CN1030539C - 深井泵采供水系统的程控调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于深井泵系统采供水用的自动控制调节装置，它包括有若干台深井泵及其驱动电机，其中一台泵电机(3)由微电脑程序控制器(7)按设定的压力程序自动控制变频调速器(1)的输出频率与电压，从而使其转速被调节，另外的泵电机(8、10)由微电脑程序控制器判别根据需要投入运行，使深井泵系统(4、9、11)按供水需要采水，实现采用平衡，同时用限采控制电路(13)实现采补平衡，其最大优点为节水、节电，自动化程度高，可广泛用于采用深井水的工矿企业，也可作为行政部门控制采用地下水的技术装备。

Description

本发明涉及深井泵系统采供水运行中应用的一种自动控制与调节装置。

当前，很多工矿企业在采用地下水的过程中，常常会发生如下矛盾：少开一台泵，水不够用，多开一台泵，可能产生以下两种情况，（1）当供水系统为闭环管网时，供水压力将上升，造成管网渗漏水和各用水点用水量的增加，必要时，为保证供水管网安全，甚至卸压排放掉一些。（2）当供水管网中有开放式水池时，将造成溢流或导至深井泵电机的频繁启停，这些都会造成地下水资源和采水电能的极大浪费，同时还会造成对环境的污染，这种供需矛盾到目前为止尚无一种完美的技术手段加以解决，更有甚者，目前许多地方由于过量采用地下水，地下水位下降，造成地面沉降，海水入侵，后果十分严重，国家虽采取了不少行政和经济措施，但却还没有找到一种切实可行的技术手段来加以限制。对于上述矛盾有的采水单位仅通过优化组合，加强管理，合理开泵的办法来控制地下水的开采量，这对装备有多台不同规格深井泵的大单位来说，不失为一种缓解矛盾的措施，但对于只装有一、二台深井泵的广大中小用户来说是行不通的，何况，上述优化组合运行办法是人工切换，且有较大的级差。中国专利局于1989年5月24日公告了一篇“微机控制自动给水设备”（申请号为88216717.0）实用新型专利，又在1989年8月9日公告了另一篇“变量恒压全自动供水装置”（申请号为89201350.8）实用新型专利，它们公开了由变频调速器控制水泵电机的转速，由微机构成自动闭环，保持管网恒压供水，但这些实用新型仅适用于地面供水泵，配置蓄水池后，常年进行恒压供水，不可能按照用水季节变化，昼夜变化及生产用水规律变化来频繁地调节开采地下水达到最佳状态，更不可能限制用水单位对地下水的滥采滥用。

本发明的目的就是为了克服地下水开采中采用不平衡和采补不平衡的矛盾，提供一种深井泵系统采供水运行的自动控制与调节装置。

本发明的目的可以通过下述措施来达到：一个采水泵系统由若干台泵及其驱动电机所组成，实际供水需求量总处于n与n+1台泵采水量之间，其中n台泵电机全速运行，其开启受微电脑程序控制器控制，第n+1台泵电机单独采用变频调速程控运行，即用上述同一台微电脑压力程序控制器（7），根据设定的压力程序与管网（5）中检测到的实际压力进行比较得出的信号去控制变频调速器（1），使之产生频率和电压可变的交流电供给深井泵电机（3），以调节泵电机的转速转矩，从而调 节深井泵（4）的出水量，如果变频调速器输出额定功率时不能使电机（3）满负荷运行，则微电脑压力程序控制器（以下简称μC）通过其输出接口电路送出一个控制信号，使电机（3）从调速运行切换成全速运行，如果出水量还不能满足需要，μC通过输出接口送出另一个控制信号，增开一台泵电机（8），若仍不能满足需要μC接口将送出第三个控制信号，再增开一台泵电机（10）……直至出水量超出用水需要，这时，μC将控制泵电机（3）退出全速运行重新进入调速运行，最后，达到采水用水平衡，同时由水位传感器（12）得到的深井水位信号送给限采控制电路（13），当地下动水位降到警戒水位线以下时，切断全部泵电机电源，以停止超量采用地下水。

变频调速器的频率变化须跟踪采水量的需要，而这种需要随着用水单位不同和昼夜、季节用水的不同而不同，用人工来跟踪调节达到采水用水平衡的最佳状态是行不通的，因此，本发明如上所述设置了先进的微电脑压力程序控制器，按采水单位实际用水规律预先设定的压力程序曲线和P、I、D参数在程序控制下自动运行，实现对变频调速器的实时控制，压力程序曲线可根据各单位的用水规律设置多条，全部固化到电脑存贮器中，使用时，可通过键盘选择需要的程序曲线和固化的P、I、D参数，也可以通过键盘临时设置压力程序曲线和P、I、D参数送入电脑运行。

上述技术方案，一方面使深井泵的采水自动跟踪了实际用水规律的变化，实现了采水用水的平衡，防止了地下水资源和电能的浪费，另一方面也从技术上防止了地下水资源被过分开采。

下面通过附图和实施例进一步说明本发明：

附图1为本发明的原理框图。

附图2为本发明的压力程序控制器原理框图。

附图3为本发明的一个实施例的动力控制线路原理图。

附图4为本发明一个实施例中微电脑压力程序控制器电原理图。

附图5为本发明实施例程序存贮器中设置的程序流程框图。

图1中，（1）为变频调速器，（2）为动力控制线路，（3）为调速电机，（4）（9）（11）为深井泵，（5）为管网，（6）为压力检测器，（7）为微电脑压力程序控制器，（8）（10）为不调速电机，（12）为水位传感器，（13）为限采控制电路。

图2中，包括VFC电压频率转换电路（14），输入电隔离电路（15），键盘（16），CPU（17），程序存贮器（18），脉宽调制器（19），输出光电隔离电路（20），解调电路（21），输出驱动电路（22），LED数码显示器（23），输出接口电路（24）等。

图3中，VVVF采用日本SANKEN公司生产的SVF-303型变频变压调速器，M、iM为深井泵电机，KK为调速、全速手动切换开关，R_水代表水位传感器，它实质上是由伸入调速泵深井水，长度等于警戒水位的裸导线与金属井壁之间水的电阻值，压力检测器为DBY-121型压力变送器。

本例中采用的SVF-303变频变压调速器主要有如下一些特点：

（1）输出功率最大达22KW。

（2）在变频的同时可自动跟踪变压，即当频率降低（或增高）时，其输出电压也跟着降低（或增高），根据电机转矩公式

可以使电机所得到的动力转矩和泵负载所需转矩保持匹配，也就是使电机运行始终保持高效率，以节约电能。

（3）具有多档加减速设定开关，使用时可根据不同类型的泵电机（即不同的起动惯性）来选择与之相应的起停速率档，实现电机的软起动，防止失速现象的产生。

本线路的动作原理如下：

1.调速运行。合上闸刀K₁、K₂、iK₁……，控制线路接入380V电网。KK打到“调速”档，①②接通，按下启动按钮QA，中间继电器JZ。得电，其常开触点闭合，1-3接通，时间继电器SJ₁接进380V，其触点20秒延时后闭合（由“全速”转换到“调速”时必须待电机停转后才能接通VVVF，否则要损坏！）指示灯LD发亮，交流接触器触头C₁、C₂吸合，M调速运行，同时C₁、C₂常闭触 头断开，切断2-4-8通路，防止Y-△起动，实现电气互锁，7-9之间的C₀常闭触头，防止C₁、C₂吸合时，接触器C₀的“点头”现象，从而避免电网与VVVF输出端短路事故。

2.全速运行。VVVF额定功率输出时，如果供水不能满足需要，μC经过判别后，将输出接口U₁₅的一个输出端送出控制电平信号，驱动中间继电器JZ₁的常开触点吸合，常闭触点断开，C₁、C₂失电，VVVF与电网脱离，①③接通，时间继电器常开触头SJ立即吸合，13-15接通，C_r吸合，随后C₀吸合，电机Y形起动，且SJ失电，其延时触头SJ5秒钟后断开，C_r失电，C_△得电，电机完成了从Y→△降压启动的全过程而全速运行。

3.组网运行。如果调速电机全速运行仍达不到供水需要，则μC通过第二次判别，从U₁₅的第2个输出端又送出一个控制电平信号，驱动中间继电器JZ₂吸合，经过与上述相同的Y-△起动过程，第2台泵电机接入电网全速运行……如此下去，直至第i台泵电机接入电网，采水已超过用水需要，则μC经过判别后，从输出接口恢复第一个控制电平，JZ₁失电，使调速电机恢复到调速运行，最后达到采用水平衡。

如果调速电机的满载功率小于VVVF的额定功率，为避免交流接触器频繁吸合，可修改μC程序，使第一次判别输出电平从第二个输出端口送出，直接启动第1个增开泵电机。

4.超采自停。限采控制电路由一只晶体三极管BG₁和接在其C极的直流继电器JZ_x组成，220V通过变压器KB变成36V安全电压，然后由整流桥ZQ整流成直流电压供给三极管C极，R_水接在b极与直流负压之间，作为三极管偏置，当地下动水位正常时，R_水较小，BG₁一直保持导通状态，JZ_x保持吸合，1′-1间畅通，当地下动水位低于警戒水位时，R_水＝∞，BG₁截止，JZ_x失电，1′-1间开路，控制线路电源切断，所有电机全部自动停机（K₃在“限”档）。

图4中，U₁为8039单片机芯片，其I/O口1的P₁₀～P₁₄和INF输入线作为六个键入口，口1的P₁₅-P₁₇和口2的P₂₆分别接四只设定开关K_5-2～K_5-5，BUS总线口一路直接与U₁₀（8253）和U₇（2732）的数据线相连，另一路经U₂（八缓冲器244）接五只八D锁存器U₂～U₅与U₈（373）的输入端，其中U₂～U₅的输出端分别驱动四只LED数码管（其中D₂、D₃用于过压报警），U₈则作为地址锁存器，其输出端与程序存贮器U₇（2732）的低八位地址A₀～A₇相接，8039口2的P₂₀～U₂₃直接与U₇的高四位地址线A₈～A₁₁相接，以适应4K字节寻址要求，口2的P₂₄通过一只双稳态和一个与非门电路控制U₁₀的调宽脉冲输出（双稳态的作用是防止电网瞬时扰动跌落时，封锁8253的随机量输出）。

拨盘BK₁与BK₂分别接U₁₁与U₁₃（244），它能通过自己的使能端成为扩展RAM，它们的输出端直接挂BUS总线。U₁₅为输出接口片，其输入数据线接在U₉的数据总线上，其八个输出端分别接八只光电三极管，驱动八只中间继电器，供控制动力控制线路进行组网运行。

监控程序，六条压力程序曲线，P、I、D参数及其运算程序固化在程序存贮器2732中，其程序框图如图5所示。

所谓压力程序曲线是一条以时间t为横座标，压力P为纵座标的函数曲线，以24小时为一个大周期，它反映了一昼夜之间的用水规律，为了简化微机运算，这里将曲线简化成若干段逼近的折线，由于采水规律因季节而变化，所以这里可以设置六根不同形状的曲线，固化在程序存贮器2732的六个不同的地址区，每根曲线需要固化的参数为段号、时间间隔△t、该段时间的起始压力A和终点压力B，本实施例固化的P、I、D参数仅一组。

调速运行时，开关K_5-1、K_5-2打到“自”动档。

若是按固化的压力程序和P、I、D运行，将K_5-3和K₆分别置于“固曲”档，同时，拨盘BK₁、BK₂分别置于需要的程序曲线号及其段号上，启动RUN键，单片机就开始运行。从压力变送器DRY-121送来的压力信号（0～10mADC）经VFC电压频率变换和DL-1电隔离，送到可编程定时计数器U₁₀，8253对其采样测得实时“压力”，同时CPU从固化的程序曲线上读得该时的设定压力值，两者进行比较，得出差值经P、I、D运算，送到8253解调成等幅等周期（12.5mS）宽度变化（反映差值大小）的脉冲信号，经光电隔离器件DL-2送到运算放大器U₁₄放大后，最后经BG₂、BG₄组成的电流驱动电路输出0～20mA的 直流控制信号，该控制信号送到变频调速器的输入端，调节其输出频率及电压，改变泵电机转速，使管网水压朝着程序设定的数值接近，完成一次闭环，微电脑不断运行就不断对管网水压取样→比较→P、I、D运算→控制，使深井泵按固化的压力程序（即用水需要）进行采水。这时LED数码管将显示管网实时压力值（MP_a），如果将K_5-5打到“设”定档，则LED显示固化程序曲线上的压力值，以作比较。

如果不采用固化曲线和P、I、D运行，可以在运行前将K₆置于“设曲”档，K_5-3置于“设”定档，从键盘按顺序键入压力程序曲线的参数值和P、I、D参数，压力程序的时间单位可以是分钟，也可以为小时，由K_5-4设置，这些参数存于8039的片内RAM中，启动RUN键，程序控制器就按上述相同的过程运行。

由于变频调速器不时发生强电磁干扰，所以在本程序控制器的输入和输出部分都设置了（光）电隔离电路，以保证程序运行不受干扰。

本程序控制器备有镉镍电池，直接接8039的V_DD端，一旦电网瞬时掉电，便由电池供电，保持RAM中数据和中断地址不消失，从而免除电网恢复时再次击键启动的麻烦。

如果单片机及外围部件产生故障，可将K_5-1打到“手”动档，这时变频调速器临时退出程序控制，调节W₃以人为调定的某值固定频率输出，以保持连续供水。

如果变频调速器也产生故障（有报警），则临时将动力控制线路的KK切换到“全速”档，并接通其它需要的手动开关iK，以应急保持连续供水。

图5中，K为总段数，n为当前运行段数，A、B分别为当前运行段的起、止压力数，t为当前运行段的总时间，其流程如下：程序启动后，首先进行初始化，根据需要设定压力、时间、段数等参数，然后判断键是否已按下，若不是，则等待，若是，则判断是否为恒压控制，若是，则显示标志且令n＝1，若不是，则设总段数K。读段号n，取An、tn、Bn为统一予程序，接下去判断运行是否结束，若是，则清输出，显示提示符P后返回等待，若不是，则进行设定压力SP、实测压力PV的计算和显示以及通过PID运算后输出0-10mA或4-20mA控制量。再接下去判断输出控制量是否达最大值，若是，则启动备用泵，然后定检测周期1秒，判断前段运行时间是否已到，若是，则将n换成下一段（n+1），若不是，则将当前段已运行的时间加1，此程序执行完毕后，又回到程序始端重新判断和调节，周而复始循环。

很明显，本发明中采用单片机程序控制器后，实现了深井泵采水过程的实时采、用平衡，节约了宝贵的地下水资源，变频器中采用了适应水泵负载转矩特性的V/F比率控制特性输出，使泵电机运行既调速又高效率，理论分析指出，这样处理，泵电机功率与转速成立方关系，因而大大节约了电能，经实践验证，深井泵采用程序控制调频调压变速运行后，对一个年采100万吨地下水的单位，一年可节水约17万吨，节电约10万度，直接经济效益十分明显，另外，变频调速器中设置有可供选择的加减速时间特性，可适应不同型号规格的深井泵电机的软启动，并且管网保持定压供水，保证了泵电机和管网设备的安全，限采控制电路为地下水采补平衡提供了一种技术手段。

Claims (4)

1、一种深井泵采供水系统的程控调节装置，包括有：

若干台深井泵电机(3、8、10)，每台电机都由动力控制线路(2)接入电网，它们各自驱动一只深井泵(4、9、11)，所有泵的出水端汇合到供水管网(5)中；

一个压力检测器(6)；

一个微电脑压力程序控制器(7)；

一个变频调速器(1)；

其特征在于：

A.具有一个地下水位传感器(12)，将地下动水位信号送到限采控制电路(13)，通过动力控制线路(2)控制所有电机的启停；

B.微电脑压力程序控制器中具有一个电流驱动电路(22)和一个输出接口电路(24)，其中驱动电路(22)送出模拟信号到变频调速器(1)，改变其频率及电压，从而调节一台电机(3)的转速；另一个输出接口电路(24)输出若干路开关信号，通过动力控制线路(2)分别控制调速电机(3)的调速全速运行和其它电机(8、10)的启停；

C.微电脑压力程序控制器(7)中固化有压力程序曲线参数和P、I、D值；

D.微电脑压力程序控制器(7)可以输入设定的压力程序曲线参数和P、I、D值；

E.微电脑压力程序控制器(7)中装载有压力自动控制程序。

2、根据权利要求1所述的深井泵采供水系统的程控调节装置，其特征在于：微电脑压力程序控制器（7）中固化有多条压力程序曲线参数。

3、根据权利要求1或2所述的深井泵采供水系统的程控调节装置，其特征在于：变频调速器（1）中具有V-F比率控制特性电路和加减速时间特性电路。

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