供水管道控制设备及带有该设备的供水管网互联控制系统的制作方法

本实用新型涉及供水设备技术领域，具体涉及一种供水管道控制设备及采用该设备的供水管网互联控制系统。

背景技术：

目前，乡镇的供水管理方式是人工读取并记录分布于乡镇中供水管网内的机械水表，如遇管道漏水或破裂，还得依靠经验及分段探测的方式寻找漏水点。为适应村落式分布的乡镇居民用水需求，供水管网的排布区域一般非常大，在如此落后的管理情形下，不仅浪费了大量的人力、物力，而且获取的供水信息并不及时，无法快速判断管道泄压点，又无法获知管道内供水压力是否正常，不利于水资源的合理调配；许多用户也不能及时知道自己的用水情况，无法根据需要合理使用水资源，因此浪费了大量水资源。

另一方面，由于村落点多面广，供水管网出口众多，即使单个出口点的自来水被污染的概率极低，但在如此众多的供水管网出口的放大效应下，管道内自来水被污染的宏观概率已非常高，因此需要及时了解供水管道内水质情况，并能够根据情况及时采取有力措施封闭污染段。

公开日为2016年11月16日的中国专利文献CN106124727A公开了一种水质在线监控系统，包括：采水单元、配水单元、预处理单元、检测单元、数据采集与传输单元、系统控制单元，系统控制单元通过有线或无线的方式与中心站数据采集和控制系统进行数据通讯；其中，所述采水单元，用于设置于配水系统中用于采集预定位置的水；所述配水单元，用于将采水单元采集的水输送至预处理单元；所述预处理单元，用于对采集的水进行预处理；所述检测单元，包括采集水的各种水质的传感器，用于检测采集到的水的各种参数；所述数据采集与传输单元，用于将水的各种参数输出至系统控制单元；所述系统控制单元，用于控制采水单元、配水单元、预处理单元、检测单元、数据采集与传输单元各单元的工作状态；所述中心站数据采集和控制系统，用于获取系统控制单元输出的水的参数，对所述水的参数进行分析，显示、输出所述水的参数；所述传感器包括pH传感器、电导率传感器、浊度传感器、ORP传感器、温度传感器、余氯/总氯传感器、重金属离子传感器、水压传感器、水流量传感器。该技术方案仅具有信息采集功能，不具备传感－控制－执行的完整控制链条。

技术实现要素：

本实用新型要解决的问题是提供一种供水管道控制设备，其能够采集供水管道内水质信息，并能够通过电动阀门开通或截断该电动阀门处的管道水流。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

设计一种供水管道控制设备，包括：电源单元、用于采集供水管道内水信息的水信息传感模块、控制单元以及用于安装在供水管道内的电动阀门，所述电源单元分别为所述水信息传感模块、控制单元、电动阀门供电，所述水信息传感模块输出与所述控制单元匹配的信号，所述控制单元接收来自所述水信息传感模块的电信号、发出电动阀门控制信号，所述电动阀门接收来自控制单元的信号；所述水信息传感模块包括：用于采集供水管道内余氯信息的余氯传感电路、用于采集供水管道内水质pH值信息的pH传感电路以及用于采集供水管道内水质浊度的浊度传感电路。该技术方案中，水信息传感模块、控制单元、电动阀门构成完整的包含前向电路、控制设备、后向执行机构的自动化设备。

其中，在所述电动阀门的两侧方，所述供水管道内分别设有一个手动阀门；所述控制单元可以是单片机、PLC控制器或工控机；所述水信息传感模块的输出电信号可以是模拟信号，相应的，所述控制单元配有ADC转换器；所述水信息传感模块输出的电信号也可以是数字信号。

优选的，所述控制单元是内置DAC转换器的单片机，所述电动阀门为伺服型电动阀门；所述控制单元还包括用于转换控制单元输出信号的阀门控制开关电路，所述阀门控制开关电路通过改变输出信号控制所述电动阀门相对于供水管网截面的开通比例。

进一步的，所述单片机还内置有ADC转换器，所述供水管道控制设备还包括阀门位置反馈电路，所述伺服型电动阀门带有伺服放大器，所述阀门位置反馈电路的输入端依次分别与所述伺服放大器的位置输入引脚电连接，所述阀门位置反馈电路的输出端与所述单片机的ADC端口电连接。

更进一步的，所述电动阀门型号为天津贝尔自动化仪表公司生产的配有DKZ430阀门执行机构的ZAZP-16，所述DKZ430阀门执行机构带有伺服放大器；所述阀门控制开关电路包括电流环变送器，所述阀门控制开关电路与DKZ430阀门执行机构采用比例式接线方式。

优选的，所述单片机内置有ADC转换器，所述余氯传感电路包括带有余氯试剂的壁挂式余氯分析仪，在所述壁挂式余氯分析仪的下方设有样品排出液收集容器，所述余氯分析仪的样品排出管延伸至所述样品排出液收集容器内，所述余氯传感电路的输出端与所述单片机的ADC端口电连接。

进一步的，所述单片机型号为STM32F103，所述余氯分析仪型号为：CL17余氯分析仪。

优选的，所述水信息传感模块还包括：控制器；所述单片机内置有ADC转换器，所述pH传感电路包括pH计，该pH传感电路的输出端与所述控制器的传感器模块连接器电连接；所述浊度传感电路包括浊度传感器，所述浊度传感电路的输出端与所述控制器的传感器模块连接器电连接；所述控制器的两个对应的输出端与所述单片机的ADC端口依次分别电连接。

进一步的，所述控制器型号为SC200控制器，该SC200控制器的额定电压为220VAC；所述浊度传感器型号为1720E浊度仪，所述pH计型号为PD1R1差分式pH计，该pH计为pH传感器、ORP传感器二合一型，所述浊度传感器与所述控制器的安装距离小于9.6米。

优选的，所述水信息传感模块还包括：用于传感供水管道内水压的水压传感电路以及用于传感供水管道的截面水流的流量传感电路，所述单片机内置有ADC转换器，所述水压传感电路包括压力传感器，所述水压传感电路的输出端与所述单片机的ADC端口电连接；所述流量传感电路包括流量计，所述流量传感电路的输出端与所述单片机的ADC端口电连接。

进一步的，所述压力传感器型号为商标为LEEC、量程为1MP的SMP858-DSF-S105G-F单晶硅表压力变送器；所述流量计型号为天津流量仪表公司生产的LWY-50。

与现有技术相比，上述供水管道控制设备的有益技术效果是：

1.能够采集供水管道内水质信息，并能够通过电动阀门开通或截断该电动阀门处的管道水流；

2.在两个相邻的手动阀门之间的管道内安装电动阀门，优点之一是便于改造现有管网，安装电动阀门；优点之二是手动阀门与电动阀门构成冗余配置，管网稳定性更高。

本实用新型还提供一种带有上述供水管道控制设备的供水管网互联控制系统，包括网络设备、远端服务器以及上述供水管道控制设备，所述供水管道控制设备通过网络设备与远端服务器通讯连接。

其中，所述通讯连接方式可以是通过RS485总线、RS232总线、光纤通讯、无线通讯等方式。

优选的，所述网络设备为DTU，所述控制单元通过总线电路与所述DTU总线连接，接入通讯网络的远端服务器与所述DTU通讯连接。

进一步的，所述总线电路为主要由RS485转换芯片构成的RS485总线电路，所述单片机的串行引脚及控制引脚通过隔离电路与所述RS485转换芯片的输入端电连接，所述RS485转换芯片的输出端与所述DTU的RS485接口通过双绞线电连接。

更进一步的，所述DTU设备型号为深圳市宏电公司生产的H7118型DTU。

优选的，所述控制单元包括第一光纤发射电路与第一光纤接收电路；所述远端服务器包括相同规格的第二光纤发射电路与第二光纤接收电路；所述第一光纤发射电路与所述第二光纤接收电路通过光纤通讯连接，所述第一光纤接收电路与所述第二光纤发射电路通过光纤通讯连接。

优选的，所述远端服务器连接有外放喇叭。

与现有技术相比，上述供水管网互联控制系统的有益技术效果是：

1.与远端服务器连接的供水管道控制设备通过远端服务器组网，有利于工程人员了解管网中的多点管道内信息，并在远端控制供水管道控制设备动作以建立迅速反应能力，提高工作效率；

2.流量计、电动阀门接入远端服务器后，供水公司可在远端获取自来水使用信息并控制电动阀门动作实现入户供水的远端管理，节省人力资源。

附图说明

图1为一种带有供水管道控制设备的供水管网互联控制系统的安装示意图之一，图中，去掉网络设备和远端服务器后的部分为供水管道控制设备的安装示意图。

图2为一种带有供水管道控制设备的供水管网互联控制系统的安装示意图之二，图中，去掉网络设备和远端服务器后的部分为供水管道控制设备的安装示意图。

图3为一种带有供水管道控制设备的供水管网互联控制系统的原理框图之一，图中，去掉网络设备和远端服务器后的部分为供水管道控制设备的原理框图。

图4为一种带有供水管道控制设备的供水管网互联控制系统的原理框图之二，图中，去掉网络设备和远端服务器后的部分为供水管道控制设备的原理框图。

图5为一种供水管道控制设备的电源单元的电气原理图，其中，VCC为输出5VDC电压，VDDA为输出3.3VDC电压。

图6为一种供水管道控制设备的控制单元中单片机部分的电气原理图，其中，引脚15、引脚16、引脚17、引脚18、引脚33、引脚34均定义为ADC端口，引脚29定义为DAC端口，引脚63、引脚64、引脚70定义为通用I/O端口。

图7为一种供水管道控制设备的控制单元中阀门控制开关电路的电气原理图，端口9、端口12均为DKZ430中伺服放大器的接线引脚。

图8为一种供水管道控制设备的前向电路的电气原理图，其中，EN1为余氯传感电路的输出端，EN2为浊度传感电路的输出端，EN3为pH传感电路的输出端，EN4为水压传感电路的输出端，EN5为流量传感电路的输出端，EN6为阀门位置反馈电路的输出端，端口8、端口9均为DKZ430中伺服放大器的接线引脚。

图9为一种供水管道控制设备的RS485协议电路的电气原理图。

图10为一种供水管道控制设备的光纤通讯电路的电气原理图，其中，OUT8为光纤信号发送电路，EN9为光纤信号接收电路，其中OUT8接图3中的引脚63，EN9接图3中的引脚64。

图中，1为水信息传感模块，11为手动阀门，12为控制器，13为浊度传感器，14为pH计，15为余氯分析仪，16为压力传感器，17为流量计，2为智能采集终端箱，3为电动阀门，31为电动调节阀，32为阀门执行机构，33为伺服放大器，4为网络设备，5为远端服务器，51为光纤接收芯片，52为光纤发射芯片，6为控制单元，61为单片机，62为RS485转换芯片，63为电流环变送器，64为光纤发射芯片，65为光纤接收芯片，7为电源单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本实用新型的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本实用新型，并不以任何方式限制本实用新型的范围。

以下实施例中所涉及或依赖的程序均为本技术领域的常规程序或简单程序，本领域技术人员均能根据具体应用场景做出常规选择或者适应性调整。

以下实施例中所涉及的单元模块（零部件、结构、机构）或传感器等器件，如无特别说明，则均为常规市售产品。

以下实施例中采用的元器件中：单片机型号为STM32F103，余氯分析仪型号为：CL17余氯分析仪，该余氯分析仪的额定电压为220VAC；控制器型号为SC200控制器，该SC200控制器的额定电压为220VAC；浊度传感器型号为1720E浊度仪；所述pH计型号为PD1R1差分式pH计，该pH计为pH传感器、ORP传感器二合一型；压力传感器型号为商标为LEEC、量程为1MP的SMP858-DSF-S105G-F单晶硅表压力变送器；流量计型号为天津流量仪表公司生产的LWY-50；电动调节阀型号为天津贝尔自动化仪表公司生产的配有DKZ430执行机构的ZAZP-16，所述DKZ430执行机构带有伺服放大器，该DKZ430执行机构的额定电压为220VAC； DTU设备型号为深圳市宏电公司生产的H7118型DTU。详细注意事项请参阅对应型号说明书。

实施例1：一种供水管道控制设备，参见图1、图3以及图5-8，包括：电源单元7、用于采集供水管道内水信息的水信息传感模块1、控制单元6以及安装于供水管道内的电动阀门3，电源单元7分别为水信息传感模块1、控制单元6、电动阀门3供电，水信息传感模块1输出与控制单元6匹配的信号，控制单元6接收来自水信息传感模块1的信号、发出电动阀门控制信号，电动阀门3接收来自控制单元6的信号；水信息传感模块1包括：用于采集供水管道内余氯信息的余氯传感电路、用于采集供水管道内水质pH值信息的pH传感电路以及用于采集供水管道内水质浊度的浊度传感电路。该技术方案中，水信息传感模块1、控制单元6、电动阀门3构成完整的包含前向电路、控制设备、后向执行机构的自动化设备。

本实施例中，控制单元6主要由单片机61构成，在其它实施例中，还可选择PLC控制器或工控机，具体请参照对应设备说明书与本实施例中单片机对比以作相应改进；本实施例中，单片机61型号选为STM32F103VxTxx，其内置有ADC芯片和DAC芯片，水信息传感模块6的输出电信号为模拟信号，在其它一些实施例中，控制单元6也可以连接ADC转换器、D/A转换器以匹配水信息传感模块6输出的模拟信号以实现相应功能；在其它一些实施例中，水信息传感模块6输出的电信号也可以是数字信号，则可以直接与控制单元6的相应引脚相连接。

本实施例中，电源单元主要通过图5所示降压电路提供5VDC的VCC输出和3.3VDC的VDDA输出，该降压电路选择24VDC输入电源，其可通过220VAC及降压设备实现。

参见图1、图3、图6和图8，本实施例中，余氯传感电路包括带有余氯试剂的壁挂式余氯分析仪15，余氯分析仪15型号为：CL17余氯分析仪，该余氯分析仪15接接入220VAC市电，在所述壁挂式余氯分析仪的下方设有样品排出液收集容器，所述壁挂式余氯分析仪的样品排放管伸入样品排出液收集容器内；余氯传感电路的输出端EN1与单片机61的ADC端口15电连接。

参见图1，图3、图6和图8，本实施例中，水信息传感模块1还包括：控制器12，控制器12的型号选用SC200控制器，，控制器12接入220VAC的市电；pH传感电路包括pH计14，本实施例中，pH计14型号选为PD1R1差分式pH计，该pH计为pH传感器、ORP传感器二合一型；该pH传感电路的输出端EN3与控制器12的传感器模块连接器（请参照SC200控制器说明书）电连接；浊度传感电路包括浊度传感器13，浊度传感器13型号为1720E浊度仪，其允许12VDC±5%，故采用24VDC与两个串联电阻的方式提供电压；在SC200上对应的pH传感电路EN3、浊度传感电路的输出端EN2与单片机61的ADC端口引脚16、引脚17电连接。

应当注意：根据1720E浊度仪说明书，浊度传感器13与控制器12的最大电缆长度为9.6米。

参见图1，图3、图6和图8，本实施例中，水信息传感模块1还包括：用于传感供水管道内水压的水压传感电路以及用于传感供水管道的截面水流的流量传感电路，所述水压传感电路包括压力传感器16，压力传感器16型号为商标为LEEC、量程为1MP的SMP858-DSF-S105G-F单晶硅表压力变送器，所述水压传感电路的输出端EN4与单片机61的ADC端口引脚18电连接；所述流量传感电路包括流量计17，流量计17型号为天津流量仪表公司生产的LWY-50，流量传感电路的输出端EN5与单片机61的ADC端口引脚33电连接。

应当注意：供水管网的水压约为0.4MP，因此压力传感器的量程需选择合适区间，流量计的选型也需适配供水管网水压。

参见图1、图3、图6-7，本实施例中，电动调门3型号为天津贝尔自动化仪表公司生产的配有DKZ430阀门执行机构32的ZAZP-16型电动调节阀31，所述DKZ430阀门执行机构32带有伺服放大器33，该DKZ430阀门执行机构32的额定电压为220VAC；控制单元6还包括用于转换控制单元输出信号的电动阀门3的阀门控制开关电路，所述阀门控制开关电路包括电流环变送器63，阀门控制开关电路与DKZ430阀门执行机构32采用比例式接线方式。比例式接线方式为伺服控制模式，可根据输入电流大小确定阀门的开通比例。

参见图1、图3、图6及图8，本实施例中，供水管道控制设备还包括阀门位置反馈电路，所述阀门位置反馈电路的输入端依次分别与伺服放大器33的位置输入引脚8、引脚7电连接，所述阀门位置反馈电路的输出端EN6与所述单片机61的ADC端口引脚34电连接，由于阀门执行机构32的位置信号同时与伺服放大器33和阀门位置反馈电路分别串联，因此，引脚8处利用上拉电阻R166灌电流以平衡损耗。

上述供水管道控制设备的安装过程是：将浊度传感器13，pH计14、余氯分析仪15、压力传感器16、流量计17、电动阀门3按其说明书安装在供水管道上，本实施例中，采用自供水管道上方向下安装在供水管道内，将浊度传感器13、pH计14的输出端依次分别安装在控制器12的传感器模块连接器内，其中，余氯分析仪15采用壁挂式安装在智能终端采集箱内，控制器12、伺服放大器33、电源单元7、控制单元6均安装在智能终端采集箱2内，之后按产品说明书校核各设备。

上述供水管道控制设备的工作过程是：水信息传感模块1将供水管道内水质的余氯信息、浊度信息、pH值信息、ORP信息、水管横截面的流量信息、水压信息经过传感器电路、模数转换后传递给控制单元6的单片机61，单片机61输出的电信号经过数模转换、电流环变送器变送后传递至电动阀门3的伺服放大器33，进而达到控制电动调节阀33开通或关闭该电动调节阀处供水管道的功能。阀门位置反馈电路利用电动阀门自带的位置反馈功能，并以反馈信号的形式经过传感器电路、模数转换后返回单片机61，形成PID控制回路。

上述供水管道控制设备的有益效果是：

1.能够采集供水管道内水压信息、水质信息、流经管道截面水流量信息，并能够通过电动阀门开通或截断该电动阀门处的管道水流；电动阀门与控制单元以执行-反馈机制工作，符合工业控制精神；

2.电动阀门为比例式电路连接，可通过单片机控制电动调节阀的开通比例，在寻找供水管网泄压点时，水压传感器为静态压力数据，为一种静态分析思路，通过控制电动阀门的比例式开合及水压传感器信息的动态变化，形成另一条执行-反馈机制，为动态分析思路，在寻找泄压点时效率提高，成功率增大。

实施例2：本实施例与实施例1大部分相同，不同之处在于，参见图2，在电动阀门3的两侧方，供水管道内分别设有一个手动阀门11。该种设置的优势是：既有的管网中，两相邻的手动阀门之间安装有机械式流量计，可以利用既有管网设置，便于供水管网的升级改造，成本低；且电动阀门3、流量计均设置于相邻的两个手动阀门11之间，便于电动阀门、流量计的维修更换。

实施例3：一种带有实施例1或实施例2中提及的供水管道控制设备的供水管网互联控制系统，参见图1-3，包括供水管道控制设备和远端服务器5，所述供水管道控制设备与远端服务器5通讯连接。其中，所述通讯连接方式可以是通过RS485总线、RS232总线、光纤通讯、无线通讯等方式。

参见图1-3，本实施例中，所述供水管网互联控制系统还包括用于接入既有通讯网络的网络设备4，网络设备4选型为H7118型DTU，控制单元6与网络设备4电连接，网络设备4通过有线或无线的方式实现供水管道控制设备与远端服务器5通讯连接。

参见图1-3，图6、图9，本实施例中，控制单元6还包括主要由RS485芯片62构成的RS485总线电路，单片机61的串行引脚及控制引脚通过双通道隔离芯片ADUM1201及光电耦合器构成的隔离电路与RS485芯片62的输入端电连接，RS485芯片62的输出端与DTU的RS485接口通过屏蔽双绞线电连接。本实施例中，由于DTU为购买产品，故RS485总线电路采取主要有双通道隔离芯片ADUM1201及光电耦合器构成的隔离电路的方式保护单片机61的运行安全。

本实施例中，远端服务器5连接有外放喇叭。外放喇叭与远端服务器配合可外放声音报警。

上述供水管网互联控制系统的工作过程是：DTU借助于现有的通讯网络将供水管道控制设备与远端服务器通讯连接，使服务器、供水管道控制设备形成一对多或多对多结构，且该型DTU具备多种控制方式，可以强化供水管道控制设备的控制优势，及可实现在远端获取自来水使用信息并控制电动阀门动作实现入户供水的远端管理，节省人力，节约资源，提高效率；且DTU设备促使互联控制系统外延宽广，简化控制模式。

实施例4：本实施例与实施例3大部分相同，不同之处在于，本实施例采用光纤通讯模式实现所述供水管道控制设备与远端服务器5通讯连接，结合图4、图6、图10，光纤信号发送电路输入端OUT8与单片机61的引脚63电连接；光纤信号接收电路输出端EN9与单片机61的引脚64电连接。远端服务器5端同样连接有光纤信号发送电路和光纤信号接收电路，单片机61端的光纤发射芯片64与远端服务器5端的光纤接收芯片51通过同一根光纤连接；单片机61端的光纤接收芯片65与远端服务器5端的光纤发射芯片52通过同一根光纤连接；如此实现简易光纤通讯方式。

上面结合附图和实施例对本实用新型作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本实用新型宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本实用新型的常见变化范围，在此不再一一详述。