智能水泵控制器的设计与应用
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。
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，时钟频率最高可达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
3 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
技术性能指标传统水泵控制箱智能水泵控制箱对比结果
电源电压 ac187~231v ac85v265v/dc100v350v 电压使用范围明显增大
总体耗能 50w以上 7w左右 能耗降低86%
接线接点 180点 41点 接点减少77%
二次线 120m 30m 节约二次线70%
绝缘电阻 1mω以上 100mω 绝缘安全性增强
占用体积 分布安装，占用体积大 集中安装，占用体积小 箱体尺寸减少约30%
抗振性 —— 能承受gb/t 11287－2000规定的等级为i级振动响应和耐久试验 ——
抗干扰性 —— 能承受gb/t 17626.2到gb/t 17626.6规定的ⅲ级干扰 ——
环境适应性 —— 污染等级3级 ——
4 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
5 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。
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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，时钟频率最高可达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。
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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
3 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
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4 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
5 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。
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