CN1085621A - 微机控制变结构自适应供水系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种微机控制变结构自适应供水系统， 由单片计算机、信号检测、可控硅调压、交流电机、水 泵等组成。主要特征是采用变结构自适应控制，电机 用调压调速不用变频调整，控制方案由软件实现，由 计算机根据用户要求及供水网络的运行状态，自动选 择投入运行的电机和水泵的台数及转速，保证系统工 作在最低能耗状态，供水质量高，节能效果好。可用 于水厂、泵站、生产及生活、建筑、采暖、消防等供水及 污水处理、压气、通风等场合。

Description

本发明涉及一种微机控制的变结构自适应供水系统。

本发明可用于各类水厂、加压泵站、工农业生产及生活供水、公共建筑供水、采暖供水、冷却供水、循环供水等无塔供水系统。它能根据供水网络中水压和流量的变化，自动调节投入运行电机和水泵的台数及转速，使供水网络中各主要部件（如电机、水泵等）始终工作在最佳运行曲线附近。这样不仅提高了供水质量，而且高效节能。

现在市场上流行的由电机-水泵构成的无塔供水系统的结构如图1所示（以三台水泵为例），其缺点是拖动水泵的电机只有“投入运行”和“断开”两种状态，不可调速。这样无论用户需要多大压力，供水网络的压力只能在有限的几个恒定值上调节，不仅供水质量差，而且能耗大。

调节电机转速可以改变供水压力，目前广泛采用变频调速。这样构成的系统如图2所示（以三台电机为例）。变频调速是交流电机调速的常用方法之一，具有调速范围大、调速性能好等一系列优点。但其致命弱点是系统结构复杂，需要使用大量的功率晶体管器件，且价格昂贵，维修复杂。目前国内使用的变频调速器大都依赖进口。

调压调速也是交流电机调速的方法之一，但是由于电压降低时电机的输出力矩也随之降低，因此拖动水泵的电机一般不采用调压调速。

目前市场上流行的恒压或恒压变量供水系统的另一大缺点是供水压力或流量是人为给定的，不能根据供水网络的运行情况自动寻优，即不具备自适应功能。这样的供水系统尽管也能够保证较好的供水质量，具有较好的节能效果，但仍然有较大的能量浪费，且供水质量也不是最佳的。

本发明的目的：为解决上述问题，本发明选用TFS系列新型交流调速电机，采用变结构自适应控制，使得电机具有良好的调压调速功能，满足水泵调速的要求。采用变结构自适应控制，可以根据用户的要求和供水网络的实际运行状态，自动地改变供水压力和流量，使系统成为最低能耗系统，即在保证供水压力和流量的前提下使电机和水泵的能耗最低。这样不仅保证了供水质量，最大限度地降低了系统能耗，而且由于整个系统控制功能的实现是由计算机软件来实现的，且省掉了价格昂贵的变频调速器，因此可简化系统结构、减少设备投资，使用维护更加方便。

本发明的优点：与常规的无塔供水以及新近出现的各种全自动恒压（变压）供水系统相比，本发明具有以下突出优点：

1.用计算机作为控制器，采用变结构自适应控制算法，能够根据用户要求和供水网络的实际运行状态，自动选择电机和水泵的运转台数和转速，进而自动改变供水压力和流量，使系统成为最低能耗系统，始终工作在最佳运行曲线附近。

2.采用交流电机调压调速而不使用变频调速，系统结构简单、成本低、使用维护方便。

3.控制方案由计算机软件实现，既简化了硬件电路，又便于更改，可以满足用户的特殊要求，提高系统的运行可靠性和适用范围。

4.可控硅调压系统采用纯数字式控制，触发脉冲由计算机应用系统产生，可省掉常规的触发脉冲形成与移相环节，进一步简化系统结构。

本发明的技术实施方案：

本发明的系统结构框图如图3所示（以三台电机为例）。主要包括计算机应用系统14，输入检测部分17、19、20、21，输出控制部分16、C1、C2、C3，输入给定及状态显示部分12、13，可控硅调压系统15、18，电机22、2、3，水泵4、5、6等几大部分。

该系统工作时，首先根据用户对供水系统的要求，通过控制输入电路13输入有关供水参数（如供水压力、流量、高峰用水时间等）即给定参数，并通过PB接口送入计算机应用系统14。压力和流量检测电路19、20及水池中的水位检测电路21用于检测供水网络的工作状态即反馈参数，这些反馈参数通过信号变换器17，由PE接口送入计算机应用系统14。当市网供水压力或流量、用户瞬时用水量等参数变化时，计算机应用系统14根据给定参数和反馈参数，按照其内部事先固化的本系统给定的控制程序进行变结构自适应控制，选择出应当投入运行的电机台数及电机22的最佳转速值。然后通过电机通断控制电路16控制电机22、2、3的开动（接通）与停止运转（断开）;由计算机应用系统14的PC.0、PC.1、PC.2、PC.3、PC.4、PC.5接口通过脉冲放大器15输出不同的触发脉冲到可控硅调压电路18中的6只可控硅的门级，控制可控硅调压电路18的输出电压，即控制加在TFS型电机22上的电压，进而控制电机22的转速，调节供水压力和流量，使得在保证用户压力和流量的前题下电机和水泵的输出功率和能量消耗最小，即保证供水系统工作在最低能耗状态。这就是最佳运行状态。这样不仅提高了供水质量，而且最大限度地减少了系统损耗，节能效果明显。

状态显示器12用于显示供水系统的工作状态，如瞬时压力、流量、投入运行的电机台数等。并可在系统出故障时显示出故障类别和故障点。

本发明利用计算机应用系统14内部的定时器制成了一台软件时钟，可按时间控制原则控制系统的工作状态。例如可设置6：00～17：00点为正常供水时间，在此时间内系统工作在最低能耗状态;设置17：00～20：00点为高峰供水时间，此时系统工作在最大流量输出状态。设置20：00点～次日6：00点为低潮供水时间，此时系统工作在维持流量输出状态。

附图说明：

图1：由电机-水泵构成的常规无塔供水系统框图。

图2：具有变频调速功能的恒压（变压）供水系统框图。

图3：微机控制变结构自适应供水系统框图。

图4：微机控制变结构自适应供水系统电气原理图。

图中符号表示：

a、b、c、N-三相交流电源，1、2、3-电机，4、5、6-水泵，7-供水管，8-用户，9-进水管，10-储水池，11-变频调速器，12-状态显示器，13-控制输入电路，14-计算机应用系统，15-脉冲放大器，16-电机通断控制电路，17-信号变换器，18-可控硅调压电路，19、20-压力和流量检测电路，21-水位检测电路，22-TFS系列电机，23-驱动器，24-放大器。

J1、J2、J3-中间继电器，J1-1-J1的节点，J2-1-J2的节点，J3-1-J3的节点，C1、C2、C3-交流接触器，C1-1、C1-2、C1-3-C1的节点，C2-1、C2-2、C2-3-C2的节点，C3-1、C3-2、C3-3-C3的节点。

PA、PB、PC.0、PC.1、PC.2、PC.3、PC.4、PC.5、PD、PE-计算机应用系统的输入/输出接口，ADC-模/数转换器，MUX-多路转换开关，LED-显示器。

图4是本发明的一种实施例。

在图4所示电路中，三相交流电源经两个交流接触器C2、C3的节点C2-1、C2-2、C2-3和C3-1、C3-2、C3-3分别接到二台电机2和3上。三相交流电源经交流接触器C1的节点C1-1、C1-2、C1-3和6只可控硅组成的调压电路18与电机22相连。电机22、2、3分别接水泵4、5、6。各水泵的进水管接储水池10，出水管接供水管7。而后由供水管7分别接到各用户8。

计算机应用系统14由MCS-51或MCS-96单片机和EPROM存储器为核心构成，EPROM中存放系统应用程序。PC接口的6根口线PC.0、PC.1、PC.2、PC.3、PC.4、PC.5经脉冲放大器15接可控硅调压电路18中的6只可控硅的门极。这样改变PC.0～PC.5接口的输出波形即可改变可控硅调压电路18的输出电压，进而控制电机22的转速。PA接口作为输出接口使用，与由驱动器23和LED（或LCD）显示器组成的状态显示器12相接。只要在PA接口输出相应的数值，就可以在LED（或LCD）上获得需要显示的内容。PB接口作为输入口使用，与由拨盘开关（或键盘）组成的控制输入电路13相接。用户对供水系统的各种要求可以通过控制电路13经PB口送入计算机应用系统14。PD接口作为输出接口使用，它经放大器24和中间继电器J1、J2、J3连接;J1、J2、J3的节点J1-1、J2-1、J3-1和交流接触器C1、C2、C3连接;C1的节点C1-1、C1-2、C1-3，C2的节点C2-1、C2-2、C2-3，C3的节点C3-1、C3-2、C3-3分别与三相交流电源和三台电机22、2、3相连接;这样便构成了电机通断控制电路16。

为了更有效地检测供水状态，本发明在水泵出口7处和用户8处都安装有压力和流量检测电路19、20，在储水池10中安装水位检测电路21。19、20、21的检测信号经由多路开关MUX和模/数转换器ADC组成的信号变换器17送入计算机应用系统14的PE口。

本发明中的电机22、2、3和水泵4、5、6，可以是N台电机带动N台水泵的供水系统，其中只有一台电机22采用TFS型电机进行调压调速，其余N-1台电机2、3等均不需要调速。

本发明在电路结构不变的情况下，将计算机应用系统14中固化的程序内容改为消防供水或污水处理程序，即构成消防供水或污水处理系统。

本发明在电路结构不变的情况下，将计算机应用系统14中的固化程序内容改为压气或通风控制程序;将水泵4、5、6改为空气压缩机或风机;将检测电路19、20改为风压和风速检测电路;将进水管9、储水池10、水位检测电路21去掉，即构成微机控制变结构自适应压气或通风系统。

Claims (6)

1、一种微机控制变结构自适应供水系统，是由电机22、2、3；水泵4、5、6；状态显示器12；控制输入电路13；计算机应用系统14；脉冲放大器15；电机通断控制电路16等部分组成。其特征在于：在控制输入电路13中输入给定参数，并通过PB接口送入计算机应用系统14；由压力和流量检测电路19、20及水位检测电路21测定的反馈参数通过信号变换器17由PE接口送入计算机应用系统14；而后由计算机应用系统14根据给定参数和反馈参数按其内部事先固化的本系统给定的应用程序，进行变结构自适应控制；通过计算机应用系统14的PD接口和电机通断控制电路16控制电机22、2、3的开动或停止运转；由计算机应用系统14的PC.0、PC.1、PC.2、PC.3、PC.4、PC.5接口经脉冲放大器15与可控硅调压电路18中的6只可控硅的门级相接；改变PC.0、PC.1、PC.2、PC.3、PC.4、PC.5接口的输出波形，即可改变可控硅调压电路18的输出电压，进而控制加在TFS型电机22上的电压，实现对TFS型电机22的随机调压调速，达到控制供水压力和流量的目的。

2、依照权利要求1所述的系统，其特征在于所说的可控硅调压电路18，是以6只可控硅每两只为一组分别按照反并联方式而组成，其电压输入端通过C1-1、C1-2、C1-3与三相交流电源相接;其电压输出端与TFS型电机22相接;其电压控制端通过脉冲放大器15与计算机应用系统14相接。

3、依照权利要求1所述的系统，其特征在于所说的信号变换器17，是由模/数转换器ADC及多路开关MUX以电气连接而组成，其输入端与压力和流量检测电路19、20以及水位检测电路21连接，其输出端与计算机应用系统14相连。

4、依照权利要求1所述的系统，其特征在于所说的电机22、2、3和水泵4、5、6，可以是N台电机带动N台水泵的供水系统，其中只有一台电机22采用TFS型电机进行调压调速，其余N-1台电机2、3等均不需要调速。

5、依照权利要求1所述的系统，其特征在于所说的计算机应用系统14中的固化程序，改为消防或污水处理程序，即构成消防供水或污水处理系统。

6、依照权利要求1所述的系统，其特征在于所说的计算机应用系统14中的固化程序，改为压气或通风控制程序，将水泵4、5、6改为空气压缩机或风机;将检测电路19、20改为风压和风速检测电路;将进水管9、储水池10、水位检测电路21去掉，即构成微机控制变结构自适应压气或通风系统。

Images