CN106438311A - 用于变频恒压供水水泵的智能控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于变频恒压供水水泵的智能控制器及其控制方法，该控制器包括MCU模块、A/D转换器、D/A转换器、实时时钟模块、运行监视模块、故障报警模块、电源模块、参数设置模块、数据存储模块、继电器输出模块、PI调节器，控制器可根据实际用泵台数设置，通过采集出口水压和设定值进行PI调节，通过加减泵和调节变频器的输出以达到恒压供水的目的。另外，控制器还具有充分的保护功能，当系统出现低液位、系统欠压、超压、变频器故障等，控制器自动显示故障信息，使用户对故障一目了然，故障排除后系统自动恢复运行。本发明的水泵变频恒压供水技术，能够保证社区、厂矿的变频恒压供水，控制器运行可靠；能耗低，无需人工干预，降低了生产成本。

Description

用于变频恒压供水水泵的智能控制器及其控制方法

技术领域

本发明属于智能技术领域，具体涉及一种用于变频恒压供水水泵的智能控制器及其控制方法。

背景技术

随着城市化进程的发展，社区高楼林立，为社区用户提供稳定可靠的供水系统势在必行，尤其在用户用水量变化时，仍能提供稳定的水压输出尤为重要。

现有的数码管显示控制器：操作复杂，代码显示单调，容易发生误操作。

触摸屏PLC控制器：画面丰富美观，但是价格昂贵，还需要对触摸屏及PLC单独编程，对生产设备厂家技术力量要求较高。

发明内容

本发明为解决上述问题的不足。提供一种移动撬装式换热站，它能实现不需要建设换热站泵房，直接运输到现场接一次热源供/回水接管，二次供/回水接管，自来水及电源，即“五管一电”，启动补水泵将系统补满水，开启热源，即可运行，方便快捷，减少建造费用，从而提高生产建造效率，按时高效的为用户供暖。

本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一种用于变频恒压供水水泵的智能控制器，它包括MCU模块、A/D转换器、D/A转换器、实时时钟模块、运行监视模块、故障报警模块、电源模块、参数设置模块、数据存储模块、继电器输出模块、PI调节器，所述A/D转换器采集供水出口的压力，根据采集到的压力值与参数设置模块中的设定值进行比较，并通过PI调节器运算，运算结果通过D/A转换器输出0～10V的电压 信号控制水泵的转速，控制器根据水泵的转速和采集的出口压力以及实时时钟模块通过继电器输出模块决定各水泵的运行状态，以达到恒压供水的目的，当市政管网出现低液位、欠压、超压、变频器故障时，控制器则通过故障报警模块由继电器输出模块输出报警信号，参数设置模块设置系统运行所必需的一系列参数，并将设置好的参数通过数据存储模块保存到MCU模块自带的非易失性存储器EEPROM中。

优选的，所述MCU模块采用具有内部A/D转换器的STC12C5A32S2芯片作为控制器的核心，由于其内部自带A/D转换器，省去了外部扩展，该处理器中断速度快，功耗低，成本效益高。

所述D/A转换器为具有低功耗和高精度的TLC5615，所述TLC5615是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。TLC5615性能价格比高，目前在国内市场很方便购买。LM236/LM336集成电路是精密的2.5V并联稳压器，其工作相当于一个低温度系数的、动态电阻为0.2Ω的2.5V齐纳二极管，其中的微调端(adj)可以使基准电压和温度系数得到微调，并通过运算放大器LM358将信号放大2倍，使其输出0～10V的电压信号，以满足MCU模块对变频器运行频率的控制。

所述实时时钟模块由PCF8563及外围电路构成，所述PCF8563用于提供实时时钟，为系统的加泵、减泵、休眠、欠压报警以及定时换泵提供时间基准；所述PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟日历芯片,它提供一个可编程时钟输出、一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。

所述运行监视模块，MCU模块(1)通过并行接口将系统运行信息显示到液晶屏上，使系统运行状态一目了然。这些信息包括：变频运行的泵的代码、工频运行泵的代码、变频器的工作频率、运行压力值、故障报警信息和系统时钟；

所述故障报警模块，当市政管网出现低液位、系统欠压、系统超压、变频器故障，控制器自动显示故障信息，并通过继电器输出模块将故障以常开触点形式输出，系统故障一旦排除，控制器自动恢复到正常运行状态，无需人工干预；

所述电源模块，采用独立线性电源，分别输出两路电源，一路用于MCU模块及相关器件，另一路用于外部开关量的输入，使得内部控制系统和外部信号电气隔离，以防止外来干扰对系统的影响；

所述参数设置模块，参数设置包括运行压力、压力传感器量程、加减泵时间、加减泵频率、换泵时间、减泵频率、休眠频率、休眠延时、各泵属性、PI参数值以及各泵运行的一系列参数。

所述数据存储模块，数据存储模块利用了MCU模块内部自带的非易失性存储器(EEPROM)，将参数设置所设置的一系列参数永久性保存起来，下次控制器冷启动后自动调出，而不用用户另行设置，最终实现无人值守，无需人工干预。

所述继电器输出模块，通过两片8D触发器74HC574扩展并行接口，然后通过两片达林顿阵列ULN2003直接驱动继电器，最终将1-6#泵的变频和工频运行以无源常开点的形式输出，当出现故障报警模块所述故障后，同样以无源常开形式输出故障报警信息。

所述PI调节器，用于调节水泵转速动态误差的参数和调节控制单元静态误差的参数。

优选的，所述PI调节器，P参数为比例系数，是调节水泵转速动态误差的参数，此数值越大，调节速度越快；I参数为积分系数，是调节控制单元静态误差的参数，此数值越大，静态误差越大，响应速度越快。反之，此数值越小，静态误差越小，响应速度也越慢，调节参数用以下公式：

u(t)＝Kp*e(t)+Ki∑e(t)+u0

u(t)——输出

Kp——比例放大系数

Ki——积分放大系数

e(t)——误差

u0——控制量基准值(基础偏差)。

优选的，所述MCU模块的STC12C5A32S2单片机，其内部自带8路10位高速A/D转换器和EEPROM，所述单片机STC12C5A32S2还扩展了P4口和串口2，用于加强控制与通讯能力，其时钟采用内部时钟方式，晶振GZ1在1.2M～20M之间，电容C1、C2在15P～200P之间。

优选的，所述单片机STC12C5A32S2的内部时钟方式中，晶振GZ1为11.0592M，以便于降低通讯误差，电容C1、C2为15P,所述单片机STC12C5A32S2还配置一片MAX232芯片，以支持ISP在线下载，MAX232是专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯。

优选的，所述故障报警模块中，故障报警模块采用两片总线收发器74HC245，一片用来读取外部报警信号，一片用来读取按键操作，所述总线收发器第1脚DIR是方向控制端，高电平时数据从A端流向B端，低电平时数据从B端流向A端，因而此处直接接GND，第2-9脚“A”信号输入输出端，A1＝B1，以此类推 到A8＝B8，A1与B1是一组，如果DIR＝“1”G＝“0”则A1输入B1输出，其它类同；如果DIR＝“0”G＝“0”则B1输入A1输出，其它类同；第10脚GND，电源地，第11-18脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，第19脚G，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。第20脚VCC，电源正极。

优选的，所述实时时钟模块由时钟/日历芯片PCF8563及外围电路组成，所述时钟/日历芯片PCF8563提供一个可编程的时钟输出(OUTCLOCK)，一个中断输出和一个掉电检测器，所有的地址和数据都通过I2C总线接口串行传递，其中电容C19和晶振GZ2组成振荡电路，所述C19为15P，所述GZ2为32.768K。

优选的，所述A/D转换器利用MCU模块的STC12C5A32S2芯片自带的8路10位电压输入型A/D，速度可达250KHz(25万次/秒)，用于检测压力反馈的电压信号，压力反馈信号为0～5V输入，C1、C2为滤波电容，容值为0.01UF；WY1、WY2(IN4733)为5.1V稳压管,在外部信号超过5.1V时稳压管导通，以防止过高电压损毁MCU模块；压力反馈值和设定值组成闭环系统进行PI调节，运算出的目标值经过换算后由MCU模块通过串口总线发给D/A转换器TLC5615，从而调整变频器的电压输出，用于达到恒定压力。

所述D/A转换器由TLC5615和电压基准LM336组成，所述TLC5615为两倍基准电压输出，电压基准选用LM336-2.5，为D/A提供一个2.5V的基准电压；所述TLC5615的输出经过运算放大器LM358放大2倍后，使输出电压范围放大到0～10V，以适应变频器的0～10V电压输入范围，然后再经一级电压跟随器连接到变频器。

优选的，所述参数设置模块存储了两种供水模式，第一种模式是控制1-6台水泵，每台水泵都可通过参数设置成使用或屏蔽，屏蔽的泵将不会参与运行； 第二种模式是控制1-5台水泵+1台辅泵的运行模式，6#泵将作为辅泵运行，1-5#泵作为主泵可以设置为屏蔽和使用。

使用所述用于变频恒压供水的水泵控制器的控制方法，包括以下步骤：

①操作员由运行监视模块进入参数设置模块，根据实际情况设置运行压力、压力传感器量程、加减泵时间、加减泵频率、换泵时间、减泵频率、休眠频率、休眠延时、各泵属性、PI参数值以及各泵运行的一系列参数，设置完成后退出并自动将这些参数保存到数据存储模块所述非易失性存储器EEPROM中，而后控制器进入自动运行状态。

②其压力控制过程为：首先上电后控制器启动1#泵变频运行，把A/D转换器采集到的压力值同参数设置模块设置的目标压力值进行比较，通过PI调节器(11)输出0～10V(0～50Hz)的频率信号给变频器，如果变频器运行50Hz后，出口压力仍达不到设定压力，在经过加泵延时的时间后，将1#泵变频停止，经过变工延时后，再将1#泵工频启动，经过工变延时后，将下一台泵的变频启动。如此加泵直到出口压力达到设定压力值。如若使用的泵全部投入运行，仍达不到设定压力值，经过报警延时后，系统就会显示欠压报警。相反，如果出口压力大于减泵压力并且运行频率低于减泵频率，经过减泵延时后就会减掉最先启动的一台工频泵，如果出口压力仍然大于减泵压力且运行频率低于减泵频率，控制器就会减掉另一台工频泵，直到剩下最后一台变频泵运行，如果此时出口压力仍大于减泵压力且运行频率低于休眠频率，经过休眠延时的时间后，控制器进入休眠状态。如果出口压力大于减泵压力且运行频率大于休眠频率，经过换泵时间后，变频运行的泵停止工作，同时另一台泵投入变频运行。系统进入 休眠状态后，如果出口压力低于休眠压力后，控制器自动启动另一台泵变频运行。

③所述参数设置模块存储了两种供水模式，两种供水模式通过第6台水泵的属性选择，第6台水泵属性设置为使用，则控制器运行第一种模式，控制1-6台水泵全部作为主泵运行，每台水泵都可通过参数设置成使用或屏蔽，屏蔽的泵将不会参与运行；第6台泵设置为辅泵则运行第二种模式，控制1-5台水泵主泵+1台辅泵的运行模式，6#泵将作为辅泵运行，1-5#泵作为主泵可以设置为屏蔽和使用。

本发明与现有技术相比具有的显著优点为：

1、它操作简便、价格低廉、运行可靠、输出压力恒定的控制模式。本控制器最多可控制六台水泵的运行，最大限度的满足不同用户的需求。由于本控制单元体积小，重量轻，可以很方便的安装于控制设备的柜体面板上

2、本发明提供的用于变频恒压供水的水泵控制器，系统一旦上电就会进入自动运行进入运行监视模块，控制器初次使用应由操作员操作进入参数设置模块，操作员应根据实际使用情况设置好系统所必需的一系列参数，然后退出保存到数据存储模块，将参数设置模块所设置的一系列参数永久性保存起来，下次控制器冷启动后自动调出，而不用用户另行设置，最终实现无人值守，无需人工干预。

3、本发明控制器还具有充分的保护功能，当系统出现低液位、系统欠压、超压、变频器故障等，控制器自动显示故障信息，使用户对故障一目了然，故障排除后系统自动恢复运行。本发明的水泵变频恒压供水技术，能够保证社区、厂矿的变频恒压供水，控制器运行可靠；能耗低，无需人工干预，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的控制器结构示意图；

图2为本发明的MCU模块原理图；

图3为本发明的继电器输出模块原理图；

图4为本发明的故障报警模块原理图

图5为本发明的实时时钟模块原理图；

图6为本发明的A/D转换器和D/A转换器原理图；

图7、图8为本发明的控制程序框图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

参见图1～图8。

本发明一种用于变频恒压供水水泵的智能控制器，它包括MCU模块(1)、A/D转换器(2)、D/A转换器(3)、实时时钟模块(4)、运行监视模块(5)、故障报警模块(6)、电源模块(7)、参数设置模块(8)、数据存储模块(9)、继电器输出模块(10)、PI调节器(11)，所述A/D转换器(2)采集供水出口的压力，根据采集到的压力值与参数设置模块(8)中的设定值进行比较，并通过PI调节器(11)运算，运算结果通过D/A转换器(3)输出0～10V的电压信号控制水泵的转速，控制器根据水泵的转速和采集的出口压力以及实时时钟模块(4)通过继电器输出模块(10)决定各水泵的运行状态，以达到恒压供水的目的，当市政管网出现低液位、欠压、超压、变频器故障时，控制器则通过故障报警模块(6)由继电器输出模块(10)输出报警信号，参数设置模块(8)设置系统运行所必需的一系列参数，并将设置好的参数通过数据存储模块(9)保存到MCU模块自带的非易失性存储器EEPROM)中。

优选的，所述MCU模块采用具有内部A/D转换器(2)的STC12C5A32S2芯片作为控制器的核心，由于其内部自带A/D转换器(2)，省去了外部扩展，该处理器中断速度快，功耗低，成本效益高。

所述D/A转换器(3)为具有低功耗和高精度的TLC5615，TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。TLC5615性能价格比高，目前在国内市场很方便购买。LM236/LM336集成电路是精密的2.5V并联稳压器，其工作相当于一个低温度系数的、动态电阻为0.2Ω的2.5V齐纳二极管，其中的微调端(adj)可以使基准电压和温度系数得到微调，并通过运算放大器LM358将信号放大2倍，使其输出0～10V的电压信号，以满足MCU模块对变频器运行频率的控制。

所述实时时钟模块(4)由PCF8563及外围电路构成，所述PCF8563用于提供实时时钟，为系统的加泵、减泵、休眠、欠压报警以及定时换泵提供时间基准；所述PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟日历芯片,它提供一个可编程时钟输出、一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。

所述运行监视模块(5)，MCU模块(1)通过并行接口将系统运行信息显示到液晶屏上，使系统运行状态一目了然。这些信息包括：变频运行的泵的代码、工频运行泵的代码、变频器的工作频率、运行压力值、故障报警信息和系统时钟；

所述故障报警模块(6)，当市政管网出现低液位、系统欠压、系统超压、变频器故障，控制器自动显示故障信息，并通过继电器输出模块(10)将故障以常开触点形式输出，系统故障一旦排除，控制器自动恢复到正常运行状态， 无需人工干预；

所述电源模块(7)，采用独立线性电源，分别输出两路电源，一路用于MCU模块及相关器件，另一路用于外部开关量的输入，使得内部控制系统和外部信号电气隔离，以防止外来干扰对系统的影响；

所述参数设置模块(8)，参数设置包括运行压力、压力传感器量程、加减泵时间、加减泵频率、换泵时间、减泵频率、休眠频率、休眠延时、各泵属性、PI参数值以及各泵运行的一系列参数。

所述数据存储模块(9)，数据存储模块利用了MCU模块(1)内部自带的非易失性存储器(EEPROM)，将参数设置(8)所设置的一系列参数永久性保存起来，下次控制器冷启动后自动调出，而不用用户另行设置，最终实现无人值守，无需人工干预。

所述继电器输出模块(10)，通过两片8D触发器74HC574扩展并行接口，然后通过两片达林顿阵列ULN2003直接驱动继电器，最终将1-6#泵的变频和工频运行以无源常开点的形式输出，当出现故障报警模块(6)所述故障后，同样以无源常开形式输出故障报警信息。

所述PI调节器(11)，用于调节水泵转速动态误差的参数和调节控制单元静态误差的参数。

优选的，所述PI调节器(11)，P参数为比例系数，是调节水泵转速动态误差的参数，此数值越大，调节速度越快；I参数为积分系数，是调节控制单元静态误差的参数，此数值越大，静态误差越大，响应速度越快。反之，此数值越小，静态误差越小，响应速度也越慢，调节参数用以下公式：

u(t)＝Kp*e(t)+Ki∑e(t)+u0

u(t)——输出

Kp——比例放大系数

Ki——积分放大系数

e(t)——误差

u0——控制量基准值(基础偏差)。

优选的，所述MCU模块的STC12C5A32S2单片机，其内部自带8路10位高速A/D转换器和EEPROM，所述单片机STC12C5A32S2还扩展了P4口和串口2，用于加强控制与通讯能力，其时钟采用内部时钟方式，晶振GZ1在1.2M～20M之间，电容C1、C2在15P～200P之间。

优选的，所述单片机STC12C5A32S2的内部时钟方式中，晶振GZ1为11.0592M，以便于降低通讯误差，电容C1、C2为15P,所述单片机STC12C5A32S2还配置一片MAX232芯片，以支持ISP在线下载，MAX232是专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯。

优选的，所述故障报警模块(6)中，采用74HC245总线收发器(bus transceiver)，(典型的CMOS型三态缓冲门电路。)，故障报警模块(6)采用两片总线收发器74HC245，一片用来读取外部报警信号，一片用来读取按键操作，所述总线收发器第1脚DIR是方向控制端，高电平时数据从A端流向B端，低电平时数据从B端流向A端，因而此处直接接GND，第2-9脚“A”信号输入输出端，A1＝B1，以此类推到A8＝B8，A1与B1是一组，如果DIR＝“1”G＝“0”则A1输入B1输出，其它类同；如果DIR＝“0”G＝“0”则B1输入A1输出，其它类同；第10脚GND，电源地，第11-18脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，第19脚G，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。第20脚VCC，电源正极。

优选的，所述实时时钟模块由时钟/日历芯片PCF8563及外围电路组成，所述时钟/日历芯片PCF8563提供一个可编程的时钟输出(OUTCLOCK)，一个中断输出和一个掉电检测器，所有的地址和数据都通过I2C总线接口串行传递，其中电容C19和晶振GZ2组成振荡电路，所述C19为15P，所述GZ2为32.768K。

优选的，所述A/D转换器利用MCU模块的STC12C5A32S2芯片自带的8路10位电压输入型A/D，速度可达250KHz(25万次/秒)，可用于温度检测、电压检测、按键扫描，频谱检测等，此处用于检测压力反馈的电压信号，压力反馈信号为0～5V输入，C1、C2为滤波电容，容值为0.01UF；WY1、WY2(IN4733)为5.1V稳压管,在外部信号超过5.1V时稳压管导通，以防止过高电压损毁MCU模块；压力反馈值和设定值组成闭环系统进行PI调节，运算出的目标值经过换算后由MCU模块通过串口总线发给D/A转换器TLC5615，从而调整变频器的电压输出，用于达到恒定压力。

所述D/A转换器由TLC5615和电压基准LM336组成，所述TLC5615为两倍基准电压输出，电压基准选用LM336-2.5，为D/A提供一个2.5V的基准电压；所述TLC5615的输出经过运算放大器LM358放大2倍后，使输出电压范围放大到0～10V，以适应变频器的0～10V电压输入范围，然后再经一级电压跟随器连接到变频器。

优选的，所述参数设置模块(8)存储了两种供水模式，第一种模式是控制1-6台水泵，每台水泵都可通过参数设置成使用或屏蔽，屏蔽的泵将不会参与运行；第二种模式是控制1-5台水泵+1台辅泵的运行模式，6#泵将作为辅泵运行，1-5#泵作为主泵可以设置为屏蔽和使用。

使用所述用于变频恒压供水的水泵控制器的控制方法，包括以下步骤：

①操作员由运行监视模块(5)进入参数设置模块(8)，根据实际情况设置 运行压力、压力传感器量程、加减泵时间、加减泵频率、换泵时间、减泵频率、休眠频率、休眠延时、各泵属性、PI参数值以及各泵运行的一系列参数，设置完成后退出并自动将这些参数保存到数据存储模块(9)所述非易失性存储器EEPROM中，而后控制器进入自动运行状态。

②其压力控制过程为：首先上电后控制器启动1#泵变频运行，把A/D转换器(2)采集到的压力值同参数设置模块(8)设置的目标压力值进行比较，通过PI调节器(11)输出0～10V(0～50Hz)的频率信号给变频器，如果变频器运行50Hz后，出口压力仍达不到设定压力，在经过加泵延时的时间后，将1#泵变频停止，经过变工延时后，再将1#泵工频启动，经过工变延时后，将下一台泵的变频启动。如此加泵直到出口压力达到设定压力值。如若使用的泵全部投入运行，仍达不到设定压力值，经过报警延时后，系统就会显示欠压报警。相反，如果出口压力大于减泵压力并且运行频率低于减泵频率，经过减泵延时后就会减掉最先启动的一台工频泵，如果出口压力仍然大于减泵压力且运行频率低于减泵频率，控制器就会减掉另一台工频泵，直到剩下最后一台变频泵运行，如果此时出口压力仍大于减泵压力且运行频率低于休眠频率，经过休眠延时的时间后，控制器进入休眠状态。如果出口压力大于减泵压力且运行频率大于休眠频率，经过换泵时间后，变频运行的泵停止工作，同时另一台泵投入变频运行。系统进入休眠状态后，如果出口压力低于休眠压力后，控制器自动启动另一台泵变频运行；

③所述参数设置模块(8)存储了两种供水模式，两种供水模式通过第6台水泵的属性选择，第6台水泵属性设置为使用，则控制器运行第一种模式，控制1-6台水泵全部作为主泵运行，每台水泵都可通过参数设置成使用或屏蔽，屏蔽的泵将不会参与运行；第6台泵设置为辅泵则运行第二种模式，控制1-5 台水泵主泵+1台辅泵的运行模式，6#泵将作为辅泵运行，1-5#泵作为主泵可以设置为屏蔽和使用。

本发明的智能控制器以MCU模块由STC12C5A32S2单片机为核心，实时时钟、A/D转换器、D/A转换器、标准I/O接口，LCD显示屏、继电器及其它电子元器件组成。可以通过加减泵的数量和控制变频器的输出电压达到恒压输出的目的。系统的基本结构框图如图1所示。

控制系统主要有六大部分组成：MCU模块、基于八路D型锁存器74HC574和达林顿阵列ULN2003的继电器输出模块、总线收发器74HC245的故障报警模块、基于PCF8563的实时时钟模块、基于TLC5615的D/A转换器和A/D转换器。

一、MCU模块采用宏晶单片机公司的STC12C5A32S2单片机，其内部自带了8路10位高速A/D转换器和EEPROM，另外此单片机还扩展了P4口和串口2，这就使得其控制与通讯能力大大加强。其时钟采用内部时钟方式，晶振GZ1可以在1.2M～20M之间，此处采用11.0592M以便于降低通讯误差，电容C1、C2可以在15P～200P之间，此处采用15P。单片机STC12C5A32S2外部扩展一片电平转换芯片MAX232，这样可支持程序的ISP在线下载，这样用户下载程序就不需要专门的下载器，运行过程中MAX232还可用来与上位机通讯。MAX232芯片是美信(MAXIM)公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，其作用是在线编程和外部通讯。MAX232是用来进行电平转换的。对应的电气原理图如图2所示。

二、继电器输出模块

继电器输出模块由八D触发器和达林顿阵列ULN2003组成。74HC574为八路D型触发器，在时钟的正跳动，Q输出将处于D输入端已建立的逻辑状态。缓冲输出的控制输入将使八个输出处于正常状态(高电平或低电平)或处于高阻状态。因八D触发器74HC574驱动电流小，不能直接驱动继电器，因而后级 经过达林顿阵列ULN2003放大后驱动继电器，MCU模块通过通用接口向八D触发器74HC574发送数据，经由达林顿阵列ULN2003驱动继电器，从而达到启动或停止对应水泵的目的。对应的电气原理图如图3所示。

三、故障报警报警模块

故障报警模块由总线收发器74HC245和光电隔离器EL817组成。总线收发器74HC245是典型的CMOS型三态缓冲门电路。由于单片机或CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。故障报警模块采用两片总线收发器74HC245，一片用来读取外部报警信号，另一片用来读取按键操作。其一脚是方向控制端，高电平时数据从A端流向B端，低电平时数据从B端流向A端，因而此处直接接GND。为了防止外部信号对系统的干扰，外部报警信号采用了光电隔离器EL817进行电气隔离此处光电隔离器也可采用TIP521-1，其中R11-R16为限流电阻，其阻值范围在510Ω～2KΩ之间，此处为降低功耗采用2KΩ。R17-R22为上拉电阻，这样在没有外部输入时确保74HC245的B端为高电平，阻值选取可在1KΩ～10KΩ之间，此处采用2KΩ。对应的电气原理图如图4所示。

四、实时时钟模块

实时时钟模块由PCF8563及外围电路组成，PCF8563是一款低功耗CMOS实时时钟/日历芯片，它提供一个可编程的时钟输出(OUTCLOCK)，一个中断输出和一个掉电检测器，所有的地址和数据都通过I2C总线接口串行传递。其中电容C19和晶振GZ2组成振荡电路，C19采用15P，GZ2取用32.768K。芯片PCF8563为系统提供准确时钟，系统运行所需要的换泵时间、加泵延时、减泵延时、休眠延时、变频到工频的延时(以下简称变工延时)、工频到变频的延时(以下简称工变延时)、以及欠压报警延时，都需要由此来提供精准的时间。此芯片还外加了一枚纽扣电池(CR2032)，这样在外部停电的情况下，芯片改由电池供电， 实时时钟还会继续运行，而不会因外部停电时钟停止运行。在D11和D12采用IN4007，也可采用IN4148等替代。电阻R9-R11为上拉电阻，其范围2KΩ-10KΩ。对应电气原理图如图5所示。

五、A/D转换器与D/A转换器

1、A/D转换器利用MCU模块STC12C5A32S2自带的8路10位电压输入型A/D，速度可达250KHz(25万次/秒)，可做温度检测、电压检测、按键扫描，频谱检测等，此处用来检测压力反馈的电压信号，压力反馈信号为0～5V输入，C1、C2为滤波电容，容值为0.01UF。WY1、WY2(IN4733)为5.1V稳压管,在外部信号超过5.1V时稳压管导通，以防止过高电压损毁MCU模块。压力反馈值和设定值组成闭环系统进行PI调节，运算出的目标值经过换算后由MCU模块通过串口总线发给D/A转换器TLC5615，从而调整变频器的电压输出，已达到恒定压力的目的。

2、D/A转换器由TLC5615和电压基准LM336组成，TLC5615是带有缓冲基准输入(高阻抗)的10位数字——模拟转换器(D/A)，D/A具有基准电压两倍的电压输出范围，且D/A是单调变化的，器件使用简单，用单5V电源工作。器件具有上电复(power-on-reset)功能以确保可重复启动。因为TLC5615为两倍基准电压输出，所以电压基准选用LM336-2.5，为D/A提供一个2.5V的基准电压。TLC5615的输出经过运算放大器LM358放大2倍后，使输出电压范围放大到0～10V，以适应变频器的0～10V电压输入范围，然后再经一级电压跟随器连接到变频器。对应电气原理图如图6所示。

本发明提供的用于变频恒压供水的水泵控制器，系统一旦上电就会进入自动运行进入运行监视模块(5)，控制器初次使用应由操作员操作进入参数设置模块(8)，操作员应根据实际使用情况设置好系统所必需的一系列参数，然后退出保存到数据存储模块(9)，将参数设置模块(8)所设置的一系列参数永久性保存起来，下次控制器冷启动后自动调出，而不用用户另行设置，最终实现 无人值守，无需人工干预。

具体工作过程：

系统上电后MCU模块首先对继电器输出模块进行初始化，将继电器输出全部清零。MCU模块启动1#泵变频运行，把A/D转换器(2)采集到的出口压力值同参数设置模块(8)的设定压力值进行比较，通过PI调节器(11)运算输出一个输出0～10V(0～50Hz)的电压信号给变频器，如果运行频率未达到50Hz出口压力已达到设定值，则系统只启动1#泵变频运行，并通过PI调节器使出口压力稳定在设定压力。如果变频器运行到加泵频率(50Hz)后，出口压力仍未达到设定压力，MCU模块开始计时，判断是否到达加泵延时，如果没有则返回继续等待。加泵延时时间到后，将1#泵变频停止，MCU模块重新计时并且将输出给变频器的电压信号改为0V(0Hz)，此时变频器停止工作。如果不到变工延时设定的时间，MCU返回等待，变工延时的时间到后，将1#泵工频启动，MCU模块再次重新计时并判断是否到达工变延时的时间，如果没有则返回等待。工变延时的时间到后，将下一台泵变频启动，并通过PI调节器(11)重新运算一个电压值(0～10V)给变频器，至此完成一个加泵过程。系统如此循环直到出口压力值达到设定压力值。如若使用的泵全部投入运行，仍达不到设定压力值，并且变频器运行到50Hz后，MCU模块开始计时，经过欠压报警延时的时间后，系统就会通过故障报警模块(6)显示欠压报警。相反，如果变频器的运行频率低于减泵频率，MCU模块判断是否有工频泵运行，如果有工频泵运行则开始计时，在没有到达减泵延时的时间前，MCU返回等待，减泵延时的时间到后MCU就会减掉最先启动的一台工频泵，至此完成一个减泵过程，如果出口压力仍然大于减泵压力且运行频率低于减泵频率，控制器就会减掉另一台工频泵，直到剩下最后一台变频泵运行；如果没有工频泵运行即单台泵变频运行时，MCU模 块判断运行频率是否小于休眠频率，如果运行频率小于休眠频率，MCU模块开始计时，在到达休眠延时的时间前，MCU返回等待，休眠延时的时间到后，控制器将运行的变频泵停止，进入休眠状态。系统进入休眠状态后，如果出口压力大于唤醒压力，MCU就在休眠状态等待，一旦出口压力低于唤醒压力后，控制器自动启动另一台水泵变频运行，至此完成一个休眠过程；如果单台水泵变频运行时，运行频率大于休眠频率，MCU模块开始计时，在换泵时间到达前，MCU返回等待，一旦换泵时间到后，正在变频运行的泵停止工作，同时另一台水泵投入变频运行，至此完成一个倒泵过程。

智能控制器一经运行，不断重复以上过程，经过长时间的运行，系统运行压力恒定平稳；由于采用了变频器，运行能耗低；无需人工干预，降低了运营成本。

Claims (10)

1.一种用于变频恒压供水水泵的智能控制器，其特征是，它包括MCU模块(1)、A/D转换器(2)、D/A转换器(3)、实时时钟模块(4)、运行监视模块(5)、故障报警模块(6)、电源模块(7)、参数设置模块(8)、数据存储模块(9)、继电器输出模块(10)、PI调节器(11)，所述A/D转换器(2)采集供水出口的压力，根据采集到的压力值与参数设置模块(8)中的设定值进行比较，并通过PI调节器(11)运算，运算结果通过D/A转换器(3)输出0～10V的电压信号控制水泵的转速，控制器根据水泵的转速和采集的出口压力以及实时时钟模块(4)通过继电器输出模块(10)决定各水泵的运行状态，以达到恒压供水的目的，当市政管网出现低液位、欠压、超压、变频器故障时，控制器则通过故障报警模块(6)由继电器输出模块(10)输出报警信号，参数设置模块(8)设置系统运行所必需的一系列参数，并将设置好的参数通过数据存储模块(9)保存到MCU模块自带的非易失性存储器EEPROM)中。

2.如权利要求1所述的用于变频恒压供水水泵的智能控制器，其特征是，所述MCU模块采用具有内部A/D转换器(2)的STC12C5A32S2芯片作为控制器的核心；

所述D/A转换器(3)为具有低功耗和高精度的TLC5615，TLC5615是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍，带有上电复位功能，其中的LM236/LM336集成电路是精密的2.5V并联稳压器，其微调端可以使基准电压和温度系数得到微调，并通过运算放大器LM358将信号放大2倍，使其输出0～10V的电压信号，以满足MCU模块对变频器运行频率的控制；

所述实时时钟模块(4)由PCF8563及外围电路构成，所述PCF8563用于提供实时时钟，为系统的加泵、减泵、休眠、欠压报警以及定时换泵提供时间基 准；所述PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟日历芯片,它提供一个可编程时钟输出、一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递；

所述运行监视模块(5)，MCU模块(1)通过并行接口将系统运行信息显示到液晶屏上，使系统运行状态一目了然,这些信息包括：变频运行的泵的代码、工频运行泵的代码、变频器的工作频率、运行压力值、故障报警信息和系统时钟；

所述故障报警模块(6)，当市政管网出现低液位、系统欠压、系统超压、变频器故障，控制器自动显示故障信息，并通过继电器输出模块(10)将故障以常开触点形式输出，系统故障一旦排除，控制器自动恢复到正常运行状态，无需人工干预；

所述电源模块(7)，采用独立线性电源，分别输出两路电源，一路用于MCU模块及相关器件，另一路用于外部开关量的输入，使得内部控制系统和外部信号电气隔离，以防止外来干扰对系统的影响；

所述参数设置模块(8)，参数设置包括运行压力、压力传感器量程、加减泵时间、加减泵频率、换泵时间、减泵频率、休眠频率、休眠延时、各泵属性、PI参数值以及各泵运行的一系列参数；

所述数据存储模块(9)，数据存储模块利用了MCU模块(1)内部自带的非易失性存储器，将参数设置模块(8)所设置的一系列参数永久性保存起来，下次控制器冷启动后自动调出，而不用用户另行设置，最终实现无人值守，无需人工干预；

所述继电器输出模块(10)，通过两片8D触发器74HC574扩展并行接口，然后通过两片达林顿阵列ULN2003直接驱动继电器，最终将1-6#泵的变频和 工频运行以无源常开点的形式输出，当出现故障报警模块(6)所述故障后，同样以无源常开形式输出故障报警信息；

所述PI调节器(11)，用于调节水泵转速动态误差的参数和调节控制单元静态误差的参数。

3.如权利要求1所述的用于变频恒压供水水泵的智能控制器，其特征是，

所述PI调节器(11)，P参数为比例系数，是调节水泵转速动态误差的参数，此数值越大，调节速度越快；I参数为积分系数，是调节控制单元静态误差的参数，此数值越大，静态误差越大，响应速度越快。反之，此数值越小，静态误差越小，响应速度也越慢，调节参数用以下公式：

u(t)＝Kp*e(t)+Ki∑e(t)+u0

u(t)——输出

Kp——比例放大系数

Ki——积分放大系数

e(t)——误差

u0——控制量基准值(基础偏差)。

4.如权利要求1所述的用于变频恒压供水水泵的智能控制器，其特征是，所述MCU模块的STC12C5A32S2单片机，其内部自带8路10位高速A/D转换器和EEPROM，所述单片机STC12C5A32S2还扩展了P4口和串口2，用于加强控制与通讯能力，其时钟采用内部时钟方式，晶振GZ1在1.2M～20M之间，电容C1、C2在15P～200P之间。

5.如权利要求4所述的用于变频恒压供水水泵的智能控制器，其特征是，所述单片机STC12C5A32S2的内部时钟方式中，晶振GZ1为11.0592M，以便于降低通讯误差，电容C1、C2为15P,所述单片机STC12C5A32S2还配置一片MAX232 芯片，以支持ISP在线下载。

6.如权利要求1所述的用于变频恒压供水水泵的智能控制器，其特征是，所述故障报警模块(6)中，故障报警模块(6)采用两片总线收发器74HC245，一片用来读取外部报警信号，一片用来读取按键操作，所述总线收发器第1脚DIR是方向控制端，高电平时数据从A端流向B端，低电平时数据从B端流向A端，因而此处直接接GND，第2-9脚“A”信号输入输出端，A1＝B1，以此类推到A8＝B8，A1与B1是一组，如果DIR＝“1”G＝“0”则A1输入B1输出，其它类同；如果DIR＝“0”G＝“0”则B1输入A1输出，其它类同；第10脚GND，电源地，第11-18脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，第19脚G，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。第20脚VCC，电源正极。

7.如权利要求1所述的用于变频恒压供水水泵的智能控制器，其特征是，所述实时时钟模块由时钟/日历芯片PCF8563及外围电路组成，所述时钟/日历芯片PCF8563提供一个可编程的时钟输出(OUTCLOCK)，一个中断输出和一个掉电检测器，所有的地址和数据都通过I2C总线接口串行传递，其中电容C19和晶振GZ2组成振荡电路，所述C19为15P，所述GZ2为32.768K。

8.如权利要求1所述的用于变频恒压供水水泵的智能控制器，其特征是，所述A/D转换器利用MCU模块的STC12C5A32S2芯片自带的8路10位电压输入型A/D，其用于检测压力反馈的电压信号，压力反馈信号为0～5V输入，在外部信号超过5.1V时稳压管导通，以防止过高电压损毁MCU模块；压力反馈值和设定值组成闭环系统进行PI调节，运算出的目标值经过换算后由MCU模块通过串口总线发给D/A转换器TLC5615，从而调整变频器的电压输出，用于达到恒定压力。

所述D/A转换器由TLC5615和电压基准LM336组成，所述TLC5615为两倍基准电压输出，电压基准选用LM336-2.5，为D/A提供一个2.5V的基准电压；所述TLC5615的输出经过运算放大器LM358放大2倍后，使输出电压范围放大到0～10V，以适应变频器的0～10V电压输入范围，然后再经一级电压跟随器连接到变频器。

9.如权利要求1所述的用于变频恒压供水水泵的智能控制器，其特征是，所述参数设置模块(8)存储了两种供水模式，第一种模式是控制1-6台水泵，每台水泵都可通过参数设置成使用或屏蔽，屏蔽的泵将不会参与运行；第二种模式是控制1-5台水泵+1台辅泵的运行模式，6#泵将作为辅泵运行，1-5#泵作为主泵可以设置为屏蔽和使用。

10.使用权利要求1所述用于变频恒压供水的水泵控制器的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

①操作员由运行监视模块(5)进入参数设置模块(8)，根据实际情况设置运行压力、压力传感器量程、加减泵时间、加减泵频率、换泵时间、减泵频率、休眠频率、休眠延时、各泵属性、PI参数值以及各泵运行的一系列参数，设置完成后退出并自动将这些参数保存到数据存储模块(9)所述非易失性存储器EEPROM中，而后控制器进入自动运行状态。

②其压力控制过程为：首先上电后控制器启动1#泵变频运行，把A/D转换器(2)采集到的压力值同参数设置模块(8)设置的目标压力值进行比较，通过PI调节器(11)输出0～10V(0～50Hz)的频率信号给变频器，如果变频器运行50Hz后，出口压力仍达不到设定压力，在经过加泵延时的时间后，将1#泵变频停止，经过变工延时后，再将1#泵工频启动，经过工变延时后，将下一 台泵的变频启动。如此加泵直到出口压力达到设定压力值；如若使用的泵全部投入运行，仍达不到设定压力值，经过报警延时后，系统就会显示欠压报警。相反，如果出口压力大于减泵压力并且运行频率低于减泵频率，经过减泵延时后就会减掉最先启动的一台工频泵，如果出口压力仍然大于减泵压力且运行频率低于减泵频率，控制器就会减掉另一台工频泵，直到剩下最后一台变频泵运行，如果此时出口压力仍大于减泵压力且运行频率低于休眠频率，经过休眠延时的时间后，控制器进入休眠状态。如果出口压力大于减泵压力且运行频率大于休眠频率，经过换泵时间后，变频运行的泵停止工作，同时另一台泵投入变频运行。系统进入休眠状态后，如果出口压力低于休眠压力后，控制器自动启动另一台泵变频运行；

③所述参数设置模块(8)存储了两种供水模式，两种供水模式通过第6台水泵的属性选择，第6台水泵属性设置为使用，则控制器运行第一种模式，控制1-6台水泵全部作为主泵运行，每台水泵都可通过参数设置成使用或屏蔽，屏蔽的泵将不会参与运行；第6台泵设置为辅泵则运行第二种模式，控制1-5台水泵主泵+1台辅泵的运行模式，6#泵将作为辅泵运行，1-5#泵作为主泵可以设置为屏蔽和使用。