一种水泵供水控制方法与流程

本发明涉及一种水泵供水控制方法，属于供水控制技术领域。

背景技术：

现在高楼林立，普通的水路无法满足供水要求，需要在水路管线设置水泵，增加水的压力，以便向高处供水。水泵在使用时一般需进行电气控制，最简易的控制方式是采用闸刀或空气开关或仅用液位浮球开关来进行水位控制，这样的方式，虽然成本低，但无水泵保护功能，无法改变电机工作频率，无法调节电机转速，如果电机一直大功率运转会导致能源浪费，电机小功率运转可能无法满足供水要求，最终导致泵工作压力无法恒定，水压不稳，影响用户的正常用水。近些年来，大多水泵控制是以自动智能信息采集单元为主，其控制运行方式是通过信息采集单元面板按键操作来选择手动或自动运行，在自动方式下是根椐水位、水压检测信息及水泵运行状况实现调节控制。但是现有的控制技术，需要对水流、水压、水位等数据进行检测，需要较多的检测元器件，投入成本较高，控制方法复杂，控制流程不合理，只能在单一的环境下应用，无法同时适用多种环境，当供水环境改变时，需要重新设置控制方法，增加供水成本。并且无法灵活调整供水参数，电机转速不能灵活调节，导致泵工作压力无法恒定，水压不稳，无法准确识别渗漏、缺水等。针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研发，解决现有技术中存在的缺陷。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种需要检测元器件少，投入成本低，能够适用各种供水环境，能够灵活的改变电机工作频率，调节电机转速，保持泵工作压力恒定，并且能够准确识别渗漏、缺水，控制流程合理的水泵供水控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种水泵供水控制方法，包括以下步骤：

第一步，根据泵工作环境控制模块选择工作模式；

第二步，根据泵工作要求控制模块设定泵的工作压力值；

第三步，信息采集单元对泵内压力进行数据采样，并把采样数据传输给数据处理单元；

第四步，数据处理单元对采样数据进行处理，包括管路异常判断和水压变化判断，分析是否需要启动泵工作，如果需要启动泵工作则进行第五步，如果不需要启动则进行第六步；

第五步，水泵驱动单元驱动泵工作，数据处理单元进行缺水检测，当缺水时，进行第六步；同时判定是否加满水，如果加满水进行第六步；

第六步，控制模块控制泵停止工作，并转入第三步。

本发明根据不同工作环境设置不同的工作模式，根据不同的工作要求设定泵工作压力值，能够适用各种供水情形。同时信息采集单元采集泵内压力值等数据，数据处理单元对数据进行处理，判断是否需要启动水泵，是否存在管路异常等情形，能够对各种情形进行自动识别处理。

进一步地，所述工作模式包括上增压模式、下增压模式、水塔补水模式。工作模式分为三种，能够适用多种供水环境，不需要重新设置控制方法，不会增加供水成本。

进一步地，泵工作压力设定值通常＝泵出口位置到最高用水位置的垂直高度+供水系数，上增压、下增压的供水系数为：1.0kgf/cm²--1.5kgf/cm²；所述水塔补水的供水系数为1.5kgf/cm²--2.0kgf/cm²。泵工作压力可以根据供水要求灵活调整，方便使用。

进一步地，当泵内实时压力小于预定的启动压力值时泵启动工作，启动压力值可以根据实际需要设置调节，或者泵内实时压力会从一个稳定值在较短的单位时间剧烈变化时泵启动工作。这两种情况下，泵都能够启动，确保水泵供水连续性以及稳定性，避免水压突变。

进一步地，泵启动工作并达到设定工作压力的过程要求压力增加平稳；泵工作状态的控制方法：采用闭环自动控制方法，控制模块根据数据处理单元采集的压力值控制电机工作频率，即信息采集单元采集到不同的压力值输出对应的电机频率，使用PID闭环控制技术，P是比例，I是积分，D是微分，泵运作时，压力实时变化，设定的压力值跟这个压力值做差，差值为delta，根据差值delta，分别乘以比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd，经过运算分别得到比例项，积分项，微分项，三者之和即为频率值。进而控制模块根据计算得到的频率值改变电机工作频率，调节电机转速，保持泵工作压力恒定，从而达到变频恒压控制的目的。

进一步地，管路缺水判定：无水流流动，泵内实时压力低于设定值且稳定在一个值不变或者存在很小的变化率，保持电机全速运转；此状态必须持续一定时间后控制泵停止工作，电机缓慢降低转速停止运转，进入缺水保护模式，开始累计缺水时间，累计到设定周期时，电机重新启动控制模块检测管道是否有水。

进一步地，管路异常判断包括判断管道是否出现渗漏或爆管或水满，如果出现渗漏或爆管或水满，报警单元报警并控制泵停止工作。

进一步地，渗漏的判定：当泵达到停止工作条件并停止工作后，存在管路、马桶、水龙头渗漏等情况时，泵内实时压力会缓慢降低，既单位时间内压力降低的变化率较低并且变化率相同或者接近，那么可判定为渗漏；具体判定以及控制方法：定义两个变量P0，P1，在泵停止工作状态，P0存储第0s时候的压力值，P1存储第ns时候的压力值，每n秒为一个周期，计算P0，P1的压力差值，当这个压力差值大于0bar，小于mbar时，认为是满足渗漏的条件，记忆渗漏事件发生一次，下一个ns周期，如果P0，P1的压力差值仍然满足大于0bar，小于mbar，记忆渗漏事件发生2次，如此记忆下去到记忆渗漏事件发生z次，认定管路中确实是有渗漏，优选地，n＝2，m＝0.06，z＝15。爆管的判断：电机运转，但压力恒低于一个常量值，累计时间到预设值时认为是爆管事件。

以上的判定方式方法、条件设定都是根据大量的实验数据得到，比如其中2s时间的界定是观察实时监控记录的压力下降率得到，如果时间选1s，可能出现的情况是1s前后压力不变，这样的话P0，P1差值就为0，而判断压力保持恒定值没有渗漏时的条件也是P0，P1差值为0，这样就会混淆压力保持恒定的情况，而当把周期2s拉长改为5s或者20s等时，这样势必压力差值不会是0.06bar而是会很大，这样会混淆正常用水的情况，同时带来的影响是在没有来得及判定为渗漏时，压力缓慢降到了设定压力的70％导致泵启动工作，没法判定渗漏。另外，0.06bar的选取是居于分析根据串口调试助手每100ms传回的保存在excel文件的监控压力值和实践模拟测试渗漏而得到。如果出现渗漏或爆管，报警单元报警，并停止水泵工作。

进一步地，水加满时的判定：此状态下水流不流动，泵中的实时压力通常会高于设定的工作压力，并且实时压力不再波动或者波动值很小，压力差为负数，比例项，积分项，微分项之和为负数或0，负数时频率值也赋为0，所以泵能停下来，转为泵停止状态。

进一步地，防锈卡功能：当泵每次持续24小时未启动运行过，则需要启动并以30HZ的频率工作20秒钟；防过冲功能：当识别出在2ms周期有压力急剧上升的趋势，引入微分项，同时，在正常工作过程中，为系统的稳定性不引入微分项。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明根据不同工作环境设置不同的工作模式，根据不同的工作要求设定泵工作压力值，能够适用各种供水情形，控制模块根据计算得到的频率值改变电机工作频率，调节电机转速，保持泵工作压力恒定，从而达到变频恒压控制的目的。

本发明的信息采集单元只需要采集泵内压力值，能够减少检测元器件的使用量，进而减少投入成本，数据处理单元根据本发明涉及的算法对数据进行处理，可准确判断是否需要启动水泵，是否存在渗漏、爆管、缺水、水满等情形，能够对各种情形进行智能识别处理，适用多种供水环境，不需要重新设置控制方法，不会增加供水成本。

本发明能够灵活调整供水参数，控制流程简单合理。

附图说明

图1为本发明上增压模式水井取水结构示意图；

图2为本发明上增压模式自来水管道结构示意图；

图3为本发明下增压模式结构示意图；

图4为本发明水塔补水模式水井取水结构示意图；

图5为本发明水塔补水模式自来水管道结构示意图。

附图标记说明：

1-水泵，2-水井，3-用水点，4-自来水管道，5-水塔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

一种水泵供水控制系统，包括控制模块以及水泵，所述控制模块包括信息采集单元、数据处理单元、数据存储单元、水泵驱动单元、显示单元、报警单元。所述水泵为智能变频水泵。

一种水泵供水控制方法，包括以下步骤：

第一步，首次通电时：延时一定时间，延时时间可根据控制模块的元器件需求选择并调整设定，泵运转并检测管路中的压力状况，若为泵工作状态则泵继续运转，若为泵停止工作状态则泵进入保压待机状态；断电后来电控制要求与首次通电相同。电路接通瞬间会有较大电流通过，设置一定的延时，能够有效保护电路的元器件。根据泵工作环境控制模块选择工作模式；所述工作模式包括上增压模式、下增压模式、水塔补水模式。

第二步，根据泵的工作要求控制模块设定泵的工作压力值；泵工作压力设定值通常＝泵出口位置到最高用水位置的垂直高度+供水系数，上增压、下增压的供水系数为：1.0kgf/cm²--1.5kgf/cm²；所述水塔补水的供水系数为1.5kgf/cm²--2.0kgf/cm²。

第三步，信息采集单元对泵内压力进行数据采样，并把采样数据传输给数据处理单元；

第四步，数据处理单元对采样数据进行处理，分析是否需要启动泵工作，包括管路异常判断和水压变化判断。当泵内实时压力小于预定的启动压力值时泵启动工作，启动压力值可以根据实际需要设置调节，优选地，所述启动压力值可以设置为设定的工作压力值的70％；当泵内实时压力会从一个稳定值在较短的单位时间剧烈变化时泵启动工作。如果需要启动泵工作则进行第五步，如果不需要启动则进行第六步。

控制模块设有防锈卡功能和防过冲功能。防锈卡功能：当泵每次持续24小时未启动运行过，则需要启动并以30HZ的频率工作20秒钟。防过冲功能：当识别出在2ms周期有压力急剧上升的趋势，引入微分项，同时，在正常工作过程中，为系统的稳定性不引入微分项。

管路异常判断包括判断管道是否出现渗漏或爆管或水满，如果出现渗漏或爆管或水满，报警单元报警并控制泵停止工作。

渗漏的判定：当泵达到停止工作条件并停止工作后，存在管路、马桶、水龙头渗漏等情况时，泵内实时压力会缓慢降低，既单位时间内压力降低的变化率较低并且变化率相同或者接近，那么可判定为渗漏；具体判定以及控制方法：定义两个变量P0，P1，在泵停止工作状态，P0存储第0s时候的压力值，P1存储第ns时候的压力值，每n秒为一个周期，计算P0，P1的压力差值，当这个压力差值大于0bar，小于mbar时，认为是满足渗漏的条件，记忆渗漏事件发生一次，下一个ns周期，如果P0，P1的压力差值仍然满足大于0bar，小于mbar，记忆渗漏事件发生2次，如此记忆下去到记忆渗漏事件发生z次，认定管路中确实是有渗漏，优选地，n＝2，m＝0.06，z＝15。爆管的判断：电机运转，但压力横低于一个常量值，累计时间到预设值时认为是爆管事件。

以上的判定方式方法、条件设定都是根据大量的实验数据得到，比如其中2s时间的界定是观察实时监控记录的压力下降率得到，如果时间选1s，可能出现的情况是1s前后压力不变，这样的话P0，P1差值就为0，而判断压力保持恒定值没有渗漏时的条件也是P0，P1差值为0，这样就会混淆压力保持恒定的情况，而当把周期2s拉长改为5s或者20s等时，这样势必压力差值不会是0.06bar而是会很大，这样会混淆正常用水的情况，同时带来的影响是在没有来得及判定为渗漏时，压力缓慢降到了设定压力的70％导致泵启动工作，没法判定渗漏。另外，0.06bar的选取是居于分析根据串口调试助手每100ms传回的保存在excel文件的监控压力值和实践模拟测试渗漏而得到。如果出现渗漏或爆管，报警单元报警，并停止水泵工作。

第五步，水泵驱动单元驱动泵工作，泵启动工作并达到设定工作压力的过程要求压力增加平稳。泵工作状态的控制方法：采用闭环自动控制方法，控制模块根据反馈压力值控制电机工作频率，即信息采集单元采集到不同的压力值输出对应的电机频率，使用PID闭环控制技术，P是比例，I是积分，D是微分，泵运作时，压力实时变化，设定的压力值跟这个压力值做差，差值为delta，根据差值delta，分别乘以比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd，经过运算分别得到比例项，积分项，微分项，三者之和即为频率值。进而控制模块根据计算得到的频率值改变电机工作频率，调节电机转速，保持泵工作压力恒定，从而达到变频恒压控制的目的。

数据处理单元进行缺水检测，管路缺水判定：缺水状态下泵内实时通常会低于0.05kgf/cm²且稳定在一个值不变或者存在很小的变化率，压力低于0.15bar且电机工作在工率状态，并且电机全速运转，就开始计时，计时时间到3分钟压力一直低于0.15bar，则判定是缺水。电机缓慢降低转速停止运转，进入缺水保护模式，开始累计缺水时间，累计到1小时，电机重新启动检测管道是否有水。

缺水的情形包括：

①、在信息采集单元缺水判断过程中关闭水龙头的；

②、缺水判断过程中打开水龙头，缺水后关闭水龙头(这种情况会影响下次自动启动检测的判断)；

③、缺水判断过程中发现是缺水，然后随手关闭水龙头(这种情况会影响此次检测的判断)；

针对第①种的控制方法，因为末端打开，所以3min之内压力值一直会低于某个值，这样在低于这个压力值后的3min可以认为缺水；针对第②、③种的情形，压力不再是一直处于或者说低于一个恒定的常量值不变，而是随着末端用户的动作，压力值随着压缩空气，压力缓慢上升，所以需要引入一个中间存储变量buff，在3min时间到后，判断当前的压力值是否小于这个变量加上一个常量值，当然，这个常量值仍然是要根据实验得到，当当前反馈的的压力值小于这个变量加上一个常量值认为是缺水。当缺水时，进行第六步。

判定是否加满水，水加满时的判定：此状态下水流不流动，泵中的实时压力通常会高于设定的工作压力，并且实时压力不再波动或者波动值很小，压力差为负数，比例项，积分项，微分项之和为负数或0，负数时频率值也赋为0，所以泵能停下来，转为泵停止状态，进行第六步。

第六步，控制模块控制泵停止工作，转入第三步。

如图1-2所示，上增压模式实施例。

上增压模式适用的情况包括：

无水塔水井2里取水并自动增压：泵进口管路为负压给水；

无水塔自来水管道4自动增压：泵进水管路为正压给水。

泵工作状态：用户用水过程中，控制模块调节电机转速，泵保持设定的工作压力恒定；此状态下泵内水流流动，泵内实时压力接近于设定的工作压力，并且泵内实时压力相对于设定工作压力会存在一定的波动率。

泵工作压力设定值通常＝泵出口位置到最高用水位置的垂直高度+(1.0kgf/cm²--1.5kgf/cm²)；控制模块的泵工作压力可初始设定值为：①、0.37kw---1.8kgf/cm²

②、0.55kw---2.3kgf/cm²

③、0.75kw---2.8kgf/cm²

泵启动工作：用水点3打开用水阀门时，泵内实时压力降低至设定工作压力的70％时泵启动工作(例如设定工作压力为2.8kgf/cm²，那么泵的启动工作压力＝70％x2.8＝1.96kgf/cm²)，泵启动工作并达到设定工作压力的过程要求压力增加平稳；注：用户打开用水阀门时，泵内实时压力降低到启动工作压力单位时间内压力的变化率较高，既压力降低的速度较快。

渗漏的判定和上增压模式下发生渗漏的控制：当泵达到停止工作条件并停止工作后，存在管路、马桶、水龙头渗漏等情况时，泵内实时压力会缓慢降低，既单位时间内压力降低的变化率较低并且变化率相同或者接近，那么可判定为渗漏，报警单元通过显示灯或者蜂鸣器报警。

上增压模式下判定为渗漏时泵内实时压力降至启动工作压力，泵启动工作(泵启动工作并达到设定工作压力的过程要求压力增加平稳)；而后又因判定为用户关闭阀门不用水状态而进入保压待机状态，如此循环，循环过程中如渗漏源被排除，则“渗漏”指示灯熄灭。

泵停止工作：用水点3关闭阀门不用水时，控制模块能自动检测到无流量状态，延时工作7秒钟后进入保压待机状态，当出水量大于100ml/min时，都应判定为用水点3用水状态，泵不允许出现断续工作；

抗冲击功能：当识别出在2ms周期有压力急剧上升的趋势，就引入微分项，而微分项正好是为了解决过冲，同时，在正常工作过程中，没有微分算法，这样也是为了系统稳定考虑。在突然关闭水龙头或者突然打开水龙头时，能避免出水口压力急剧上升或者下降。

首次通电和断电后来电的控制要求：①、首次通电：延时3-5秒钟(延时时间可根据控制模块的元器件需求选择并调整设定)，泵运转并检测管路中的压力状况，若为泵工作状态则泵继续运转，若为泵停止工作状态则泵进入保压待机状态；②、断电后来电控制要求与首次通电相同。

如图3所示，下增压模式实施例。

当泵达到停止工作条件并停止工作后，存在管路、马桶、水龙头渗漏等情况时，泵内实时压力会缓慢降低，既单位时间内压力降低的变化率较低并且变化率相同或者接近，那么可判定为渗漏，报警单元通过显示灯或者蜂鸣器报警，判定为渗漏时泵内实时压力降至小于等于启动工作压力，泵仍然控制为停止工作状态。

下增压模式下发生渗漏的情况泵内压力会下降至一定值后不再降低：判定为漏水后用水点3打开阀门用水时，泵内实时压力会从一个稳定值以较高的单位时间变化率降低，那么此时应判定为用水点3需要用水，泵启动工作；其余控制均与上增压模式相同。

如图4-5所示，水塔5补水模式实施例。

水塔5补水模式适用的情况包括：

自来水管道4自动增压给水塔5补水；水井2里取水并自动增压给水塔5补水。

泵工作状态：水塔5缺水时，浮球开关打开，控制模块调节电机转速，泵保持设定的工作压力恒定；此状态下水流流动，泵中的实时压力接近于设定的工作压力，并且实时压力相对于设定压力会存在一定的波动率。

泵工作压力设定值通常＝泵出口位置到浮球开关的垂直高度+(1.5kgf/cm²--2.0kgf/cm²)；控制模块的泵工作压力初始设定值可以为：①、0.37kw---1.8kgf/cm²

②、0.55kw---2.3kgf/cm²

③、0.75kw---2.8kgf/cm²

泵停止工作：水塔5水满时，浮球开关关闭，控制模块自动检测、判定水塔5水满，智能变频水泵保持就近状态继续工作7秒钟后停止工作，同时启动计时功能；通常情况下浮球开关完全不出水或者出水量很小(小于100ml/min)时，就可判定为水塔5水满；此状态下水流不流动，泵中的实时压力通常会高于设定的工作压力，并且实时压力不再波动或者波动值很小。

管路缺水：进水管路缺水时，控制模块自动检测、判定为管路缺水；此状态下无水流流动、泵以最高频率(既泵本身的额定频率)工作，泵内实时压力通常会低于0.05kgf/cm²(暂时先定义该数值为0.15kgf/cm²)且稳定在一个值不变或者存在很小的变化率，此状态必须持续3分钟才控制泵停止工作，同时启动计时功能。

水塔5水满泵停止工作和管路缺水泵停止工作后，计时达到0.5小时、3小时、6小时、12小时后启动水泵(例如设定3小时，那么泵每次停止工作后，计时达到3小时就会自动启动给水塔5补水)。如果控制模块检测到水塔5水满，那么泵延时工作7秒钟就自动停止。延时工作期间，信息采集单元继续采集数据并把数据传输给数据处理单元，数据处理单元进行判断是否真正水满，如果真的水满，泵停止工作，延迟一段时间后停止工作，能够有效减少误判。如果控制模块检测到浮球开关未完全关闭、水塔5需要补水，那么保持泵工作状态以设定的工作压力给水塔5补水，直至控制模块检测到水塔5水满，浮球开关关闭，泵延时工作7秒钟后自动停止)，0.5小时、3小时、6小时、12小时用户可根据家庭的用水情况，通过时间按钮自行调节设定。

抗冲击功能：在浮球开关关闭、泵停止工作、泵启动工作的过程中，能避免浮球开关出水口压力和泵内压力急剧上升或者下降。防过冲功能：当识别出在2ms周期有压力急剧上升的趋势，引入微分项，同时，在正常工作过程中，为系统的稳定性不引入微分项。

首次通电和断电后来电的控制要求：①、首次通电：泵运转并检测水塔5储水情况(既浮球开关的开、关状态)，若为泵工作状态则泵继续运转，若为泵停止工作状态则泵进入计时待机状态；②、断电后来电控制要求与首次通电相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。