CN101543668A - 一种泡沫全自动比例混合数显控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明属消防器械技术领域，具体涉及一种泡沫全自动比例混合数显控制模块。由微机控制单元、传感器单元、驱动器单元组成，微机控制单元由电路板组件、电信号连接器、显示操作机构和壳体组成，相互叠加放置于壳体内，电路板组件包括微处理器、电信号输入接口、电信号输出接口和数字通讯接口，电信号连接器、显示操作机构位于壳体内；传感器单元包括水流量计、泡沫流量计、液位传感器或压力传感器中的一种或几种；驱动器单元包括直流无刷电机驱动器和电控阀门驱动器中的任意一种或两种；电路板组件的电信号输入接口、电信号输出接口和数字通讯接口通过电信号连接器分别连接传感器单元所述的传感部件、驱动器单元所述的驱动部件。本发明可以大大提高泡沫比例混合的自动化程度，实现小于1％混合比例的精确控制和调节。

Description

一种泡沫全自动比例混合数显控制模块

技术领域

本发明属消防器械技术领域，具体涉及一种泡沫全自动比例混合数显控制模块。

背景技术

压缩空气泡沫灭火系统(CAFS)是当代国际上先进的灭火技术装备，具有节水高效、灭火范围广，输送能力强，隔热保护可靠等显著优点。在火灾现场，受水压水流高低波动的影响，泡沫混合比例会出现偏差，影响灭火效能，需要在使用时依据水流量的变化来进行及时调整，自动保持适合的百分比。近年来，国内已成功地开发了部分CAFS装备技术产品，但大部分采用机械比例混合方式，仅有报道的采用电控泡沫自动混合装置的混合比例在3-7％之间，只适合于B类泡沫灭火场合。A类泡沫混合比例在0.1％～1％之间，由于比例低，精度要求高(±20％)，实时控制难度较大，一般非电子控制的混合方式很难满足这一精度要求。随着电子信息技术的发展，高性能的微控制技术、高精度的传感器、电驱动机构不断涌现，可靠性也大大提高，采用全自动控制方法已成为必然趋势。采用电子控制技术，将使泡沫比例混合设备大为简化，控制精度易于保证，从而避免机械实现方式的设备繁琐复杂、自动调节不宜实现的缺点。目前，在国外同类技术产品中，已实现了比例混合的全自动控制。在我国，由于这一技术难点还有待突破，A类泡沫比例混合设备仍然依赖进口，价格较高，维修困难，成为国内推广应用这一先进技术装备的瓶颈。

现有国外自动A类泡沫比例混合装置采用调速泡沫泵给液调节技术方案，既有：在给水管道阻力特性曲线给定的情况下通过改变泡沫泵转速来改变泡沫泵特性曲线，实现调节给液流量。装置一般由电控数显控制模块、泡沫泵、电机、流量计等组成。其工作原理如下：消防水泵的出口压力水流经流量计后.信号传给控制模块，经过控制模块的计算和处理发出指令信号控制泡沫液泵组的电动机转速，即控制泡沫液泵组输出一定流量的泡沫液注入水流中、实现比例混合，控制模块调节混合比在(0.1-1％)之间。在这一控制方式中，反馈参量主要为容积泵转速、水流量，控制对象为容积泵转速，即时泡沫流量的计算则依据泡沫泵的转速流量特性参数。在实际使用中，由于泡沫泵制造的个体差异，现场安装管路特性、供水回路压力波动、长期使用磨损等原因，造成系统特性的动态偏差，影响终端出液的比例精度，因此仅靠转速反馈一个参量实施控制存在一定系统误差。这不仅要求泵组设备具有良好的一致性、稳定性、还需要定期系统校正，配备专业维护操作人员，从而给使用带来不便。因此，在研究开发自动混合比例设备时，首先立足实现控制模块的国产化，同时需要结合我国实际情况，研究改进控制方法，克服上述不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泡沫全自动比例混合数显控制模块。

本发明采用多种高分辨率电信号转换电接口，驱动电接口，可连接不同传感原理、不同接口类型的传感器，执行驱动装置，基于泡沫泵组的调速控制，灵活构成多种反馈参量形态的闭环控制回路，通过配置PID+模糊控制算法、实现A类、B类泡沫混合比例全自动微机控制、泡沫比例的高精度调节。

本发明提出的泡沫全自动比例混合数显控制模块，由微机控制单元1、传感器单元2、驱动器单元3组成，其中，

所述微机控制单元1由电路板组件4、电信号连接器9、显示操作机构5和壳体6组成，电路板组件4由1-4块电路板相互叠加放置于壳体6内，电路板组件4包括微处理器、一组电信号输入接口、电信号输出接口和数字通讯接口，电路板组件4、电信号连接器9、显示操作机构5位于壳体6内；

所述传感器单元2包括水流量计11、泡沫流量计12、液位传感器13或压力传感器14中的一种或几种；

所述驱动器单元3包括直流无刷电机驱动器15或电控阀门驱动器16中一种或两种；

电路板组件4的电信号输入接口、电信号输出接口和数字通讯接口通过电信号连接器9分别连接传感器单元2和驱动器单元3。

本发明中，电路板组件4的一组电信号输入接口与数字通讯接口通过电信号连接器9连接水流量计11、泡沫流量计12、液位传感器13或压力传感器14，一组电信号输出接口与数字通讯接口通过电信号连接器9连接直流无刷电机驱动器15或电控阀门驱动器16。

本发明中，所述微处理器为基于8051内核、PIC系列的8位微控制器或基于ARM7、ARM9内核的32位微控制器中任一种。

本发明中，所述电信号输入接口为具有16位分辨率的模拟数字转换接口，电信号输入接口与微控制器之间采用光耦合隔离器件连接，信号接入标准为：脉冲频率型或0-5V/0-10V/4-20mA输入型中的一种或几种，所述数字通讯接口为RS485/RS232/MODBUS/HART/PROFIBUS标准中的一种或几种。

本发明中，所述电信号输出接口为具有12位分辨率的数字模拟转换接口，电信号输出接口与微控制器采用光耦合隔离器件连接，信号接入标准为：0-5V/0-10V/4-20mA中的一种或几种。

本发明中，所述显示操作机构5由由显示器7和面板按键8组成，其中，显示器可以采用一组4位以上数码型液晶显示器、或4位以上LED数码显示器、或点阵型液晶显示器中任一种；面板按键8采用4个以上触摸式按键。

本发明中，所述直流无刷电机驱动器15具有低压大电流驱动能力，工作电压DC 12-72V，最大输出电流50A，调速范围每分钟50-3000转，调速分辨率每分钟±1转。

本发明中，所述的水流量计11采用叶轮流量计、电磁流量计或差压式流量计中任一种，其量程范围：0-4000L/min、测量精度：±1％FS。所述泡沫流量计12采用涡轮流量计或电磁流量计中一种，其量程范围：0-20L/min，测量精度：±1％ FS。

本发明中，所述液位传感器13采用磁簧型液位开关传感器、光电型液位开关传感器或磁致伸缩液位传感器中任一种。

本发明针对消防车载设备的环境使用要求，按照防震、防水、低温、防电磁干扰的原则进行总体设计。控制模块配置有多种输入输出电信号接口，可接入流量、压力、转速、液位等基本传感信号、电机、阀门等执行信号。其中模数输入转换接口、数字模拟输出接口转换具有12位以上转换分辨率、能确保较高的对传感信号的采样精度以及执行驱动的控制精度。接口电路采用光电耦合技术与现场传感器、执行机构实现电气隔离，可以提高抗干扰能力和电磁兼容性。电信号接口具有多种接入标准，有电压电流型：0-5V/0-10V/4-20mA，脉冲频率型，数字通讯型：RS485/MODBUS/HART/PROFIBUS，为传感器选型提供了较大余地。采用点阵液晶或LED数码显示方案，具有中文显示、同屏多参数显示，可显示水流量、总用水量、泡沫比例、泡沫瞬时流量、泡沫总用量等主要参量。采用4个操作功能按键，启动系统时，仅一键操作，极大方便现场操作与使用。采用金属加固型壳体、内部结构紧凑、外部嵌入式面板安装固定、适合车载安装操作、配备工业级防水连接器，模块整机达到IP67防护性能标准。数显控制模块预先存储有泡沫泵转速流量工况特性参数、管路压力流量特性参数。编制有离散PID调节算法，针对系统非线性特征，进一步采用了模糊控制算法。在基本型控制方案中，微机控制单元连接水流量计、泡沫流量计、直流无刷电机驱动器、液位开关。由水流量参数、泡沫流量参数与泵组转速参数构成双参数反馈闭环控制回路。实际工作时，计算水流量与泡沫流量得出实时混合比例，依据特性参数调节泵组转速，改变泡沫原液输出流量，维持混合比精度要求。

本发明还可以由下述几种技术方案实现：

1.微机控制单元连接水流量计、直流无刷电机驱动器、电控阀门驱动器、液位开关。由水流量参数与泡沫泵转速、管路阀门开度构成单参数反馈闭环控制回路。实际工作时，按照灭火出液流量要求使供水流量达到预定范围，实时测量水流量及泡沫泵转速值，依据特性参数调节泡沫泵转速、阀门开度，改变泡沫原液输出流量，维持混合比精度要求。低液位开关提供泡沫液箱少液报警功能。

2.微机控制单元连接水流量计、压力传感器、直流无刷电机驱动器、电控阀门驱动器、液位开关。由水流量参数、管路压力参数与泡沫泵转速构成双参数反馈闭环控制回路。实际工作时，数显控制模块实时测量水流量、出液管路压力及泡沫泵转速值，依据特性参数调节泡沫泵转速、改变泡沫原液输出流量，维持混合比精度要求。调节阀门开度，保持给定压差，使泡沫液顺利进入主水管路。在本方案中，泡沫泵系统及出液管路发生堵转、堵塞等故障引起压力异常超限时，数显控制模块将及时制动，保护泡沫泵系统。

3.微机控制单元连接水流量计、磁致伸缩型液位传感器、直流无刷电机驱动器、电控阀门驱动器。水流量参数、泡沫液箱液位参数与泡沫泵转速构成双参数反馈闭环控制回路。实际工作时，测量水流量、泡沫液箱液位及泡沫泵转速值，依据泡沫液箱截面积计算泡沫原液实时输送流量，与水流量与比较得出实时混合液比例，依据特性参数调节泡沫泵转速、阀门开度，改变泡沫原液输出流量，维持混合比精度要求。

本发明与已有技术相比具有如下优点：

1.采用电子控制方法对泡沫混合比例进行控制，基于泡沫泵的无级调速，最小控速分辨率为±1转。采用水流量、泡沫流量、转速、液位、压力多参数反馈，实现泡沫原液小流量的精确调节，满足0.1—1％混合比例在±20％范围内的控制精度要求，填补了国内空白。

2.模块配置多种高分辨率模拟信号电输入输出接口，提供精确测量工况参数及精确驱动执行机构的接口能力，能灵活构成多种形态闭环控制回路，满足不同应用需求。

3.采用了PID+模糊控制算法，智能性高、灵活性好，提高对系统非线性特点的适应性，降低对执行机构的性能要求、提高了系统可靠性。

4.采用大功率低压直流电机驱动泡沫泵，适合消防车载使用，具有较大的驱动功率，低速启动扭矩，较宽的调速比和泡沫流量调节范围，同一控制模块，在A类和B类泡沫灭火系统中均可使用。

5.采用中文液晶显示技术，同屏多参数显示，中文提示，方便火场快捷操作、更适合消防部队实战应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明显示操作机构结构示意图。

图3为本发明的实施例1的结构示意图。

图4为本发明的实施例2的结构示意图。

图5为本发明的实施例3的结构示意图。

图6为本发明的实施例4的结构示意图。

图中标号：1为微机控制单元，2为传感器单元，3为驱动器单元，4为电路板，5为显示操作机构，6为壳体，7为显示器，8为面板按键，9为电信号连接器，11为水流量计，12为泡沫流量计，13为液位传感器，14为压力传感器，15为直流调速驱动器，16为电控阀门驱动器，20为泡沫泵组，21为泡沫液箱，22为泡沫液，23为供水回路，24为设定混合比例。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明

实施例1，其结构如图3所示，水流量计11采用电磁式流量计，安装于供水回路23中，液位传感器13采用磁簧型液位开关，安装于泡沫液箱21中。微机控制单元1通过RS485接口连接水流量计11，通过0-5V模拟输出接口、0-12V脉冲输入接口连接直流无刷电机驱动器15，通过0-5V模拟输入输出接口连接电控阀门驱动器16，通过0-10V接口连接液位传感器13，显示操作机构5采用8位液晶数码显示器。水流量参数与电机转速参数构成单参数反馈闭环控制回路，微机控制单元1预先存储泡沫泵组20的转速流量特性曲线参数，压力流量特性曲线参数。实际工作时，按照灭火出液流量要求使供水流量达到预定范围，微机控制单元实时测量供水流量及泡沫泵转速值，依据特性参数调节泡沫泵转速、阀门开度，改变泡沫液22的输出流量，维持设定混合比例24的精度要求。液位开关监测泡沫液箱21的少液情况，保护泡沫泵组。8位液晶数码显示器显示电机转速、供水流量、混合比等实时参数中的2组，可进行混合比设定、系统校正、安全告警等操作。

实施例2：其结构如图4所示，水流量计11采用差压式流量计，安装于供水回路23中，液位传感器13采用光电型液位开关，安装于泡沫液箱21中。微机控制单元1通过4-20mA接口连接差压式流量计，通过0-10V脉冲输入接口连接涡轮式泡沫流量计12，0-5V模拟输出接口、0-12V脉冲输入接口连接直流无刷电机驱动器15，通过0-通过5V接口连接液位传感器13，显示操作机构5采用640×480点阵彩色液晶显示器。水流量参数、泡沫流量参数与泡沫泵组20的转速参数构成双参数反馈闭环控制回路。实际工作时，按照灭火出液流量要求使供水流量达到预定范围，数显控制模块实时测量供水流量、泡沫流量及泡沫泵转速值，水流量与泡沫流量比较得出实时输出的混合液比例，依据特性参数调节泡沫泵转速，改变泡沫液22的输出流量，维持设定混合比例24的精度要求。液位开关监测泡沫液箱21少液情况，保护泡沫泵组。液晶显示器同屏显示电机转速、水流量、泡沫流量、混合比等实时参数，可进行混合比设定、系统校正、安全告警等操作。

实施例3：如图5所示，水流量计11采用涡轮式流量计，安装于供水回路23中，液位传感器13采用霍尔型液位开关，安装于泡沫液箱21中。微机控制单元1通过0-10V脉冲输入接口连接涡轮式流量计，通过0-5V接口连接压力传感器14、通过0-10V接口连接霍尔型液位开关、通过RS485接口连接直流无刷电机驱动器15、通过0-5V接口连接电控阀门驱动器16、显示操作机构5采用8位LED数码显示器。水流量参数、出液管路压力参数与电机转速参数构成双参数反馈闭环控制回路。微机控制单元预先存储有泡沫泵组20的转速流量特性曲线参数，压力流量特性曲线参数。实际工作时，按照灭火出液流量要求使供水流量达到预定范围，数显控制模块实时测量水流量、出液管路压力及电机转速值，依据特性参数调节泡沫泵转速、改变泡沫液22输出流量，维持设定混合比例24的精度要求。同时调节阀门开度，保持给定压差，使泡沫液22顺利进入主水管路。同时，一旦泵组系统发生堵转、堵塞等故障引起压力异常超限时，数显控制模块将及时制动，实施保护，液位传感器监测泡沫液箱21少液情况，保护泡沫泵组。8位LED数码显示器同时显示转速、水流量、压力、混合比等实时参数中的2组，并可进行切换显示、混合比设定、安全告警等操作。

实施例4：如图6所示，水流量计11采用电磁流量计，安装于供水回路23中，液位传感器13采用磁致伸缩型液位传感器，安装于泡沫液箱21中。微机控制单元通过HART协议接口连接电磁流量计，通过4-20mA接口连接磁致伸缩型液位传感器，通过0-5V、0-10V接口连接直流无刷电机驱动器15，通过0-5V接口连接电控阀门驱动器16，显示操作机构5采用480×270点阵液晶器，水流量参数、泡沫液箱液位参数与泡沫泵组的转速参数构成双参数反馈闭环控制回路。实际工作时，按照灭火出液流量要求使供水流量进入预定范围，数显控制模块实时测量水流量、泡沫液箱液位及泵组转速值，通过液位信号与泡沫液箱截面积计算泡沫液实时输送流量，与水流量比较得出实时混合液比例，依据特性参数调节泡沫泵转速、阀门开度，改变泡沫液输出流量，维持设定混合比24精度要求。液晶中文显示器同时显示转速、水流量、泡沫流量、混合比等实时参数，可进行混合比设定、系统校正、安全告警等操作。

Claims (9)

1、一种泡沫全自动比例混合数显控制模块，由微机控制单元(1)、传感器单元(2)、驱动器单元(3)组成，其特征在于：

所述微机控制单元(1)由电路板组件(4)、电信号连接器(9)、显示操作机构(5)和壳体(6)组成，电路板组件(4)由1-4块电路板相互叠加放置于壳体(6)内，电路板组件(4)包括微处理器、一组电信号输入接口、电信号输出接口和数字通讯接口，电路板组件(4)、电信号连接器(9)、显示操作机构(5)位于壳体(6)内；

所述传感器单元(2)包括水流量计(11)、泡沫流量计(12)、液位传感器(13)或压力传感器(14)中的一种或几种；

所述驱动器单元(3)包括直流无刷电机驱动器(15)或电控阀门驱动器(16)中一种或两种；

电路板组件(4)的电信号输入接口、电信号输出接口和数字通讯接口通过电信号连接器(9)分别连接传感器单元(2)和驱动器单元(3)。

2、根据权利要求1所述的泡沫全自动比例混合数显控制模块，其特征在于电路板组件(4)的一组电信号输入接口与数字通讯接口通过电信号连接器(9)连接水流量计(11)、泡沫流量计(12)、液位传感器(13)或压力传感器(14)，一组电信号输出接口与数字通讯接口通过电信号连接器(9)连接直流无刷电机驱动器(15)或电控阀门驱动器(16)。

3、根据权利要求1所述的泡沫全自动比例混合数显控制模块，其特征在于所述微处理器为基于8051内核、PIC系列的8位微控制器或基于ARM7、ARM9内核的32位微控制器中任一种。

4、根据权利要求1所述的泡沫全自动比例混合数显控制模块，其特征在于所述电信号输入接口为具有12位以上分辨率的模拟数字转换接口，电信号输入接口与微控制器之间采用光电耦合隔离器件连接，信号接入标准为：脉冲频率型、0-5V、0-10V或4-20mA输入型中的一种或几种，所述数字通讯接口为RS485、RS232、MODBUS、HART或PROFIBUS标准中的一种或几种。

5、根据权利要求1所述的泡沫全自动比例混合数显控制模块，其特征在于所述电信号输出接口为具有12位以上分辨率的数字模拟转换接口，电信号输出接口与微控制器采用光电耦合隔离器件连接，信号接入标准为：0-5V、0-10V或4-20mA中的一种或几种。

6、根据权利要求1所述的泡沫全自动比例混合数显控制模块，其特征在于所述显示操作机构(5)由显示器(7)和面板按键(8)组成，显示器采用一组4位以上数码型液晶显示器、4位以上LED数码显示器和点阵型液晶显示器中任一种；面板按键(8)采用4个以上触摸式按键。

7、根据权利要求1所述的泡沫全自动比例混合数显控制模块，其特征在于所述直流无刷电机驱动器(15)工作电压DC12-72V，最大输出电流50A，调速范围每分钟50-3000转，调速分辨率每分钟±1转。

8、根据权利要求1所述的泡沫全自动比例混合数显控制模块，其特征在于所述的水流量计(11)采用涡轮流量计、电磁流量计或差压式流量计中任一种，其量程范围：0-5000L/min、测量精度：±1％FS；所述泡沫流量计(12)采用涡轮流量计或电磁流量计中任一种，其量程范围：0～20L/min，测量精度：±1％FS。

9、根据权利要求1所述的泡沫全自动比例混合数显控制模块，其特征在于所述液位传感器(13)采用磁簧型液位开关传感器、光电型液位开关传感器或磁致伸缩液位传感器中任一种。

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