專利名稱：一種泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊的制作方法
技術領域：
本實用新型屬消防器械技術領域，具體涉及一種泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊。
背景技術：
壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)(CAFS)是當代國際上先進的滅火技術裝備，具有節(jié)水高效、 滅火范圍廣，輸送能力強，隔熱保護可靠等顯著優(yōu)點。在火災現(xiàn)場，受水壓水流高低波動 的影響，泡沫混合比例會出現(xiàn)偏差，影響滅火效能，需要在使用時依據(jù)水流量的變化來進 行及時調整，自動保持適合的百分比。近年來，國內已成功地開發(fā)了部分CAFS裝備技術 產品，但大部分采用機械比例混合方式，僅有報道的采用電控泡沫自動混合裝置的混合比 例在3-7%之間，只適合于B類泡沫滅火場合。A類泡沫混合比例在O. 1% 1%之間，由于 比例低，精度要求高(±20%)，實時控制難度較大， 一般非電子控制的混合方式很難滿足 這一精度要求。隨著電子信息技術的發(fā)展，高性能的微控制技術、高精度的傳感器、電驅 動機構不斷涌現(xiàn)，可靠性也大大提高，采用全自動控制方法己成為必然趨勢。采用電子控 制技術，將使泡沫比例混合設備大為簡化，控制精度易于保證，從而避免機械實現(xiàn)方式的 設備繁瑣復雜、自動調節(jié)不宜實現(xiàn)的缺點。目前，在國外同類技術產品中，己實現(xiàn)了比例 混合的全自動控制。在我國，由于這一技術難點還有待突破，A類泡沫比例混合設備仍然 依賴進口，價格較高，維修困難，成為國內推廣應用這一先進技術裝備的瓶頸。
現(xiàn)有國外自動A類泡沫比例混合裝置采用調速泡沫泵給液調節(jié)技術方案，既有在給
水管道阻力特性曲線給定的情況下通過改變泡沫泵轉速來改變泡沫泵特性曲線，實現(xiàn)調節(jié) 給液流量。裝置一般由電控數(shù)顯控制模塊、泡沫泵、電機、流量計等組成。其工作原理如 下消防水泵的出口壓力水流經流量計后.信號傳給控制模塊，經過控制模塊的計算和處 理發(fā)出指令信號控制泡沫液泵組的電動機轉速，即控制泡沫液泵組輸出一定流量的泡沫液 注入水流中、實現(xiàn)比例混合，控制模塊調節(jié)混合比在(O. 1 — 1%)之間。在這一控制方式中， 反饋參量主要為容積泵轉速、水流量，控制對象為容積泵轉速，即時泡沫流量的計算則依 據(jù)泡沫泵的轉速流量特性參數(shù)。在實際使用中，由于泡沫泵制造的個體差異，現(xiàn)場安裝管 路特性、供水回路壓力波動、長期使用磨損等原因，造成系統(tǒng)特性的動態(tài)偏差，影響終端 出液的比例精度，因此僅靠轉速反饋一個參量實施控制存在一定系統(tǒng)誤差。這不僅要求泵 組設備具有良好的一致性、穩(wěn)定性、還需要定期系統(tǒng)校正，配備專業(yè)維護操作人員，從而給使用帶來不便。因此，在研究開發(fā)自動混合比例設備時，首先立足實現(xiàn)控制模塊的國產
化，同時需要結合我國實際情況，研究改進控制方法，克服上述不足。
發(fā)明內容
本實用新型的目的在于提供一種泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊。
本實用新型采用多種高分辨率電信號轉換電接口，驅動電接口，可連接不同傳感原理、 不同接口類型的傳感器，執(zhí)行驅動裝置，基于泡沫泵組的調速控制，靈活構成多種反饋參 量形態(tài)的閉環(huán)控制回路，通過配置PID+模糊控制算法、實現(xiàn)A類、B類泡沫混合比例全自 動微機控制、泡沫比例的高精度調節(jié)。
本實用新型提出的泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊，由微機控制單元1、傳感器單 元2、驅動器單元3組成，其中，
所述微機控制單元1由電路板組件4、電信號連接器9、顯示操作機構5和殼體6組 成，電路板組件4由1-4塊電路板相互疊加放置于殼體6內，電路板組件4包括微處理器、 一組電信號輸入接口、電信號輸出接口和數(shù)字通訊接口，電路板組件4、電信號連接器9、 顯示操作機構5位于殼體6內；
所述傳感器單元2包括水流量計11、泡沫流量計12、液位傳感器13或壓力傳感器14 中的一種或幾種；
所述驅動器單元3包括直流無刷電機驅動器15或電控閥門驅動器16中一種或兩種； 電路板組件4的電信號輸入接口、電信號輸出接口和數(shù)字通訊接口通過電信號連接器
9分別連接傳感器單元2和驅動器單元3。
本實用新型中，電路板組件4的一組電信號輸入接口與數(shù)字通訊接口通過電信號連接
器9連接水流量計11、泡沫流量計12、液位傳感器13或壓力傳感器14， 一組電信號輸出
接口與數(shù)字通訊接口通過電信號連接器9連接直流無刷電機驅動器15或電控閥門驅動器16。
本實用新型中，所述微處理器為基于8051內核、PIC系列的8位微控制器或基于ARM7、 ARM9內核的32位微控制器中任一種。
本實用新型中，所述電信號輸入接口為具有16位分辨率的模擬數(shù)字轉換接口，電信 號輸入接口與微控制器之間采用光耦合隔離器件連接，信號接入標準為脈沖頻率型或 0-5V/0-10V/4-20mA輸入型中的 一 種或幾種，所述數(shù)字通訊接口為 RS485/RS232/M0DBUS/HART/PR0FIBUS標準中的一種或幾種。本實用新型中，所述電信號輸出接口為具有12位分辨率的數(shù)字模擬轉換接口，電信 號輸出接口與微控制器采用光耦合隔離器件連接，信號接入標準為0-5V/0-10V/ 4-20mA 中的一種或幾種。
本實用新型中，所述顯示操作機構5由由顯示器7和面板按鍵8組成，其中，顯示器 可以采用一組4位以上數(shù)碼型液晶顯示器、或4位以上LED數(shù)碼顯示器、或點陣型液品顯 示器中任一種；面板按鍵8采用4個以上觸摸式按鍵。
本實用新型中，所述直流無刷電機驅動器15具有低壓大電流驅動能力，工作電壓DC 12-72V，最大輸出電流50A，調速范圍每分鐘50-3000轉，調速分辨率每分鐘土l轉。
本實用新型中，所述的水流量計11采用葉輪流量計、電磁流量計或差壓式流量計中 任一種，其量程范圍0-4000L/min、測量精度±1%FS。所述泡沫流量計12采用渦輪流 量計或電磁流量計中一種，其量程范圍0-20L/min，測量精度±1% FS。
本實用新型中，所述液位傳感器13采用磁簧型液位開關傳感器、光電型液位開關傳 感器或磁致伸縮液位傳感器中任一種。
本實用新型針對消防車載設備的環(huán)境使用要求，按照防震、防水、低溫、防電磁干擾 的原則進行總體設計?？刂颇K配置有多種輸入輸出電信號接口，可接入流量、壓力、轉 速、液位等基本傳感信號、電機、閥門等執(zhí)行信號。其中模數(shù)輸入轉換接口、數(shù)字模擬輸 出接口轉換具有12位以上轉換分辨率、能確保較高的對傳感信號的采樣精度以及執(zhí)行驅 動的控制精度。接口電路采用光電耦合技術與現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行機構實現(xiàn)電氣隔離，可以 提高抗干擾能力和電磁兼容性。電信號接口具有多種接入標準，有電壓電流型 0-5V/0-10V/4-20mA，脈沖頻率型，數(shù)字通訊型RS485/M0DBUS/HART/PR0FIBUS，為傳感 器選型提供了較大余地。采用點陣液晶或LED數(shù)碼顯示方案，具有中文顯示、同屏多參數(shù) 顯示，可顯示水流量、總用水量、泡沫比例、泡沫瞬時流量、泡沫總用量等主要參量。采 用4個操作功能按鍵，啟動系統(tǒng)時，僅一鍵操作，極大方便現(xiàn)場操作與使用。采用金屬加 固型殼體、內部結構緊湊、外部嵌入式面板安裝固定、適合車載安裝操作、配備工業(yè)級防 水連接器，模塊整機達到IP67防護性能標準。數(shù)顯控制模塊預先存儲有泡沫泵轉速流量 工況特性參數(shù)、管路壓力流量特性參數(shù)。編制有離散PID調節(jié)算法，針對系統(tǒng)非線性特征， 進一步采用了模糊控制算法。在基本型控制方案中，微機控制單元連接水流量計、泡沫流 量計、直流無刷電機驅動器、液位開關。由水流量參數(shù)、泡沫流量參數(shù)與泵組轉速參數(shù)構 成雙參數(shù)反饋閉環(huán)控制回路。實際工作時，計算水流量與泡沫流量得出實時混合比例，依 據(jù)特性參數(shù)調節(jié)泵組轉速，改變泡沫原液輸出流量，維持混合比精度要求。
本實用新型還可以由下述幾種技術方案實現(xiàn)1. 微機控制單元連接水流量計、直流無刷電機驅動器、電控閥門驅動器、液位開關。 由水流量參數(shù)與泡沫泵轉速、管路閥門開度構成單參數(shù)反饋閉環(huán)控制回路。實際工作時， 按照滅火出液流量要求使供水流量達到預定范圍，實時測量水流量及泡沫泵轉速值，依據(jù) 特性參數(shù)調節(jié)泡沫泵轉速、閥門丌度，改變泡沫原液輸出流量，維持混合比精度要求。低 液位開關提供泡沫液箱少液報警功能。
2. 微機控制單元連接水流量計、壓力傳感器、直流無刷電機驅動器、電控閥門驅動器、 液位開關。由水流量參數(shù)、管路壓力參數(shù)與泡沫泵轉速構成雙參數(shù)反饋閉環(huán)控制回路。實 際工作時，數(shù)顯控制模塊實時測量水流量、出液管路壓力及泡沫泵轉速值，依據(jù)特性參數(shù) 調節(jié)泡沫泵轉速、改變泡沫原液輸出流量，維持混合比精度要求。調節(jié)閥門開度，保持給 定壓差，使泡沫液順利進入主水管路。在本方案中，泡沬泵系統(tǒng)及出液管路發(fā)生堵轉、堵 塞等故障引起壓力異常超限時，數(shù)顯控制模塊將及時制動，保護泡沫泵系統(tǒng)。
3. 微機控制單元連接水流量計、磁致伸縮型液位傳感器、直流無刷電機驅動器、電控 閥門驅動器。水流量參數(shù)、泡沫液箱液位參數(shù)與泡沫泵轉速構成雙參數(shù)反饋閉環(huán)控制回路。 實際工作時，測量水流量、泡沫液箱液位及泡沫泵轉速值，依據(jù)泡沫液箱截面積計算泡沫 原液實時輸送流量，與水流量與比較得出實時混合液比例，依據(jù)特性參數(shù)調節(jié)泡沫泵轉速、 閥門開度，改變泡沫原液輸出流量，維持混合比精度要求。
本實用新型與已有技術相比具有如下優(yōu)點
1. 采用電子控制方法對泡沫混合比例進行控制，基于泡沫泵的無級調速，最小控速 分辨率為土l轉。采用水流量、泡沫流量、轉速、液位、壓力多參數(shù)反饋，實現(xiàn)泡沫原液 小流量的精確調節(jié)，滿足O. 1—1%混合比例在±20%范圍內的控制精度要求，填補了國內空 白。
2. 模塊配置多種高分辨率模擬信號電輸入輸出接口，提供精確測量工況參數(shù)及精確
驅動執(zhí)行機構的接口能力，能靈活構成多種形態(tài)閉環(huán)控制回路，滿足不同應用需求。
3. 采用了 PID+模糊控制算法，智能性高、靈活性好，提高對系統(tǒng)非線性特點的適應 性，降低對執(zhí)行機構的性能要求、提高了系統(tǒng)可靠性。
4. 采用大功率低壓直流電機驅動泡沫泵，適合消防車載使用，具有較大的驅動功率， 低速啟動扭矩，較寬的調速比和泡沫流量調節(jié)范圍，同一控制模塊，在A類和B類泡沫滅火 系統(tǒng)中均可使用。
5. 采用中文液晶顯示技術，同屏多參數(shù)顯示，中文提示，方便火場快捷操作、更適 合消防部隊實戰(zhàn)應用。

圖1為本實用新型的結構示意圖。 圖2為本實用新型顯示操作機構結構示意圖。 圖3為本實用新型的實施例1的結構示意圖。 圖4為本實用新型的實施例2的結構示意圖。 圖5為本實用新型的實施例3的結構示意圖。 圖6為本實用新型的實施例4的結構示意圖。
圖中標號1為微機控制單元，2為傳感器單元，3為驅動器單元，4為電路板，5為 顯示操作機構，6為殼體，7為顯示器，8為面板按鍵，9為電信號連接器，ll為水流量計， 12為泡沫流量計，13為液位傳感器，14為壓力傳感器，15為直流調速驅動器，16為電控 閥門驅動器，20為泡沫泵組，21為泡沫液箱，22為泡沫液，23為供水回路，24為設定混 合比例。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明
實施例l，其結構如圖3所示，水流量計11采用電磁式流量計，安裝于供水回路23 中，液位傳感器13采用磁簧型液位開關，安裝于泡沫液箱21中。微機控制單元1通過RS485 接口連接水流量計11，通過0-5V模擬輸出接口、 0-12V脈沖輸入接口連接直流無刷電機 驅動器15，通過0-5V模擬輸入輸出接口連接電控閥門驅動器16，通過0-10V接口連接液 位傳感器13，顯示操作機構5采用8位液晶數(shù)碼顯示器。水流量參數(shù)與電機轉速參數(shù)構成 單參數(shù)反饋閉環(huán)控制回路，微機控制單元1預先存儲泡沫泵組20的轉速流量特性曲線參 數(shù)，壓力流量特性曲線參數(shù)。實際工作時，按照滅火出液流量要求使供水流量達到預定范 圍，微機控制單元實時測量供水流量及泡沫泵轉速值，依據(jù)特性參數(shù)調節(jié)泡沫泵轉速、閥 門開度，改變泡沫液22的輸出流量，維持設定混合比例24的精度要求。液位開關監(jiān)測泡 沫液箱21的少液情況，保護泡沫泵組。8位液晶數(shù)碼顯示器顯示電機轉速、供水流量、混 合比等實時參數(shù)中的2組，可進行混合比設定、系統(tǒng)校正、安全告警等操作。
實施例2:其結構如圖4所示，水流量計11采用差壓式流量計，安裝于供水回路23 中，液位傳感器13采用光電型液位丌關，安裝于泡沫液箱21中。微機控制單元1通過4-20mA 接口連接差壓式流量計，通過0-10V脈沖輸入接口連接渦輪式泡沫流量計12， 0-5V模擬 輸出接口、 0-12V脈沖輸入接口連接直流無刷電機驅動器15，通過0-通過5V接口連接液 位傳感器13，顯示操作機構5采用640X480點陣彩色液晶顯示器。水流量參數(shù)、泡沫流 量參數(shù)與泡沫泵組20的轉速參數(shù)構成雙參數(shù)反饋閉環(huán)控制回路。實際工作時，按照滅火 出液流量要求使供水流量達到預定范圍，數(shù)顯控制模塊實時測量供水流量、泡沫流量及泡沫泵轉速值，水流量與泡沫流量比較得出實時輸出的混合液比例，依據(jù)特性參數(shù)調節(jié)泡沫 泵轉速，改變泡沫液22的輸出流量，維持設定混合比例24的精度要求。液位開關監(jiān)測泡 沫液箱21少液情況，保護泡沫泵組。液晶顯示器同屏顯示電機轉速、水流量、泡沫流量、 混合比等實時參數(shù)，可進行混合比設定、系統(tǒng)校正、安全告警等操作。
實施例3:如圖5所示，水流量計11采用渦輪式流量計，安裝于供水回路23中，液 位傳感器13采用霍爾型液位丌關，安裝于泡沫液箱21中。微機控制單元1通過0-10V脈 沖輸入接口連接渦輪式流量計，通過0-5V接口連接壓力傳感器14、通過0-10V接口連接 霍爾型液位開關、通過RS485接口連接直流無刷電機驅動器15、通過0-5V接口連接電控 閥門驅動器16、顯示操作機構5采用8位LED數(shù)碼顯示器。水流量參數(shù)、出液管路壓力參 數(shù)與電機轉速參數(shù)構成雙參數(shù)反饋閉環(huán)控制回路。微機控制單元預先存儲有泡沫泵組20 的轉速流量特性曲線參數(shù)，壓力流量特性曲線參數(shù)。實際工作時，按照滅火出液流量要求 使供水流量達到預定范圍，數(shù)顯控制模塊實時測量水流量、出液管路壓力及電機轉速值， 依據(jù)特性參數(shù)調節(jié)泡沫泵轉速、改變泡沫液22輸出流量，維持設定混合比例24的精度要 求。同時調節(jié)閥門開度，保持給定壓差，使泡沫液22順利進入主水管路。同時， 一旦泵 組系統(tǒng)發(fā)生堵轉、堵塞等故障引起壓力異常超限時，數(shù)顯控制模塊將及時制動，實施保護， 液位傳感器監(jiān)測泡沫液箱21少液情況，保護泡沫泵組。8位LED數(shù)碼顯示器同時顯示轉速、 水流量、壓力、混合比等實時參數(shù)中的2組，并可進行切換顯示、混合比設定、安全告警 等操作。
實施例4:如圖6所示，水流量計11采用電磁流量計，安裝于供水回路23中，液位 傳感器13采用磁致伸縮型液位傳感器，安裝于泡沫液箱21中。微機控制單元通過HART 協(xié)議接口連接電磁流量計，通過4-20mA接口連接磁致伸縮型液位傳感器，通過0-5V、0-10V 接口連接直流無刷電機驅動器15，通過0-5V接口連接電控閥門驅動器16，顯示操作機構 5采用480X270點陣液晶器，水流量參數(shù)、泡沫液箱液位參數(shù)與泡沫泵組的轉速參數(shù)構成 雙參數(shù)反饋閉環(huán)控制回路。實際工作時，按照滅火出液流量要求使供水流量進入預定范圍， 數(shù)顯控制模塊實時測量水流量、泡沫液箱液位及泵組轉速值，通過液位信號與泡沫液箱截 面積計算泡沫液實時輸送流量，與水流量比較得出實時混合液比例，依據(jù)特性參數(shù)調節(jié)泡 沫泵轉速、閥門開度，改變泡沫液輸出流量，維持設定混合比24精度要求。液晶中文顯 示器同時顯示轉速、水流量、泡沫流量、混合比等實時參數(shù)，可進行混合比設定、系統(tǒng)校 正、安全告警等操作。
權利要求1、一種泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊，由微機控制單元(1)、傳感器單元(2)、驅動器單元(3)組成，其特征在于所述微機控制單元(1)由電路板組件(4)、電信號連接器(9)、顯示操作機構(5)和殼體(6)組成，電路板組件(4)由1-4塊電路板相互疊加放置于殼體(6)內，電路板組件(4)包括微處理器、一組電信號輸入接口、電信號輸出接口和數(shù)字通訊接口，電路板組件(4)、電信號連接器(9)、顯示操作機構(5)位于殼體(6)內；所述傳感器單元(2)包括水流量計(11)、泡沫流量計(12)、液位傳感器(13)或壓力傳感器(14)中的一種或幾種；所述驅動器單元(3)包括直流無刷電機驅動器(15)或電控閥門驅動器(16)中一種或兩種；電路板組件(4)的電信號輸入接口、電信號輸出接口和數(shù)字通訊接口通過電信號連接器(9)分別連接傳感器單元(2)和驅動器單元(3)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊，其特征在于電路板組 件(4)的一組電信號輸入接口與數(shù)字通訊接口通過電信號連接器(9)連接水流量計(11)、泡 沫流量計(12)、液位傳感器(13)或壓力傳感器(14)， 一組電信號輸出接口與數(shù)字通訊接口 通過電信號連接器(9)連接直流無刷電機驅動器(15)或電控閥門驅動器(16)。
3、 根據(jù)權利要求1所述的泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊，其特征在于所述微處 理器為基于8051內核、PIC系列的8位微控制器或基于ARM7、 ARM9內核的32位微控制器 中任一種。
4、 根據(jù)權利要求1所述的泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊，其特征在于所述電信 號輸入接口為具有12位以上分辨率的模擬數(shù)字轉換接口，電信號輸入接口與微控制器之 間采用光電耦合隔離器件連接，信號接入標準為脈沖頻率型、0-5V、 0-10V或4-20mA輸 入型中的一種或幾種，所述數(shù)字通訊接口為RS485、 RS232、 M0DBUS、 HART或PR0FIBUS標 準中的一種或幾種。
5、 根據(jù)權利要求1所述的泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊，其特征在于所述電信 號輸出接口為具有12位以上分辨率的數(shù)字模擬轉換接口，電信號輸出接口與微控制器采 用光電耦合隔離器件連接，信號接入標準為0-5V、 0-10V或4-20mA中的一種或幾種。
6、 根據(jù)權利要求1所述的泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊，其特征在于所述顯示 操作機構(5)由顯示器(7)和面板按鍵(8)組成，顯示器采用一組4位以上數(shù)碼型液晶顯示器、4位以上LED數(shù)碼顯示器和點陣型液晶顯示器中任一種；面板按鍵(8)采用4個以上觸 摸式按鍵。
7、 根據(jù)權利要求l所述的泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊，其特征在于所述直流無 刷電機驅動器(15)工作電壓DC 12-72V，最大輸出電流50A，調速范圍每分鐘50-3000轉， 調速分辨率每分鐘土l轉。
8、 根據(jù)權利要求1所述的泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊，其特征在于所述的水 流量計(ll)采用渦輪流量計、電磁流量計或差壓式流量計中任一種，其量程范 圍0-5000L/min、測量精度±1%FS;所述泡沫流量計(12)采用渦輪流量計或電磁流量 計中任一種，其量程范圍0-20L/min，測量精度±1%FS。
9、 根據(jù)權利要求1所述的泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊，其特征在于所述液位 傳感器(13)采用磁簧型液位丌關傳感器、光電型液位開關傳感器或磁致伸縮液位傳感器中 任一種。
專利摘要本實用新型屬消防器械技術領域，具體涉及一種泡沫全自動比例混合數(shù)顯控制模塊。由微機控制單元、傳感器單元、驅動器單元組成，微機控制單元由電路板組件、電信號連接器、顯示操作機構和殼體組成，相互疊加放置于殼體內，電路板組件包括微處理器、電信號輸入接口、電信號輸出接口和數(shù)字通訊接口，電信號連接器、顯示操作機構位于殼體內；傳感器單元包括水流量計、泡沫流量計、液位傳感器或壓力傳感器中的一種或幾種；驅動器單元包括直流無刷電機驅動器和電控閥門驅動器中的任意一種或兩種；電路板組件的電信號輸入接口、電信號輸出接口和數(shù)字通訊接口通過電信號連接器分別連接傳感器單元所述的傳感部件、驅動器單元所述的驅動部件。本實用新型可以大大提高泡沫比例混合的自動化程度，實現(xiàn)小于1％混合比例的精確控制和調節(jié)。
文檔編號B01F15/04GK201370905SQ200920068448
公開日2009年12月30日 申請日期2009年3月5日 優(yōu)先權日2009年3月5日
發(fā)明者嚴攸高, 杰 張, 張振偉, 李炳泉, 王麗晶, 王志輝, 田永祥, 林 薛 申請人:公安部上海消防研究所;上海倍安實業(yè)有限公司