；兩套繞組在電氣上也是分開的，分別由不同電源供電。在勵磁電流恒定時，直流電動機所產生的電磁轉矩和

29、電樞電流成正比，控制直流電動機的電樞電流可以控制電動機的轉矩，因而直流電動機具有良好的控制性能。當進行閉環控制時，可以很方便地構成速度、電流雙閉環控制，系統具有良好的靜、動態性能。根據異步電動機的動態數學方程式，它具有和直流電動機的動態方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動機應能得到和直流電動機相類似的控制性能，這就是矢量控制7。矢量控制技術經過20多年的發展，在異步電動機變頻調速中已經獲得廣泛應用。但是，矢量控制技術需要對電動機參數進行正確估算，如何提高參數的準確性是一直研究的課題。如果能對電動機參數(主要是轉子電阻R2)進行實時辨識，則可隨時修改系統參數。另外一種思路是設計

30、新的控制方法，降低性能參數的敏感性。近年發展起來的直接轉矩控制采用滯環比較控制電壓矢量，使得磁通、轉矩跟蹤給定值，系統具有良好的靜、動態性能，在電氣機車、交流伺服系統中展現良好的應用前景8。3.2.4 變頻器的選擇通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。其總的原則是首先保證可靠地實現工藝要求，再盡可能節省資金。根據控制功能可將通用變頻器分為三種類型:普通功能型u/f控制變頻器、具有轉矩控制功能的高性能型u/f控制變頻器(也稱無跳閘變頻器)和矢量控制高性 能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據負載的要求進行。對于風機、泵類等平方轉矩(TLn2)，低速下負載轉矩較小，通常可選

31、擇普通功能型的變頻器。9 大多數變頻器容量可從三個角度表述:額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出 電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流 是選擇變頻器的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數，例如潛水電泵、繞線轉子電動機額定電流要大于普通鼠 籠異步電動機額定電流，冶金工業常用的輥道電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態

32、，且輥道傳動大多數是多電動機傳動。應保持在無故障 狀態下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。變頻器供給電動機的是脈動電流，電動機在額定運行狀態下，用變頻器供電與用工頻電網供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動機電流或功率大一個等級，一般為:Pnv1.1Pn (3-3)式中： Pnv變頻器額定功率，kW；Pn電動機額定功率，kW3.3 單片機3.3.1 單片機簡介單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機.它是一

33、種在線式實時控制計算機，在線式就是現場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區別10。早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發展出了MCS51系列單片機系統。基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨著工業控制領域要求的提高，開始出現了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產品大發展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并

34、且進入主流市場。而傳統的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統。單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序實現不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的

35、。一個不是很復雜的功能要是用美國50年代開發的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板，但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別。只因為單片機通過編寫的程序可以實現高智能，高效率，以及高可靠性。3.3.2單片機的選擇1.單片機的基本參數例如速度，程序存儲器容量，I/O引腳數量2.單片機的增強功能，例如看門狗，雙指針，雙串口，RTC（實時時鐘），EEPROM，擴展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。3. Flash和OTP（一次性可編程）相比較，最好是Flash。4.封裝IP（雙列直插），PLCC（P

36、LCC有對應插座）還是貼片。DIP封裝在做實驗時可能方便一點。5.工作溫度范圍，工業級還是商業機。如果設計戶外產品，必須選用工業級。6.功耗，比如設計并口加密狗，信號線取電只能提供幾個mA,。7.工作電壓范圍。例如設計電視機遙控器，2節干電池供電，至少應該能在1.8-3.6V電壓范圍內工作。103.4 控制算法該系統采用PID控制方法，將PID算法編入單片機自動運行。其算法程序流程如圖3.4所示：圖3.4 PID算法流程3.4.1 PID控制介紹在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單

37、、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 其控制規律為： ut=KPet+1TI0tetdt+TDdetdt (3-4)1. 比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸

38、出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-state error）。 2. 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統（System with Steady-state Error）。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以

39、使系統在進入穩態后無穩態誤差。 3. 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至

40、為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。3.4.2 數字PID控制算法實現1. 數字PID位置型控制算法：把式(3-4)變換為差分方程，為此可作如下近似0tetdti=0kTeidetdtek-ek-1T式中：T為采樣周期，k為采樣序號。可得數字PID位置型控制算式為： uk=KPek+TTIi=0kei+TDek-ek-1T (3-5) 式(3-5) 的控制算法提供了執行機構的位置u（k），如閥的開度，所以被稱為數字PID位置型控制算式。112. 數字PID增量型算法由式(3-5)可看出，位置型控制算式不

41、夠方便，這是因為要累加偏差e（i），不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，對此可將式(3-5)進行如下改進： uk=uk-uk-1 =Kpek-e(k-1)+KIek+KDek-2ek-1+ek-2 (3-6)其中 KP=1 稱為比例增益； KI=KPTTI 稱為積分系數； KD=KPTDT 稱為微分系數。為編程方便，可將式（3-6）改寫成如下形式 uk=q0ek+q1ek-1+q2ek-2 (3-7) 其中 q0=KP1+TTI+TDTq1=KP1+2TDTq2=KPTDT 4 系統硬件設計系統的硬件設計分為兩部分：1）以單片機為核心的硬件部分設計。主要包括：A/D轉換采樣及PID控

42、制，用戶按鍵輸入及顯示屏顯示，單片機與變頻器通信。2）變頻器部分的硬件電路設計。主要包括：主電路和控制電路。系統硬件結構如圖4.1所示。 圖4.1 系統硬件結構示意圖圖4.2 實際供水系統示意圖實際供水系統如圖4.2電機M1工作工頻直接接入電網，M2作變頻調速電機。其中氣壓供水罐根據情況選配，不一定必須配置，其作用是增加系統阻尼。除了氣壓供水罐外，其它設備是必需的。4.1 系統工作過程說明1）兩個泵的供水方式結合圖4.3，這個恒壓供水系統由兩個泵，其中一臺泵(M1)工作在工頻，在系統處于低用水量時，由它供水。這時變頻器不工作，電機M2不工作。當用水量上升，水壓下降超過設定，這時變頻器工作，動態

43、的調節水壓。當用水量回到低用水量帶時，變頻器又停止工作，只由泵M1供水。在低用水量區水壓在容許范圍了波動，只有當水壓低于一定程度，變頻器才工作。依靠水壓在容許范圍，必要時配合氣壓罐來增大系統阻尼。這樣變頻器就不需要在低頻率下長期運行，同時本系統采用V/F控制不能在過低頻率下運行的問題也得到解決。圖4.3 泵啟停與用水量關系圖2）系統的啟動與運行系統啟動將首先將電機M1投入運行。這時如圖4.4，繼電器KM1吸合，KM2與KM3斷開，直到電機M1啟動結束。電機M1的起動過程，變頻器相當于軟啟動器的作用。電機M1起動結束后，變頻器停止輸出同時KM1斷開，KM3吸合，再經過一個軟件延時后KM2吸合。這

44、時電機M1直接接入電網，電機M2直接接到變頻器。當壓力偏差超過設定時變頻器工作輸出電機M2運行。變頻器停止工作取決于是否在低用水量區，但用戶需要的用水量難以測量。故通過單片機對變頻器的頻率輸出（u(k)）與壓力偏差e(k)，來判斷用戶用水量。顯然在u(k), e(k)都小于設定值的情況下，用戶需要的用水量必然在低用水量區，這時讓單片機控制變頻器停止工作。4.2 變頻器部分硬件設計4.2.1主電路圖4.4 變頻器部分電路接線圖如圖4.4。電機M1的作用是在供水系統用水量最小的情況時，維持管道水壓。在這種情況下M2可以停機休息。當負載增加，水壓減少到一值時再將M2投入運行。M2采用變頻器V/F恒壓

45、頻比控制，根據負載動態的調整電機轉速。4.2.2控制電路圖4.5 控制電路梯形圖如圖4.5，圖中A部分為當失控時，通過變頻器設置且斷開QF2、閉合QF3，QF4設置為手動控制。此時為一開環控制的方式。可以通過按鍵控制電機正反轉，通過電位器來控制變頻器的輸出頻率，來控制系統水壓。B部分為自動運行情況下的控制圖。其中KM11，KM22為單片機控制的接觸器的觸點。自動運行過程如下：首先單片機發出指令讓KM11閉合，這時KM1工作，電機M1與變頻器接通，變頻器起軟啟動器的作用。當時間繼電器延時到， M1啟動到工頻，M1與變頻器斷開直接接到電網運行。之后單片機根據需要控制KM22使之投入運行，根據負載的

46、不同，通過V/F控制改變M2轉速。4.3 單片機部分硬件設計4.3.1 主要部分電路圖4.6 單片機硬件結構圖如圖4.6圖中包括了以單片機為核心的五個部分。其總體硬件圖見附錄1。1） 系統供電電路圖4.7 電源模塊如圖4.7，系統供電將220V的市電轉換成5V直流電。系統首先通過變壓器將220V的交流電降壓為9V交流，再通過整流橋變為直流。電容C1、C2起濾波作用。LM7805為穩壓模塊。將電壓穩定在5V。2） 單片機的晶振電路圖4.8 晶振電路如圖4.8，該電路為單片機提供穩定的12MHz的外部時鐘頻率。其中以一塊12MHz的晶震為核心。3） 單片機繼電器電路圖4.9 單片機控制的繼電器電路

47、系統有兩套這樣的繼電器電路與單片機相連，該繼電器的作用相當于輔助繼電器。通過它來控制圖4.5中的KM11和KM22的打開或吸合，進而控制主繼電器KM1和KM2來控制電機的接入或斷開。4） 單片機的外部通信電路圖4.10 通信模塊單片機與變頻器的通信，單片機通過MAX232芯片進行串行通信。在變頻器端，再通過一個RS232轉RS485的轉換卡，將信號轉換成變頻器能識別的信號來完成通信過程。5） A/D轉換采樣電路圖4.11 A/D轉換模塊A/D轉換電路以ADC0809為核心，將采集的壓力傳感器的信號（420mA信號），加以電阻網絡轉換成05V的電壓信號。通過ADC0809的模擬量輸入口（IN-0

48、IN-7）進行AD采樣。模擬信號通道地址A、B、C由74LS373（三態輸出鎖存器）的Q0、Q1、Q2提供。時鐘通過單片機ALE用74LS74（D觸發器）進行二分頻得到。當轉換結束后EOC為高電頻，作為中斷，單片機調用中斷程序，讀采樣數據。4.3.2 其它部分電路1）顯示電路圖4.12 顯示模塊顯示部分采用循環掃描的方式，P0口傳輸顯示的內容，P2.0至P2.3的作用是選擇對應的LED工作。2）看門狗電路圖4.13 看門狗電路X25045芯片包含一個看門狗定時器，可通過軟件預置系統的監控時間。時間到后由RESET輸出一個高電平信號。看門狗定時器的預置時間通過X25045的狀態寄存器相應的位來設

49、定：WD1=0，WD0=0 ，預置時間為1.4sWD1=0，WD0=1 ，預置時間為0.6sWD1=0，WD0=0 ，預置時間為0.2sWD1=0，WD0=0 ，禁止看門狗工作看門狗的定時時間長短可由具體應用程序的循環周期決定，通常比系統正常工作時最大循環周期的時間略長。編程時在適當的位置加一條喂狗指令即可。當系統跑飛，用軟件陷阱等方法無法捕捉回程序時，則看門狗定時到，迫使系統復位。5 系統軟件設計5.1 主程序流程圖5.1 主程序流程圖單片機上電后首先執行的是初始化和自檢，初始化包括標志位和變量的初始化、中斷初始化、設置各接口芯片初始化、各種程序模塊的初始化等；然后，程序進入主循環；最后進入

50、PID計算及各種控制信號的輸出部分。5.2 繼電器動作控制流程圖5.2 繼電器控制程序流程圖判斷M1是否啟動，M1未啟動則系統處于停機狀態。這時KM11閉合控制，變頻器起到軟啟動器的作用，帶動電機到工頻后變頻器停止輸出，繼電器自動將電機切換到電網。經過延時之后通過e（k），判斷是否需要電機M2投入運行若需要就KM22繼電器輸出，同時標志位KM22_0置位，使M2電機接到變頻器。5.3 PID控制流程圖5.3 PID算法流程圖該系統的調節采用PID控制算法。在工業中，由于對象的精確數學型難以確定，系統參數又經常發生變化，人們常常采用PID控制算法。這里采用的PID增量式算法。這里讀取標志位KM2

51、2，KM220來判斷電機M2是否是從停機狀態到運行狀態，作用是保證控制的各種初狀態為0。因為前一狀態若為停止，則前一個輸出和e（k）都應為零，而單片機記錄的u(k-1),e(k),e(k-1),e(k-2)是停機前一個狀態的參數，應該要歸零處理。其具體程序參見附錄2。結 論本文在分析和比較用于供水行業的控制系統的發展和現狀的基礎上，結合我國供水的現狀，設計了一套一臺水泵工作于工頻，另一臺調速的控制系統。隨著高層建筑層數的不斷加高，高層居民經常出現用水難問題。該設計針對上述問題，要求研制變頻調速恒壓供水控制器，該控制器是基于單片機為核心，以管網水壓為設定參數，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調節

52、水泵電機的轉速，實現管網水壓的閉環調節(PID)，使供水系統自動穩定于設定的壓力值。在變頻調速恒壓供水系統中，單臺水泵工況的調節是通過變頻器來改變電源的頻率f，方案中采用/控制。來改變電機的轉速n，從而改變水泵性能曲線得以實現的，分析水泵工況點激流調節和變速調節能耗比較土，可以看出利用變頻調速實現恒壓供水，當轉速降低時。流量與轉速成正比，功率以轉速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力節流相比，在很大程度上減少能量損耗，能夠明顯節能。水泵轉速的工礦調節必須限制在一定范圍以內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。致 謝畢業論文暫告收尾，這也意味著我在合肥工業大學的四

53、年的學習生活既將結束。回首既往，自己一生最寶貴的時光能于這樣的校園之中，能在眾多學富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實是榮幸之極。在這四年的時間里，我在學習上和思想上都受益非淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學和朋友的關心、支持和鼓勵是分不開的。恒壓供水是變頻調速應用的比較成熟領域，老師的諄諄誘導、同學的出謀劃策及支持鼓勵，是我堅持完成論文的動力源泉。在此，我特別要感謝我的導師林勇老師。從論文的選題、文獻的采集、框架的設計、結構的布局到最終的論文定稿，從內容到格式，從標題到標點，他都費盡心血。沒有林勇老師的辛勤栽培、孜孜教誨，就沒有我論文的順利完成。回顧這段時間的學習和生活，許多的老師和

54、同學給予我各個方面的幫助和支持，讓我堅持到了最后，在此感謝所有幫助和支持我的人。 甘 恒 二一年六月十日參考文獻1 杜消府小氣壓罐與變頻調速結合的節能供水系統J ，中國給水排水，2005年07期：77.2 韓安榮通用變頻器及其應用M 北京：機械工業出版社，2000.3 宋舒, 王秋才高層建筑恒壓供水控制系統J，現代電子技術，1999年08期：23.4 孔全建筑二次供水方式及優缺點探析J，科技資訊，2001年03期：76.5 李斌; 羅富強; 陳煒;管網疊壓(無負壓)供水系統水泵能耗對比研究，給水排水, 2010年 03期  ：1566 顧繩谷電機及拖動基礎M，20077 陳伯時電力拖動自動控制系統M. 北京:機械工