CN115629566A - 一种物联网型泵闸联动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网型泵闸联动控制装置，涉及泵闸控制装置领域，包括用于分隔内河和外河的泵闸站与泵闸站的计算机控制站，所述泵闸站内设置有三组泵闸，每组所述泵闸包括一个泵和两个分别固定于泵两端的闸门，所述泵的两端分别与内河和外河相通连接，三组所述泵闸电性连接有中央控制模块，所述中央控制模块分别电性连接有内外河水位采集、泵闸状态对应性实时监测模块。本发明通过设置本控制装置一台即可实现多达三组的双向泵闸联动控制，实现了专业化产品的高度集成化，降低了智能化改造的成本，并且减少了外部布线的复杂度，进而减少了可能的故障点，提高了站内设施运行的可靠性和长期稳定性。

Description

一种物联网型泵闸联动控制装置

技术领域

本发明涉及泵闸控制装置技术领域，更具体地说，本发明涉及一种物联网型泵闸联动控制装置。

背景技术

泵闸站是水利的重要基础设施，在农业灌溉、城市排涝、水资源调度等方面发挥着重要的作用。目前，中小型泵闸站存在自动化程度低、运行管理成本高、人工操作失误的现象时有发生，尤其是双向泵的操作，操作过程相对复杂，操作不当可能导致引、排水的错误。

比如水泵两侧配套有闸门的双向泵操作流程为，首先选择泵的方向、然后将两侧的配套闸门完全打开，最后启动水泵运行；在停泵的时候，需要先停止水泵运行，然后将两侧的配套闸门关闭。

再如，具有上下流道引排水泵闸设施，在需要从外河向内河引水时，将内河闸门完全落下，外河闸门完全升起，然后启动水泵；停泵时，先将水泵关闭，然后将外河闸门完全落下；在需要从内河向外河排水时，将内河闸门完全升起，外河闸门完全落下，然后启动水泵；停泵时，先将水泵关闭，然后将内河闸门完全落下。

另外，在暴雨、台风等恶劣天气时，运行人员在站内操作，存在着很大的人身安全隐患。

为解决以上问题，提供一种物联网型的泵闸联动控制装置，实现双向泵及配套闸门的引排水一键控制，并通过物联网通信技术，实现泵闸状态的远程实时监测和控制。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种物联网型泵闸联动控制装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种物联网型泵闸联动控制装置，包括用于分隔内河和外河的泵闸站与泵闸站的计算机控制站，所述泵闸站内设置有三组泵闸，每组所述泵闸包括一个泵和两个分别固定于泵两端的闸门，所述泵的两端分别与内河和外河相通连接，三组所述泵闸电性连接有中央控制模块，所述中央控制模块分别电性连接有内外河水位采集、泵闸状态对应性实时监测模块、泵闸互锁联动控制模块、软硬件加密模块、蓝牙配置通信模块。

优选地，所述泵闸状态对应性实时监测模块包括六个闸门的闸位监测、六个闸门的上下限位状态监测、六个闸门驱动电机的故障状态监测、三个泵的工作状态监测以及三个泵的故障状态监测

优选地，所述泵闸互锁联动控制模块包括三个泵的正、反转控制和六个闸门的升、降、停控制，所述软硬件加密模块包括有线通信模块和无线通信模块的两者中的一种。

优选地，所述计算机控制站内部包括硬件部分和软件部分，所述软件部分包括系统软件和应用软件，系统软件包括操作系统、汇编或高级语言、过程控制语言、通信网络软件、诊断程序。

优选地，所述应用软件包括过程输入或输出程序、过程控制程序、物联网接口程序、历史数据库和实时数据库。

优选地，所述硬件部分包括控制计算机和现场硬件设备，所述六个闸门的闸位监测、六个闸门的上下限位状态监测、六个闸门驱动电机的故障状态监测、三个泵组成了现场硬件设备。

优选地，所述控制计算机包括主机、外设、系统总线、控制过程输入输出通道以及信号发射通信设备。

本发明的技术效果和优点：

1、与现有技术相比，大部分的中小型泵闸站最多三组双向泵闸设施，本控制装置一台即可实现多达三组的双向泵闸联动控制，实现了专业化产品的高度集成化，降低了智能化改造的成本，并且减少了外部布线的复杂度，进而减少了可能的故障点，提高了站内设施运行的可靠性和长期稳定性。

2、与现有技术相比，通过闸门位置、闸门上下限位状态、泵运行状态、泵和闸门电机的故障状态，实现与泵和闸控制回路的互锁联动，保证闸门和泵操作逻辑的安全性和正确性，并且通过闸位和闸门限位的冗余监测，由智能CPU进行冗余控制判断，在保证安全性的前提下提升引、排水操作的成功率。

3、与现有技术相比，通过无线或有线通信网络，实现泵闸站的远程监测和控制，提升泵闸站的信息化管理水平，通过软、硬件结合的加密技术，保证泵闸站监测数据的安全和控制的安全。

附图说明

图1为本发明的整体原理结构示意图。

图2为本发明泵闸互锁联动控制流程图。

图3为本发明泵闸站结构示意图。

图4为本发明计算机控制站结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1-4所示的一种物联网型泵闸联动控制装置，包括用于分隔内河和外河的泵闸站与泵闸站的计算机控制站，所述泵闸站内设置有三组泵闸，每组所述泵闸包括一个泵和两个分别固定于泵两端的闸门，所述泵的两端分别与内河和外河相通连接，三组所述泵闸电性连接有中央控制模块，所述中央控制模块分别电性连接有内外河水位采集、泵闸状态对应性实时监测模块、泵闸互锁联动控制模块、软硬件加密模块、蓝牙配置通信模块；

首先根据上述，本装置的硬件部分主要是：固定在内河和外河之间的泵闸站上的三组泵闸，而泵闸由固定在泵闸站上的泵以及固定于泵两端的闸门组成，泵的一端接内河，另一端接外河，不开泵时，为防止河水从水泵中流通，每个水泵的两侧均配套有闸门。水泵可以控制正转时从外河向内河引水、反转时从内河向外河排水，在启动水泵前需要将两侧的闸门完全打开；

其次，泵闸站整体在引水或者排水时所经过的具体流通方向和通道，根据附图3所示情况；

其中，泵闸站具体流通方向和通道，在本装置应用中，根据附图3中所示的泵闸站结构所示，当由外河向内河引水时，内河的1号闸门完全落下，外河的2号闸门完全升起，启动水泵通过外河的下流道和内河的上流道，实现由外河向内河引水；当由内河向外河排水时，内河的1号闸门完全升起，外河的2号闸门完全落下，启动水泵通过内河的下流道和外河的上流道，实现由内河向外河排水；

再者，是本装置中的控制部分，如附图1所示，一台物联网型泵闸联动控制装置，实现三组泵闸的控制，每组泵闸包括一个泵和两个配套的闸，可选择单流道和上下流道两种类型，每组泵闸可独立选择类型；

控制装置通过光电隔离的数字量输入通道监测6个闸门的全开、全关的上下限位；通过每个闸门的闸位计实时监测闸门的位置，闸位计可通过直流4~20mA接入或通过RS485通信方式接入；通过光电隔离的数字量输入通道监测驱动闸门运行的电机故障状态；

其中，控制装置通过光电隔离的数字量输入通道监测各水泵的运行（正转运行、反转运行）、停止状态；通过光电隔离的数字量输入通道监测各水泵的故障状态；

上述三个水泵和六个闸门的监测数据全部接入泵闸状态对应性实时监测模块；

而泵闸状态对应性实时监测模块根据每组泵闸的类型，实时监测状态的对应，如果状态不对应，则驱动现地的报警单元并通过有线或者无线通信模块将详细的报警信息上送，当没有通过本控制装置控制泵闸，而泵和闸的状态发生变化时，实时通过有线或者无线通信模块将动作详细信息上送提示；

泵闸组的状态有三个，分别是：其一，停止状态；其二，引水状态和排水状态；其三，是从停止到引水再到停止以及停止到排水再到停止的两种过程状态；

单流道类型的泵闸组，停止状态：两个闸门均处于关闭状态，泵处于停止状态；引水状态：两个闸门均处于完全打开状态，泵处于正转运行状态；排水状态：两个闸门均处于完全打开状态，泵处于反转运行状态；

上下流道类型的泵闸组，停止状态：两个闸门均处于关闭状态，泵处于停止状态；引水状态：内河闸门处于关闭状态，外河闸门处于完全打开状态，泵处于正转运行状态；排水状态：外河闸门处于关闭状态，内河闸门处于完全打开状态，泵处于正转运行状态；

当发现非运行状态切换过程，泵和配套闸门的状态与上述停止、引水、排水状态不对应时，则进行报警，当发现未通过本控制装置控制，闸门的闸位发生变化、闸门的上下限位状态发生变化、泵的状态发生变化，则进行动作信息上送提示；

泵闸站状态对应性实时监测模块将采集数据及相关判断结果传递给中央控制模块和泵闸互锁联动控制模块；

中央控制模块接收对泵闸组的操作指令，包括各泵闸组的引水、排水、停水指令，中央控制模块根据操作指令，相应泵闸组的泵闸状态，判断是否满足操作条件，如果满足操作条件，则通过泵闸互锁联动控制模块进行泵和闸门的控制；

中央控制模块采集内外河水位，用于泵闸工作状态与水位对应性的辅助判断，进一步提高操作和执行的正确性。比如在引水过程中，内河水位长时间没有抬升或者抑制水位下降的速率没有减缓，则说明引水未成功，可能泵没有正确打开、闸门没有正确打开等；由于在排水过程中，内河水位长时间没有下降，或者抑制水位上升的速率没有减缓，则说明排水未成功，可能泵没有正确打开、闸门没有正确打开等；

中央控制模块通过蓝牙模块实现控制装置与手机端APP、小程序等工具进行数据交互，实现泵闸组的调试、检修，历史数据查阅、分析等，提升泵闸站的维护便捷性和维护效率；

中央控制模块通过软、硬件加密通道，使用有线或无线方式与集控中心进行数据交互和控制，实现了泵闸站的信息化运行和管理，并保证了数据安全和操作安全。

上述中的泵闸互锁联动控制模块，具体如附图2所示，泵闸互锁联动控制模块，保证泵闸操作的安全性和正确性，并通过冗余方法，提升执行的成功率，并能够实时监测人工误操作情况，而且及时自动纠正，同时发出提示信息；

泵闸互锁联动控制模块接收到操作指令后，根据泵闸的当前状态以及故障状态，进行相应的操作；

判断闸门位置，闸门位置的判断通过上、下限位开关和闸门实时位置共同判断闸门的全开和全关状态，当闸位计故障时，以上下限位开关的状态为准，同时给出闸位计故障告警信息；

当闸位动作过程中，闸位计变化过程正常，但在接近闸门全关或全开状态时，闸位不发生变化，而且上、下限位开关未监测到闸门全开或全关，此时判断闸门可能受阻，给出提示信息，但由于闸门已经很接近全开或全关状态，为了保证引、排水的成功，本次可以开发启动泵操作，但需要给出详细的报警信息，并且不允许再次操作，运维人员根据远程或现场察看确认没有大碍后，而且需要紧急调水，暂时无法处理此问题时，允许手动再次开放一次操作；

当闸门行进过程中，闸位计突然故障，可以通过故障前运行速度情况，计算出可以继续开发运行的时间，在运行时间内如果能够到达上限位或下限位，则可以保持本次执行的成功，提升执行的成功率，但需要及时给出告警信息，并拒绝下一次操作；

同样的，如果需要应急调水，暂时无法修复闸位计，可以允许执行开放操作，此时通过历史运行速率进行拟合，通过运行时间和上、下限位开关的状态进行闸门操作成功的判断，从而保障应急调水；

判断闸门是否可以执行相应操作，闸门除自身满足执行条件外，还需要与泵的联动，比如，当泵在运行过程中，对于单流道类型，应闭锁闸门执行关闭流程，为保证闭锁的可靠性，采用软件加硬件的闭锁方式，软件通过判断泵的状态判断，执行闭锁闸门操作的流程，硬件通过将泵的运行状态通过非逻辑器件的出口串接在闸门关闭控制电路中；

另外为了防止泵运行状态的硬件电路的损坏导致无法操作，MCU通过一个输出I/O，并接在泵运行状态的非逻辑出口上，当发现泵运行状态监测电路异常时，通过此I/O闭合将其旁路，保证闸门的正常控制。其他上下流道的运行模式，原理类似；

实时跟踪闸位的运行过程，异常时及时处理，当闸门行进过程中，闸位计正常，当闸位数据突然停止变化时，则可以判断闸门运行受阻，可以进行反向运行一段时间后，再正向运行，允许尝试恢复执行3次，如果仍然不行，则将闸门恢复至原先的状态，从而提高操作的成功率；并且在尝试3次失败后的恢复原先状态，可以有效保证闸门的安全，不会处在非全开、非全关的异常位置；

判断泵是否可以执行相应操作，在引、排水启动时，需要先将闸门调整的相应的状态，如果闸门没有到相应的状态，则闭锁泵的操作。本次设计使用软件逻辑加硬件逻辑的措施，保证泵启动流程的正确性。软件逻辑更具操作逻辑实现即可。硬件逻辑根据流量的类型，设计两种独立的闭锁电路，通过软件根据配置的流道类型选择其中一组硬件闭锁电路，同样的，为防止监测的闭锁电路异常，通过MCU的一个输出I/O，可以选择将此闭锁电路旁路。比如单流道类型，将配套两个闸门的全开限位开关状态的监测，串联在泵的启动输出控制回路中；再如双流道类型，引水时，将内河闸门的全关限位开关和外河闸门的全开限位开关串接在泵的启动输出控制回路中；

引、排水流程执行成功后，通过内、外河的水位变化情况，辅助判断引、排水执行过程正确，形成通过不同维度数据进行控制的闭环反馈。如在引水流程执行完成后，发现内河水位没有提升的趋势，则进行提示性告警，并根据设定的参数，比如连续运行10分钟，内河水位仍然没有提升趋势，则启动停止引水流程并告警；

在引、排水结束后，执行停止水泵和关闭闸门的流程，执行完毕后，确认内外河水位的变化趋势，如停止引水10分钟后，内河水位仍然上升，则发出提示性告警。在执行停止流程时，需要先停止水泵，再关闭闸门。在关闭闸门时使用软件加硬件的闭锁方式，如单流道类型，将水泵停止信号串接在闸门的关闭控制电路中，同样的为防止监测泵停止信号的异常，通过MCU的一个输出I/O，并接在泵停止信号上，可以选择启动此I/O旁路水泵停止信号；

在引、排水过程中，实时跟踪泵的故障状态，当泵发生故障时，及时启动停止流程；

在引排水过程中，发现泵、闸状态发生变化（可能是现地的人工操作）。根据当前工况，判断状态变化是否有潜在风险，如果有，则执行相应的自动化处理，保证泵、闸的运行得安全，并上送相关执行提示信息。如单流道正在引水过程中，发现内河闸门的闸位正在下降，但是水泵没有停止，则自动发出停止闸门命令，并将闸门重新升起至全开状态，并发出现地和远程提示信息。

其中，在本装置设置的计算机控制站主要内容是：计算机控制站内部包括硬件部分和软件部分，软件部分包括系统软件和应用软件，系统软件包括操作系统、汇编或高级语言、过程控制语言、通信网络软件、诊断程序；应用软件包括过程输入或输出程序、过程控制程序、物联网接口程序、历史数据库和实时数据库；硬件部分包括控制计算机和现场硬件设备，六个闸门的闸位监测、六个闸门的上下限位状态监测、六个闸门驱动电机的故障状态监测、三个泵组成了现场硬件设备；控制计算机包括主机、外设、系统总线、控制过程输入输出通道以及信号发射通信设备；

根据上述计算机控制站内容，通过整个计算机控制站内部的软件部分以及控制计算机的硬件部分对现场硬件部分实现统一控制监测，实现利用物联网技术控制泵闸联动控制的实施以及网络化监控，且配合历史数据库以及实时数据库对本装置的运行过程以及历史运作过程记录进行保存，以便于了解设备装置体的使用情况，好对设备装置进行定期检查维护。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种物联网型泵闸联动控制装置，包括用于分隔内河和外河的泵闸站与泵闸站的计算机控制站，其特征在于：所述泵闸站内设置有三组泵闸，每组所述泵闸包括一个泵和两个分别固定于泵两端的闸门，所述泵的两端分别与内河和外河相通连接，三组所述泵闸电性连接有中央控制模块，所述中央控制模块分别电性连接有内外河水位采集、泵闸状态对应性实时监测模块、泵闸互锁联动控制模块、软硬件加密模块、蓝牙配置通信模块。

2.根据权利要求1所述的一种物联网型泵闸联动控制装置，其特征在于：所述泵闸状态对应性实时监测模块包括六个闸门的闸位监测、六个闸门的上下限位状态监测、六个闸门驱动电机的故障状态监测、三个泵的工作状态监测以及三个泵的故障状态监测。

3.根据权利要求2所述的一种物联网型泵闸联动控制装置，其特征在于：所述泵闸互锁联动控制模块包括三个泵的正、反转控制和六个闸门的升、降、停控制，所述软硬件加密模块包括有线通信模块和无线通信模块的两者中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种物联网型泵闸联动控制装置，其特征在于：所述计算机控制站内部包括硬件部分和软件部分，所述软件部分包括系统软件和应用软件，系统软件包括操作系统、汇编或高级语言、过程控制语言、通信网络软件、诊断程序。

5.根据权利要求4所述的一种物联网型泵闸联动控制装置，其特征在于：所述应用软件包括过程输入或输出程序、过程控制程序、物联网接口程序、历史数据库和实时数据库。

6.根据权利要求4所述的一种物联网型泵闸联动控制装置，其特征在于：所述硬件部分包括控制计算机和现场硬件设备，所述六个闸门的闸位监测、六个闸门的上下限位状态监测、六个闸门驱动电机的故障状态监测、三个泵组成了现场硬件设备。

7.根据权利要求6所述的一种物联网型泵闸联动控制装置，其特征在于：所述控制计算机包括主机、外设、系统总线、控制过程输入输出通道以及信号发射通信设备。

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