智能水泵控制器的設計與應用

黃海1 任杰2 陸偉青2

（1.中建三局集團有限公司建筑設計院 武漢430064；2.安科瑞電氣股份有限公司 上海 201801）

    摘要：針對傳統水泵控制方式存在的問題，設計一種多回路智能水泵控制器，具有現場手動控制、后臺遠程控制和也為自動控制等多種控制方式。

    0 引言

    在生產自動化場合和樓宇中，存在著大量的風機、水泵，出于成本考慮，普遍使用按鈕、熱繼電器等作為控制保護元件。熱繼電器本身存在設計缺陷，重復性差、可靠性低，存在保護隱患，且傳統的水泵控制方式存在控制線路復雜、功能單一、后期維護困難等缺陷。因此傳統水泵控制明顯無法滿足信息化和智能化的功能要求。隨著微控制器的發展，測量保護技術的成熟，也改變著傳統水泵的應用方式，從按鈕指示燈到目前的一體式智能控制器的轉變。

    1 智能水泵控制器的功能

    智能控制器需要的功能有：電壓、電流、液位(開關或模擬量)的測量功能；過/欠壓、相序、過載、欠載（干轉）、斷相等故障的保護功能；手動/液位的控制功能；水泵運行故障和液位異常的報警功能；水泵運行信息的管理功能；與上位機系統的通訊功能。

    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單元）架構內核的32位處理器MCF51EM256，時鐘頻率最高可達50.33MHz，內置256K的Flash、16K的RAM、3路定時器、3路SCI通訊接口、內置RTC時鐘、I2C、SPI、KBI接口等多種資源，片內集成帶可編程延遲模塊PDB和4個16位SAR型ADC，PDB可以直接控制觸發ADC的采樣，完成了高精度的電壓、電流的交流采樣和液位測量，測量精度可以達到0.5級，具有極高的性價比。

    1.2 電壓、電流、液位信號采集電路

    電壓采集電路如圖1所示。三相電壓Ua、Ub、Uc采用電阻降壓的方式，給采樣信號加入抬高電壓VREF，使交流信號的幅值大于零，便于AD采樣。在電路的輸出端，MCU芯片的AD輸入端加入限壓二極管，限制輸入電壓小于（鉗位電壓）3.3V，能對MCU芯片的AD采樣通道起到很好的保護作用。

圖1 電壓采集電路

    液位信號普遍采集電路如圖2所示，當液位傳感器為兩線制的4-20mA接口時，要求我們的控制器輸出一個24VDC電源，安裝電阻R22、R45。當液位傳感器為三線制的4-20mA接口時，傳感器供電由外部開關電源提供，安裝電阻R44、R45。當液位傳感器為0-10V接口時，安裝電阻R44（0Ω）、R45。同理，在液位采集通道處也應加入保護電路。

圖2 液位信號采集電路

    2 傳統水泵的控制方式

    在傳統的水泵的控制回路中，通常主回路由斷路器，接觸器和熱繼電器組成；控制回路一般由指示燈、儀表、控制按鈕、轉換開關、熱繼電器、時間繼電器等組成。傳統的水泵控制方式內部接線復雜，給檢修人員調試設備與查找錯誤接線帶來難度，且功能一般比較單一，智能化改造無法接入系統，增加了后續設備投入。

    智能水泵控制器，集成了水泵控制需要的電氣元件，包括電壓電流顯示、多功能保護繼電器、手/自動轉換開關、啟/停按鈕、水位和水泵狀態指示等于一體，面柜式安裝。在給/排水自動模式下，兩泵交替互備，根據水位不同情況，控制方式支持中水位一臺水泵運行，高(低)水位兩臺水泵同時運行。電流保護支持獨立開/關設置，支持備用泵只報警不脫扣，滿足地下車庫、消防栓等消防場所應用。智能型水泵控制器的二次接線圖如圖3所示。相比于傳統方式，其具有接線簡單，功能強大，后期升級方便等優點。

圖3 智能水泵控制器一用一備全壓起動液位控制器控制電路圖

    4 性能比較

    智能型控制器可有效解決傳統水泵控制的安全可靠度低、控制箱體尺寸大、能耗高、智能化低、升級難等問題。傳統控制箱和智能水泵控制箱體的性能對比如表1所示。