智能給水控制器設(shè)計
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隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市高層建筑的不斷涌現(xiàn)，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，加上目前能源緊缺對節(jié)能的要求，因此利用先進的電子測控技術(shù)和自動化控制技術(shù)，設(shè)計高性能、高可靠性、低成本、低能耗，以及能適用不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)也就成為必然趨勢。隨著近年來變頻調(diào)速技術(shù)的飛速進步，變頻恒壓供水也在其基礎(chǔ)上慢慢發(fā)展起來，并成為一種新興的現(xiàn)代化供水技術(shù)。
目前，國外的恒壓供水工程設(shè)計都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，這種方式不但投資成本較高，且功能單一。
為此設(shè)計了在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中加入基于C8051F410的單片機系統(tǒng)，構(gòu)成了功能更強的復合控制系統(tǒng)，它不但克服了以上缺點，而且具有安裝調(diào)試方便，功能全面，可靠性高。抗干擾能力強等優(yōu)點，且可以廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、社會生活的各個領(lǐng)域。
1 控制原理
在恒壓供水系統(tǒng)中，安裝于管網(wǎng)的遠傳壓力表提供水壓力信號，并經(jīng)過光電隔離和電壓轉(zhuǎn)換電路，傳送給系統(tǒng)的中心控制器，控制器將采集到的壓力數(shù)據(jù)與預設(shè)壓力進行比較，得出偏差值，再經(jīng)PID運算之后得出控制參數(shù)，D／A模塊將控制參數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，以保證管網(wǎng)壓力基本恒定。當用水量增大時，管網(wǎng)壓力低于預設(shè)值，變頻器頻率就會升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，從而提升管道水壓，但若達到水泵額定輸出功率仍無法滿足用戶供水要求時，該泵自動轉(zhuǎn)換成工頻運行狀態(tài)，并變頻啟動下一臺水泵；反之，當用水量減少，則降低水泵運行頻率直至設(shè)定的下限運行頻率，若供水量仍大于用水量，則減泵直至全部泵停止工作，經(jīng)過一定的延時，控制器重新比較壓力，并計算控制輸出，從而維持恒壓供水。它的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
該系統(tǒng)可以同時控制2臺水泵，根據(jù)不同的場合可以采用不同的運行模式，如單泵運行、一用一補、一工一變、定時換泵等。
2 系統(tǒng)總體方案
系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化、標準化設(shè)計，并充分考慮系統(tǒng)的擴展能力?？刂破饔芍骺匕濉@示按鍵面板和電源板三部分組成。圖2是控制器的結(jié)構(gòu)框圖，其工作原理是：首先用戶通過顯示按鍵面板設(shè)定預設(shè)壓力和控制器運行的各個功能參數(shù)，保存至E2PROM存儲器用作掉電存儲，位于用戶管網(wǎng)端的遠傳壓力表輸出的電壓或是電流信號經(jīng)過采樣電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送入單片機與預設(shè)壓力進行比較，計算并輸出模擬控制量和繼電器輸出狀態(tài)量。其中，模擬控制量輸出經(jīng)過變頻器控制模塊電路送給變頻器，用以控制變頻器的輸出頻率；繼電器輸出狀態(tài)量經(jīng)過繼電器輸出電路送給繼電器組，用以控制各個泵工作于工頻或是變頻狀態(tài)。最后單片機把實際壓力值、預設(shè)壓力值、輸出頻率和各個泵的工作狀態(tài)送到顯示面板，以便用戶進行觀測和操作。
3 系統(tǒng)單元電路
3．1 主控制器的選擇
主控制器選用單片機C8051F410，它是一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型芯片，其內(nèi)部還集成了12位高速ADC模塊和電流輸出型DAC模塊，同時硬件實現(xiàn)的SMBus和UART串行接口，能方便處理器與E2PROM通信和數(shù)據(jù)串行輸出。C2805lF410還支持JTAG實時仿真和跟蹤，能夠進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)的全速在系統(tǒng)調(diào)試。
3．2 系統(tǒng)電源電路
該設(shè)計采用基于三端穩(wěn)壓芯片TOP221Y的高精度開關(guān)穩(wěn)壓電源電路，主電路拓撲結(jié)構(gòu)選用單端反激式直流變換電路，其輸出采用兩組直流低壓電源：主回路為系統(tǒng)的數(shù)字電路部分提供5 V直流電源，副回路為系統(tǒng)的模擬部分提供15 V直流電源。
3．3 壓力表信號采集與光電隔離電路
位于用戶管網(wǎng)的壓力傳感器監(jiān)測到的壓力信號經(jīng)過光電隔離電路進行濾波和隔離處理后，進入C8051F-410內(nèi)部的ADC模塊，實現(xiàn)按比例轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為12 b數(shù)字量，以供單片機對其信號進行處理和計算。為了保證輸入量與轉(zhuǎn)換量程相稱，充分發(fā)揮A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率，在對壓力信號進行A／D轉(zhuǎn)換之前經(jīng)過光電隔離電路時，就已將外部傳入的O～5 V模擬電壓轉(zhuǎn)換為O～2 V模擬電壓信號。電路原理如圖3所示。
由圖3可見，外部電壓信號從IN端口接入，經(jīng)過隔離和濾波電路，轉(zhuǎn)換為O～2 V電壓，從ADC端口送入單片機。同時在模擬信號采集到單片機系統(tǒng)的過程中，各種干擾信號都會隨著被測量信號進入MCU控制系統(tǒng)，這些信號迭加在有用的被測信號上會降低測量的準確度，造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。以上電路設(shè)計便利用線性光耦進行光電之間的相互轉(zhuǎn)換，利用光作為媒介進行信號傳輸，在電氣上使測量系統(tǒng)與現(xiàn)場信號完全隔離，從而實現(xiàn)了電平線性轉(zhuǎn)換且不把現(xiàn)場的電噪聲干擾引入到控制系統(tǒng)中。
3．4 控制變頻器輸出電路
單片機通過內(nèi)部的電流輸出型數(shù)／模轉(zhuǎn)換模塊(IDAC)，將計算得出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出，其輸出電壓經(jīng)過濾波和比例轉(zhuǎn)換處理后用來控制變頻器的頻率。同時為了保證單片機IDAC輸出電壓穩(wěn)定可靠，不受干擾，外部電路同樣采用了光電隔離電路，其電路原理圖如圖4所示。
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