高楼供水拖动电机节能控制系统的设计

张坤平

摘  要：文章阐述了恒压供水变频电机控制系统的软硬件设计。该控制系统的控制器以89C51单片机为核心，再加以外围接口电路组成，控制对象是供水管道的压力，主要应用在高层楼房的自动供水系统中。

关键词：89C51单片机;变频供水;PID控制

引言

随着我国城市化的快速发展，城市中的高层建筑以及高层居民小区也越来越多，随之而来的高层供水问题也应运而生。目前对于供水系统中多采用交流异步电机作为拖动动力，然而由于被控对象即供水系统中的管道压力是一个不确定的参数，因此我们就有必要通过供水压力的变化来改变电机的转速，从而达到节能的效果。在较多的供水方案中，恒压变频供水系统是目前应用的最多的一种，它的主要思想就是保持供水管道内压力恒定，也就是水泵电机转速的调节根据供水管道压力的大小而定。当供水需求量大时，水压变小，调节水泵转速使其加快，压力上升。当供水需求量小时，水压过大，调节水泵转速使其减速，压力下降。此控制方案的优点是自动化程度高、节能（节约水源，节约电能）、可靠性高，抗干扰强等。与传统的供水系统方案对比，由于采用了PID仪表和PLC控制器相结合，因此造价高，功能单一。文章正是克服了传统方案中的缺点而设计的。因此非常适用于高层建筑、居民区的取暖锅炉自动供水需要。

1 硬件系统设计

1.1 硬件选择

该供水控制系统以89C51单片机为核心，在硬件结构设计方面，利用此芯片的P0、P2口作输入、输出I/O口，又因为该芯片片内有EPROM，对于此系统来说，无需外扩EPROM。本控制系统采用74LS164（4片）来驱动数码管作为显示部分，片外数据存储器外扩一片RAM6264，将开机设定的一些原始参数保存进去。供水管道的压力大小信号由压力传感器MPX2000采集，将采集来的压力信号经放大电路（由LM358组成双运放电路）进行放大，然后送入模数转换器ADC0809。计算出的控制参数经SLE4520三相可编程脉宽调制器变成相应宽度的脉冲模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小。考虑到此供水系统在不同场合调试时参数的设定，我们对此系统设置四键小键盘、LED显示模块，操作方便，易于安装。

1.2 控制原理

在设计该变频恒压供水系统时，将检测压力信号大小的压力传感器安装在水泵出水管道上，并把检测到的管道压力即水压变成0～5V或4～20MA的模拟信号，然后将此模拟信号变换成相应的数字信号（由A/D转换完成），最后将转换后的数字信号送入89C51单片机进行数据处理。水压偏差值的大小就是通过比较单片机处理后的数据与设定压力得来的。将偏差值经PID调节得到最终的控制参数，经SLE4520三相可编程脉宽调制器变成相应宽度的脉冲模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此改变水泵的电机转速，达到控制管道压力的目的。当供水管道压力比给定压力小时，系统变频器的输出頻率将会升高，进而加快水泵转速，管道压力随之升高;反过来，当供水管道压力比给定压力大时，系统变频器的输出频率将会降低，进而减慢水泵转速，管道压力随之降低，最终达到恒压供水的目的，供水系统的原理框图及硬件结构图分别如图1所示：

此供水系统由三台水泵组成，控制方式有多种，根据应用场合的不同可以采用三泵联运、二泵联运、一用一备、一用二备、定时换泵等。在联运的工作方式下，当某台变频泵电机频率达到工频时（50Hz），若水压还达不到设定值，那么将此泵切换为工频工作，同时启动下一台水泵变频运行，直到达到给定压力为止。

2 软件系统设计

2.1 软件系统的组成

在系统软件设计方面，主要由主程序、定时中断显示和频率输出子程序组成。为了防止在程序运行中死机现象的发生，系统每隔1S复位一次，即软件程序采用定时复位方案，主程序和子程序采用模块化设计。为了消除干扰信号，采用平均值的数字滤波方法，由于供水管道水压为一阶惯性环节和纯滞后环节相串联，在控制算法上采用典型的PID算法。

要想使恒压供水系统中管道水压恒定，实际上就是要满足管道内供水能力和用水流量的平衡，换句话说就是要满足用户的用水流量，然而在现实中，流量是一个连续的量，供水与用水之间并不存在差异，为了说明问题，当两者之间不适应时导致水压发生的变化，我们假定Qg为供水流量，Qu为用水流量。因此在动态的情况下，供水系统中水压的大小P与供水能力和用水流量之间的平衡情况有关，如果以安装压力表的位置作为分界点，把压力表之前的流量称为供水流量（Qg），压力表之后的流量称为用水流量（Qu），则有如下关系：

如Qg>Qu，则p↑;

如Qg

如Qg=Qu，则p=const（恒量）。

2.2 PID控制算法概述

变频器内部的PID调节器中，ps是压力变送器，它在测量管道压力p的同时，还将测得的压力信号转换成电压信号或电流信号。该信号在控制系统中作为反馈信号，用Xf表示。所以反馈信号也就是实测的压力信号，即Xf正比于p。变频器预制为PID控制方式，Xf接至变频器的反馈信号输入端VPF（电压信号）或IPF（电流信号）。与用户要求的压力大小对应的信号称为目标信号，用Xt表示。由电位器Rp或键盘直接给出。Xt和Xf两者是相减的，其合成信号Xd=（Xt-Xf）;经过PID调节处理后成为频率给定信号Xg，决定变频器的输出频率fx。

当用水流量减小，使Qg>Qu时，则供水压力p↑→Xf↑→Xd↓→fx↓→电动机转速nx↓→Qg↓→Qg=Qu直至压力大小回复到目标值（Xt≈Xf），从而达到平衡;

反之，当用水流量增加，使Qg

因此，供水系统总是根据用户的用水情况不断地处于自动调整状态中。

3 结束语

本套拖动电机变频调速控制系统由单片机系统控制，实现供水系统的恒压变频调速。本套系统中水泵电动机启动平稳，系统动态性能良好，稳态性能误差很小，抗干扰性能强，满足了实际控制的要求。

参考文献

[1]谭建成.电机控制专用集成电路[M].北京：机械工业出版社，1997..

[2]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996.