智能水泵控制器的设计与应用

摘要： 针对传统水泵控制方式存在的问题，设计一种多回路智能水泵控制器，具有现场手动控制、后台远程控制和也为自动控制等多种控制方式。

0 引言

在生产自动化场合和楼宇中，存在着大量的风机、水泵，出于成本考虑，普遍使用按钮、热继电器等作为控制保护元件。热继电器本身存在设计缺陷，重复性差、可靠性低，存在保护隐患，且传统的水泵控制方式存在控制线路复杂、功能单一、后期维护困难等缺陷。因此传统水泵控制明显无法满足信息化和智能化的功能要求。随着微控制器的发展，测量保护技术的成熟，也改变着传统水泵的应用方式，从按钮指示灯到目前的一体式智能控制器的转变。

1 智能水泵控制器的功能

智能控制器需要的功能有：电压、电流、液位(开关或模拟量)的测量功能；过/欠压、相序、过载、欠载（干转）、断相等故障的保护功能；手动/液位的控制功能；水泵运行故障和液位异常的报警功能；水泵运行信息的管理功能；与上位机系统的通讯功能。

1.1 主控芯片

MCU芯片采用Freescale公司的Coldfire-V1（具有硬件乘法累加MAC单元）架构内核的32位处理器MCF51EM256，时钟频率最高可达50.33MHz，内置256K的Flash、16K的RAM、3路定时器、3路SCI通讯接口、内置RTC时钟、I2C、SPI、KBI接口等多种资源，片内集成带可编程延迟模块PDB和4个16位SAR型ADC，PDB可以直接控制触发ADC的采样，完成了高精度的电压、电流的交流采样和液位测量，测量精度可以达到0.5级，具有极高的性价比。

1.2 电压、电流、液位信号采集电路

电压采集电路如图1所示。三相电压Ua、Ub、Uc采用电阻降压的方式，给采样信号加入抬高电压VREF，使交流信号的幅值大于零，便于AD采样。在电路的输出端，MCU芯片的AD输入端加入限压二极管，限制输入电压小于（钳位电压）3.3V，能对MCU芯片的AD采样通道起到很好的保护作用。

图1 电压采集电路

液位信号普遍采集电路如图2所示，当液位传感器为两线制的4-20mA接口时，要求我们的控制器输出一个24VDC电源，安装电阻R22、R45。当液位传感器为三线制的4-20mA接口时，传感器供电由外部开关电源提供，安装电阻R44、R45。当液位传感器为0-10V接口时，安装电阻R44（0Ω）、R45。同理，在液位采集通道处也应加入保护电路。

图2 液位信号采集电路

2 传统水泵的控制方式

在传统的水泵的控制回路中，通常主回路由断路器，接触器和热继电器组成；控制回路一般由指示灯、仪表、控制按钮、转换开关、热继电器、时间继电器等组成。传统的水泵控制方式内部接线复杂，给检修人员调试设备与查找错误接线带来难度，且功能一般比较单一，智能化改造无法接入系统，增加了后续设备投入。

智能水泵控制器，集成了水泵控制需要的电气元件，包括电压电流显示、多功能保护继电器、手/自动转换开关、启/停按钮、水位和水泵状态指示等于一体，面柜式安装。在给/排水自动模式下，两泵交替互备，根据水位不同情况，控制方式支持中水位一台水泵运行，高(低)水位两台水泵同时运行。电流保护支持独立开/关设置，支持备用泵只报警不脱扣，满足地下车库、消防栓等消防场所应用。智能型水泵控制器的二次接线图如图3所示。相比于传统方式，其具有接线简单，功能强大，后期升级方便等优点。

图3 智能水泵控制器一用一备全压起动液位控制器控制电路图

3 性能比较

智能型控制器可有效解决传统水泵控制的安全可靠度低、控制箱体尺寸大、能耗高、智能化低、升级难等问题。传统控制箱和智能水泵控制箱体的性能对比如表1所示。

表1 传统控制箱和智能水泵控制箱控制方式性能比较

技术性能指标	传统水泵控制箱	智能水泵控制箱	对比结果
电源电压	AC187~231V	AC85V265V/DC100V350V	电压使用范围明显增大
总体耗能	50W以上	7W左右	能耗降低86%
接线接点	180点	41点	接点减少77%
二次线	120m	30m	节约二次线70%
绝缘电阻	1MΩ以上	100MΩ	绝缘安全性增强
占用体积	分布安装，占用体积大	集中安装，占用体积小	箱体尺寸减少约30%
抗振性	——	能承受GB/T 11287－2000规定的等级为I级振动响应和耐久试验	——
抗干扰性	——	能承受GB/T 17626.2到GB/T 17626.6规定的Ⅲ级干扰	——
环境适应性	——	污染等级3级	——

4 应用

地铁、地下车站或桥梁隧道由于渗水或降雨，导致大量的积水，严重影响工作和人们的正常出行，需要定期或不定期抽排水。要求：由两台污水泵实现集水池积水的排放处理；两台污水泵交替排水工作，以防锈蚀卡死；、当前工作的污水泵出现故障时，备用泵能够自动投入；当集水池中水位时一台水泵运行，高水位时两台水泵同时运行；当集水池处于高水位时，水位报警；具有低水位、中水位、高水位、报警、故障指示灯指示。根据要求，设计两台水泵液位控制的安装方式，如图4所示。

图4 两台水泵液位控制的安装方式

5 结语

采用智能水泵控制器为核心的水泵控制管理系统替代传统或PLC方案的控制方案，实现无人值守的自动给/排水功能，并具有丰富的保护功能，使水泵运行更安全。

审核编辑：汤梓红