任务二 计算机控制系统设计举例

等。
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若变频泵转速已
减到最低转速，
管网压力仍高于 设定值，就给此
机组断电，起动
另一台水泵机组 变频减速运 行· · · · · · 如此循 环，直到管网压
力等于设定值。
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附属小泵用于一定 时间内用水量急剧减少的
供水场合，如大多数用户
夜间用水量为零，电动机 若按照白天的转速运行，
管网压力会超过设定压力
COM闭合为1号泵手动
软启动，1号电动机上 升到额定转速时，自动 切换到工频。M2、M3、 M4分别控制2、3、4号 泵的手动软起动。
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设置相关指示灯： KM0～KM7、H/A、欠压 超压、火警、缺水、故 障等。。
消防输入键及 水位报警等输入触 点。
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2．单片机控制器设计
89C52单片 机作为控制核 心，将远传压
5）全部水泵循环软起动，减少电气和机械冲击，延长设备使
用寿命。
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6）具有水池水位自动控制水泵的起动和停止。
7）具有定时开停功能，可白天自动开机，夜间自动停机。 8）为确保消防水泵功能正常，系统可定时巡检或随时手动巡 检。 9）具有小流量自动停机功能。 10）具有与消防控制中心联网的控制功能。 11）全部设备均可自动和手动操作。
以e(k-1)作为新的e(k-2)
以e(k)作为新的e(k-1)
结束
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4．抗干扰设计 供水设备的工作环境较恶劣，电源电压波动大，大功率交 流接触器、继电器切换频繁，产生较强的电磁干扰。 为了单片机能够安全可靠的工作，本系统采用了有效的干 扰措施，从干扰源、干扰路径和干扰对象等方面采取抗干扰措 施。 硬件方面采用工业电源和计算机专用接插件，输入输出开 关量全部采用光电隔离；软件方面：一是进行较高精度的数字 滤波，二是出错自诊断功能，系统在出现以下运算错误时将自 行复位：
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（二） 总体方案设计
1．控制任务
(1)控制泵数4台主泵+1台附属小泵(主泵个数可在1～4台内设定)。 (2)供水压力闭环榨制粹制精彦±0.01 MPa。 (3)所有泵均采用软起动。 (4)恒压变量控制。
(5)变压变量控制将压力变送器安置在管网末梢，可以实现管网 末梢恒压、泵出口变压的目的。也可将流量计瞬时输出信号转 换为0～5v电信号进行变压控制。
P GND
内部控 制逻辑
H3 B3 H2 B2
变频 故障
M3 3～ KM5 KM6 M4 3～ KM7
水 泵 电 机 工 作 控 制
KA
教材此 处有错
KM6 KM4 KM2 KM1 KM1 KM6 KM4 KM2 KM1
FOP CFP FOR CFR TA TC
强电互锁电路
KM6 KM4 KM2 KM1 KM1 KM1 KM6 KM4 KM2 KM1 KM1
三、硬件电路设计
四、控制算法设计
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（一） 明确工艺要求 （1）主要适用范围
高层建筑的生活、消防供水，住宅小区的生活、消防供水， 工厂、企业中水处理、循环用水中的压力供水，建筑施工、流动 作业中的临时供水，喷泉、水上乐园等场所的压力供水，农村、
园艺灌溉设备的压力供水。
（2）供水量 流量：10~2500m3/h，扬程20~200m。
（4）蓄水池液位检测
当液位传感器检测出低水位时，水泵自动停止运行，有效 防止水泵无水运行而损坏；当蓄水池水位正常时，系统自动恢 复运行。
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（5）密码保护功能 为防止无关人员更改变频器的参数设置而造成不可预计的 后果，可设置密码，只有密码输入正确后才能进行控制功能参 数的查询和修改；否则，只能查看一些运行参数（如频率、压 力等）。
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开始 系统初始化 按键处理 起动第2压力
Y
全部水泵停机
Y
Y
有键按下？
是消防状态？ 蓄水池无水？
N
N N Y
当前是开机？
N
定时运行？
Y
全部水泵停机
N Y
Y
停机时刻到？
N
N
开机时刻到？
读入实际压力，计算偏差e PID运算，得控制量△u 水泵机组切换处理
系统主程序流程图
N
Y
出错处理
有错误？
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的偏差信号纠 正输入压力误
差，控制器模
拟输出信号为 D/A变换后的 0~10V电压信 号，作为变频
器的控制信号。
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增泵过程：
当用户用水量
增大时，CPU 检测到管网出
水口压力趋于
下降，让变频 泵加速运行， 增大出水量， 使管网压力恒
等。
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若压力上升到设定压
力，则稳态后变频泵 维持瞬时转速值不变；
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另外，同一时刻一 台泵只能工作在一种状
态，故每台电变频或恒
压机有两个切入接触器， 分别用于变频和恒压工 作控制，所以电路设计 中KM0和KM1互锁，
KM2和KM3互锁，
KM4和KM5互锁， KM6和KM7互锁。
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控制系统具有手动/ 自动两种控制切换功能， 当年H/A闭合时进入手 动控制，此时M1与
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QF1
L1 L2 L3 N
控制 输入
QF3
KM0 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 选择开关 H/A
QF2
R U S V T 变频器 W G VRF ACM DCM FR
0－10V 停止/运行
KM0 KM1 KM2
机械互锁
M1 3～
工 作 指 示 灯
手动起动/自动 软起动输入1 软起动输入2 软起动输入3 软起动输入4
KA 消防信号输入
VC GND COM RUN H/A M1 M2 M3 V M4 F OP COM WH WL DH DL COM B0 H0 B1 H1
欠压 超压 火警 缺水
管网过压输入
进水上限输入 进水下限输入 污水上限输入 污水下限输入
单 片 机 控 制 器 控制器
远传 压力表
M2 3～
KM3 KM4
显示器 看门狗 单片 机 锁存 器 锁存 器 锁存 器 继电 器 光 隔 继电 器 光 隔
现场继电 器
光 隔
力表采集的实
际压力信号进 行A/D变换后， 与设定压力进 行比较，实现 压力闭环控制。
键 盘
附属泵 89C52
A/ D
D/ A
变频 器
M 1
380V
供水管网
M 4
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给定压力
减去实际压力
强电线路原理图
KM0
KM0
KR1
KM0
KM0
KR1
KM0
KM0
KR1
KM0
KM0
KR1
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机械互锁：通过机 变频器的R、S、T端 械部件实现互锁，比如 两个开关不能同时合上， 子接380V交流输入，U、 可以通过机械杠杆，使 V、W是变频器的三相电 得一个开关合上时，另 一个开关被机械卡住无 压输出。由于采用了一 法合上。 变多恒的控制方案，故4 电气互锁就是通过 继电器、接触器的触点 个变频通路上的变频切 实现互锁。 入接触器KM0、 KM2、 KM4、 KM6采取了机械 互锁。
任务二 计算机控制系统设计举例
一、变频调速恒压供水控制系统 应用交流电动机变频调速技术和微机控制技术 的高度自动化供水系统，适用于一切需要压力供水的 场合，可取代水塔、高位水箱和气压罐。
2015/10/20
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目的：了解变频调试恒压供水系统设计过程；掌握系 统设计原则、方法的具体运用；把握实际供水系统设 计的相关技术点及相关知识点的综合运用。 重点：工艺要求分析，总体方案设计，硬件功能电路 设计，控制算法设计。 一、明确工艺要求 二、总体方案设计
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2．控制计算机选择 对于给定的控制任务，选择何种机型不是唯一的。本系统 由于控制对象单一，却不需要多级联网控制，控制精度要求不 是很高，所以采用了89C52单片机。根据需要扩展了A/D、
D/A通道和开关量输入/输出通道，设计成了最小系统。
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3．现场设备选择 蓄水池与水泵机组距离不到30m， 压力传感器选用远传压力表，安装在总 管网水口处，负责将0~0.1MPa的水压转
变频调速水泵PID控制结构图
数字设定 给定压力r
△e 增量式 △u
PID
D/A A/D
变频器 压力传感器
水泵
管网实际 输出压力c
u(k ) K p [e(k ) e(k 1)] KI e(k ) KD[e(k ) 2e(k 1) e(k 2)]
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采样实际压力c(k)
压控制，每段时间按不、同的压力供水，所有参数通过面板上
的按钮设置。 （2）定时轮换控制 通电一定时间后，系统自动检测有无休息的泵，若有则让 休息的泵和工作泵轮换，可以均衡各泵的运行时间，延长系统 的使用寿命，且能有效防止因备用泵长期不用而发生的锈死现 象。
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（3）消防控制 当有火警或消防信号时，系统自动切换到消防压力运行。
很多，此时将逐台关断所 有的生活供水泵，起动附属小泵运行维持管网压力。当管网压力低于 设定的休眠压力时，系统自动唤醒变频泵投入工作，当管网压力高于 设定时，系统再次进入休眠状态，只有附属小泵运行。
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单片机控制器功能设计
（1）多段定时定压控制 适应每天生活用水的高峰期，控制系统提供了6段的定时定
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(10)无水停机功能蓄水池无水时水泵自动停机，水位回升到一
定高度水泵自动开起。
(11)小流量补压功能当夜间用水量减小，管网压力升高时，若 恒压泵全关后，反馈压力还略大于给定压力，则起动附属小泵，
维持供水；当反馈压力大于给定压力较多时，附属小泵自动停
机。 (12)抗干扰设计和故障保护功能。系统具有自诊断功能，遇 故障自动报警停机，有效保护变频器和整个供水系统。
若变频泵加速到额定
转速后，实际压力低 于设定压力，则将变 频泵切换到工频运行， 同时起动下一台泵变频运行·· · · · · 如此循环，直到最后一台机组投 入运行，达到管网压力恒定。
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减泵过程：
当用户用水量
减小时，CPU 检测到管网出
水口压力趋于
上升，让变频 泵减速运行， 减小出水量， 使管网压力恒
i
u(k)不仅与本次的偏差e(k)和上次的偏差e(k-1)有关，而 且还要在积分项中对历史上各次的偏差信号e(j)进行累加，容 易产生大的累加误差，故本系统采用增量型的PID控制算法。
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系统上电初始化时让D/A转换器输出0~20V的中值5V，对应 变频器的25Hz输出，在此基础上进行增量调节。
计算偏差e(k)＝r(k)－c(k) 计算△up(k)＝Kp[e(k)- e(k-1)]
增量型PID运
算流程图
பைடு நூலகம்
计算△ur(k)＝Kre(k)
计算△uD(k)＝ K D [e(k ) 2e(k 1) e(k 2)] 计算△u(k)=△up(k)+△ur(k) +△uD(k) 相关参数移动，为下次运算做准备，即
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（3）性能特点
1）可根据水压和用水量的大小合理选配水泵。
2）无压力罐，结构紧凑，占地面积小，便于集中管理。 3）全自动运行，达到无人操作。 通过采用降压、补偿或变频等技术手段，电压由零 慢慢提升到额定电压，使电机启动的全过程都不存在冲 4）系统具有欠电压、过电压、过电流、短路、过热等多种故 击转矩，实现电动机及机械负载的平滑起动，减少起动 障保护和报警装置。 电流对电网的影响程度，使电网和机械系统得以保护。
3．控制算法设计 由于用水量的随机性和供水管网的差异性很难找到适合的 数学模型，采用PID控制算法。比例控制可以提高系统响应的 快速性，积分控制可以消除系统的静态误差，微分环节可以消 除系统惯性的影响。
T PID控制算法的输出：u(k ) K p [e(k ) T I e(k ) e(k 1) e(i) TD ] T k 0
换成0~5V的反馈电压信号送至单片机。
YTZ-150远传压力表
执行机构为变频器，单片机经过运算后输出0~10V电压信号，
控制变频器的输出电压和频率，从而控制电动机的转速。
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（二） 硬件电路设计
1．强电线路设计
水泵软起动由变频器实现。由于变频器昂贵，所 以在多泵系统中采用了“一变多恒”的控制原则，即 多台水泵共用一个变频器，任意时刻只有一台水泵处 于变频状态，利用增、减运行水泵的个数进行粗调， 利用变频泵加、减速进行微调，使供水压力趋于恒定。 系统具有手动/自动两种控制切换功能开关。 4个变频通道的交流接触器设置机械互锁。 每个水泵电动机设置正反转交流接触器。 系统设置三个空气开关，控制电路通/断。
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(6)内增量方式采用泵组运行时(即无变频器)，利用水泵的开停
次数进行变电压控制。
(7)定时换泵功能切换时间由用户设定，达到换泵时间时， 工作泵与休息泵自动切换。
(8)定时开关机功能开机时间到水泵自动运行，关机时间到
水泵自动停止。
(9)预置消防压力功能按下消防按钮时系统立刻以第二恒压值
为给定压力进行工作。