CN106354168A - 一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及泵站自动化控制领域，特别是一种相同泵串联给水泵站反馈控制系统，整个系统包含不同功能的可编程逻辑控制器控制部分：蓄水池液位反馈控制部分控制泵站出口阀门开度；泵‑阀转矩反馈控制部分控制泵的电机转动转矩；泵‑泵转速控制部分保持串联泵组的泵转速一致；安全控制阀开度反馈控制部分控制蓄水池瞬间过大出水量。本发明建立了独立而且功能完善的自动化控制系统，实现了集检测与控制于一体的功能，可以提高给水泵站管理水平和运行效率。

Description

一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统
技术领域
本发明专利涉及自动控制领域，特别是一种相同泵串联给水泵站反馈控制系统。
背景技术
泵站工程是运用泵机组及过流设施传递和转换能量、实现水体输送以兴利避害的水利工程。随着工农业生产发展和科学技术的进步，我国泵站工程得到了很大的发展。我国泵站建设的明显特点是，速度快、类型多、规模大、范围广。泵站是解决洪涝灾难、干旱缺水、水环境恶化当今三大水资源问题的有效工程措施之一。它们承担着区域性的防洪、除涝、浇灌、调水和供水的重任，主要用于农田灌溉、城市给排水以及跨流域调水等。泵站与其它水利建筑物不同，它无需修建挡水和引水建筑物，对资源和环境无影响，受水源、地形、地质等条件的影响较小，且具有投资省、成本低工期短、见效快、灵活机动等优点。
城市给水泵站是大多数城市生活用水的来源，但国内有一些泵站不管是从控制，还是从管理的角度来看都比较落后和简单，泵站内设备靠人工操作且需有人职守，比如由人工测报水位和流量、人工开停机等，有的也只是采用了常规的继电器控制等简单方法，这样既浪费人力资源，同时工作和管理效率不高。另外，泵站设备之间缺少信息上的有机联系，泵站控制和管理没有形成区域化网络，调度管理缺乏可靠的自动化手段。
经检索，与本发明相关的专利有：泵站电气自动化监测与控制系统(公开号：CN202117902U),涉及一种由监测中心、通信平台、前端设备、前端控制设备和前端测量设备组成的监控系统，利用了监测系统软件,报警显示增加了安全性能，实现了实时监测与控制的功能，但是其缺乏自动监测调控泵站在不同工况下工作的功能；液压泵站自动控制系统(CN101436076)，结构包括可编程控制器PLC、变频器与压力传感器,变频器和压力传感器分别与可编程控制器PLC电连接，通过可编程控制器PLC程序实现各种控制，可以自动精确控制液压泵站液压油的工作压力,人机交流方便了设定工作压力,操作简便,控制精确达到3％以内，但是其实用性比较局限，缺乏在不同工作条件下的实时监控功能。
发明内容
为了实现给水泵站的自动化运行控制，本发明专利提供一种泵站自动化监控系统，其目的在于使泵站建立独立而且功能完善的自动化控制系统，实现集检测与控制于一体的功能，提高泵站管理水平和运行效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
所述的一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统，包括蓄水池Ⅰ、安全控制阀、若干给水工作泵、调节阀Ⅰ、调节阀Ⅱ和蓄水池Ⅱ；
所述蓄水池Ⅰ和蓄水池Ⅱ之间设有安全控制阀及并联的支路一和支路二，支路一由若干给水工作泵串联，且串联末端连接有调节阀Ⅰ；支路二由若干给水工作泵串联，且串联末端连接有调节阀Ⅱ；
蓄水池Ⅰ的出口处设有蓄水池液位反馈控制部分，所述蓄水池液位反馈控制部分与调节阀Ⅰ、调节阀Ⅱ电性连接；所述蓄水池液位反馈控制部分用于检测蓄水池出口附近液位水压，经内设逻辑程序反馈信号控制调节阀Ⅰ、调节阀Ⅱ的阀门开度变化；
蓄水池Ⅰ的出口处还设有安全控制阀开度反馈控制部分，所述安全控制阀开度反馈控制部分与安全控制阀电性连接；所述安全控制阀开度反馈控制部分用于检测蓄水池出口附近液位水压，经内设逻辑程序反馈信号控制安全控制阀开度变化；
在支路一上的给水工作泵Ⅰ上设有泵-泵转速控制部分Ⅰ，所述泵-泵转速控制部分Ⅰ与支路一上的其他所有串联的给水工作泵均电性连接；所述泵-泵转速控制部分Ⅰ用于检测支路一上给水工作泵Ⅰ的转速，并将信号反馈至支路一上其他所有串联给水工作泵，控制支路一上串联工作泵的转速变化；
在支路二上的给水工作泵Ⅲ上设有泵-泵转速控制部分Ⅱ，所述泵-泵转速控制部分Ⅱ与支路二上的其他所有串联的给水工作泵均电性连接；所述泵-泵转速控制部分Ⅱ用于检测支路二上给水工作泵Ⅲ的转速，并将信号反馈至支路二上其他所有串联给水工作泵，控制支路二上串联工作泵的转速变化；
在支路一上的调节阀Ⅰ上设有泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ，所述泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ与支路一上给水工作泵Ⅰ电性连接；所述泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ用于检测调节阀Ⅰ出口管道处流量变化，经内设逻辑程序反馈信号控制支路一上给水工作泵Ⅰ的电机转矩进行相应变化；
在支路二上的调节阀Ⅱ上设有泵-阀转矩反馈控制部分Ⅱ，所述泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ与支路二上给水工作泵Ⅲ电性连接；所述泵-阀转矩反馈控制部分Ⅱ用于检测调节阀Ⅱ出口管道处流量变化，经内设逻辑程序反馈信号控制支路二上给水工作泵Ⅲ的电机转矩进行相应变化。
所述的一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统，其中包含的蓄水池液位反馈控制部分控制泵站出口阀门开度，蓄水池蓄水量随着上游给流量和泵站排出量之间的关系改变，所述的蓄水池液位反馈控制部分是根据蓄水池液位变化时，在蓄水池出水口附近流道处的压力变化来改变泵站出口控制阀门的开度，当蓄水池液位升高时，出水口流道压力增大，则控制部分增大泵站出口控制阀门开度，增加排出量；当蓄水池液位降低时，出水口流道压力减小，则控制部分减小泵站出口控制阀门开度，减少排出量，其逻辑控制器内设控制方程为：
式中，k1-泵站出口控制阀开度；
p-蓄水池液位压力，单位千帕。
所述的一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统，其中包含的泵-阀转矩反馈控制部分控制泵的电机转动转矩，所述的泵-阀转矩反馈控制部分是通过检测流过泵站出口控制阀门的流量变化改变泵组中泵电机的转动转矩，从而改变泵转速，其逻辑控制器内设控制方程为：
M(q)＝0.01773q5-0.24763q4+1.1979q3-2.5356q2+2.4666q
式中，M-工作泵电机的转动转矩，单位牛乘以米；
q-出口调节阀的流量，单位立方米每秒。
所述的一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统，其中包含的泵-泵转速控制部分保持串联泵组之间的泵转速一致，所述的泵-泵转速控制部分根据所述的泵-阀转矩反馈控制部分改变的转速，来调控串联路线上的其他所有泵的转速，使串联泵组中的所有泵在相同转速条件下运行。
所述的一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统，其中包含的安全控制阀开度反馈控制部分可以缓冲蓄水池过大的出水量，所述的安全控制阀开度反馈控制部分是根据蓄水池液位高度，也即检测其出水口的液位压力来控制安全阀开度，当液位高度过高，出水量过大，减小安全阀门开度，减小蓄水池出水口流量，其逻辑控制器内设控制方程为：
k2(p)＝116.28p4-131.94p3+34.972p2-1.9064p+0.316
式中，k2-安全控制阀开度；
p-蓄水池液位压力，单位兆帕。
本发明专利优点在于：
(1)提高了供水泵站的管理水平和运行可靠性、经济性、科学性；
(2)采用以反馈控制为核心的自动控制系统来实行自动化运行，进行统一调度监控管理，不仅能及时、准确、可靠地掌握有关信息，科学、及时、准确地调度泵站设施，同时可以使泵站在不同工况下的工作都高效率进行，协调正常工作。
附图说明
图1是一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统结构示意图。
图2是蓄水池液位反馈控制方程示意程序框图。
图3是泵-阀转矩反馈控制方程表示图。
图4是安全控制阀开度反馈控制方程表示图。
附图标记说明：1-蓄水池Ⅰ，2-安全控制阀，3-给水工作泵Ⅰ、4-给水工作泵Ⅱ、5-给水工作泵Ⅲ、6-给水工作泵Ⅳ，7-调节阀Ⅰ，8-调节阀Ⅱ，9-下一级泵站蓄水池Ⅱ，10-蓄水池液位反馈控制部分，11-安全控制阀开度反馈控制部分，12-泵-泵转速控制部分Ⅰ，13-泵-泵转速控制部分Ⅱ，14-泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ，15-泵-阀转矩反馈控制部分Ⅱ。
具体实施方式
下面根据附图具体说明本发明：
如附图1所示的一种相同的泵串联给水泵站反馈系统中，包含蓄水池Ⅰ1，安全控制阀2，给水工作泵Ⅰ3、给水工作泵Ⅱ4、给水工作泵Ⅲ5、给水工作泵Ⅳ6，出口的调节阀Ⅰ7、调节阀Ⅱ8，下一级泵站蓄水池Ⅱ9，蓄水池液位反馈控制部分10检测蓄水池Ⅰ1出口附近液位水压，反馈信号至出口的调节阀Ⅰ7、调节阀Ⅱ8，安全控制阀开度反馈控制部分11检测蓄水池出口附近液位水压，反馈信号至安全控制阀2，泵-泵转速控制部分Ⅰ12、泵-泵转速控制部分Ⅱ13，分别检测给水工作泵Ⅰ3和给水工作泵Ⅲ5的转速，分别反馈信号至支路一上包括给水工作泵Ⅱ4在内的所有串联给水工作泵和支路二上包括给水工作泵Ⅳ6在内的所有串联给水工作泵，泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ14、泵-阀转矩反馈控制部分Ⅱ15分别检测出口的调节阀Ⅰ7、调节阀Ⅱ8的流量，分别反馈信号至串联路线上的给水工作泵Ⅰ3和给水工作泵Ⅲ5；
整个反馈系统工作状态为：上游给水集中在蓄水池Ⅰ1内，当蓄水池液位因上游给水大于泵站排水而持续升高时，蓄水池液位反馈控制部分10检测到蓄水池出口附近液位水压变化时而开始工作，通过控制器增大泵站出口的调节阀Ⅰ7、调节阀Ⅱ8的开度从而增大流量，由于出口的调节阀Ⅰ7、调节阀Ⅱ8的开度增大，允许通过的流量增加，泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ14、泵-阀转矩反馈控制部分Ⅱ15开始工作，当检测到通过出口的调节阀Ⅰ7、调节阀Ⅱ8的流量变化时，经过内设控制器逻辑编程控制方程运算后，分别反馈信号控制给水工作泵Ⅰ3和给水工作泵Ⅲ5的电机转矩，当电机转矩增加时，给水工作泵的转速相应提高，从而通过给水工作泵Ⅰ3和给水工作泵Ⅲ5的流量增加，同时，泵-泵转速控制部分Ⅰ12、泵-泵转速控制部分Ⅱ13分别监测到给水工作泵Ⅰ3和给水工作泵Ⅲ5的转速变化，分别控制支路一上包括给水工作泵Ⅱ4在内的所有串联给水工作泵和支路二上包括给水工作泵Ⅳ6在内的所有串联给水工作泵的转速相应改变，使各支路上串联工作泵的转速保持一致，整个串联泵组平稳运行。另外，蓄水池Ⅰ1和整个工作泵组之间设有安全控制阀2，安全控制阀开度反馈控制部分11检测蓄水池Ⅰ1内出口水位压力，检测到过大的出水量时的形成的异常水压现象时，调节安全控制阀2的开度从而控制流量，形成缓冲作用保护泵组不受到强烈水流冲击。
蓄水池蓄水量随着上游给流量和泵站排出量之间的关系改变，在一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统中，所述的蓄水池液位反馈控制部分是根据蓄水池液位变化，在蓄水池出水口处液位压力变化来改变泵站出口控制阀的开度，当蓄水池液位升高时，出水口处液位压力增大，则所述的蓄水池液位反馈控制部分增大泵站出口的调节阀开度，增加给水量；当蓄水池液位降低时，出水口处液位压力减小，则所述的蓄水池液位反馈控制部分减小泵站出口的调节阀开度，减少给水量。
如附图2所示为可编程逻辑控制器内设的蓄水池液位反馈控制方程示意程序框图，其具体控制方程为：
式中，k1-泵站出口的调节阀开度；
p-蓄水池液位压力，单位千帕。
在一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统中，所述的泵-阀转矩反馈控制部分是通过检测流过泵站出口的调节阀的流量变化改变泵组中给水工作泵电机转矩，从而改变泵转速。
如附图3所示为可编程逻辑控制器内设的泵-阀转矩反馈控制方程表示图，其具体控制方程为：
M(q)＝0.01773q5-0.24763q4+1.1979q3-2.5356q2+2.4666q
式中，M-工作泵电机的转动转矩，单位牛乘以米；
q-出口的调节阀的流量，单位立方米每秒。
在一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统中，所述的串联的给水工作泵之间的泵-泵转速控制部分是根据所述的泵-阀转矩反馈控制部分改变后的给水工作泵的转速，反馈信号至串联路线上的其他给水工作泵来控制其转速变化，使所有串联泵组中的给水工作泵在相同转速条件下运转。
在一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统中，所述的安全控制阀开度反馈控制部分是根据蓄水池液位高度，也即检测其出水口的液位压力来控制安全控制阀开度，当液位高度过高，出水量过大，减小安全控制阀开度，减小出水量。
如附图4所示为可编程逻辑控制器内设的安全控制阀开度反馈控制方程表示图，其具体控制方程为：
k2(p)＝116.28p4-131.94p3+34.972p2-1.9064p+0.316
式中，k2-安全控制阀开度；
p-蓄水池液位压力，单位兆帕。
可以理解的是，图中所示的系统结构并不构成对系统的限定，可以包括比图示更多或更少的设备，或者组合某些设备，或者不同的设备部署。
本发明不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内其它实施例和变形例。

Claims (5)

1.一种相同泵串联给水泵站反馈控制系统，其特征在于，包括蓄水池Ⅰ(1)、安全控制阀(2)、若干给水工作泵、调节阀Ⅰ(7)、调节阀Ⅱ(8)和蓄水池Ⅱ(9)；
所述蓄水池Ⅰ(1)和蓄水池Ⅱ(9)之间设有安全控制阀(2)及并联的支路一和支路二，支路一由若干给水工作泵串联，且串联末端连接有调节阀Ⅰ(7)；支路二由若干给水工作泵串联，且串联末端连接有调节阀Ⅱ(8)；
蓄水池Ⅰ(1)的出口处设有蓄水池液位反馈控制部分(10)，所述蓄水池液位反馈控制部分(10)与调节阀Ⅰ(7)、调节阀Ⅱ(8)电性连接；所述蓄水池液位反馈控制部分(10)用于检测蓄水池(1)出口附近液位水压，经内设逻辑程序反馈信号控制调节阀Ⅰ(8)、调节阀Ⅱ(9)的阀门开度变化；
蓄水池Ⅰ(1)的出口处还设有安全控制阀开度反馈控制部分(11)，所述安全控制阀开度反馈控制部分(11)与安全控制阀(2)电性连接；所述安全控制阀开度反馈控制部分(11)用于检测蓄水池(1)出口附近液位水压，经内设逻辑程序反馈信号控制安全控制阀(2)开度变化；
在支路一上的给水工作泵Ⅰ(3)上设有泵-泵转速控制部分Ⅰ(12)，所述泵-泵转速控制部分Ⅰ(12)与支路一上的其他所有串联的给水工作泵均电性连接；所述泵-泵转速控制部分Ⅰ(12)用于检测支路一上给水工作泵Ⅰ(3)的转速，并将信号反馈至支路一上其他所有串联给水工作泵，控制支路一上串联工作泵的转速变化；
在支路二上的给水工作泵Ⅲ(5)上设有泵-泵转速控制部分Ⅱ(13)，所述泵-泵转速控制部分Ⅱ(13)与支路二上的其他所有串联的给水工作泵均电性连接；所述泵-泵转速控制部分Ⅱ(13)用于检测支路二上给水工作泵Ⅲ(5)的转速，并将信号反馈至支路二上其他所有串联给水工作泵，控制支路二上串联工作泵的转速变化；
在支路一上的调节阀Ⅰ(7)上设有泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ(14)，所述泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ(14)与支路一上给水工作泵Ⅰ(3)电性连接；所述泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ(14)用于检测调节阀Ⅰ(7)出口管道处流量变化，经内设逻辑程序反馈信号控制支路一上给水工作泵Ⅰ(3)的电机转矩进行相应变化；
在支路二上的调节阀Ⅱ(8)上设有泵-阀转矩反馈控制部分Ⅱ(15)，所述泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ(15)与支路二上给水工作泵Ⅲ(5)电性连接；所述泵-阀转矩反馈控制部分Ⅱ(15)用于检测调节阀Ⅱ(8)出口管道处流量变化，经内设逻辑程序反馈信号控制支路二上给水工作泵Ⅲ(5)的电机转矩进行相应变化。
2.根据权利要求1所述的一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统，其特征在于：所述蓄水池液位反馈控制部分(10)控制泵站出口调节阀开度，其逻辑控制器内设控制方程为：
式中，k1-泵站出口调节阀开度；
p-蓄水池液位压力，单位千帕。
3.根据权利要求1所述的一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统，其特征在于：所述泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ、Ⅱ(14、15)控制工作泵的电机转动转矩，其逻辑控制器内设控制方程为：
M(q)＝0.01773q5-0.24763q4+1.1979q3-2.5356q2+2.4666q
式中，M-工作泵电机的转动转矩，单位牛乘以米；
q-出口调节阀的流量，单位立方米每秒。
4.根据权利要求1所述的一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统，其特征在于：所述的泵-泵转速控制部分Ⅰ、Ⅱ(12、13)保持串联泵组之间的泵转速一致，所述的泵-泵转速控制部分Ⅰ、Ⅱ(12、13)根据所述的泵-阀转矩反馈控制部分Ⅰ、Ⅱ(14、15)改变的转速，来调控串联路线上的其他所有工作泵的转速，使串联泵组中的所有工作泵在相同转速条件下运行。
5.根据权利要求1所述的一种相同泵串联的给水泵站反馈控制系统，其特征在于：所述安全控制阀开度反馈控制部分(11)缓冲蓄水池过大的出水量，其逻辑控制器内设控制方程为：
k2(p)＝116.28p4-131.94p3+34.972p2-1.9064p+0.316
式中，k2-安全控制阀开度；
p-蓄水池液位压力，单位兆帕。
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