CN104235467A - 微电无线远程阀门控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现城市带压管网衡压衡流的微电无线阀门控制器设备，其特征是：阀门控制器主体单元与执行单元相连，主体单元通过GPRS通讯模块和外接天线来接收上位系统发送的控制指令和配置参数，通过微功耗单片机进行解析并存储到FlashROM模块，阀门控制器内功率电气组件控制模块连接流量计串口模块和阀门控制器执行单元上的两路压力变送器模数转换接口，把采集的管网运行数据回传给微功耗单片机，由微功耗单片机进行解析并与FlashROM模块内存储的控制参数作对比，对比结果产生后由微功耗单片机发送执行指令并由功率电气组件控制模块来完成对控制器执行单元DC12V电磁阀的开启进行功能阀门上腔水量的调节，从而完成整个衡流和/或衡压过程。

Description

微电无线远程阀门控制器

所属技术领域

本发明涉及自来水带压管网和市政中水带压管网阀门控制领域中阀门开启度控制、流量控制和压力控制过程的应用功能研究。本发明所提到的微电无线远程阀门控制器是一款应用于带压管网功能阀上的阀门驱动装置。该装置采用GPRS无线远程通讯方式来接收上位发送来的流量和压力控制参数，通过管网上安装的压力和流量传感器实现管网运行数据采集，用实时运行数据和控制参数进行对比。对比的结果作为控制阀门开启度的依据，从而达到压力和流量控制目的。微电无线远程阀门控制器可以接收上位系统发送的压力或者流量控制曲线，并使用此曲线来实时的控制管网的压力和流量，从而达到管网自动稳压和限时定量供水的目的。

背景技术

城市自来水管线和市政带压管网是城市基础设施的重要组成部分，是城市赖以生存和发展的物质基础，是维护城市正常运转的“生命线”。随着我国经济的发展及城市化步伐的加快，城市规模的扩大和现代化程度的不断提高，作为城市重要基础设施的城市供水管线也越来越庞大、密集，如何保证管网的正常稳定运行是目前摆在全国各地供水公司面前的重要问题。供水管网压力稳定则是减少城市管网渗漏和爆管率的有效途径。面对日益繁杂的供水管线和日益增加的用户数量，必须采取更有效的机制和手段来进行管网压力的稳定。选择阀门控制器对城市供水管线进行地适当的压力控制，则是减少管网渗漏和爆管对国家水资源造成损失和人民生活水平造成影响的唯一办法。

目前国内的阀门控制器多使用大型电机来控制阀门的压力和流量，并且每个阀门控制器必须在其周围增加控制室引入220V或者380V高电压才能保证设备的正常运行。由于国内管线多处于地下，所以在地下井室里引入220V或者380V强电大大增加了用户操作的危险性。强电控制往往象征着必须保证其通讯的稳定性和可靠性，目前最好的解决方式是通过建立有线连接来达到指挥中心与阀门控制室之间的通信，或者采取每个井室专人负责的模式来管理阀门控制器设备，由于城市管网往往分布较广，这样就意味着阀门控制器的施工成本和管理成本的大量投入。

发明内容

本发明主要用于城市带压管线的压力稳定、流量控制和远程应急关阀。微电无线远程阀门控制器的使用解决了目前国内市场微电无线阀门控制器只靠国外进口的历史。与此同时新产品的市场投放也解决了国外阀门控制器无法适合国内客户需求的问题。微电无线阀门控制器使用12V蓄电池供电，在电源供应上，蓄电池可以接太阳能电池板和风力发电机等设备，无需再接入220V或者380V电源。电压范围的降低减少了高压电入井室的危险性。GPRS通讯模块增加了信号放大功能，即使把阀门控制器放在井室内也不会影响设备的正常通讯。阀门控制器在封装过程中充分考虑到了地下井室的恶劣环境会对阀门控制器的影响，所以在外壳的设计中采用IP68防水等级和防爆功能。改现有阀门控制器的有线数据通信为无线GPRS通讯，减少布线施工成本。阀门控制器阀门开启度执行单位采用管网自身压力，无需外部机械力作用，所以在运行过程中功耗很低，是一款真正的低功耗产品。

本发明涉及的微电无线远程阀门控制器开发解决了国内阀门控制的高安装成本及阀门控制安全性低的问题。微电无线远程阀门控制器由控制器主体单元、两路外置压力变送器、两个DC12V先导式电磁阀、外接电源模块和外接天线五部分组成。其中控制器主体单元包括基于微功耗的单片机及相关外围器件的处理平台，实现无线GPRS数传模块、基本工业通信模块、功率电气组件控制模块、多路模拟数字转换模块、4M字节Flash ROM存储模块、LED显示屏和按键的输入输出电路模块、电源处理模块。控制器通过可编程的微功耗单片机接收用户的控制命令完成各执行单元的协调工作，实现对电磁阀的控制。

附图说明

图1为微电无线远程阀门控制器的主体单元组成结构

【9】电源管理模块 【10】GPRS通讯模块 【11】微功耗单片机

【12】Flash ROM模块 【13】功率电气组件控制模块 【14】电源模块

【15】液晶显示屏 【16】流量计设备串口模块 【17】压力变送器模数转换接口

【18】压力变送器模数转换接口 【19】电磁阀驱动端口1

【20】电磁阀驱动端口2 【21】切换按钮 【22】调节阀门开关量按钮

【23】调节阀门开关量按钮 【24】外接天线 【25】防护外壳

图2为微电无线远程阀门控制器的执行单元组成结构

【1】进水口DC12V电磁阀 【2】出水口DC12V电磁阀 【3】进水口针阀

【4】出水口针阀 【5】介质过滤阀 【6】球阀 【7】阀前压力传感器

【8】阀后压力传感器

图3为微电无线远程阀门控制器的总体组成结构

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明，在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

用于进行命令处理、通信管理和阀门控制的控制器主体单元，控制器主体单元包括用于数据处理的微功耗单片机【11】，两路用于连接压力变送器进行压力数据采集的模数转换接口【17】【18】、一路用于连接流量设备串口模块【16】和GPRS通讯模块【10】、一路用于数据存储的Flash ROM模块【12】、两个用于驱动电磁阀的端口1【19】和端口2【20】、功率电气组件控制模块【13】、用于为控制器主体单元提供电源的电源模块【14】、用于外接电源控制的电源管理模块【9】、一个切换远程控制和本地控制的切换按钮【21】、两个手动调节阀门开关量的按钮【22】【23】、用于状态显示的液晶显示屏【15】、具有IP68防水等级的防护外壳【25】和外接天线【24】。

用于执行阀门控制器主体单元控制指令的阀门控制器执行单元。阀门控制器执行单元包括用于控制进水和出水的DC12V电磁阀【1】【2】、调节进水量和出水量的针阀【3】【4】、关闭阀前进水口的球阀【6】、过滤水介质的过滤阀【5】、用于接入阀前阀后感知管网压力的压力传感器【7】【8】。

结合附图进一步描述本发明具体实施过程，本发明包括阀门控制器主体单元和控制器执行单元两大部分，阀门控制器主体单元主要负责阀门控制指令的执行、管网压力流量数据的采集处理以及周边电器设备的管理和控制。阀门控制器主体单元供电由电源模块【14】进行，电源模块【14】是一块12V100Ah的蓄电池，通过与电源管理模块【9】相连来获取电源供应。电源管理模块【9】则用于外接太阳能电池板、风力发电机或者管道发电机，对外接发电设备进行电源稳定和输入管理。GPRS通讯模块【10】与外接天线【24】相连，其主要负责接收由用户上位机发送的控制参数和控制曲线指令。GPRS通讯模块【10】把收到的控制参数和控制指令传输给微功耗单片机【11】，由微功耗单片机【11】进行解析，并把解析的结果存储到Flash ROM模块【12】。然后由微功耗单片机【11】调用Flash ROM模块【12】内的控制参数和控制指令通过功率电气组件控制模块【13】对周边的设备进行管理和控制。在实际的控制控制中，阀门控制器主体单元会通过流量设备串口模块【16】按照Flash ROM模块【12】内存储的流量读取频率参数来读取管网的实时流量信息，并通过流量设备串口模块【16】进行回传至微功耗单片机【11】，由微功耗单片机【11】进行解析和判断，如果流量没有达到用户上位发送的控制目标，微功耗单片机【11】则会通过功率电气组件控制模块【13】由驱动电磁阀的端口1【19】和端口2【20】对控制进水和出水的DC12V电磁阀【1】【2】进行定时的开启，从而增加或减少阀门上腔的容水量，通过容水量的增加或者减少来控制阀门的开启度，通过开启度的控制来达到管网衡流的目的。进水和出水的DC12V电磁阀【1】【2】后面分别安装有针阀【3】和针阀【4】用来控制每次进水和出水的DC12V电磁阀【1】【2】开启时的进水量和出水量的大小，控制阀门平衡的开启或者关闭。安装在控制进水的DC12V电磁阀【1】前面分别有一个过滤水介质的过滤阀【5】和球阀【6】，过滤水介质的过滤阀【5】安装在球阀【6】之上，球阀【6】由接通阀前管网。介质的过滤阀【5】的功能是过滤管网水介质中的杂质成份，以免杂质成份进入阀门执行单元，对执行单元内的部件造成堵塞，影响阀门控制效果。球阀【6】则是在需要对阀门控制器执行单元进行设备件的更换时进行水流的切断。阀门前和阀门后分别装有压力传感器【7】和压力传感器【8】，在实际的控制中，阀门控制器主体单元会通过压力传感器【7】和压力传感器【8】按照Flash ROM模块【12】内存储的压力采集频率参数来采集管网的实时压力信息，并通过压力数据采集的模数转换接口【17】【18】进行回传至微功耗单片机【11】，由微功耗单片机【11】进行解析和判断，如果压力没有达到用户上位发送的控制目标，微功耗单片机【11】则会通过功率电气组件控制模块【13】由驱动电磁阀的端口1【19】和端口2【20】对控制进水和出水的DC12V电磁阀【1】【2】进行定时的开启，从而增加或减少阀门上腔的容水量，通过容水量的增加或者减少来控制阀门的开启度，通过开启度的控制来达到管网衡压的目的。由于本阀门控制器设备安装的对象是功能阀，功能阀门在正常工作情况下必须保证阀前和阀后具有一定的压差值，所以压力传感器【7】和压力传感器【8】通过对阀前阀后压力的采集，通过压差值的计算也可以避免在执行阀门控制过程中由于执行过度使阀门失去基础功能的情况出现。微电无线远程阀门控制器在设计过程中充分考虑到了实际使用环境和用户需求，微电无线远程阀门控制器在控制过程中可以通过切换远程控制和本地控制的切换按钮【21】来实现本地和远程控制的切换过程，在切换到本地控制后，操作人员可以使用调节阀门开关量的按钮【22】【23】，调节阀门开关量的按钮【22】【23】与功率电气组件控制模块【13】相连，功率电气组件控制模块【13】接收用户手动操作的阀门开、关指令，并把指令通过驱动电磁阀的端口1【19】和端口2【20】对控制进水和出水的DC12V电磁阀【1】【2】进行定时的开启，从而增加或减少阀门上腔的容水量，通过容水量的增加或者减少来控制阀门的开启度。液晶显示屏【15】通过与微功耗单片机【11】的连接接收微功耗单片机【11】的实时控制参数和实时压力或者实时流量输出，使用户实现对现场阀门控制器控制情况的实时掌握。通过具有IP68防水等级的防护外壳【25】的封装，实现微电无线远程阀门控制器在恶劣环境下的正常运行。

Claims (5)

1.一种用于城市带压管网衡压衡流的微电无线远程阀门控制器，主要包括阀门控制器主体单元和阀门执行单元两部分组成。阀门控制器主体单元包括用于数据接收的外接天线和通信处理的GPRS模块、用于数据解析及指令执行的微功耗单片机、用于参数、指令和数据存储的Flash ROM模块、用于管理外接电气元件的功率电气组件控制模块、用于连接管网流量计量设备的流量计设备串口模块、两路用于驱动电磁阀的驱动端口、两路用于连接压力传感器的模数转换接口、用于外接电源转换的电源管理模块、用于为设备各功能部件提供电源的电源模块、一块用于设备参数显示的液晶显示屏幕、一个用于切换本地和远程控制的切换按钮和两个调节开启度的调节按钮、用于封装以上部件的防护外壳。其特征是：外接天线与GPRS模块相连，GPRS模块与微功耗单片机相连，微功耗单片机分别与功率电气组件控制模块、Flash ROM模块和液晶显示屏幕相连，电源管理模块与电源模块相连，电源模块则通过主板的对应电源线路为各模块供电，防护外壳把以上部件进行内部的封装，切换按钮和调节阀门量按钮则分别通过嵌入防护外壳与功率电气组件控制模块相连。阀门控制器执行单元包括用于控制阀门上腔进水量的DC12V电磁阀、控制阀门上腔出水量的DC12V电磁阀、进水口针阀、出水口针阀、介质过滤阀、球阀、阀前压力传感器和阀后压力传感器。其特征是：两路压力传感器分别连接功能阀门的进水口和出水口并且通过数据线与阀门控制器主体单元的两个压力变送器模数转换端口相连，进水口DC12V电磁阀和出水口DC12V电磁阀则通过数据线与阀门控制器主体单元的电磁阀驱动端口1和电磁阀驱动端口2相连。

2.根据权利要求1所述的一种微电无线远程阀门控制器，其特征在于执行单元的组装方式按照管网介质流向依次为球阀、介质过滤阀、进水口DC12V电磁阀、进水口针阀、出水口DC12V电磁阀、出水口针阀。

3.根据权利要求1所述的一种微电无线远程阀门控制器，其特征在于进水口和出水口所使用的DC12V电磁阀为直动式常闭电磁阀。

4.根据权利要求1所述的一种微电无线远程阀门控制器，其特征在阀门控制器主体单元内电源模块为12V100Ah铅酸蓄电池。

5.根据权利要求1所述的一种微电无线远程阀门控制器，其特征在于阀门控制器主体单元的防护外壳具有IP68防水等级且其材料为合金材质。