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智能恒壓給水控制器設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(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?？垢蓴_能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、社會生活的各個(gè)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(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(shí)，該泵自動轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)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(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。

      該智能恒壓給水控制器可以同時(shí)控制2臺水泵，根據(jù)不同的場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(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(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(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(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 系統(tǒng)電源電路

      該設(shè)計(jì)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(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)對其信號進(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，在對壓力信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換之前經(jīng)過光電隔離電路時(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。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(shí)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(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(shí)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(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)過濾波和比例轉(zhuǎn)換處理后用來控制變頻器的頻率。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存儲器電路

該設(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)掉電之后存儲一些用戶設(shè)定和運(yùn)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(jì)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(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(jì)

      該設(shè)計(jì)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?yàn)榭刂茖ο蟮木_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(jì)算機(jī)很方便地實(shí)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(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，誤動作的影響比較小，更易于實(shí)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(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，所以對于每個(gè)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(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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(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，可以在開機(jī)時(shí)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(shí)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?？梢钥闯觯?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(shí)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(jì)。該控制器以SoC單片機(jī)C8051F410為核心，實(shí)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(dú)特靈活的用戶界面?？刂破鞑坏蓸雍涂刂凭雀?，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。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(shí)意義。