智能给水控制器设计-工业控制
O 引言
随着经济的快速发展和城市高层建筑的不断涌现，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，加上目前能源紧缺对节能的要求，因此利用先进的电子测控技术和自动化控制技术，设计高性能、高可靠性、低成本、低能耗，以及能适用不同领域的恒压供水系统也就成为必然趋势。随着近年来变频调速技术的飞速进步，变频恒压供水也在其基础上慢慢发展起来，并成为一种新兴的现代化供水技术。
目前，国外的恒压供水工程设计都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，这种方式不但投资成本较高，且功能单一。
为此设计了在变频调速控制系统中加入基于C8051F410的单片机系统，构成了功能更强的复合控制系统，它不但克服了以上缺点，而且具有安装调试方便，功能全面，可靠性高。抗干扰能力强等优点，且可以广泛应用于工业生产、社会生活的各个领域。
1 控制原理
在恒压供水系统中，安装于管网的远传压力表提供水压力信号，并经过光电隔离和电压转换电路，传送给系统的中心控制器，控制器将采集到的压力数据与预设压力进行比较，得出偏差值，再经PID运算之后得出控制参数，D／A模块将控制参数转换为模拟电压输出，调节变频器的输出频率，从而控制水泵的转速，以保证管网压力基本恒定。当用水量增大时，管网压力低于预设值，变频器频率就会升高，水泵转速加快，从而提升管道水压，但若达到水泵额定输出功率仍无法满足用户供水要求时，该泵自动转换成工频运行状态，并变频启动下一台水泵；反之，当用水量减少，则降低水泵运行频率直至设定的下限运行频率，若供水量仍大于用水量，则减泵直至全部泵停止工作，经过一定的延时，控制器重新比较压力，并计算控制输出，从而维持恒压供水。它的系统原理框图如图1所示。
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该系统可以同时控制2台水泵，根据不同的场合可以采用不同的运行模式，如单泵运行、一用一补、一工一变、定时换泵等。
2 系统总体方案
系统的硬件和软件采用模块化、标准化设计，并充分考虑系统的扩展能力。控制器由主控板、显示按键面板和电源板三部分组成。图2是控制器的结构框图，其工作原理是：首先用户通过显示按键面板设定预设压力和控制器运行的各个功能参数，保存至E2PROM存储器用作掉电存储，位于用户管网端的远传压力表输出的电压或是电流信号经过采样电路转化为数字量，送入单片机与预设压力进行比较，计算并输出模拟控制量和继电器输出状态量。其中，模拟控制量输出经过变频器控制模块电路送给变频器，用以控制变频器的输出频率；继电器输出状态量经过继电器输出电路送给继电器组，用以控制各个泵工作于工频或是变频状态。最后单片机把实际压力值、预设压力值、输出频率和各个泵的工作状态送到显示面板，以便用户进行观测和操作。
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3 系统单元电路
3．1 主控制器的选择
主控制器选用单片机C8051F410，它是一款完全集成的混合信号片上系统型芯片，其内部还集成了12位高速ADC模块和电流输出型DAC模块，同时硬件实现的SMBus和UART串行接口，能方便处理器与E2PROM通信和数据串行输出。C2805lF410还支持JTAG实时仿真和跟踪，能够进行非侵入式(不占用片内资源)的全速在系统调试。
3．2 系统电源电路
该设计采用基于三端稳压芯片TOP221Y的高精度开关稳压电源电路，主电路拓扑结构选用单端反激式直流变换电路，其输出采用两组直流低压电源：主回路为系统的数字电路部分提供5 V直流电源，副回路为系统的模拟部分提供15 V直流电源。
3．3 压力表信号采集与光电隔离电路
位于用户管网的压力传感器监测到的压力信号经过光电隔离电路进行滤波和隔离处理后，进入C8051F-410内部的ADC模块，实现按比例转换，转换为12 b数字量，以供单片机对其信号进行处理和计算。为了保证输入量与转换量程相称，充分发挥A／D转换器的分辨率，在对压力信号进行A／D转换之前经过光电隔离电路时，就已将外部传入的O～5 V模拟电压转换为O～2 V模拟电压信号。电路原理如图3所示。
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