任务二计算机控制系统设计举例

1、15:032022-6-20一、变频调速恒压供水控制系统一、变频调速恒压供水控制系统任务二任务二 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 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适用于一切需要压力供水的场合场合，可取代水塔、高位水箱和气压罐。15:03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。 、 15:03（一）（一） 明确工艺要求明确工艺要求 高层建筑的生活、消防供水，住宅小区的生活、消

2、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。（1）主要适用范围流量：102500m3/h，扬程20200m。（2）供水量15:031）可根据水压和用水量的大小合理选配水泵。（3）性能特点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。4）系统具有欠电压、过电压、过电流、短路、过热等多种故障保护和报警装置。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。 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击转矩

3、，实现电动机及机械负载的平滑起动，减少起动电流对电网的影响程度，使电网和机械系统得以保护。15:036）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。15:03（二）（二） 总体方案设计总体方案设计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14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

4、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05v电信号进行变压控制。15:03(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。15:03(10)无水停机功能蓄水池无水时水泵自动停机，水位回升到一定高度水泵自动开起。(11)小流量补压功能当夜间用水量减小，管网压力升高时，若恒压泵全关后，反馈压力还

5、略大于给定压力，则起动附属小泵，维持供水；当反馈压力大于给定压力较多时，附属小泵自动停机。(12)抗干扰设计和故障保护功能。系统具有自诊断功能，遇故障自动报警停机，有效保护变频器和整个供水系统。15:032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、D/A通道和开关量输入/输出通道，设计成了最小系统。15:03 蓄水池与水泵机组距离不到30m，压力传感器选用远传压力表，安装在总管网水口处，负责将00.1MPa的水压转换成05V的反馈电压信号送至单片机。3现场设备

6、选择 执行机构为变频器，单片机经过运算后输出010V电压信号，控制变频器的输出电压和频率，从而控制电动机的转速。YTZ-150远传压力表15:03（二）（二） 硬件电路设计硬件电路设计1强电线路设计 水泵软起动由变频器实现。由于变频器昂贵，所以在多泵系统中采用了“一变多恒”的控制原则，即多台水泵共用一个变频器，任意时刻只有一台水泵处于变频状态，利用增、减运行水泵的个数进行粗调，利用变频泵加、减速进行微调，使供水压力趋于恒定。系统具有手动/自动两种控制切换功能开关。4个变频通道的交流接触器设置机械互锁。 每个水泵电动机设置正反转交流接触器。 系统设置三个空气开关，控制电路通/断。15:03强电线

7、路原理图控制器远传压力表停止/运行010V教材此处有错机械互锁进水上限输入进水下限输入污水上限输入污水下限输入KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1变频故障火警缺水欠压超压软起动输入1手动起动/自动消防信号输入管网过压输入KAR US VT 变频器 WGVRF ACM DCM FR VC GND COM RUN H/A M1M2M3 VM4 PFOPCOM GNDWHWLDHDL COMB0 H3H0 B3B1 H2H1 B2FOP CFP

8、FOR CFR TA TC M13KM0KM1M23KM2KM3M33KM4KM5M43KM6KM7QF1QF2QF3L1L2L3NKM0KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KA选择开关H/A软起动输入2软起动输入3软起动输入4单片机控制器工作指示灯控制输入水泵电机工作控制内部控制逻辑强电互锁电路15:03 变频器的R、S、T端子接380V交流输入，U、V、W是变频器的三相电压输出。由于采用了一变多恒的控制方案，故4个变频通路上的变频切入接触器KM0、 KM2、 KM4、 KM6采取了机械互锁。 机械互锁：通过机械部件实现互锁，比如两个开关不能同时合上，可以通过机械杠杆，使得一个开关合上

9、时，另一个开关被机械卡住无法合上。 电气互锁就是通过继电器、接触器的触点实现互锁。15:03 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。15:03 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。15:03 设置相关指示灯： KM0KM7、H/A、欠压超压、火警、缺水、故障等。

10、消防输入键及水位报警等输入触点。15:032单片机控制器设计 89C52单片机作为控制核心，将远传压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。光 隔锁存器光 隔锁存器光 隔锁存器继电器继电器现场继电器D/A变频器M1M4A/D供水管网380V显示器看门狗键 盘附属泵单片机89C5215:03 给定压力减去实际压力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010V电压信号，作为变频器的控制信号。15:03 增泵过程：当用户用水量增大时，CPU检测到管网出水口压力趋于下降，让变频泵加速运行，增大出水量，使管网压力恒等。15:03若压力上升到设

11、定压力，则稳态后变频泵维持瞬时转速值不变；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。15:03 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，使管网压力恒等。15:03若变频泵转速已减到最低转速，管网压力仍高于设定值，就给此机组断电，起动另一台水泵机组变频减速运行 如此循环，直到管网压力等于设定值。15:03 附属小泵用于一定时间内用水量急剧减少的供水场合，如大多数用户夜间用水量为零，电动机若按照白天的转速运行，管网压力会超过设定压力

12、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。15:03（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。单片机控制器功能设计15:03（3）消防控制 当有火警或消防信号时，系统自动

13、切换到消防压力运行。（4）蓄水池液位检测 当液位传感器检测出低水位时，水泵自动停止运行，有效防止水泵无水运行而损坏；当蓄水池水位正常时，系统自动恢复运行。15:03（5）密码保护功能 为防止无关人员更改变频器的参数设置而造成不可预计的后果，可设置密码，只有密码输入正确后才能进行控制功能参数的查询和修改；否则，只能查看一些运行参数（如频率、压力等）。15:03系统初始化开始有键按下？按键处理是消防状态？起动第2压力全部水泵停机蓄水池无水？定时运行？当前是开机？开机时刻到？停机时刻到？全部水泵停机读入实际压力，计算偏差ePID运算，得控制量u水泵机组切换处理有错误？出错处理系统主程序流程图YYNN

14、YYYYYNNNNNNY15:033控制算法设计 由于用水量的随机性和供水管网的差异性很难找到适合的数学模型，采用PID控制算法。比例控制可以提高系统响应的快速性，积分控制可以消除系统的静态误差，微分环节可以消除系统惯性的影响。) 1()()()()(0TkekeTieTTkeKkuDikIp PID控制算法的输出： 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。15:03 系统上电初始化时让D/A转换器输出020V的中值5V，对应变频器的25Hz输出，在此基础上

15、进行增量调节。变频调速水泵PID控制结构图数字设定给定压力reuD/A变频器水泵A/D压力传感器增量式PID管网实际输出压力c)2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkuDIp15:03采样实际压力c(k)结束计算偏差e(k)r(k)c(k)计算up(k)Kpe(k)- e(k-1)计算ur(k)Kre(k)计算uD(k)计算u(k)=up(k)+ur(k) +uD(k)相关参数移动，为下次运算做准备，即以e(k-1)作为新的e(k-2)以e(k)作为新的e(k-1)2() 1(2)(kekekeKD增量型PID运算流程图15:034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