无塔变频恒压供水系统设计毕业设计论文.doc

图书分类号：密 级：毕业设计(论文)无塔变频恒压供水系统设计TOWERLESS FREQUENCY CONVERSION CONSTANT PRESSURE WATER SUPPLY SYSTEM DESIGN学生姓名班 级学院名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师2013年5月22日徐州工程学院毕业设计(论文)徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日徐州工程学院毕业设计(论文)摘要随着我国国民经济的快速发展和城市化进程的加快，工农业生产和生活用水量急剧增加，水资源的节约和合理利用显的及其重要。恒压供水技术的发展对于水资源的节约和电能的合理利用有着非常重要的意义。本文介绍了一种基于单片机控制的高楼变频恒压供水系统。系统以单片机为核心，通过对变频器和交流接触器的控制，实现高楼全自动恒压供水。文中对系统的工作原理进行了阐述，并对算法流程进行了设计。系统根据用水量的多少由单片机来控制运行的水泵数目,变频调节水泵机组的转速,保证供水系统的水压恒定,可以避免管网的压力超出设定压力从而引起设备的损坏；变频调速可以使水泵机组实现循环软启动防止频繁启动时,启动电流对供电系统和配电设备产生冲击,使电气设备、水泵机组和管道的使用寿命得到了延长。这种由单片机来控制的变频调速恒压供水电路,不但使水压恒定,节电节水,系统维修工作量小，而且占地面积小,成本低, 投资省,操作方便,运行可靠，非常适合于高层建筑和生活小区供水。关键词 恒压变频供水；单片机；变频器；自动控制IV徐州工程学院毕业设计(论文)AbstractWith the rapid development of national economy and the acceleration of urbanization, industrial and domestic consumption, irrigation requirements in our country have increased enormously. So the saving and reasonable using of water is becoming very important. The development of hydrotechny plays an important role in that. In this paper, I design a hydrotechny system based on single chip Microcomputer. In order to supply water to high buildings with constant pressure, the whole system, which consist of Micromaster and pressure sensor, is automatically controlled by a single chip Microcomputer. We formulate both the systems requirements and structure and the theory and characteristics of constant pressure water supply. The system measure water needed and put into operation by the single-chip microcomputer to control the number of pumps .The electric motor was controlled through Micromaster and AC contactor ,which ensure constant water pressure and can effectively prevent the emergence of pipeline equipment caused by overpressure damage. The variable frequence technique achieve circular soft start and avoid the wallop of power supply system caused by starting current.The useful time of the electric installation , pipeline and water pumps .This circuit is not only keeping a constant water pressure and a small maintenance workload ,but also a little maintenance workload .Besides ,it need less floor area and costs ,so it is easy and realible to operate .In all ,it is very fit for water supply of of high-rise buildings and utility area.Keywords Constant pressure water supply Single chip Microcomputer Micromaster automatic control 目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究的目的与意义11.2 国内外发展的状况21.3 变频供水系统应用范围41.4 恒压供水的实现42 变调速系统能耗分析62.1 供水系统的工艺要求62.2 供水系统分析72.3 变频调速恒压供水工况与能耗机理分析83 方案论证与选择113.1 控制方式的选择113.2 调速方式的选择113.3 总体设计方案的选择123.4系统器件的选型133.4.1单片机的选择133.4.2 变频器的选择143.4.3水泵的选择173.4.4 RS-485收发器选型173.4.5模数转换器ADC0809183.4.6 压力、液位变送器193.4.7时钟芯片 DS1302194 系统硬件设计204.1 单片机最小系统设计214.2 RS-485接口电路224.3 A/D转换采样电路234.4显示电路的选择和设计234.5 键盘电路设计254.6直流电源电路265 系统软件设计275.1 程序设计275.1.1 数字PID参数的选择275.1.2 主程序设计285.1.3 子程序设计295.2 软件流程图305.2.1 主程序流程图315.2.2 子程序流程图32结论35致谢36参考文献37附录39徐州工程学院毕业设计(论文)1 绪论1.1 课题研究的目的与意义给水工程是为居民小区、厂和矿等供应生活、生产用水的工程。由给水水源、给水构筑物、输水管道、给水处理厂和给水管网等组成，具有取水集水和输送原水、改善水质的作用。给水水源。有地表水、地下水和再用水。地表水主要指江河、湖泊、水库和海洋的水，水量充沛，是城市和工厂用水的主要水源，但水质易受环境污染；地下水水质洁净，水温稳定，是良好的饮用水水源；再用水是工业用水的重复使用或循环使用，先进国家的工业用水中约6080是再用水。 取水建筑物。 有地表水取水建筑物和地下水取水排水工程。排除人类生活污水和生产中的各种废水、多余的地面水的工程。由排水管系（或沟道）、废水处理厂和最终处理设施组成。通常还包括抽升设施（如排水泵站）。和人们生活密切相关的小区或大楼供水，为了保证供水质量，一般采用恒压供水系统。以前是用供水水塔或高位水箱来保证供水系统的压力恒定。随着技术的进步，逐渐采用了无塔上水器、变频恒压供水等技术来保证供水系统压力恒定，以提高供水质量。随着变频器的日益广泛应用，恒压变频供水成套设备也日益完善、增多，小区或大楼供水系统中采用定压变频供水的方案也逐渐增多。但谈到变频供水节能时，不管变频供水系统是什么样的变流量系统，一律认为是水泵功耗和水泵转速的三次方成正比。随着人们生活水平的提高、高层建筑的快速发展，高楼供水系统的应用越来越多；水资源却在不断减少，能源的需求不断提高，水资源、能源的节约和合理利用就摆在重要位置。研究高楼供水技术对于水资源的合理利用和电能的节约有着极其重要的意义。建筑给水排水是给水排水工程三大支柱之一 ，它是与人民生活、 社会生产、 卫生安全息息相关的一门学科。随着国民经济的快速发展和城市化进程的加快，工农业生产和生活用水量急剧增加，水资源的节约和合理利用显得极为重要。高楼供水技术的发展对于水资源的节约和电能的合理利用有着极其重要的意义。随着人们生活水平的提高、高层建筑的快速发展，高楼供水系统的应用越来越多；水资源却在不断减少，能源的需求不断提高，水资源、能源的节约和合理利用就摆在重要位置。研究高楼供水技术对于水资源的合理利用和电能的节约有着极其重要的意义。据统计，我国每年水泵消耗的电能约占电能总消耗量的20%以上，而电能消耗又占水费成本的60%以上。全球温度正呈现上升的趋势，更加有效地利用能源成为当务之急。降低能耗的主要对象之一是电机。据粗略的统计，电机消耗了美国一半以上的能量。在家庭中使用的电机数量一般不下50台，一部汽车里通常有70至80台电机；在工业领域，工厂自动化中应用的电机更加比比皆是。本文采用了交流变频调速装置和压力传感器构成闭环系统，由单片机控制实现高楼全自动恒压供水。交流变频调速是交流电动机调速方法中最理想的方案，采用变频器对水泵类机械进行调速来调节流量的方法，对节约能源，提高经济效益具有重要意义。但是，过去由于各种原因，如变频器的价格、质量、容量等因素的约束，没有得到广泛应用。近年来随着IC产业的迅猛发展，变频器的价格大幅下降，可靠性增强，容量增大（已达到400KW），变频器的使用已成倍增长。目前，国内外许多电力拖动场合已将矢量控制的变频器广泛应用于通用机械、纺织、印染、造纸、轧钢、化工等行业中交流电动机的无级调速，已明显取得节能效果并满足工艺和自动调速要求。1.2 国内外发展的状况近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测系统日新月益的更新。本文根据目前单片机控制的恒压控制系统的研究现状，充分利用现代化新型、先进的元器件和最新的智能控制理论与算法，将变频调速技术和单片机技术融合到一起。设计高楼恒压供水智能控制系统。恒压供水系统目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究中，大容量恒压供水系统存的水压闭环控制和变频电源与工频电源的无扰动平稳切换问题没有得到根本性的解决。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，并且降低中大容量系统的投资成本，本文主要利用单片机、变频器、传感器和多台水泵机组等主要没备构建变频调速恒压供水控制系统，实现水泵电机的无级调速，能够极大地改善管网的供水环境。目前的高楼供水系统中，有许多种供水方式：组合泵供水、调节阀门供水、高位水塔供水等。在这些供水方式中，由于水泵扬水较高、水压不稳且电机一直高速运行，从而造成较大的电能消耗。高楼供水技术的发展对于水资源的节约和合理利用有着极其重要的意义。另外，从控制部分来分，主要有单片机控制和PLC控制。单片机控制高楼供水主要有调压调速和变频控制。随着电力电子技术的发展，变频调速产业正在不断壮大，成为主流的调速方式。供水系统在设计时是按现场最大供水需求（及最大工况）来考虑的，供水水泵的运行工况也相同，即按单机的最大供水需求量来考虑的；在实际使用中有很多时间水泵都需要根据实际工况进行调节，传统的做法是用开停补（减）泵及开关阀门的方式进行调节，用开停补（减）泵会有启动冲动电流，开关阀门进行调节增大了系统的节流损失，且对系统本身的调节也是阶段性的，调节速度缓慢，减少损失的能力很有限也使整个系统工作在波动状态，对于供水系统超压爆管这类故障几乎无能为力。目前，国内绝大部分区域均采用集中净化供水方式。但是受到输水管线和供水设备的限制，供水压力和高峰流量都满足不了用户的要求。因此，摆在用户面前的突出问题：一是蓄水，二是加压。因而各种供水设备应运而生。传统的蓄水加压的实现是采用高位水箱和水塔供水，将水存到水塔，高水箱，靠水势能供水。其缺点是：（1）投资大，蓄水量有限；（2）是不利于维护和抗震；（3）容易造成二次污染，对当今用水量增大，用地紧张情况更显出了不足。80年代，我国引进了气压供水设备。其工作原理是由压力表测气压罐压强，由水位控制器保证水位，由压力和水位两参数控制电机，进行补气补水。但气压供水也存在自身的缺点：（1）罐式设备的膜寿命短，经常易损，造成浪费和水流污染；（2）占地面积大，泵房投资高；（3）水泵电机频繁启，制动，耗电量大且损害寿命；（4）供水压力不稳定，噪音大。90年代随着电子技术和计算机控制技术的发展，出现了单片机控制变频调速供水设备，通过自动调压调频，自动控制水泵转速达到水压保持恒定。单片机通过监控对检测信号和人工设备自动处理。通过在供水水泵加装变频调速器装置，则可以一劳永逸的解决好上述问题，实现自动调节控制，使系统工作状态平缓稳定，并可通过变频节能收回投资。变频节能的效果是十分显著的，特别是调节范围大的系统及设备.只要对转速（频率）稍作改变就会使水泵轴功率有更大程度上的改变，就因有此特点使得变频调速方式成为一种趋势，并且不断深入的应用于各行业及各种调速领域。1.3 变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。 (2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在135kw320kw之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。(3)大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器。1.4 恒压供水的实现系统结构的设计：系统为压力反馈的单闭环控制。利用压力传感器测量水管压力，其输出为数字量。单片机获得测量值后通过算法计算出频率值。通过变频器输出调节泵的转速，来调节水压，从而达到恒压控制的目的。控制算法的设计：由于供水系统难于确定系统的数学模型且具有非线性、高阶次、大滞后、参数易变等特点。而在本科所学的方法中都要求控制对象明确才能计算控制器参数。用凑试法确定PID参数不需要知道系统模型。因此拟用单片机来完成人工参数试凑的过程来整定参数。目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题。 2 变调速系统能耗分析2.1 供水系统的工艺要求本系统对小区面积为3000平米，楼层最高位11层，楼高为38米的1000户的小区进行供水。根据表2-1和表2-2分别确定用水量标准为0.19/人日，最大用水量为175m3/h,根据供水压力公式P=（0.08+0.04*楼层数）MPa得11层楼的供水压力应该为0.52MPa，取0.6MPa。表2-1 合金钢的化学成分与力学性能住宅类型给水卫生器具完善程度用水标准（m3/人日）系数1仅有给水龙头0.040.082.52.02有给水卫生器具，但无淋浴设备0.0850.132.52.03有给水卫生器具，并有无淋浴设备0.130.192.51.84有给水卫生器具，但无淋浴设备和集中热水供应0.170.252.01.6表2-2 不同住宅类型的供水规模 户数用水标准（m/人日）0.100.150.200.2545039.4059.0078.7098.4050043.8065.6087.50109.4060052.5078.80105.00131.3070061.3091.90122.50153.1080070.00105.00140.00175.00100087.50131.30175.00218.80本系统的技术指标以下所示：1.供水系统是一个自动控制系统，在保证最高楼层（38米）供水条件下，使供水压力维持在0.5MPa左右，最大供水压力为0.6 MPa，最小供水压力为0.1MPa，压力允许波动范围为1%。2.系统控制应有实测压力显示和各种工况指示。3.系统能随时中断处理一些紧急事件，如管道漏水等。4.系统能实现实时供水和连续供水的要求。5.系统具有超压、断相和短路等保护和报警功能。6.系统具有手动和自动转换能力。7.其中一台水泵出现故障时，该系统能保证正常运行。8.电机的功率为11KW，电动机3台。2.2 供水系统分析水泵机组利用变频调速技术，通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速来相应的改变水泵的转速及工况，使其流量与扬程可以适应管网用水量的变化，保持管网压力恒定，从而达到节能的效果。由水泵的工作原理可知：水泵的扬程与水泵电机的转速的平方成正比，水泵的流量与水泵电机的转速成正比，水泵的轴功率等于水泵流量与扬程的乘积，所以水泵的轴功率与水泵（电机）的转速的三次方成正比（即水泵的轴功率与供电频率的三次方成正比）。如图2-1所示，n为水泵特性曲线，A管路特性曲线，H0为管网末端的服务压力，H1为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性n0和用水管特性曲线A0汇交于b点，此时，水泵输出口压力为H，末端服务压力刚好为H0。当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。图2-1 节能分析曲线图(1)水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。(2)水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点是在H上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性趋向为nx。而管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点，这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H0H1，则H1即为水泵的能量浪费。(3)水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点式中沿着A0滑动，管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1。根据水泵相似原理： Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3 式（2.1）式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的，保证了供水压力的可靠。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性。另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为： n=120(1-s)/p 式（2.2）式中s为电机的转差率（s=0.02），p为电机极对数，f为定子供电频率。当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低，变频调速时是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为：N=PQ由功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比，基于流量控制可以大幅度降低轴频率。2.3 变频调速恒压供水工况与能耗机理分析 管路水力损失分为扬程损失和局部损失两种 式（2.3）沿程损失： 式（2.4）式中y-管路沿程摩擦损失系数；j-局部损失系数；L-管路长度（m）；A-过水截面的面积。 式（2.5）式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统去掉后，相应的y，j，L，A等参数都能去顶，S也就确定了。由式（2.4）可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水损失就等于上下水位差（即实际扬程H）加上管路损失： 式（2.6）由式（2.5）可以得到如图所示的Hs-Q管路性能曲线图2-2 水泵工作点的确定水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管道性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量，需要减少流量时关小阀门，管路性能曲线有R1变为R2.运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速，如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H1，流量从Q0减少到Q1.在图2-5中水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1BQ1O的面积成正比，运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比，从图2-3上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果明显。图2-3 变频调速恒压供水单台水泵工况调节图求出运行在B点的泵的轴功率： 式（2.7）运行在C点泵的轴功率： 式（2.8）两者之差： 式（2.9）也就是说，采用阀门控制流量时有V的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果显著。考察水泵的效率曲线，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器效率降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体降低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内。在此范围内，电动机的负载率在50%100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。3 方案论证与选择高楼供水系统的设计主要包括单片机控制部分、电动机变频调速部分和算法部分。目前高楼供水控制系统最常见的有PLC控制和单片机控制，电动机调速方式最常见的有调压调速和变频调速。本系统根据高楼供水系统的问题和发展趋势，确定一个最佳方案。3.1 控制方式的选择单片机也被称为微控制器，它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统。它是一种在线式实时控制计算机，有较强的抗干扰能力、较低的成本。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点。目前，单片机已广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC的应用领域比较广泛。单片机为专用控制器，使用范围较PLC狭窄，但是单片机功能很强。在一些能使用单片机且干扰性不强的场合，首先考虑使用单片机。因为单片机的软硬件结构比PLC简单，自然处理速度快，运行效率高。另外，使用单片机成本要比PLC低很多。单片机编程时可以采用汇编语言，也可以使用C语言等高级语言。高楼供水系统控制功能比较简单，要求处理速度较快，而且并不需要经常改变程序。因此使用单片机控制有较高的性价比。3.2 调速方式的选择 感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。调压调速：当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：(1)调压调速线路简单，易实现自动控制；(2)调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低；(3)调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。因此，在一些调速性能要求较高的场合不适合。变频调速：变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：(1)效率高，调速过程中没有附加损耗；(2)应用范围广，可用于笼型异步电动机；(3)调速范围大，特性硬，精度高。变频调速适用于要求精度高、调速性能较好场合。随着电力电子技术的发展，变频调速产业正在不段壮大，成为主流的调速方式。高楼供水系统中，生活区用水, 一天内不同时段的用水量具有明显的差异, 昼夜负荷变化大, 供水量不固定，需要电机调速范围比较大。因此，高楼供水系统选用变频调速。本系统中变频器的控制方式为VVVF，即变压变频。也即是先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压，例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。3.3 总体设计方案的选择根据上述的论证，本设计采取了以单片机为核心的变频调速控制系统，系统的结构见图如3-1所示。该系统根据用户用水量的变化，经单片机运算并与给定参量比较,进行PID运算,得出调节参量,随时调节开启电机台数和水泵电机转速，从而调节供水量，实现恒压变流量供水。另外，系统外接一个时钟芯片，可以实现定时供水的模式。 图3-1 小区供水系统简图3.4系统器件的选型 3.4.1单片机的选择本系统采用的单片机为AT89S51，是ATMEL公司生产低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器。AT89S51主要性能参数为：与MCS-51指令系统完全兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命1000写/擦循环) 4.0-5.5V的工作电压范围 全静态工作：0Hz-33MHz 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 看门狗及双数据指针 灵活的在系统编程 与AT89C51相比，AT89S51性价比优了较大提高：1.ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能。2.最高工作频率为33MHz（89C51的极限工作频率是24M），就是说89S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。3.具有双工UART串行通道。4.内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。5.双数据指示器。6.电源关闭标识。7.全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。8.兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。3.4.2 变频器的选择（一）变频器的原理异步电动机采用变频调速方式来控制其转速是比较理想的一种方法。由交流电动机的同步转速表达式位： 式(3.1) 式中 异步电动机的转速； 异步电动机的频率； 电动机转差率； 电动机极对数。 由式(2-1)可知，转速与频率成正比，只要改变频率即可改变电动机的转速，当频率在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。改变即可改变电动机转速。若均匀地改变定子供电频率，则可以平滑地改变电动机的转速。然而,对于拖动有负载的电动机,只调节频率是不行的,因为，当定子电压不变时,与成反比,的升高或降低, 会导致磁通的减小或增大。从而使电动机最大转矩减小,严重时将导致电动机堵转,或者使磁路饱和,铁损急剧增加。为此,在调节电源频率的同时,要调节电压的大小,以维持磁通的恒定,使最大转矩不变。根据和不同的比例关系, 可形成多种变频调速方式。主要有恒比例控制方式、恒磁通控制方式、恒功率控制方式、恒电流控制方式等。因水泵类负载属于转速平方型负载, 这类负载的性质是转矩和转速的平方成正比, 故该系统采用恒磁通控制方式比较合适。变频器的主回路结构如图3-2所示，整流电路采用不可控整流电路，逆变器采用正弦脉宽调制逆变器，同时完成调压和调频，开关元件采用大功率晶体管GTR。一般的中小容量的逆变器，以GTR作为开关元件最适宜，为使电路可靠工作，逆变器中加入过电流保护、过电压保护和微机监测过流保护等。图3-2 变频器主回路结构图（二）MM440变频器的性能参数根据水泵的参数，本设计选用的是西门子公司的为MM440变频器，其主要参数为：功率范围：0.12KW至250KW电压范围：380V至480V三相交流电；输入：带有6个数字、2个模拟输入和1个电动机过热保护的PTC/KTY输入；输出：2个模拟输出，3个继电器输出；过程控制：内置PID控制器，带参数自整定功能。图3-3 MM440变频器的电路图3.4.3水泵的选择根据供水要求，选择水泵时主要考虑水泵的功率和扬程。因为供水系统所需的供水压力最大是0.6MPa，所以选择的水泵扬程必须大于60m，所以本文选用三台SFL系列50SFL12-158水泵（上海熊猫机械有限公司），该水泵额定为交流380V，额定电流为105A，功率为11KW/h，扬程为100m的三相笼型异步电动机，此结构简单，坚固耐用价格便宜，维修方便。表3-1 水泵50SFL12-158的性能参数型号电机功率流量转速扬程进出口径KWm3/hr/minmmm50SFL12-1581114.41450100503.4.4 RS-485收发器选型在选择RS-485收发器时，首先要考虑到所选的收发器芯片是否能够简化系统的外围电路设计，减少今后整个网络的维护工作；其次还要考虑的是在RS-485总线上所能够挂接的器件数。基于以上这些考虑，再联系本系统，由于本系统中所用节点数较多，所以选用SP485R增强型1/10 单位负载RS-485收发器。SP485R概述：SP485R芯片是一种高性能、低功耗的RS-485差分收发器，能够代替其它通用的RS-485收发器。此款RS-485收发器内部包含一对带使能端的半双工接收器和发送器，并且具有许多其它收发器芯片所没有的优点，如它具有高接收器输入阻抗，并带有更高的ESD保护功能，接收器的高输入阻抗使得在同一条通信线路上能够挂接多达400个收发器而不会使传输线路上的信号有所衰减，大大增加了原有标准上的32个收发器的数量。具体的引脚图和引脚功能见图2-7和表2-3。当要发送数据时，必须置位芯片内部发送器的使能端，这时发送器才能正常工作，发送数据，发送速率不低于5Mbps。如果将使能引脚置为0，则发送器输出为高阻态，禁止发送。当要接收数据时，必须置位芯片内部接收器的使能端，这时接收器才能正常工作，接收数据，接收速率不低于1Mbps。如果将使能引脚置为0，则接收器输出呈现高阻态，禁止接收。此外，接收器还具有故障自动检测的功能，即当输入开路时输出高电平。SP485R的特点：1）单一的+5V电源供电；2）允许多于400个收发器挂接在同一条传输线路上（1/10 单位负载）；3）接收器输入高阻抗（标准值 RIN150k）；4）半双工配置与工业标准管脚一致；5）共模输入电压范围为-7V+12V；6）包含关断模式（ICC10A）；7）低功耗（250mW）；8）独立的发送器使能和接收器使能。图3-4 SP485R引脚图表3-2 SP485R引脚功能表管脚号名称描述1RO接收器输出2接收器输出使能（低电平有效）3DE发送器输出使能（高电平有效）4DI发送器输入5GND地连接6B发送器输出/接收器输入反相7A发送器输出/接收器输入反相8Vcc正电源电压（4.75VVcc5.25V）3.4.5模数转换器ADC0809模/数转换器（ADC）芯片的种类较多，按转换原理可分为计数器式ADC、逐次逼近式ADC、双积分式ADC、并行ADC等。本系统采用的模数转换芯片为ADC0809，因为ADC0809 是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式ADC,它除了8位ADC外，还有一个8路模拟开关，其作用可根据地址译码信号来选择8路模拟输入，8路模拟输入可以分时共用一个ADC进行转换，可实现多路数据采集；而且其转换结果通过三态输出锁存器输出。3.4.6 压力、液位变送器高楼供水系统中，控制信号为压力量，即通过安装在水泵组出水管上的压力变送器采集出口压力信号，经过A/D转换送入单片机，与给定值相比较，进行PID运算，输出调节量，从而实现对压力的控制。本系统采用的为EHT-13-2远传压力变送器和LRSP系列液位传感器15。其中EHT-13-2压力变送器的指标为：量程范围：00.6Mpa；输出信号：4-20mA电流信号误差：0.05%LRSP系列液位变送器的最大量程为5米，输出信号为4-20 mA直流电。3.4.7时钟芯片 DS1302DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。图3-5 DS1302的引脚图484 系统硬件设计高楼恒压供水系统以AT89S51芯片为核心，由变频器部分、强电电路开关切换电路、压力变送器、A /D转换部分、键盘显示、报警等部分组成。系统结构框图如下：图4-1 高楼供水系统结构图工作原理：通过安装在水泵组出水管上的压力变送器采集出口压力信号，并变成 15V的电压模拟信号, 经前置放大,多路切换, A /D变换成数字信号；送入单片机，经单片机运算并与给定参数进行比较，得出调节参量；变频器结合交流接触器按规定切换顺序控制水泵开启台数。水泵机组采用循环软启动工作方式运行：系统启动时，第一台水泵变频运行，另外两台电机不工作；当水压满足不了要求时，第一台继续变频，将第三台水泵转为工频运行；如果仍达不到压力要求，则第一台转为工频运行，第二台变频运转，第三台保持工频运行不变。停泵时先停第三台工频泵，然后停第二台、第一台。用户的用水量与频率的变化有关，用水量多时，频率提高，水泵电动机转速加快；反之，用水量少时，频率降低，水泵处于低速状态，达到节能、恒压的目的。另外, 系统利用了变频器本身的过电压、欠压报警、缺相保护功能，充分利用单片机接受报警信号，可以进行中断处理, 并通过程序延时等手段实现软启动、无扰动切换，使系统更安全可靠地运行。4.1 单片机最小系统设计由于AT89S51内部有4KB闪烁存储器，芯片本身就是1个最小系统，所以它的最小系统设计只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3-2所示。AT89S51中有一个用于构成的振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。时钟可以有内部方式产生和外部方式产生。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就