CN113957956A - 智能全变频供水控制柜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了智能全变频供水控制柜，包括：网关通过所述第一通讯接口与水泵相连，可编程逻辑控制器通过第二通讯接口与所述网关相连，变频器、水泵、液位传感器、压力传感器、水箱进出水电动阀、触摸显示屏、蜂鸣报警器分别与可编程逻辑控制器相连，门禁控制器与红外报警器相连，监控器与触摸显示屏相连，变频器与所述水泵相连，所述变频器两两相连，所述液位传感器用于采集水箱的水位值，所述压力传感器用于采集水泵出口压力，所述变速控制器安装于所述水泵上。采用本发明，可以使得用户端水压更加稳定，同时保证每台水泵都运行在高效区间，有效降低二次供水控制系统功耗。

Description

智能全变频供水控制柜

技术领域

本发明涉及供水控制领域，特别是涉及智能全变频供水控制柜。

背景技术

水资源及能源紧缺是制约我国经济发展的重要因素，节水节能是我国社会经济持续发展的基本国策。

始于上世纪的变频调速控制技术的诞生为供水设备中水泵高效节能自动化运行带来了广阔的空间。通过我们多方面的调研，现阶段我们所采用的二次供水控制设备技术老旧，功能局限，大部分控制柜采用的依然是一拖多的形式。水泵运行接近50Hz时，流量很大直接导致水泵的振动和噪声也很大，这均会对设备寿命产生不利影响。与此同时，水泵效率已远偏离高效点，导致系统能耗增大。因此，亟需一种方法来解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供智能全变频供水控制柜，使得一台变频器拖一台水泵工作，将会明显提高二次供水的可靠性及稳定性，实现泵组一对一全变频运行控制，使得用户端水压更加稳定，同时保证每台水泵都运行在高效区间，有效降低二次供水控制系统功耗。

基于此，本发明提供了智能全变频供水控制柜，所述控制柜包括：

若干个变频器，与所述变频器相同数量的水泵、可编程逻辑控制器、监控器、门禁控制器、红外报警器、蜂鸣报警器、网关、第一通讯接口、第二通讯接口、液位传感器、压力传感器、水箱进出水电动阀、触摸显示屏、变速控制器、存储器；

所述网关通过所述第一通讯接口与所述水泵相连，所述可编程逻辑控制器通过所述第二通讯接口与所述网关相连，所述变频器、水泵、液位传感器、压力传感器、水箱进出水电动阀、触摸显示屏、蜂鸣报警器、变速控制器分别与所述可编程逻辑控制器相连，所述门禁控制器与所述红外报警器相连，所述监控器与所述触摸显示屏相连，所述变频器与所述水泵相连，所述变频器两两相连，所述液位传感器用于采集水箱的水位值，所述压力传感器用于采集水泵出口压力，所述变速控制器安装于所述水泵上。

其中，所述网关在预设时间访问所述可编程逻辑控制器，并将访问获取到的所述可编程逻辑控制器中存储的数据复制并存储。

其中，所述可编程逻辑控制器发生故障时，所述网关控制所述第二通讯接口关闭，所述网关发送报警信号至外部终端设备。

其中，若所述液位传感器检测到的水箱的液位高于预设液位范围中的上限液位时，则所述可编程逻辑控制器控制所述水泵关闭。

其中，若所述液位传感器检测到的水箱的液位低于预设液位范围中的下限液位时，则所述可编程逻辑控制器控制所述水泵开启。

其中，若所述液位传感器检测到的水箱的液位处于所述水箱底部即水箱地线时，则所述可编程逻辑控制器控制所述蜂鸣报警器开启。

其中，若所述液位传感器检测到的水箱的液位处于预设液位范围，则所述变频控制器控制所述第一水泵运行，当所述压力传感器检测到的压力值达到预设压力范围时，所述第一水泵电机稳定运行。

其中，所述压力传感器检测到的压力值未能达到预设压力范围时，所述可编程逻辑控制器控制所述变频控制器增加输出功率和电压，此时，所述水泵电机转速升高，当所述压力传感器检测到的压力值达到预设压力范围时，所述第一水泵电机稳定运行。

其中，所述第一变频器增加输出功率和电压未能使所述压力传感器检测到的压力值达到预设压力范围时，所述第一水泵由变频模式切换至工频模式，所述可编程逻辑控制器控制第二变频器开启，所述第二水泵随所述第二变频器开启，并且所述可编程逻辑控制器控制所述第一水泵的频率降低，使所述压力传感器检测到的压力值达到预设压力值，所述第一水泵、第二水泵均稳定运行。

其中，所述压力传感器检测到的压力值高于预设压力值时，所述可编程逻辑控制器控制所述变频器降频减速，使得所述压力传感器检测到的压力值处于预设压力值。

其中，所述可编程逻辑控制器还控制第一变频器进入休眠状态、其余变频器增加输出功率和电压，使得所述压力传感器检测到的压力值处于预设压力值。

相对现有技术，本发明具有以下有益效果：

在本发明中，变频器的数量与泵的数量相匹配即一一对应，多台泵组成泵组，两两变频器之间相连，一个变频器对应一台泵，采用一拖一变频的控制模式，可编程逻辑控制器通过工业通讯线控制电机与变频系统之间的通讯。在控制一组泵组运行中，当一台泵运行效率不能满足使用压力需求时，可编程逻辑控制器通过逻辑动作启用另外一台变频器，增加泵组的输出效率；当设备运行压力大于使用压力时，变频器同时降频，当频率降到单泵运行效率之前，停止一台水泵的运行，同时提升另外的变频器的频率，确保泵组都工作在自身的高效区，解决变频器一拖多模式存在的低效率区间运行工况，从而达到环保节能的目的。可编程逻辑控制器实时检测变频器的运行情况，并根据运行参数来判断是否启动一个或关闭一个变频器，以此确保运行稳定。一台变频器拖一台水泵工作，将会明显提高二次供水的可靠性及稳定性，实现泵组一对一全变频运行控制，使得用户端水压更加稳定，同时保证每台水泵都运行在高效区间，有效较低二次供水控制系统功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的智能全变频供水控制柜的示意图；

图2是本发明实施例提供的智能全变频供水控制柜的另一示意图；

图3是本发明实施例提供的智能全变频供水控制柜的另一示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

二次供水是指单位或个人将城市公共供水或自建设施供水经储存、加压，通过管道再供用户或自用的形式。二次供水主要为补偿市政供水管线压力缺乏，保障寓居、生计在高层人群用水而建立的。

图1是本发明实施例提供的智能全变频供水控制柜的示意图，所述控制柜包括：

若干个变频器，与所述变频器相同数量的水泵103、可编程逻辑控制器107、监控器109、门禁控制器114、红外报警器115、蜂鸣报警器113、网关104、第一通讯接口102、第二通讯接口106、液位传感器108、压力传感器112、水箱进出水电动阀111、触摸显示屏110、变速控制器101、存储器；

所述网关104通过所述第一通讯接口102与所述水泵103相连，所述可编程逻辑控制器107通过所述第二通讯接口106与所述网关104相连，所述变频器、水泵103、液位传感器108、压力传感器112、水箱进出水电动阀111、触摸显示屏110、蜂鸣报警器113分别与所述可编程逻辑控制器107相连，所述门禁控制器114与所述红外报警器115相连，所述监控器109与所述触摸显示屏110相连，所述变频器与所述水泵103相连，所述变频器两两相连，所述液位传感器108用于采集水箱的水位值，所述压力传感器112用于采集水泵103出口压力，所述变速控制器101安装于所述水泵103上。

所述网关104在预设时间访问所述可编程逻辑控制器107，并将访问获取到的所述可编程逻辑控制器107中存储的数据复制并存储。所述可编程逻辑控制器107中存储的数据可以包括：出水压力、变频器增/退泵频率、休眠频率等等供水数据。

当所述可编程逻辑控制器107发生故障时，所述网关104控制所述第二通讯接口106关闭，所述网关104发送报警信号至外部终端设备。此时，所述网关104还可以将从所述可编程逻辑控制器107复制过来的数据发送至指定的服务器，使得每个被指定的服务器均可以直接获取所述供水数据。所述网关104通过所述第一通讯接口102与所述水泵103相连，此时，所述网关104可以关闭所述第二通讯接口106，防止所述可编程逻辑控制器107上传故障数据影响数据交互，此时，所述第一通讯接口102开启，所述网关104可以直接与所述水泵103之间进行数据交互。

所述可编程逻辑控制器107与所述网关104之间的通讯方式为半双工通讯，因此在链接两个主机的时候，如果两台主机同时下发查询或者控制指令至所述可编程逻辑控制器107时会产生撞包的现象，导致数据丢失。为了避免此风险，所述网关104具有指令存储的功能，当主机A、B同时下发指令时，主机B的命令会暂时存储在我们的网关104中，等到主机A的指令返回数据后，主机B的指令再进行发送至所述可编程逻辑控制器107。

所述水泵103准备运行时，所述控制柜的主电源断路器闭合，所述控制柜启动，若所述液位传感器108检测到水箱液位处于预设液位范围，所述第一变频器运转起动所述第一水泵103，随斜坡起动频率及输出电压升高，所述第一水泵103电机转速升高，出口压力逐渐升高，当所述压力传感器112检测到出口压力达到预设压力范围时，所述第一水泵103电机转速稳定运行。

当用户的用水量增大时，上述第一水泵103电机的转速不能达到预设压力范围时，此时，所述可编程逻辑控制器107发出控制信号，使所述第一变频器增大输出频率和电压，此时，所述第一水泵103电机转速升高到预设压力范围从而达到供水系统稳定运行，此过程动态连续，用户端几乎感觉不到水压变化。

当用户用水量进一步增大，所述第一变频器满频输出，所述第一水泵103泵满频运行但仍然无法达到设定压力时，启动另一台变频器，随后第二台水泵103变频启动，第一台水泵103频率下降，最终压力达到设定值时，两台水泵103均处于最佳效率区间稳定运行，从而保持供水输出压力稳定。由于系统在多台水泵103同时工作时均运行在高效区间，不存在低效区间造成的电能浪费，故能够达到理想的节能效果。当长时间由一台水泵103变频工作时，所述可编程逻辑控制器107会定时转换到下一台泵运行。

当用户用水量减少时，出水压力高于设定压力，所述第一变频器随即降频减速，使出水压力始终稳定在设定压力值。当用户用水量进一步减少，所述第一变频器已降低至预设休眠频率及延时休眠时间，一台变频器休眠，水泵103随之停转，其余变频器增加输出频率及电压，将出水压力稳定在设定值，仍然保持在高效区间运行。当用水量进一步减少时，重复上述过程，最少仅保持一台泵运行维持压力稳定，其余泵进入休眠状态，可编程逻辑控制器107实时检测出水压力变化，当低于系统设定压力时，变频器将重新起动运行。

当所述液位传感器108检测到水箱水位过低，在预设时间内如2分钟内，水位仍没有恢复，水泵103停止运行，所述可编程逻辑控制器107控制所述蜂鸣报警器113开启，提醒相关工作人员进行查看维修，当所述液位传感器108检测到水箱水位达到预设水位范围时，所述可编程逻辑控制器107控制所述蜂鸣报警器113关闭。

根据水泵103的相似原理可知：当水泵103速度变化时，流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。从这一比例定律关系可见，同一台水泵103在转速变化时，水泵103的主要性能参数将按上述比例定律变化并且在变化过程中保持效率基本不变。由此可见，采用调节转速的方法来调节流量，水泵103电机所取用的电功率将大为减少。因而，本发明是一种能够显著节约能源的好方法。

图2、图3是本发明实施例提供的智能全变频供水控制柜的另一示意图，其中，①为门禁控制器114。②为变频器。③为电子电能表。④为可编程逻辑控制器107，⑤为华为无线网关104，⑥为液位传感器器。摄像头通过可编程逻辑控制器107连接给门禁控制器114进行存储保存。液位自动控制器与可编程逻辑控制器107连接，探测水箱内液位高低，“高”为水箱上限液位控制点，高水位时，控制器自动管泵，停止供水，“中”为水箱下限液位控制点，中水位时，控制器自动开泵，给水池加水，“低”为水箱地线，放在水箱的最低点，与水箱底部接触。水箱液位，水泵103出水压力值以及泵房内实时运行状况都可以通过华为无线网关104传输到监控平台上，进行实时监控以及调节。

所述监控器109包括摄像头，所述摄像头用于采集泵房的图像数据并将所述图像数据上传至外部终端设备。

所述门禁控制器114包括：无线收发器、人脸识别控制器、存储器；所述无线收发器、存储器分别与所述人脸识别控制器相连，外部摄像头安装于泵房门口，用于采集入门人员的人脸图像数据，并将所述人脸图像数据上传至所述门禁控制器114，所述门禁控制器114将所述人脸图像数据与所述存储器预存的人脸图像数据进行比对，若存在与所述预存人脸图像数据不匹配的人脸数据，所述红外报警器115报警。

所述触摸显示屏110，能够实时显示当前工艺流程，包括变频器工况、出水压力、水箱液位等信息，使二次供水流程可视化，满足用户的使用需求。在触摸屏上可以修改出水压力、变频器增/退泵频率、休眠频率等参数，简化变频系统调试流程。触摸屏并设有密码保护，只有专业技术人员通过密码进入参数修改界面进行调试或维修，保护二次供水系统受到随意非专业人员修改。门禁系统与红外报警系统联动，设为刷卡或/密码模式进入，一旦检测到非法入侵，联动红外报警系统发出警报，大大提高二次供水系统的安全性能。摄像头系统可以实时监控泵房状态，出现人员异常出入等危及供水行为拍照上传至云平台，并触发报警。

原有一拖多设备是采用多台水泵103机组配一个变频器，运行方式按工频—工频—变频组合。该设备在运行期间水泵103工频—变频切换时，会出现短暂停止供水现象。水泵103在低速运行时，水泵103不在高效率区。

对于不同的供水场合，不同的水泵103功率，不同的水泵103台数，不同的电气工程师，编写的控制程序均不相同，不能相互通用，标准化难统一。

智能全变频供水控制柜采用每台水泵103机组配置一个变频头的方式，即一对一在水泵103上安装基于微处理器系统的变速控制器101，运行方式采用变频—变频组合，运行的多台水泵103都在相同的工况下运行（等量同步模式），解决了水泵103工频—变频切换过程的供水瞬间断流现象。在变速控制系统中，泵随着速度工作，可以降低流量，使流量恰好满足所需要的水头，并且无论工况流量如何变化，每台泵组都置于高效运行效率区，不会出现能耗浪费现象。

智能全变频供水控制柜，包括柜体和柜门，柜体中，可编程逻辑控制器107，断路器，电能表，华为无线网关104，门禁系统等。水泵103上出水管连接有出水压力变送器，压力变送器与可编程逻辑控制器107连接。泵房门处安装红外门禁系统，与控制柜内门禁系统相连接，门上方安装高清监控摄像头，可监控泵房内实时状况。

所述柜体顶面设置有四个吊环，方便吊车进行吊起进行搬运运输。

智能全变频供水控制柜通过触摸显示屏110，使得人们可以直接看出水泵103各个时段运行状态与出水口压力值，更加提高了智能化水平，更加能够满足人们的使用需求。红外门禁系统可以防止不法人们进行破坏行为，大大提高了安全性能。摄像头通过可编程逻辑控制器107给存储器进行存储保护，也可以远程实时监控泵房状况。

在本发明中，变频器的数量与泵的数量相匹配即一一对应，多台泵组成泵组，两两变频器之间相连，一个变频器对应一台泵，采用一拖一变频的控制模式，可编程逻辑控制器107通过工业通讯线控制电机与变频系统之间的通讯。在控制一组泵组运行中，当一台泵运行效率不能满足使用压力需求时，可编程逻辑控制器107通过逻辑动作启用另外一台变频器，增加泵组的输出效率；当设备运行压力大于使用压力时，变频器同时降频，当频率降到单泵运行效率之前，停止一台水泵103的运行，同时提升另外的变频器的频率，确保泵组都工作在自身的高效区，解决变频器一拖多模式存在的低效率区间运行工况，从而达到环保节能的目的。可编程逻辑控制器107实时检测变频器的运行情况，并根据运行参数来判断是否启动一个或关闭一个变频器，以此确保运行稳定。一台变频器拖一台水泵103工作，将会明显提高二次供水的可靠性及稳定性，实现泵组一对一全变频运行控制，使得用户端水压更加稳定，同时保证每台水泵103都运行在高效区间，有效较低二次供水控制系统功耗。无变频-工频状态切换，供水过程动态平衡，出水端压力稳定。设备在多台泵全变频运行时采用效率均衡运行模式，都在效率区，节能效果理想。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.智能全变频供水控制柜，其特征在于，包括：

若干个变频器，与所述变频器相同数量的水泵、可编程逻辑控制器、监控器、门禁控制器、红外报警器、蜂鸣报警器、网关、第一通讯接口、第二通讯接口、液位传感器、压力传感器、水箱进出水电动阀、触摸显示屏、变速控制器、存储器；

所述网关通过所述第一通讯接口与所述水泵相连，所述可编程逻辑控制器通过所述第二通讯接口与所述网关相连，所述变频器、水泵、液位传感器、压力传感器、水箱进出水电动阀、触摸显示屏、蜂鸣报警器、变速控制器分别与所述可编程逻辑控制器相连，所述门禁控制器与所述红外报警器相连，所述监控器与所述触摸显示屏相连，所述变频器与所述水泵相连，所述变频器两两相连，所述液位传感器用于采集水箱的水位值，所述压力传感器用于采集水泵出口压力，所述变速控制器安装于所述水泵上。

2.如权利要求1所述的智能全变频供水控制柜，其特征在于，所述网关在预设时间访问所述可编程逻辑控制器，并将访问获取到的所述可编程逻辑控制器中存储的数据复制并存储，所述可编程逻辑控制器发生故障时，所述网关控制所述第二通讯接口关闭，所述网关发送报警信号至外部终端设备。

3.如权利要求1所述的智能全变频供水控制柜，其特征在于，若所述液位传感器检测到的水箱的液位高于预设液位范围中的上限液位时，则所述可编程逻辑控制器控制所述水泵关闭。

4.如权利要求1所述的智能全变频供水控制柜，其特征在于，若所述液位传感器检测到的水箱的液位低于预设液位范围中的下限液位时，则所述可编程逻辑控制器控制所述水泵开启。

5.如权利要求1所述的智能全变频供水控制柜，其特征在于，若所述液位传感器检测到的水箱的液位处于所述水箱底部即水箱地线时，则所述可编程逻辑控制器控制所述蜂鸣报警器开启。

6.如权利要求1所述的智能全变频供水控制柜，其特征在于，若所述液位传感器检测到的水箱的液位处于预设液位范围，则所述变频控制器控制所述第一水泵运行，当所述压力传感器检测到的压力值达到预设压力范围时，所述第一水泵电机稳定运行。

7.如权利要求1所述的智能全变频供水控制柜，其特征在于，所述压力传感器检测到的压力值未能达到预设压力范围时，所述可编程逻辑控制器控制所述变频控制器增加输出功率和电压，此时，所述水泵电机转速升高，当所述压力传感器检测到的压力值达到预设压力范围时，所述第一水泵电机稳定运行。

8.如权利要求7所述的智能全变频供水控制柜，其特征在于，所述第一变频器增加输出功率和电压未能使所述压力传感器检测到的压力值达到预设压力范围时，所述第一水泵由变频模式切换至工频模式，所述可编程逻辑控制器控制第二变频器开启，所述第二水泵随所述第二变频器开启，并且所述可编程逻辑控制器控制所述第一水泵的频率降低，使所述压力传感器检测到的压力值达到预设压力值，所述第一水泵、第二水泵均稳定运行。

9.如权利要求1所述的智能全变频供水控制柜，其特征在于，所述压力传感器检测到的压力值高于预设压力值时，所述可编程逻辑控制器控制所述变频器降频减速，使得所述压力传感器检测到的压力值处于预设压力值。

10.如权利要求1所述的智能全变频供水控制柜，其特征在于，所述可编程逻辑控制器还控制第一变频器进入休眠状态、其余变频器增加输出功率和电压，使得所述压力传感器检测到的压力值处于预设压力值。

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