智能水泵控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

更新時(shí)間：2015-04-01

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黃海¹ 任杰² 陸偉青²

（1.中建三局集團(tuán)有限公司建筑設(shè)計(jì)院武漢430064；2.安科瑞電氣股份有限公司上海 201801）

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)水泵控制方式存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種多回路智能水泵控制器，具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、后臺(tái)遠(yuǎn)程控制和也為自動(dòng)控制等多種控制方式。

關(guān)鍵字：水泵控制器給水/排水手動(dòng)/液位自動(dòng)控制

Abstract：According to the construction and factory water supply and drainage application, the paper puts forward a multi loop smart pump controller, the controller requires control of water supply and drainage equipment can replace the traditional manual control, withthe scene in a variety of ways, the background of remote control and automatic control of liquid level, and on / emergence of the pump is running under voltage, over / underload (dry), protective effect of phase failure and external failures, also has the function of communication can pump operation information uploaded to the industrial automation DCS system and the building of inligent BA system.
Keywords: water supply and drainage pump controller / manual / automatic control of liquid level

0 引言

在生產(chǎn)自動(dòng)化場(chǎng)合和樓宇中，存在著大量的風(fēng)機(jī)、水泵，出于成本考慮，普遍使用按鈕、熱繼電器等作為控制保護(hù)元件。熱繼電器本身存在設(shè)計(jì)缺陷，重復(fù)性差、可靠性低，存在保護(hù)隱患，且傳統(tǒng)的水泵控制方式存在控制線(xiàn)路復(fù)雜、功能單一、后期維護(hù)困難等缺陷。因此傳統(tǒng)水泵控制明顯無(wú)法滿(mǎn)足信息化和智能化的功能要求。隨著微控制器的發(fā)展，測(cè)量保護(hù)技術(shù)的成熟，也改變著傳統(tǒng)水泵的應(yīng)用方式，從按鈕指示燈到目前的一體式智能控制器的轉(zhuǎn)變。

1 智能水泵控制器的功能

智能控制器需要的功能有：電壓、電流、液位(開(kāi)關(guān)或模擬量)的測(cè)量功能；過(guò)/欠壓、相序、過(guò)載、欠載（干轉(zhuǎn)）、斷相等故障的保護(hù)功能；手動(dòng)/液位的控制功能；水泵運(yùn)行故障和液位異常的報(bào)警功能；水泵運(yùn)行信息的管理功能；與上位機(jī)系統(tǒng)的通訊功能。

1.1 主控芯片

MCU芯片采用Freescale公司的Coldfire-V1（具有硬件乘法累加MAC單元）架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256，時(shí)鐘頻率zui高可達(dá)50.33MHz，內(nèi)置256K的Flash、16K的RAM、3路定時(shí)器、3路SCI通訊接口、內(nèi)置RTC時(shí)鐘、I2C、SPI、KBI接口等多種資源，片內(nèi)集成帶可編程延遲模塊PDB和4個(gè)16位SAR型ADC，PDB可以直接控制觸發(fā)ADC的采樣，完成了高精度的電壓、電流的交流采樣和液位測(cè)量，測(cè)量精度可以達(dá)到0.5級(jí)，具有*的性?xún)r(jià)比。

1.2 電壓、電流、液位信號(hào)采集電路

電壓采集電路如圖1所示。三相電壓Ua、Ub、Uc采用電阻降壓的方式，給采樣信號(hào)加入抬高電壓VREF，使交流信號(hào)的幅值大于零，便于AD采樣。在電路的輸出端，MCU芯片的AD輸入端加入限壓二極管，限制輸入電壓小于（鉗位電壓）3.3V，能對(duì)MCU芯片的AD采樣通道起到很好的保護(hù)作用。

圖1 電壓采集電路

液位信號(hào)普遍采集電路如圖2所示，當(dāng)液位傳感器為兩線(xiàn)制的4-20mA接口時(shí)，要求我們的控制器輸出一個(gè)24VDC電源，安裝電阻R22、R45。當(dāng)液位傳感器為三線(xiàn)制的4-20mA接口時(shí)，傳感器供電由外部開(kāi)關(guān)電源提供，安裝電阻R44、R45。當(dāng)液位傳感器為0-10V接口時(shí)，安裝電阻R44（0Ω）、R45。同理，在液位采集通道處也應(yīng)加入保護(hù)電路。

圖2 液位信號(hào)采集電路

2 傳統(tǒng)水泵的控制方式

在傳統(tǒng)的水泵的控制回路中，通常主回路由斷路器，接觸器和熱繼電器組成；控制回路一般由指示燈、儀表、控制按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、熱繼電器、時(shí)間繼電器等組成。傳統(tǒng)的水泵控制方式內(nèi)部接線(xiàn)復(fù)雜，給檢修人員調(diào)試設(shè)備與查找錯(cuò)誤接線(xiàn)帶來(lái)難度，且功能一般比較單一，智能化改造無(wú)法接入系統(tǒng)，增加了后續(xù)設(shè)備投入。

智能水泵控制器，集成了水泵控制需要的電氣元件，包括電壓電流顯示、多功能保護(hù)繼電器、手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、啟/停按鈕、水位和水泵狀態(tài)指示等于一體，面柜式安裝。在給/排水自動(dòng)模式下，兩泵交替互備，根據(jù)水位不同情況，控制方式支持中水位一臺(tái)水泵運(yùn)行，高(低)水位兩臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行。電流保護(hù)支持獨(dú)立開(kāi)/關(guān)設(shè)置，支持備用泵只報(bào)警不脫扣，滿(mǎn)足地下車(chē)庫(kù)、消防栓等消防場(chǎng)所應(yīng)用。智能型水泵控制器的二次接線(xiàn)圖如圖3所示。相比于傳統(tǒng)方式，其具有接線(xiàn)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，后期升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 智能水泵控制器一用一備全壓起動(dòng)液位控制器控制電路圖

4 性能比較

智能型控制器可有效解決傳統(tǒng)水泵控制的安全可靠度低、控制箱體尺寸大、能耗高、智能化低、升級(jí)難等問(wèn)題。傳統(tǒng)控制箱和智能水泵控制箱體的性能對(duì)比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)控制箱和智能水泵控制箱控制方式性能比較

技術(shù)性能指標(biāo)	傳統(tǒng)水泵控制箱	智能水泵控制箱	對(duì)比結(jié)果
電源電壓	AC187~231V	AC85V~265V/ DC100V~350V	電壓使用范圍明顯增大
總體耗能	50W以上	7W左右	能耗降低86%
接線(xiàn)接點(diǎn)	180點(diǎn)	41點(diǎn)	接點(diǎn)減少77%
二次線(xiàn)	120m	30m	節(jié)約二次線(xiàn)70%
絕緣電阻	1MΩ以上	100MΩ	絕緣安全性增強(qiáng)
占用體積	分布安裝，占用體積大	集中安裝，占用體積小	箱體尺寸減少約30%
抗振性	——	能承受GB/T 11287－2000規(guī)定的等級(jí)為I級(jí)振動(dòng)響應(yīng)和耐久試驗(yàn)	——
抗干擾性	——	能承受GB/T 17626.2到GB/T 17626.6規(guī)定的Ⅲ級(jí)干擾	——
環(huán)境適應(yīng)性	——	污染等級(jí)3級(jí)	——

5 應(yīng)用

地鐵、地下車(chē)站或橋梁隧道由于滲水或降雨，導(dǎo)致大量的積水，嚴(yán)重影響工作和人們的正常出行，需要定期或不定期抽排水。要求：由兩臺(tái)污水泵實(shí)現(xiàn)集水池積水的排放處理；兩臺(tái)污水泵交替排水工作，以防銹蝕卡死；、當(dāng)前工作的污水泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用泵能夠自動(dòng)投入；當(dāng)集水池中水位時(shí)一臺(tái)水泵運(yùn)行，高水位時(shí)兩臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行；當(dāng)集水池處于高水位時(shí)，水位報(bào)警；具有低水位、中水位、高水位、報(bào)警、故障指示燈指示。根據(jù)要求，設(shè)計(jì)兩臺(tái)水泵液位控制的安裝方式，如圖4所示。

圖4 兩臺(tái)水泵液位控制的安裝方式

6 結(jié)語(yǔ)

采用智能水泵控制器為核心的水泵控制管理系統(tǒng)替代傳統(tǒng)或PLC方案的控制方案，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)給/排水功能，并具有豐富的保護(hù)功能，使水泵運(yùn)行更安全。

文章來(lái)源：《電氣應(yīng)用》2015年第2期

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