嵌入式船用变频供水控制系统

韩中建

（武警海警学院，浙江宁波 315801）

0 引言

船舶供水系统作为机电设备中的重要组成部分，可影响船舶正常运行及船员的日常生活质量。恒压变频供水系统因具有压力稳定、节约能源、成本低廉、自动化程度高、方便管理等优点，逐渐成为船舶主要供水方式[1]。目前，基于PLC的恒压变频供水系统因编程快捷、成功率高等优点在船舶业及市场中占比较大。然而，随着自动化和智能化水平的不断提高，控制系统的功能不只局限于控制环节，更扩展到水质数据分析、水质数据监控、网络服务支持等方面，而嵌入式系统成本低廉、控制功能强、功耗低、体积小且扩展灵活，必定成为未来变频供水控制系统发展的主流方向之一[2]。

1 控制原理

如图1所示，本文中的变频供水控制系统采用经典闭环控制系统，通过压力传感器将供水管路的出口压力转换为4 mA～20 mA的标准信号，而后经信号处理和A/D模数转换后在嵌入式微处理器中结合液晶屏上设置的恒定压力进行PID计算；再经过D/A数模转换与电压放大模块，将电路线性放大为0 V～10 V的电压信号，并控制变频器输出0 Hz～50 Hz的交流电，进而控制水泵转速以调节供水管路的出口压力[3]。

图1 系统构框图

2 控制电路设计

如图2所示，本控制电路设计主要设备包括：STM32F429嵌入式微处理器、SKI600-1D5-4变频器、25WBS3-8离心泵、电压继电器、接触继电器以及各类电气元件。通过改变旋钮开关SA，实现液晶屏控制与本地控制2种模式间的切换。当SA＝1时，为液晶屏控制模式，该模式下通过压力变送器、电磁流量计、电压继电器等设备采集管路出口压力、流量、输出频率、水泵运行状态等参数信息，而后经嵌入式微处理器在液晶显示模块显示。当在液晶屏上选择变频启动时，微处理器控制电压继电器接通 KV2、KV4，断开KV1，接通接触器KM2与变频器主线，断开KM1，则水泵接通变频电压。同时，将出口压力传感器采集的信息与液晶屏上设定的恒压值相结合进行PID运算，运算值经D/A变换和电压放大电路线性放大为0 V～10 V电压信号后反馈给变频器的AI2端口，从而使变频器给1#泵输出频率缓慢升高的380 V交流电，并稳定在设定值压力所对应的频率。当在液晶屏上点击变频停止时，微处理控制KV2、KV3、KV4断开，接通KV1，则水泵接通工频电压，系统恢复为手动运行模式；此时可通过液晶屏上的按钮，手动控制1#泵、2#泵的启动停止。当SA＝2时，为本地控制，该模式下水泵接通工频电压，可通过控制箱按钮 SB1、SB2、SB3、SB4控制1#泵、2#泵的启动停止。

图2 基于嵌入式变频供水系统控制线路

3 软件控制逻辑流程

当系统在液晶屏控制模式下工作时，嵌入式微处理器开始工作，其软件逻辑控制流程如图 3所示。系统启动后首先进行各外设的初始化，包括GPIO端口、定时器、A/D转换、D/A转换、SDRAM 以及液晶触摸屏的初始化；而后系统检测出口压力、流量、频率以及供水泵运行状态，并在液晶屏显示；再判断手动启动还是变频启动（系统默认为手动启动），可通过液晶屏上按钮手动控制1#泵、2#泵的启动停止。当选择变频启动时，系统默认为1#泵单泵启动，出口压力与设定压力进行PID运算，并经I/O端口调整变频器输出频率，而后判断当前运行模式。当单泵运行时，若当前变频器输出频率大于单泵运行最大频率F单max，由此说明单泵已无法满足当前的用水需求；系统启动2#泵开始双泵运行，并经I/O端口调整变频器输出为双泵运行最小频率F双min，否则继续单泵运行。当双泵运行时，若当前变频器输出频率小于双泵运行最小频率F双min，则说明无需双泵运行，系统停止2#泵，开始单泵运行，并经I/O端口调整变频器输出为单泵运行最大频率F单max，否则继续单泵运行。最后进行停机检测，当执行停机时，KV2、KV3、KV4断开，KV1接通，系统恢复初始的手动启动状态。

图3 软件控制逻辑流程

4 控制界面设计

如图4所示，变频供水控制系统采用5英寸RGB电容触摸屏作为人机交互界面，分辨率为800×480像素，使用emWin软件设计、CodeBocks软件进行模拟仿真。功能主要包含1#供水泵、2#供水泵的运行状态监测、运行数据监测、恒压设定、手动启动、变频启动等。

图4 变频供水模拟控制界面

当控制系统为液晶屏控制时，默认为手动运行模式，可选择单泵或双泵运行模式，通过点击1#泵、2#泵启动停止按钮，以控制各泵的运行。当1#泵、2#泵处于停止状态时，点击变频启动按钮后，系统开始变频启动运行，同时可设定供水管路的出口压力；点击变频停止按钮，系统停止工作，恢复为手动运行模式。

5 结束语

本文结合船舶实际应用，设计出一套嵌入式船用变频供水控制系统，分析介绍了该系统控制原理、设备组成、安装线路和运行软件逻辑流程，并采用emWin和CodeBocks软件设计出人机交互界面。该控制系统经安装测试后达到多地控制、恒压设定、运行数据监测等目的，为嵌入式变频供水系统实际应用于船舶运行奠定了坚实的基础。