智能水泵控制器的设计与应用

黄海¹  任杰²   陆伟青²

（1.中建三局集团有限公司建筑设计院 武汉430064；2.安科瑞电气股份有限公司 上海 201801）

摘要：针对传统水泵控制方式存在的问题，设计一种多回路智能水泵控制器，具有现场手动控制、后台远程控制和也为自动控制等多种控制方式。

关键字：水泵控制器 给水/排水 手动/液位自动控制

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 intelligent BA system.
Keywords: water supply and drainage pump controller / manual / automatic control of liquid level

0 引言

    在生产自动化场合和楼宇中，存在着大量的风机、水泵，出于成本考虑，普遍使用按钮、热继电器等作为控制保护元件。热继电器本身存在设计缺陷，重复性差、可靠性低，存在保护隐患，且传统的水泵控制方式存在控制线路复杂、功能单一、后期维护困难等缺陷。因此传统水泵控制明显无法满足信息化和智能化的功能要求。随着微控制器的发展，测量保护技术的成熟，也改变着传统水泵的应用方式，从按钮指示灯到目前的一体式智能控制器的转变。

1 智能水泵控制器的功能

    智能控制器需要的功能有：电压、电流、液位(开关或模拟量)的测量功能；过/欠压、相序、过载、欠载（干转）、断相等故障的保护功能；手动/液位的控制功能；水泵运行故障和液位异常的报警功能；水泵运行信息的管理功能；与上位机系统的通讯功能。

    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单元）架构内核的32位处理器MCF51EM256，时钟频率*高可达50.33MHz，内置256K的Flash、16K的RAM、3路定时器、3路SCI通讯接口、内置RTC时钟、I2C、SPI、KBI接口等多种资源，片内集成带可编程延迟模块PDB和4个16位SAR型ADC，PDB可以直接控制触发ADC的采样，完成了高精度的电压、电流的交流采样和液位测量，测量精度可以达到0.5级，具有极高的性价比。

    1.2 电压、电流、液位信号采集电路

    电压采集电路如图1所示。三相电压Ua、Ub、Uc采用电阻降压的方式，给采样信号加入抬高电压VREF，使交流信号的幅值大于零，便于AD采样。在电路的输出端，MCU芯片的AD输入端加入限压二极管，限制输入电压小于（钳位电压）3.3V，能对MCU芯片的AD采样通道起到很好的保护作用。

图1 电压采集电路

    液位信号普遍采集电路如图2所示，当液位传感器为两线制的4-20mA接口时，要求我们的控制器输出一个24VDC电源，安装电阻R22、R45。当液位传感器为三线制的4-20mA接口时，传感器供电由外部开关电源提供，安装电阻R44、R45。当液位传感器为0-10V接口时，安装电阻R44（0Ω）、R45。同理，在液位采集通道处也应加入保护电路。

图2 液位信号采集电路

2 传统水泵的控制方式

    在传统的水泵的控制回路中，通常主回路由断路器，接触器和热继电器组成；控制回路一般由指示灯、仪表、控制按钮、转换开关、热继电器、时间继电器等组成。传统的水泵控制方式内部接线复杂，给检修人员调试设备与查找错误接线带来难度，且功能一般比较单一，智能化改造无法接入系统，增加了后续设备投入。

    智能水泵控制器，集成了水泵控制需要的电气元件，包括电压电流显示、多功能保护继电器、手/自动转换开关、启/停按钮、水位和水泵状态指示等于一体，面柜式安装。在给/排水自动模式下，两泵交替互备，根据水位不同情况，控制方式支持中水位一台水泵运行，高(低)水位两台水泵同时运行。电流保护支持独立开/关设置，支持备用泵只报警不脱扣，满足地下车库、消防栓等消防场所应用。智能型水泵控制器的二次接线图如图3所示。相比于传统方式，其具有接线简单，功能强大，后期升级方便等优点。

图3 智能水泵控制器一用一备全压起动液位控制器控制电路图

4 性能比较  

    智能型控制器可有效解决传统水泵控制的安全可靠度低、控制箱体尺寸大、能耗高、智能化低、升级难等问题。传统控制箱和智能水泵控制箱体的性能对比如表1所示。

    表1 传统控制箱和智能水泵控制箱控制方式性能比较

5 应用

    地铁、地下车站或桥梁隧道由于渗水或降雨，导致大量的积水，严重影响工作和人们的正常出行，需要定期或不定期抽排水。要求：由两台污水泵实现集水池积水的排放处理；两台污水泵交替排水工作，以防锈蚀卡死；、当前工作的污水泵出现故障时，备用泵能够自动投入；当集水池中水位时一台水泵运行，高水位时两台水泵同时运行；当集水池处于高水位时，水位报警；具有低水位、中水位、高水位、报警、故障指示灯指示。根据要求，设计两台水泵液位控制的安装方式，如图4所示。

图4 两台水泵液位控制的安装方式

6 结语

    采用智能水泵控制器为核心的水泵控制管理系统替代传统或PLC方案的控制方案，实现无人值守的自动给/排水功能，并具有丰富的保护功能，使水泵运行更安全。

    文章来源：《电气应用》2015年第2期

参考文献

[1]  GB50015-2003 建筑给排水设计规范[S]

[2] JGJ16－2008 民用建筑电气设计规范[S]

[3] 杜毅威，严厚伟，金丹.全新电机控制模块技术及应用[J].建筑电气，2011,(06).

[4]  贾国方.水泵在线智能监控技术的研究[J].排灌机械.2005(06).