单片机在变频调速恒压供水系统中的应用

本论述了变频调速恒压供水的原理及由AT89C51组成的变频调速恒压供水控制系统的硬件组成和软件设计方法｡

1 工作原理

变频调速恒压供水与水塔或楼顶的高位水箱供水相比,具有投资省､节约能源､水质遭二次污染的机会少等优点,越来越多的城市和生活小区已经或正打算采用变频调速恒压供水｡变频调速恒压供水系统构成如图1｡



其工作原理是:控制器通过检测实际水压值,比较设定水压值和实际水压值的差别,按PID控制规律运算后,输出控制信号至变频器,变频器则根据控制器的输入信号调节水泵电机的供电电压和频率｡

当用水量增加时,控制器控制变频器使电动机的电压和频率加大,水泵转速升高,出水量增加;当用水量减少时,控制器控制变频器使电动机的电压和频率降低,水泵转速下降,出水量减少｡通过这种控制方式,就可以使自来水管道压力保持在设定值上｡

由于变频器的价格较高,变频调速恒压供水系统通常采用多台水泵并联运行,几台水泵共用一台变频器｡工作时,控制器根据用水量的大小,控制配电系统自动选择所需投入运行的水泵数量,一般方法是保持其中一台水泵处于变频器控制下,其它水泵则根据供水量的变化,在工频下全速运行或停机待命｡

2 单片机控制器设计

2.1 硬件设计

单片机控制器及变频调速恒压供水系统的原理接线图如图2｡系统采用Atmel公司的AT89C51单片机作为控制CPU(因为该单片机片内具有4KB的Flash Memory);为确保系统稳定可靠运行,采用MAX813作为系统的电压监控及Watchdog电路;压力变送器送来的4~20mA的压力信号经IC7转换为0~5V的电压信号;由A/D转换电路ADC0809将压力传感器的检测水压值和设定电位器的设定值转换为数字量,供单片机使用;D/A转换电路采用DAC0832,将单片机输入的控制量转换为4~20mA电流环,控制变频器的输出频率｡由单片机到配电部分的控制信号及系统的一些控制开关命令,均通过光电耦合电路进行隔离,以减少强电回路对单片机的影响｡

2.2 软件设计

假设供水系统共有2台水泵,其中水泵1为变频运行,水泵2为工频运行,由接触器分别启动或停止,单片机通过继电器控制接触器的工作｡软件设计如下:

2.2.1 单片机接口地址分配和控制端口功能

A/D转换器ADC0809:80XXH~87XXH;压力传感器为IN0通道,设定电位器为IN1通道｡
D/A转换器DAC0832:08XXH｡
水泵1继电器控制P1.0:当P1.0=0时,水泵1开;当P1.0=1时,水泵1停｡
水泵2继电器控制P1.1:当P1.1=0时 ,水泵2开;当P1.1=1时,水泵2停｡
开机命令P1.2:当P1.2=0时,系统开始工作,当P1.2=1时,系统停止工作｡

2.2.2 软件程序设计

变频调速恒压供水系统的单片机控制器软件包括主程序､控制量计算子程序､继电器控制子程序､A/D转换子程序､延时子程序等｡






主程序包括系统初始化,开机命令的检测等,主程序框图见图3｡

T1中断服务程序包括了除主程序以外的所有子程序的管理和应用,程序框图见图4｡



A/D转换采用定时转换方式,启动A/D后,用软件延时150μs,再读出转换结果｡

继电器控制子程序完成水泵2的运转和停止控制｡由于变频器的控制量与水泵1的运转速度直接相关,因此程序根据变频器的控制量大小就可判断水泵1的工作状态｡如控制量为零,说明系统压力过高,水泵1已经调至最低转速,这时需要水泵2停止工作;如果控制量为最大值,说明系统压力过低,水泵1已经调至最高转速,这时需要水泵2投入运行｡由于供水系统压力的变化惯性较大,所以当控制量出现最大值或最小值后,需延时一段时间,在延时阶段经过反复测量,如果控制量一直不变,再进行切换｡系统多于2台水泵时,切换原理相同,但需增加判断多台水泵开､停状态的循环判断程序｡

继电器控制子程序框图见图5｡


控制量计算子程序包括变频器控制量的计算和控制量的输出,其中控制规律采用PID调节规律｡

控制量计算子程序框图见图6｡



3 结论

变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向,采用单片机控制的变频供水系统具有工作可靠､实现容易､价格低廉等特点,是较理想的控制器｡