变频调速水泵供水系统的设计

过程装备控制 技术大作业

变频调速水泵供水控制系统的设计

作者姓名 学生学号 学科专业

指导教师

2016年6月12日

一、设计依据

1.1 设计背景

随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，城市化普也越来越普及。加之土地资源的有限性，小区居民楼楼房也越来越高。由于居民生活用水时间的集中，因此高层住户用水就成了关键性的问题。而在现实生活中，传统供水方式普遍存在着效率低、稳定性差、自动化程度不高等缺点，于是在用水高峰期时常常会出现供水水压不够高的情况，以至于高层用户处于断水状态，直接影响住户的正常生活和工作，同时也体现了基础设施建设的不完善性。

因此，解决城市高层居民的供水系统稳定性、节能性、高效性是我们必须研究和处理的问题。

1.2设计内容

伴随着计算机技术的发展，计算机与流量的检测和控制技术也密切联系，人们越来越多的采用单片机对工业系统中的流量进行测量和控制。而单片机控制系统设备简单，经济性，可靠性高，抗干扰能力强，以使得她在检测控制方面得到了很大的运用。水泵的运行直接影响到居民的生活，所以完善供水系统体系，实现智能控制是很有必要的。

本文结合单片机技术，采用变频调速供水方式，安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，A/D转后成数字型号后送入单片机中进行运算以及PID调节，再有单片机输出，通过D/A输出模拟信号，再传递给执行器和被控变量，使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内，实现节能的调节方式。

二、设计方案及控制原理

水泵系统的控制原理图

2.1变频调速恒压供水的原理

变频调速恒压供水设备是一种在保持供水压力不变（理想状态）的情况下，

按需供水的新型自动供水设备。电源的频率与水泵的转速成正比，水泵的转速与供水量成正比，变频调速控制柜通过改变水泵电源的频率，控制水泵的转速，进而调整水泵的供水量，实现对用户按需供水的目的。变频调速控制柜通过压力传感器采集用户管网的供水压力，进行PID运算，使用户管网的供水压力始终稳定在设定压力的一定范围内。

2.2系统供水的主要操作特性

① 设备投入运行前，首先应设定设备的工作压力等相关运行参数； ② 设备运行时，由压力传感器连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将其转换为电信号传送至变频控制系统，控制系统将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算；

③ 如果实际压力比设定压力低，则发出指令控制水泵加速运行，如果实际压力比设定压力高，则控制水泵减速运行，当达到设定压力时，水泵就维持在该运行频率上；

④ 如果变频水泵达到了额定转速（频率），经过一定时间的判断后，如果管网压力仍低于设定压力，则控制系统会将该水泵切换至工频运行，并变频启动下一台水泵，直至管网压力达到设定压力；反之，如果系统用水量减少，则系统指令水泵减速运行，当降低到水泵的有效转速后，则正在运行的水泵中最先启动的水泵停止运行，即减少水泵的运行台数，直至管网压力恒定在设定压力范围内。

三、方案选择的原因

传统水泵供水方式例如恒速泵直接供水系统，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，或从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定，并且耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。而人工控制的水泵机组供水方式虽然控制结构简单，但是需要专门派人看着压力传感器输送过来的数据在选择泵的工作，控制方式落后，耗时耗力，效率低。而单片机控制技术现在已相当成熟，设备简单，经济性，可靠性高，抗干扰能力强，并且系统由于无需设置高位水箱或压力水罐，所以占地更少，可有效地增加建筑使用面积，提高了资源的充分利用性，所以选用该设计方案。

四、控制系统硬件型号的选取

4.1情景设定

2015年杭州市水资源公报发布，杭州城镇居民人均年生活用水量61.2立方米，假定一家四口人，则每户居民自来水用水量为0.6707m3,一栋楼房高100m，

共30层，每层12户，则整栋楼日均用水量241.5m3。水泵出口控制的压力范围为1.60MPa-1.8MPa.

4.2单片机的选用

在该供水控制系统中将用AT89S51来完成控制功能。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

AT89S51引脚图

4.3 A/D和D/A的选用

4.3.1 A/D转换器

小区住宅楼高为80m，控制的压强范围为1.60MPa-1.8MPa，若选择8位的转换器，则分辨率为：0.2106/28781.25，相对于供水系统来说，选用ADC0809转换器可以满足相应要求。

ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位，具有转换起停控制端，转换时间为100

μs，单个+5V电源供电。模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。工作温度范围为-40～+85摄氏度，低功耗，约15mW。 ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。 下面说明各引脚功能：

 IN0～IN7：8路模拟量输入端。  2-1～2-8：8位数字量输出端。

 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。  ALE：地址锁存允许信号，输入端，产生一个正脉冲以锁存地址。  START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其

启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

 EOC： A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电

平（转换期间一直为低电平）。

 OE：数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输

入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。  CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。  REF（+）、REF（-）：基准电压。  Vcc：电源，单一+5V。  GND：地。

ADC0809引脚示意图

4.3.2 D/A转换器

与ADC0809相对应的D/A转换器选为DAC0832。

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，20mW。这个DA芯片价格低廉、接口简单、转换控制容易。 DAC0832引脚功能说明：

DI0~DI7：数据输入线，TTL电平。

ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。

CS：片选信号输入线，低电平有效。 WR1：为输入寄存器的写选通信号。

XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。 WR2：为DAC寄存器写选通输入线。

Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。 Iout2: 电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。 Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻. Vcc:电源输入线 (+5v~+15v) Vref:基准电压输入线 (-10v~+10v)

AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地. DAC0832引脚示意图 DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好。

4.4压力传感器的选择

该系统采用压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变式压力传感器的灵敏度系数要大50-100倍。由于它采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重量轻。 同时，其压力分辨率高. 频率响应好，工作可靠，使用寿命长。

由于水泵出口控制的压力范围为1.60MPa-1.80MPa，所以其量程可选择0-0.3MPa。与此同时，由于压阻式传感器的温度稳定性和线性度较差，存在零点漂移和蠕变，所以在控制设计时要进行零点温度补偿。

压阻式压力传感器

4.5变频器的选择

选用ABB公司的ACS510变频器。ACS510特别适合风机水泵传动，可以灵活的调节每一个泵，更经济，更环保，成本低。 ACS510的主要特性：

完美匹配风机水泵：

增强的PFC应用：最多可控制7（1+6）个泵；能切换更多的泵。 SPFC：循环软起功能；可依次调节每个泵。

多点U/F曲线：可自由定义5点U/F曲线；可灵活广泛的应用。 超越模式：应用于隧道风机的火灾模式； 应用于紧急情况下。

PID调节器：两个独立的内置PID控制器：PID1和PID2，PID1可设置两套参数；通过PID2可控制一个独立的外部阀门。 更经济：

直觉特性：噪音最优化，当传动温度降低时增加开关频率，可控的冷却风机，仅在需要时启动；可随机分布开关频率，从而降低噪音，极大改善了电机噪音，降低传动噪音并提高功效。

磁通优化：负载降低时自动降低电机磁通；极大地降低能耗和噪音。

连接性：简单安装，可并排安装，容易连接电缆，通过多种I/O连接和即插式可选件方便地连接到现场总线系统上；减少安装时间，节约安装空间，可靠的电缆连接。 更环保：

EMC：适用于第一及第二环境的RFI滤波器为标配；不需要额外的外部滤波器。 电抗器：变感电抗器：根据不同的负载匹配电感量，因此抑制和减少谐波；降低总谐波 其它：

高级控制盘：2个功能键，功能随状态不同而改变，内置帮助键，已修改的参数列表；容易配置和调试，快速启动，快速进入参数。

现场总线：内置RS485接口，使用Modbus协议，即插式现场总线模块作为可选件；降低了成本。

4.6水泵型号与台数的选择

241.52410.1m3/h, 日均用水量：241.5m3，则每小时水泵平均需要供水量：

结合所需扬程，可以选择两台型号为BYQDL16-60的变频水泵，其流量为8m³/h,扬程为54m，功率为2.2kW，转速为2900r/min。于此同时，还可以配用一台型号为BYQDL8-40，流量为8m³/h,扬程为36m，功率为1.5kW，转速为2900r/min，以为高峰时期备用。

五、系统硬件控制图

利用传感器等设备，对水泵的压力、温度、压差等模拟信号、故障报警、启停等开关量信号实施集中监控，并对水泵实现程序自动控制。每台水泵的运行、停机时间在LED显示器上实时显示并切通过键盘的设置和编程，调节泵与泵之间的联系。而我们所设计的自动监控设备，实现了水泵的智能控制，并且从长时间来看，降低了机器的磨损程度，节约了能源，提高了水泵的利用率和维修周期。

系统硬件控制连接图

六、软件控制流程图

开 始 系统初始化 实际压力低于设计压力 Y 泵1加速运行 N 供水系统正常运行 报警装置 Y 实际压力低于设计压力 N Y 泵2或泵3启动 实际压力低于设计压力 N 供水系统正常运行 控制过程的概括就是是：用水量增加－频率上升－转速上升－输出功率增加；用水量减小－频率下降－转速下降－功率减小。即“多用水，多耗电”，“少用水，少耗电”。

七、方案的优化

针对节能问题，可在供水设备内含气压供水功能，需要小流量供水和维持管网水压时，自动切换到气压自动供水程序，需要大流量供水时又自动切换到变频调速恒压供水程序。

八、设计小结

经过对供水水泵控制系统的设计，我收获颇丰，从确定情景到最终定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。并且还熟悉了供水系统的工作过程，同时也了解到了其内部硬件电路的构成、每部分电路的设计等，还学会了各个硬件的选型要求及原则。

同时，通过这次设计使我加深了对单片机的认识和理解，也知道了单片机应用于工业控制的优点，还让我看到了自己知识的匮乏，也坚定了以后要不断的学习，不断的向身边的人虚心请教，更重要的是让我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考能力。

参考文献

[1]王忠飞，胥芳.MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用.西安电子科技大学出版社。2013.

[2]王毅,张早校.过程装备控制技术及应用.化学工业出版社.2009. [3]李成民.压力罐式供水工程的技术原理及合理配套.中国给水排水.1994.