CN106894977B - 多变频控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

多变频控制系统及控制方法，涉及一种水泵控制系统。目前中、大容量恒压供水系统频率波动大，易引起水管压力不稳，产生水锤效应。本发明包括一体式变频电机、水泵专用控制器、与水泵专用控制相连的通讯装置、采样模块及显示模块；水泵专用控制器配置一路CAN总线通讯及多路485通讯，水泵专用控制器通过连接手机、电脑、平板、触摸屏中的一种或多种实现人机交互；水泵专用控制器通过采样模块连接传感器获取压力、流量和温度以反馈当前系统状态，水泵专用控制器根据压力值、流量值和温度值运算处理后与设定的信号进行比较运算后控制一体式变频电机工作实现恒压供水控制。本技术方案通过多台的一体式变频电机配合工作，减少扰动，避免产生水锤效应。

Description

多变频控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种水泵控制系统及控制方法 ，尤其指多变频控制系统。

背景技术

在水资源和电能逐渐紧缺的时代，节水节能已成为建设可持续发展社会的重要主题。变频调速恒压供水控制系统，以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压闭环调节，使供水系统自动恒定于设定的压力值。根据用水量的大小，由控制系统控制水泵的数量以及控制变频器对水泵的调速，来实现恒压供水。变频调速恒压供水系统具有电机起动和制动平稳、无水锤效应、噪声低等特点。同时提高了供水系统的稳定性和可靠性。

目前在国内外变频调速恒压供水系统，在变频与工频的切换技术上，大多采用主电路串接软启动器的降压启动方法。对于中、大容量恒压供水系统中存在的水压闭环控制问题和变频电源与工频电源无扰动平稳的切换问题没有得到根本解决。而且频率波动大，易引起水管压力不稳，产生水锤效应。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，并且降低供水控制系统的成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供多变频控制系统，以达到水管压力稳定的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

本发明包括一体式变频电机、水泵专用控制器、与水泵专用控制器相连的通讯装置、采样模块及显示模块；水泵专用控制器配置一路CAN总线通讯及多路485通讯，水泵专用控制器通过连接手机、电脑、平板、触摸屏中的一种或多种实现人机交互；水泵专用控制器通过采样模块连接传感器获取压力、流量和温度以反馈当前系统状态，水泵专用控制器根据运算处理后的压力值与设定的信号进行比较运算后控制一体式变频电机工作实现恒压供水控制；水泵专用控制器根据运算处理后的流量值与设定的信号进行比较运算后控制一体式变频电机工作实现恒流供水控制；水泵专用控制器根据运算处理后的温度值与设定的信号进行比较运算后控制一体式变频电机工作实现恒温供水控制，所述的一体式变频电机包括电机、与电机一体设置的变频器；多变频控制系统包含多台一体式变频电机和至少一个水泵专用控制器；一个水泵专用控制器与多台一体式变频电机通讯相连，或多个水泵专用控制器与多台一体式变频电机通讯相连。本技术方案通过多台的一体式变频电机配合工作，减少扰动，避免产生水锤效应。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

进一步的，多个水泵专用控制器之间采用Canopen协议中的Flying Master方法来确定当前主控，其他主控则处于备用状态．当备用主控单元发现当前主控出故障后，备用主控会重新启动Flying Master方法来确定新的主控单元，水泵专用控制器通过RS485通讯控制一体式变频电机。

进一步的，所述的传感器包括用于反馈实时压力的压力传感器、反馈实时流量的流量传感器、反馈实时温度的温度传感器，水泵专用控制器根据压力传感器采集的信息实现对流体的恒压控制；水泵专用控制器根据流量传感器采集的信息实现对流体的恒流控制；水泵专用控制器根据温度传感器采集的信息实现对流体的恒温控制。

进一步的，所述的采样模块由CAN总线供电，CAN总线由水泵专用控制器供电，当有多个水泵专用控制器时总线电源并联，其中一个水泵专用控制器故障，不影响采样模块工作；多个水泵专用控制器电源在接入到总线电源前端配有一个二极管以防止电线电流倒灌。

进一步的，水泵专用控制器间采用 CAN通讯,当主控单元断电后，该节点处于浮空状态，避免对总线上的其他通讯设备造成影响；总线自动进行地址设定，根据泵组系统总线串联方式，采用地址自增方式实现。

进一步的，采样模块采集各类输入数据及输出控制信号，采样模块收到传感器反馈的信息后，将这些数据主动发送到Can总线上，所有水泵专用控制器可以同时接收到这些数据以实现数据共享。

进一步的，水泵专用控制器通过485通讯接口与一体式变频电机通讯；所述的水泵专用控制器设有远程监控模块，通讯模块包括GPRS模块、蓝牙模块和/或wi-fi模块；远程监控模块通过GPRS和/或wi-fi方式实现远程监控模块的升级及故障软修复。

手机、平板、电脑通过蓝牙与系统实现通讯，实现近距离无线监控。

本发明的另一目的为提出一种多变频控制方法，其包括以步骤：

1）通过安装在出水总管上的压力传感器和流量传感器实时将压力和流量非电量信号转换为4~20mA或0~10V弱电信号，输入到采样模块，采样模块挂在CAN总线上，为一个或多个水泵专用控制器实时反馈当前系统的实时状态，采样模块将信息输入到水泵专用控制器；

2)信号经水泵专用控制器运算处理后与设定的信号进行比较运算出最佳的运行工况参数及水泵运行台数，由水泵专用控制器的输出逻辑控制指令给一体式变频电机控制泵的输出转速；当水泵专用控制器检测到存在更高容量的需求时，水泵专用控制器将通过MODBUS控制提高一体式变频电机转速，当达到最高转速时仍无法满足这一需求时，保持当前一体式变频电机转速并起动下一台一体式变频电机，当启动泵后，水泵专用控制器将通过MODBUS控制下新投入的一体式变频电机将从最小频率开始继续进行调节，如此循环直至达到系统供水要求;当水泵专用控制器检测到容量过剩时，则降低运行时间最长的一体式变频电机转速，当达到最低转速时仍无法满足这一需求时，停止当前一体式变频电机运行并开始降低下一台运行时间最长的一体式变频电机转速，如此循环直至达到系统供水要求。当停止所有一体式变频电机时，系统将进入睡眠模式，以保持供水系统的压力或流量同时保护供水系统安全，达到节能效果。

进一步的，水泵专用控制器进行监视和控制时的参数包括第一参数组、第二参数组、第三参数组，所述的第一参数组用于监视系统的运行状态；第二参数组用于查询系统的出厂信息；第三参数组用于控制系统的运行参数；

其中第一参数组的状态参数包括：历史故障信息、电机输出电流、电机是否在线、电机在不同速度下的最大输出功率、工作时间、PIM模块温度、模拟或数字控制方式、电机旋转方向、电机最大转速、电机运行速度；第二参数组的出厂信息包括：电机出厂日期、电机序列号、控制器版本；第三参数组的控制运行参数包括：模拟或数字控制方式、电机旋转方向、电机最大转速、电机运行速度、PID参数调节、加减速；水泵专用控制器对每一参数组的单个参数或多个参数进行监视和控制。有益效果：本技术方案通过多台的一体式变频电机配合工作，减少扰动，避免产生水锤效应。且本技术方案采用中全频恒压控制频率波动，压力、流量、温度控制恒定；采用一体式变频电机，整机组装调试方便、产品体积大大减少；整机防水防尘，防护等级达到IP55以上；人机交互简单方便; 降低成本;产品可靠性高。

附图说明

图1 是本发的系统图。

图2是本发明的总线图。

图3是本发明压力或流量与泵数量和泵转速关系图。

图4 是本发明控制流程示例图

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1、2所示，本发明由一体式变频电机、水泵专用控制器、GPRS模块、蓝牙模块、采样模块、显示模块组成，水泵专用控制器配置3路485通讯一路GAN总线通讯。系统通过压力、流量、温度等传感器反馈实时的压力、流量、温度实现对流体的恒压、恒流、恒温控制。其中一体式变频电机是由电机加变频器组成的一体式变频调速动力装置。

水泵专用控制器是多变频控制系统的控制中心，而且该系统允许多个控制中心的存在．水泵专用控制器之间采用Canopen协议中的Flying Master方法来确定当前主控，其他主控则处于备用状态．当备用主控单元发现当前主控出故障后，备用主控会重新启动Flying Master方法来确定新的主控单元．水泵专用控制器通过RS485通讯控制一体式变频电机。系统中有多个水泵专用控制器时各水泵专用控制器可自动切换主从关系。多个水泵专用控制器构成泵组控制器。

为减少断电对采样模块的影响，采样模块由CAN总线供电。CAN总线由水泵专用控制器供电，当有多个水泵专用控制器时总线源电源并联，当其中一个水泵专用控制器故障时，也不会是影响采样模块工作，提高工作的稳定性。多个水泵专用控制器电源在接入到总线电源前端配有一个二极管，以防止电线电流倒灌。

为避免主控单元断电后对其他设备的影响，水泵专用控制器间采用 CAN通讯,当主控单元断电后，本节点会处于浮空状态，不会对总线上的其他通讯设备造成影响．总线自动进行地址设定，根据泵组系统总线串联方式，采用地址自增方式实现。

为了实现工作的稳定的性，多变频控制系统至少包含一台及以上的一体式变频电机和一个或多个水泵专用控制器。

为实现工作的可靠性，水泵专用控制器通过485与一体式变频电机实现通讯。

为方便系统的更新，系统可通过GPRS、wi-fi方式实现远程监控和软件升级及故障软修复。

水泵专用控制器与一体式变频电机通讯协议为MODBUS协议。

为方便控制，系统可通过终端进行控制，终端可以是手机、电脑、平板、触摸显示屏等；手机通过蓝牙与系统实现通讯，实现近距离无线监控。

为减少成本，并提高工作的可靠性。通过采样模块实现各个水泵专用控制器的外部采集数据的共享，

本发明是一种典型的自动恒压供水系统，通过水泵专用控制器对1台或多台泵进行控制，通过一体式变频电机驱动水泵运行。 控制量为流量、压力等。水泵专用控制器通过MODBUS输出信号给一体式变频电机驱动水泵。水泵专用控制器根据供水需求控制一体式变频电机的转速及运行数量。

本系统由水泵专用控制器控制运行，通过安装在出水总管上的压力传感器和流量传感器实时将压力和流量非电量信号转换为4~20mA或0~10V弱电信号，输入到系统控制单元数据采样模块，信号经水泵专用控制器运算处理后与设定的信号进行比较运算出最佳的运行工况参数及水泵运行台数，由水泵专用控制器的输出逻辑控制指令给一体式变频电机控制泵的输出转速。

控制系统由水泵专用控制器通过一体式变频电机控制水泵的转速以调节水压或流量，根据压力、流量的不同，水泵专用控制器调节一体式变频电机的转速不同。水泵专用控制器检测到存在更高容量的需求时，水泵专用控制器将通过MODBUS控制提高一体式变频电机转速，当达到95%转速时仍无法满足这一需求而且与目标值相差较多时，保持当前一体式变频电机转速并起动下一台一体式或两台变频电机，当启动泵后，水泵专用控制器将通过MODBUS控制下新投入的一体式变频电机将从最小频率开始继续进行调节，如此循环直至达到系统供水要求;当水泵专用控制器检测到容量过剩时，则降低运行时间最长的一体式变频电机转速，当达到最低转速时仍无法满足这一需求时，停止当前一体式变频电机运行并开始降低下一台运行时间最长的一体式变频电机转速，如此循环直至达到系统供水要求。当停止所有一体式变频电机时，系统将进入睡眠模式，以保持供水系统的压力或流量同时保护供水系统安全，达到节能效果。

水泵专用控制器进行监视和控制时的参数包括第一参数组、第二参数组、第三参数组，所述的第一参数组用于监视系统的运行状态；第二参数组用于查询系统的出厂信息；第三参数组用于控制系统的运行参数。

其中第一参数组的状态参数包括：历史故障信息、电机输出电流、电机是否在线、电机在不同速度下的最大输出功率、工作时间、PIM模块温度、模拟或数字控制方式、电机旋转方向、电机最大转速、电机运行速度；第二参数组的出厂信息包括：电机出厂日期、电机序列号、控制器版本；第三参数组的控制运行参数包括：模拟或数字控制方式、电机旋转方向、电机最大转速、电机运行速度、PID参数调节、加减速；水泵专用控制器对每一参数组的单个参数或多个参数进行监视和控制。

如图3所示，在水泵专用控制器中可预先存储泵的数量及转速和压力或流量关系，方便比对，以提升计算判断的速度。

以下以一具体示例进一步解释说明控制流程，如图4所示，其具体调节步骤如下：

1、初始阶段，2台泵90%运行速度；

2、流量减少，2台泵同时减速；

3、控制点稳定后启动流量检测功能：计算二台泵低频运行与一台泵高速运行哪种能耗低，二台泵低，维持水泵转速；

4、流量减少，2台泵同时减速；

5、控制点稳定后启动流量检测功能：重新计算能耗，一台泵低；系统让一台泵提速，另一台泵降速；

6、控制点值下降 ；需要两台泵；返回先前状态估计模块；

7、流量减少；2台泵同时减速；

8、在次启动流量检测控制；一台泵提速，另一泵降速；

9、控制点稳定；1台泵可以满足要求；另一台泵软停车；

10、流量增加；＃1泵提速；

11、控制点值下降，一台水泵转速达到100%；1台泵不能满足要求；＃2泵软启动。

以上图1-4所示的多变频控制系统及控制方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (9)

1.多变频控制系统，其特征在于：包括一体式变频电机、水泵专用控制器、与水泵专用控制器相连的通讯装置、采样模块及显示模块；水泵专用控制器配置一路CAN总线通讯及多路RS485通讯，水泵专用控制器通过连接手机、电脑、触摸屏中的一种或多种实现人机交互；水泵专用控制器通过采样模块连接传感器获取压力、流量和温度以反馈当前系统状态，水泵专用控制器根据运算处理后的压力值与设定的信号进行比较运算后控制一体式变频电机工作实现恒压供水控制；水泵专用控制器根据运算处理后的流量值与设定的信号进行比较运算后控制一体式变频电机工作实现恒流供水控制；水泵专用控制器根据运算处理后的温度值与设定的信号进行比较运算后控制一体式变频电机工作实现恒温供水控制，所述的一体式变频电机包括电机、与电机一体设置的变频器；多变频控制系统包含多台一体式变频电机和至少一个水泵专用控制器；一个水泵专用控制器与多台一体式变频电机通讯相连，或多个水泵专用控制器与多台一体式变频电机通讯相连；当有多个水泵专用控制器时，水泵专用控制器间采用 CAN通讯,当主控单元断电后，该主控单元所在节点处于浮空状态，避免对总线上的其他通讯设备造成影响；

多个水泵专用控制器之间采用Canopen协议中的Flying Master方法来确定当前主控，其他主控则处于备用状态；当备用主控单元发现当前主控出故障后，备用主控会重新启动Flying Master方法来确定新的主控单元，水泵专用控制器通过RS485通讯控制一体式变频电机。

2.根据权利要求1所述的多变频控制系统，其特征在于：所述的传感器包括用于反馈实时压力的压力传感器、反馈实时流量的流量传感器、反馈实时温度的温度传感器，水泵专用控制器根据压力传感器采集的信息实现对流体的恒压控制；水泵专用控制器根据流量传感器采集的信息实现对流体的恒流控制；水泵专用控制器根据温度传感器采集的信息实现对流体的恒温控制。

3.根据权利要求1所述的多变频控制系统，其特征在于：所述的采样模块由CAN总线供电，CAN总线由水泵专用控制器供电，当有多个水泵专用控制器时总线电源并联，其中一个水泵专用控制器故障，不影响采样模块工作；多个水泵专用控制器电源在接入到总线电源前端配有一个二极管以防止电线电流倒灌。

4.根据权利要求3所述的多变频控制系统，其特征在于：总线自动进行地址设定，根据多变频控制系统总线串联方式，采用地址自增方式实现。

5.根据权利要求3所述的多变频控制系统，其特征在于：采样模块采集各类输入数据及输出控制信号，采样模块收到传感器反馈的信息后，将这些数据主动发送到Can总线上，所有水泵专用控制器可以同时接收到这些数据以实现数据共享。

6.根据权利要求1所述的多变频控制系统，其特征在于：水泵专用控制器通过RS485通讯接口与一体式变频电机通讯；所述的水泵专用控制器设有远程监控模块，通讯模块包括GPRS模块、蓝牙模块和/或wi-fi模块；远程监控模块通过GPRS和/或wi-fi方式实现远程监控模块的升级及故障软修复。

7.根据权利要求6所述的多变频控制系统，其特征在于：手机、电脑通过蓝牙与系统实现通讯，实现近距离无线监控。

8.采用权利要求1-7任一权利要求所述的多变频控制系统的多变频控制方法，其特征在于包括以步骤：

1）通过安装在出水总管上的压力传感器和流量传感器实时将压力和流量非电量信号转换为4~20mA或0~10V弱电信号，输入到采样模块，采样模块挂在CAN总线上，为一个或多个水泵专用控制器实时反馈当前系统的实时状态，采样模块将信息输入到水泵专用控制器；

2)信号经水泵专用控制器运算处理后与设定的信号进行比较运算出最佳的运行工况参数及水泵运行台数，由水泵专用控制器的输出逻辑控制指令给一体式变频电机控制泵的输出转速；当水泵专用控制器检测到存在更高容量的需求时，水泵专用控制器将通过MODBUS控制提高一体式变频电机转速，当达到最高转速时仍无法满足这一需求时，保持当前一体式变频电机转速并起动下一台一体式变频电机，当启动泵后，水泵专用控制器将通过MODBUS控制下新投入的一体式变频电机从最小频率开始继续进行调节，如此循环直至达到系统供水要求;当水泵专用控制器检测到容量过剩时，则降低运行时间最长的一体式变频电机转速，当达到最低转速时仍无法满足这一需求时，停止当前一体式变频电机运行并开始降低下一台运行时间最长的一体式变频电机转速，如此循环直至达到系统供水要求；当停止所有一体式变频电机时，系统将进入睡眠模式，以保持供水系统的压力或流量同时保护供水系统安全，达到节能效果。

9.根据权利要求8所述的多变频控制方法，其特征在于：水泵专用控制器进行监视和控制时的参数包括第一参数组、第二参数组、第三参数组，所述的第一参数组用于监视系统的运行状态；第二参数组用于查询系统的出厂信息；第三参数组用于控制系统的运行参数；

其中第一参数组的状态参数包括：历史故障信息、电机输出电流、电机是否在线、电机在不同速度下的最大输出功率、工作时间、PIM模块温度、模拟或数字控制方式、电机旋转方向、电机最大转速、电机运行速度；第二参数组的出厂信息包括：电机出厂日期、电机序列号、控制器版本；第三参数组的控制运行参数包括：模拟或数字控制方式、电机旋转方向、电机最大转速、电机运行速度、PID参数调节、加减速；水泵专用控制器对每一参数组的单个参数或多个参数进行监视和控制。

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