一体化污水泵站电气控制系统模块化冗余控制装置

技术领域

本发明涉及一体化污水泵站电气控制系统模块化冗余控制装置，属于污水处理自动控制技术领域。

背景技术

随着社会的进步，市政雨水、污水管网、水处理厂等水利工程也向着分布化的方向发展，一体化污水泵站以其建设周期短、成本低等优势，在新建的水处理项目中逐渐兴起。但是由于一体化泵站电气控制系统，不能像传统泵站置于室内，又处于无人值守状态，加之空间、成本等因素的制约，其稳定性和可靠性已经成为该行业迫切需要解决的技术问题。

现有的控制方式主要是采用PLC或基板作为控制器，将液位反馈机构所反馈的液位信号与预先设好的阈值相比对，在阈值条件满足时输出给运行执行机构，执行机构可能由接触器、软启动器或变频器构成，执行机构驱动电动机转动，电动机带动水泵工作，与此同时水泵保护机构监视和反馈水泵传感器的状态，一旦出现故障将报警信号传递给水泵控制器。

这种控制系统的缺点是液位反馈机构或排水控制器中如有一个环节发生故障，即使电动机、水泵、水泵保护机构等都能正常运行，整个系统也不能工作。系统可靠性很差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的是提供一种一体化污水泵站电气控制系统模块化冗余控制装置，当排水控制器、液位传感器等主要逻辑和反馈元件出现故障，也能自动的起动和停止水泵，提高控制系统电路的冗余性和可靠性。

为解实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种一体化污水泵站电气控制系统模块化冗余控制装置,包括冗余信号处理机构、冗余液位反馈机构、冗余配置面板机构、冗余信号输出机构。

所述的冗余液位反馈机构收集液位信号，并与冗余信号处理机构联接；所述的冗余配置面板机构用于收集水泵设置信息，并与冗余信号处理机构联接；所述的冗余信号输出机构，与冗余信号处理机构联接，传输冗余启停泵命令。

冗余信号处理机构；其主要功能在于处理冗余液位反馈机构、冗余配置面板机构所输入的信号，并将其处理的信号通过冗余信号输出机构输出；

冗余液位反馈机构；其主要功能在于将独立的液位信号反馈给冗余信号处理机构；

冗余配置面板机构；其主要功能在于收集客户设置水泵手动、自动、冗余投入等信息；

冗余信号输出机构：作为冗余信号处理机构输出接口，用于匹配外界执行机构电路电压和电流，并起到避免返回流等作用。

本发明的创新点在于：采用一种模块化冗余控制装置。采用模块化设计，可以根据不同配置要求，不同的控制回路电压，采用适应要求的不同的冗余模块，冗余液位反馈机构、冗余配置面板机构、冗余信号输出机构，每个模块之间相互独立。

综上所述，一种一体化污水泵站电气控制系统模块化冗余控制装置,包括冗余信号处理机构、冗余液位反馈机构、冗余配置面板机构、冗余信号输出机构，其特征是所述的冗余液位反馈机构用于收集液位信号，并与冗余信号处理机构联接；所述的冗余配置面板机构用于收集水泵设置信息，并与冗余信号处理机构联接；所述的冗余信号输出机构与冗余信号处理机构联接，传输冗余启停泵命令。

主要机构的硬件包括：

所述的冗余信号处理机构，其硬件结构由中间继电器组成逻辑互锁电路，或者由MCU组成逻辑信号处理电路构成；

所述的冗余液位反馈机构，其硬件结构采用液位浮球组合，或者使用模拟量液位计；所述的冗余配置面板机构，其硬件结构由面板辅助触点和端子回路组成；所述的冗余信号输出机构，其硬件结构主要由二极管和输出继电器组成。

所述的冗余液位反馈机构具体组合形式较多，但由于采用模块化设计，其结构形式相似，以下分别以浮球继电器功能模块、浮球组继电器功能模块、模拟液位基板功能模块三种结构分别进行说明。

浮球继电器功能模块示意的电气原理图（参见图2）：

泵站低液位浮球F1，用于检测低液位状态；

泵站高液位浮球F2，用于检测高液位状态；

中间继电器K1，用于实现信号输出；

手自动开关S11，用于反馈水泵状态；

端子隔离开关S12，用于实现冗余信号输出水泵的选择；

水泵接触器KM1，水泵起动的执行机构。

所述的低液位浮球F1、高液位浮球F2及中间继电器K1组成自锁回路，当液位逐渐上升，低液位浮球F1和高液位浮球F2先后闭合，继电器K1得电自锁；继电器K1实现高液位吸合，低液位断开的功能；在手自动开关S11闭合，即水泵切换到自动状态，端子隔离开关S12闭合允许冗余起动，P1信号通过二极管传递给水泵接触器KM1，使水泵工作并保持状态一直到低液位浮球断开。

S21\S22\P2回路和S31\S32\P3回路分别是2#和3#泵的冗余信号输出回路，根据泵站实际情况也可以由更多水泵。

浮球继电器功能模块，结构简单可靠，作为冗余保护在设置过程中要注意F1\F2高、低液位浮球的位置要在控制器启停液位阈值之外。正常工作时，控制器控制水泵的起动和停止阈值在高低液位浮球之间工作，故障状态水位超出控制器控制阈值时，浮球电路工作。浮球继电器功能模块，结构简单可靠，适用于水泵功率和数量较小的工作情况，其缺点是当多台大型水泵同时投入冗余功能时，几台泵同时启动对电网冲击比较大。为改进上述缺点，引入了（b）浮球组继电器功能模块。

浮球组继电器功能模块示意的电气原理图（参见图3）：

泵站低液位浮球F1，用于检测低液位状态；

泵站两个高液位浮球F2、F3，用于检测高液位状态；

中间继电器KO、K1、K2，用于实现信号输出；

手自动开关S11，用于反馈水泵状态；

端子隔离开关S12，用于实现冗余信号输出水泵的选择；

水泵接触器KM1，水泵起动的执行机构。

所述的低液位浮球F1、高液位浮球F2、F3及中间继电器KO、K1、K2组成自锁回路，当液位逐渐上升，泵站低液位浮球F1和高液位浮球F2先后闭合，继电器K1得电自锁；继电器K1实现高液位吸合，低液位断开的功能；高液位浮球F3闭合，继电器K2得电自锁；继电器K2实现高液位吸合，低液位断开的功能；在手自动开关S11闭合，即水泵切换到自动状态，端子隔离开关S12闭合允许冗余起动，P1信号通过二极管传递给水泵接触器KM1，使水泵工作并保持状态一直到低液位浮球断开。

S21\S22\P2回路、S31\S32\P3和S41\S42\P4回路分别是2#、 3#和4#泵的冗余信号输出回路，并可以根据现场水量成对或单独投入水泵，实现水泵有条件的分组起动。

浮球继电器功能模块，结构也较为简单，作为冗余保护在设置过程中要注意F1\F2\F3高、低液位浮球的位置要在控制器启停液位阈值之外。正常工作时，控制器控制水泵的起动和停止阈值在高低液位浮球之间工作，故障状态水位超出控制器控制阈值时，浮球电路工作。浮球组继电器功能模块，成本同样较低，两个高液位浮球安装合理，可以克服不能分时起动的问题，适用于中型泵站的后备保护。其缺点在于对于水量变化较大时还是会集中起动和停止。

模拟液位基板冗余模块示意的电气框图（参见图4）：

基板冗余模块将单独采集的冗余液位反馈机构模拟量液位反馈给PLC排水控制器。

本发明工作时，根据实际需要将各机构的模块组合，构成模块化冗余控制装置。具有结构简单，成本低通用性可靠性强等特点。

附图说明

附图1是本发明的电原理方框图。

附图2是本发明浮球继电器功能模块的电路图。

附图3是本发明浮球组继电器功能模块的电路图。

附图4是本发明模拟液位基板功能模块与PLC排水控制器连接的电原理方框图。

附图5是本发明模拟液位基板功能模块的电路图。

具体实施方式

实施例一

一种一体化污水泵站电气控制系统模块化冗余控制装置,包括冗余信号处理机构、冗余液位反馈机构、冗余配置面板机构、冗余信号输出机构，其特征是所述的冗余液位反馈机构用于收集液位信号，并与冗余信号处理机构联接；所述的冗余配置面板机构用于收集水泵设置信息，并与冗余信号处理机构联接；所述的冗余信号输出机构与冗余信号处理机构联接，传输冗余启停泵命令。

主要机构的硬件包括：

所述的冗余信号处理机构，其硬件结构可以简单的由中间继电器组成逻辑互锁电路，也可以由MCU组成逻辑信号处理电路构成；

所述的冗余液位反馈机构，其硬件结构可以采用液位浮球组合，也可以使用模拟量液位计；

所述的冗余配置面板机构，其硬件结构主要由面板辅助触点和端子回路组成；

所述的冗余信号输出机构，其硬件结构主要由二极管和输出继电器组成。

主要机构的硬件包括：

（1）冗余信号处理机构，其硬件结构可以简单的由中间继电器组成逻辑互锁电路，也可以由MCU组成逻辑信号处理电路；

（2）冗余液位反馈机构，其硬件结构可以采用液位浮球组合，也可以使用模拟量液位计；

（3）冗余配置面板机构，其硬件结构主要由面板辅助触点和端子回路组成；

（4）冗余信号输出机构，其硬件结构主要由二极管和输出继电器组成。

组合形式较多，但由于采用模块化设计，其结构形式相似，以下分别以（a）浮球继电器功能模块，（b）浮球组继电器功能模块，（c）模拟液位基板功能模块分别进行说明。

（a）浮球继电器功能模块示意的电气原理图如图2：

F1为泵站低液位浮球，用于检测低液位状态；

F2为泵站高液位浮球，用于检测高液位状态；

K1为中间继电器，用于实现信号输出；

S11手自动开关，用于反馈水泵状态；

S12端子隔离开关，用于实现冗余信号输出水泵的选择；

KM1水泵接触器，水泵起动的执行机构。

所述的F1低液位浮球、 F2高液位浮球及K1中间继电器组成自锁回路，当液位逐渐上升，F1和F2先后闭合，K1继电器得电自锁；K1继电器实现高液位吸合，低液位断开的功能；在S11闭合，即水泵切换到自动状态，S12闭合允许冗余起动，P1信号通过二极管传递给KM1，使水泵工作并保持状态一直到低液位浮球断开。S21\S22\P2回路和S31\S32\P3回路分别是2#和3#泵的冗余信号输出回路，根据泵站实际情况也可以由更多水泵。

（a）浮球继电器功能模块，结构简单可靠，作为冗余保护在设置过程中要注意F1\F2高、低液位浮球的位置要在控制器启停液位阈值之外。正常工作时，控制器控制水泵的起动和停止阈值在高低液位浮球之间工作，故障状态水位超出控制器控制阈值时，浮球电路工作。

（a）浮球继电器功能模块，结构简单可靠，适用于水泵功率和数量较小的工作情况，其缺点是当多台大型水泵同时投入冗余功能时，几台泵同时启动对电网冲击比较大。为改进上述缺点，引入了（b）浮球组继电器功能模块。

（b）浮球组继电器功能模块示意的电气原理图如图3：

F1为泵站低液位浮球，用于检测低液位状态；

F2、F3为泵站两个高液位浮球，用于检测高液位状态；

KO、K1、K2为中间继电器，用于实现信号输出；

S11手自动开关，用于反馈水泵状态；

S12端子隔离开关，用于实现冗余信号输出水泵的选择；

KM1水泵接触器，水泵起动的执行机构。

所述的F1低液位浮球、 F2、F3高液位浮球及KO、K1、K2中间继电器组成自锁回路，当液位逐渐上升，F1和F2先后闭合，K1继电器得电自锁；K1继电器实现高液位吸合，低液位断开的功能；F3闭合，K2继电器得电自锁；K2继电器实现高液位吸合，低液位断开的功能；在S11闭合，即水泵切换到自动状态，S12闭合允许冗余起动，P1信号通过二极管传递给KM1，使水泵工作并保持状态一直到低液位浮球断开。S21\S22\P2回路、S31\S32\P3和S41\S42\P4回路分别是2#、 3#和4#泵的冗余信号输出回路，并可以根据现场水量成对或单独投入水泵，实现水泵有条件的分组起动。

（b）浮球继电器功能模块，结构也较为简单，作为冗余保护在设置过程中要注意F1\F2\F3高、低液位浮球的位置要在控制器启停液位阈值之外。正常工作时，控制器控制水泵的起动和停止阈值在高低液位浮球之间工作，故障状态水位超出控制器控制阈值时，浮球电路工作。

（b）浮球组继电器功能模块，成本同样较低，两个高液位浮球安装合理，可以克服不能分时起动的问题，适用于中型泵站的后备保护。其缺点在于对于水量变化较大时还是会集中起动和停止。

（c）模拟液位基板冗余模块示意的电气框图如图4、5：

基板冗余模块采集单独的冗余液位反馈机构将模拟量液位反馈给PLC排水控制器。