CN104165136A - 水泵组多级液位三维均衡负载控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泵组多级液位三维均衡负载控制系统，它包括多个水泵，还包括水泵调度控制器、用于探测水位的超声波水位计、与多个水泵一一对应的多个水泵控制柜，超声波水位计的信号输出端连接水泵调度控制器的信号输入端，水泵调度控制器的每个控制信号输出端分别与对应水泵控制柜的控制信号输入端连接，水泵控制柜的每个控制信号输出端分别与对应水泵的控制信号输入端连接。本发明实现了多液位泵组系统的均衡负载调度控制，能有效的提高各个水泵的使用寿命。

Description

水泵组多级液位三维均衡负载控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及排水系统技术领域，具体地指一种水泵组多级液位三维均衡负载控制系统及其控制方法。

背景技术

随着国内各大城市地下交通工程建设日渐扩大，排水系统的重要性愈加凸显。地下工程排水系统由多级液位水泵组构成，通过预先设定的多级液位值决定启泵数，由启动的水泵协同完成排水工作。

目前，最常见的水泵组控制系统中各泵的控制水位按高到低依次设定，当积水池液位到达相应设定位时，即启动该液位下相应水泵。然而采取这种方法存在以下问题：首先，水泵工作时间不均衡，低位水泵由于工作时间最长，所以负担较重，磨损折旧较快，后期故障频率高。同时，高位水泵长期赋闲，随动润滑不足，有效使用寿命大大降低。其次，当部分水泵出现故障时液位控制会发生混乱，达不到原定的控制目标，或因反馈回路的故障导致控制失效。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种水泵组多级液位三维均衡负载控制系统及其控制方法，该系统和方法实现多液位泵组系统的均衡负载调度控制，能有效的提高各个水泵的使用寿命。

为实现此目的，本发明所设计的一种水泵组多级液位三维均衡负载控制系统，它包括多个水泵，其特征在于：它还包括水泵调度控制器、用于探测水位的超声波水位计、与所述多个水泵一一对应的多个水泵控制柜，其中，超声波水位计的信号输出端连接水泵调度控制器的信号输入端，水泵调度控制器的每个控制信号输出端分别与对应水泵控制柜的控制信号输入端连接，水泵控制柜的每个控制信号输出端分别与对应水泵的控制信号输入端连接。

一种利用上述水泵组多级液位三维均衡负载控制系统进行水泵组控制的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在水泵调度控制器中设计第一控制标记位a、第二控制标记位b、第三控制标记位c和第四控制标记位d，上述第一控制标记位a用来控制当积水池出现最低预设水位时工作的水泵，第二控制标记位b用来控制当积水池出现次低预设水位时工作的水泵，第三级水泵控制标记位c用来控制当积水池出现中间预设水位时工作的水泵，第四级水泵控制标记位d用来控制当积水池出现最高预设水位时工作的水泵；

初始状态下第一控制标记位a对应控制第一水泵、第二控制标记位b对应控制第二水泵、第三控制标记位c对应控制第三水泵、第四控制标记位d对应控制第四水泵，上述各个水泵控制标记位与各个水泵的对应控制关系每隔预设时间进行轮转，即在初始状态后的下一个预设时间，第一控制标记位a轮转对应控制第二水泵、第二控制标记位b轮转对应控制第三水泵，第三控制标记位c轮转对应控制第四水泵、第四控制标记位d轮转对应控制第一水泵；再下一个预设时间，第一控制标记位a轮转对应控制第三水泵，第二控制标记位b轮转对应控制第四水泵，第三控制标记位c轮转对应控制第一水泵，第四控制标记位d轮转对应控制第二水泵；紧接着的下一个预设时间，第一控制标记位a轮转对应控制第四水泵，第二控制标记位b轮转对应控制第一水泵，第三控制标记位c轮转对应控制第二水泵，第四控制标记位d轮转对应控制第三水泵；再下一个预设时间的控制标记位与水泵之间的对应关系回到与初始状态一样；

步骤2：当超声波水位计感应到积水池的水位由最低预设水位以下达到最低预设水位时，水泵调度控制器通过水泵控制柜控制与第一控制标记位a对应的水泵工作，当超声波水位计感应到积水池的水位由最低预设水位下降致最低截止水位时，水泵调度控制器通过水泵控制柜控制与第一控制标记位a对应的水泵停止工作；

步骤3：当超声波水位计感应到积水池的水位由最低预设水位升高至次低预设水位时，水泵调度控制器通过水泵控制柜控制与第二控制标记位b对应的水泵工作，当超声波水位计感应到积水池的水位由次低预设水位下降致次低截止水位时，水泵调度控制器通过水泵控制柜控制与第二控制标记位b对应的水泵停止工作；

步骤4：当超声波水位计感应到积水池的水位由次低预设水位升高至中间预设水位时，水泵调度控制器通过水泵控制柜控制与第三控制标记位c对应的水泵工作，当超声波水位计感应到积水池的水位由中间预设水位下降致中间截止水位时，水泵调度控制器通过水泵控制柜控制与第三控制标记位c对应的水泵停止工作；

步骤5：当超声波水位计感应到积水池的水位由中间预设水位升高至最高预设水位时，水泵调度控制器通过水泵控制柜控制与第四控制标记位d对应的水泵工作，当超声波水位计感应到积水池的水位由最高预设水位下降致最高截止水位时，水泵调度控制器通过水泵控制柜控制与第四控制标记位d对应的水泵停止工作；

步骤6：当超声波水位计感应到积水池的水位由最高预设水位升高至危险警示预设水位时，水泵调度控制器通过水泵控制柜控制所有水泵工作，当超声波水位计感应到积水池的水位由危险警示预设水位下降致最高预设水位时，水泵调度控制器通过水泵控制柜控制与第四控制标记位d对应的水泵工作，其余水泵停止工作。

本发明通过上述技术方案解决了传统水泵组控制方式下各个水泵工作负载和工作时间不均衡的问题，实现多液位泵组系统的完全均衡负载调度控制，同时在水泵组存在故障时能够自动优化泵组中可驱动部分，以容错方式实现原定控制目标。该系统有效提高水泵组控制效率，实现泵组的容错、容灾控制，延长水泵及相关电气回路的使用寿命。

本发明有益效果为：

(1)本发明能实现多液位泵组系统的完全均衡负载调度控制，延长了水泵及相关电气回路的使用寿命。

(2)本发明能够在高负荷和极端恶劣积水环境下即能充分发挥水泵组整体抽排能力，同时又能保证各泵的动态均衡负载调度控制，从而科学的解决了水泵组整体抽排效能与水泵单体保护的矛盾，提高了水泵组的有效工作寿命，真正实现高可靠、高效能的多液位水泵组控制系统

(3)本发明具备独特的三维时隙轮转机制，可将虚拟低液位活动泵标志轮转到无故障物理泵位，以容错方式自动实现原定液位控制目标。

(4)本发明不论在正常工况还是故障工况下，都能保证泵组中各泵的间歇轮休，泵组的工作不会因部分故障导致负载集中和强度加大而失去协调稳定性，有效预防故障联动效应与扩大化现象，对于因过载和热保护引起的故障有一定的自愈能力，具备优良的系统撸棒性。

(5)本发明具备独特的容灾，抗灾能力，能为抢险救灾赢得宝贵时间和机会。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中，1—水泵、1.1—第一水泵、1.2—第二水泵、1.3—第三水泵、1.4—第四水泵、2—超声波水位计、3—水泵调度控制器、4—水泵控制柜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示的一种水泵组多级液位三维均衡负载控制系统，它包括多个水泵1，还包括水泵调度控制器3、用于探测水位的超声波水位计2、与所述多个水泵1一一对应的多个水泵控制柜4，其中，超声波水位计2的信号输出端连接水泵调度控制器3的信号输入端，水泵调度控制器3的每个控制信号输出端分别与对应水泵控制柜4的控制信号输入端连接，水泵控制柜4的每个控制信号输出端分别与对应水泵1的控制信号输入端连接。

上述技术方案中，所述每个水泵1的水泵状态反馈信号输出端连接对应水泵控制柜4的水泵状态反馈信号输入端，所述水泵控制柜4的水泵状态反馈信号通信端连接水泵调度控制器3的水泵状态反馈信号通信端。此设计使水泵1能将工作状态信息反馈给水泵调度控制器3，这样水泵调度控制器3就能对每个水泵1的工作状态进行实时的监控。

上述技术方案中，所述水泵1和水泵控制柜4均有4个。

本实施例中积水池深5m，泵高1.2m。

一种利用上述水泵组多级液位三维均衡负载控制系统进行水泵组控制的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在水泵调度控制器3中设计第一控制标记位a、第二控制标记位b、第三控制标记位c和第四控制标记位d，上述第一控制标记位a用来控制当积水池出现最低预设水位时工作的水泵1，第二控制标记位b用来控制当积水池出现次低预设水位时工作的水泵1，第三级水泵控制标记位c用来控制当积水池出现中间预设水位时工作的水泵1，第四级水泵控制标记位d用来控制当积水池出现最高预设水位时工作的水泵1；

初始状态下第一控制标记位a对应控制第一水泵1.1、第二控制标记位b对应控制第二水泵1.2、第三控制标记位c对应控制第三水泵1.3、第四控制标记位d对应控制第四水泵1.4，上述各个水泵控制标记位与各个水泵的对应控制关系每隔预设时间进行轮转，即在初始状态后的下一个预设时间，第一控制标记位a轮转对应控制第二水泵1.2、第二控制标记位b轮转对应控制第三水泵1.3，第三控制标记位c轮转对应控制第四水泵1.4、第四控制标记位d轮转对应控制第一水泵1.1；再下一个预设时间，第一控制标记位a轮转对应控制第三水泵1.3，第二控制标记位b轮转对应控制第四水泵1.4，第三控制标记位c轮转对应控制第一水泵1.1，第四控制标记位d轮转对应控制第二水泵1.2；紧接着的下一个预设时间，第一控制标记位a轮转对应控制第四水泵1.4，第二控制标记位b轮转对应控制第一水泵1.1，第三控制标记位c轮转对应控制第二水泵1.2，第四控制标记位d轮转对应控制第三水泵1.3；再下一个预设时间的控制标记位与水泵之间的对应关系回到与初始状态一样；

步骤2：当超声波水位计2感应到积水池的水位由最低预设水位以下达到最低预设水位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制与第一控制标记位a对应的水泵工作，当超声波水位计2感应到积水池的水位由最低预设水位下降致最低截止水位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制与第一控制标记位a对应的水泵停止工作；

步骤3：当超声波水位计2感应到积水池的水位由最低预设水位升高至次低预设水位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制与第二控制标记位b对应的水泵工作，当超声波水位计2感应到积水池的水位由次低预设水位下降致次低截止水位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制与第二控制标记位b对应的水泵停止工作；

步骤4：当超声波水位计2感应到积水池的水位由次低预设水位升高至中间预设水位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制与第三控制标记位c对应的水泵工作，当超声波水位计2感应到积水池的水位由中间预设水位下降致中间截止水位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制与第三控制标记位c对应的水泵停止工作；

步骤5：当超声波水位计2感应到积水池的水位由中间预设水位升高至最高预设水位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制与第四控制标记位d对应的水泵工作，当超声波水位计2感应到积水池的水位由最高预设水位下降致最高截止水位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制与第四控制标记位d对应的水泵停止工作；

步骤6：当超声波水位计2感应到积水池的水位由最高预设水位升高至危险警示预设水位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制所有水泵工作，实现辅助容错容灾控制，当超声波水位计2感应到积水池的水位由危险警示预设水位下降致最高预设水位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制与第四控制标记位d对应的水泵工作，其余水泵停止工作。

上述技术方案中，当超声波水位计2感应到积水池的水位低于最低预设极限液位时，水泵调度控制器3通过水泵控制柜4控制所有水泵停止工作，实现辅助保护控制。上述最低预设极限液位为1.4m。

上述技术方案中，液位、泵位与轮转时隙构成了基于离散三维空间的虚拟布尔类型活动泵状态标志队列。

上述技术方案的步骤5中，当与第四控制标记位d对应的水泵停止工作后，水泵调度控制器3将第一控制标记位a、第二控制标记位b、第三控制标记位c和第四控制标记位d所对应控制的水泵进行一次轮转。

上述技术方案中，所述最低预设水位为2.4m，所述次低预设水位为3m，所述中间预设水位为3.7m，所述最高预设水位为4.4m。所述最低截止水位为1.4m，所述次低截止水位为2m，所述中间截止水位为3.2m，所述最高截止水位为3.9m。所述危险警示预设水位为4.5m。

上述技术方案的步骤1中各个水泵控制标记位与各个水泵的对应控制关系每隔15分钟进行轮转。

本发明通过上述技术方案解决了传统固定位水泵组控制系统中水泵工作时间不均衡，低位水泵负担较重，磨损折旧较快，后期故障频率高；高位水泵长期赋闲，随动润滑不足，有效使用寿命快速降低的技术问题。实现了多液位泵组系统的完全均衡负载调度控制，延长了水泵及相关电气回路的使用寿命。

本发明通过多液位多泵按积水情况依次启动的控制方法实现多泵抽排能力的动态整合，解决了单纯按次轮流启动水泵组控制系统中不能有效整合水泵组的整体抽排能力的问题。

在市政与大型地下结构的积水池会出现持续高流量来水的极端情况，该情况下单纯按次轮流启动水泵组控制系统会出现由于不能及时抽排到停机液位，导致单台泵因长时间高负荷工作进入保护状态，然后会恶性循环导致整个泵组都进入保护状态，以致控制失效。本发明具备独特的第二维时隙轮动机制，不受液位与启停的影响，各泵位按时隙进行负荷的轮转，有效解决上述问题。

本发明能够在高负荷和极端恶劣积水环境下即能充分发挥水泵组整体抽排能力，同时又能保证各泵的动态均衡负载调度控制，从而科学的解决了水泵组整体抽排效能与水泵单体保护的矛盾，提高了水泵组的有效工作寿命，真正实现高可靠、高效能的多液位水泵组控制系统。

传统泵组控制系统中当某台或几台水泵出现故障或保护时，其相应的液位控制目标就无法实现。本发明具备独特的三维时隙轮转机制，可将虚拟低液位活动泵标志轮转到无故障物理泵位，以容错方式自动实现原定液位控制目标。

传统水泵控制系统通过对回路状态的处理通过补位、顶替实现故障处理，容易出现负载集中和强度加倍情况，继而导致故障扩大、系统失稳等联动效应发生，加速了水泵控制系统整体失效的进程。本发明不论在正常工况还是故障工况下，都能保证泵组中各泵的间歇轮休，泵组的工作不会因部分故障导致负载集中和强度加大而失去协调稳定性，有效预防故障联动效应与扩大化现象，对于因过载和热保护引起的故障有一定的自愈能力，具备优良的系统撸棒性。

传统的基于状态反馈的复杂泵组调度控制系统在自然灾害与重大事故到来时，往往因最易于被破坏的状态反馈和检测回路的故障，在泵组还具备抽排能力的情况下失去系统的控制能力，导致丧失宝贵的营救与撤离时间。由于现代单体水泵回路都具备底层保护闭环，本发明中单体水泵的回路状态只做参考和记录，不参与泵组的控制过程，在自然灾害与重大事故过程中，不论泵组系统被破坏到何种程度，只要有一台是可以控制并运行的，通过三维容错轮转机制就能实现最低液位的控制，为抢险救灾赢得宝贵时间和机会。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种水泵组多级液位三维均衡负载控制系统，它包括多个水泵(1)，其特征在于：它还包括水泵调度控制器(3)、用于探测水位的超声波水位计(2)、与所述多个水泵(1)一一对应的多个水泵控制柜(4)，其中，超声波水位计(2)的信号输出端连接水泵调度控制器(3)的信号输入端，水泵调度控制器(3)的每个控制信号输出端分别与对应水泵控制柜(4)的控制信号输入端连接，水泵控制柜(4)的每个控制信号输出端分别与对应水泵(1)的控制信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的水泵组多级液位三维均衡负载控制系统，其特征在于：所述每个水泵(1)的水泵状态反馈信号输出端连接对应水泵控制柜(4)的水泵状态反馈信号输入端，所述水泵控制柜(4)的水泵状态反馈信号通信端连接水泵调度控制器(3)的水泵状态反馈信号通信端。

3.根据权利要求3所述的水泵组多级液位三维均衡负载控制系统，其特征在于：所述水泵(1)和水泵控制柜(4)均有4个。

4.一种利用权利要求3所述水泵组多级液位三维均衡负载控制系统进行水泵组控制的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在水泵调度控制器(3)中设计第一控制标记位a、第二控制标记位b、第三控制标记位c和第四控制标记位d，上述第一控制标记位a用来控制当积水池出现最低预设水位时工作的水泵(1)，第二控制标记位b用来控制当积水池出现次低预设水位时工作的水泵(1)，第三级水泵控制标记位c用来控制当积水池出现中间预设水位时工作的水泵(1)，第四级水泵控制标记位d用来控制当积水池出现最高预设水位时工作的水泵(1)；

初始状态下第一控制标记位a对应控制第一水泵(1.1)、第二控制标记位b对应控制第二水泵(1.2)、第三控制标记位c对应控制第三水泵(1.3)、第四控制标记位d对应控制第四水泵(1.4)，上述各个水泵控制标记位与各个水泵的对应控制关系每隔预设时间进行轮转，即在初始状态后的下一个预设时间，第一控制标记位a轮转对应控制第二水泵(1.2)、第二控制标记位b轮转对应控制第三水泵(1.3)，第三控制标记位c轮转对应控制第四水泵(1.4)、第四控制标记位d轮转对应控制第一水泵(1.1)；再下一个预设时间，第一控制标记位a轮转对应控制第三水泵(1.3)，第二控制标记位b轮转对应控制第四水泵(1.4)，第三控制标记位c轮转对应控制第一水泵(1.1)，第四控制标记位d轮转对应控制第二水泵(1.2)；紧接着的下一个预设时间，第一控制标记位a轮转对应控制第四水泵(1.4)，第二控制标记位b轮转对应控制第一水泵(1.1)，第三控制标记位c轮转对应控制第二水泵(1.2)，第四控制标记位d轮转对应控制第三水泵(1.3)；再下一个预设时间的控制标记位与水泵之间的对应关系回到与初始状态一样；

步骤2：当超声波水位计(2)感应到积水池的水位由最低预设水位以下达到最低预设水位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制与第一控制标记位a对应的水泵工作，当超声波水位计(2)感应到积水池的水位由最低预设水位下降致最低截止水位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制与第一控制标记位a对应的水泵停止工作；

步骤3：当超声波水位计(2)感应到积水池的水位由最低预设水位升高至次低预设水位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制与第二控制标记位b对应的水泵工作，当超声波水位计(2)感应到积水池的水位由次低预设水位下降致次低截止水位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制与第二控制标记位b对应的水泵停止工作；

步骤4：当超声波水位计(2)感应到积水池的水位由次低预设水位升高至中间预设水位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制与第三控制标记位c对应的水泵工作，当超声波水位计(2)感应到积水池的水位由中间预设水位下降致中间截止水位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制与第三控制标记位c对应的水泵停止工作；

步骤5：当超声波水位计(2)感应到积水池的水位由中间预设水位升高至最高预设水位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制与第四控制标记位d对应的水泵工作，当超声波水位计(2)感应到积水池的水位由最高预设水位下降致最高截止水位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制与第四控制标记位d对应的水泵停止工作；

步骤6：当超声波水位计(2)感应到积水池的水位由最高预设水位升高至危险警示预设水位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制所有水泵工作，当超声波水位计(2)感应到积水池的水位由危险警示预设水位下降致最高预设水位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制与第四控制标记位d对应的水泵工作，其余水泵停止工作。

5.根据权利要求4所述的水泵组控制方法，其特征在于：所述步骤5中，当与第四控制标记位d对应的水泵停止工作后，水泵调度控制器(3)将第一控制标记位a、第二控制标记位b、第三控制标记位c和第四控制标记位d所对应控制的水泵进行一次轮转。

6.根据权利要求4所述的水泵组控制方法，其特征在于：所述最低预设水位为2.4m，所述次低预设水位为3m，所述中间预设水位为3.7m，所述最高预设水位为4.4m。所述最低截止水位为1.4m，所述次低截止水位为2m，所述中间截止水位为3.2m，所述最高截止水位为3.9m。

7.根据权利要求4所述的水泵组控制方法，其特征在于：所述危险警示预设水位为4.5m。

8.根据权利要求4所述的水泵组控制方法，其特征在于：所述步骤1中各个水泵控制标记位与各个水泵的对应控制关系每隔15分钟进行轮转。

9.根据权利要求4所述的水泵组控制方法，其特征在于：当超声波水位计(2)感应到积水池的水位低于最低预设极限液位时，水泵调度控制器(3)通过水泵控制柜(4)控制所有水泵停止工作。