变频调速水泵供水系统的设计

过程装备控制技术大作业

变频调速水泵供水控制系统的设计

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指导教师

2016年6月12日

一、设计依据

1.1 设计背景

随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，城市化普也越来越普及。加之土地资源的有限性，小区居民楼楼房也越来越高。由于居民生活用水时间的集中，因此高层住户用水就成了关键性的问题。而在现实生活中，传统供水方式普遍存在着效率低、稳定性差、自动化程度不高等缺点，于是在用水高峰期时常常会出现供水水压不够高的情况，以至于高层用户处于断水状态，直接影响住户的正常生活和工作，同时也体现了基础设施建设的不完善性。

因此，解决城市高层居民的供水系统稳定性、节能性、高效性是我们必须研究和处理的问题。

1.2设计内容

伴随着计算机技术的发展，计算机与流量的检测和控制技术也密切联系，人们越来越多的采用单片机对工业系统中的流量进行测量和控制。而单片机控制系统设备简单，经济性，可靠性高，抗干扰能力强，以使得她在检测控制方面得到了很大的运用。水泵的运行直接影响到居民的生活，所以完善供水系统体系，实现智能控制是很有必要的。

本文结合单片机技术，采用变频调速供水方式，安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，A/D转后成数字型号后送入单片机中进行运算以及PID调节，再有单片机输出，通过D/A输出模拟信号，再传递给执行器和被控变量，使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内，实现节能的调节方式。

二、设计方案及控制原理

水泵系统的控制原理图

2.1变频调速恒压供水的原理

变频调速恒压供水设备是一种在保持供水压力不变（理想状态）的情况下，

按需供水的新型自动供水设备。电源的频率与水泵的转速成正比，水泵的转速与供水量成正比，变频调速控制柜通过改变水泵电源的频率，控制水泵的转速，进而调整水泵的供水量，实现对用户按需供水的目的。变频调速控制柜通过压力传感器采集用户管网的供水压力，进行PID运算，使用户管网的供水压力始终稳定在设定压力的一定范围内。

2.2系统供水的主要操作特性

①设备投入运行前，首先应设定设备的工作压力等相关运行参数；

②设备运行时，由压力传感器连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将其转换为电信号传送至变频控制系统，控制系统将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算；

③如果实际压力比设定压力低，则发出指令控制水泵加速运行，如果实际压力比设定压力高，则控制水泵减速运行，当达到设定压力时，水泵就维持在该运行频率上；

④如果变频水泵达到了额定转速（频率），经过一定时间的判断后，如果管网压力仍低于设定压力，则控制系统会将该水泵切换至工频运行，并变频启动下一台水泵，直至管网压力达到设定压力；反之，如果系统用水量减少，则系统指令水泵减速运行，当降低到水泵的有效转速后，则正在运行的水泵中最先启动的水泵停止运行，即减少水泵的运行台数，直至管网压力恒定在设定压力范围内。

三、方案选择的原因

传统水泵供水方式例如恒速泵直接供水系统，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，或从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定，并且耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。而人工控制的水泵机组供水方式虽然控制结构简单，但是需要专门派人看着压力传感器输送过来的数据在选择泵的工作，控制方式落后，耗时耗力，效率低。而单片机控制技术现在已相当成熟，设备简单，经济性，可靠性高，抗干扰能力强，并且系统由于无需设置高位水箱或压力水罐，所以占地更少，可有效地增加建筑使用面积，提高了资源的充分利用性，所以选用该设计方案。

四、控制系统硬件型号的选取

4.1情景设定

2015年杭州市水资源公报发布，杭州城镇居民人均年生活用水量61.2立方米，假定一家四口人，则每户居民自来水用水量为0.6707m3,一栋楼房高100m，

共30层，每层12户，则整栋楼日均用水量241.5m 3。水泵出口控制的压力范围为1.60MPa-1.8MPa.

4.2单片机的选用

在该供水控制系统中将用AT89S51来完成控制功能。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，40个引脚，4kBytesFlash 片内程序存储器，128bytes 的随机存取数据存储器（RAM ），32个外部双向输入/输出（I/O ）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT ）电路，片内时钟振荡器。器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash 存储单元。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP 、TQFP 和PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

AT89S51引脚图

4.3 A/D 和D/A 的选用

4.3.1 A/D 转换器

小区住宅楼高为80m ，控制的压强范围为1.60MPa-1.8MPa ，若选择8位的转换器，则分辨率为：25.7812/102.086=⨯，相对于供水系统来说，选用ADC0809转换器可以满足相应要求。

ADC0809是8位逐次逼近型A/D 转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。8路输入通道，8位A/D 转换器，即分辨率为8位，具有转换起停控制端，转换时间为100