智能给水控制器设计.pdf

雹雹冒蜀圆圈 型! 垒毡董：萱筐笪垄鳖趔墨逞i 土 智能给水控制器设计 孙金玮，汪超，魏国 ( 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院黑龙江哈尔滨 】5 0 0 0 1 ) 摘要：设计出一种基于C 8 0 5 l F 4 1 0 单片机的多功能智能给水控制器，并详细介绍了系统的软硬件设计。该控制器的 硬件由数据采集、人机接口、电机控制和电源等模块组成利用单片机的A D C 模块采集管道压力。同时控制A D C 模块的输 出以改变泵的运转速率从而维持水压的动态稳定。其中恒压控制算法采用先进的数字P I D 控制理论，有机地融合了变 频调速技术和单片机技术。该系统能够满足一个小区或一栋高楼居民对供水的需求，且具有高性能、高可靠性、低成本、低 能耗等特点。 关键词：恒压供水；数据采集；P I D 控制；变频调速 中图分类号：T P 3 6 8 2 文献标识码：B文章编号：1 0 0 4 3 7 3 X ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 4 0 4 D e s i g no fI n t e l l i g e n tW a t e rS u p p l yC o n t r o l l e r S U NJ i n w e i ，W A N GC h a o ，W E lG U O ( S c h o o lo fE l e c tr i c a E n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y H a r b i n ，15 0 0 0 1 C h i n a ) A b s t r a c t ：Ac o n s t a n t p r e s s u r ew a t e rs u p p l yc o n t r o l l e rb a s e do nC 8 0 5 1 F 4 1 0M i c r oC o n t r o l l e rU n i t ( M C U ) c o r ei sd e s i g n e d a n dt h ed e s i g no ft h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ea l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l T h ec o n t r o l l e rc o n s i s t so fs e v e r a l m o d u l e s 。s u c ha sd a t as i g n a lc o l l e c t i o nm o d u l e ，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e ，m o t o rc o n t r o lm o d u l ea n dp o w e rm o d u l e T h eM C U SA Dm o d u l ec o l l e c t st h ep i p e l i n e Sp r e s s u r e a n dD Am o d u l ec o n t r o l ss p e e do ft h ep u m p ，t h e r e h yw a t e rp r e s s u r ei s k e p ts t a b l y T h ec o n t r o lm e t h o di sP I Dt h e o r y ，i n t e g r a t e sV Fs p e e da n dM C Ut e c h n i q u e T h es y s t e mc a ns a t i s f yt h ei n h a b i t a n t sd e m a n d s a n dh a sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h p e r f o r m a n c e ，h i g h r e l i a b i l i t y ，l o w C O S ta n dl o w e n e r g yc o n s u m p t i o n K e y w o r d s ：c o n s t a n t p r e s s u r ew a t e rs u p p l y ；d a t ac o l l e c t i o n ；P I Dc o n t r o l ；V Fs p e e d 0 引言 l 控制原理 随着经济的快速发展和城市高层建筑的不断涌现， 人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高 1 ， 加上目前能源紧缺对节能的要求，因此利用先进的电子 测控技术和自动化控制技术，设计高性能、高可靠性、低 成本、低能耗，以及能适用不同领域的恒压供水系统也 就成为必然趋势。随着近年来变频调速技术的飞速进 步，变频恒压供水也在其基础上慢慢发展起来，并成为 一种新兴的现代化供水技术卫J 。 目前，国外的恒压供水工程设计都采用一台变频器 只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动 多台水泵机组运行的情况，这种方式不但投资成本较 高。且功能单一：3 。 为此设计了在变频调速控制系统中加入基于 C 8 0 5 1 F 4 1 0 的单片机系统，构成了功能更强的复合控 制系统它不但克服了以上缺点，而且具有安装调试方 便，功能全面可靠性高，抗干扰能力强等优点，且可以 广泛应用于工业生产、社会生活的各个领域。 收稿日期：2 0 0 9 1 l 一0 , t 基金项目：围家内然科学基金资助项目( 6 0 67 2 0 0 8 ) 在恒压供水系统中，安装于管网的远传压力表提供 水压力信号，并经过光电隔离和电压转换电路，传送给 系统的中心控制器，控制器将采集到的压力数据与预设 压力进行比较，得出偏差值，再经P I D 运算之后得出控 制参数，D A 模块将控制参数转换为模拟电压输出，调 节变频器的输出频率，从而控制水泵的转速，以保证管 网压力基本恒定。当用水量增大时，管网压力低于预设 值，变频器频率就会升高，水泵转速加快，从而提升管道 水压，但若达到水泵额定输出功率仍无法满足用户供水 要求时，该泵自动转换成工频运行状态，并变频启动下 一台水泵；反之，当用水量减少，则降低水泵运行频率直 至设定的下限运行频率，若供水量仍大于用水量，则减 泵直至全部泵停止工作，经过一定的延时，控制器重新 比较压力，并计算控制输出，从而维持恒压供水：“。它 的系统原理框图如图1 所示。 该系统可以同时控制2 台水泵，根据不同的场合可 以采用不同的运行模式，如单泵运行、一用一补、一工一 变、定时换泵等。 万方数据 图1变频调速恒压供水系统原理框图 2 系统总体方案 系统的硬件和软件采用模块化、标准化设计，并充分 考虑系统的扩展能力。控制器由主控板、显示按键面板 和电源板三部分组成。图2 是控制器的结构框图，其工 作原理是：首先用户通过显示按键面板设定预设压力和 控制器运行的各个功能参数，保存至E 2 P R O M 存储器用 作掉电存储，位于用户管网端的远传压力表输出的电压 或是电流信号经过采样电路转化为数字量，送人 单片机与预设压力进行比较，计算并输出模拟控 制量和继电器输出状态量。其中，模拟控制量输 出经过变频器控制模块电路送给变频器，用以控 制变频器的输出频率；继电器输出状态量经过继 电器输出电路送给继电器组，用以控制各个泵工 作于工频或是变频状态 6 。最后单片机把实际压 力值、预设压力值、输出频率和各个泵的工作状态 送到显示面板，以便用户进行观测和操作。 压力表 信号 采样 电路 电源及后备 电池电路 M C U 微处理器 C 8 0 5 1 F 4 1 0 E 2 P R O M 通信和数据串行输出。C 8 0 5 1 F 4 1 0 还支持 J T A G 实时仿真和跟踪，能够进行非侵入式( 不占用片 内资源) 的全速在系统调试。 3 2系统电源电路 该设计采用基于三端稳压芯片T O P 2 2 1 Y 的高精 度开关稳压电源电路，主电路拓扑结构选用单端反激式 直流变换电路，其输出采用两组直流低压电源：主回路 为系统的数字电路部分提供5V 直流电源，副回路为系 统的模拟部分提供1 5V 直流电源。 3 3 压力表信号采集与光电隔离电路 位于用户管网的压力传感器监测到的压力信号经 过光电隔离电路进行滤波和隔离处理后，进入 C 8 0 5 1 F 4 1 0 内部的A D C 模块，实现按比例转换，转换 为1 2b 数字量，以供单片机对其信号进行处理和计算。 为了保证输入量与转换量程相称，充分发挥A D 转换 器的分辨率，在对压力信号进行A D 转换之前经过光 电隔离电路时，就已将外部传人的o 5V 模拟电压转 换为o 2V 模拟电压信号。电路原理如图3 所示。 一匕：! ! 竺竺竺l 一臣圃 - q 变频器控制模块电路卜一变额器 r 1 ，_ 一 忑磊磊忑1 俪 图2系统整体设计框图 3 系统单元电路 3 1主控制器的选择 主控制器选用单片机C 8 0 5 1 F 4 1 0 ，它是一款完全集 成的混合信号片上系统型芯片，其内部还集成了1 2 位 高速A D C 模块和电流输出型D A C 模块，同时硬件实 现的S M B u s 和U A R T 串行接口，能方便处理器与 喇斗 ( 砷 川口H G 图3 压力表电压采样原理图 由图3 可见，外部电压信号从I N 端口接入，经过 隔离和滤波电路，转换为0 2V 电压，从A D C 端口送 入单片机。同时在模拟信号采集到单片机系统的过程 中，各种干扰信号都会随着被测量信号进入M C U 控制 系统，这些信号迭加在有用的被测信号上会降低测量的 准确度，造成控制系统的不稳定。以上电路设计便利用 线性光耦进行光电之间的相互转换，利用光作为媒介进 行信号传输，在电气上使测量系统与现场信号完全隔 离，从而实现了电平线性转换且不把现场的电噪声干扰 引入到控制系统中r 7 。 3 4 控制变频器输出电路 单片机通过内部的电流输出型数模转换模块 ( I D A C ) ，将计算得出的数字量转化为模拟电压输出，其 输出电压经过滤波和比例转换处理后用来控制变频器 的频率。同时为了保证单片机I D A C 输出电压稳定可 靠，不受干扰，外部电路同样采用了光电隔离电路，其电 路原理图如图4 所示。 5 万方数据 I 冒雹冒蜀囝圈 型! 垒毡董：萱筐笪垄鳖型鲞退让 图4控制变频器模拟电压输出电路原理图 3 5外扩E 2P R O M 存储器电路 该设计采用A t m e l 公司的E 2P R O M 芯片 A T 2 4 C 0 2 ，其体积小，性能优，使用灵活方便，能够在系 统掉电之后存储一些用户设定和运行的状态参数，以便 重新启动机器之后读取。处理器自身集成的S M B u s 兼 容1 2 C 接口，可以直接与A T 2 4 C 0 2 通信，此方案不仅设 计单，工作可靠，而且成本低廉。电路原理如图5 所示。 图5E 2 P R O M 电路原理图 3 6继电器控制输出电路 主控制器驱动5 个灵敏继电器K 。K j ，分别控制 1 个泄流阀和2 个泵电机，实现对泄流阀的打开与关断 控制和泵的变频或工频状态切换。单片机通过信号线 R X 与T X 将继电器状态控制信号串行输出给串行移 位寄存器芯片7 4 H C 5 9 5 D ，由7 4 H C 5 9 5 D 将输出状态 的硬件锁存，以防止输出状态被干扰，最后通过达林顿 管U I 。N 2 0 0 3 提高驱动能力，以控制水泵电机的工作状 态和泄流阀的动作”。 4 控制器的软件设计 该设计中对变频器输出频率的调节采用P I D 控制 算法，其控制算法就是对偏差的比例、积分和微分。它 是连续系统中技术成熟，应用最广泛的一种算法，特别 是在工业控制中，因为控制对象的精确数学模型很难建 立，系统参数又经常发生变化，因此常采用P I D 控制算 法 9 。，其控制示意图如图6 所示。 它的数学表达式为： y ( ) = K p e ( f ) + K I lP ( t ) d t + K D 掣( 1 ) JU 式中：K r ，K ，和K D 分别为比例系数、积分系数和微分 系数；P ( f ) 为误差。 式( 1 ) 离散化后可以用计算机很方便地实现，其位 6 置式P I D 控制规律的数学表达式为： y ( 柙) 一K P P ( 九) + K I P ( j ) T + 丁K D + E e ( n ) 一P ( 行一1 ) ( 2 ) 式中：P ( 歹) 为第j ；次采样的误差值；T 为采样周期。 图6P I D 算法控制示意图 在实际应用中，一般选择增量式P I D 控制规律。 因为增量型算法与位置型算法相比，前者不需要做累 加，不易产生大的累加误差，而且得出的是控制量的增 量，误动作的影响比较小，更易于实现手动到自动的无 冲击切换K 。增量式数字P I D 控制算式为： A y y ( ”) 一y ( 托一1 ) 一K P E e ( 靠) 一e ( n 一1 ) + l r K T P ( ”) 丁+ 等 P ( 聍) 一2 e ( n 一1 ) + 2 e ( n 一2 ) ( 3 ) 在该设计中，执行机构采用变频器，由于采用增量 式数字P I D 控制算法，所以对于每个采样周期，控制器 输出的控制量都相对于上次的增加量，其系统控制算法 流程如图7 所示。 图7 增量式数字P I D 再法输出控制流程图 图7 为增量式数字P I D 算法在整个系统中的控制 流程，每次进入A D 定时采集中断，压力信号便会被转 化为数字量，P I D 控制模块便将压力信号的数字量通过 算法处理得出相应的控制输出数字量，接着启动D A 将数字输出转换为模拟电压输出，其模拟电压输出用以 万方数据 现岱曳圣撞丕2 Q ! Q 笙苤垒翅盛蓥墨! Z 翅垒篡盛电路璺 压力的采集，对变频器输出的控制，而且拥有独特灵活 的用户界面。控制器不但采样和控制精度高，而且有 多种保护和抗干扰功能，保证了控制器的稳定性和安全 性。采用控制器和变频器构成的恒压供水系统，不仅大 大提高了供水质量，而且节能降耗效果也较为显著，在 当今国家能源紧张的情况下，具有重要的现实意义。 参考文献 1 李华德系统调速控制 M 3 北京：电子工业出版社，2 0 0 3 2 邱瑞生，杨滨采用交流凋压调速的方法实现高楼供水 J 自动化技术与应用，2 0 0 2 ，2 1 ( 4 ) ：2 4 2 6 3 苏宪龙，李山，苗亮亮变频调速在油田抽油机控制系统中 的应用 J 现代电子技术，2 0 0 8 ，3 1 ( 1 1 ) ：1 2 3 一1 2 6 4 3 吴宜珍高层住宅变频调速恒压供水系统设计 J 微计算 机信息，2 0 0 7 ，2 3 ( 5 ) ：1 5 0 1 5 2 5 杨金牛，李众采用模糊控制策略改进小区恒压供水系统 J 中国给水排水，2 0 0 8 ，2 4 ( 2 ) ：4 6 4 8 6 蒋新峰，王秋光具有无线传输功能的给水控制器的开发 J 哈尔滨理工大学学报2 0 0 8 ，1 3 ( 2 ) ：9 4 9 7 7 钟小强基于单片机实现的液位控制器设计 J 3 现代电子 技术，2 0 0 9 ，3 2 ( 2 ) ：5 1 5 4 8 李世伟郑平邵子惠基于H M I 与P I ，C 的变频调速系统 设计 J 现代电子技术，2 0 0 8 3 1 ( 1 9 ) ：1 0 5 1 0 6 9 田思庆，朱传刚，李晶自适应模糊P I D 控制器在供水系统 的仿真研究 J 现代电子技术，2 0 0 8 ，3 1 ( 7 ) ：1 2 2 1 2 4 1 0 3 左鹏军两种模式P I D 控制变频器调速恒压供水系统 J 电力电子技术，2 0 0 7 ( 1 ) ：4 3 4 6 作者简介孙金玮男，1 9 6 4 年出生，黑龙江哈尔滨人，教授，博士生导师。主要研究方向为传感器技术及其信号处理。 汪 超男，1 9 8 6 年出生，陕西商洛人，硕士研究生。主要研究方向为测控系统和传感器技术。 魏国男，1 9 6 6 年出生，辽宁开原人，教授，博士生导师。主要研究方向为测控系统、多功能敏感技术和信息处理。 ( 上接第3 页) 2 3A v o i n n eC ，R a s h i dT ，C h o w d h u r yV ，e ta 1 S e c o n d o r d e r C o m p e n s a t e dB a n d g a pR e f e r e n c ew i t hC o n v e xC o r r e c t i o n F J E l e c t r o n i cL e t t e r s 2 0 0 5 ，4 1 ( 5 ) ：2 7 6 2 7 7 3 K e rM i n g d o u ，C h e nJ u n g s h e n g 。C h uC h i n g y u n N e wC u r v a t u r e c o m p e n s a t i o nT e c h n i q u ef o rC M O SB a n d g a pR e f e r e n c ew i t hS u b 一1 一VO p e r a t i o n A T h e2 0 0 5I E E EI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u m o nC i r c u i t sa n dS y s t e m s C 3 2 0 0 5 ( 4 ) ：38 6 1 38 6 4 4 秦波。贾晨，陈志良，等1V 电源非线性补偿的高温度稳定性 电压带隙基准源 J 半导体学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 1 1 ) ：20 3 5 20 3 9 5 姜韬，杨华中多点曲率补偿的带隙基准电压源设计方法 F J 半导体学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 4 ) ：4 9 0 4 9 5 6 L e u n qCY ，L e u n qKN ，P h i l i pK TM o k D e s i g no fa1 5 一V H i g h o r d e rC u r v a t u r e 。c o m p e n s a t e dC M O SB a n d g a pR e f e r e n c e 7 J C i r c u i ta n dS y s t e m ，2 0 0 4 ( 1 ) ：4 9 5 2 T s i v i d i sY A c c u r a t eA n a l y z e so fT e m p e r a t u r eE f f e c t si n j ( ，一y B C h a r a c t e r i s t i c sw i t hA p p L i c a t i o nt oB a n d g a pR e f e r e n c eS o u r c e s J I E E EJ o u r n a lS o l i d s t a t eC i r c u i t s ，2 0 0 1 ， 1 5 ( 6 ) ：10 7 6 10 8 4 8 B a n b aH ，S h i g aH ，U m e z a w aA ，e ta 1 AC M O SB a n d g a p R e f e r e n c eC i r c u i tw i t hS u b 一1 一VO p e r a t i o n J I E E EJ o u r n a lo fS o I i d s t a t eC i r c u i t s 。1 9 9 9 ，3 4 ( 5 ) ：6 7 0 6 7 4 9 B u c kA AC M O SB a n d g a pR e f e r e n c ew i t h o u tR e s i s t o r s J I E E EI S S C C 2 0 0 0 ：4 4 2 4 4 3 1 0 B u c kAE ，M c D o n a l dCI 。L e w i sSH ，e ta 1 AC M O S B a n d g a pR e f e r e n c ew i t h o u tR e s i s t o r s J S o l i d s t a t eC i r c u l t s ，2 0 0 2 ，3 7 ( 1 ) ：8 1 8 3 作者简介 方海莹 女19 8 4 年出生，山东临沂人，硕士研究生。主要从事C M O S 模拟集成电路的研究与设计工作。 7 万方数据