單片機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用
介紹了一種基于單片機(jī)M68HC908J12的變頻調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng),闡述了該系統(tǒng)的組成及工件原理,給出了軟件的主程序框圖。
關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速,M68HC908J12,自動(dòng)控制系統(tǒng)
1 引 言
隨著大功率開關(guān)器件制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,變頻調(diào)速以其自身功能完善、性能可靠、節(jié)能顯著等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活等領(lǐng)域。目前,高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究和開發(fā)已引起各國(guó)專家的高度重視。
城市供氣系統(tǒng)的負(fù)載現(xiàn)在主要是風(fēng)機(jī),而風(fēng)機(jī)類負(fù)載適于變頻調(diào)速,并且節(jié)能顯著,因此,變頻調(diào)速在城市供氣系統(tǒng)中推廣非???。但對(duì)較復(fù)雜的系統(tǒng),變頻調(diào)速設(shè)計(jì)很難取得最佳的效果。本文正是針對(duì)這一問題,結(jié)合本地氣站的變頻調(diào)速技術(shù)改造而進(jìn)行的研究。該系統(tǒng)以M68HC908J12單片機(jī)為核心,實(shí)現(xiàn)了變頻器與多風(fēng)機(jī)的有機(jī)配合,抗干擾能力強(qiáng),節(jié)能效率高,供氣質(zhì)量好,并降低了成本。實(shí)驗(yàn)證明具有很高的推廣價(jià)值。
2 M68HC908J12單片機(jī)
M68HC908J12單片機(jī)是美國(guó)Motorola公司于2001年推出的一類M68HC908系列高性能8位單片機(jī),它具有速度快、功能強(qiáng)、價(jià)格低等特點(diǎn)。硬件結(jié)構(gòu)與M6805、M146805級(jí)M68HC05兼容,而且?guī)в?0位A/D和LCD驅(qū)動(dòng)模塊,其主要特點(diǎn)有:
最大的總線頻率為8MHz(4.5V~5.5V),4MHz(2.7V~3.3V)和1MHz(2.4V~2.7V)內(nèi)部總線頻率;12K字節(jié)FLASH閃速存儲(chǔ)器,具有在線編程和加密功能;片內(nèi)512K字節(jié)RAM;多功能定時(shí)器接口TIM1和TIM2;具有紅外功能的串行通信接口SCI;CPU正常工作監(jiān)視模塊COP;電源電壓監(jiān)視模塊LVI;實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC;串行外圍部件擴(kuò)展接口SPI;6路10位A/D;8個(gè)鍵盤輸入中斷。
3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理
城市供氣系統(tǒng)中以恒壓供氣為原則,由于煤氣隨時(shí)間不同流量變化很大,若不能及時(shí)調(diào)整會(huì)造成煤氣壓力不穩(wěn)定,影響使用質(zhì)量。傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)母管出口閥開度的方式會(huì)引起壓力不穩(wěn)定,甚至喘振,不能保證供氣質(zhì)量,而且存在能量的大量浪費(fèi)。因此,只有設(shè)計(jì)出合理的、技術(shù)含量高的變頻調(diào)速系統(tǒng)才能很好地解決這一問題。但由于一般氣站風(fēng)機(jī)較多,若一臺(tái)變頻器配一臺(tái)風(fēng)機(jī),成本太高,而且風(fēng)機(jī)也不一定工作在高效工作區(qū),不利于節(jié)能,考慮到整個(gè)供氣系統(tǒng)對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)并無特殊要求,只要保證出口壓力穩(wěn)定在給定值上即可。因此,該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中,只用一臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速,其它風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行在高效工作區(qū)或處于停機(jī)狀態(tài),這樣,當(dāng)煤氣母管出口壓力高于或低于給定值時(shí),該自動(dòng)控制系統(tǒng)先通過變頻器調(diào)節(jié),再通過啟停風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)。這一過程以M68HC908J12單片機(jī)為核心協(xié)調(diào)完成。其控制原理如圖1所示。
該自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程為,單片機(jī)M68HC908J12接收母管出口壓力信號(hào)P,并進(jìn)行PID優(yōu)化補(bǔ)償,同時(shí)接收變頻器的頻率信號(hào)f。當(dāng)P<Po,f<fm(Po為系統(tǒng)壓力給定值,fm為變頻器調(diào)壓的上限相應(yīng)頻率信號(hào))時(shí),單片機(jī)M68HC908J12發(fā)出控制信號(hào)調(diào)節(jié)變頻器的頻率,增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,增大壓力P。當(dāng)P<Po,f≥fm時(shí),單片機(jī)M68HC908J12再按序啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并打開相應(yīng)泵閥,同時(shí)按設(shè)定程序變頻調(diào)節(jié),保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。當(dāng)P>Po,f>fn(fn為變頻器調(diào)壓的下限相應(yīng)頻率信號(hào))時(shí),單片機(jī)M68HC908J12發(fā)出控制信號(hào)調(diào)節(jié)變頻器的頻率,減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,降低壓力。當(dāng)P>Po,f≤fn時(shí),單片機(jī)M68HC908J12再按序關(guān)停風(fēng)機(jī)并關(guān)閉相應(yīng)泵閥,同時(shí)按設(shè)定程序變頻調(diào)節(jié),保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。當(dāng)P=Po時(shí),系統(tǒng)保持原狀態(tài)不變。
在調(diào)速過程中,由于單片機(jī)M68HC908J12接收的壓力信號(hào)P和變頻器頻率信號(hào)f精度較好,可達(dá)到0.1%,因此整個(gè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能非常高,可有效消除喘振。另外,風(fēng)機(jī)的啟停順序已由單片機(jī)M68HC908J12程序設(shè)定,而且在啟停風(fēng)機(jī)時(shí),并非同時(shí)打開或關(guān)閉泵閥,而是有一定延時(shí)或超前時(shí)間,以保證系統(tǒng)穩(wěn)定,防止喘振。fm和fn是風(fēng)機(jī)工作在高效區(qū)時(shí)上下限所對(duì)應(yīng)的變頻器的頻率,而非變頻器最大最小頻率,視具體的風(fēng)機(jī)而定。給定壓力Po可根據(jù)生產(chǎn)需要來定,而且Po應(yīng)選定在保證供氣質(zhì)量的最低值上,以利于節(jié)能。另外,在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,變頻器所配風(fēng)機(jī)的功率也應(yīng)適合整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)速過程,其功率應(yīng)能與其它風(fēng)機(jī)
相配合以實(shí)現(xiàn)變壓調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定連續(xù)。
4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成
該自動(dòng)控制系統(tǒng)主要組成如圖2所示,它以單片機(jī)M68HC908J12為核心,通過軟件編程獨(dú)立完成壓力的優(yōu)化補(bǔ)償和其它所有的控制任務(wù),它接收壓力信號(hào)和頻率信號(hào),協(xié)調(diào)全面的控制功能。單片機(jī)M68HC908J12的抗干擾能力強(qiáng),而且具有紅外接口,是系統(tǒng)性能的重要保證。變頻器屬于單片機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一部分,同一時(shí)刻只控制一臺(tái)風(fēng)機(jī),它由壓力信號(hào)經(jīng)單片機(jī)M68HC908J12優(yōu)化補(bǔ)償后,通過變頻調(diào)速達(dá)到調(diào)節(jié)出口壓力Po的目的。電氣邏輯開關(guān)是單片機(jī)M68HC908J12的執(zhí)行機(jī)構(gòu),它由繼電器和驅(qū)動(dòng)電路組成,在單片機(jī)M68HC908J12的控制下,電氣邏輯開關(guān)完成對(duì)風(fēng)機(jī)及閥門開關(guān)的啟停和調(diào)節(jié)。母管壓力檢測(cè)由陶瓷壓阻壓力傳感器和Σ△A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的高精度數(shù)字變送器電路進(jìn)行,完成壓力的測(cè)量和傳送,并能滿足系統(tǒng)精度要求。風(fēng)機(jī)是調(diào)壓的直接機(jī)構(gòu),其中,風(fēng)機(jī)0由變頻器控制,風(fēng)機(jī)1、風(fēng)機(jī)2和風(fēng)機(jī)3由邏輯開關(guān)控制。另外,電路保留了手動(dòng)開關(guān),還有電源和工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路。
5 出口壓力的優(yōu)化調(diào)節(jié)
煤氣供應(yīng)系統(tǒng)的原則是煤氣流量與出口壓力匹配,從而保持系統(tǒng)壓力平衡穩(wěn)定,否則會(huì)引起喘振。本系統(tǒng)用戶所需壓力精度相對(duì)較低,但系統(tǒng)是依據(jù)出口壓力的變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)的,因此,系統(tǒng)要求較高的壓力精度。為有效克服喘振,系統(tǒng)主要采用了變速PID的優(yōu)化補(bǔ)償,其原理如圖3所示,PID的調(diào)節(jié)主要由軟件在單片機(jī)M68HC908J12內(nèi)部完成,壓力信號(hào)經(jīng)PID的優(yōu)化補(bǔ)償后,再驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)調(diào)壓。在調(diào)壓過程中,出口壓力的調(diào)節(jié)采用分段處理。為了避免引起喘振,各段都根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),確定調(diào)整和優(yōu)化的參數(shù),以盡可能達(dá)到最優(yōu)控制。
6 軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的控制功能基本上由軟件完成,通過語言編輯,實(shí)現(xiàn)壓力、速度、加速度、存儲(chǔ)效應(yīng)優(yōu)化及I/O控制。另外,該軟件也設(shè)置了過壓過流等保護(hù)、報(bào)警監(jiān)控程序。程序編寫時(shí)遵循順序控制原則,軟件的主程序流程如圖4所示。
其中PID優(yōu)化程序包括分段程序、頻率調(diào)節(jié)的相應(yīng)加速度程序、補(bǔ)償調(diào)節(jié)程序、壓力和速度等的相關(guān)程序。PID優(yōu)化程序和頻率調(diào)節(jié)程序相應(yīng)分兩個(gè)子程序。單片機(jī)M68HC908J12還通過與變頻器RS235或RS485通訊口的連接,利用軟件編程克服變頻器的存儲(chǔ)效應(yīng),加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度,提高系統(tǒng)的性能。另外,在硬件滿足要求的前提下,通過編程和參數(shù)設(shè)定,可調(diào)整系統(tǒng)的精度和性能。
7 結(jié)束語
本文提出的變頻調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng),經(jīng)實(shí)際運(yùn)行,證明完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了無人值守和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控報(bào)警。用一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)風(fēng)機(jī),大大降低了成本,而且節(jié)能效果顯著,優(yōu)于47.3%。在變頻器日益推廣的今天,該系統(tǒng)對(duì)城市供水、供氣及相關(guān)企業(yè)應(yīng)用具有很高的推廣借鑒價(jià)值。
評(píng)論