895191640单片机控制恒压供水调研报告

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1、调研报告1.1课题来源及研究意义 水是人民生活和工农业生产不可缺少的重要组成部分，但是由于受到输送管道和供水设备的限制，生产和生活用水普遍存在着高峰期流量不足问题，因此摆在用户面前的突出问题一是蓄水，二是升压。传统的蓄水加压办法是采用高位水箱和水塔，靠水的势能向用户提供一定压力的生活用水和生产用水。这种办法显然比较落后，一是投资大，二是不利与维护和抗震。1982年以后开始出现气压供水设备，虽比前者有所改进，但仍有很多不足之处，如占地面积大，水罐和泵房投资高，电机频繁启动，耗电量大且供水压力不稳。究竟采用何种供水方式效果更好呢？根据流体力学的原理，水泵的流量与转速成正比，而电机轴上消耗的功率与转

2、速的平方成正比。由此可见，采用交流变频调速恒压供水系统即可做到用水量和供水量的统一，又极大地降低了电耗。近几年随着交流变频调速技术的发展和微型计算机的推广应用，上述想法已成为现实。1.2 国内外发展状况变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器

3、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，因而投资成本高。即1968年，月麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有.“变频泉固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。它将PID调节器和P LC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC

4、和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统川。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器. （PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定

5、性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器( 2.2k-30w)，无需外接PLC和PID可完成。最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环. (月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同

6、时兼顾系统的电磁兼容性( EMC)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究迁是不够的。因此，有待于进一步研究改善,变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。1.3 研究的目标及主要内容 本课题的目标是通过变频恒压供水控制系统，达到相关工艺的标准要求，确保供水系统安全、可靠、平稳、高效、经济地运行，使之达到国内甚至国际的领先水平。本文研究的主要内容如下 : (1)通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作点，根据管网和水泵的运行曲线，说明供水系统的节能原理。(2)变频恒压供水系统的构成及J作原理。(3)分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒压供水系统的控制策略，并归

7、纳实用性的控制方案。(4)研究单片机控制的设计原理及方法。(5)在实际供水系统中运行该系统，分析系统性能。 (6)恒压供水远程监控系统。1.4研究手段与研究方法通过安装在管网上的压力传感器，把水转换成420mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动机水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障

8、率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配。并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题二、相关背景资料2.1变频恒压供水系统的特点本文研究的变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以

9、及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点: (1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应.(2)用户着网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性，(4)在变频调速恒压供水系

10、统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。(5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。(6)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控

11、以及报表打印等功能。(7)系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。2.2单片机历史单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 1.SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。 2.MCU

12、即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。 3.单片机是嵌入式系统的独立发展

13、之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。三、主要工作进度安排第一周 制定毕业设计进度计划，收集中外文资料。第二周 深入了解课题，做出初步构思，完成3000调研报告第三周 查阅资料，完成一万字符的外文资料翻译。第四周 课题的前期研究，撰写论文提纲。第五周 完成单片机控制恒压供水程序设计、验证设计系统的可行性。第六周 完成变频恒压供水的工况分析和能耗机理分析。

14、第七周 设计cpu基本单元连接电路。第八周 完成薄码盘接口电路，压力显示电路，压力检测电路的设计。第九周 完成系统开关电路图，输出控制电路原理图的设计。第十周 完成恒压供水系统主程序框图，T。定时控制计算和功能处理服务程序框图。第十一周 对设计的结果进行仿真和分析。第十二周 整理设计资料 撰写毕业设计说明书的初稿第十三周 修改、完善并提交毕业设计说明书。整理所有中外文资料，准备答辩。第十四周 毕业答辩。四、 可行性分析作为交流变频调速装置的一个代表，变频器恒压供水装置技术已经成熟，从节能运行到系统稳定可靠得到社会认可。该系统伴随着控制器和变频器的发展技术也不断更新和发展。就控制器来说，其发展经

15、历了从继电器逻辑，到单片机、PLC,再到专用控制器等几步。从变频器调速来说，其发展经历了多段速度控制、模拟量给定控制到专用控制器。每一步发展都意味着更新更好的器件代替传统方式。这为利用单片机变频技术实现供水的恒压控制提供了理论依据和硬件技术上面的支持。五、 参考文献1 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统,机械工业出版社，1998.2 李华.变频调速应用手册,机械工业出版社，2000.3 李曼珍.过程控制中PID控制算法的实用性,EIC.2004.4 杜金城电.气变频调速设计技术,中国电路出版社，1999.5 孙增析.智能控制理论与技术,清华大学出版社，1997.6 韩安荣.通用变频器及其应用,机械工

16、业出版社，2000.7 杜消府.小气压罐与变频调速结合的节能供水系统,中国给水排水，2005.8 吴绍林.检测与转换技术,1992.9 黄一夫.微型计算机控制技术,机械工业出版社,1988.10 何利民.单片机应用系统设计,北京航空航天大学出版社,1990.11钱毅，韩涛.微机控制的变频调速恒压供水系统J，199612金以慧主编.过程控制M，清华大学出版社，200113 陈虹，史旺旺.中小型水厂自动化技术的实现J，给水排水，200114 Chan,L.O.,Desoer,C.A.,Kuth,E.S.Linesr and Nonlinesr Circuits McGraw-Hill,Inc,19786