供水泵智能控制器设计.docx
《供水泵智能控制器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《供水泵智能控制器设计.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
供水泵智能控制器设计
目录
1.研究背景2
2.国内外研究现状3
3.供水泵运行基本原理4
3.1泵站供水系统的组成4
3.2供水泵自动化运行的实现方法4
4.供水泵智能控制器总体设计方案5
4.1供水泵控制器设计应遵循的原则5
4.2供水泵控制器的功能需求5
4.2.1参数显示功能5
4.2.2智能控制功能6
4.2.3电机保护功能6
4.3系统方案设计6
4.4单片机的选型6
5.供水泵智能控制器硬件电路设计8
5.1核心处理模块硬件电路设计8
5.1.1电源输入8
5.1.2复位电路8
5.1.3时钟电路9
5.1.4存储电路9
5.1.5UART接口电路10
5.2CPU板硬件电路设计13
5.2.1CPU板总体框架设计13
5.2.2电源模块13
5.2.3电量采集模块14
5.2.4时钟芯片电路15
5.2.5LCD接口电路16
5.2.6键盘管理电路17
5.3系统可靠性设计18
5.3.1PCB防干扰18
5.3.2接地防干扰18
5.3.3稳压电源及去藕电容19
5.4本章小结19
附录20
1.研究背景
水泵作为水利输送设备，在工业、农业、商业和民用建筑中有着极其广泛的应用，其消耗的电能也占到总能耗的10%-20%。
目前全球水泵的总电能消耗约为5500亿千瓦时，据权威部门预测，到2020年将会上升到8550亿千瓦时。
随着自动控制技术不断发展，各种新型水泵控制器的出现，将会对节能起到巨大的推动作用。
当今嵌入式世界已经进入大融合的时代，尤其是以ARM系列32位嵌入式处理器为代表的嵌入式技术，在移动消费类产品上得到了广泛的应用。
全世界大约有40家半导体公司购买了ARMCoreIP核。
嵌入式系统（EmbeddedSystems）是以应用为中心，以计算技术为基础，软件硬件可剪裁的适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统。
它是一个技术密集，资金密集，高度分散，不断创新的基于硅片的知识集成系统。
今天的嵌入式系统已普遍应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、汽车电子、医学科技、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经济的主要行业。
随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统将更广泛地应用于人类生活的方方面面。
因此，嵌入式技术和水泵控制系统的结合成为了水泵控制的必然趋势，嵌入式技术为水泵控制系统的运行、监视、控制提供了新的手段，同时也对生产和经营管理提出了更高的要求。
现代化生产和经营管理不仅要求对大量信息迅速进行科学处理，而且还要求对复杂的管理问题进行最佳决策，传统的手工管理方式已经远不能适应这种需求，必须建立以计算机为核心的智能水泵监测系。
从实际应用上讲，水泵监测系统是一个对电力信号信息进行采集、传送、加工、监测和管理的系统。
从实现方式上讲，水泵监测系统是一个以数据库技术、计算机网络技术为基础，以B/S结构为支撑的一组有机联系的应用程序。
在目前全球气候变暖以及能源匮乏的背景下，可以预见水泵控制系统的需求和应用将会越来越多。
因此，本文以水泵数据信号采集、数据通信以及水泵状态监测的研究为主题，设计出一种智能水泵监测系统，对水泵运行状况实现实时动态的在线监控。
2.国内外研究现状
随着科学技术的迅猛发展，不断涌现的新型水泵控制器承担起水泵监控、自动调节、实现最大能源利用、提高安全性与可靠性等重要任务，单纯的依靠人工手动操作已经远远无法满足现代化的监控要求。
自从上个世纪70年代以来，国外便率先开展了供水系统自动监控的研究与应用工作。
80年代以后，随着电子与计算机技术等科技的迅猛发展，供水系统的自动监控技术产生质的飞跃。
同时，由于国外发达国家拥有雄厚的经济与技术实力，使其供水系统的自动监控技术被广泛应用，泵站运行与管理方面的自动化程度不断提高、监控系统得到不断完善。
不但提高了泵站运行的安全性、可靠性与经济性，而且节约了人力资源，为工程的后期维护打下良好的基础。
特别是在欧美、日本等发达国家，基本上实现了泵站的全自动监控。
其中荷兰泵站采用的自动化仪表多为智能型，这种仪表很先进，如功率表、水位表、水位计等能长期进行自动记录。
能够对泵站运行的各种指标进行长期跟踪、监测、记录与报警，随时解决发现的问题。
同时，记录下来的数据也为水泵和水泵控制器的开发与性能完善提供了良好的数据支撑。
由于自动化程度的提高，极大的减少了事故的发生，也减少了泵站的管理工作人员，泵站一般雇用懂专业、有经验的管理人员。
运行、管理人员普遍具有较高的专业技能，在泵站运行中，可以及时发现问题，并能正确地处理突发事件。
这种高度的自动化运行取得了良好的经济效益。
目前，我国已建成各类型固定泵站50多万座，并且进一步加大集中式供水泵站的建设力度，具有数量大、范围广、类型多、发展速度快的特点。
但大多数泵站建于上个世纪，它们虽然发挥了巨大的社会经济效益，但在技术水平、工程质量、工程管理以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。
大多数泵站仍采用现场手动操作、人工抄表、电话报数等方式运行，采集信息数量少、处理速度慢、劳动强度大、效率低，这类监控方式比较落后，很难适应现代化的要求。
随着经济的发展与政策的落实，我国集中式供水泵站的数量在未来几年将会越来越庞大，资源消耗比越来越重，急需一种立足于国情、综合自动化程度高、具有极高性价比的水泵控制器，以改变目前仍大量依靠人工监控水泵的现状，并且这一需求将在未来几年内不断攀升。
同时，随着计算机技术、网络通信技术、自动控制技术、检测传感技术的不断发展和应用，水泵控制器也朝着分布化、智能化、自动化、集成化、可视化、扩展性高的方向发展。
3.供水泵运行基本原理
3.1泵站供水系统的组成
供水系统分为机械和电气两个部分。
机械部分主要包括离心泵、闸阀、手动阀门、逆止阀、底阀、压力表、管路及管路附件等，电气部分主要包括电动机、高低压开关柜、磁力启动器、电抗器等。
3.2供水泵自动化运行的实现方法
泵站自动运行是在人工操作基础上的改进，基本上可以摆脱人工的干预，其运行原理上与人工操作流程类似。
本文以控制理论为依托，结合各种仪器和设备，全面分析了泵站运行中需要实现自动检测和自动控制的环节。
通过软硬件功能的结合取代传统的人工判断和操作。
通过分析，为了实现泵站自动运行，需要实现以下五个自动控制环节：
①水池水位的自动监测：
水位监测环节的任务是，根据水池水位的变化自动准确地向控制系统反馈当前水位，特别是高低报警限位。
水位监测环节的可靠性和准确性将直接影响到整个控制系统的可靠性。
②自动灌水与排气：
离心泵只有在泵体内充满水的情况下，依靠叶轮的旋转带动水的旋转，从而形成正常供水所必须的真空度。
若真空度不够，泵内存在的空气会造成上水不成功，此时的“干烧”与气蚀作用将严重损害水泵。
因此，此环节是供水成功与否的关键。
③出水闸阀自动控制：
为减小启动功率和提供足够的扬程，水泵操作规程规定离心式水泵一定要在出水闸阀完全关闭的情况下启动，当压力足够后再缓慢打开出水闸阀。
而当停止水泵时，为避免“水锤”对水泵的伤害，也必须先关闭出水闸阀，缓慢减小流速，最后断电停车。
④水泵电机的自动启停：
同时不能影响紧急状态下的手动干预性控制。
⑤故障自动保护：
如果检测到异常状况，需要立即停止水泵的运行，并及通知泵站维护管理人员到现场排除故障。
4.供水泵智能控制器总体设计方案
4.1供水泵控制器设计应遵循的原则
虽然目前还没有一个统一的泵站自动化控制的设计与技术规范，但根据已有的工程经验和设计经验，一般需要遵守以下几项设计原则：
①开放性：
设计应采用开放的技术、结构、组件及接口，有利于维护、扩展、升级，降低二次投资。
②灵活性：
采用模块化结构设计，实现灵活配置，具有可增长性和强壮性。
③安全可靠性：
所选取的每个元件和设备的MTBF必须满足工业级运行要求；信息采集及控制输出，要考虑多重软件硬件闭锁；设备应具有自检、自诊断、报警功能。
④实时性：
各个功能模块必须在允许的单位时间内完成数据采集、计算与处理，控制器需要在单位时间内对数据进行判断后作出相应动作。
⑤经济性：
合理设计控制方案，最大程度的保持原有设备与功能，并尽量减少泵房改造与额外设备的购买，提高性价比。
4.2供水泵控制器的功能需求
4.2.1参数显示功能
该水泵控制系统能够根据水泵的电参数测量结果和用户设置参数，自动控制水泵的启动/停止，主要功能可分为如下几部分。
在水泵控制器上能够显示如下参数：
1、三相电压：
UA、UB、UC（V）
2、三相电流：
IA、IB、IC（A）
3、供水量的瞬时流量：
Flow（m3/min）
4、水压：
WaterPressure（MPa）；
5、三相电的有功功率：
PA、PB、PC、PT（KW）；
6、三相电的无功功率：
QA、QB、QC、QT（KW）；
7、三相电的功率因数：
PFA、PFB、PFC、PFD；
4.2.2智能控制功能
在HMI中可以本地手动控制水泵的启动和停止，当工作方式为本地时，在操作菜单中按键则可手动控制水泵的通断，如果工作方式为远程，则本地不可控制水泵。
通过RS-485总线及上位机在遵守通信协议的情况下可以进行远程控制，使水泵启泵或停泵。
4.2.3电机保护功能
应具有如下电机保护功能：
启动电流门限；卡泵电流门限；短路电流门限；流量下限门限；电压告警门限（电压上限和电压下限）；
4.3系统方案设计
整体架构中，以控制器为监控核心，负责对各项参数进行监测，并对水泵及其配套球阀进行控制。
控制器基于模块化设计，每个模块都由独立的PIC进行控制，这样可以实现各个检测与控制功能的并列运行。
控制器具有如下特点：
①每个模块都一块可插拔的由PIC控制的核心处理模块，此模块通用于所有功能模块，便于软硬件设计。
②各个模块之间通过通信协议建立联系，每个模块有独立的通信地址，每种模块的数量根据需求确定。
③CPU板作为主机从各个从机模块获得数据，同时又作为从机与上位机进行通信。
④每个模块完成独立的任务：
数字量输出由DO板完成、数字量输入由DI板完成；模拟量输入由AI板完成；电力采集由智能电力检测仪完成；CPU板则完成数据处理、控制策略、键盘输入、液晶显示、数据存储等任务。
4.4单片机的选型
单片机（SingleChipMicrocomputer）是指在一个集成芯片中，集成有微处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、基本的I/O接口以及定时/计数器等部件，即在一个芯片上实现一台计算机的基本功能。
如果是简单控制对象，只需利用这样的单片机作为控制核心，不需增加额外的外部设备和扩展某些外部I/O接口就能实现。
单片机极强的应用与I/O接口扩展能力也能够满足较为复杂的系统设计。
随着单片机技术的飞跃发展，在工业测控的许多方面都离不开它的参与。
单片机具有性能高、速度快、可靠性好、功能强、体积小、价格低廉、开发简便等优点，非常符合现代设备向小型化、智能化发展的趋势。
目前开发单片机的公司很多，在基本功能上大体相同，选择的重点在于可靠性与实用性。
通过对不同公司的单片机进行对比，本控制器采用性价比较好的Microchip（微芯）公司开发的低功耗MCU系列PIC18F6722。
Microchip产品具有自己独有的技术和成本优势，该MCU采用精简指令集架构RISC（ReducedInstructionSetComputing），具有多级堆栈和多种内部与外部中断源。
由于采用了哈佛总线结构，使得8位数据总线与16位指令总线完全分离，两级流水线操作使得除了跳转指令外的其余指令都是在一个周期内执行，便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高执行指令的速度。
PIC18F6722支持2.0～5.5V的宽电压供电，并内置有128K字节的可Flash程序存储器、3936字节片内RAM、1024个字节的EEROM、54个双向可寻址I/O口、12个10位A/D转换通道、多个高低优先级的嵌套中断结构、2个全双工增强型UART串行接口、4个16位的定时/计数器等资源。
其64个引脚排列及其全功能如图4.1所示。
图4.1PIC18F6722全功能引脚图
5.供水泵智能控制器硬件电路设计
5.1核心处理模块硬件电路设计
5.1.1电源输入
由于核心模块是嵌入于各个功能模块中的，它由各个模块的电源系统提供5VDC，因此在设计时就不单独为其考虑电源电路。
在图中5.1中，C8、C9、C10是去耦电容，起滤波作用，提高电源质量。
图5.1电源模块
5.1.2复位电路
控制器对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和可靠性等方面有比较高的要求。
因此，复位电路使用了周立功公司开发的专用微处理器电源监控芯片CAT706VI-G，以提高系统的可靠性，电路如图5.2所示。
图5.2复位电路
该监控芯片以5VDC供电，复位输出信号引脚7串联一个限流电阻后连接到单片机的VPP（RG5）引脚（MCLR），该引脚接收复位信号。
该芯片提供处理器复位、手动复位和看门狗定时器复位三种功能。
处理器复位功能用于检测电源电压VCC是否低于指定的跳闸电压4.40V，如果VCC的值低于跳闸电压时，复位输出信号被拉至有效；当连接到WDI的RD0引脚输入在1.02秒内没有出现“低到高”或“高到低”的跳变时，看门狗定时器会将复位输出信号强制变为有效；如果手动按下按键S1，会将手动复位输入拉低，这个输入被已经被内部消抖和延时，这样将会产生至少140ms的复位信号。
5.1.3时钟电路
PIC18F6722可以使用外部晶体振荡器电路，内部PLL四倍频电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快，最高可达40MHz。
本系统考虑到软硬件的可移植性以及调试的需要，因此选用外部4MHz进口晶振。
用1M欧电阻R6并接到晶振两端，使系统更容易起振。
两个电容C6与C7保证振荡的稳定性。
电路如图5.3所示。
图5.3时钟电路
5.1.4存储电路
系统要求对用户的设置信息、采集的电能信息以及报警信息进行存储，以防止掉电丢失数据。
因此在核心模块中设计了存储单元。
本控制器采用两片AT24C1024存储芯片，可支持2.7V～5.5V的宽电压供电。
提供1048567位的串行可电擦除和可编程只读存储器（EEPROM），它的每8位组成一个字节，共131072个字节，支持256字节的页写模式。
通过级联功能，可实现共享一条2线总线。
SDA是数据/地址串口，SCL为时钟脚，WP为写保护，A1引脚则是设备的输入地址，将两块芯片的该引脚分别拉高与拉低来区分。
电路如图5.4所示。
图5.4存储电路
5.1.5UART接口电路
UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）是一种通用串行数据总线，总线双向异步通信，可以实现全双工传输和接收。
UART是一个将并行输入转成串行输出的芯片功能模块。
因为计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到外部设备，必须经过UART整理才能进行异步传输。
其工作流程为：
MCU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器（临时内存块）中，再通过FIFO先入先出堆栈传送到串行设备。
通过串行接口，数据发送方将并行数据转换成具有一定格式的、按二进制数据位排列的数据，并顺序地按位将它们送到传输线上。
数据接收方的串行接口按位串行接收数据，再将它们转换成并行数据传送给计算机或外设。
PIC18F6722具有两个UART（通用异步收发器），内置波特率发射器，具有16字节的收发FIFO。
考虑到与外界通信的接口兼容性，本控制器设计了两种通信电路，同时可以通过拨码开关选择直接输出TTL电平信号。
（1）RS232接口电路
RS232是一种很常用的串行数据传输总线标准，在本控制器中，RS232接口用来与调试运行的计算机进行通信，可通过上位机软件或者串口调试助手等工具观察内部数据。
同时由于RS232接口通用于大部分的通信设备，因此考虑此功能也是为了便于接口的扩展。
核心模块是5VDC供电系统，然而RS232标准定义逻辑“0”信号相对于地为3～15V，逻辑“1”相对于地为-3～-15V。
当一个MCU与外部的通信接口进行交互时，它需要一个RS232驱动器来转换电平，在本电路中采用MAXIM公司的MAX232ESE芯片来实现该转化电路。
MAX232ESE具有±15KV的ESD保护、1μA、3.0V～5.5V的输入电压、250Kbps的速率。
图5.5为RS232接口电路，串口2的TX2与RX2引脚可以连接到232芯片的T1IN与R1OUT引脚上，实现电平的转换。
图5.5RS232接口电路
（2）RS485接口电路
考虑到通信接口的可选择性和远程传输性，并结合泵房现场的较为恶劣的工作环境情况，在核心模块上设计了RS485接口电路。
RS485采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好，灵敏度可以达到200mV，在100kb/s速度下，最大的通信距离可达1500M以上，最大传输速率为10Mb/s。
RS485总线上允许带多个驱动器和接收器，有些收发器可以带128个节点，这样可以用于构建多点通讯网络，而且由于RS485总线具有设备简单，价格低廉，能长距离通讯等优点，广泛运用于工业控制、仪器仪表、多媒体、机体一体化产品等多个领域。
本控制器采用周立功公司开发的RSM485CT系列隔离收发器模块，它集电源隔离、电气隔离、RS485接口芯片和总线保护器件于一身，方便嵌入用户设备。
该系列模块采用灌封工艺，具有很好的隔离特性，具有ESD总线保护功能，隔离电压高达2500VDC，最大波特率为9600bps，内置4.7K上下拉电阻，双绞线输出，电磁辐射EME极低，电磁抗干扰EMI性极高，同一个网络至少可连接32个节点。
RS485通信接口电路的功能是将MCU串口1发送的TTL电平通过发送器转换成RS485总线上的差分信号；同样也将RS485总线上的差分信号通过接收器转换成被MCU接收的TTL电平信号。
任一时刻，RS485收发器只能够处于接收状态或者发送状态。
因此，必须为RS485接口电路设计一个状态控制电路。
图5.6为本核心模块采用的RS485电路，将MCU的串行口1的发送引脚TX1与接收引脚RX1可以连接RSM485CT芯片的引脚3和引脚4，不是直接相连。
图5.6RS485接口电路
由MCU输出的状态控制引脚直接控制RSM485CT芯片的发送器/接收器使能引脚5。
控制信号为高电平，则RSM485CT芯片的接收器有效，发送器禁止，此时MCU可以接收来自RS485总线的数据字节；当控制信号为低电平时，则RSM485CT芯片的发送器有效，接收器禁止，此时MCU可以向RS485总线发送数据字节。
在引脚A与B之间连接一个LED灯，用于直观判断485线路上是否存在数据通信。
虽然RSM485CT芯片本身已经集成了有效的ESD保护电路，但是由于泵房工作环境的恶劣性，为了确保系统通信的稳定性与安全性，在核心板的设计时在RS485芯片外围增加了额外的保护电路。
电路图中，钳位于6.8V的瞬变电压抑制二极管D1与D2并接到大地上，用于避免RS485总线由于外界干扰（比如雷击或者浪涌等）产生的高压损坏RS485芯片。
5.2CPU板硬件电路设计
5.2.1CPU板总体框架设计
CPU板以核心处理单元为中心，拓展应用接口，以实现控制器的数据收集、数据发布、人机交互等功能，其框架结构如图5.7所示。
图5.7CPU板框架图
5.2.2电源模块
整个控制器由一个24VDC电源供电，提供最大1.5A电流。
CPU板需要为核心处理单元模块提供5VDC电源，同时需要给液晶、指示灯和DTU提供24V电源，因此需要考虑好足够的硬件接口。
此电源模块同时被应用到各个功能模块，体现了硬件的模块化设计思想。
电源部分的电路如图5.8所示。
图5.8电源模块电路图
本电源模块选用的是LT1375降压开关稳压器，开关频率恒定为500kHz，输入电压可高达35V，输出5V电压，电流最高可达1.5A。
输入端前端首先放置一块FSMD150自恢复保险丝，最大工作电流为1.50A，最大工作电压为33VDC；整流二极管IN4007正向电流为1A；输入电容CP1与CP2用于滤波，为LT1375电源芯片提供良好的低阻抗源，提升瞬态电流。
同时在输出端也放置同样大小的输出电容CP6与CP5，可改善瞬态响应和稳定性，它们在PCB设计时需尽可能的靠近LT1375。
输出端用一个红色LED灯串联限流电阻来指示是否有5V电源输出。
LP1电感具有滤波的作用，提高电源质量。
LT1375的反馈（FB）引脚是用于设置输出电压，也提供过载保护功能。
通过选择最常见电阻的阻值使RP2与RP3通过分压得到最接近2.42V的监控电压。
同步引脚与关断引脚都不使用，悬空处理。
5.2.3电量采集模块
电量采集计量模块的设计是以电能计量芯片ATT7022B为核心，ATT7022B封装为44脚QFP形式，外部硬件电路主要包括电压及电流模拟量输入、脉冲输出、电源及SPI通讯接口等电路的设计。
ATT7022B是一个半导体集成芯片，因此不能将高电压或大电流信号直接输入芯片进行测量。
为了便于测量外部的电力参数，必须先将电力信号经过隔离转换之后再输入ATT7022B进行测量。
本设计中ATT7022B的电压模拟输入电路设计原理图如图5.9所示，电流模拟输入采用电流采样单端输入模式，电路设计原理图如图5.10所示。
该部分电路主要由电流互感器、抗混叠滤波器和参考电压输入电路组成。
从互感器出来的信号，经过滤波处理后，消除了干扰信号，再叠加上一个参考电压信号，即可送入ATT7022B的AD转换器进行采样。
这样，就完成了输入信号的采集工作。
如图5.9和图5.10所示。
图5.9电压模拟输入电路图
图5.10电流模拟输入电路图
电压互感器（PT）和电流互感器（CT）是电力系统中用于测量、保护和控制的重要设备。
电测仪表一般都是低压系统，不能直接对高电压、大电流进行测量。
因此，电流须先经过电流互感器（CT）进行电流变换，电压须先经过电压互感器（PT）进行电压变换，将高电压大电流的信号转化为低电压小电流的信号之后，再进行安全的测量。
PT的主要作用是将输入的高电压变换成适合于测量仪表等工作的低电压，CT是电力系统中广泛采用的电流传感及变送设备，它将高电压系统的电流或低电压系统的大电流变成低电压的标准电流信号，传送给一次设备进行测量、控制和保护。
电力互感器在电力系统中具有广泛的应用，无论是生产电能、变换电能还是传输电能的设备，也无论是低压小功率设备还是高压大功率动力系统，电力互感器都是不可缺少的一部分，它使测量仪表与高压装置在电气方面很好地的隔离，保证工作人员和设备的安全；当电力系统发生短路故障时，可使仪表和继电器的电流线圈不受冲击电流的影响而损坏。
ATT7022
升级会员 