一種農(nóng)飲水恒壓節(jié)電控制裝置的制作方法

本實用新型涉及電器，特別是一種農(nóng)飲水恒壓節(jié)電控制裝置。

背景技術(shù)：

水是工業(yè)生產(chǎn)和生活中不可缺少的重要組成部分，節(jié)約資源已成為當(dāng)今時代的特征，由于我國水資源和能源的嚴重短缺，長期以來在消防供水、工業(yè)循環(huán)用水、高層建筑供水、市政供水等技術(shù)相對落后，自動化程度低。導(dǎo)致在用水高峰期，水的供給往往低于需求，出現(xiàn)水壓減小或水壓不穩(wěn)的現(xiàn)象，嚴重影響供水質(zhì)量。但是在我國農(nóng)村地區(qū)，飲水完全靠自然因素決定，當(dāng)發(fā)生旱災(zāi)時，飲水困難問題就更加突出。因此解決農(nóng)村安全供水問題是一個關(guān)系到民生的重要工程。

傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源、可靠性差以及自動化程度不高等缺點，這些缺點已經(jīng)嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中。

在供水系統(tǒng)中,通常以流量為控制目的,常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量,水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量,因此,管阻將隨閥門開度的改變而改變,但揚程特性不變。由于實際用水中,需水量是變化的,若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變,必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量,而閥門開度保持不變,是通過改變水的動能改變流量。因此,揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變,但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速,使管網(wǎng)壓力始終保持恒定,當(dāng)用水量增大時電機加速,用水量減小時電機減速。功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比,流量與轉(zhuǎn)速成正比,損耗功率與流量成正比,所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多,節(jié)能效果顯著，因此，研制一種能使供水系統(tǒng)穩(wěn)定性和節(jié)能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數(shù)據(jù)傳輸，最大程度節(jié)約電能的設(shè)備勢在必行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本實用新型之目的就是提供一種農(nóng)飲水恒壓節(jié)電控制裝置，可有效解決操作簡捷、使用安全、節(jié)能的問題。

本實用新型解決的技術(shù)方案是，包括殼體和控制電路，殼體的前面板上裝有LCD顯示屏、工作指示燈和按鈕開關(guān)，殼體的上部裝有天線，所述的控制電路包括有置于殼體內(nèi)的中央處理器（CPU）、存儲器、GPRS模塊和電源以及置于殼體外的第一壓力傳感器、液位傳感器、第二壓力傳感器、變頻器、流量計和電表，中央處理器（CPU）分別與第一壓力傳感器、液位傳感器、第二壓力傳感器、流量計、電表、存儲器、電源相連，LCD顯示屏與中央處理器（CPU）相連，變頻器經(jīng)RS232接口與中央處理器（CPU）相連，天線經(jīng)GPRS模塊與中央處理器（CPU）相連，電源與按鈕開關(guān)相連。

本實用新型結(jié)構(gòu)新穎獨特，安裝使用方便，效果好，有效用于農(nóng)用飲水系統(tǒng)，保證供水系統(tǒng)穩(wěn)定、節(jié)能，使用安全可靠，有良好的經(jīng)濟和社會效益。

附圖說明

圖1為本實用新型的殼體外觀立體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實用新型的控制電路框式圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式做詳細說明：

如圖1、圖2所示，本實用新型包括殼體5和控制電路，殼體5的前面板上裝有LCD顯示屏4、工作指示燈3和按鈕開關(guān)2，殼體5的上部裝有天線1，所述的控制電路包括有置于殼體5內(nèi)的中央處理器（CPU）、存儲器、GPRS模塊和電源以及置于殼體5外的第一壓力傳感器、液位傳感器、第二壓力傳感器、變頻器、流量計和電表，中央處理器（CPU）分別與第一壓力傳感器、液位傳感器、第二壓力傳感器、流量計、電表、存儲器、電源相連，LCD顯示屏4與中央處理器（CPU）相連，變頻器經(jīng)RS232接口與中央處理器（CPU）相連，天線1經(jīng)GPRS模塊與中央處理器（CPU）相連，電源與按鈕開關(guān)2相連。

為了保證使用方便和使用效果，所述的殼體5為長立方形。

所述的中央處理器（CPU）為低功耗ARM嵌入式處理器，型號為STM32F103V。

所述存儲器為32MB存儲器，型號為W25Q32。

所述的顯示屏4為10寸觸摸高亮真彩液晶顯示屏。

所述的殼體5上設(shè)有與中央處理器（CPU）相連的RS232信號輸入接口、RS232信號輸出接口。

所述的液位傳感器為MVELCO液位變送器。

所述的變頻器為西門子MM440矢量型變頻器。

在上述結(jié)構(gòu)中，其中：

中央處理器（CPU）主要用來完成數(shù)據(jù)的處理、遠程數(shù)據(jù)通信、PID控制算法以及各個模塊之間的協(xié)作。

中央處理器（CUP）：在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，為了適應(yīng)野外工作環(huán)境，系統(tǒng)的功耗應(yīng)該盡量減小到最低，因此我們選用了業(yè)界低功耗ARM嵌入式系列處理器，型號為STM32F103VB。

存儲器：采用32MB存儲器，主要存儲的內(nèi)容為終端工作配置參數(shù)、多參數(shù)水質(zhì)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

LCD顯示屏：以友好的人機界面形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)顯示等功能，采用10寸觸摸高亮真彩液晶顯示屏。

GPRS模塊用于接收遠端的供水管網(wǎng)的水壓信號。

RS232信號輸入接口主要表示系統(tǒng)是否正常運行,水泵電機是否過載、變頻器是否有異常。本實用新型可用于9路開關(guān)量輸入點，主要包括3個水泵的故障信號、遠程/近控的選擇信號、PID控制器使能信號、氣壓供水輸入信號、循環(huán)/補償工作方式選擇信號等開關(guān)量輸入信號。

RS232信號輸入接口用于10路的開關(guān)量輸出點，主要包括3個水泵變頻/工頻工作信號、故障報警信號、2路電磁閥驅(qū)動信號及變頻器驅(qū)動信號等。

在本實用新型工作過程中，需要檢測的信號包括供水管網(wǎng)出口水壓、供水管遠程管網(wǎng)水壓、液位信號、流量、電能耗，具體是：

供水管網(wǎng)出口水壓：表示供水系統(tǒng)中某個位置或者某個點的水壓的物理量，包括供水站管線的出口壓力以及遠端用水出口壓力，它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值,它是恒壓供水控制的主要反饋信號，采用ABB2600T系列的壓力變送器，該壓力變送器輸出4-20mA的模擬信號,讀入時,需進行A/D轉(zhuǎn)換。其大小在靜態(tài)時主要取決與管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動態(tài)情況下，還與供水流量和用水流量之間的平衡情況有關(guān)。

供水管遠程管網(wǎng)水壓：通過GPRS模塊，獲取遠端的供水管管網(wǎng)水壓。

液位信號：反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時,控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制,以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器，采用MVELCO液位變送器。

流量：是單位時間內(nèi)流過管道內(nèi)某一橫截面的水量，主要為供水站管線的出水流量。供水系統(tǒng)的重要任務(wù)就是滿足工廠用水單元對流量的需求。

能耗：主要為三相交流電量，用于計算消耗的電能能耗。

變頻器與供水網(wǎng)中的水泵機組以及相關(guān)電控設(shè)備構(gòu)成執(zhí)行機構(gòu)，將水輸送到水管網(wǎng)，根據(jù)水壓控制電機轉(zhuǎn)速的變化，保持管網(wǎng)水壓恒定，完成系統(tǒng)對外的供水量輸送。

變頻器在選用的時候必須與電機額定功率、額定電流相匹配。該變頻器系列有多種型號，額定功率范圍為120W至200KW，主控系統(tǒng)通過RS232接口連接到變頻器，變頻器它是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，采用變頻固定式變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇。

本實用新型使用時，將變頻器與供水系統(tǒng)中的水泵機組相連，第一壓力傳感器裝在供水站出水口，第二壓力傳感器裝在水泵機組的遠端出水口，并設(shè)定供水壓力，輸入到中央處理器（CPU）中，本實用新型的工作過程是，本實用新型中的中央處理器（CPU）直接對系統(tǒng)水位、水壓、報警信號采集；

對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，數(shù)據(jù)來自通信接口和人機界面，從而算出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方法

采用PID控制算法，恒壓控制是變頻恒壓供水系統(tǒng)控制的核也，它是根據(jù)壓力設(shè)定值與供水管道的實際壓力值大小的偏差，控制變頻器輸出頻率，變頻器調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速適應(yīng)壓力管道的變化。

主要特點：

6種工作模式(非控、本地恒壓、遠端恒壓、自學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)驗證、智能節(jié)電)

2級壓力安全防護

2級信號安全切換

GPRS遠端壓力接收

不依賴遠端壓力采集

跑漏水事故3級報警

節(jié)電控制實施過程:

如果實際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復(fù)，直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵機組的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(shè)定壓力相等。

(1) 系統(tǒng)開始啟動時，水壓為 0，變頻器拖到1號水泵起動，恒壓節(jié)電控制終端檢測出水口壓力并輸入控制系統(tǒng)與設(shè)定壓力值比較，通過智能控制器控制變頻器拖動水泵電機提速，當(dāng)與設(shè)定壓力值相等時，鎖定變頻器頻率，電機轉(zhuǎn)速保持不變。當(dāng)用水量變化導(dǎo)致水壓增大或減小時，由于閉環(huán)的調(diào)節(jié)作用，變頻器輸出頻率降低或升高，拖動水泵電機減速或加速運行，直到再次達到水壓與設(shè)定值平衡。

(2) 在用戶用水量增加水壓上升，在變頻器達到頻率上限時還無法滿足用水量，即水壓檢測值還低于水壓設(shè)定值，這時切斷水壓閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，由鎖相同步環(huán)節(jié)控制水泵由變頻向工頻的切換，當(dāng)達到兩者頻率相等時，發(fā)生切換，同時系統(tǒng)發(fā)出控制命令，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)反饋控制，變頻器拖動2號水泵以軟啟動方式運行，直到供水系統(tǒng)水壓恢復(fù)到設(shè)定值；

(3) 如果累計用水量繼續(xù)增加，處于變頻運行狀態(tài)的水泵再次達到頻率上限時，系統(tǒng)再次發(fā)生如上切換，直至系統(tǒng)達到新的平衡；在用水高峰時有可能出現(xiàn)最后一臺水泵投入變頻運行并且達到頻率上限，還不能滿足用戶用水量，水壓值低于設(shè)定值，此時控制系統(tǒng)輸出報警信號提醒工作人員有關(guān)事項。

(4) 在用水量持續(xù)減小水壓升高，在閉環(huán)控制的作用下，若變頻器拖動水泵運行時頻率低于下限值了，水壓還高壓設(shè)定值，這時系統(tǒng)發(fā)出指令關(guān)閉工頻運行的第3臺水泵，系統(tǒng)繼續(xù)由變頻泵實現(xiàn)對水壓的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，以使水壓恢復(fù)恒定達到設(shè)定值；當(dāng)用水量繼續(xù)持續(xù)減小，實際水壓值低于系統(tǒng)設(shè)定水壓值時，而這時變頻器輸出頻率已經(jīng)降到了下限頻率，此時將發(fā)生如上切換，直到只剩下一臺變頻泵運行為止；在用水量處于低谷時，有可能出現(xiàn)僅有一臺變頻泵運行且處于頻率下限位置，此時可根據(jù)這一低谷時間長短和用水特點，可使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到間歇性供水或者小容量水泵運行狀態(tài)。

由上述可以看出，本實用新型操作簡單而且具有短路、過載、過熱、過流、過壓、故障記憶、事故判斷及顯示等強有力的保護功能。節(jié)電控制裝置組成包括控制終端、信號轉(zhuǎn)接器、電表、流量計、遠端壓力采集等。首先通過本地壓力、流量、遠端壓力學(xué)習(xí)計算管網(wǎng)固有管損參數(shù)，完成自學(xué)習(xí)并經(jīng)測試成功后，可拆除遠端壓力采集設(shè)備。將本地壓力、流量、管損參數(shù)代入數(shù)學(xué)模型，計算出反饋控制參數(shù)，控制變頻運行。隨實際用水變化，實時調(diào)整控制反饋參數(shù)，使遠端壓力穩(wěn)定的同時，達到節(jié)電目的。有效解決農(nóng)飲水的科學(xué)管理，最大程度達到節(jié)約電能和水資源，經(jīng)濟和社會效益顯著。