CN101646335B - 在挤奶系统中建立需要的真空度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在挤奶系统中建立需要的真空度的方法，所述挤奶系统包括至少两个速度可变的真空泵（P1）、（P2）。该方法包括以下步骤：使用第一速度可变的真空泵（P1）在挤奶系统中建立需要的真空度；监控挤奶系统内的真空度需求，并且当挤奶系统的真空度需求使得第一速度可变的真空泵（P1）的速度达到第一速度阈值时，启动第二速度可变的真空泵（P2），并且并行运行所述第一和第二速度可变的真空泵（P1）、（P2）来建立需要的真空度。本发明还涉及计算机程序产品。

Description

在挤奶系统中建立需要的真空度的方法
技术领域
本发明总体上涉及与挤奶机有关的真空调节的领域。具体来说，本发明涉及在挤奶系统中建立需要的真空度的方法。本发明还涉及实施该方法的计算机程序产品。 
背景技术
如今，挤奶相关操作的一大部分已经被自动化，很多农场主使用自动挤奶系统来对他们的产奶动物挤奶。实施这种自动化的必备条件是在挤奶系统内建立和调节真空度的真空调节系统。 
一般而言，当设计用于挤奶系统的真空调节系统时需要考虑不同的方面。过高的真空度会伤害被挤奶的动物，而另一方面，过低的真空度会减慢挤奶相关操作。进一步地，期望在特定操作期间将挤奶系统的真空度保持在恒定水平，而不存在不必要的真空度波动。 
期望将挤奶系统中的能量消耗尽可能保持在最低的水平。典型乳牛场的真空调节系统消耗所使用总电量的一大部分，因此应当使真空调节系统尽可能高效。 
真空调节系统通常包括真空泵，其被选择为能够从挤奶系统内抽出空气以满足所需的最高真空度和挤奶系统内的空气需求量。如果单个真空泵不足以满足需求，则可以安装两个或更多个真空泵。真空泵可以被布置为在挤奶系统的不同部分中提供真空。真空调节系统通常还包括控制设备，用于调节真空泵的速度以调节从挤奶系统中抽出的空气量，和/或用于调节将真空度保持在期望水平的阀。 
在转让给本申请的申请人的国际专利公开WO2006/006906中公开了包 括速度可变的真空泵的真空调节系统的示例。如果挤奶系统内的真空需求使得第一真空泵的能力(capacity)不够，则第一真空泵的速度被设置为固定速度，同时启动第二真空泵。然后，借助于第二真空泵的速度来控制挤奶系统中的真空度。 
同时对两个或更多个真空泵进行控制存在一定的困难。例如，难以将真空度保持在恒定的水平。尤其是在需要从挤奶系统中抽出的空气量相当少因此真空泵以低速运转的情况下更是如此。还存在使真空泵过热的危险。 
考虑到以上问题，期望提供一种用于对挤奶系统内的真空度进行控制的改进的方法。 
发明内容
本发明的总的目的在于提供一种在挤奶系统内建立并调节需要的真空度的方法。 
本发明的另一目的在于提供一种在挤奶系统内建立并调节真空度的方法，提供恒定真空度，而没有可能会使产奶动物不舒适的真空波动。 
本发明的又一目的在于提供一种建立并调节真空度的方法，其中用于在挤奶系统中建立需要的真空度的能量消耗能够被保持在最小值。 
本发明的再一目的在于提供一种建立并调节真空度的灵活方法，例如，关于真空泵的数目比较灵活，并且维护和维修真空泵比较方便。 
除其它目的之外，这些目的可以由独立权利要求中所述的在挤奶系统中建立需要的真空度的方法和计算机程序产品来实现。 
根据本发明，提供一种在挤奶系统中建立需要的真空度的方法，该挤奶系统包括至少两个速度可变的真空泵。该方法包括以下步骤：使用第一速度可变的真空泵在挤奶系统内建立需要的真空度；监控挤奶系统内的真空度需求，并且当挤奶系统的真空度需求使得第一速度可变的真空泵的速度达到第一速度阈值时，则启动第二速度可变的真空泵，并且并行运行第一和第二速度可变的真空泵来建立需要的真空度。在本申请中，并行运行两个或更多个 速度可变的真空泵意味着它们都基于相同的控制信号被控制。控制单元给所有的真空泵提供相同的控制信号。如果真空泵是相同的，则这会意味着它们以基于相同的速度或每分钟转数运行。根据本发明，不需要为了在大量的空气进入挤奶系统中能够提供需要的真空度而使一个速度可变的真空泵的能力过大。根据本发明，使用特定的挤奶操作实际所需要的速度可变真空泵的数目。进一步地，很容易对使用根据本发明的方法的挤奶系统中的两个或更多个真空泵进行维护。例如，可以在不中断或本质上不影响正在进行的挤奶操作的情况下，使任意真空泵退出操作以进行维修。 
根据本发明的实施例，该方法包括附加步骤：当挤奶系统内的真空需求使得第一和/或第二速度可变的真空泵的速度降低到低于一速度阈值时，将第二速度可变的真空泵的速度降低到零。借助于该特征，不需要以较低的能力极限来运行两个或更多个速度可变的真空泵。例如，只要真空需求使得单个真空泵足以满足需求，则一个一个地关断其它真空泵，直到所需的真空泵以合适的能力水平来运行。可替换地，当例如一个真空泵的最大速度的80％的速度足以满足真空需求，则其它的真空泵被关断，并且仅运行一个真空泵。由于以较低的能力水平运行多个真空泵消耗的能量大于以较高的能力水平运行单个真空泵，因此该方案能够节能。进一步地，真空泵总是以尽可能最佳的速度运行，从而延长其服务寿命。 
进一步的实施例在从属权利要求中限定。 
根据本发明的另一方面，提供计算机程序产品，从而实现与以上所述类似的优点。具体而言，由此本发明可以在现有的挤奶系统中容易地实施。 
本发明的进一步的特性和优点将根据以下给出的本发明实施例的详细描述以及仅以示例方式给出的附图变得明显。 
附图说明
图1是本发明的示例性实施方案的框图。 
图2是根据本发明的方法中包括的步骤的流程图。 
具体实施方式
以下针对三个速度可变的真空泵来描述本发明，但是应当注意到，速度可变的真空泵的数目可以被扩展到速度可变的真空泵的任意数目。然而，明显的是，对于可应用的方法来说，必须有至少两个速度可变的真空泵。速度可变的真空泵的数目主要依赖于挤奶系统的大小、例如在不同的挤奶操作期间所需的真空度和可能进入(泄漏进)挤奶系统的空气量。 
现在首先参见图1来描述本发明。图1示意性地示出适于在挤奶系统内建立和调节真空度的真空调节系统1的不同部分。真空调节系统1包括三个速度可变的真空泵P1、P2、P3，这些真空泵均可以以不同的速度运行，即以每分钟不同的转数运行。速度可变的真空泵P1、P2、P3各自的速度依赖于真空需求和进入挤奶系统的空气量。真空调节系统1还包括真空管线3，其连接至速度可变的真空泵P1、P2、P3，连接至真空传感器4，并连接至挤奶系统的需要真空的不同部分(未示出)。 
控制单元2被布置为对真空调节系统1进行控制。控制单元包括调节器部分，例如比例积分(PI)调节器。调节器给速度可变的真空泵P1、P2、P3提供控制信号，以调节它们的速度。控制单元2将表示真空系统内的实际真空度的输入信号与期望值进行比较，调节器相应地对速度进行调节。 
控制单元2包括多个输入端和多个输出端。在该图中示出四个模拟信号输入端ain1、ain2、ain3、ain4，三个模拟信号输出端aout1、aout2、aout3，以及六个中间(relay)信号输出端r1、r2、r3、r4、r5、r6。应当注意的是，输入端和输出端的数目可以根据需要通过增加或去除输出端和输入端而改变。 
模拟信号输入端ain1、ain2和ain3连接至温度传感器5A、5B和5C。温度传感器5A、5B和5C是可选的，并且被布置为测量相应的速度可变的真空泵P1、P2、P3的温度。如果某一速度可变的真空泵的温度超过了设定的阈值，则可以使用相应的中间信号输出将真空泵去激励。 
第四模拟信号输入端ain4，即以下所提及的真空控制信号ain4，连接至真空传感器4。真空传感器4被布置为测量挤奶系统内的真空度，并向控制单元2提供表示该真空度的真空控制信号。真空控制信号在输入端ain4处被输入到控制单元2。 
模拟信号输出端aout1、aout2、aout3被布置为向各个相应的速度可变的真空泵P1、P2、P3提供用于调节它们各自的速度的信号。待发送的模拟信号依赖于从真空传感器4获得的模拟真空控制信号。具体而言，速度可变的真空泵P1、P2、P3的速度依赖于挤奶系统内的真空需求(后续将更详细地描述)，如果真空传感器4指示出过低的真空度，则必需增加速度可变的真空泵P1、P2、P3的速度，而如果速度可变的真空泵P1、P2、P3的速度提供了过高的真空度，则需要降低速度可变的真空泵P1、P2、P3中一个或多个真空泵的速度。模拟信号输出端aout1、aout2和aout3被输入到各个相应的速度可变的真空泵，这些模拟信号可以是具有在例如0-10V范围内的值的信号，然后该信号依赖于其值而被解译为具体的速度命令。 
中间信号输出端中的三个r1、r2、r3被布置为分别给速度可变的真空泵P1、P2、P3中的相应一个提供用于将它们切换为开和关的信号。 
中间信号输出端r4被布置为激活清洗过程。应当注意的是，这种清洗过程不适用于所有种类的真空泵，而主要与罗茨真空泵有关。清洗水阀7由中间信号r4控制。速度可变的真空泵的清洗优选在适当数目的操作小时之后自动开始，但是可替换地，清洗过程也可以手动开始。如果使用若干真空泵，则优选同时对所有的真空泵进行清洗，原因在于根据后续描述的多泵切换，所有的泵应当具有大体相同的运行小时数。 
所有的泵均优选在冲洗阶段期间运行，以便预热(warm up)。之后，在鼓风阶段之前或期间注入水，其中鼓风阶段是使空气进入真空系统并且真空泵更努力工作的阶段。然后，在鼓风阶段结束期间，真空泵变干。期间注入水的时间可以是可调节的参数，该参数可以在控制单元2中进行设置。期间注入水的时间可以是例如10秒期间注入0.1-0.5升水，然而该值依赖于 泵的大小。 
中间信号输出端r5被布置为激活阀，用于在清洗之后开始自动喷射过程。这种喷射过程例如可以包括在已经执行的清洗周期之后喷射防蚀的或润滑的喷雾。可以在控制单元2中设置参数，用于设置喷射时间，例如0.1秒。 
每个速度可变的真空泵P1、P2、P3具有相应的连接至该真空泵的止回阀6A、6B、6C。提供止回阀6A、6B、6C，例如以便在由于维修而拆除速度可变的真空泵之一的情况下防止空气泄漏，或用于防止速度可变的真空泵在不工作(engage)时旋转。 
控制单元2还可以包括跟踪每个速度可变的真空泵的运行时间的装置。在一种功能中，在以下提及的多泵切换中，速度可变的真空泵的启动顺序的改变依赖于它们各自的运行时间而变化。例如，如果第一速度可变的真空泵P1已经首先被启动，并上电了X小时(例如100小时)，则启动顺序可以被改变为，使得第二速度可变的真空泵P2首先被启动，而第一速度可变的真空泵P1被最后启动。通过该多泵切换特征，速度可变的真空泵运行大约同样多的时间。多泵切换原理可以被扩展到任意数目的速度可变的真空泵。 
还可以存在外部告警灯，在图1中以附图标记9表示。如果在操作中存在需要引起用户注意的故障，则由于用户可以容易地看到闪光，因此闪光是有利的。因此控制单元2可以包括用于在需要时打开这种告警灯的继电器。 
控制单元2可以进一步包括关掉需要维修的速度可变的真空泵但使一个或多个其它速度可变的真空泵还在操作中的装置。然后，控制单元2可以包括一菜单，借助于该菜单可以将选定的速度可变的真空泵转入维修模式。 
进一步地，控制单元2优选地包括用于给用户提供相关信息的显示器，其中相关信息例如为当前真空度、设置、错误消息、诸如最大速度或运行时间等的真空泵特性等等。 
用于实施不同的功能的具体电子组件对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此以上没有对其进行描述。例如，本领域技术人员了解如何实现用于控制信号输出和信号处理的继电器。 
在根据本发明的方法中，启动并使用第一速度可变的真空泵P1在挤奶系统内建立期望的真空度。挤奶系统内的真空度一直由真空传感器4所监控。 
当第一速度可变的真空泵P1达到某一速度，其中该速度表示为第一速度阈值Th1，例如其可以是第一速度可变的真空泵P1的最大速度的80％时，通过中间信号输出端r2所提供的中间信号来启动第二速度可变的真空泵P2。第二速度可变的真空泵P2的速度例如以每秒大约10-20Hz被逐渐升高。在一优选实施例中，第二速度可变的真空泵P2的速度被逐渐升高，第一速度可变的真空泵P1的速度被相应地降低。当两个速度可变的真空泵P1、P2具有相同的速度，且该速度足以满足真空需求时，则对于两个速度可变的真空泵，模拟信号aout1和aout2将相同。然后，真空调节系统1会工作在使两个并行的速度可变的真空泵一起运行的情况下。第一和第二速度可变的真空泵P1和P2一起运行，这意味着两个速度可变的真空泵接收相同的模拟信号。来自真空传感器4的信号(在ain4处的输入)被用于控制两个速度可变的真空泵。 
当速度可变的真空泵P1和P2的速度达到某一速度极限，该速度极限是第二速度阈值Th2，其也可以是例如第一和第二速度可变的真空泵的最大速度的80％时，启动第三速度可变的真空泵P3，并且执行与启动第二速度可变的真空泵P2时相同的程序。速度可变的真空泵P3被逐渐加速，而速度可变的真空泵P1和P2被逐渐减速，直到所有的真空泵具有相同的速度，并且由控制单元2所提供的相同的控制信号共同控制。 
以类似的方式，当确定挤奶系统内的真空需求使得不必要并行运行所有三个或甚至两个速度可变的真空泵时，它们被关掉。例如可以是在速度可变的真空泵的速度极限低于它们的最大速度的20％时，确定此时真空需求使得可以关掉一个速度可变的真空泵。具体而言，假设所有三个速度可变的真空泵P1、P2、P3在并行运行，当它们的速度低于某一速度极限，例如最大速度的20％时，第三速度可变的真空泵P3被减速并停止。然后，第一和第二 速度可变的真空泵P1和P2的速度被相应地逐渐升高。该过程被重复，直到真空需求使得第一速度可变的真空泵P1足以提供所需的真空。 
用于确定何时停止真空泵的标准可以是设置的速度极限，例如以上所述的速度可变的真空泵的最大速度的某一百分比。不再需要的真空泵可以立即停止，或可以存在这样的标准：当两个真空泵以它们的最大能力的30％运行10秒时，则停止其中之一。可以使用用于确定何时停止真空泵的其它标准，例如当每个真空泵的泵速度已降到30-50％时。这同样适用于确定何时启动另外的真空泵。 
可以根据需要来增加另外的速度可变的泵。用于启动和停止第n个速度可变的真空泵的程序与以上所述的程序类似。 
在上述实施例中，当三个不同的速度可变的真空泵P1、P2、P3都需要以满足挤奶系统内的真空需求，即它们并行运行时，假定它们的速度相同。然而，从真空传感器4到各个速度可变的真空泵P1、P2、P3的、对定义真空需求的信号进行控制的真空控制信号ain4可以由不同的速度可变的真空泵P1、P2、P3进行不同的解译。例如，真空控制信号ain4可以是以上所述的具有0-10V范围内的值的模拟输入信号。然而，速度可变的真空泵P1可以将5V的信号解译为，将其速度设置为每分钟x转，而速度可变的真空泵P2将相同的信号解译为，将其速度设置为每分钟y转，其中x≠y。这样，尽管基于相同的真空调节信号(ain4)并行运行，但是它们的速度不一定相同，而两个速度可变的真空泵的速度依赖于真空需求而变大或变小。 
第一速度阈值Th1可以被设置为第一速度可变的真空泵的最大速度的某一百分比，例如其最大能力的80％、90％或95％。同样地，第一和第二速度可变的真空泵一起运行时的第二速度阈值Th2可以被设置为它们的最大速度的某一百分比，例如75-90％。应当注意的是这些阈值可以相同也可以不同。进一步地，应当注意，以上关于何时启动和关断速度可变的真空泵的速度极限仅仅是示例性的。速度极限可以根据需要例如在它们的最大速度的60-95％的范围内或在60-99％的范围内改变。 
速度可变的真空泵的速度可以被转换为速度可变的真空泵的能力。 
速度可变的真空泵被逐渐加速或逐渐减速的速度可以是例如在每秒5-40Hz的范围内。逐渐加速的速度可以不同于逐渐减速的速度，例如逐渐加速可以以20Hz/s的步长发生，而逐渐减速可以以14Hz/s的步长发生。 
每个速度可变的泵都可以包括根据输入DC电压提供用于控制泵速度的频率的频率控制器。因此，泵可以包括受频率控制的电机。频率控制器还适用于提供泵速度的逐渐升高和逐渐降低。可替换地，真空泵控制器2提供渐变率。 
在优选实施例中，所有的真空泵在尺寸和类型上都是相同的。然而，也可以以上述方式来控制不同类型的真空泵。当实施本发明时可以使用的真空泵的示例包括诸如罗茨真空泵(LVP)之类的位移真空泵(DVP)、滑片泵或涡旋泵，但是也可以使用其它的真空泵。 
图2是概述根据本发明的方法的步骤的流程图。方法100包括第一步骤，步骤110，其中使用第一速度可变的真空泵P1在挤奶系统内建立所需的真空度。在第二步骤，步骤120中，例如借助于真空传感器4与控制单元2一起来监控挤奶系统内的真空度。当挤奶系统的真空度使得第一速度可变的真空泵P1的速度达到第一速度阈值时，开始本方法的第三和第四步骤，步骤130和步骤140。在步骤130中，启动第二速度可变的真空泵P2。在步骤140中，第一和第二速度可变的真空泵P1和P2并行运行，以在挤奶系统内建立所需的真空度。 
本发明还涉及计算机程序产品，其可以载入到用于控制真空调节系统的真空泵的计算机的内部存储器中。计算机程序产品包括当该计算机程序产品在计算机上运行时用于实施以上所述的方法的软件代码部分。因此，本发明在现有的具有至少两个速度可变的真空泵的挤奶系统中很容易实施。 
可替换地，计算机程序产品可以存储在例如压缩盘的计算机可读储存介质中。计算机可读储存介质包括用于使挤奶站的计算机实施以上所述的方法的计算机可读程序代码装置。 
在本说明书中，使用了“真空需求”这种表述。应当注意，挤奶系统内的真空需求(真空要求)受进入挤奶系统的空气量和从挤奶系统泄漏的空气量的影响。在不同的时间点，例如依赖于被执行的挤奶操作的类型，从挤奶系统出来/进入挤奶系统的空气量是不同的。因此，为了保持某一期望的真空度，真空泵必须在不同的时间依赖于在不同的时间为提供该期望的真空度所需抽出的空气量而以不同的速度运行。 
“并行运行真空泵”这种表述是指当两个或更多真空泵从控制单元2接收相同的控制信号并根据该控制信号调节它们的速度时的情况。当添加(加速)真空泵或去除(减速)真空泵时，正在被加速或减速的真空泵不与一个或多个其它真空泵并行运行。例如，当需要第二真空泵时，仅第一真空泵基于来自控制单元2的调节部分的控制信号而运行。当第二真空泵已被加速时，第一真空泵被减速，然后它们都基于相同的控制信号来运行，即并行运行。 
总之，根据本发明，不需要为了能够在进入挤奶系统的最大空气量处提供所需的真空度而使一个速度可变的泵的能力过大，也不需要以较低的能力极限来运行两个或更多个速度可变的真空泵。根据本发明，使用特定的挤奶操作实际所需要的速度可变真空泵的数目。使用例如以最大能力的一半运行的两个或更多个真空泵会比具有运行在其最大能力的一个真空泵消耗更多的能量。因此本发明提供了更高能效的解决方案。 

Claims (16)

1.一种在挤奶系统内建立需要的真空度的方法，所述挤奶系统包括至少两个速度可变的真空泵(P1、P2)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
使用第一速度可变的真空泵(P1)在所述挤奶系统内建立需要的真空度，
监控挤奶系统内的真空度需求，并且当挤奶系统的真空度需求使得所述第一速度可变的真空泵(P1)的速度达到第一速度阈值时，则
启动第二速度可变的真空泵(P2)，并且
并行运行所述第一和第二速度可变的真空泵(P1、P2)来建立需要的真空度，
其中所述启动第二速度可变的真空泵(P2)的步骤包括：增加所述第二速度可变的真空泵(P2)的速度，并相应地降低所述第一速度可变的真空泵(P1)的速度，直到它们各自的速度相同。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一速度阈值处于所述第一速度可变的真空泵(P1)的最大速度的60-95％的区间内。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一速度阈值大约等于所述第一速度可变的真空泵(P1)的最大速度的95％。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述挤奶系统进一步包括真空传感器(4)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述并行运行所述第一和第二速度可变的真空泵(P1、P2)的步骤包括：基于共同的控制信号来运行所述第一和第二速度可变的真空泵(P1、P2)。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
当所述第一和/或所述第二速度可变的真空泵(P2)的速度达到第二速度阈值时，启动第三速度可变的真空泵(P3)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述启动第三速度可变的真空泵(P3)的步骤包括：增加所述第三速度可变的真空泵(P3)的速度，并相应地降低所述第一和第二速度可变的真空泵(P1、P2)的速度，直到所述第三速度可变的真空泵(P3)的速度等于所述第一和第二速度可变的真空泵(P1、P2)的速度，并且
并行运行所述第一、第二和第三速度可变的真空泵(P1、P2、P3)来建立需要的真空度。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述第二速度阈值等于所述第一速度阈值。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
当第一、第二、直到第n-1个速度可变的真空泵(P1、P2、...、P(n-1))的速度达到第n-1速度阈值时，启动第n个速度可变的真空泵(Pn)，增加所述第n个速度可变的真空泵(Pn)的速度，并相应地降低所述第一、第二、直到所述第n-1个速度可变的真空泵(P1、P2、...、P(n-1))的速度，直到所述第n个速度可变的真空泵(Pn)的速度等于所述第一、第二、直到所述第n-1个速度可变的真空泵(P1、P2、...、P(n-1))的速度，并且
并行运行所述第一、第二、直到所述第n个速度可变的真空泵(P1、P2、...、Pn)来建立需要的真空度。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
当挤奶系统内的真空需求使得所述第一和/或第二速度可变的真空泵(P1、P2)的速度降低到低于第三速度阈值时，将所述第二速度可变的真空泵(P2)的速度降低到零。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二速度可变的真空泵(P2)的速度与增加所述第一速度可变的真空泵(P1)的速度对应一致地被降低。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二速度可变的真空泵(P1、P2)的使用优先顺序被改变，使得所述第二速度可变的真空泵(P2)首先被使用，并且所述第一速度可变的真空泵(P1)在需要时被使用，这由所监控的需要的真空度来确定。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述速度可变的真空泵(P1、P2)包括位移真空泵。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述位移真空泵为罗茨真空泵。
15.根据权利要求1所述的方法，其中当增加速度可变的真空泵(P1、P2)的速度时，该速度被每秒增加5-40Hz。
16.根据权利要求1所述的方法，其中当降低速度可变的真空泵(P1、P2)的速度时，该速度被每秒降低5-40Hz。
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