CN212563602U - 一种水泵一体化控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水泵一体化控制器，包括：一体集成式的微处理器、开关量采集模块、模拟量采集模块、电量采集模块、电量计量芯片、继电器输出模块、模拟量输出模块和网络通讯模块，开关量采集模块微处理器的通用可编程I/O端口，模拟量采集模块连接微处理器的ADC引脚，电量采集模块通过SPI总线与所述电量计量芯片连接，电量计量芯片与微处理器连接，微处理器通过继电器输出模块控制水泵工作，微处理通过模拟量输出模块控制变频器，微处理器通过网络通讯模块与终端进行通信实现预警；本实用新型集成了控制、采集、通讯功能，只需接入水泵主回路的状态反馈信号，就能通过MCU发出指令对水泵进行启停控制，控制回路有了极大的优化精简。

Description

一种水泵一体化控制器

技术领域

本实用新型涉及自动化控制设备设计与制造技术，具体提供一种用于控制水泵运行的控制设备。

背景技术

水泵控制器适用于城市供水系统中取水泵站、水厂加压泵站、中途加压泵站、小区加压泵站的远程监控及管理。泵站管理人员在监控中心可远程监测现场设备的工作状态和运行参数；可远程控制供水设备的启停；可图像监视站内全景或重要工位。

目前水泵的启停主要通过楼宇自控系统来进行控制，当前主要是在配电箱内使用数量不等的中间继电器等二次设备实现水泵的本地控制；具体在配电箱内安装DDC控制器，通讯组网，由后台电脑实现远程控制，但是使用中间继电器实现水泵的本地控制，不仅需要配套使用大量的控制电线及接线端子，人工成本较大，同时增加了大量可能故障点，配电箱内DDC控制器是在配电箱安装调试就绪后由BA系统厂家现场安装，整个系统的调试周期太长。

实用新型内容

(1)要解决的技术问题

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种水泵一体化控制器，以解决现有技术中存在的不足。

(2)技术方案

本方案通过开关量采集模块、模拟量采集模块和电量采集模块，实时获取当前水泵运行的状态，并根据设定的参数判断当前状态是否正常，一旦判断出异常，则通过继电器输出模块、模拟量输出模块、网络通信模块等进行控制和预警，从而确保水泵运行的安全：

一种水泵一体化控制器，包括：一体集成式的微处理器、开关量采集模块、模拟量采集模块、电量采集模块、电量计量芯片、继电器输出模块、模拟量输出模块和网络通讯模块，所述开关量采集模块微处理器的通用可编程I/O端口，模拟量采集模块连接微处理器的ADC引脚，所述电量采集模块实时采集当前水泵运行状态并通过SPI总线与所述电量计量芯片连接，所述电量计量芯片与微处理器连接，所述微处理器通过继电器输出模块控制大、小水泵工作与关断，所述微处理通过模拟量输出模块控制变频器，微处理器通过网络通讯模块与终端进行通信实现监控和预警。

优选的：所述网络通讯模块包括以太网PHY模块和4G通讯模块，所述微处理器通过以太网PHY模块向上层应用集成提供标准的BACNet和Modbus协议，所述微处理器通过4G通讯模块与手机终端通信。

优选的：所述模拟量采集模块、模拟量输出模块为4-20mA输出模块，总非调整误差典型值为±0.01％FSR。

优选的：所述开关量采集模块、模拟量采集模块、电量采集模块、继电器输出模块、模拟量输出模块和网络通讯模块可以被设计成外置的模块。

优选的：所述水泵一体化控制接入水泵主回路中用于接收状态反馈信号。

优选的：所述模拟量采集模块能够通知采集水泵的温度信号。

(3)有益效果：

本实用新型集成了控制、采集、通讯功能，只需接入水泵主回路的状态反馈信号，就能通过MCU发出指令对水泵进行启停控制，控制回路有了极大的优化精简，减少了控制回路的可能故障点，并减少了配电箱的生产人工成本；电量采集功能可以取代常规配电箱内的多功能仪表，精简配电箱设备。模拟量采集输出(4-20mA)功能，可以对变频器进行控制，对大、小水泵的控制方案全覆盖；同时能够采集水泵的一些特殊信号，比如温度等；多元化的网络通信功能。RS485串口可以采集配电箱内的其他MODBUS协议智能仪表数据，如消防模块、火灾漏电探测器等。以太网通信接入自控系统，实现远程对水泵进行启停控制，并监视配电箱和水泵的运行状态。

附图说明

图1为本实用新型的模块连接示意图；

图2为模拟量输出模块电路示意图；

图3为以太网PHY模块电路示意图；

图4为模拟量输入模块电路示意图

图5为数字输出模块电路示意图；

图6为电量计量芯片周边电路示意图；

图7为数字输入模块电路示意图；

图8为4G通讯电路模块电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-8和实施例对本实用新型进一步说明：

本发明的控制设备包括了微处理器、开关量信号采集电路、继电器输出模块、模拟量采集模块、电量采集模块以及网络通信模块。

具体的设备组成如下：

微处理器采用ARM系列高性能MCU，在其中固化专用于水泵控制的各类控制策略；

开关量信号采集电路：20路开关量信号采集。

继电器输出模块：9个继电器输出。

模拟量采集模块：8路4-20mA模拟量采集。

模拟量输出模块：4路4-20mA模拟量输出。

电量采集模块：1路三相四线制电流电压采集。

网络通信模块：2个RS485串口，2个以太网通信接口。

本方案的核心在于微处理模块，模块核心采用了瑞萨公司先进的32位120MHz主频ARM Cortex-M4内核主MCU，内置640Kbyte SRAM，该模块中固化了专用于水泵控制的各类控制算法，这些算法实现了常见的用于控制一个或多个水泵自动运行规格，通过开关量信号采集模块、和模拟量采集模块和电量采集模块，实时获取当前水泵运行的状态，并根据设定的参数判断当前状态是否正常，一旦判断出异常，则通过继电器输出模块、模拟量输出模块、网络通信模块等进行控制和预警，从而确保水泵运行的安全。

所述开关量采集模块经过输入端口分压电路，将外界信号转换成微处理器可以处理的电平信号，并且经过低通滤波处理，防止外界干扰影响处理器判断信号状态，再经过保护电路，防止外界静电、浪涌等破坏性能量损坏微处理器I/O端口，微处理器的通用可编程I/O端口实时监测端口状态，及时送入控制算法来保证系统运行；

所述模拟量采集模块连接的是外界传感器送过来的4-20mA电流信号，经过滤波、保护电路，通过电流电压转换电路，送到高精度ADC转换芯片，ADC部分具有12位无噪声分辨率，3.3KSPS的采样速率，低漂移电压基准，实现精准的信号测量；

所述模拟量输出模块采用高精度12位转换器，使用精度达到1‰、温漂典型值为1.8ppm/℃的基准电压源,提供可编程电流源输出，通过输出电流的反馈和监控，使得总非调整误差典型值为±0.01％FSR，完全满足过程控制应用的要求，4路模拟量输出模块使用SPI串行接口跟微处理器连接，在方案中SPI总线采用了菊花链的连接方式，大大节省了微处理器的I/O资源，简化了连线，提高了可靠性；

所述继电器输出模块采用超小型中功率继电器，通过UL、VDE、CQC认证，在250VAC工况下具有5A触点切换能力，主控微处理器通过可编程I/O端口，驱动数字三极管控制继电器线圈工作，根据算法需要及时可靠地控制外设工作；

所述电量采集模块使用仪表级专用多功能计量芯片，内置7路高精度ADC，适用于三相三线、三相四线制，可测量全波、基波和谐波三相电压电流有效值，全波、基波有功、无功、RMS和PQS视在功率，全波、基波功率因素，电压频率等信息，实时采集当前水泵运行状态，配合主控微处理器算法完成整个系统闭环控制，具体电路上，4路电流信号通过电流互感器、电流电压转换电路送到计量芯片内部ADC，3路电压信号通过分压电路送到计量芯片ADC模块，所有电路都采用高精度、低温漂元器件，以得到准确的电量信息，由于电力计量模块跟交流电直接相连，主控微处理器跟计量芯片的SPI总线使用了德州仪器生产专用的高速隔离通信芯片，I/O连接部分使用了光电耦合器，使得跟人体有接触的微处理器部分跟高压完全隔离，保证仪器操作人员的安全；

所述通信模块由2路RS485总线、2路以太网端口、1路4G通信模块组成，RS485总线部分，主控微处理器的SCI通信模块，连接一个专用RS485收发器，通过静电、浪涌、短路保护跟外界设备相连，以太网部分，1路通过主控微处理器的RMII总线跟专用PHY芯片相连，1路通过SPI总线跟专用嵌入式以太网控制芯片相连，再分别通过RJ45接口连接外部网络，2路均支持IEEE 802.3以太网标准，自动选择10/100Mbps通讯速率、半双工/全双工通讯方式，向上层应用集成提供标准的BACNet和Modbus协议。4G模块支持最高150Mbps下行速率、50Mbps上行速率，LTE-TDD、LTE-FDD、TD-SCDMA、UMTS/HSDPA/HSPA+、CDMA、GSM、GPRS、EDGE，完全兼容目前各种通信方式，顺畅与手机终端通信。

本发明通过MCU实时获取各水泵的工作状态和相应的电量消耗，并根据预设的控制策略(一用一备、二用一备等)，当发现某一异常发生时，能够迅速的按既定预案进行切换。

同时，设备通过以太网、串口等通信接口，提供标准的BACNet和Modbus服务器，供上层应用集成。

所述开关量采集模块、模拟量采集模块、电量采集模块、继电器输出模块、模拟量输出模块和网络通讯模块可以被设计成外置的模块。

所述水泵一体化控制器接入水泵主回路中用于接收状态反馈信号。

所述模拟量采集模块能够采集水泵的温度信号。

本实用新型集成了控制、采集、通讯功能，只需接入水泵主回路的状态反馈信号，就能通过MCU发出指令对水泵进行启停控制，控制回路有了极大的优化精简，减少了控制回路的可能故障点，并减少了配电箱的生产人工成本；电量采集功能可以取代常规配电箱内的多功能仪表，精简配电箱设备。模拟量采集输出(4-20mA)功能，可以对变频器进行控制，对大、小水泵的控制方案全覆盖；同时能够采集水泵的一些特殊信号，比如温度等；多元化的网络通信功能。RS485串口可以采集配电箱内的其他MODBUS协议智能仪表数据，如消防模块、火灾漏电探测器等。以太网通信接入自控系统，实现远程对水泵进行启停控制，并监视配电箱和水泵的运行状态。

本实用新型的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本实用新型的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本实用新型的精神，都在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种水泵一体化控制器，其特征在于，包括：一体集成式的微处理器、开关量采集模块、模拟量采集模块、电量采集模块、电量计量芯片、继电器输出模块、模拟量输出模块和网络通讯模块，所述开关量采集模块微处理器的通用可编程I/O端口，模拟量采集模块连接微处理器的ADC引脚，所述电量采集模块实时采集当前水泵运行状态并通过SPI总线与所述电量计量芯片连接，所述电量计量芯片与微处理器连接，所述微处理器通过继电器输出模块控制大、小水泵工作与关断，所述微处理通过模拟量输出模块控制变频器，微处理器通过网络通讯模块与终端进行通信实现监控和预警。

2.如权利要求1所述的水泵一体化控制器，其特征在于：所述网络通讯模块包括以太网PHY模块和4G通讯模块，所述微处理器通过以太网PHY模块向上层应用集成提供标准的BACNet和Modbus协议，所述微处理器通过4G通讯模块与手机终端通信。

3.如权利要求1所述的水泵一体化控制器，其特征在于：所述模拟量采集模块、模拟量输出模块为4-20mA输出模块，总非调整误差典型值为±0.01％FSR。

4.如权利要求1所述的水泵一体化控制器，其特征在于：所述开关量采集模块、模拟量采集模块、电量采集模块、继电器输出模块、模拟量输出模块和网络通讯模块可以被设计成外置的模块。

5.如权利要求1所述的水泵一体化控制器，其特征在于：所述水泵一体化控制器接入水泵主回路中用于接收状态反馈信号。

6.如权利要求1所述的水泵一体化控制器，其特征在于：所述模拟量采集模块还能够采集水泵的温度信号。

Images