任务二 计算机控制系统设计举例

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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。
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
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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（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。
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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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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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
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 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；
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)
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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。
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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
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。
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
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
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。
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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
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。
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：
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。
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。
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
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
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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、