隨著經濟的快速發展和城市高層建筑的不斷涌現，人們對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提高，加上目前能源緊缺對節能的要求，因此利用先進的電子測控技術和自動化控制技術，設計高性能、高可靠性、低成本、低能耗，以及能適用不同領域的恒壓供水系統也就成為必然趨勢。隨著近年來變頻調速技術的飛速進步，變頻恒壓供水也在其基礎上慢慢發展起來，并成為一種新興的現代化供水技術。
目前，國外的恒壓供水工程設計都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，這種方式不但投資成本較高，且功能單一。
為此設計了在變頻調速控制系統中加入基于C8051F410的單片機系統，構成了功能更強的復合控制系統，它不但克服了以上缺點，而且具有安裝調試方便，功能全面，可靠性高。抗干擾能力強等優點，且可以廣泛應用于工業生產、社會生活的各個領域。
1 控制原理
在恒壓供水系統中，安裝于管網的遠傳壓力表提供水壓力信號，并經過光電隔離和電壓轉換電路，傳送給系統的中心控制器，控制器將采集到的壓力數據與預設壓力進行比較，得出偏差值，再經PID運算之后得出控制參數，D／A模塊將控制參數轉換為模擬電壓輸出，調節變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉速，以保證管網壓力基本恒定。當用水量增大時，管網壓力低于預設值，變頻器頻率就會升高，水泵轉速加快，從而提升管道水壓，但若達到水泵額定輸出功率仍無法滿足用戶供水要求時，該泵自動轉換成工頻運行狀態，并變頻啟動下一臺水泵；反之，當用水量減少，則降低水泵運行頻率直至設定的下限運行頻率，若供水量仍大于用水量，則減泵直至全部泵停止工作，經過一定的延時，控制器重新比較壓力，并計算控制輸出，從而維持恒壓供水。它的系統原理框圖如圖1所示。
該系統可以同時控制2臺水泵，根據不同的場合可以采用不同的運行模式，如單泵運行、一用一補、一工一變、定時換泵等。
2 系統總體方案
系統的硬件和軟件采用模塊化、標準化設計，并充分考慮系統的擴展能力。控制器由主控板、顯示按鍵面板和電源板三部分組成。圖2是控制器的結構框圖，其工作原理是：首先用戶通過顯示按鍵面板設定預設壓力和控制器運行的各個功能參數，保存至E2PROM存儲器用作掉電存儲，位于用戶管網端的遠傳壓力表輸出的電壓或是電流信號經過采樣電路轉化為數字量，送入單片機與預設壓力進行比較，計算并輸出模擬控制量和繼電器輸出狀態量。其中，模擬控制量輸出經過變頻器控制模塊電路送給變頻器，用以控制變頻器的輸出頻率；繼電器輸出狀態量經過繼電器輸出電路送給繼電器組，用以控制各個泵工作于工頻或是變頻狀態。最后單片機把實際壓力值、預設壓力值、輸出頻率和各個泵的工作狀態送到顯示面板，以便用戶進行觀測和操作。
3 系統單元電路
3．1 主控制器的選擇
主控制器選用單片機C8051F410，它是一款完全集成的混合信號片上系統型芯片，其內部還集成了12位高速ADC模塊和電流輸出型DAC模塊，同時硬件實現的SMBus和UART串行接口，能方便處理器與E2PROM通信和數據串行輸出。C2805lF410還支持JTAG實時仿真和跟蹤，能夠進行非侵入式(不占用片內資源)的全速在系統調試。
3．2 系統電源電路
該設計采用基于三端穩壓芯片TOP221Y的高精度開關穩壓電源電路，主電路拓撲結構選用單端反激式直流變換電路，其輸出采用兩組直流低壓電源：主回路為系統的數字電路部分提供5 V直流電源，副回路為系統的模擬部分提供15 V直流電源。
3．3 壓力表信號采集與光電隔離電路
位于用戶管網的壓力傳感器監測到的壓力信號經過光電隔離電路進行濾波和隔離處理后，進入C8051F-410內部的ADC模塊，實現按比例轉換，轉換為12 b數字量，以供單片機對其信號進行處理和計算。為了保證輸入量與轉換量程相稱，充分發揮A／D轉換器的分辨率，在對壓力信號進行A／D轉換之前經過光電隔離電路時，就已將外部傳入的O～5 V模擬電壓轉換為O～2 V模擬電壓信號。電路原理如圖3所示。
由圖3可見，外部電壓信號從IN端口接入，經過隔離和濾波電路，轉換為O～2 V電壓，從ADC端口送入單片機。同時在模擬信號采集到單片機系統的過程中，各種干擾信號都會隨著被測量信號進入MCU控制系統，這些信號迭加在有用的被測信號上會降低測量的準確度，造成控制系統的不穩定。以上電路設計便利用線性光耦進行光電之間的相互轉換，利用光作為媒介進行信號傳輸，在電氣上使測量系統與現場信號完全隔離，從而實現了電平線性轉換且不把現場的電噪聲干擾引入到控制系統中。
3．4 控制變頻器輸出電路
單片機通過內部的電流輸出型數／模轉換模塊(IDAC)，將計算得出的數字量轉化為模擬電壓輸出，其輸出電壓經過濾波和比例轉換處理后用來控制變頻器的頻率。同時為了保證單片機IDAC輸出電壓穩定可靠，不受干擾，外部電路同樣采用了光電隔離電路，其電路原理圖如圖4所示。
3．5 外擴E2PROM存儲器電路
該設計采用Atmel公司的E2PROM芯片AT24C02，其體積小，性能優，使用靈活方便，能夠在系統掉電之后存儲一些用戶設定和運行的狀態參數，以便重新啟動機器之后讀取。處理器自身集成的SMBus兼容I2C接口，可以直接與AT24C02通信，此方案不僅設計單，工作可靠，而且成本低廉。電路原理如圖5所示。
3．6 繼電器控制輸出電路
主控制器驅動5個靈敏繼電器K1～K5，分別控制1個泄流閥和2個泵電機，實現對泄流閥的打開與關斷控制和泵的變頻或工頻狀態切換。單片機通過信號線RX與TX將繼電器狀態控制信號串行輸出給串行移位寄存器芯片74HC595D，由74HC595D將輸出狀態的硬件鎖存，以防止輸出狀態被干擾，最后通過達林頓管ULN2003提高驅動能力，以控制水泵電機的工作狀態和泄流閥的動作。
4 控制器的軟件設計
該設計中對變頻器輸出頻率的調節采用PID控制算法，其控制算法就是對偏差的比例、積分和微分。它是連續系統中技術成熟，應用最廣泛的一種算法，特別是在工業控制中，因為控制對象的精確數學模型很難建立，系統參數又經常發生變化，因此常采用PID控制算法，其控制示意圖如圖6所示。
它的數學表達式為：
式中：KP，KI和KD分別為比例系數、積分系數和微分系數；e(t)為誤差。
式(1)離散化后可以用計算機很方便地實現，其位置式PID控制規律的數學表達式為：
式中：e(j)為第j次采樣的誤差值；T為采樣周期。
在實際應用中，一般選擇增量式PID控制規律。因為增量型算法與位置型算法相比，前者不需要做累加，不易產生大的累加誤差，而且得出的是控制量的增量，誤動作的影響比較小，更易于實現手動到自動的無沖擊切換。增量式數字PID控制算式為：
在該設計中，執行機構采用變頻器，由于采用增量式數字PID控制算法，所以對于每個采樣周期，控制器輸出的控制量都相對于上次的增加量，其系統控制算法流程如圖7所示。
圖7為增量式數字PID算法在整個系統中的控制流程，每次進入A／D定時采集中斷，壓力信號便會被轉化為數字量，PID控制模塊便將壓力信號的數字量通過算法處理得出相應的控制輸出數字量，接著啟動D／A將數字輸出轉換為模擬電壓輸出，其模擬電壓輸出用以控制變頻器。此模塊配合繼電器開關輸出模塊和壓力采集模塊，通過相應的控制策略實現實時測量和控制，保持供水管網壓力的動態平衡。為了方便現場調試，在設計中使PID調整的上升、下降和跟蹤采樣周期的設定值可變，可以在開機時通過鍵盤改變其值，從而改變PID參數，以適應不同場合的控制需要。如圖8所示，曲線1是參數調整前電機模塊控制電壓隨時間變化的響應曲線；曲線2為參數經過多次調整之后的響應曲線。可以看出，經過參數調整，系統的響應性能有了較大的提高，所以在實際應用環境中需要經過多次調整設定值，以保證達到最佳的控制性能。
5 結語
分析了智能給水控制器的軟件和硬件設計。該控制器以SoC單片機C8051F410為核心，實現了對管網壓力的采集，對變頻器輸出的控制，而且擁有獨特靈活的用戶界面。控制器不但采樣和控制精度高，而且有多種保護和抗干擾功能，保證了控制器的穩定性和安全性。采用控制器和變頻器構成的恒壓供水系統，不僅大大提高了供水質量，而且節能降耗效果也較為顯著，在當今國家能源緊張的情況下，具有重要的現實意義。