專利名稱：自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于取水、集水或配水的裝置領(lǐng)域，尤其涉及一種用于加壓供水系統(tǒng)的自動控制裝置。
背景技術(shù)：
在我國大多數(shù)地區(qū)，市政自來水管網(wǎng)壓力一般在0.2～0.4Mpa，對于鋪設(shè)自來水管網(wǎng)比較早的城市，由于自來水管道的銹蝕、堵塞及城市人口的增加造成的用水量的增容，市政自來水管網(wǎng)壓力一般只在0.1～0.2Mpa左右。
由于現(xiàn)有自來水管網(wǎng)的壓力無法滿足越來越多的高層建筑的供水要求，故出現(xiàn)了各種二次加壓供水系統(tǒng)或裝置。
最早出現(xiàn)的二次加壓供水方式，以專利號為ZL 92222664.4的中國專利“一種自控增壓供水裝置”為代表，其一般采用在水泵前端設(shè)置蓄水池(或水箱)，經(jīng)浮球閥液位控制向水池(水箱)進水，然后經(jīng)水泵加壓至用戶或樓頂水箱進行重力供水的工作方式，此方式供水對于來水水量有限或經(jīng)常斷水的情況，有一定的貯蓄調(diào)節(jié)作用，但其基建工作量大，施工周期長，且由于水池或水箱必須與大氣相通(用以防止二次加壓供水系統(tǒng)出現(xiàn)負壓)，極易造成水質(zhì)二次污染，而且市政自來水管網(wǎng)原有的供水壓力全部損失，二次加壓從零開始，極大的浪費了電能；同時，由于機械式浮球閥本身結(jié)構(gòu)的局限性，容易因銹蝕、雜物阻塞等原因發(fā)生動作失靈或卡澀，導(dǎo)致液位失控故障，造成跑水溢流，由于跑水一般從水池或水箱的溢流口流出進入下水道中，很難極時發(fā)現(xiàn)，亦會造成用水量的損失，增加最終用戶的用水成本。
為解決水池或水箱的水質(zhì)二次污染問題，開始出現(xiàn)無負壓、無吸程的管道直接供水裝置，以專利號為ZL200420041069.0的中國專利“管網(wǎng)無負壓供水設(shè)備”為例，其主要是在水泵進水端設(shè)置了一個補償水罐，罐體中間設(shè)液位開關(guān)，頂部設(shè)吸/吐氣閥(稱為負壓消除器或真空抑制器)。吸氣時，罐內(nèi)水位下降以補償負壓，液位達到下限后停機，以防止裝置從主管網(wǎng)主動抽水；吐氣時，罐內(nèi)水位上升補充水量，達到上限后開機。
上述裝置的優(yōu)點在于改進了水池與大氣的聯(lián)通開放狀態(tài)，由原來的全開放式改進為吸吐氣調(diào)節(jié)時開放，無吸吐氣調(diào)節(jié)時密閉，并且利用了市政自來水管網(wǎng)原有的管網(wǎng)壓力，能耗降低。但其缺點是結(jié)構(gòu)繁雜，罐體占地面積大，不能完全密閉，仍然存在二次污染隱患，并且達到液位下限停機后需等待液位上升后開機，使供水出現(xiàn)間歇停頓，不利于用戶使用。
此后，又出現(xiàn)了不用進水補償水罐的直接加壓供水裝置，如專利號為ZL 00256147.6的中國專利“無負壓供水裝置”、專利號為ZL 01241842.0的中國專利“負壓管道增壓給水設(shè)備機組”等，其技術(shù)方案主要是在水泵進水端設(shè)置一個壓力開關(guān)或壓力傳感器，當(dāng)進水壓力達到下限設(shè)定值后，立即停止水泵，以防止從管網(wǎng)主動抽水，維持管網(wǎng)壓力平衡。其優(yōu)點是去掉了緩沖(平衡)水罐，實現(xiàn)了完全密閉供水。其缺點是不能主動跟蹤進水壓力的實時變化情況，也不能做出趨勢性判斷和反應(yīng)，只能被動等待下限值出現(xiàn)而采取停機保護動作。
此外，在上述技術(shù)方案中，由于其進水壓力的變化與水泵轉(zhuǎn)速無關(guān)聯(lián)(其水泵轉(zhuǎn)速只與出水壓力有關(guān))，進水壓力往往是加速下降到下限值，當(dāng)進水壓力繼續(xù)下降時，水泵轉(zhuǎn)速繼續(xù)不斷提高，使進水壓力進一步下降，進水壓力進入“正反饋雪崩”式下降過程，直到進水壓力達到設(shè)定下限，才被動停機，停機后進水壓力慣性上彈；為防止反復(fù)振蕩開機，此類方案多采用出水壓力罐以緩沖大幅波動，但其工作過程連續(xù)性差，停機突然，不利于供水裝置的管理和維護。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，其能自動在線模擬浮球閥的工作狀態(tài)向水泵進水端進水，從而取代了易污染、高耗能、易故障的機械式水池(或水箱)以及水箱進水用浮球閥，同時又避免了現(xiàn)有無負壓供水裝置存在的工作過程連續(xù)性差之不足，更好地達到了節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定供水的技術(shù)效果。
本實用新型的技術(shù)方案是提供一種自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，包括水泵機組、設(shè)置在水泵機組出水管路上的出水壓力采樣單元、用于控制出水壓力的控制單元和用于控制水泵機組運轉(zhuǎn)的變頻器，其中，水泵機組的進水管與市政自來水管網(wǎng)連接，其出水管與用戶管網(wǎng)連接，出水壓力采樣單元的信號輸出端與控制單元連接，控制單元與變頻器連接，其特征是在水泵機組的進水管路上設(shè)置進水壓力采樣單元和進水流量采樣單元；在進水壓力采樣單元、進水流量采樣單元與控制單元之間設(shè)置浮球閥模擬控制單元；在控制單元與出水壓力采樣單元之間設(shè)置壓力/水位控制單元。
其所述的進水流量采樣單元為模擬式或數(shù)字式流量計。
其所述的浮球閥模擬控制單元至少包括第一、第二基準(zhǔn)值設(shè)定模塊、第一～第四差值運算模塊、記憶存儲模塊和比較/判斷/運算模塊；其中，進水壓力采樣單元和第一基準(zhǔn)值設(shè)定模塊經(jīng)第一差值運算模塊與記憶存儲模塊和比較/判斷/運算模塊連接；進水流量采樣單元和第二基準(zhǔn)值設(shè)定模塊經(jīng)第二差值運算模塊與記憶存儲模塊和比較/判斷/運算模塊連接；記憶存儲模塊、第一、第二差值運算模塊分別經(jīng)第三、第四差值運算模塊與比較/判斷/運算模塊連接；其比較/判斷/運算的結(jié)果送入控制單元。
進一步的，其所述之進水壓力采樣單元或進水流量采樣單元的輸出信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再送入對應(yīng)的差值運算模塊。
其所述的控制單元為單片機、可編程邏輯控制器、嵌入式PC機、工控機或PC機。
其所述的壓力/水位控制單元至少包括基準(zhǔn)值設(shè)定模塊和比較/運算模塊，其中，出水壓力采樣單元的輸出信號和基準(zhǔn)值設(shè)定模塊的輸出信號被送入比較/運算模塊，比較/運算模塊的輸出信號被送入控制單元。
進一步的，其所述的出水壓力采樣單元的輸出信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再送入比較/運算模塊。
其所述的水泵機組至少包括一臺水泵，或者，其水泵機組包括兩臺或兩臺以上的水泵，各臺水泵分別對應(yīng)設(shè)置一臺變頻器；所述的控制單元經(jīng)過一啟動順序控制單元與各個變頻器連接。
上述的進、出水壓力采樣單元為連續(xù)式電壓力傳感器、壓力/差壓變送器或可輸出連續(xù)式電信號的數(shù)字式壓力表。
與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實用新型的優(yōu)點是1.通過對傳統(tǒng)機械浮球閥在水箱(或水池)中的進水狀態(tài)進行模擬，對管網(wǎng)的進水壓力和流量以及水泵之出水壓力進行動態(tài)的實時檢測，并利用上述信號對水泵的運行進行控制，改變了機械式浮球閥出水的開放使用狀態(tài)，避免水與大氣相通，防止了水質(zhì)的二次污染，其出水端的壓力變化與使用機械式浮球閥的流量和壓力變化趨勢、速率、量值相同；2.充分利用管網(wǎng)原有壓力，節(jié)能、高效，避免了傳統(tǒng)機械浮球閥故障導(dǎo)致溢流跑水的弊端；3.進水壓力下降速率過快則水泵轉(zhuǎn)速相應(yīng)下降，以保證進水壓力下降不會慣性過零；當(dāng)進水壓力下降到接近零時，水泵的轉(zhuǎn)速同時與進水流量成正比，流量越小轉(zhuǎn)速相應(yīng)越低，流量逐漸減小到零則轉(zhuǎn)速也相應(yīng)逐漸減小至零，從而打破了現(xiàn)有技術(shù)在壓力下限值時必須停機的做法。


圖1是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是模擬浮球閥進水在線加壓裝置的等效原理示意圖；圖3是浮球閥模擬控制單元的電路方框圖；圖4是壓力/水位控制單元的電路方框圖；圖5是控制單元的功能電路方框圖；圖6是另一實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是浮球閥模擬控制單元實施例的電路圖。
圖中1為水泵機組，1-1、1-2為水泵，2為出水壓力采樣單元，3為控制單元，4、4-1或4-2為變頻器，5為市政自來水管網(wǎng)，6為用戶管網(wǎng)，7為進水壓力采樣單元，8為進水流量采樣單元，9為浮球閥模擬控制單元，10為壓力/水位控制單元，11、13、14、16或17為閥，12或15為單向止回閥，18為啟動順序控制單元。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。
圖1中，本技術(shù)方案包括水泵機組1、設(shè)置在水泵機組出水管路上的出水壓力采樣單元2、用于控制出水壓力的控制單元3和用于控制水泵機組運轉(zhuǎn)的變頻器4，其中，水泵機組的進水管與市政自來水管網(wǎng)5連接，其出水管與用戶管網(wǎng)6連接，出水壓力采樣單元的信號輸出端與控制單元連接，控制單元與變頻器連接。其在水泵的進水管路上設(shè)置了進水壓力采樣單元7和進水流量采樣單元8；在進水壓力采樣單元、進水流量采樣單元與控制單元之間設(shè)置了浮球閥模擬控制單元9；在控制單元與出水壓力采樣單元之間設(shè)置了壓力/水位控制單元10。
其進水流量采樣單元為模擬式或數(shù)字式流量計。
控制單元為單片機、可編程邏輯控制器、嵌入式PC機、工控機或PC機。
進、出水壓力采樣單元為連續(xù)式電壓力傳感器、壓力/差壓變送器或可輸出連續(xù)式電信號的數(shù)字式壓力表。
實際工作時，進水壓力采樣單元和進水流量采樣單元，分別對進水壓力值和進水流量值進行實時檢測，將檢測結(jié)果送入浮球閥模擬控制單元，經(jīng)記憶、存儲、比較、運算、校正后送入控制單元；同時出水壓力采樣單元亦在實時檢測出水壓力值，并將結(jié)果送入壓力/水位控制單元與設(shè)定值進行比較、運算、判斷后，將結(jié)果送入控制單元；控制單元根據(jù)浮球閥模擬控制單元和壓力/水位控制單元送來的信息，綜合模擬、運算、判斷選擇信號路徑，在PA≥0的前提下，自動跟蹤進、出水壓力及流量的實時變化，預(yù)先提前調(diào)整與實時隨動調(diào)整相結(jié)合，最終結(jié)果經(jīng)緩沖數(shù)/模轉(zhuǎn)換后送入變頻器的輸入端，由變頻器控制水泵無級調(diào)速運行，從而達到自動模擬浮球閥進水狀態(tài)的全密閉在線加壓供水。
圖中各閥門、止回閥11、12、13、14、15、16或17為本領(lǐng)域常規(guī)設(shè)置，其具體發(fā)置要求在此不再敘述。
圖2中，虛線框內(nèi)所示為浮球閥模擬控制單元模擬浮球閥工作過程和性能的等效原理結(jié)構(gòu)，其相當(dāng)于圖1中的9、3和10單元的共同作用結(jié)果。其蓄水量ΔQ近似為零。A點的壓力變化符合PA＝Po-Δh≥0，故無論何時，水泵進水都是在浮球閥正壓進出水狀態(tài)下進行的。
圖3中，浮球閥模擬控制單元至少包括第一、第二基準(zhǔn)值設(shè)定模塊、第一～第四差值運算模塊、記憶存儲模塊和比較/判斷/運算模塊；其中，進水壓力采樣單元和第一基準(zhǔn)值設(shè)定模塊經(jīng)第一差值運算模塊與記憶存儲模塊和比較/判斷/運算模塊連接；進水流量采樣單元和第二基準(zhǔn)值設(shè)定模塊經(jīng)第二差值運算模塊與記憶存儲模塊和比較/判斷/運算模塊連接；記憶存儲模塊、第一、第二差值運算模塊分別經(jīng)第三、第四差值運算模塊與比較/判斷/運算模塊連接；其比較/判斷/運算的結(jié)果送入控制單元。
進一步的，進水壓力采樣單元或進水流量采樣單元的輸出信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再送入對應(yīng)的差值運算模塊(當(dāng)進水壓力采樣單元或進水流量采樣單元的輸出信號為模擬信號時)。
實際工作時，進水壓力和流量實時采樣信號被送入浮球閥模擬控制單元分別與P(壓力)基準(zhǔn)和Q(流量)基準(zhǔn)進行差值比較運算，其結(jié)果同時送入移位記憶存儲和第二級差值比較運算。第二級差值比較運算是將第一級差值比較運算的相臨兩次的結(jié)果進行差值比較運算，以確定P和Q的趨零變化速率，移位記憶存儲記憶上一次第一級差值比較運算結(jié)果，并自動移位提供給第二級差值比較運算。差值比較運算結(jié)果均送入比較判斷模擬運算器中，以模擬控制進水壓力流量變化符合機械浮球閥運行狀態(tài)和范圍，其結(jié)果送入控制單元。
圖4中，出水壓力實時采樣信號送入出水壓力/水位控制單元，與設(shè)定的出水壓力目標(biāo)值比較運算，其結(jié)果送入控制單元。
圖5中，控制單元將浮球閥模擬控制單元和出水壓力/水位控制單元送來的結(jié)果進行延時、綜合比較判斷、預(yù)調(diào)控制、實時控制、緩沖后將最終控制結(jié)果經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換后再送給變頻器執(zhí)行。
圖6中，當(dāng)水泵機組包括兩臺或兩臺以上的水泵時，各臺水泵分別對應(yīng)設(shè)置一臺變頻器；控制單元經(jīng)過一啟動順序控制單元與各個變頻器連接。其余同圖1。
圖7中，浮球閥模擬控制單元的實施例實際相當(dāng)于一個68系列、81系列或89系列之單片機的最小系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微處理器MPU、只讀存儲器ROM、隨機存儲器RAM、外圍接口適配器PIA以及兩相時鐘、5V電源和再起動電路組成。其中的ROM用來存儲程序，RAM用來存儲數(shù)據(jù)，為了和外圍設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，PIA提供了兩組8位的可編程I/O通道。
出水壓力/水位控制單元同樣可以采用與上述電路類似的電路來實現(xiàn)其相應(yīng)的功能。
由于單片機的工作原理和過程均為現(xiàn)有技術(shù)，其具體的信號流向、程序執(zhí)行過程以及集成電路型號的選擇在此不再敘述。
此外，控制單元可以采用單片機、可編程邏輯控制器、嵌入式PC機、工控機或PC機來完成其相應(yīng)的控制功能。當(dāng)選用單片機時，可以采用《微型計算機及其應(yīng)用》(機械出版社，1981年4月第一版)中第223頁圖6-36所示的典型電路來實現(xiàn)其相應(yīng)功能。
本實用新型之進水流量采樣單元、進水壓力采樣單元或出水壓力采樣單元均選用可輸出連續(xù)式電信號的模擬式或數(shù)字式流量計和連續(xù)式電壓力傳感器、壓力/差壓變送器或可輸出連續(xù)式電信號的數(shù)字式壓力表，以滿足整個裝置連續(xù)、實時、動態(tài)采樣之需要，其他部件無特殊要求。
本實用新型通過對傳統(tǒng)的機械浮球閥在水箱、水池中的進水狀態(tài)進行模擬，對管網(wǎng)進水壓力和流量以及出水壓力進行動態(tài)實時的檢測，經(jīng)浮球閥模擬控制單元和出水壓力/水位控制單元的信號處理和控制后，由控制單元綜合運算，輸出控制信號到啟動順序控制單元的輸入端，由啟動順序控制單元控制各臺變頻器，最后控制各臺水泵的運行，最終完成在模擬浮球閥進水狀態(tài)下的在線加壓供水，達到了節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定的供水效果。
由于取消了浮球閥及其水箱(水池)的傳統(tǒng)二次加壓供水方式，以模擬的“浮球閥”進行替代，其出水端的壓力變化與使用傳統(tǒng)的機械式浮球閥的流量和壓力變化趨勢、速率、量值相同，從根本上消除了水質(zhì)二次污染隱患，避免了傳統(tǒng)機械浮球閥故障導(dǎo)致溢流跑水的弊端，打破了現(xiàn)有技術(shù)在壓力下限值時必須停機的做法，以及現(xiàn)有之無負壓裝置的供水穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，供水過程由于采用了預(yù)調(diào)整控制，以及浮球閥進水狀態(tài)自動跟蹤控制，使供水過程更加平穩(wěn)、可靠，既保證綠色環(huán)保，又兼顧能源節(jié)約，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和維護。
本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度高，易于操作、維護和管理，可廣泛應(yīng)用于各種高層建筑或居民生活小區(qū)的高層自動供水系統(tǒng)、中間加壓泵站或輸水/輸油管道系統(tǒng)等領(lǐng)域。
權(quán)利要求1.一種自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，包括水泵機組、設(shè)置在水泵機組出水管路上的出水壓力采樣單元、用于控制出水壓力的控制單元和用于控制水泵機組運轉(zhuǎn)的變頻器，其中，水泵機組的進水管與市政自來水管網(wǎng)連接，其出水管與用戶管網(wǎng)連接，出水壓力采樣單元的信號輸出端與控制單元連接，控制單元與變頻器連接，其特征是在水泵機組的進水管路上設(shè)置進水壓力采樣單元和進水流量采樣單元；在進水壓力采樣單元、進水流量采樣單元與控制單元之間設(shè)置浮球閥模擬控制單元；在控制單元與出水壓力采樣單元之間設(shè)置壓力/水位控制單元。
2.按照權(quán)利要求1所述的自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，其特征是所述的進水流量采樣單元為模擬式或數(shù)字式流量計。
3.按照權(quán)利要求1所述的自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，其特征是所述的浮球閥模擬控制單元至少包括第一、第二基準(zhǔn)值設(shè)定模塊、第一～第四差值運算模塊、記憶存儲模塊和比較/判斷/運算模塊；其中，進水壓力采樣單元和第一基準(zhǔn)值設(shè)定模塊經(jīng)第一差值運算模塊與記憶存儲模塊和比較/判斷/運算模塊連接；進水流量采樣單元和第二基準(zhǔn)值設(shè)定模塊經(jīng)第二差值運算模塊與記憶存儲模塊和比較/判斷/運算模塊連接；記憶存儲模塊、第一、第二差值運算模塊分別經(jīng)第三、第四差值運算模塊與比較/判斷/運算模塊連接；其比較/判斷/運算的結(jié)果送入控制單元。
4.按照權(quán)利要求3所述的自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，其特征是所述之進水壓力采樣單元或進水流量采樣單元的輸出信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再送入對應(yīng)的差值運算模塊。
5.按照權(quán)利要求1所述的自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，其特征是所述的控制單元為單片機、可編程邏輯控制器、嵌入式PC機、工控機或PC機。
6.按照權(quán)利要求1所述的自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，其特征是所述的壓力/水位控制單元至少包括基準(zhǔn)值設(shè)定模塊和比較/運算模塊，其中，出水壓力采樣單元的輸出信號和基準(zhǔn)值設(shè)定模塊的輸出信號被送入比較/運算模塊，比較/運算模塊的輸出信號被送入控制單元。
7.按照權(quán)利要求6所述的自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，其特征是所述的出水壓力采樣單元的輸出信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再送入比較/運算模塊。
8.按照權(quán)利要求1所述的自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，其特征是所述的水泵機組至少包括一臺水泵。
9.按照權(quán)利要求1所述的自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，其特征是所述的水泵機組包括兩臺或兩臺以上的水泵，各臺水泵分別對應(yīng)設(shè)置一臺變頻器；所述的控制單元經(jīng)過一啟動順序控制單元與各個變頻器連接。
10.按照權(quán)利要求1所述的自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，其特征是所述的進、出水壓力采樣單元為連續(xù)式電壓力傳感器、壓力/差壓變送器或可輸出連續(xù)式電信號的數(shù)字式壓力表。
專利摘要一種自動模擬浮球閥進水的在線加壓供水裝置，屬于配水裝置領(lǐng)域。包括水泵、出水壓力采樣單元、控制單元和變頻器，其特征是在水泵的進水管路上設(shè)置進水壓力采樣單元和進水流量采樣單元；在進水壓力采樣單元、進水流量采樣單元與控制單元之間設(shè)置浮球閥模擬控制單元；在控制單元與出水壓力采樣單元之間設(shè)置壓力/水位控制單元。其能自動在線模擬浮球閥的工作狀態(tài)向水泵進水端進水，從而取代了易污染、高耗能、易故障的機械式水池(或水箱)以及水箱進水用浮球閥，同時又避免了現(xiàn)有無負壓供水裝置存在的工作過程連續(xù)性差之不足，更好地達到了節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定供水的技術(shù)效果?？蓮V泛應(yīng)用于各種高層自動供水系統(tǒng)或中間加壓泵站等領(lǐng)域。
文檔編號E03B7/09GK2898114SQ200620023598
公開日2007年5月9日 申請日期2006年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月22日
發(fā)明者郭敬祝, 郭夢婷 申請人:郭敬祝