CN104374060A - 一种基于无中心网络的水泵系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无中心网络的水泵系统控制方法，包括：为水泵系统中的多个相互独立的并联的水泵分别设置一个控制器，并将所有控制器进行网络互连以形成无中心网络；每个控制器对相应水泵进行信号采集、控制且对相邻控制器进行信息交互以实现自主协同调节水泵系统。本发明的方法基于无中心网络，使各并联水泵平等地自主协调完成控制目标，分布式地计算出优化控制方案，极大地降低了传统控制形式的人工配置调试的工作量，实现了控制设备的即插即用，提高了系统的控制效率、鲁棒性及可扩展性。

Description

一种基于无中心网络的水泵系统控制方法

技术领域

本发明涉及建筑节能和智能控制技术领域，特别是涉及一种基于无中心网络的水泵系统控制方法。

背景技术

在中央空调水系统中，通常使用多台变频水泵并联，通过调节水泵的启停状态和水泵的转速来满足系统末端的需求。

在现有的水泵控制系统中，通常采用集中控制的方式，即采用一台控制器控制所有并联的水泵。但是由此导致的后果是：如果要实现并联水泵的优化控制，需要将所有并联水泵的性能参数由自控厂商写入控制器，而水泵详细的性能参数又是水泵设备生产厂商不愿公开的，因此可操作性差。此外，这种集中式的控制方式需要对控制器和水泵进行手动配置，带来大量的现场调试工作，扩展性也比较差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种控制效率高、鲁棒性好、扩展性佳的基于无中心网络的水泵系统控制方法。

有鉴于此，根据本发明实施例的基于无中心网络的水泵系统控制方法，包括以下步骤：为所述水泵系统中的多个相互独立的并联的水泵分别设置一个控制器，并将所有控制器进行网络互连以形成无中心网络；每个控制器对相应水泵进行信号采集、控制且对相邻控制器进行信息交互以实现自主协同调节所述水泵系统。

本发明实施例的水泵系统控制方法基于无中心网络，使各并联水泵平等地自主协调完成控制目标，分布式地计算出优化控制方案，极大地降低了传统控制形式的人工配置调试的工作量，实现了控制设备的即插即用，提高了系统的控制效率、鲁棒性及可扩展性。

除此之外，本发明实施例的基于无中心网络的水泵系统控制方法还可以具有如下技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述每个控制器对相应水泵进行信号采集、控制且对相邻控制器进行信息交互以实现自主协同调节水泵系统包括以下步骤：A.在每个所述控制器内置对应水泵的水泵性能参数、压差设定值、预设压差偏差阈值和预设调节余量阈值，所述控制器实时监测对应水泵的压差测量值；B.当到达预设控制周期时，所述控制器比较所述压差测量值与压差设定值，如果偏差超出了预设压差偏差阈值，同时未收到其他邻居控制器发起的调节任务，则自己调节对应水泵的转速并发起调节任务，执行C1至C3；如果在发起前收到了相邻控制器发起的调节任务，则配合相邻控制器发起的调节任务进行运算，执行步骤D1至D4；C1.所述控制器根据对应水泵的根据压差测量值和压差设定值的差值、参考当前实际工作点，以最高效率点为调节预期，计算得到新的水泵转速和压差调节余量；C2.所述控制器控制对应水泵变速至所述新的水泵转速；C3.所述控制器将效率调节预期和压差调节余量写入调节任务的信号，广播发送给所有相邻控制器；D1.所述控制器接受到来自相邻控制器的调节任务后，比较接收到的效率调节预期和对应水泵的当前存储的效率调节预期，参考收到的压差调节余量，运算出新的效率调节预期；D2.根据新的效率调节预期、水泵性能参数及接收到的压差调节余量，计算得到新的水泵转速和新的压差调节余量；D3.将新的压差调节余量与预设调节余量阈值进行比较，前者高于后者表明仍未达到调节目标，将新的效率调节预期和新的压差调节余量写入调节任务信号广播发送给相邻控制器；前者低于后者表明能够达到调节目标，不再发送调节任务信号；D4.所有接收到所述调解任务的控制器，在接收到调节任务信号的瞬间开始计时，在预设收敛周期内如果后续没有收到其它相邻控制器的调节任务信号，则认为计算已收敛，此时所述控制器控制所述水泵变速至所述新的水泵转速；在一个计时周期内如果后续收到了其他相邻控制器的调节任务信号，执行步骤D1至D3，重新计时。

根据本发明的一个实施例，所述无中心网络的实现形式为有线网络和无线网络中二者之一或者二者的组合。

根据本发明的一个实施例，多个所述控制器中的控制算法相同。

根据本发明的一个实施例，所述控制器通过控制与所述水泵相连的变频器以实现所述对应水泵变速。

根据本发明的一个实施例，所述控制器通过设在所述水泵进口和出口之间的压差传感器以实现实时监测所述对应水泵的压差测量值。

根据本发明的一个实施例，由水泵生产商将所述水泵性能参数输入到对应的所述控制器中。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的基于无中心网络的水泵系统控制方法的流程示意图。

图2是本发明实施例的基于无中心网络的水泵系统的结构示意图。

图3是本发明实施例的水泵系统控制算法的具体运行流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

进一步地，在下述任何方法的说明中，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。

根据本发明实施例的基于无中心网络的水泵系统控制方法，如图1所示，可以包括以下步骤：

S1.为水泵系统中的多个相互独立的并联的水泵分别设置一个控制器，并将所有控制器进行网络互连以形成无中心网络。

图2示出了本发明实施例的基于无中心网络的水泵系统的结构示意图。

参考图2，可知一个水泵系统中包括n个并联的水泵100，每个水泵100配置有一个控制器200。需要说明的是，在实际应用中可能会遇到水泵系统中局部设置有若干个串联的水泵的情况，此时仅需要根据流体力学知识将这若干个串联水泵等效折算成单个水泵即可。

多个控制器200之间通过有线网络、无线网络或者结合有线无线两种形式的综合网络进行连接，构成无中心网络。此处不限定于任何具体的通信控制协议，只要能进行网络通信和控制即可实现本发明的目的，由此此处的节点控制网络或者网络需要以最广泛的技术领域中含义来进行理解和限定。

在本发明的一个实施例中，多个控制器200中的控制算法相同。由于构建的是平等的、扁平的无中心网络结构，因此每个节点地位相同，故每个控制器200可以采用相同控制算法。

S2.每个控制器对相应水泵进行信号采集、控制且对相邻控制器进行信息交互以实现自主协同调节水泵系统。

通常地，如图2所示，控制器200对相应水泵100进行控制的过程中，转速是最重要的控制量之一。控制器200可以通过控制与水泵100相连的变频器300以实现对应水泵100变速。控制器200对相应水泵100进行信号采集的过程中，压差测量值是最重要的采集信号之一。控制器200可以通过设在水泵100进口和出口之间的压差传感器400以实现实时监测对应水泵100的压差测量值。

本发明实施例的水泵系统控制方法，基于无中心网络，使各并联水泵平等地自主协调完成控制目标，分布式地计算出优化控制方案，极大地降低了传统控制形式的人工配置调试的工作量，实现了控制设备的即插即用，提高了系统的控制效率、鲁棒性及可扩展性。

为使本领域技术人员更好地了解步骤S2的具体含义，下面详细介绍一个着眼于“效率调节预期”和“压差调节余量”信息数据的控制算法。需要说明的是，也可以采用其他控制算法，不改变本发明的核心原理。该具体实施例中上述步骤S2具体包括：

A.在每个控制器内置对应水泵的水泵性能参数、压差设定值、预设压差偏差阈值和预设调节余量阈值，控制器实时监测对应水泵的压差测量值。

其中，水泵性能参数通常为水泵生产商的商业机密，一般不愿被公开。在本发明的实施例中，可以由水泵系统管理者可以先将控制器寄送给水泵生产商让其保密地输入水泵性能参数然后再拿回来安装，或者水泵系统管理者邀请水泵生产商来现场后保密地向控制器输入水泵性能参数。这样便解决了保密性的问题。压差设定值可以由水泵系统管理者根据水泵实际安装地点、应用场合来设定。例如，位于高层楼层的浴室水龙头对应的水泵的压差设定值应该比较大；位于底层楼层的绿化区滴灌水龙头对应的水泵的压差设定值比较小。

B.当到达预设控制周期时，控制器比较压差测量值与压差设定值。如果偏差超出了预设压差偏差阈值，同时未收到其他邻居控制器发起的调节任务，则自己调节对应水泵的转速并发起调节任务。也即是说，该控制器作为调节任务的发起者，执行下述步骤C1至C3。如果在发起前收到了相邻控制器发起的调节任务，则配合相邻控制器发起的调节任务进行运算。也就是说，该控制器作为调节任务的非发起者、协助者，执行下述步骤D1至D4。

需要说明的是，预设控制周期是指压差控制的调节周期，每经过这样一个周期，系统中的控制器就会比较当前的压差测量值和压差设定值是否超出预设压差偏差阈值，然后初步决定是否进行调节。

C1.控制器根据对应水泵的根据压差测量值和压差设定值的差值、参考当前实际工作点，以最高效率点(即效率为1)为调节预期，计算得到新的水泵转速和压差调节余量。

C2.控制器控制对应水泵变速至新的水泵转速；

C3.控制器将效率调节预期和压差调节余量写入调节任务的信号，广播发送给所有相邻控制器。需要说明的是，此处的控制器作为调解任务的发起者，最初的效率调节预期是最大值1，即从最高预期开始。

D1.控制器接受到来自相邻控制器的调节任务后，比较接收到的效率调节预期和对应水泵的当前存储的效率调节预期，参考收到的压差调节余量，运算出新的效率调节预期。

D2.根据新的效率调节预期、水泵性能参数及接收到的压差调节余量，计算得到新的水泵转速和新的压差调节余量。

D3.将新的压差调节余量与预设调节余量阈值进行比较，前者高于后者表明仍未达到调节目标，将新的效率调节预期和新的压差调节余量写入调节任务信号广播发送给相邻控制器；前者低于后者表明能够达到调节目标，不再发送调节任务信号。

D4.所有接收到调解任务的控制器，在接收到调节任务信号的瞬间开始计时，在预设收敛周期内如果后续没有收到其它相邻控制器的调节任务信号，则认为计算已收敛，此时控制器控制水泵变速至新的水泵转速；在一个计时周期内如果后续收到了其他相邻控制器的调节任务信号，执行步骤D1至D3，重新计时。

需要说明的是，步骤D1中提到的“控制器收到的效率调节预期”并不始终为最大值1。实际上，仅有作为“调节任务的第一任协助者”的控制器所接收到的效率调节预期数值为1。但是在该“调节任务的第一任协助者”的控制器中，效率调节预期经过计算处理会有所更新并且被广播出去，所以从后面“调节任务的第二任协助者”开始，“控制器接收到的效率调节预期”不再为1了。

由上可知，本发明该实施例的基于无中心网络的水泵系统控制方法利用各并联水泵带通信功能的控制器组建的无中心网络，根据实时测量的压差数据和外部设定的压差控制目标，使各并联水泵通过自主协商来决定各台水泵的启停和转速，同时使得并联水泵总体能效最优。本发明实施例的基于无中心网络的水泵系统控制方法，至少具有以下优点：

1.由水泵设备生产厂商将水泵性能参数内置在控制器中，解决了保密性问题，从而解决了传统集中式控制方式中自控厂商与设备厂商沟通环节的问题，也使得基于设备参数的优化控制成为可能，调高水泵的控制效率。

2.现场中仅需将拓扑上相邻的水泵对应的控制器进行通信连接，并联水泵即可通过自主协同，高效地完成控制目标，避免了传统集中式控制方式中自控厂商介入的繁琐的人工配置、调试环节，也能做到设备的即插即用，增强了系统的灵活性、可扩展性。

3.本方法在理论上保证了对于给定的控制目标，算法收敛的结果是水泵整体性能最优，即水泵开启的台数和开启水泵的运行转速是最优的，可提高水泵的运行效率。

需要说明的是，在实际应用中，也可能出现只安装一台水泵的情况，即水泵控制器检测出没有邻居的情况。在这种情况下，由于只有一台水泵，在工作时必然开启，不存在通过水泵之间相互协同的问题。此时可以根据水泵的性能参数、当前水泵的实际工作点，计算出当前管网系统的阻力系数，进而直接求出达到控制目标所需要的水泵的转速。

本领域技术人员还可以参考图3，以更好地理解本发明实施例的水泵系统控制算法的具体运行流程。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于无中心网络的水泵系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

为所述水泵系统中的多个相互独立的并联的水泵分别设置一个控制器，并将所有控制器进行网络互连以形成无中心网络；

每个控制器对相应水泵进行信号采集、控制且对相邻控制器进行信息交互以实现自主协同调节所述水泵系统。

2.根据权利要求1所述的基于无中心网络的水泵系统控制方法，其特征在于，所述每个控制器对相应水泵进行信号采集、控制且对相邻控制器进行信息交互以实现自主协同调节水泵系统包括以下步骤：

A.在每个所述控制器内置对应水泵的水泵性能参数、压差设定值、预设压差偏差阈值和预设调节余量阈值，所述控制器实时监测对应水泵的压差测量值；

B.当到达预设控制周期时，所述控制器比较所述压差测量值与压差设定值，如果偏差超出了预设压差偏差阈值，同时未收到其他邻居控制器发起的调节任务，则自己调节对应水泵的转速并发起调节任务，执行下述步骤C1至C3；如果在发起前收到了相邻控制器发起的调节任务，则配合相邻控制器发起的调节任务进行运算，执行下述步骤D1至D4；

C1.所述控制器根据对应水泵的根据压差测量值和压差设定值的差值、参考当前实际工作点，以最高效率点为调节预期，计算得到新的水泵转速和压差调节余量；

C2.所述控制器控制对应水泵变速至所述新的水泵转速；

C3.所述控制器将效率调节预期和压差调节余量写入调节任务的信号，广播发送给所有相邻控制器；

D1.所述控制器接受到来自相邻控制器的调节任务后，比较接收到的效率调节预期和对应水泵的当前的效率调节预期，参考收到的压差调节余量，运算出新的效率调节预期；

D2.根据新的效率调节预期、水泵性能参数及接收到的压差调节余量，计算得到新的水泵转速和新的压差调节余量；

D3.将新的压差调节余量与预设调节余量阈值进行比较，前者高于后者表明仍未达到调节目标，将新的效率调节预期和新的压差调节余量写入调节任务信号广播发送给相邻控制器；前者低于后者表明能够达到调节目标，不再发送调节任务信号；

D4.所有接收到所述调解任务的控制器，在接收到调节任务信号的瞬间开始计时，在预设收敛周期内如果后续没有收到其它相邻控制器的调节任务信号，则认为计算已收敛，此时所述控制器控制所述水泵变速至所述新的水泵转速；在一个计时周期内如果后续收到了其他相邻控制器的调节任务信号，执行步骤D1至D3，重新计时。

3.根据权利要求1所述的基于无中心网络的水泵系统控制方法，其特征在于，所述无中心网络的实现形式为有线网络和无线网络中二者之一或者二者的组合。

4.根据权利要求1所述的基于无中心网络的水泵系统控制方法，其特征在于，多个所述控制器中的控制算法相同。

5.根据权利要求1所述的基于无中心网络的水泵系统控制方法，其特征在于，所述控制器通过控制与所述水泵相连的变频器以实现所述对应水泵变速。

6.根据权利要求1所述的基于无中心网络的水泵系统控制方法，其特征在于，所述控制器通过设在所述水泵进口和出口之间的压差传感器以实现实时监测所述对应水泵的压差测量值。

7.根据权利要求1所述的基于无中心网络的水泵系统控制方法，其特征在于，由水泵生产商将所述水泵性能参数输入到对应的所述控制器中。