CN104165137A - 工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计量泵专用数字变频控制器的现场便捷标定技术和自主控制技术，解决了现场标定问题，借助于数字变频控制器的控制，使复杂的标定变得简便易行，只须启动计量泵，当泵停止工作时，量测计量泵的输出量Q，便可得到泵的特征参数，并将其存储到数字变频控制器的非易失存储单元中，数字变频控制器会根据此特征参数自动计算流量、累积量等计量参数，而且给出了一种标定结果的修正方法。本发明解决了自主控制问题，不需要外部控制器，只需被控量的测量值和工艺设定值，就可实现自主控制，可减化控制结构，降低成本，特别是将工艺设定值转化成标准信号值，具有良好的通用性。

Description

工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法

技术领域

本发明仅限于工业计量泵专用数字变频控制器技术领域，特别是涉及该专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法。

技术背景

工业计量泵广泛应用于石油、化工、水处理、食品、制药、环保、液态施肥等领域的流体定量投加和比例投加。

工业计量泵的主要作用是根据生产工艺的要求，调节流量的大小。目前主要有如下三种流体调节方法：

1. 通过手轮离线调节

这种方式是通过计量泵的调节手轮来调节膜片或柱塞的冲程大小，进而间接调节流量，其缺点是：

（1）工业现场存在强碱、强酸和有毒气体，不便人工操作，难以满足现代工业生产在线实时调节的工艺要求。

（2）当工作流量较小时，冲程接近于零时，但驱动电机仍按额定转速运转，基本上处于做无用功的状态，造成不必要的能量消耗，同时导致机械传动机构和驱动电机的无功磨损。

（3）采用手轮调节冲程的机械结构较为复杂，可靠性低，还要增加制造、安装成本。

（4）对于需要在线实时控制的现代工业生产中，需另外配置变频器和PLC控制器，从而导致成本进一步增加，而且PLC是一个通用的可编程控制器，需要专业人员根据计量泵的特殊要求编程后才能适合工业计量泵的控制。

2. 通过电动冲程调节器调节

这种方式是在手轮上安装一个电动调节器进行冲程调节，这种方式的优点是将第1 种手动调节方式变成了电动调节方式，从而改善工作环境，其缺点是：

（1）调节速度慢（从最小流量调节到最大流量需要160分钟左右），动态响应能力差，纯带后大，难以满足自动化过程在线实时控制的要求。

（2）电动调节器机械结构复杂，可靠性低，成本高。

（3）重量和体积较大，不便安装。

（4）流量较小时，与第1种方式相同，驱动电机仍按额定转速运转，基本上处于做无用功的状态，造成不必要的能量消耗，同时导致机械传动机构和驱动电机的无功磨损。

这种方法的特点是流量调节范围大，可在0-100%范围内调节。但是，计量泵通常在固定的工作点附近工作，不会在很大的范围内调节。一个合格的工程师会根据生产工艺要求，选择合适的规格，而不是选择大流量的计量泵，再调节到很小的流量工作。特别是对于一个大流量计量泵，当调节到很小的流量（例如10%以下）时，由于传动间隙或膜片变形等原因，使得相对误差会很大。因此，把一个大流量计量泵调节到很小的流量下工作是一个误区，正确的方法是选择流量小一个规格的计量泵。

3. 数字变频控制器调节

前两种方式已有几十年的历史，技术上已经很成熟，而计量泵专用数字变频控制器调节方式是近年来出现的一种新型的调节方式，其特点是针对工业计量泵的特殊需要，将变频器、控制器和流量计的功能结合到一起，通过调节工作频率来调节驱动电机的转速，而转速与流量成线关系，具有连续投加、周期投加、定量投加、液位检测报警、系统故障报警等多种功能，可按外部信号（数字或模拟）来线性调节流量。其优点是：

（1）调节速度快（从最小流量调节到最大流量仅需10S左右，比冲程调节器快16倍左右），动态响应能力好，可满足自动化生产过程在线实时调节的要求。

（2）可省去手轮调节机构、电动调节器的机械传动机构，从而大幅降低成本，提高可靠性。

（3）当流量较小时，电机转速降低，节能效果显著。

（4）和电动冲程调节器相比，体积小，重量轻，安装方便。

（5）和前两种方式相比，具有定时投加和定量投加功能。

（6）可调节到60Hz 工作，扩大计量泵的流量范围。

（7）变频节能效果显著。

这种方式虽然调节范围在30-100%内，但完全满足实际使用的要求。从确保精度和功率匹配的角度来说，对小于30%的情况，可选用流量小一个规格的计量泵。

数字变频控制器调节方式中，流量的精度与标定密切相关，现有的标定方法比较烦琐，需知道具体计量泵的传动比、冲程容积（或排量）等，这对现场应用来说很不方便，特别是当实际工况与出厂标定工况不一致时（例如，实际工作压力与出厂测试压力不一致时），出厂参数与实际参数会有较大的差异，因此，根据现场工况，在实际工作点附近标定，可有效提高计量泵的精度，为此本发明给出一种便捷的标定方法。

现有的数字变频控制器虽然可接收外部4-20mA模拟信号或各种数字信号，但只能根据接收到的信号被动调节流量大小，一般是使流量跟随接收信号线性变化（或比例变化），而不能根据生产工艺的要求主动调节流量，这就要求额外配置控制器，根据现场仪表的测量值和工艺要求的设定值来计算、产生控制信号，再将此控制信号传送给数字变频控制器使其按此信号线性调节流量。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法，便捷标定采用如下方法：在微控制器控制下开启计量泵，当计量泵驱动电机转N圈时，微控制器接收到P个霍尔脉冲信号，此时控制计量泵停止工作，在计量泵从开启到停止过程中，用容器接收计量泵输出的流体，设计量泵输出的流体为Q，将Q值作为计量泵的特征参数存入控制器的非易失存储单元中，作为计算瞬时流量、当前量和累计量的特征参数。

进一步的，标定工况包括三相交流频率                                                泵出口压力与实际工况尽可能一致，这样可消除频率和压力对流量、累积量等计量参数的影响。

进一步的，实际标定时取样两次可消除不完整冲程对计量精度的影响，设两次取样值分别为Q₁，Q₂，则泵的特征参数Q取其平均值，即

                       （4）

这样可消除往复泵不完整冲程对精度的影响。

进一步的，所述电机转N圈时泵的输出量Q作为计算小时流量Q_h和累积量的依据，计算小时流量的公式如为

 (L/H)；

   每收到个霍尔脉冲，累积流量增加1（L）。

进一步的，在实际工况下起动电机待流量显示稳定后，可读出显示流量，取样计算实测流量，根据修正因子对流量进行修正，具体实施时可修改修正因子的默认值，或根据修改泵的特征参数。

进一步的，自主控制方法如下：将流体组份仪的反馈信号直接传送给计量泵专用数字变频控制器，并将工艺要求的组份设定值存放在该控制器的非易失存储单元中，控制器根据组份信号的测量值和设定值，计算出三相交流电的频率并将此频率的三相正弦交流电施加于三相交流驱动电机，从而实现流量的自主调节。

进一步的，设测量反馈信号为4mA时，对应的测量值为y ₁，反馈信号为20mA时，对应的测量值为y ₂，则测量值为y时，反馈信号为i，则

                   （8）

对应于组份设定值y _set ，有

                  （9）

将流体的工艺设定值y _set 按（9）式转换成信号值i _set (mA) ，存入数字变频控制器的非易失存储单元中，根据误差e= i _set -i，按公知的控制算法计算三相交流电频率f，将该频率的三相交流量施加于三相交流驱动电机，通过不断的计算调节，最终e→0，被控量的测量值将达成到设定值。

本发明基于现场仪表的测量值和工艺要求的设定值，通过数字变频控制器自主调节，不需要外部控制器来计算、产生控制信号，从而减少不必要的装置，并且简化操作使用。

本发明涉及计量泵专用数字变频控制器的现场便捷标定技术和自主控制技术，该数字变频控制器的输入电压为频率固定的交流电，其频率取决于实际工业电网（50Hz/60Hz），经过数字变频后，输出电压为频率可变的三相交流电，用此变频交流电驱动三相异步电机，使其转速正比于频率变化，从而达到调节流量的目的。本发明解决了计量泵专用数字变频控制器的现场标定问题，借助于数字变频控制器的控制，使复杂的标定变得简便易行，只须启动计量泵，当泵停止工作时，量测计量泵的输出量Q，便可得到泵的特征参数，并将其存储到数字变频控制器的非易失存储单元中，数字变频控制器会根据此特征参数自动计算流量、累积量等计量参数，而且给出了一种标定结果的修正方法。本发明解决了自主控制问题，不需要外部控制器，只需被控量的测量值和工艺设定值，就可实现自主控制，可减化控制结构，降低成本，特别是将工艺设定值转化成标准信号值，具有良好的通用性。

附图说明

图1是计量泵专用数字变频控制器工作原理图；

图2是组份被动调节结构图；

图3是组份自主调节结构图；

图4是自主调节原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定。

现有的计量泵专用数字变频控制器通常根据单个冲程的容积变化量（简称冲程排量） (L)和传动比来计算计量泵输出每升流体需要电机转动的圈数， 这里参数N是计算瞬时流量、当前量和累计量的关键参数。由于

 （L）                       （1）

因此，

                            （2）

而传动比对具体的计量泵来说是固定不变的，是制造商出厂时给定的理论参数。这样当实际工作点状况（三相交流频率泵出口压力）与出厂测试时的状况差别较大时，实际的冲程排量与出厂给定的也有较大差别，从而使得瞬时流量、当前量和累计量的计算产生较大误差，而在现场测试比较困难，当不知道传动比时即使测出，也无法计算出参数N。因此，本发明给出一种不需冲程排量和传动比的现场便捷标定方法。

如图1所示，计量泵专用数字变频控制器1将220V/50Hz的单相交流电变成频率可调的三相交流电，驱动三相交流电机2转动，其转速与三相交流的频率成正比；三相交流电机2驱动往复计量泵3往复运动，将容器4中的流体吸入，然后投加到容器（或管道）5，与其他流体进行搅拌后再输送出去；三相交流电机2转数可用霍尔传感器来检测，假设电机轴上等角度安装m个磁钢（一般m=1～16，安装磁环时取值还可更大一些），电机转动N圈时，霍尔传感器接收到的脉冲数为P（脉冲数用微控制器记录），则

                            （3）

按启动按键，在微控制器控制下开启计量泵，当计量泵驱动电机转N圈（例如N=100）时，微控制器接收到P个霍尔脉冲信号，此时控制计量泵停止工作。在计量泵从开启到停止过程中，用容器接收计量泵输出的流体，设计量泵输出的流体为Q（mL），将此Q值作为计量泵的特征参数存入控制器的非易失存储单元中，作为计算瞬时流量、当前量和累计量的特征参数，这种方法在现场简单易行。实际标定时可在管道的出口处安装节流阀和压力阻尼器，将泵的出口压力调节至大致等于正常工作时的压力，三相电机的频率设定到正常工作频率附近，这样可确保精度。实际标定时取样两次可消除不完整冲程对计量精度的影响，设两次取样值分别为Q₁，Q₂（取样值可用带刻度的量桶人工测量，也可用电子秤人工测量，如果用电子秤测量，还要除以比重，如果以水为介质标定，则比重为1），则泵的特征参数Q取其平均值，即

 (mL)                       （4）

这样可消除往复泵不完整冲程对精度的影响。设数字变频控制器在T(s)内收到M个脉冲，则小时流量按下式计算

（L/H）                （5）

每收到个霍尔脉冲，累积流量增加1（L）。 

将特征参数Q存入变频控制器的非易失存储单元，便完成了标定，可进行测量。这时可进一步修正标定结果，方法如下：

（1）将计量泵的出口压力、工作频率调节到实际工况附近。

（2）启动计量泵等待其达到额定转速，当变频控制显示的流量 (L/H)稳定后，用容器取样 t（s），设取得的量为S(L)，则按下式计算实测流量

 (L/H)                        （6）

（3）按下式计算修正因子：

                        （7）

将修正因子Fac存入变频控制器的非易失存储单元，为了便于微控制器处理，应将Fac表示成整数，例如Fac=0.85时，将存入85；Fac=1.15时，存入115；Fac=1时，在入100（默认值），这时意味着不需修正。

   另一种办法是修正因子保存为默认值，修改泵的特征参数Q，其方法是将作为新的计量泵的特征参数加以保存。

    上述两种修正方法的结果完全相同，用户可自由选择。  

工业计量泵专用数字变频控制器的自主控制

    现有的工业计量泵专用数字变频控制器虽然可按外部控制信号进行流量调节，但为了产生外部控制信号，必须增加外部控制器7，如图2所示，外部控制器根据流体检测仪表6检测到的组份信号和工艺要求的组份设定值，按照公知的控制算法（例如各种PID，模糊控制算法等）进行控制运算，得出控制信号，传送到计量泵专用数字变频控制器1，然后，数字变频控制器按此控制信号调节流量，这种方法属于被动控制，需要额外增加控制器。

本发明针对工业计量泵专用数字变频器给出一种组份自主调节方法，如图3所示。图3中，检测仪表6的组份检测信号直接传送给计量泵专用数字变频控制器1，将工艺要求的组份设定值直接存储到变频控制器的非易失存储单元中。数字变频控制器1根据检测仪表6的反馈信号和组份设定值，按公知的控制算法（各种PID，模糊控制算法等）进行控制计算，求出变频控制器施加给三相交流电机2的频率，并将此频率的三相正弦交流电施加到三相交流电机2，达到调节流量的目的，因此流量与转速线性相关，转速与频率线性相关，亦即流量与频率线性相关。这样可以省去图2中的外控制器7，节省成本，给用户使用带来极大方便。

现有计量泵数字变频控制器只能接收外部控制信号，按外部控制信号计算频频f(t)，而本发明不需要外部控制器，直接按图4的闭环结构计算频频f(t)，从而实现了自主控制。

图4中，y _set 为控制参量的设定值，y(t)为控制参量的测量值，e(t)=y _set- y(t)，f(t)为施加于计量泵驱动电机的三相交流电频率，Q(t)为计量泵的流量，t为时间参量。

   下面以测量信号为4-20mA的电流信号为例进一步说明控制原理，对于其他模拟信号（1-5V，0-10mA，0-5V等），其原理与之类似，不再重述。

设测量反馈信号为4mA时，对应的测量值为y ₁，反馈信号为20mA时，对应的测量值为y ₂，则测量值为y时，反馈信号为i，则

 （mA ）                  （8）

对应于y _set ，有

 (mA)                     （9）

为了达到通用的目的，按照（9）式将工艺要求的被控量设定值y _set 转换成信号i _set (mA)，存入数字变频控制器的非易失存储单元中，根据误差e= i _set -i，按公知的控制算法计算三相交流电频率f，将该频率的三相交流量施加于三相交流驱动电机，通过不断的计算调节，最终e→0，被控量的测量值将达成到设定值。

  对于数字信号，最大值y_max用100%表示，最小值y_min用（y_min/y_max)%表示，设定值用（y_set/y_max)%表示，其余过程与模拟信号类似，不再重述。

这里信号不限于4-20mA电流信号，对于其他模拟信号如1-5V，0-10mA，0-5V等，由于其原理完全相似，也包含在内；鉴于数字信号用相对值表示时，其原理与模拟完全相同，也应包含在本发明范围内。

Claims (7)

1.一种工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法，其特征在于：便捷标定采用如下方法：在微控制器控制下开启计量泵，当计量泵驱动电机转N圈时，微控制器接收到P个霍尔脉冲信号，此时控制计量泵停止工作，在计量泵从开启到停止过程中，用容器接收计量泵输出的流体，设计量泵输出的流体为Q，将Q值作为计量泵的特征参数存入控制器的非易失存储单元中，作为计算瞬时流量、当前量和累计量的特征参数。

2.如权利要求1所述的工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法，其特征在于：标定工况包括三相交流频率                                                泵出口压力与实际工况尽可能一致，这样可消除频率和压力对流量、累积量等计量参数的影响。

3.如权利要求1所述的工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法，其特征在于：实际标定时取样两次可消除不完整冲程对计量精度的影响，设两次取样值分别为Q₁，Q₂，则泵的特征参数Q取其平均值，即

                       （4）

这样可消除往复泵不完整冲程对精度的影响。

4.如权利要求1所述的工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法，其特征在于：所述电机转N圈时泵的输出量Q作为计算小时流量Q_h和累积量的依据，计算小时流量的公式如为

 (L/H)；

   每收到个霍尔脉冲，累积流量增加1（L）。

5.如权利要求1所述的工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法，其特征在于：在实际工况下起动电机待流量显示稳定后，可读出显示流量，取样计算实测流量，根据修正因子对流量进行修正，具体实施时可修改修正因子的默认值，或根据修改泵的特征参数。

6.如权利要求1所述的工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法，其特征在于：自主控制方法如下：将流体组份仪的反馈信号直接传送给计量泵专用数字变频控制器，并将工艺要求的组份设定值存放在该控制器的非易失存储单元中，控制器根据组份信号的测量值和设定值，计算出三相交流电的频率，并将此频率的三相正弦交流电施加于三相交流驱动电机，从而实现流量的自主调节。

7.如权利要求6所述的工业计量泵专用数字变频控制器的便捷标定和自主控制方法，其特征在于：设测量反馈信号为4mA时，对应的测量值为y ₁，反馈信号为20mA时，对应的测量值为y ₂，则测量值为y时，反馈信号为i，则

                   （8）

对应于组份设定值y _set ，有

                  （9）

将流体的工艺设定值y _set 按（9）式转换成信号值i _set (mA) ，存入数字变频控制器的非易失存储单元中，根据误差e= i _set -i，按公知的控制算法计算三相交流电频率f，将该频率的三相交流量施加于三相交流驱动电机，通过不断的计算调节，最终e→0，被控量的测量值将达成到设定值。