基于單片機(jī)和變頻調(diào)速技術(shù)的水塔液位控制系統(tǒng)研究?

（渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院 渭南 714099）

1 引言

人民群眾的用水是每天日常生活中必不可少的一部分，但是隨著社會(huì)的發(fā)展，城市各住宅小區(qū)的樓房越來(lái)越高，如何保證高層住宅的市民能夠正常供水成為必要考慮的因素之一。對(duì)于較高樓層的供水，首要考慮是水壓?jiǎn)栴}，但是水壓水位如何控制成為本文研究熱點(diǎn)問(wèn)題。而傳統(tǒng)的城市生活供水維持水壓的方法是建造水塔，水塔水位控制系統(tǒng)是我國(guó)住宅小區(qū)廣泛應(yīng)用的供水系統(tǒng)，傳統(tǒng)的水塔水位控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點(diǎn)［1～4］。本文在結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和變頻調(diào)速控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套根據(jù)人民生活用水量的變化而自動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的一種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)解決傳統(tǒng)負(fù)荷水位穩(wěn)定和供水設(shè)備一直高速工作而造成浪費(fèi)資源問(wèn)題。

2 液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理

基于單片機(jī)和變頻調(diào)速技術(shù)的水塔液位控制系統(tǒng)其硬件電路包括液位檢測(cè)電路、變頻器電路、水位報(bào)警控制電路、顯示電路及通信模塊等電路構(gòu)成，該系統(tǒng)以單片機(jī)為主要的控制芯片，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

該液位控制系統(tǒng)的工作過(guò)程為：當(dāng)水箱中液位發(fā)生變化時(shí)，由液位檢測(cè)電路中水位壓力傳感器檢測(cè)到水位壓力變化，根據(jù)液位檢測(cè)原理將液位的變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，然后將檢測(cè)的電信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)學(xué)信號(hào)輸出。單片機(jī)為控制芯片，接受到輸出信號(hào)后對(duì)輸出電信號(hào)進(jìn)行分析處理，根據(jù)鍵盤(pán)電路預(yù)先設(shè)定的水位閾值來(lái)判定供水泵如何工作，同時(shí)若水位高度超出預(yù)設(shè)上下限閾值，則會(huì)控制報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警，及時(shí)將報(bào)警信息經(jīng)通信模塊電路傳遞給上位機(jī)并作出處理。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 液位檢測(cè)電路

圖2 液位檢測(cè)電路

水的液位檢測(cè)電路由水位壓力傳感器和放大電路組成，水位壓力傳感器選擇的型號(hào)為B2119壓阻式壓力傳感器［5～7］，在液位的測(cè)量中，通常采用電橋電路的形式來(lái)測(cè)量壓力的大小，其原理是水位高低產(chǎn)生的壓力不同，從而造成壓阻式壓力傳感器電阻的阻值變化也不相同。由于電阻變化從而使得輸出電信號(hào)發(fā)生變化，由輸出電信號(hào)變化大小從而可以得出水位的高低。液位檢測(cè)電路如圖1所示，當(dāng)壓阻式壓力傳感器沒(méi)有受到水的壓力時(shí)，壓阻式壓力傳感器的電阻阻值Rx和其他三個(gè)固定電阻Ra、Rb、Rc處于電橋的平衡狀態(tài)，當(dāng)壓阻式電壓傳感器受到水位壓力作用，壓阻式壓力傳感器阻值就會(huì)發(fā)生變化，從而使得電橋就失去平衡狀態(tài)，電橋兩端就產(chǎn)生輸出電壓，由于水位壓力變化導(dǎo)致壓阻式壓力傳感器所引起輸出電壓變化比較小，為了更好測(cè)量輸出電壓值和水位的關(guān)系，故此把電橋輸出電壓通過(guò)放大電路進(jìn)行放大。電橋輸出的電壓的大小與液位高低成正比例。根據(jù)輸出電壓的大小可以檢測(cè)出液位高度的大小，其液位檢測(cè)電路如圖2所示。

3.2 變頻器

小區(qū)供水變頻器型號(hào)選用的是JD-BP32-XF來(lái)拖動(dòng)水泵進(jìn)行供水，該種型號(hào)的變頻器的供水控制方式是采用的恒壓頻比的控制方式，這種變頻器的優(yōu)點(diǎn)是除了具有一般變頻器的功能外，還具有變頻器的頻率可以上下調(diào)節(jié)及雙壓力控制/智能的PID控制的優(yōu)點(diǎn)［8～9］。變頻器的接線原理圖如圖3所示。

圖3 變頻器接線原理示意

3.3 水位報(bào)警控制電路

水位報(bào)警控制電路包括高水位一、高水位二、低水位一、低水位二等四路報(bào)警高度，該水位高度可通過(guò)下位機(jī)按鍵或上位機(jī)界面中人為設(shè)定和修改。當(dāng)水位檢測(cè)電路檢測(cè)到水位值（水位示意圖如圖4所示）高于蓄水池總量的90%（高水位一）及或者低于蓄水池（低水位二）的10%時(shí)，繼電器就開(kāi)始工作時(shí)，并把信號(hào)傳給外部報(bào)警電路及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)水位檢測(cè)電路檢測(cè)水位值高于蓄水池總量的80%（高水位二）及時(shí)關(guān)閉水泵供水閥門(mén)，當(dāng)水位檢測(cè)電路檢測(cè)水位值低于蓄水池總量的20%（低水位一）及時(shí)打開(kāi)水泵供水閥門(mén)，無(wú)需發(fā)出報(bào)警信號(hào)。報(bào)警電路如圖5所示。

圖4 水位值示意圖

圖5 水位報(bào)警控制電路

3.4 水泵控制原則

根據(jù)水塔水位供水的要求，在該供水系統(tǒng)中可以采用一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)水泵的控制方案［10］。該控制方案的控制原理如下。

1）增泵工作過(guò)程：假定增泵順序?yàn)镸l、M2、M3泵。給控制系統(tǒng)供電后，當(dāng)系統(tǒng)接收到供水信號(hào)時(shí)，由變頻器拖動(dòng)水泵M1工作于變頻狀態(tài)。根據(jù)用戶用水的需要所造成的水位壓力和預(yù)設(shè)水位壓力的偏差調(diào)節(jié)情況來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而控制水泵Ml的轉(zhuǎn)速，當(dāng)系統(tǒng)輸出壓力沒(méi)有到達(dá)設(shè)定值（高水一和低水位一中間）時(shí)，這期間水泵Ml工作在變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用水量增大，水位壓力傳感器檢測(cè)到水位低于低水位一時(shí)，此時(shí)M1的工作頻率到達(dá)了最高頻率時(shí)，則需進(jìn)入增泵過(guò)程。系統(tǒng)在將在單片機(jī)的變頻控制下將水泵M2投入變頻運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)變頻泵M1做工頻運(yùn)行。如果系統(tǒng)的用水量繼續(xù)增加，水位壓力傳感器檢測(cè)水位值低于（低水位二）時(shí)，說(shuō)明此狀態(tài)再次滿足水泵的需求，將根據(jù)需求繼續(xù)如上操作，把將另一臺(tái)水泵M3也投入使用，使之工作于變頻狀態(tài)，此時(shí)M1、M2處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。假設(shè)水泵M3運(yùn)行頻率到達(dá)最大值時(shí)，水位壓力仍然達(dá)不到小區(qū)居民用戶需求時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出超限報(bào)警。

2）減泵工作過(guò)程：假定減泵順序依次為M3、M2、M1泵。小區(qū)居民用水高峰過(guò)后，此時(shí)居民的用水量減少，變頻器的輸出頻率下降，當(dāng)水位壓力傳感器檢測(cè)到水位值高于高水位一時(shí)，滿足了減泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將變頻泵M3關(guān)掉，使水泵M2處于變頻的運(yùn)行狀態(tài)，M1仍處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用戶用水量繼續(xù)下降，水位壓力傳感器檢測(cè)到水位值高于高水位二時(shí)，滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺(tái)變頻運(yùn)行狀態(tài)水泵M2關(guān)掉，使水泵M1處于變頻的運(yùn)行狀態(tài)。如果M1頻率工作到最小頻率甚至停止運(yùn)行時(shí)，水位值仍然高于高水位一的情況下，控制將會(huì)發(fā)出報(bào)警。

4 水位檢測(cè)系統(tǒng)的安全性問(wèn)題

異步電動(dòng)機(jī)在全電壓?jiǎn)?dòng)和制動(dòng)時(shí)，由于啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間較短，啟動(dòng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大導(dǎo)致水流量變化量迅速增大，如果在較短的時(shí)間內(nèi)供水管道產(chǎn)生的巨大流量變化情況下，就會(huì)使管道產(chǎn)生的壓強(qiáng)過(guò)高或過(guò)低的沖擊，從而造成一種空化現(xiàn)象。此現(xiàn)象的產(chǎn)生就會(huì)引發(fā)一種效應(yīng)，該效應(yīng)稱(chēng)為水錘效應(yīng)［11～12］。水錘效應(yīng)出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致兩種情況，一種情況就是管道壓強(qiáng)過(guò)高時(shí)造成管道破裂，反之，導(dǎo)致管道的癟塌。在變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)中，決定加速過(guò)程的是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ，如式（1）所示：

式中TJ為電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，單位(N ?m)；TM為電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩。

產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因是供水水泵的電機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩過(guò)大。圖6給出了水泵、異步電動(dòng)機(jī)在全壓?jiǎn)?dòng)和變頻啟動(dòng)狀態(tài)下的機(jī)械特性曲線。由圖6可知曲線1表示的是異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性，曲線2表示的是水泵機(jī)械特性，而式（1）可以看出圖6中的陰影部分表示其啟動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ。同時(shí)由圖6（a）可以看出，當(dāng)控制系統(tǒng)工作于全壓?jiǎn)?dòng)模式時(shí)，曲線1和曲線2之間的陰影部分較大，由此可得當(dāng)系統(tǒng)工作于全壓?jiǎn)?dòng)模式，其啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩較大，易產(chǎn)生水錘效應(yīng)。為了降低動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，減少水錘效應(yīng)，可以采用變頻調(diào)速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，變頻啟動(dòng)的機(jī)械特性曲線如圖6（b）所示，由圖6（b）曲線圖可以看出，當(dāng)系統(tǒng)工作于變頻啟動(dòng)模式，通過(guò)延長(zhǎng)升速時(shí)間的預(yù)置，使得其啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大大減小。同理在要使系統(tǒng)處于制動(dòng)模式時(shí)，可以延長(zhǎng)對(duì)降速時(shí)間的預(yù)置來(lái)減小制動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。通過(guò)延長(zhǎng)變頻模式下啟動(dòng)的升速時(shí)間和制動(dòng)狀態(tài)降速時(shí)間，減小了該模式下啟動(dòng)、制動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，從而徹底消除了水錘效應(yīng)。

對(duì)水泵負(fù)載的轉(zhuǎn)矩、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式分別為式（2）和（3）所示：

式中T0為空載損耗轉(zhuǎn)矩，單位(N ?m)；P0為空載時(shí)的功率損耗，單位（kW）；TL為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，單位(N ?m)；PL為電機(jī)輸出負(fù)載功率，單位（kW）；nL為電機(jī)帶負(fù)載轉(zhuǎn)速，單位（r/min）；Kr為轉(zhuǎn)矩比例常數(shù)；Kp為功率比例常數(shù)。

由式（2）可知，水泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電機(jī)帶負(fù)載轉(zhuǎn)速平方成正比，因此在變頻調(diào)速時(shí)，應(yīng)該禁止在額定頻率以上運(yùn)行。變頻調(diào)速（即f改變）瞬間時(shí)，負(fù)載特性曲線不變，轉(zhuǎn)速n不變，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩TL不變；但是電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線改變，從而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩TM改變。電動(dòng)機(jī)要能夠穩(wěn)定運(yùn)行的條件是：升速時(shí)，TL＜TM；降速時(shí)，TL＞TM。

圖6 水泵的全壓?jiǎn)?dòng)與變頻啟動(dòng)

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

圖7 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)控制的主程序設(shè)計(jì)如圖7所示，由圖7的主程序流程圖可以看出，當(dāng)系統(tǒng)在初始狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)要對(duì)系統(tǒng)中各參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，針對(duì)該系統(tǒng)的需求，要設(shè)置液位在不同情況下的水位值，所需參數(shù)設(shè)定完成進(jìn)入進(jìn)入液位的采集狀態(tài)，將水位壓力傳感器采集到電信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，把所采集的信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的液位閾值進(jìn)行比較，如果超過(guò)了極限值，通過(guò)按鍵控制變頻器進(jìn)行液位調(diào)節(jié)，直至液位到達(dá)正常范圍；如果超出液位的上下限閾值則發(fā)出報(bào)警，經(jīng)通信模塊發(fā)送到上位機(jī)后做出及時(shí)處理，沒(méi)有超過(guò)極限值就正常顯示。

5.2 水泵供水程序設(shè)計(jì)

為了更好地消除水錘現(xiàn)象，對(duì)水泵控制采用PID控制［13～15］，其控制原理如圖8所示。根據(jù)壓力傳感器采集的信號(hào)計(jì)算出偏差，然后按照PID的控制規(guī)則計(jì)算控制量，并輸出控制量經(jīng)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送至變頻控制器，并通過(guò)變頻控制器調(diào)節(jié)水泵供水情況。

圖8 PID控制原理

由文中3.4節(jié)的水泵控制原則，可以得出水泵的控制流程圖如圖9所示。

圖9 水泵供水流程示意

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)水塔水位控制系統(tǒng)的要求，本文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)STC89C52芯片為控制核心芯片，以單片機(jī)技術(shù)和變頻調(diào)速相結(jié)合的液位控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)根據(jù)用戶用水的需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行狀態(tài)，滿足了用戶用水的需求，從保證了系統(tǒng)工況壓力的穩(wěn)定，減少了資源的浪費(fèi)。實(shí)現(xiàn)了過(guò)低過(guò)高水位報(bào)警、過(guò)低過(guò)高警戒水位自動(dòng)處理以及正常水位處理變頻電機(jī)調(diào)速的供水等功能。