CN110436569A - 一种智能软水机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种智能软水机及其控制方法，该饮水机包括进水管道、软水管道、盐水管道、排水管道、盐箱和树脂罐，进水管道、软水管道和排水管道均与树脂罐连接，盐水管道连接在盐箱与树脂罐之间；进水管道上沿通向树脂罐的方向依次设置有进水流量传感器、进水水质传感器和进水电磁阀；软水管道上沿通向树脂罐的方向依次设置有软水电磁阀和软水水质传感器；进水管道的进水水质传感器与软水管道的软水水质传感器之间连接旁路电磁阀；盐水管道上设置有盐箱电磁阀、再生盐水水质传感器和再生盐水流量计；排水管道上设置有排水水质传感器。本发明通过智能传感器实现了对水质变化的即时相应，实时根据水质的变化对软化过程、再生过程、反洗及正洗过程做出相应的智能调节。

Description

一种智能软水机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于家用及商用的软水机及其运行的控制方法，是一种基于物联网和人工智能于一体的智能化成套设备。

背景技术

自来水硬度较高会使盛水容器如电水壶，洗碗机，热水器，暖气管道等结垢。此外，由于水中钙镁离子含量较高则降低洗涤剂(如洗洁精，洗发露，沐浴露，洗衣液等)的去污效果，导致洗涤剂的消耗量增加，为了解决这个水质硬度高带来的问题，很多家庭通过安装软水机来对自来水进行软化。

现有的家用及商用软水机是离子交换树脂去除钙镁离子，在控制上通过既定原水(自来水水质)以及水量计算公式来控制软水机工作步骤，包括再生，反洗，清洗等步骤。通常是通过检测自来水的水质硬度，然后在软水机系统里根据水质水量输入产水周期，再生周期，以及反洗时间和冲洗时间等参数。通过这些参数来控制软水机等运行。

CN109319885A公开了一种通过获取家用软水系统中软水机的水质可软化值；获取当地实时的水质硬度值，获取软水机在上次再生周期结束后到当前的用户用水量，计算水质硬度值下的可软化总水量，通过比较所获取的可软化总水量，和用户用水量判断是否执行再生模式，当执行再生模式时，软水机中软化装置开始再生。考虑了水软化装置的额定容量、水质和水消耗量，实现家用软水系统中的智能再生周期。CN108373230A是通过PH和硬度来判断水质是否符合要求，并未详细涉及如何软化，再生，反洗机冲洗的控制逻辑及方法。

现有的在线检测设备如硬度检测等体积较大，价格昂贵，安装和维护不便，导致在家用或者商用软水机上应用有限。主要根据初始水质对系统进行设定，缺乏对水质变化的即时相应，未能实时根据水质的变化对软化过程、再生过程、反洗及正洗等过程做出相应的智能调节，如软化时间、软化水量、再生时间、再生水量、冲洗时间、冲洗水量、反洗时间以及反洗水量等，导致的后果有：产水硬度值超标，再生时间太短导致树脂性能未回复，再生时间太长导致盐和水的浪费，反洗不彻底或者反洗过量导致浪费等问题。

发明内容

基于上述不足，本发明提供一种智能软水机及其控制方法，将软水机与智能水质传感器结合，在各管路布置传感器，通过采集水温、TDS、电导率、浊度等数据进行分析，在实现出水水质持续达标等情况下，让软水机在最佳的工况下运行。

本发明的智能软水机，采用以下技术方案：

该饮水机，包括进水管道、软水管道、盐水管道、排水管道、盐箱和树脂罐，进水管道、软水管道和排水管道均与树脂罐连接，盐水管道连接在盐箱与树脂罐之间；进水管道上沿通向树脂罐的方向依次设置有进水流量传感器、进水水质传感器和进水电磁阀；软水管道上沿通向树脂罐的方向依次设置有软水电磁阀和软水水质传感器；进水管道的进水水质传感器和进水电磁阀之间与软水管道的软水水质传感器和软水电磁阀之间连接旁路电磁阀；盐水管道上设置有盐箱电磁阀、再生盐水水质传感器和再生盐水流量计；排水管道上设置有排水水质传感器。

所述盐箱内设置有盐箱液位传感器。

进水水质传感器用于检测进水的水温、TDS和电导率等指标。软水水质传感器用于检测软水的水温、TDS、电导率和浊度等指标。再生盐水水质传感器用于检测再生盐水的水温、TDS、和电导率等指标。排水水质传感器用于检测水温、TDS、电导率和浊度等指标。

上述智能软水机的控制方法，包括以下步骤：

(1)正常制水

开启进水电磁阀和软水电磁阀，关闭旁路电磁阀；通过进水流量传感器及进水水质传感器采集进水的流量、温度、电导率以及TDS，同时结合水温，预估软水机的制水量；通过软水水质传感器检测所制软水的水温、TDS、电导率和浊度，计算软水TDS与电导率的比值来分析判断软化出水的水质情况；当软水的电导率及TDS/电导率的比值与进水(自来水)接近时，则进行树脂罐内树脂的再生；

所述预估软水机制水量的具体算法是：

①常温(25℃)下的制水量制水量Q(吨)＝树脂交换容量C/2*CaCO₃摩尔质量*树脂体积V*树脂交换效率/自来水硬度A；

其中:

制水量Q:单位吨；

树脂交换容量C:单位mol/L；

CaCO₃摩尔质量:单位100g/mol；

树脂体积V:单位L；

树脂交换效率：一般认为80％；

原水硬度A：单位mg/L，以CaCO₃计；

②当温度为t℃时的制水量Qt＝Qe^1.024(t-25)，Q为常温(25℃)下的制水量。

所述当软水的电导率及TDS/电导率的比值与进水接近时是指软水与进水中相应参数的比值≥0.8。

(2)树脂罐的再生

进水电磁阀、软水电磁阀和盐箱电磁阀开启，制水的同时原水(自来水)注入盐箱，盐箱内液位达到设定高度时关闭进水电磁阀和软水电磁阀，同时开启旁路电磁阀，用户使用由进水管道直通软水管道的硬水；盐箱内的盐水通过盐水管道进入树脂罐内与树脂接触，通过离子交换后的含有钙镁离子的废水通过排水管道排出；同时实时监控再生盐水水质传感器和排水水质传感器采集的数据并做对比，当两个传感器的参数(采集的数据)一致时，停止再生，进入下一步；

(3)对树脂罐反冲洗

旁路电磁阀和软水电磁阀开启，进水电磁阀和盐箱电磁阀关闭；原水通过进水管道经旁路电磁阀和软水电磁阀进入树脂罐，罐内污水由排水管道排出；同时收集和对比进水水质传感器和排水水质传感器的水质数据，当二者的参数一致时，停止反冲洗过程；

(4)对树脂罐正洗

进水电磁阀和旁路电磁阀开启，软水电磁阀关闭，用户使用由进水管道经旁路电磁阀直通软水管道的硬水，原水由进水电磁阀进入树脂罐内冲洗，冲洗后的废水从排水管道排出；同时，收集和对比进水水质传感器和排水水质传感器的水质数据，当二者的TDS参数一致时，但是排水水质传感器采集的数据中TDS与电导率的比值小于进水水质传感器对应的比值时，结束正洗，进入制水状态；

(5)通过软水机的智能水质传感器不断的收集水质数据并进行计算分析，记录每个周期的水质数据变化、制水量、再生水量和时间、反洗水量和时间以及正洗水量和时间，不断优化运行参数。

可同时可将所有水质数据以及运行数据传到手机APP和云端。

所述优化运行参数的具体过程如下所述：

记录每个制水周期的日期(年月日时间等)、制水量、原水质水温、软水水质、反洗时间、正洗时间和正洗水量，如下表：

通过不断记录以上10项参数，得出各参数的最大值和最小值，计算出平均值，将平均值视为最佳运行参数，随着使用时间的增加，平均值也会不断的变化，通过平均值来控制软水机的运行。

本发明通过智能传感器与传统软水机的工艺结合，实现软水机智能化控制及运行的目的；通过TDS、电导率和浊度等3个参数值来控制软水机的软化、再生、反洗和正洗等步骤。实现了对水质变化的即时相应，实时根据水质的变化对软化过程、再生过程、反洗及正洗等过程做出相应的智能调节，优化再生时间，保证树脂性能恢复而又不会浪费盐和水，并且反洗彻底。

附图说明

图1是本发明具体实施的工艺流程图：

其中：1.进水管道，2.盐水管道，3.软水管道，4.排水管道，5.盐箱，6.树脂罐，7.盐箱液位传感器，8.盐箱电磁阀，9.再生盐水水质传感器，10.再生盐水流量计，11.进水流量传感器，12.进水水质传感器，13.进水电磁阀，14.旁路电磁阀，15.软水电磁阀，16.软水水质传感器，17.排水水质传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的智能软水机包括进水管道1、软水管道3、盐水管道2、排水管道4、盐箱5和树脂罐6。进水管道1、软水管道3、盐水管道2以及排水管道4均与树脂罐6连接，树脂罐6用于装填树脂滤料，过滤或者软化水，是现有设备。盐水管道4一端与树脂罐6连接，另一端与盐箱5连接，盐箱5内设置有盐箱液位传感器7。进水管道1上沿通向树脂罐6的方向依次设置有进水流量传感器11、进水水质传感器12和进水电磁阀13，进水水质传感器12用于检测进水的水温、TDS和电导率等指标。软水管道3上沿通向树脂罐6的方向依次设置有软水电磁阀15和软水水质传感器16，软水水质传感器16用于检测软水的水温、TDS、电导率和浊度等指标。进水管道1的进水水质传感器12和进水电磁阀13之间与软水管道3的软水水质传感器16和软水电磁阀15之间连接旁路电磁阀14。盐水管道4上设置有盐箱电磁阀8、再生盐水水质传感器9和再生盐水流量计10，再生盐水水质传感器9用于检测再生盐水的水温、TDS、和电导率等指标。排水管道4上设置有排水水质传感器17，排水水质传感器17用于检测水温、TDS、电导率和浊度等指标。TDS是指总溶解固体，指水中全部溶质的总量，测量单位为毫克/升(mg/L)，TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多。

在进水管道1、软水管道3、盐水管道2以及排水管道4上均布置有水质传感器。通过这些水质传感器采集的数据判断分析判断软水机系统的运行工况。

上述智能软水机的运行控制过程如下。

(1)正常制水

当软水机正常制水时，进水电磁阀13和软水电磁阀15打开，旁路电磁阀14关闭。通过进水流量传感器11及进水水质传感器12采集进水的流量、温度、电导率以及TDS等，并记录进水的电导率、TDS和温度。综合判断水质的硬度，根据TDS值将进水的水质分为硬度较高、一般、较低三级，

TDS	硬度等级
		0-200ppm	低
200-400ppm	中
		≥400ppm	高

TDS/电导率(比值)	钙镁离子含量
		0.6	低
0.6-0.8	中
		0.8-1	高

同时结合水温，根据以下算法来预估软水机的制水量：

①常温(25℃)下的制水量制水量Q(吨)＝树脂交换容量C/2*CaCO₃摩尔质量*树脂体积V*树脂交换效率/自来水硬度A；

其中:

制水量Q:单位吨；

树脂交换容量C:单位mol/L；

CaCO₃摩尔质量:单位100g/mol；

树脂体积V:单位L；

树脂交换效率：一般认为80％；

原水硬度A：单位mg/L，以CaCO₃计；

②当温度为t℃时的制水量Qt＝Qe^1.024(t-25)，Q为常温(25℃)下的制水量。

软水等水质通过电导率和TDS的变化曲线来反应，一般地，由于水中的钙镁离子逐步被钠离子替代，软化产水的电导率会越来越高，TDS保持一个相对稳定的数值；通过计算TDS与电导率的比值来分析判断软化出水的水质情况；当TDS/电导率的比值为0.6左右时，产水中钙镁离子含量低，说明软化效果较好；随着制水量多增加，树脂的交换性能逐步衰减，当产水的电导率逐步下降且与自来水相接近(软水与进水中相应参数的比值≥0.8，完全一致时该比值为1)时，且TDS/电导率的比值与进水相接近时，可以判断树脂饱和，需要进行再生。

(2)再生

当软水机执行再生时，进水电磁阀13、软水电磁阀15和盐箱电磁阀8开启。软水机在制水的同时并注入盐箱5，盐箱液位传感器7监测盐箱5的液位到达设定高度时，进水电磁阀13和软水电磁阀15关闭，然后进入吸盐过程，这个阶段旁路电磁阀14开启，用户使用的是由进水管道1直通软水管道3的硬水。洗盐过程比较缓慢，盐箱5内的水(对盐水浓度没有具体要求，根据盐箱的体积投放)通过盐水管道2进入树脂罐6内，与罐内树脂接触，通过离子交换后的含有钙镁离子的废水通过排水管道4排出。同时实时监控再生盐水水质传感器9和排水水质传感器17采集的数据并做对比，当两个传感器的参数一致时，几乎可以判定树脂再生完成，停止再生，进入下一步。

(3)对树脂罐反清洗

再生结束后，由于有一部分盐水以及一部分污染物残留存在树脂罐6内；这时需要进行清洗。清洗时，旁路电磁阀14和软水电磁阀15开启，进水电磁阀13和盐箱电磁阀8关闭。原水通过进水管道1经旁路电磁阀14和软水电磁阀15缓缓进入树脂罐6，罐内污水由排水管道4排出。同时，收集和对比进水水质传感器12和排水水质传感器17的水质数据，当二者的参数一致时，几乎可以判定反向冲洗干净，停止清洗过程。

(4)对树脂罐正洗

对树脂罐6反向冲洗结束后，为了使树脂罐6内的树脂重新布置好，并使系统内充满软水，对树脂罐6进行正洗。正洗时，进水电磁阀13和旁路电磁阀14开启，软水电磁阀15关闭。这时用户使用的是由进水管道1经旁路电磁阀14直通软水管道3的硬水，冲洗水由进水电磁阀13进入树脂罐6内，并从排水管道4排出。同时，收集和对比进水水质传感器12和排水水质传感器17的水质数据，当二者的TDS参数一致时，但是排水水质传感器17收集的数据中TDS与电导率的比值小于进水水质传感器12对应的比值时，几乎可以断定软水达到使用要求，结束正洗。系统进入制水状态。

(5)通过软水机的智能水质传感器不断的收集水质数据并进行计算分析，记录每个周期的水质数据变化、制水量、再生水量和时间、反洗水量和时间以及正洗水量和时间，可以不断优化系统的运行参数。同时可将所有水质数据以及运行数据传到手机APP和云端。

不断优化系统的运行参数的具体过程如下所述。

记录每个制水周期的日期(年月日时间等)，制水量，原水质水温，软水水质，反洗时间，正洗时间，正洗水量等所有参数如下表：

一般地，自来水水质不会有太大波动，水温随四季变化而变化较大，尤其是我国北方地区。温度的变化等会影响软水机的软化，再生，反洗和正洗过程。通过不断记录以上10项参数，得出各参数的最大值和最小值，计算出平均值，将平均值视为最佳运行参数。随着使用时间的增加，平均值也会不断的变化，通过平均值来控制软水机的运行。

在实际运行中，如制水过程中，通过传感器获得的数据显示树脂即将达到饱和时，这个周期制水量若大于平均值，则以传感器控制为主；若实际周期制水量小于平均值时，以达到系统制水量平均值为准；

树脂再生时，若传感器获得的数据显示再生即将完成，但是未达到平均再生时间和水量，则以传感器判断为准；若实际再生时间和水量即将超过平均再生时间和水量时，以平均再生时间和水量为准；

反洗和正洗步骤亦然。

参数优化的最终目标是综合考虑各运行参数，在保证产水合格的情况下，用最小的水量和时间。

Claims (6)

1.一种智能软水机，其特征是：包括进水管道、软水管道、盐水管道、排水管道、盐箱和树脂罐，进水管道、软水管道和排水管道均与树脂罐连接，盐水管道连接在盐箱与树脂罐之间；进水管道上沿通向树脂罐的方向依次设置有进水流量传感器、进水水质传感器和进水电磁阀；软水管道上沿通向树脂罐的方向依次设置有软水电磁阀和软水水质传感器；进水管道的进水水质传感器和进水电磁阀之间与软水管道的软水水质传感器和软水电磁阀之间连接旁路电磁阀；盐水管道上设置有盐箱电磁阀、再生盐水水质传感器和再生盐水流量计；排水管道上设置有排水水质传感器。

2.根据权利要求1所述的智能软水机，其特征是：所述盐箱内设置有盐箱液位传感器。

3.一种权利要求1所述智能软水机的控制方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)正常制水：

开启进水电磁阀和软水电磁阀，关闭旁路电磁阀；通过进水流量传感器及进水水质传感器采集进水的流量、温度、电导率以及TDS，同时结合水温，预估软水机的制水量；通过软水水质传感器检测所制软水的水温、TDS、电导率和浊度，计算软水TDS与电导率的比值来分析判断软化出水的水质情况；当软水的电导率及TDS/电导率的比值与进水接近时，则进行树脂罐内树脂的再生；

(2)树脂罐的再生：

进水电磁阀、软水电磁阀和盐箱电磁阀开启，制水的同时原水注入盐箱，盐箱内液位达到设定高度时关闭进水电磁阀和软水电磁阀，同时开启旁路电磁阀，用户使用由进水管道直通软水管道的硬水；盐箱内的盐水通过盐水管道进入树脂罐内与树脂接触，通过离子交换后的含有钙镁离子的废水通过排水管道排出；同时实时监控再生盐水水质传感器和排水水质传感器采集的数据并做对比，当两个传感器的参数一致时，停止再生，进入下一步；

(3)对树脂罐反冲洗：

旁路电磁阀和软水电磁阀开启，进水电磁阀和盐箱电磁阀关闭；原水通过进水管道经旁路电磁阀和软水电磁阀进入树脂罐，罐内污水由排水管道排出；同时收集和对比进水水质传感器和排水水质传感器的水质数据，当二者的参数一致时，停止反冲洗过程；

(4)对树脂罐正洗：

进水电磁阀和旁路电磁阀开启，软水电磁阀关闭，用户使用由进水管道经旁路电磁阀直通软水管道的硬水，原水由进水电磁阀进入树脂罐内冲洗，冲洗后的废水从排水管道排出；同时，收集和对比进水水质传感器和排水水质传感器的水质数据，当二者的TDS参数一致时，但是排水水质传感器采集的数据中TDS与电导率的比值小于进水水质传感器对应的比值时，结束正洗，进入制水状态；

(5)通过软水机的智能水质传感器不断的收集水质数据并进行计算分析，记录每个周期的水质数据变化、制水量、再生水量和时间、反洗水量和时间以及正洗水量和时间，不断优化运行参数。

4.根据权利要求2所述的智能软水机的控制方法，其特征是：

所述步骤(1)中预估软水机制水量的具体算法是：

①常温下的制水量制水量Q＝树脂交换容量C/2*CaCO₃摩尔质量*树脂体积V*树脂交换效率/自来水硬度A；

其中:

制水量Q:单位吨；

树脂交换容量C:单位mol/L；

CaCO₃摩尔质量:单位100g/mol；

树脂体积V:单位L；

树脂交换效率：一般认为80％；

原水硬度A：单位mg/L，以CaCO₃计；

②当温度为t℃时的制水量Qt＝Qe^1.024(t-25)，Q为常温下的制水量。

5.根据权利要求2所述的智能软水机的控制方法，其特征是：所述步骤(1)中当软水的电导率及TDS/电导率的比值与进水接近时是指软水与进水中相应参数的比值≥0.8。

6.根据权利要求2所述的智能软水机的控制方法，其特征是，所述步骤(5)中优化运行参数的具体过程如下所述：

记录每个制水周期的日期(年月日时间等)、制水量、原水质水温、软水水质、反洗时间、正洗时间和正洗水量，如下表：

通过不断记录以上10项参数，得出各参数的最大值和最小值，计算出平均值，将平均值视为最佳运行参数，随着使用时间的增加，平均值也会不断的变化，通过平均值来控制软水机的运行。