基于单片机和变频调速技术的水塔液位控制系统研究∗

（渭南师范学院物理与电气工程学院 渭南 714099）

1 引言

人民群众的用水是每天日常生活中必不可少的一部分，但是随着社会的发展，城市各住宅小区的楼房越来越高，如何保证高层住宅的市民能够正常供水成为必要考虑的因素之一。对于较高楼层的供水，首要考虑是水压问题，但是水压水位如何控制成为本文研究热点问题。而传统的城市生活供水维持水压的方法是建造水塔，水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的水塔水位控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点［1～4］。本文在结合单片机技术和变频调速控制技术的基础上，设计了一套根据人民生活用水量的变化而自动自动调节的一种控制系统，该控制系统解决传统负荷水位稳定和供水设备一直高速工作而造成浪费资源问题。

2 液位控制系统结构组成和工作原理

基于单片机和变频调速技术的水塔液位控制系统其硬件电路包括液位检测电路、变频器电路、水位报警控制电路、显示电路及通信模块等电路构成，该系统以单片机为主要的控制芯片，系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体框图

该液位控制系统的工作过程为：当水箱中液位发生变化时，由液位检测电路中水位压力传感器检测到水位压力变化，根据液位检测原理将液位的变化转化成电信号输出，然后将检测的电信号经模数转换电路将输出的模拟信号转成数学信号输出。单片机为控制芯片，接受到输出信号后对输出电信号进行分析处理，根据键盘电路预先设定的水位阈值来判定供水泵如何工作，同时若水位高度超出预设上下限阈值，则会控制报警电路发出报警，及时将报警信息经通信模块电路传递给上位机并作出处理。

3 系统的硬件设计

3.1 液位检测电路

图2 液位检测电路

水的液位检测电路由水位压力传感器和放大电路组成，水位压力传感器选择的型号为B2119压阻式压力传感器［5～7］，在液位的测量中，通常采用电桥电路的形式来测量压力的大小，其原理是水位高低产生的压力不同，从而造成压阻式压力传感器电阻的阻值变化也不相同。由于电阻变化从而使得输出电信号发生变化，由输出电信号变化大小从而可以得出水位的高低。液位检测电路如图1所示，当压阻式压力传感器没有受到水的压力时，压阻式压力传感器的电阻阻值Rx和其他三个固定电阻Ra、Rb、Rc处于电桥的平衡状态，当压阻式电压传感器受到水位压力作用，压阻式压力传感器阻值就会发生变化，从而使得电桥就失去平衡状态，电桥两端就产生输出电压，由于水位压力变化导致压阻式压力传感器所引起输出电压变化比较小，为了更好测量输出电压值和水位的关系，故此把电桥输出电压通过放大电路进行放大。电桥输出的电压的大小与液位高低成正比例。根据输出电压的大小可以检测出液位高度的大小，其液位检测电路如图2所示。

3.2 变频器

小区供水变频器型号选用的是JD-BP32-XF来拖动水泵进行供水，该种型号的变频器的供水控制方式是采用的恒压频比的控制方式，这种变频器的优点是除了具有一般变频器的功能外，还具有变频器的频率可以上下调节及双压力控制/智能的PID控制的优点［8～9］。变频器的接线原理图如图3所示。

图3 变频器接线原理示意

3.3 水位报警控制电路

水位报警控制电路包括高水位一、高水位二、低水位一、低水位二等四路报警高度，该水位高度可通过下位机按键或上位机界面中人为设定和修改。当水位检测电路检测到水位值（水位示意图如图4所示）高于蓄水池总量的90%（高水位一）及或者低于蓄水池（低水位二）的10%时，继电器就开始工作时，并把信号传给外部报警电路及时发出报警信号。当水位检测电路检测水位值高于蓄水池总量的80%（高水位二）及时关闭水泵供水阀门，当水位检测电路检测水位值低于蓄水池总量的20%（低水位一）及时打开水泵供水阀门，无需发出报警信号。报警电路如图5所示。

图4 水位值示意图

图5 水位报警控制电路

3.4 水泵控制原则

根据水塔水位供水的要求，在该供水系统中可以采用一台变频器控制三台水泵的控制方案［10］。该控制方案的控制原理如下。

1）增泵工作过程：假定增泵顺序为Ml、M2、M3泵。给控制系统供电后，当系统接收到供水信号时，由变频器拖动水泵M1工作于变频状态。根据用户用水的需要所造成的水位压力和预设水位压力的偏差调节情况来调节变频器的输出频率，从而控制水泵Ml的转速，当系统输出压力没有到达设定值（高水一和低水位一中间）时，这期间水泵Ml工作在变频运行状态。当用水量增大，水位压力传感器检测到水位低于低水位一时，此时M1的工作频率到达了最高频率时，则需进入增泵过程。系统在将在单片机的变频控制下将水泵M2投入变频运行状态，同时变频泵M1做工频运行。如果系统的用水量继续增加，水位压力传感器检测水位值低于（低水位二）时，说明此状态再次满足水泵的需求，将根据需求继续如上操作，把将另一台水泵M3也投入使用，使之工作于变频状态，此时M1、M2处于工频运行状态。假设水泵M3运行频率到达最大值时，水位压力仍然达不到小区居民用户需求时，控制系统就会发出超限报警。

2）减泵工作过程：假定减泵顺序依次为M3、M2、M1泵。小区居民用水高峰过后，此时居民的用水量减少，变频器的输出频率下降，当水位压力传感器检测到水位值高于高水位一时，满足了减泵的条件时，系统将变频泵M3关掉，使水泵M2处于变频的运行状态，M1仍处于工频运行状态。当用户用水量继续下降，水位压力传感器检测到水位值高于高水位二时，满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台变频运行状态水泵M2关掉，使水泵M1处于变频的运行状态。如果M1频率工作到最小频率甚至停止运行时，水位值仍然高于高水位一的情况下，控制将会发出报警。

4 水位检测系统的安全性问题

异步电动机在全电压启动和制动时，由于启动和制动时间较短，启动动态转矩大导致水流量变化量迅速增大，如果在较短的时间内供水管道产生的巨大流量变化情况下，就会使管道产生的压强过高或过低的冲击，从而造成一种空化现象。此现象的产生就会引发一种效应，该效应称为水锤效应［11～12］。水锤效应出现会导致两种情况，一种情况就是管道压强过高时造成管道破裂，反之，导致管道的瘪塌。在变频调速拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩TJ，如式（1）所示：

式中TJ为电机动态转矩，单位(N ⋅m)；TM为电动机的拖动转矩；TL为负载阻转矩。

产生水锤效应的根本原因是供水水泵的电机在启动和制动过程中的动态转矩过大。图6给出了水泵、异步电动机在全压启动和变频启动状态下的机械特性曲线。由图6可知曲线1表示的是异步电动机机械特性，曲线2表示的是水泵机械特性，而式（1）可以看出图6中的阴影部分表示其启动过程中的动态转矩TJ。同时由图6（a）可以看出，当控制系统工作于全压启动模式时，曲线1和曲线2之间的阴影部分较大，由此可得当系统工作于全压启动模式，其启动的动态转矩较大，易产生水锤效应。为了降低动态转矩，减少水锤效应，可以采用变频调速的方法来实现，变频启动的机械特性曲线如图6（b）所示，由图6（b）曲线图可以看出，当系统工作于变频启动模式，通过延长升速时间的预置，使得其启动的动态转矩大大减小。同理在要使系统处于制动模式时，可以延长对降速时间的预置来减小制动状态的动态转矩。通过延长变频模式下启动的升速时间和制动状态降速时间，减小了该模式下启动、制动状态下的动态转矩，从而彻底消除了水锤效应。

对水泵负载的转矩、功率与转速之间的关系式分别为式（2）和（3）所示：

式中T0为空载损耗转矩，单位(N ⋅m)；P0为空载时的功率损耗，单位（kW）；TL为负载阻转矩，单位(N ⋅m)；PL为电机输出负载功率，单位（kW）；nL为电机带负载转速，单位（r/min）；Kr为转矩比例常数；Kp为功率比例常数。

由式（2）可知，水泵的负载转矩和电机带负载转速平方成正比，因此在变频调速时，应该禁止在额定频率以上运行。变频调速（即f改变）瞬间时，负载特性曲线不变，转速n不变，负载的阻转矩TL不变；但是电动机机械特性曲线改变，从而电动机转矩TM改变。电动机要能够稳定运行的条件是：升速时，TL＜TM；降速时，TL＞TM。

图6 水泵的全压启动与变频启动

5 系统的软件设计

5.1 系统主程序的设计

图7 系统主程序设计图

系统控制的主程序设计如图7所示，由图7的主程序流程图可以看出，当系统在初始状态运行时，首先对要对系统中各参数进行初始化设置，针对该系统的需求，要设置液位在不同情况下的水位值，所需参数设定完成进入进入液位的采集状态，将水位压力传感器采集到电信号经模数转换电路转换后送入单片机进行处理，把所采集的信号与预先设定的液位阈值进行比较，如果超过了极限值，通过按键控制变频器进行液位调节，直至液位到达正常范围；如果超出液位的上下限阈值则发出报警，经通信模块发送到上位机后做出及时处理，没有超过极限值就正常显示。

5.2 水泵供水程序设计

为了更好地消除水锤现象，对水泵控制采用PID控制［13～15］，其控制原理如图8所示。根据压力传感器采集的信号计算出偏差，然后按照PID的控制规则计算控制量，并输出控制量经转换后的信号送至变频控制器，并通过变频控制器调节水泵供水情况。

图8 PID控制原理

由文中3.4节的水泵控制原则，可以得出水泵的控制流程图如图9所示。

图9 水泵供水流程示意

6 结语

根据水塔水位控制系统的要求，本文设计了以单片机STC89C52芯片为控制核心芯片，以单片机技术和变频调速相结合的液位控制系统，该控制系统根据用户用水的需求，自动调节水泵的运行状态，满足了用户用水的需求，从保证了系统工况压力的稳定，减少了资源的浪费。实现了过低过高水位报警、过低过高警戒水位自动处理以及正常水位处理变频电机调速的供水等功能。