TWI807409B

TWI807409B - 抽水馬達控制系統

Info

Publication number: TWI807409B
Application number: TW110133210A
Authority: TW
Inventors: 呂蘋
Original assignee: 新範科技有限公司
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2023-07-01
Also published as: TW202311884A

Abstract

一種抽水馬達控制系統，其中包括：馬達啟動開關、馬達停止開關、電流感測器、感測界面電路、顯示界面、設置界面、微控制器、直流電源、水位開關並接點、抽水馬達並接點、交流市電並接點與控制軟體，能避免馬達長期不運轉的卡死問題，也能避免停水造成的馬達空轉損壞，同時也能在停水前預先儲水，停水期間關閉抽水馬達，復水時再正常抽水。

Description

抽水馬達控制系統

本創作為一抽水馬達控制系統，能避免抽水馬達長期不運轉的卡死問題，也能避免停水造成的抽水馬達空轉損壞，同時也能在停水前預先儲水，復水時恢復正常抽水。

自來水公司的停水以時間長度可以區分為兩種，一種為週期性的限水，一種為短期性的停水，週期性的限水會有固定的停水日與供水日，自來水公司會事先公告並呼籲用戶儲水備用，短期性的停水則為不定時間的停水，依其預測性又可區分為事先公告的短期停水與不可預測的臨時停水，其中事先公告的短期停水原因可能為管線抽換、原水濁度過高等問題，而不可預測的臨時停水則無法事先得知，如施工時挖破管線、臨時的緊急水源調度等。

圖1為目前透天房子給水系統常見的配置，其中水塔2用於儲水，抽水馬達5為一抽水幫浦，將自來水管3裡面的自來水加壓，然後沿著進水管6通過浮球閥7進入水塔2之內，水塔的上方通常裝設有一水位開關10，其內部安排有一彈簧使該水位開關10在未被拉動時保持斷路，同時該水位開關10具有兩個密度與水一樣或略小於水的浮球8與浮球9以細繩相連，當水位高度低於低水位14時浮球8 與浮球9都會懸空一起向下拉動水位開關10，使水位開關10導通。

抽水馬達5的電線配置為交流市電12經過水位開關配線11串連水位開關10再通到抽水馬達5並由馬達配線18回到交流市電12構成一個供電迴路，因此當水塔水位低於低水位14時，抽水馬達5將會因為水位開關10的導通而開始抽水。

當抽水馬達5開始抽水後，水位將會持續上升，當水位到達高水位15時因為浮球8與浮球9都會浮在水面上而失去拉動水位開關10的重力而使水位開關10彈開，此時水位開關10斷路，抽水馬達停止抽水。

當水位介於低水位14與高水位15之間時，浮球9浮在水面上，只有浮球8懸空，只靠浮球8的重力拉住水位開關10並不會改變水位開關10的導通或關閉狀態，開關狀態會維持原有不變，因此只有在水位低於低水位14時抽水馬達才會開始抽水，要一直抽到水位到達高水位15時才會停止，水位開關10斷開；反之，用戶由滿水位開始用水使水位降低時，水位開關10維持於斷開狀態，此時也是浮球9浮在水面上，只有浮球8懸空，抽水馬達並不會立刻啟動。

在自來水水壓充足時，自來水往往可以直接通過抽水馬達5，再經由進水管6、浮球閥7而直接進入水塔2之內，浮球閥7具有一個機械相連的空心浮球，當水位高度到達滿水位16時，浮球閥7會因為空心浮球向上浮起而關斷水流，避免水塔不斷補水而滿溢。

瞭解上述的水塔工作原理之後就可以知道，前述的水塔系統存在下列缺失：一、某些自來水用戶水壓充足，水塔水位從來不會低於低水位14，因此抽水馬達5其實長時間沒有機會運轉，於是抽水馬達5所驅動的幫浦機械往往因為水垢或其他潤滑問題而卡死，當某些時候自來水水壓降低而不再直接進入水塔時，水塔內的水位將會因為用戶用水而低於低水位14，此時抽水馬達5將會因為水位開關10導通而開始抽水，但抽水馬達5已經卡死因此不但無法抽水，還會使抽水馬達燒毀；二、當不預期停水時，如水位又因為用戶用水而低於低水位14，抽水馬達5將會開始抽水，然而因為自來水管3根本沒水，因此抽水馬達5將會不斷空抽，造成抽水馬達燒毀；三、預告停水前往往也會減壓供水，自來水無法直接流入水塔，因此停水時無法預知水塔內還剩多少水，此時應該儲水備用，但除非用戶爬上水塔，打開水塔蓋去拉動水位開關10，否則並無法命令抽水馬達5開始抽水，若停水前水位已接近低水位14，則停水後水塔內的存水將不足以撐過停水期限；四、預告停水時，用戶常遵照自來水公司指示關掉抽水馬達電源，當復水時仍要記得恢復電源否則將無法自動抽水，但停水後剛復水之時，用戶集體大量取水將使自來水水壓降低，如果立刻恢復電源可能使抽水馬達5開始運轉，卻仍抽不到水而使抽水馬達5有燒毀的可能，因此用戶需反覆確認供水充足始得恢復電源非常不便；五、當抽水馬達5正常抽水時，會有一個合理的抽水時間就能將水塔補滿，如果抽水時間過長可能是水位開關10故障而無法關斷，此狀況如果未被及時處理，抽水馬達5將不斷運轉，一方面浪費電力，另一方面仍有燒毀的可能，六、抽水馬達可能在半夜因為用水而啟動運轉造成噪音干擾。

目前市售的加壓抽水機為了避免抽水馬達燒毀，有些會在馬達或抽水機本體安排一個溫度開關，當抽水馬達溫度過高時會自動斷電，保護馬達不燒毀，但此種設計僅為消極的最後一道防線，因為一旦溫度降低，抽水馬達又會開始運轉直到溫度又過高，抽水馬達仍然無意義地反覆啟閉運轉。

另一方面，引證案1則揭露了一種感應抽水馬達運轉電流之馬達保護裝置，可以利用測量抽水馬達的運轉電流決定停止抽水的時機，同時對於抽水馬達已經卡死與停水空抽，也可因為其運轉電流不同而予以偵測斷電，達到保護抽水馬達的目的。本發明與引證案1之不同在於引證案1不具主動啟動抽水馬達的相關功能設計，也沒有主動在停水期間切斷抽水馬達電源的安排，對於抽水馬達卡死問題也只能被動偵測斷電而無法主動避免，由引證案1的”第三圖”中”PSW”配置，與引證案1的”第五圖、第六圖、第七圖”的動作流程圖可以清楚知道，其水塔系統為手動啟動抽水馬達，再藉由該發明被動的切斷抽水馬達電源，並無本發明一系列自動啟動抽水馬達抽水與主動關斷抽水馬達電源的功能，本發明所能解決的問題涵蓋引證案1並且遠大於該引證案。

【引證案】

引證案1：中華民國專利公告號321298號

本發明為一抽水馬達控制系統，這個系統可以加裝在現有的抽水馬達線路之上而包含有下列功能：抽水馬達定期轉動以避免卡死、監督抽水馬達合理運轉時間以避免異常持續抽水、監督抽水馬達合理運轉電流避免抽水馬達燒毀、馬達抽水時若遇停水能自動停止避免抽水馬達空抽，並且每隔一段時間再嘗試為水塔抽水、使用者可以單次操作抽滿水以因應臨時性停水、使用者可以設定停水週期使系統可以定期抽滿水並定期關掉抽水馬達電源以因應週期性停水、使用者亦可直接設定每天固定時間抽滿水以避免深夜抽水噪音並且不擔心無預期之停水。

2:水塔

3:自來水管

4:開關閥

5:抽水馬達

6:進水管

7:浮球閥

8:上浮球

9:下浮球

10:水位開關

11:水位開關配線

12:交流市電

13:水塔內水位

14:低水位

15:高水位

16:滿水位

17:馬達控制器

18:馬達配線

19:抽水馬達控制系統

21:馬達啟動開關

22:馬達停止開關

23:電流感測器

24:感測界面電路

25:微控制器

26:顯示界面

27:設置界面

28:直流電源

29:水位開關並接點

210:抽水馬達並接點

211:交流市電並接點

30:控制軟體

31:定時短時間啟動程序

32:定期抽滿水程序

33:參數設定程序

34:馬達保護程序

圖1為傳統水塔的配線圖，圖2為本發明的硬體架構圖，圖3為本發明的主要軟體程序示意圖，圖4為本發明與傳統水塔結合後的配接示意圖。

本發明所創作之抽水馬達控制系統19依照軟硬體區分為馬達控制器17及控制軟體30，如圖2所示，馬達控制器17包括：馬達啟動開關21、馬達停止開關22、電流感測器23、感測界面電路24、微控制器25、顯示界面26、設置界面27、直流電源28，其中馬達啟動開關21和馬達停止開關22都可以接受微控制器25的控制，使其導通或斷路，該開關可以為繼電器、半導體固態開關、半導體閘控體(TRIAC、SCR)等。而電流感測器23安排於抽水馬達5的電源電路上，可以偵測抽水馬達的消耗電流，該元件可以為比流器、霍爾元件感測器或串聯電阻器等電流量測方法，而感測界面電路24則將電流感測器23的輸出調整到適合微控制器25讀取的訊號格式，如此一來微控制器25就可以得到抽水馬達5的運轉電流數據。

水位開關並接點29用來和水塔上的水位開關10並聯相接，抽水馬達並接點210則用來提供電源給抽水馬達5，交流市電並接點211則連接到交流市電12。

抽水馬達控制系統19與現有的水塔系統結合如圖4所示，該抽水馬達控制系統19分別連接到交流市電12、水位開關配線11與馬達配線18，馬達啟動開關21以水位開關並接點29和水位開關10並聯相接，因此可以在需要時不經水位開關10而直接啟動抽水馬達5，同樣的，馬達停止開關22則和水位開關10串聯相接，當水位開關10導通中，若將馬達停止開關22斷路，則可以強制將抽水馬達5停止運轉。

顯示界面26可以是單顆LED、LED Bar、七段顯示器、小尺寸文數字LCD等指示裝置，設置界面27則可以是一個或數個開關按鍵等，兩者配合用於引導使用者設定該抽水馬達控制系統19的運作參數，如供/停水的間隔、重新學習抽水馬達抽水電流值等，也可以操作單次抽滿水以儲水備用，微控制器25則包含一微處理機晶片，可以用來執行本發明所揭示的控制軟體30。

控制軟體30主要程序如圖3所示，包括：定時短時間啟動程序31，其功能為固定一段間隔時間之後透過控制馬達啟動開關21與馬達停止開關22，讓抽水馬達的機械部件週期性地運轉，避免馬達因長時間未運轉而卡死；定期抽滿水程序32，其功能為固定週期時間把水塔補滿，由於抽水馬達控制系統19內具有一個時鐘計時器，當使用者透過設置界面27設定好停水週期後(如供五停二，即一週供水五天停水兩天)，每隔一週的相同時間，定期抽滿水程序32會在同一時間接通馬達啟動開關21將水塔抽滿水以便度過接下來的停水日子，定期抽滿水程序32也可以直接設定為每天的同一時間將水塔抽滿，避免半夜用水時剛好啟動抽水馬達製造噪音困擾，同時每天抽滿水也可以克服不預期的停水問題，停水期間則會在抽水一小段時間後因為抽水馬達空抽而停止抽水；參數設定程序33，其功能為設定抽水馬達控制系統19的運作參數，這些參數包括供/停水的間隔、馬達的運作狀態指示、馬達合理的抽水時間、判斷馬達運轉狀態的電流參數等，其中馬達運轉狀態的電流參數至少包含下列數種狀態：馬達停止、馬達空抽、馬達正常抽水中、馬達減壓抽水、馬達抽滿水、馬達卡死等狀態；馬達保護程序34則隨時在監督馬達的運轉是否超出正常，它會依照參數設定程序33所設定的相關參數等，在必要時關斷抽水馬達避免其燒毀。

參數設定程序33在設定抽水馬達控制系統19的馬達運作參數時，可以無須使用者輸入數值，而是經由長時間連續紀錄抽水馬達5的日常運轉電流而得知該馬達正常抽水的電流大小與馬達合理的抽水時間，至於獲知馬達抽滿水時的電流大小程序可以如下：當抽水馬達持續抽水使得水位開始接近滿水位16時，因為浮球閥7的開啟度會隨浮球上升而逐漸變小，使得抽水的水流逐漸變小，此時抽水馬達5的運轉電流也會漸漸由正常抽水的運轉電流變化到馬達抽滿水的運轉電流，因此參數設定程序33可以透過連續抽水的方式記錄抽水馬達5的運轉電流變化而得知馬達抽滿水的電流參數。

參數設定程序33也可以引導使用者在首次安裝本發明時以手動關掉自來水入水的開關閥4而得知馬達空抽的運轉電流。

此外，馬達卡死的運轉電流可以直接由馬達正常抽水的運轉電流的比例推估得知，因此本發明可以在系統首次安裝後在無須使用者介入的情況下而獲得所有馬達運轉電流與時間參數，使用者僅需利用設置界面27與顯示界面26而設定停水週期即可，一經設定後系統即可自行運作而無須使用者再介入。

藉由馬達控制器17與控制軟體30的運作，本抽水馬達控制系統19包含有下列功能：抽水馬達定期轉動以避免卡死、監督抽水馬達合理運轉時間以避免異常持續抽水、監督抽水馬達合理運轉電流避免抽水馬達燒毀、馬達抽水時若遇停水能自動停止避免抽水馬達空抽，並且每隔一段時間再嘗試為水塔抽水、使用者可以單次操作抽滿水以因應臨時性停水、使用者可以設定停水週期使系統可以定期抽滿水並定期關掉抽水馬達電源以因應週期性停水、使用者亦可直接設定每天固定時間抽滿水以避免深夜抽水噪音並且不擔心無預期之停水。