利用单片机和变频器改造城市小区供水系统

【摘 要】 随着国民经济的迅速发展，生活水平不断提高；人们不再满足于日求三餐夜求一宿，追求高质量的生活水准。因本人居住的小区自来水压偏低，特别是用水高峰期，只能望水兴叹干着急，正好本人在学校讲授的机电专业课程，眠发了利用学校的实验室的设备做试验，用单片机和变频器为主要单元组成变频调速改造恒压供水系统的试验。

【关键词】 单片机 变频器 传感器 供水系统

水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，城市的生活生产用水主要来自由自来水公司的市政管网提供。然而自来水的给水压力通常只能达到0.35-0.4MPa，一般只能满足8层楼的用水需求，随着广东梅州城区的发展，城市内的次高层和高层建筑的比例不断增加，自来水的给水压力已无法满足次高层和高层建筑的生活和消防给水的要求，只能由生活小区依靠二次加压给水设备进行增压给水，本人居住的老城区，自来水管网还是上世纪旧时代的，老化的管网普遍漏水，水压力不能达到要求（偏低）。

近年来，随着单片机和变频调速等自动化技术的成熟、普及和应用，变频调速系统实现了电机无级调速，根据水泵出口的压力情况自动调节水泵机组的转速，通过压力传感器反馈到变频器，由变频器产生频率的高低来控制电机的转速，从而保持水压恒定，以满足人们对给水系统的要求。变频调速恒压给水系统无论是投资规模、运行的经济性、可靠性、稳定性和自动化程度等方面都优于传统的给水系统，而且还能有效的降低能耗。

本系统具备同时控制三台水泵的功能，根据不同场合，不同需要可以采取三台同时运行；二台同时运行，一台备用；一台运行，二台备用；定时换泵等多种工作方式。水泵电机全部采用软起动，遵循先起动先停止的原则，具有变频器频率显示和实时压力显示；变频器故障、远传压力表故障、欠压超时和水位报警指示；可设定上限保护压力，PID上升和下降周期及跟踪周期；还可以设定哪个水泵先供电工作，达到设定压力时通过压力传感器自动切断水泵电源。无需增加水泵时时行定时换泵工作，具有强制换泵功能。

本系统以AT89C51单片机和变频器为核心，在水泵的出水管道上安装一个远传压力表，用于检测管道压力，并把出口压力变成0～5V或4～20毫安的模拟信号，送到单片机系统的A/D转换输入端，再经A/D转换变成相应的数字信号，送入AT89C51单片机进行数据运算和处理。单片机经运算后与设定的压力值进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数。经D/A转换变成0～5V或0～10V的模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，从而改变水泵电机的转速，达到控制管道压力的目的。

当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率上升，电机转速加快，管道压力开始升高；反之，变频器频率降低，电机转速减小，管道压力降低。如此上下调整多次，直到偏差值为零。这样实际压力围绕设定压力值上下波动，保持供水压力恒定。系统组成的原理如图1所示。

1 控制系统硬件设计

由单片机和变频器组成的恒压供水系统的硬件结构框图如图2所示。

本系统硬件以AT89C51单片机为核心，AT89C51单片机本身有4K的内存，所以不需外扩展内存；系统的显示部分采用4片74LS164芯片驱动LED，LED显示方式为静态显示方式，单片机的显示信号输出使用AT89C51的串行通讯口TXD、RXD，串行口工作于方式0，即移位寄存器方式。图2中93C46为EEPROM（串行电可擦可编程只读存储器），用于保存开机设定时的原始参数，这样系统断电时，设定的数据能永久保存，再开机上电时无需再重新设定参数，即可以运行于断电前的状态。系统采用NE555组成硬件定时复位电路，可以有效防止程序死机现象，提高了系统抗干扰性能。复位电路每1秒钟向AT89C51的RESET复位端发出复位信号，根据程序的需要，通过AT89C51的P3.4端可以随时控制复位电路的起动和停止，当P3.4=0时，NE555的2引脚为低电平，停止复位；当P3.4=1时，NE555的2引脚为高电平，起动复位。系统中74LS273用于对继电器输出状态锁存，以防止输出状态扰。ULN2003为反向驱动芯片，同时在74LS273的CLEAR管脚外接了RC电路，用于开机上电时清零74LS273的输出端，这样可以防止继电器的误动作，对变频器起到保护作用。同时在报警输入端与CPU之间采用光耦隔离，以消除外部干扰。由于系统要求的响应速度并不快，因此，系统A/D输入采用8位串行ADC0831逐次逼近模数转换器，这样可以节省AT89C51单片机的I/O口，降低系统成本。D/A输出采用光耦隔离式D/A输出，在报警输入端与CPU之间也采用了光耦隔离，以消除外部干扰。这样现场模拟量信号经AT89C51单片机运算处理后，向变频器发出控制信号，改变变频器的输出频率，从而改变水泵电机的转速。

2 变频器功能的预置

变频器需要预置的主要是基本运行功能、升降速功能、保护功能等，通用变频器都能够这些功能。系统采用变频器内部的PID功能时，其升、降速时间由PI的预置值决定，而降速时间的预置一般不起作用。

在不采用变频器内部的PID功能的情况下（如采用单片机的PID控制算法），变频器工作频率的变化速度主要取决于预置的升、降速时间。升、降速时间过短，变频器可能因过流或过压而跳闸；升、降速时间过长，则会使变频器调速系统反应迟缓，造成管路中欠压或超压时间过长，满足不了恒压供水的要求。因此，升、降速时间的确定，应根据现场的实际情况来调整。

（1）U/f图形及转矩补偿功能的预置。对于水泵负载，通常选择负补偿最大的U/f曲线；如果满足不了转矩要求，则依次选取弯曲较小的U/f曲线。设定该功能的同时，要设定恒速运转的电流限制功能。（2）运转开始频率的预置。一般情况下，水泵在低频运行的意义并不大，有的水泵并不能从0Hz开始起动，所以应该预置运转开始频率，在运转开始频率以下，变频器处于待机状态，以利于更好地节能。在变频器起动无过流的前提下，运转开始频率可预置高一些，一般设定0～20Hz（也可通过预置下限频率来达到此目的）。（3）载波频率的预置。载波频率增高，可以减小电机噪声，但将增加对外电路的干扰，尤其是对共用电源的仪表、控制器等的干扰，并且增加输出端对地漏电，不利于较长距离的输出。载波频率降低，则电机噪声增加，且输出电流的谐波分量增大。（4）保护功能的预置。在保护功能中，输出电流限制功能和过负荷报警功能，两者的出厂值是相同的。如果前者功能动作，则降低输出频率或减缓升速过程中的频率变化；后者功能动作，则报警停机。为使系统更好地工作，不出现停机，输出电流限制功能的预置值应比过负荷报警功能的预置值小一些。

从实际运行效果来看，水泵电机起动平稳，系统动态性能良好，系统响应的稳定时间在30秒内，稳态性能稳定在±0.02MPa之间，抗干扰能力强，满足了实际控制的需要。

自来水对人们的生活越来越重要，人们对供水的安全可靠性的要求不断提高。给水压力与流量对用户的用水质量具有直接影响，因而对给水水压、流量的控制，直接影响到给水系统的供水质量。给水泵组是一种长期运行的用电设备，节约泵组的电耗，对国家节能减排意义非常重大。把先进的自动化技术、控制技术、节能技术等应用于给水领域。针对城市高层建筑和消防供水系统的实际情况，以单片机和变频器为主要单元组成变频调速恒压供水系统。采用自动控制原理实现对供水压力的连续监督和控制，自动调节水泵电机加、减速，自动完成各泵的轮休、泵组软启动及无冲击切换，使水压平稳过渡，延长设备寿命，提高供水水量，降低能耗。在传统的变频调速方式上大大的提高了调速系统的性能。通过本项目的设计、研究及应用，不仅能够节约水资源，减少设备维护，而且该系统结合高层建筑生活供水与消防供水于一体，在节约能源与水资源的前提下，既保证居民的生活用水，又提高了消防安全系数。具有较大的经济和社会意义。

参考文献：

[1]机电仪一体化设备的组装与调试，杜从商等编写，广西教育出版社.

[2]可编程控制器原理与应用，杨公源主编，电子工业出版社.

[3]可编程控制器与变频技术，刘守操等编，广东省电工技能鉴定所.

[4]单片机原理及应用，王法能、杨艳慈主编，科学出版社.

[5]电气控制与可编程控制器技术，史国生主编，化学工业出版社.

[6]变频器控制技术，李方园编著，电子工业出版社.