增压供水流量配比柔性控制电气系统设计与开发.docx
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增压供水流量配比柔性控制电气系统设计与开发.docx
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增压供水流量配比柔性控制电气系统设计与开发
南京理工大学
毕业设计说明书(论文)
作者:
孙丹青
学号:
0701500421
学院(系):
机械工程学院
专业:
机械工程及自动化
题目:
增压供水流量配比柔性控制电气系统
设计与开发
指导者:
陆宝春
教授
(姓名)
(专业技术职务)
评阅者:
(姓名)
(专业技术职务)
2011年5月
南京理工大学
毕业设计(论文)评语
学生姓名:
刘星
班级、学号:
0701500421
题目:
增压供水流量配比柔性控制电气系统设计与开发
综合成绩:
指导者评语:
指导者(签字):
年月日
毕业设计(论文)评语
评阅者评语:
评阅者(签字):
年月日
答辩委员会(小组)评语:
答辩委员会(小组)负责人(签字):
年月日
毕业设计说明书(论文)中文摘要
随着城市化的进一步发展和城市高层建筑的增多,二次供水的应用范围
越来越广泛,市场对二次供水设备的需求量不断上升。
同时二次供水设备的
节能标准也在不断提高,市场对二次供水设备的进入门槛越来越高,如何节
能降耗成为研发二次供水设备时的重要考量因素。
增压流量配比系统是二次
供水的重要组成设备,研发新型智能型增压流量配比柔性控制系统对于进一
步提高二次供水设备性能、降低二次供水能耗具有重要意义。
本设计是根据合作企业提高产品竞争力、开拓市场的需要,提出了以微
控制器STM32F103VET6(ARMCM3核)为核心的流量配比控制单元控制器方案,其中ARM机一方面通过RS485总线接收PLC上位机的控制指令,另一方面接收差
压流量传感器的流量信号并控制无刷直流电机调节阀门开度,达到精确控制
流量的目的。
本文从增压流量配比控制系统的总体设计和软硬件设计入手,
详细阐述了该控制器设计的思路、原理和解决方案等。
最后对方案提出了一
些改进的意见。
关键词:
二次供水流量配比控制STM32F103VET6RS485无刷直流电机
毕业设计说明书(论文)外文摘要
TitleTheDesignoftheFlexibleFlowProportioning
ControllerinPressurizeWaterSupply
Abstract
Withthedevelopmentoftheurbanizationandtheincreaseofhigh-rise
buildingsincities,theappliedrangeofsecondarywatersupplynow
becomesmoreandmoreextensiveandthedemandtothesecondarywater
supplyequipmentsisontheincrease.Atthesametime,theenergy
conservationstandardandtheadmittancestandardofthesecondary
watersupplyequipmentsisalsoupgraded.Howtosaveenergybecomes
theimportantconsiderationfactorindesigningthesecondarywater
supplyequipments.Flowproportioningsystemistheimportantpart
insecondarywatersupplyequipment.Sothedesigningofthenew
intelligentflowproportioningcontrollerinpressurizewatersupply
isofgreatsignificancetoraisethecharacteristicsandreducethe
energyconsumptionofthesecondarywatersupplyequipments.
Ourdesignisbasedontheco-operativeenterprise’sdemandtoraise
thecompetitivepowerandopenupthemarketoftheirproducts.We
bringforwardaplanwhosecoreistheMCUoftheSTM32F103VET6.On
theonehandtheARMMCUreceivessignalsfromthePLCuppermonitor,
ontheotherhanditreceivesflowsignalsfromtheflowsensorsand
drivesthemotortochangetheopeningofthevalve.Sowecancontrol
thesizeoftheflowaccurately.Mythesisiswrittenbasedonthecollectivity,hardwareandsoftwaredesignoftheflowproportioningcontroller.Itexpoundsthethinking,theoryandsolutionsofthecontrollerindetail.Atlast,thethesisputsforwardsomeproposals
tothedesignofthecontroller.
Keywords:
secondarywatersupplyflowproportioningcontrolSTM32
MCURS485BLDC
目次
1引言………………………………………………………………………………1
1.1研发背景………………………………………………………………………1
1.2国内外发展状况………………………………………………………………1
1.3研究内容与目标………………………………………………………………2
1.4论文的组织结构………………………………………………………………2
2总体方案论证与设计……………………………………………………………4
2.1需求分析………………………………………………………………………4
2.2关键器件或方案选择…………………………………………………………5
2.3系统总体设计…………………………………………………………………11
3硬件的设计与开发………………………………………………………………12
3.1主控制电路……………………………………………………………………12
3.2数字输入电路…………………………………………………………………13
3.3模拟输入电路…………………………………………………………………13
3.4RS485通讯电路………………………………………………………………14
3.5无刷电机控制电路……………………………………………………………17
3.6电源电路………………………………………………………………………19
3.7电路板抗干扰措施……………………………………………………………21
3.8控制电路板PCB图……………………………………………………………23
4软件设计…………………………………………………………………………24
4.1软件开发环境…………………………………………………………………24
4.2软件总体结构设计……………………………………………………………25
4.3初始化部分……………………………………………………………………26
4.4主循环控制部分………………………………………………………………26
4.5ADC部分………………………………………………………………………28
4.6ModBus通讯…………………………………………………………………30
4.7无刷电机控制部分……………………………………………………………33
4.8数字输入部分…………………………………………………………………35
4.9系统软件总流程图……………………………………………………………35
5软硬件调试…………………………………………………………………36
5.1软件的调试……………………………………………………………………36
5.2硬件的调试……………………………………………………………………37
5.3程序的下载……………………………………………………………………38
6系统的改进意见…………………………………………………………………39
6.1硬件部分………………………………………………………………………39
6.2软件部分………………………………………………………………………39
结论…………………………………………………………………………………41
致谢…………………………………………………………………………………42
参考文献……………………………………………………………………………43
附录A:
控制电路板原理图…………………………………………………………45
附录B:
软件流程图…………………………………………………………………46
1引言
1.1研发背景
二次供水,是指单位或个人将城市公共供水或自建设供水经储存、加压,通
过管道再供用户或自用的形式。
城市供水管网的有效供水高度只有30
40米,所以二次供水是目前高层建筑供水的唯一选择方式
。
增压水泵从水箱和供水管网中抽取流量进行增压,然后向高层用户供水。
在这里就存在水箱水和管网水的流量配比问题,在用户需水较少时,可主要从管网中抽水;当用户用水高峰时,还需要大量从水箱中抽水,以保证用户用水。
所以在二次供水设备中就广泛存在这样一个流量配比的部分。
在我国,随着城市化的一步步加快和高层建筑的增多,二次供水的应用范围越来越广泛。
一大批生产研发二次供水设备的企业也应运而生,市场竞争也变得越来越激烈。
同时现有的多数二次供水设备大都存在智能化程度低、水力损耗大等问题,而国家对于二次供水设备的节能标准正在不断提高,二次供水设备的竞标门槛也越来越高。
基于这两方面的原因,不少企业正积极自主或与高校、科研院所合作研发智能化、低能耗的二次供水设备,以提高自己产品的市场竞争力。
“增压流量配比柔性控制电气系统设计与开发”这一课题就是来源于南京尔顺科技发展有限公司和南京理工大学的产学研合作项目。
项目组的任务即在于为合作企业研发新型智能型流量配比控制系统,帮助企业提高产品竞争力和市场占有率,同时为全社会的节能减排作出自己的贡献。
1.2国内外发展状况
二次供水设备的发展历程往往是和城市化的发展相同步的,国外尤其是西方
国家,完成城市化的时间较早,二次供水设备的发展成熟也较早。
而近几十年来,西方国家的城市化进程早已放缓,所以二次供水设备的发展更新速度并不快,这也可以从网上这方面资料的缺少看出来。
但是西方国家的二次供水设备的智能化程度高,这一点是我们国内同行要努力追赶的。
对我们国内而言,在未来的一段时间里,仍将会有数亿人从农村走向城市,从平房走向楼房,所以二次供水设备正面临着一个黄金般的发展机遇期。
这一机遇期也正好和国家促进信息化发展、建设节能型社会的时期相重合。
而国内现有大多数二次供水设备(包括流量配比系统)均存在智能化程度低、水力损耗大的不足,显然不能满足未来对于二次供水设备的要求。
这就要求国内同行不断努力,致力于研发各种新型智能型二次供水设备,提高二次供水设备性能,减少能耗,为未来我国的大规模城市化提供先进的二次供水解决方案。
1.3研究内容与目标
本课题的任务在于针对城市供水流量柔性控制的技术需求,基于STM32F103VET6MCU、RS485总线和无刷直流电机控制等技术,完成增压流量配比柔性控制(阀门开度从0
100%之间连续可调)电气系统硬软件设计与开发。
根据本课题的要求,研究内容有以下几部分:
(1)增压流量配比柔性控制系统的调研与资料查询、分析;
(2)增压流量配比柔性控制电气系统的需求分析、总体方案论证与设计;
(3)电气系统硬件设计;
(4)电气系统软件设计;
(5)增压流量配比柔性控制系统开发、调试与实验验证。
1.4论文的组织结构
本文以增压流量配比柔性控制单元为研究对象,针对合作企业提出的具体要
求和技术指标,对项目需求进行了认真分析,提出了可行的解决方案。
论文主要包括增压流量配比柔性控制单元硬软件的设计和调试,全文分为六章,各章内容安排如下:
第1章:
介绍了论文研究的背景和意义,分析了国内外增压流量配比控制系统的发展现状,确立了本文研究的内容与目标,阐述了论文的组织结构安排。
第2章:
对增压流量配比柔性控制系统的总体控制要求进行了分析,进行了相关方案的论证,针对控制方案对关键器件进行了选型,并设计了系统总体方案。
第3章:
对增压流量配比柔性控制系统的硬件设计进行了详细的说明,对各功能模块的作用给予了介绍。
第4章:
对增压流量配比柔性控制系统的软件部分进行了总体设计与开发,对各功能模块的作用给予了介绍。
第5章:
对增压流量配比柔性控制系统的硬软件进行了调试,同时介绍了相关调试器的功能和使用方法。
第6章:
对方案的硬软件的不足之处提出修改的意见和建议。
2方案总体论证与设计
2.1需求分析
增压供水流量配比系统负责向二次增压水泵供水,供水来源有两个,一个是自来水管网中的水,另一个是水箱中的水。
如何准确、实时分配管网水和水箱水的流量比例是要解决的最核心的问题。
机械部分上使用射流泵这种结构形式,如图2.1所示,电机通过蜗轮蜗杆带动阀芯运动,从而调节自来水管网的进水流量大小,当管网进水流量小时,二次增压水泵会更多地抽取水箱水以满足用户用水;否则,反之。
这样就达到了流量配比的目的。
图2.1增压流量配比系统机械结构图
为了准确控制管网水和水箱水的流量比例,电气系统需要能够实时测量管网和水箱流量的大小,并根据上位机PLC的控制要求驱动电机完成流量调节。
根据合作公司的要求,电气系统还需要具有足够的柔性,可以实现流量的连续调节,以减少流量脉动和引起的能量损失。
由此,我们得出增压供水流量配比控制系统的具体技术要求如下:
(1)能够精确测量管网水和水箱水流量;
(2)能够与上位机进行可靠通讯;
(3)调节阀芯往复移动幅度可调;
(4)调节阀芯往复移动速度可调。
根据客户要求,本控制系统技术指标如下:
(1)系统有2路模拟量输入测量流量大小,流量测量精度
;
(2)系统有6路PWM输出控制电机,电机转速在900rpm
1500rpm之间连续可调;
(3)系统可以实现流量0
100%的连续平滑调节,流量调节精度
;
(4)阀芯最大行程为93.3mm,位移精度为
。
2.2关键器件或方案选择
2.2.1拖动电机选择
在工业生产的各个领域,电机都是许多电力拖动系统必不可少的动力源。
电机选择的正确与否直接关系到机电产品控制效果的好坏,所以电机的选择是十分重要的。
增压流量配比控制系统对于电机的要求是工作可靠,运行平稳,调速连续,以减少流量调节过程中的脉动和能量损失。
相比于交流电机来说,直流电机启动力矩大、运行平稳、调速简单,可以满足系统要求,所以我们选用直流电机。
直流电机又分为有刷直流电机和无刷直流电机,有刷直流电机采用机械换向,寿命短、噪声大、易产生电火花,效率低,长期使用碳刷磨损严重,较易损坏,所以有刷直流电机连续使用一段时间就要更换电机内碳刷,维护成本高;无刷直流电机以电子换向取代机械换向,无机械摩擦,无换向磨损,无电火花,免维护且能做到更加密封,体积小、效率高,调速范围大,在技术上优于有刷直流电机
。
从价格上讲,无刷直流电机是要比有刷直流电机贵一些,但是我们可以获得更好的使用性能和功率体积比,而且无刷电机的价格相对于整个增压流量配比系统的成本来说所占比例并不大,是可以接受的。
STM32MCU本身自带有可以产生6路带死区时间互补的PWM的高级定时器
,这为无刷电机的控制提供了很大的方便。
而且关于STM32MCU控制无刷电机的例程也可以在ST公司提供的电机手册中找到,其中提供了很多模块化的程序,这也为我们进行无刷电机控制器的开发提供了方便,基于以上原因我们决定选用无刷直流电机作为增压流量配比系统的执行部件。
由于无刷电机需要直流电源,而上位机PLC所能提供的电源一般是24V直流电压;同时经过计算,本项目所需电动机的功率为25W,所以最后选择额定功率为25W,额定电压为24V的57BL52-212型无刷直流电机。
2.2.2无刷电机的调速方案
(1)无刷电机的工作原理
无刷直流电机,就其基本结构而言,可以认为是一台由电子开关线路、永磁同步电动机本体和转子位置传感器三者共同组成的“电子电动机系统”
,其原理如图2.2所示。
图2.2无刷电机原理框图
图2.3无刷电机主要组成部分示意图
无刷直流电机的主要组成部分有电动机本体、位置传感器与电子开关等3部分,如图2.3所示。
电源部向三相绕组线圈也就是定子供电。
固定的磁场是不能带动转子转动的,所以一定要采用某种方式来使三相绕组线圈以一定顺序依次导
通,从而产生沿一定方向变动的磁场,带动转子旋转。
这就是换相的作用。
顾名思义,无刷直流电机不使用电刷换相,而是采用电子换相。
通常,用3个霍尔传感器来检测转子位置,通过检测这些传感器的不同输入信号来换相。
当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子永久磁铁产生的磁场相互作用,从而产生转矩,驱动转子旋转;再由位置传感器将转子磁极位置信号变换成电信号,去控制电子开关线路,从而使定子各相绕组按一定顺序导通,定子绕组所产生的磁场和在转动中转子磁铁所产生的永磁磁场,在空间始终保持在
左右的电角度,这样电机转子就可以稳定的转矩沿着某一方向不停旋转。
当电动机需要反向旋转时,只要将电流反向即可。
这就是无刷电机的工作原理。
(2)无刷电机调速方案
电动机的速度和转矩取决于电机绕组所产生磁场的强度,磁场的强度又取决于流经每个绕组的电流大小。
因此,调整绕组电压(或电流)可以改变电机速度。
调整绕组电压的方式有多种,在这里我们采用的是广泛应用在直流电机数字控制上的PWM调速方式,即脉宽调速方式。
其基本工作原理是有规律地控制电源的接通和断开,通过调节接通时间占总时间的比值(占空比)来调节绕组电压,进而调节电机速度。
无刷直流电机是由六路控制信号进行控制的,那么PWM调速就需要六路PWM波形,如图2.3所示。
STM32MCU的高级控制定时器可以产生6路带死区(时间可调)的互补PWM波形,并且带有霍尔传感器接口,这为我们进行无刷电机控制提供了极大方便。
下面来介绍一下无刷电机的具体调速过程,首先根据程序计算出需要的电机速度(与目标流量和实际流量之间的差值成正比),并转换为PWM波形的占空比,然后对STM32MCU的高级控制定时器进行编程,设置其6路PWM输出波形的频率、占空比等参数,而后启动电机。
在运行过程中,霍尔传感器将换相信号反馈给MCU,MCU控制电机换相,同时计算出两次换相之间的时间,进而计算出现在的实际速度,再与目标速度进行比较,然后修改PWM参数,修正电机速度。
这样做就可以使电机在负载转矩波动的情况下速度基本保持不变,这样电机的运行就变得比较平稳,这也是我们选择无刷电机作为执行部件的重要原因。
2.2.3压力传感器的选择
增压流量配比控制系统中流量采用差压(基于文丘里流量计原理
)测量的方式,故需要在自来水管道中放置压力传感器。
本文选择了卫生级、测量精度高且价格低廉的85型齐平膜式压力传感器。
85型齐平膜式压力传感器是一种体积小、介质兼容的硅压阻式传感器,且采用316不锈钢外壳结构,主要性能参数如下:
(1)输出0
100mV信号,可以采用4-20mA电流环的传输方式将信号传输给控制器;
(2)工作温度范围-40
125
;
(3)精确度
0.1%(非线性);
(4)供电电源1.5mA,可以利用4-20mA电流环传输线来进行供电。
图2.485型齐平膜式压力传感器实物图
增压流量配比系统的管网水入口处和水箱水入口处各放置了两个压力传感器,如下图2.5所示。
4个压力传感器通过差压的方式产生了2路流量模拟信号,并以4-20mA电流环的方式传送给主控制芯片进行处理。
图2.5增压流量配比系统流量测量示意图
2.2.4通讯方案和协议的选择
(1)通讯方案的选择
增压流量配比柔性控制单元通过RS485总线实现与上位机PLC的通讯(项目初期已与合作公司确定)。
在多台计算机组成的多站、远距离通信传输中,当要求通信距离为几百米到上千米时,广泛采用RS485收发器。
RS485收发器采用平衡发送和查分接收,因此具有抑制共模干扰的能力,抗噪声能力强,加上接收器具有高的灵敏度,能检测低达200mV的电压,故传输信号可以在千米以外得到恢复。
使用RS485总线,一对双绞线就可以实现多站联网,构成分布式系统。
设备简单、价格低廉、能进行远距离传输的优点使其得到了广泛的应用,成为工业应用中数据传输的首选标准
。
且RS485总线的数据传输速率最高可达10Mbps,最多可以支持400个节点,完全可以满足系统的要求。
有了通讯方案之后,还需要确定通讯协议,这样才能保证通讯能够顺利地进行。
本文选择了标准Modbus协议RTU模式,通讯采用主从问答的半双工方式。
Modbus与其他现场总线和工业化网络相比有以下三个特点:
1)标准开放,用户可以免费使用该协议;2)Modbus是面向报文的协议,可以支持多种电气接口,如RS232、RS485等;3)Modbus的数据帧格式最简单、最紧凑,通俗易懂,易于实现,工作可靠
。
正是因为Modbus具有这样多的优点,所以它自问世以来,在工业自动化控制、楼宇监控等场合得到了非常广泛的应用,这也是增压流量配比控制系统采用它的重要原因。
2.2.5主控制芯片的选择
主控制芯片是增压流量配比控制系统的核心部件,通过它接收上位机发送来的控制目标信号,并接收差压流量传感器送来的信号,进行流量的读取与分析,进而控制电机的动作。
综上,分析可能要用到的I/O端口有:
2路模拟量输入口,6路PWM信号输出口,3个霍尔元件输入口,手动操作开关量输入口,一个通用串行通讯口等。
目前市场上的微控制器主要有单片机和ARM两种类型,单片机有MCS51、AVR、PIC等多种类型,ARM有ARM7、ARM9、Cotex-M3(ARM7、Cotex-M3主要应用于工业控制场合)等内核类型。
本项目选择使用意法半导体公司的ARMCM3核微控制器STM32F103VET6来进行增压流量配比系统控制器的设
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- 增压 供水 流量 配比 柔性 控制 电气 系统 设计 开发