单片机恒压供水系统的设计

青岛理工大学毕业设计（论文）题目陆扬小区恒压供水系统设计（单片机）学生姓名：郑重指导教师：黄东自动化学院建电专业一班2012年月日青岛理工大学本科毕业论文1摘要随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使供水设计得到了新的发展机遇，当前住宅建筑的规划趋向于更具有人性化的多层次住宅组合，人们不再仅仅追去立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水压力值是根据用户需求确定的，利用变频器、PID调节器、传感器、单片机等器件的有机组合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。关键字：恒压变频供水，单片机，恒压供水，自动控制青岛理工大学本科毕业论文2AbstractAspeople'slivingstandardisrisingtotheapplicationofnewtechnologiesandadvancedequipment,thedesignofwatersupplytonewdevelopmentopportunities,thecurrentplanningofresidentialbuildingstendtobemoreuser-friendlymulti-levelresidentialportfolio,itisnolongerjusttochasefacadeandflatappearanceandreasonable,butthepursuitofsmoothlayoutanddesignandimplementpeople-centeredconceptofspace,especiallyinthetideofmarketeconomy,andstrivetomaximizethelanduseefficiency.Theconstantpressurewatersupplyistheamountofwaterinthewatersupplynetworkchanges,theoutletpressuretomaintainaconstantwatersupply.Thewaterpressurevalueisdeterminedonthebasisofuserneeds,organiccombinationoftheinverter,thePIDregulator,sensors,microcontrollersandotherdevices,constitutethecontrolsystemadjustthepumpoutputflow,constantpressurewatersupply.Keywords:constantfrequencyofwatersupply,microcontroller,constantpressurewatersupply,automaticcontrol青岛理工大学本科毕业论文3第1章绪论1.1恒压供水问题的提出水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。随着高层建筑层数的不断加高，高层居民经常出现用水难问题。该设计针对上述问题，要求研制变频调速恒压供水控制器，该控制器是基于单片机为核心，以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动稳定于设定的压力值。传统的蓄水加压办法有：高位水箱、气压给水以及无水箱供水等三种方式。高位水箱给水的方式，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。将增加房屋强度设计要求，增加成本。而且采用高位水箱最重要的是将产生二次污染。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。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]1.2变频恒压供水系统主要特点1.节能，可以实现节电20%~40%，能实现绿色省电。2.占地面积小，投资少，效率高。3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。4.运行合理，由于是软启和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减小了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。5.由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病。青岛理工大学本科毕业论文46.通过通信控制，可以实现五人职守，节约了人力物力。[2]1.3变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kw以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。(2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在135kw~320kw之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。(3)大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器1.4恒压供水的实现系统结构的设计：系统为压力反馈的单闭环控制。利用浩捷PTJ207压力传感器测量水管压力，其输出为数字量。STC89C52单片机获得测量值后通过算法计算出频率值。作为变频器（ABBACS510）的给定，通过变频器输出调节泵的转速，来调节水压，从而达到恒压控制的目的。控制算法的设计：由于供水系统难于确定系统的数学模型且具有非线性、高阶次、大滞后、参数易变等特点[3]。而在本科所学的方法中都要求控制对象明确才能计算控制器参数。用凑试法确定PID参数不需要知道系统模型。因此拟用单片机来完成人工参数试凑的过程来整定参数。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率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。青岛理工大学本科毕业论文5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[4]。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。青岛理工大学本科毕业论文6第2章变调速系统能耗分析2.1供水系统分析水泵机组应用变频调速技术。即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速可以相应的改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网压力恒定，达到节能效果。如图2.1所示，n为水泵特性曲线，A管路特性曲线，H0为管网末端的服务压力，H1为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性n0和用水管特性曲线A0汇交于b点，此时，水泵输出口压力为H，末端服务压力刚好为H0。当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。图2.1节能分析曲线图(1)水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。(2)水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点是在H上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性趋向为nx。而管青岛理工大学本科毕业论文7路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点，这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H0﹥H1，则H1即为水泵的能量浪费。(3)水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点式中沿着A0滑动，管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1.根据水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)*2P1/P2=(n1/n2)*3（2.1）式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的，保证了供水压力的可靠[5]。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性。另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为：n=120(1-s)/p（2.2）式中s为电机的转差率（s=0.02），p为电机极对数，f为定子供电频率。当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低，变频调速时是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为：N=PQ由功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比，基于流量控制可以大幅度降低轴频率。2.2变频调速恒压供水工况与能耗机理分析青岛理工大学本科毕业论文8管路水力损失分为扬程损失和局部损失两种hs=hy+hj（2.3）沿程损失hy=LQ2（2.4）式中y-管路沿程摩擦损失系数；j-局部损失系数；L-管路长度（m）；A-过水截面的面积。（2.5）式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统去掉后，相应的y，j，L，A等参数都能去顶，S也就确定了。由式（2.4）可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水损失就等于上下水位差（即实际扬程H）加上管路损失Hx=Hsj+Hs（2.6）由式（2.6）可以得到如图所示的Hs-Q管路性能曲线图2.2.1水泵工作点的确定水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管道性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量，需要减少流量时关小阀门，管路性能曲线有R1变为R2.运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速，如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H1，流量