专利名称：消防车水泵控制系统的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及自动控制领域，尤其是一种确保消防车水泵压力保持恒定的控制系统。
背景技术：
近年来国内频发的自然灾害和突发事件，引起对于抢险救灾的特殊装备的关注和需求。抢险救灾装备是专用车的重要分支。这种装备需要在及其复杂和恶劣的操作环境下，能够完成各项抢险救灾的作业，其中包括应急通讯、医疗抢救、灭火、消毒，桥梁和道路修复，甚至人员转移等等。智能自动化控制系统对于实现上述各项作业功能，是不可或缺的必要条件。目前， 国产消防车和抢险救援装备上尚未引入先进的基于人工智能的自动化控制技术，不能满足特殊前线救灾装备的高机动性、快速响应能力、作业环境适应能力等智能化指标。因此，基于上述的背景，本专利发明了具有智能的一种确保消防车水泵压力保持恒定的控制系统， 解决了界面不友好、操作复杂、性能不稳定等问题。
发明内容
为了克服现有国产消防车和抢险救援装备上界面不友好、操作复杂、性能不稳定等不足，本发明专利提供一种消防车水泵控制系统，引入自动化和信息化技术，具有触摸屏的友好操作界面、可编程控制器、工控设备等自动化技术设备进行组合控制，通过高度集成的可视化信息系统，使整机的操作、信息的显示、数据的采集、数据的分析、数据的处理和控制，更为稳定、简便和直观。本发明提出了一种消防车水泵控制系统，其特征在于，该系统包括信息采集与处理模块、泵操作逻辑控制模块和泵压实时控制模块，其中，所述信息采集与处理模块，用于采集并处理用户按键输入信号和各种传感器输入信号，并将处理后的输入信号发送给所述泵操作逻辑控制模块和泵压实时控制模块；所述泵操作逻辑控制模块，用于基于所述处理后的输入信号进行判断，输出各类控制信号；所述泵压实时控制模块，用于根据接收到的传感器输入信号得到当前水泵出口压力值，根据当前水泵出口压力值以及接收到的用户按键输入信号对泵压进行闭环控制。本发明专利的有益效果是，具有触摸屏的友好操作界面、可编程控制器、工控设备等自动化技术设备进行组合控制，通过高度集成的可视化信息系统，使整机的操作、信息的显示、数据的采集、数据的分析、数据的处理和控制，更为稳定、简便和直观。
图1是本发明消防车水泵控制系统的结构图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。水泵出口压力与水泵的转速及水流量相关当水流量不变时，水泵出口压力与发动机的转速成正比，即转速越高，出口压力越大，转速越低，出口压力越小；当水泵的转速恒定时，水流量越大，出口压力越小，水流量越小，出口压力越大。在实际使用过程中，往往希望即使水的流量发生变化，水泵的出口压力依然是恒定的，并且还可以根据实际需要灵活设定出水的压力。为此，必须对水泵的出口压力进行自动控制。而本发明所提出的水泵控制系统所要实现的功能就是当消防车在火灾现场喷射水或者水+泡沫混合液时，使水泵的出口压力尽可能的保持恒定。图1所示为本发明消防车水泵控制系统的结构图。如图1所示，该消防车水泵控制系统包括信息采集与处理模块、泵操作逻辑控制模块、泵压实时控制模块和LED状态显示以及数码管信息显示模块。其中，信息采集与处理模块用于采集用户按键输入信号、各种传感器输入信号 (比如，水泵出口压力传感器输入信号、水流量传感器输入信号、泡沫流量传感器输入信号、 水泵转速传感器输入信号、空压机空气压力传感器输入信号、空压机温度传感器输入信号、 空压机转速传感器输入信号等)，并对所述采集的信号进行处理，比如模数转换或者数模转换。所述信息采集与处理模块将处理后的用户按键输入信号与各种传感器输入信号通过串行通讯端口(SCI)发送给泵压实时控制模块，通过CAN总线发送给上位机的泵操作逻辑控制模块。用户可通过操作面板上的“压力+”以及“压力_”按键设定水泵的出口压力，即， “压力+/_”按键每被按一下，设定的水泵出口压力值就“增加/减少” 一个档次，如果水泵的总压力范围为10MP，则既可以分为10个档次(一个档次为1MP)，也可以分为20个档次 (一个档次为0. 5MP)；当“压力+/_”按键被长时间按下时，设定的水泵出口压力值就连续的“增加/减少”。信息采集与处理模块采集用户按键输入信号，并将用户通过按键设定的压力值通过串行通讯端口(SCI)传送给泵压实时控制模块，作为泵压闭环控制的设定值。基于信息采集与处理模块采集到的信号，LED状态显示以及数码管信息显示模块显示各种状态信息，比如电池电量信息、发动机机油压力信息、发动机温度信息、空气压力信息、水锤信息、水温信息、故障信息、发动机启/停指示信息、取力器啮合信息、稳压系统工作指示信息、压力增加/减小指示信息、油门+/_指示信息、泵起动指示信息、抽真空指示信息、水罐吸水/外吸水指示信息、经泵给罐注水指示信息、泵排水指示信息、水罐排水指示信息、管路余水排放指示信息、罐自动液位控制指示信息、罐手动液位控制指示信息、罐加热指示信息、管路加热指示信息、常压卷盘指示信息、高压卷盘指示信息、泵室照明信息、 工作累计时信息、发动机温度信息、泵转速信息等。泵操作逻辑控制模块接收信息采集与处理模块发送的经过处理的用户按键输入信号与各种传感器输入信号，基于所述输入信号进行判断，并由开关量输出端口对外输出各类控制信号，比如，发动机启停信号、取力器控制信号、真空泵启停信号、发动机加减速信号、油门控制信号、水罐加热信号、管路加热信号、泵室照明信号、泵路排水信号、真空引水信号、外吸水阀控制信号、高低压切换阀控制信号、水罐排/出水控制信号、罐自动注水控制信号、经泵给水罐注水控制信号等，以实现水泵的基本操作并对操作进行安全互锁和内部锁定。其中，安全互锁及内部锁定关系为(1)取力器啮合后外吸水/罐吸水、真空泵、真空连锁、油门控制才起作用。(2)取力器啮合后水罐排水、泡沫罐排液、泵排水关闭锁定。(3)取力器啮合后其他操作延时动作(3-5秒)。(4)真空操作时自保阀、消防炮-出水阀、B类空压机油压和油温报警、泡沫混合出液阀、经泵向罐注水、CAFS冲洗阀、B类内冲洗阀、常压卷盘出口左、常压卷盘出口右、高压卷盘出口左、高压卷盘出口右、CAFS干燥阀、泵排水阀关闭锁定。(5)水罐吸水和外吸水互锁。(6)罐自动液位控制当液位低于低限时打开控制阀，当液位高于高限时关闭控制阀；当经泵给罐注水时，当液位高于高限时自动关闭经泵给罐注水阀。泵压实时控制模块与信息采集与处理模块相连，接收其发送的经过处理的用户按键输入信号，即用户设定的水泵出口压力值，与各种传感器输入信号。泵压实时控制模块由所述传感器输入信号得到实时采集的当前水泵出口压力值，基于当前水泵出口压力值以及用户设定的水泵出口压力值对水泵出口压力进行闭环控制，将产生的发动机转速调节信号(开关量或者模拟量)通过泵压实时控制模块的控制输出输出给电子控制单元(ECU， Electronic Control Unit)以控制发动机的转速，以最终实现恒定的水泵出口压力控制。泵压实时控制模块的输出，即发动机转速调节信号通过E⑶以及E⑶前向控制通道调节器的输出信号分为两种形式干触点输出和模拟量输出。1)干触点输出干触点输出控制的实质是Bang-Bang控制，泵压实时控制模块得到实时采集的水泵出口压力的设定值和当前值，所述设定值相应的具有一下限值和一上限值，当水泵出口压力当前值低于所述下限值时，泵压实时控制模块输出一个触点信号，使得ECU的SPEED ADJUSTMENT信号线与SPEED ADJUSTMENT UP信号线相连接，控制发动机的转速上升，从而水泵出口压力随之上升。当水泵出口压力上升到设定值时，断开SPEED ADJUSTMENT与SPEED ADJUSTMENT UP的连接。当水泵出口压力高于所述上限值时，泵压实时控制模块输出另一个触点信号，使得ECU的SPEED ADJUSTMENT信号线与SPEED ADJUSTMENT DOWN信号线相连接，控制发动机的转速下降，从而水泵出口压力随之降低；当水泵出口压力降低到设定值上限和下限的区间内时,断开SPEED ADJUSTMENT与SPEED ADJUSTMENT DOWN的连接。由此， 经过持续的闭环调整，将水泵出口压力稳定在设定值的附近。2)模拟量输出在自动控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。简单说，PID调节器的各环节的作用如下(1)比例环节及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生调节作用，以减少偏差。(2)积分环节主要用于消除静差提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分时间常数越大，积分作用越弱，反之则越强。
(3)微分环节能够反映偏差信号的变化趋势，即偏差信号的变化速率，并能在偏差信号变得很大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减少调节时间。数字位置式PID控制器控制算法的表达式为U (k) =U (k-1) +Kp [e (k) _e (k_l) ] +K^ (K) +Kd [e (k) -2e (k_l) +e (k_2)]，其中U(k)为k时刻控制器的输出值，e(k)为k时刻的偏差值，Kp为比例系数，Ki 为积分时间常数，Kd为微分时间常数。在本发明中，水泵出口压力闭环PID调节器根据出口压力设定值以及来自压力传感器的采集信号，即当前出口压力值，计算出偏差e (k)，再由上述PID控制器算式计算出控制量U(k)，最后将U(k)量化成0-5V的模拟量输出，作为发动机转速控制指令，最终实现对水泵出口压力的闭环调节。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种消防车水泵控制系统，其特征在于，该系统包括信息采集与处理模块、泵操作逻辑控制模块和泵压实时控制模块，其中，所述信息采集与处理模块，用于采集并处理用户按键输入信号和各种传感器输入信号，并将处理后的输入信号发送给所述泵操作逻辑控制模块和泵压实时控制模块；所述泵操作逻辑控制模块，用于基于所述处理后的输入信号进行判断，输出各类控制信号；所述泵压实时控制模块，用于根据接收到的传感器输入信号得到当前水泵出口压力值，根据当前水泵出口压力值以及接收到的用户按键输入信号对泵压进行闭环控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括一LED状态显示以及数码管信息显示模块，用于显示各种状态信息。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信息采集与处理模块将处理后的输入信号通过串行通讯端口发送给泵压实时控制模块，通过CAN总线发送给所述泵操作逻辑控制模块。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述泵操作逻辑控制模块还用于进行安全互锁及内部锁定。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用户按键输入信号包括用户设定的水泵出口压力值。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述泵压实时控制模块进一步根据当前水泵出口压力值以及用户设定的水泵出口压力值对水泵出口压力值进行闭环控制。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述闭环控制进一步包括泵压实时控制模块根据当前水泵出口压力值以及用户设定的水泵出口压力值产生发动机转速调节信号， 将所述发动机转速调节信号通过泵压实时控制模块的控制输出输出给电子控制单元控制发动机的转速，以保持恒定的水泵出口压力。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，泵压实时控制模块的控制输出为干触点输出或模拟量输出。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在泵压实时控制模块的控制输出为干触点输出时，泵压实时控制模块通过将当前水泵出口压力值与用户设定的水泵出口压力值相比较来控制发动机转速调节触点的合或断，从而执行对于发动机转速的闭环控制。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在泵压实时控制模块的控制输出为模拟量输出时，泵压实时控制模块通过PID控制器来产生发动机转速控制模拟量输出，从而执行对于发动机转速的闭环控制，其中，所述PID控制器的算法表达式为U (k) =U (k-1) +Kp [e (k) _e (k_l) ] +K^ (K) +Kd [e (k) -2e (k-1) +e (k-2)]，其中，U(k)为k时刻PID控制器的输出值，e(k)为k时刻的偏差值，Kp为比例系数，Ki 为积分时间常数，Kd为微分时间常数。
全文摘要
本发明公开了一种消防车水泵控制系统，该系统包括信息采集与处理模块、泵操作逻辑控制模块和泵压实时控制模块，泵压实时控制模块根据信息采集与处理模块发来的用户按键输入信号和传感器输入信号，对发动机的转速进行闭环控制，从而使得当消防车在火灾现场喷射水或者水+泡沫混合液时，水泵的出口压力尽可能保持恒定。本发明通过高度集成的可视化信息系统，使整机的操作、信息的显示、数据的采集、数据的分析、数据的处理和控制，更为稳定、简便和直观。
文档编号F04B49/06GK102493949SQ20111039215
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者王健 申请人:中国科学院自动化研究所