CN107575401B - 一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统及控制方法，属于潜水泵智能控制技术领域，控制系统包括通过串口通讯线缆连接的岸基上位机系统和井下潜水泵系统，井下潜水泵系统由叶轮组件、电机、印刷电路板组成，印刷电路板集成有IGBT整流逆变模块、电机驱动模块、传感器输入模块以及串口通讯模块，井下潜水泵系统实时将内部的振动、温湿度和漏水点检测传感器数据发送给上位机控制器，并接收上位机控制器指令；系统集成度高，安装方便，自动控制，大大减少了人员的劳动强度，提高了工作效率。基于串口通讯的潜水泵智能集成控制方法基于多传感器融合技术、电机转速和电流的PID控制技术，满足了潜水泵的自主变频调速以及故障检测要求。

Description

一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及潜水泵智能控制技术领域，特别涉及一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统及控制方法。

背景技术

潜水泵作为一种由潜水电动机与水泵组合而成，井用潜水泵主要用于从井中提取地下水，用于农田灌溉或人畜用水，也可在建筑、环保、城市、矿山排水中广泛应用。虽然潜水泵有着适用性广泛、结构紧凑、使用方便的优点，但是传统的潜水泵也存在着漏电、断相、大电流过载等工作隐患，尤其当水位过低潜水泵空转或卷入异物堵转时极大降低电机的使用寿命。同时由于潜水泵工作在深井或地下时，日常检修维护十分耗费人力物力，没有一种可靠的通讯手段实现潜水泵的在线故障诊断与启停保护。

通常传统的潜水泵控制与保护系统分为两种，一种如中国专利(CN103470486A)公开了一种潜水泵控制装置，该装置将智能型潜水泵控制箱安置在岸上，通过岸上的控制箱配合检测液位信号的水位控制器，对潜水泵进行自动控制；第二种如中国专利(CN102497060A)公开了一种潜水泵的变频装置，该装置主要将控制系统中的变频装置减小体积后放入潜水泵中，通过泵体自身搭载的控制系统实现电机的变频调速、过流、空转保护。上述方法中第一种控制器外置在岸上，控制器易受到外界电磁干扰或受潮损坏，并且控制器与泵体的线束外置过多，存在一定的安全隐患。第二种方法介绍了内置变频控制器的安装结构，缺少检测传感器的集成控制方法以及与岸上控制柜的通讯手段，潜水泵的运行安全完全依赖于内置控制器，不利于水泵的长期管理和潜水泵内各传感器的数据分析。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统及控制方法，本发明的技术方案是：

一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统，包括通过串口通讯线缆连接的岸基上位机系统和井下潜水泵系统，所述岸基上位机系统和井下潜水泵系统采用基于RS485标准的串行通讯协议；所述岸基上位机系统包括上位机控制器、工业手柄和键盘、显示器以及无线通讯天线，所述上位机控制器与工业手柄和键盘、显示器均通过信号线连接，所述工业手柄和键盘、显示器分别作为上位机控制器的信号输入、输出设备，所述上位机控制器通过无线通讯天线将潜水泵的工作状态发送到远程云端或手机APP；所述井下潜水泵系统包括依次安装在潜水泵顶部、中部和尾部的叶轮组件、电机和印刷电路板，所述叶轮组件固定连接在电机的转子上端，所述电机与印刷电路板通过信号线连接；所述印刷电路板以潜水泵微控制器为核心，且印刷电路板上集成IGBT整流逆变模块、电机驱动模块、传感器信号输入模块以及串口通讯模块，所述传感器信号输入模块包括GPIO数字量输入输出端口、ADC模拟量输入端口，所述GPIO数字量输入输出端口与漏水点检测传感器相连，所述ADC模拟量输入端口与振动传感器、温湿度传感器相连，所述漏水点检测传感器布置在潜水泵进水口处，所述转子上安装有轴承，所述温湿度传感器布置在轴承端面上，所述振动传感器布置在转子与叶轮之间的机械密封附近。

优选的，所述叶轮组件为多组叶轮，所述电机为直流无刷电机，所述温湿度传感器采用热敏电阻式。

一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，井下潜水泵系统上电后，初始化，包括系统控制初始化、GPIO初始化、中断初始化、禁止看门狗、读取电机零位置和中断使能；

步骤(2)，进行周期任务及故障检测，包括：5ms、10ms、20ms、50ms、100ms、500ms六个周期的控制子程序，故障检测后，通过故障判断，若系统出现故障，如漏水点检测传感器、温湿度传感器、振动传感器数据异常，系统停止运行，并将故障通过RS485串口通讯报告给上位机控制器，执行步骤(4)；若无故障，则进入判断是否产生中断，若不满足中断条件，则返回执行周期子程序，若满足中断条件，则执行步骤(3)；

步骤(3)，执行50us周期的子程序：首先判断当设定的目标值确认完毕，系统将启动电机，逐步提高电机的转速，通过PID速度控制器、PID电流控制器，计算出电机的目标电流，并根据三相实际电流进行PWM脉宽调制控制，输出各相驱动信号；最终电机的转速和电流稳定在目标转速和电流；

步骤(4)，上位机控制器的控制包括上位机控制器通讯子程序初始化、读取电机的转速、电流值、温湿度、振动数据以及潜水泵的漏水检测数据，并根据读取的数据，在井下潜水泵系统发生故障时下达干预指令，干预指令下达至潜水泵微控制器后，完成电机的降速或停机，以保护潜水泵的整机安全。

进一步，所述5ms周期的控制子程序包括电源欠压检测和电机转速检测，10ms周期的子程序包括RS485通讯功能检测，20ms周期的子程序包括温湿度检测、振动检测，50ms周期的子程序包括潜水泵内部漏水点检测，100ms周期的子程序包括100ms通讯报文发送，500ms周期的子程序包括500ms通讯报文发送。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能准确控制潜水泵的电机转速和电流值，并当潜水泵在井下的工作状态发生变化时，通过温湿度传感器、振动传感器和漏水点检测传感器实时检测，提前预防或大大减轻潜水泵故障所引起的对泵体或电机的工作损伤；同时该潜水泵智能集成控制系统具备与岸基上位机系统进行基于RS485通讯协议的实时串口通讯功能，依靠岸基上位机系统中的键盘、工业手柄和显示屏提供了人机交互功能，大大减轻了潜水泵巡检人员的工作强度，提高了系统整体运行效率，保证了大批量潜水泵能在极少工作人员的维护下可靠工作，具有安装方便、通用性强、稳定可靠的特点。

附图说明

图1为本发明的潜水泵智能集成控制系统总体结构图；

图2为本发明控制系统硬件结构图；

图3为本发明潜水泵微控制器最小系统图；

图4为本发明电机驱动模块电路图；

图5为本发明IGBT整流逆变模块电路图，图5(a)为IGBT整流逆变模块中A相电机绕组电路图，图5(b)为IGBT整流逆变模块中B相电机绕组电路图，图5(c)为IGBT整流逆变模块中C相电机绕组电路图；

图6为本发明潜水泵的剖视图；

图7为本发明控制方法流程图；

图8为本发明控制方法中初始化子程序流程图；

图9为本发明控制方法中不同周期子程序执行流程图；

图10为本发明控制方法中50us周期子程序执行流程图；

图11为本发明控制方法中上位机控制器子程序流程图。

图中，1.叶轮组件；2.电机；2-1.转子；2-2.定子；3.印刷电路板；4.串口通讯线缆；5.键盘和工业手柄；6.无线通讯天线；7.显示器；8.上位机控制器；9.潜水泵出水口；10.振动传感器；11.温度传感器；12.动力组件密封腔；13.漏水点检测传感器；14.潜水泵进水口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，带有串口通讯功能的潜水泵智能集成控制系统由若干个井下潜水泵系统和岸基上位机系统组成，井下潜水泵系统与岸基上位机系统直接通过串口通讯线缆4连接，岸基上位机系统和井下潜水泵系统采用基于RS485标准的串行通讯协议；潜水泵系统包括依次安装在潜水泵顶部、中部和尾部的叶轮组件1(多组叶轮)、直流无刷电机2和潜水泵微控制器为核心的印刷电路板3，叶轮组件1固定连接在电机2的转子(2-1)上端，电机2与印刷电路板3通过信号线连接；印刷电路板3集成有IGBT整流逆变模块、电机驱动模块、传感器信号输入模块以及基于RS485的串口通讯模块，传感器信号输入模块包括GPIO数字量输入输出端口、ADC模拟量输入端口。岸基上位机系统为上位机控制器8、键盘和工业手柄5、显示屏7以及无线通讯天线6集成于一体化的控制柜，上位机控制器8与工业手柄和键盘5、显示器7均通过信号线连接，工业手柄和键盘5、显示器7分别作为上位机控制器8的信号输入、输出设备，上位机控制器8通过无线通讯天线6将潜水泵的工作状态发送到远程云端或手机APP；岸基上位机系统具备人机交互功能：操作人员通过键盘和工业手柄5向潜水泵发生指令，通过显示屏7显示潜水泵的工作状态；岸基上位机系统具备无线通讯功能，通过无线通讯天线6将潜水泵的工作状态发送到远程云端或手机APP中，以便实时掌握潜水泵的工作状态。

如图2所示，潜水泵微控制器具备高级定时器TIM1、通用定时器TIM2、GPIO数字量输入输出模块、ADC模拟量输入模块、RS485串口输出模块及PWR电源模块各种通用接口，潜水泵微控制器通过串口输出模块与上位机控制器的PORT1(通讯端口1)进行RS485串口通讯；高级定时器TIM1通过通讯线与IGBT驱动模块相连，且由通讯线输出PWM脉冲控制信号至IGBT电机驱动模块，IGBT电机驱动模块输出PWM脉冲驱动信号(频率和电压可调的三相控制电压)，实现直流无刷电机2的变频调速；通用定时器TIM2与直流无刷电机2中的霍尔传感器相连，采集霍尔信号，实现直流无刷电机2的电子换相动作；GPIO数字量输入输出端口与漏水点检测传感器13输出端相连；ADC模拟量输入端口与振动传感器10、温湿度传感器11和直流无刷电机2母线的电流检测传感器输出端相连；380V交流电直接输入整流逆变模块输入端，经过整流、逆变后转换为直流无刷电机2的供电电源，380V交流电还通过PWR电源模块给潜水泵微控制器供电。上位机控制器8具备无线通讯模块、模拟量输入端口、PORT0(通讯端口0)和PORT1(通讯端口1)，无线通讯模块输出端与无线通讯天线6相连，模拟量输入端口与键盘和工业手柄5输出端相连，PORT0和PORT1通讯端口分别与显示器7、潜水泵微控制器的串口输出模块相连，实现人机交互和潜水泵水下工作状态的多屏显示及状态监视。

如图3所示，潜水泵微控制器最小系统电路图中ARM公司的STM32F103T8U6微控制器芯片由PA0、PA1、PA2高级定时器接口输出PWM_AL、PWM_BL、PWM_CL脉冲控制信号；PB7、PB6、PB5、PB4接口输入Sense1(漏水点检测传感器13)、Sense2(振动传感器10)、Sense3(温度传感器11)、Sense4(电流检测传感器)；PA10、PA9分别向上位机控制器8读取和写入基于RS485的串口通讯数据；PA16通用定时器接口接入SWD_CLK(霍尔传感器)。图4为电机驱动模块IR2136S，电机驱动模块正常工作时，三路PWM脉冲控制信号从模块左侧接入，经过模块内部译码电路运算后，形成三路脉冲驱动信号，分别为PWM_AH、PWM_BH、PWM_CH；此外,电机驱动模块将FAULT信号接入STM32F103T8U6控制器的PA11引脚，当电机驱动或逆变桥不正常时(如过电压、过电流)，该中断有效，从而对系统和电机进行保护。

如图5所示，IGBT整流逆变电路由IGBT功率开关器件、电容和电阻组成，IGBT整流逆变模块中以电机绕组A相为例，如图5(a)所示，IGBT大功率开关器件Q1型号为G60N100、耐压值为1000V、集电极额定电流60A；模块还包括预充电电阻R9和薄膜电容C8，电阻R9为均压电阻，C8接在电机A相两端，起滤波作用，用于抑制开关损耗和关断过电压，电机绕组B、C两相与A相的型号相同，如图5(b)、(c)所示。

潜水泵系统的结构如图6所示，直流无刷电机2和印刷电路板3都安装在一个动力组件密封腔12，方便走线，用电更加安全，并能隔离电磁干扰，动力组件密封腔12内填充满导热树脂，使得直流无刷电机2与印刷电路板3产生的热量通过散热树脂传导至动力组件密封腔12上，当水流经过动力组件密封腔12的筒壁时，带走大部分热量，达到良好的散热效果，使得印刷电路板3在狭小空间内仍能正常驱动大功率电机的正常运转。

传感器的布置位置如图6所示，首先在直流无刷电机转子2-1的尾部和下端分别安装有轴承，轴承端面上布置温湿度传感器11，当轴承因自身质量问题或由于超载引起轴向力过大，造成轴承发热失效时，选用的热敏电阻式温湿度传感器将输出相应的线性电压给潜水泵微控制器的ADC模拟量输入模块；振动传感器10布置在电机转子2-1与叶轮之间的机械密封附近，采集叶轮组件1在x和y方向上的振动频率，当振动传感器10采集的振动频率远低于振动传感器10的固有频率时，振动传感器10输出的电荷与x和y方向上的振动作用力成正比，振动传感器10输出的模拟电压通过通讯线传送至潜水泵微控制器的ADC模拟量输入摸块；两个漏水点检测传感器13布置在潜水泵进水口14附近，当动力组件密封腔12下部有水渗入时，漏水点检测传感器13探头之间的电阻会迅速降低，漏水点检测传感器13将输出开关信号至潜水泵微控制器，警告漏水，当两个漏水点检测传感器13均输出开关信号时，判断渗水严重，立即停机断电。

带有串口通讯功能的潜水泵智能集成控制系统的工作过程为：首先井下潜水泵系统上电后，印刷电路板3和上位机控制器8完成系统初始化，潜水泵微控制器通过RS485串口通讯线缆接收上位机控制器8发送的控制指令，潜水泵系统根据控制指令启动电机2，逐步提高电机2转速；潜水泵系统通过PID速度控制器、PID电流控制器实现潜水泵电机2的转速及电流控制。同时，潜水泵系统执行周期任务及故障检测，读取电机2的转速、电流值、温湿度传感器11数据、振动传感器10数据以及漏水点检测传感器13数据，经过RS485串口通讯线缆将读取的数据发送回上位机控制器8。当井下潜水泵系统发生故障时，上位机控制器8下达干预指令，完成电机2的降速或停机，最终保护潜水泵的整机安全。

图7为本发明控制方法流程图，该流程图用于运行井下潜水泵系统，以便潜水泵系统依据恒功率调速，并定时进行故障检测，向上位机发报文，实现井下潜水泵系统与岸基上位机的通讯功能。参见图8，当井下潜水泵系统上电后，首先系统将进行各子程序的初始化，包括系统控制初始化、GPIO初始化、中断初始化、禁止看门狗、读取电机零位置和中断使能；系统初始化后，开始进行周期任务及故障检测：包括5ms周期的控制子程序、10ms的周期控制子程序、20ms周期的控制子程序、50ms周期的控制子程序、100ms周期的控制子程序已经500ms周期的控制子程序(参见图9)，故障检测后，通过故障判断，若系统出现故障，如漏水点检测传感器13、温湿度传感器11、振动传感器10数据异常，系统停止运行，并将故障通过RS485串口通讯报告给岸基上位机控制器8，上位机控制器8进行控制；若无故障，则进入判断是否产生中断，若不满足中断条件，则返回执行周期子程序，若满足中断条件，则开始执行50us周期中断子程序。

参见图9，5ms周期的控制子程序包括电源欠压检测和电机转速检测，10ms周期的子程序包括RS485通讯功能检测，20ms周期的子程序包括温湿度检测、振动检测，50ms周期的子程序包括潜水泵内部漏水点检测，100ms周期的子程序包括100ms通讯报文发送，500ms周期的子程序包括500ms通讯报文发送。

参见图10，执行50us周期中断子程序包括：首先判断当前设定的目标值(潜水泵系统各子程序初始化时设定直流无刷电机2电流和转速的初始值)确认完毕，系统将启动直流无刷电机2，逐步提高直流无刷电机2转速，通过PID速度控制器、PID电流控制器，计算出直流无刷电机2的目标电流，并根据三相实际电流进行PWM脉宽调制控制，输出各相驱动信号；最终直流无刷电机2的转速和电流稳定在目标转速和电流值。

参见图11，上微机控制器8的控制包括上微机控制器通讯子程序初始化、读取潜水泵内的电机转速、电流值、温湿度、振动以及漏水检测数据，并根据读取的数据，在井下潜水泵系统发生故障时下达干预指令，干预指令下达至潜水泵微控制器后，完成直流无刷电机2的降速或停机，以保护潜水泵的整机安全。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统，其特征在于，包括通过串口通讯线缆(4)连接的岸基上位机系统和井下潜水泵系统，所述岸基上位机系统包括上位机控制器(8)、工业手柄和键盘(5)、显示器(7)以及无线通讯天线(6)，所述上位机控制器(8)与工业手柄和键盘(5)、显示器(7)均通过信号线连接，所述上位机控制器(8)通过无线通讯天线(6)将潜水泵的工作状态发送到远程云端或手机APP；所述井下潜水泵系统包括依次安装在潜水泵顶部、中部和尾部的叶轮组件(1)、电机(2)和印刷电路板(3)，所述叶轮组件(1)固定连接在电机(2)的转子(2-1)上端，所述电机(2)与印刷电路板(3)通过信号线连接；所述印刷电路板(3)以潜水泵微控制器为核心，且印刷电路板(3)上集成IGBT整流逆变模块、电机驱动模块、传感器信号输入模块以及串口通讯模块，所述传感器信号输入模块包括GPIO数字量输入输出端口、ADC模拟量输入端口，所述GPIO数字量输入输出端口与漏水点检测传感器(13)相连，所述ADC模拟量输入端口与振动传感器(10)、温湿度传感器(11)相连。

2.如权利要求1所述的一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统，其特征在于，所述工业手柄和键盘(5)、显示器(7)分别作为上位机控制器(8)的信号输入、输出设备。

3.如权利要求1所述的一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统，其特征在于，所述岸基上位机系统和井下潜水泵系统采用基于RS485标准的串行通讯协议。

4.如权利要求1所述的一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统，其特征在于，所述电机(2)为直流无刷电机。

5.如权利要求1所述的一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统，其特征在于，所述漏水点检测传感器(13)布置在潜水泵进水口(14)附近。

6.如权利要求1所述的一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统，其特征在于，所述转子(2-1)上安装有轴承，所述温湿度传感器(11)布置在轴承端面上，所述温湿度传感器(11)采用热敏电阻式。

7.如权利要求1所述的一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统，其特征在于，所述叶轮组件(1)为多组叶轮。

8.如权利要求7所述的一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制系统，其特征在于，所述振动传感器(10)布置在转子(2-1)与叶轮之间的机械密封附近。

9.一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，井下潜水泵系统上电后，初始化，包括系统控制初始化、GPIO初始化、中断初始化、禁止看门狗、读取电机零位置和中断使能；

步骤(2)，进行周期任务及故障检测，包括：5ms、10ms、20ms、50ms、100ms、500ms六个周期的控制子程序，故障检测后，通过故障判断，若系统出现故障，如漏水点检测传感器(13)、温湿度传感器(11)、振动传感器(10)数据异常，系统停止运行，并将故障通过RS485串口通讯报告给上位机控制器(8)，执行步骤(4)；若无故障，则进入判断是否产生中断，若不满足中断条件，则返回执行周期子程序，若满足中断条件，则执行步骤(3)；

步骤(3)，执行50us周期的子程序：首先判断当设定的目标值确认完毕，系统将启动电机(2)，逐步提高电机(2)的转速，通过PID速度控制器、PID电流控制器，计算出电机(2)的目标电流，并根据三相实际电流进行PWM脉宽调制控制，输出各相驱动信号；最终电机(2)的转速和电流稳定在目标转速和电流；

步骤(4)，上位机控制器(8)的控制包括上位机控制器通讯子程序初始化、读取电机(2)的转速、电流值、温湿度、振动数据以及潜水泵的漏水检测数据，并根据读取的数据，在井下潜水泵系统发生故障时下达干预指令，干预指令下达至潜水泵微控制器后，完成电机(2)的降速或停机，以保护潜水泵的整机安全。

10.如权利要求9所述的一种基于串口通讯的潜水泵智能集成控制方法，其特征在于，所述5ms周期的控制子程序包括电源欠压检测和电机转速检测，10ms周期的子程序包括RS485通讯功能检测，20ms周期的子程序包括温湿度检测、振动检测，50ms周期的子程序包括潜水泵内部漏水点检测，100ms周期的子程序包括100ms通讯报文发送，500ms周期的子程序包括500ms通讯报文发送。