CN108061029A

CN108061029A - 控制多泵系统的方法和系统

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Publication number: CN108061029A
Application number: CN201711007076.7A
Authority: CN
Inventors: S.科因
Original assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Current assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2018-05-22
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: EP3318761A1; FR3058479A1; FR3058479B1; US10571878B2; CN108061029B; US20180129177A1; EP3318761B1; ES2709650T3

Abstract

本发明涉及用于控制用以泵送流体的多泵系统(1)的方法和系统。该系统包括n个并联连接的泵送单元(Ci)，n大于或等于2。该系统通过使用参考压力差被控制。该方法包括：在考虑到代表泵送单元的水头损失的二次校正值(HEGi)的情况下，估计由每个泵送单元(Ci)产生的压力差(dPpumpi)；根据对于每个泵送单元的压力差，估计多泵系统的压力差(dPSys)；将所述多泵估计压力差(dPSys)与参考压力差(dPsp)比较，以便控制被投入到多泵系统的控制回路中的参考速度(Wref)。

Description

控制多泵系统的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于控制多泵系统的方法和系统。

背景技术

多泵系统包括至少两个泵，每个泵由变速驱动器控制以输送特定的流率或压力。在多泵系统中，泵并联连接到相同的入口管，并且其出口接合到公共出口管中。为了整体参考，系统的泵是独立控制的。每个泵所需的速度和激活的泵的数量是整体参考的函数，并且可能具有各种输入参数或限制，例如电能节省限制。因此，清楚的是，对于相同的整体参考，激活的泵的数量和每个泵所需的速度可以变化。

专利申请EP0735273A1、WO2015/105832A1以及EP2743507A1描述了多泵系统控制方案。

在诸如加热/通风/空调(HVAC)设施的应用中，有利的是，监控在多泵系统的入口和出口之间的压力差，作为所需流率的函数。实现这一点的最简单的方法是运用压力和流率传感器。

然而，由于各种原因，特别是成本、维护、安装的简易，省去压力和流率传感器并提出没有传感器的多泵系统控制解决方案(称为“无传感器”解决方案)是有益的。

作为一般规则，无传感器解决方案基于监控水头。然而，在这些无传感器解决方案中，即使具有恒定的整体参考和均相同的泵，流率中仍发生不连续。这些不连续有各种原因：

第一个原因与泵的可变数量相关联，系统对于相同参考可激活。换句话说，对于相同的参考，系统可以选择激活更多或更少的泵，以在泵送过程中激活它们中的一些并停止另一些。

第二个原因与系统的泵之间的不平衡相关联。具有相同参考的两个相同的泵不一定产生相同的出口流率。

因此，本发明的目的是提出一种控制多泵系统的方法，该方法可以通过克服泵之间的不平衡和系统的泵的单独控制策略来消除现有技术的缺点。

发明内容

该目的通过用于控制用于泵送流体的多泵系统的方法来实现，所述系统包括n个并联连接的泵送单元，n大于或等于2，并且每个泵送单元包括入口、出口和在入口和出口之间连接的泵、至少一个连接到泵送单元的每个入口的入口接合点和至少一个连接到泵送单元的每个出口的出口接合点，根据在所述入口接合点和所述出口接合点之间的参考压力差控制所述系统，所述方法包括：

在考虑到代表泵送单元中的水头损失(head losses)的(例如，平方的)校正值的情况下，估计由每个泵送单元产生的在其入口和其出口之间的压力差；

根据对于每个泵送单元的压力差，估计多泵系统的压力差；

将所述多泵系统估计的压力差与所述参考压力差比较，以便命令被投入到多泵系统的控制回路中的参考速度。

根据一个特定的特征，对于每个泵送单元，该方法包括根据泵的估计的机械功率和在泵的估计速度下的PQ型泵曲线确定泵的估计流率的步骤。

根据另一个特定的特征，对于每个泵送单元，该方法包括根据泵的估计流率和在泵的估计速度下的HQ型泵曲线确定泵的估计测压水头(estimated manometric head)的步骤。

根据另一个特定的特征，对于每个泵送单元，根据估计水头和所述校正值确定泵送单元的估计压力差。

根据一个特定的实施例，该方法包括使用二次补偿系数校正参考压力差的步骤。

根据第一实施例，该方法包括初始学习步骤，所述初始学习步骤被执行用于确定代表泵送中的水头损失的二次校正值，所述初始学习步骤包括：

在特定的参考单独流率下单独地致动系统的每个泵，

在与所述参考单独流率相同的参考总流率下至少两个两个地(two by two)致动系统的泵,

确定对于每个泵送单元的水头损失补偿系数，

根据水头损失补偿系数确定校正值。

根据第二实施例，根据相当于在给定的流率下系统的泵送单元的水头损失的水头，从理论上确定二次校正值。

本发明还涉及用于控制用于泵送流体的多泵系统的系统，所述系统包括n个并联连接的泵送单元，n大于或等于2，并且每个泵送单元包括入口、出口和在入口和出口之间连接的泵、至少一个连接到泵送单元的每个入口的入口接合点和一个连接到泵送单元的每个出口的出口接合点，根据在所述入口接合点和所述出口接合点之间的参考压力差控制所述系统，所述系统包括：

用于确定在考虑到代表泵送单元中的水头损失的校正值的情况下由每个泵送单元产生的在其入口和其出口之间的估计压力差的模块，

用于根据对于每个泵送单元的估计压力差来确定多泵系统的压力差的模块，

用于将所述多泵系统的估计压力差与所述参考压力差比较以便命令参考速度投入到多泵系统的控制回路中的模块。

根据一个特定的特征，该系统包括，对于每个泵送单元的根据泵的估计机械功率和在泵的估计速度下的PQ型泵曲线估计估计流率的块。

根据另一个特定的特征，该系统包括，对于每个泵送单元的根据估计流率和在泵的估计速度下的HQ型泵曲线估计估计水头的块。

根据另一个特定的特征，对于每个泵送单元，该系统包括用于根据估计水头和所述校正值估计泵送单元的估计压力差的块。

根据一个特定的实施例，该系统包括使用二次补偿系数校正参考压力差的块。

根据第一实施例，该系统包括被执行以确定校正值的学习模块，所述学习模块包括：

用于根据特定的参考单独流率单独地控制系统的每个泵的模块，

用于根据与所述参考单独流率相同的参考总流率至少两个两个地控制系统的泵的模块，

用于确定每个泵送单元的水头损失补偿系数的模块，

用于根据水头损失补偿系数确定校正值的模块。

根据第二实施例，该系统包括用于根据相当于在给定流率下的系统的泵送单元的水头损失的水头确定校正值的模块。

附图说明

其他特征和优点将在以下参考附图的详细描述中变得明显，其中：

图1是示出了多泵系统的架构的图；

图2示出了多泵系统的控制架构的图；

图3A至3C示出了用于控制泵的三个水头流率型泵曲线，并且示出了分别为恒定、比例和二次型的水头控制模式；

图4A至4C示出了用于控制泵的三个HQ型泵曲线，并示出了分别为恒定、比例和二次型的压力差类型的发明的控制原理，并示出了最后得到的水头曲线轮廓；

图5是示出了在恒定型控制模式下的本发明的操作的图；

图6是示出了在二次型控制模式下的本发明的操作的图；

图7是示出了在水头和压力差之间的校正原理的图。

具体实施方式

本发明适用于用于泵送流体并且包括多个受控泵的多泵系统1。例如，这种多泵系统特别运用于在加热/通风/空调(HVAC)型设施或在水处理设施中泵送流体。

参考图1，多泵系统1包括n个泵送单元Ci，i的范围在1到n之间，n大于或等于2，每个泵送单元Ci包括入口INi、出口OUTi以及位于入口和出口之间以从入口到出口泵送流体的泵Pi。系统1中的n个泵送单元Ci并联连接，即，该系统包括至少一个入口接合点A，所有泵送单元的入口连接到接合点A上，该系统包括至少一个出口接合点B，所有泵送单元的出口连接到接合点B上。因此，多泵系统1包括n个并联的分支，每个分支对应于独立的泵送单元。

在图1中，示出了具有三个泵送单元C1、C2、C3的系统1。当然，本发明可以应用于包括至少两个泵送单元的系统。

每个泵送单元Ci还包括电动机，例如，该电动机包括在泵中并通过变速驱动VSDi在变速下控制，变速驱动器有利地形成单元Ci的一部分。以已知的方式，变速驱动器通过将电动机应用于由控制回路确定的输出电压信号来控制电动机，该输出电压信号接收以作为一个或多个参考值。该控制回路通过控制模块实现，该控制模块通过变速驱动控制单元执行。

参考图2，包括这种型的多泵系统1的设施(例如，HVAC型)的控制架构，例如，如下：

设施的控制模块M10接收一个或多个输入参考值ReF(例如，参考温度)并确定参考压力差dPsp。

多泵系统1的控制模块M20确定将应用到系统的泵送单元Ci的控制策略，并发送参考速度Wref_i到每个泵送单元的泵的控制模块M1_i。

每个泵送单元Ci的泵Pi根据由变速驱动的控制单元的控制模块M1_i执行的控制回路，由其变速驱动VSDi控制。每个控制模块M1_i确定将应用以控制单元Ci的泵Pi的输出电压，特别是作为应用到输入的单独速度参考的函数。

每个泵送单元Ci的变速驱动VSDi的控制单元的监视模块M2_i从控制模块M1_i中恢复泵Pi的操作数据，该数据特别是应用到泵的估计机械功率Pm_pi以及应用到泵Pi的估计速度Wpi。该数据有利地不使用速度传感器获得。

每个泵送单元Ci的监视模块M2_i以规则的间隔将计算的数据发送到多泵系统1的监视模块，该数据特别地为在单元的出口处的理论流率Qpumpi、为获得该流率的估计水头Hpumpi，以及在单元的入口和出口之间估计压力差dPpumpi。

多泵系统1的监视模块M30向多泵系统的控制模块M20发送用于多泵系统的估计压力差dPSys。

多泵系统1的控制模块M20确定将应用到系统的每个泵送单元的参考速度Wref_i，作为估计压力差dPSys和接收的参考压力差dPsp的函数。

多泵系统的控制模块M20和多泵系统的监视模块M30，例如，在可编程自动控制器的中央单元UC或在系统的泵送单元的变速驱动中的一个的控制单元中执行。

类似地，可以与上述相同，设施的控制模块M10，例如，在可编程自动控制器的中央单元UC中被执行，或在另一个控制单元中，例如系统的泵送单元的变速驱动中的一个中被执行。

根据本发明，泵送单元的控制模块M1_i和监视模块M2_i以及系统1的控制模块M10和监视模块M20包括在用于实现本发明的控制方法的控制系统中。

在图2中，以非限制的方式示出了设施的控制模块M10、多泵系统的控制模块M20以及多泵系统的监视模块M30，该模块M10、M20、M30通过可编程自动控制器的中央单元执行，后者与控制单元分离，该控制单元与泵送单元Ci的每个变速驱动VSDi相关联。

作为一般规则，泵Pi通过根据所需的流率调整其水头来控制。为此，变速驱动基于预先记录的泵曲线。以已知的方式，每个泵由第一泵特性曲线限定。该曲线示出了在给定速度下泵的水头H和其体积流率Qpumpi之间的关系。例如，泵的水头Hpumpi以米表示，而体积流率Qpumpi以米³/小时表示。每个泵还通过第二泵特性曲线限定，该曲线表示在提供给泵的机械功率和给定速度下在泵的出口处的流率Qpumpi之间的关系。

为了控制单个泵，已知使用预定的控制曲线Hctrl来直接监控泵的水头，该曲线可以为恒定(图3A)、比例(图3B)或二次形式(图3C)。在多泵系统的背景下，应用这种基于水头的类型的控制是不相关的。

因此，本发明的原理基于对压力差控制模式的多泵系统的应用，其相当于对于系统的水头进行校正的虚拟应用。该解决方案使得可以更好地考虑系统中每个泵送单元中存在的水头损失。

下面参考图5和6描述运用的以用于这种控制模式的操作原理。

在每个泵送单元Ci中的监视模块M2_i确定其泵送单元Ci的理论压力差dPi。为此，监视模块M2_i影响以下操作：

其执行块B1，所述块B1用于根据应用到泵的机械功率Pm_pi和应用到泵的速度Wpi估计由泵Pi产生的流率Qpumpi，该机械功率以及该速度优选地为在泵的控制回路中获得的估计数据。为此，其使用在泵的速度下的如上限定的PQ型泵曲线。

使用用于泵的估计流率Qpumpi，其执行用于估计水头Hpumpi的块B2，水头Hpumpi被应用以获得该流率。为此，其使用在泵的速度下的如上限定的HQ。

其执行块，该块用于通过对于水头应用二次校正值HEGi来估计在单元的入口和出口之间的泵送单元Ci的压力差dPpumpi，该校正特别地考虑到在其单元分支中的水头损失。

这三个操作通过泵送单元Ci的监视模块M2_i并联执行。对于每个泵送单元Ci，应用的二次校正值HEGi是不同的。下面描述用于确定将应用于每个泵送单元Ci的二次校正值HEGi的原理。

随后，多泵系统1的监视模块M30的任务是恢复对于每个泵送单元Ci的压力差值dPpumpi。

系统1的监视模块M30执行块B4，用于确定对于整个多泵系统的压力差。该系统的估计压力差对应于系统的入口接合点A和出口接合点B之间的估计压力差。该估计块B4理想地应用公式：

dP_Sys＝dP_pumpi

在一个变形实施例中，为了更好地考虑某些系统的特定的特征，估计块B4也可以使用以下表达：

随后，系统的监视模块M30将估计压力差dPSys投入到系统1的控制模块M20中，控制模块M20的输入也接收参考压力差dPsp。

由系统运用的控制回路根据运用的控制模式而不同。

参考图5，为了在恒定压力差控制模式下进行校正，控制模块M20如下操作：

其执行块B5，用于比较对于系统的估计压力差dPSys和参考压力差dPsp，以便确定两者之间的差。

其将确定的差投入到比例积分微分(PID)动作校正器中，从而推断系统1的参考速度Wref，从而使得系统的压力差向着参考压力差收敛。

参考图6，为了在二次压力差控制模式下进行校正，控制模块M20如下操作：

其执行用于校正参考压力差的模块。该校正模块运用块B6，根据每个泵送单元Ci获得的估计流率Qpumpi来估计系统1的总流率。将估计总流率Qtot投入到校正块B7中，该校正块B7应用用于系统的水头损失补偿函数(也已知为摩擦损失补偿(FLC)函数)。将确定的校正值添加到参考压力差dPsp以获得校正的参考压力差dPsp_corr(块B8)。

其执行块B50，该块用于比较对于系统的估计压力差dPSys和校正的参考压力差dPsp_corr以便确定两者之间的差。

其将确定的差投入到比例积分微分(PID)动作校正器中，从而推断系统需要的参考速度Wref，从而使得系统的压力差向着校正的参考压力差收敛。

在上述限定的两种解决方案中，随后，系统的速度控制模块M20的任务是确定应用于每个泵送单元Ci的参考速度，并将其作为获得的整体参考速度Wref的函数发送到每个泵送单元的控制模块。

图7示出了确定将在每个泵送单元Ci中的二次校正值HEGi的原理。对于每个泵送单元Ci，对该二次校正值进行不同的确定。该确定方法，例如在系统的正常操作之外执行，例如，在学习步骤期间执行。例如，其在与多泵系统相关联的特定的学习模块级别执行，并且例如由上述限定的可编程自动控制器的中央单元执行。

下面解释的原理考虑到系统是稳定的并且对于给定的流率不受负载变化的事实。管道和负载中的损失将被视为始终相同的。

第一个步骤E1包括执行控制模块以一个接一个地致动多泵系统的泵，每个泵根据相同的参考流率被控制。

对于每个致动的泵，学习模块通过每个泵送单元的监视模块恢复流率和估计的水头数据。

因此，对于第一步骤E1：

其中

其中：

-Hi是对于系统的每个泵送单元Ci的估计水头；

-Qi是由系统的每个泵送单元Ci产生的估计流率；

-Qref是每个泵送单元入口处所需的参考流率；

-Hfli是相当于系统的泵送单元Ci的水头损失的水头；

-dPsys是系统的压力差；

-a_i是水头损失补偿系数(见下文)。

第二步骤E2包括执行控制模块以两个两个地致动系统的泵，总流率参考与应用到第一步骤中的每个泵的参考流率相同。

对于每个泵，学习模块通过每个泵送单元的监视模块恢复流率和估计的水头数据。

因此，对于第二步骤E2：

其中

其中：

-HXi是对于第二步骤中的系统的每个泵送单元Ci的估计水头；

-QXi是由第二步骤中的系统的每个泵送单元Ci产生的估计流率。

在第三步骤E3中，学习模块确定上述系数a_i，并代表在每个泵送单元中的水头损失。为此，学习模块应用以下原因：

系数a_i的表达式根据上述方程(1)和(2)推断出来：

即

根据在下列第三步骤E3中获得的系数a_i，随后，学习模块可以在第四步骤E4中，计算被应用于每个泵送单元Ci的校正HEGi：

其中

根据方程(3)

即

其中H_BEP和Q_BEP分别对应于在最佳效率点处系统的水头和流率。

随后，在第五步骤E5中，学习模块可以确定使用下列原因的系统的压力差：

根据上述方程(2)和(3)：

即

在变形实施例中，学习模块同样可能以下列方式，根据给定流率下的“理论的”水头损失确定对于每个泵送单元的校正HEGi，例如，在对应于在最佳效率点的流率Q_BEP处。

并且因为Hfl_i(Q_BEP)对应于在流率QBEP的水头损失：

本发明因此具有许多优点。其可以进行中央控制，而无需考虑系统中的泵的单独控制。因此，无论采取什么控制策略，控制都是透明的。此外，本发明的解决方案可以在在压力差模式下对系统进行控制，并且考虑到系统的各个分支中的水头损失。

图4A至4C示出了使用根据压力差dPctrl和产生的水头的控制应用的校正。

Claims

1.一种用于控制用于泵送流体的多泵系统(1)的方法，所述系统包括n个并联连接的泵送单元(Ci)，n大于或等于2，并且每个泵送单元包括入口、出口和在入口和出口之间连接的泵(Pi)、连接到泵送单元的每个入口的至少一个入口接合点(A)和连接到泵送单元的每个出口的至少一个出口接合点(B)，根据在所述入口接合点和所述出口接合点之间的参考压力差控制所述系统，所述方法的特征在于其包括：

在考虑到代表泵送单元中的水头损失的校正值(HEGi)的情况下，估计由每个泵送单元(Ci)产生的在其入口和其出口之间的压力差(dPpumpi)；

根据对于每个泵送单元估计的压力差，估计多泵系统的压力差(dPSys)；

将所述多泵系统估计压力差(dPSys)与所述参考压力差(dPsp)比较，以便命令被投入到多泵系统的控制回路中的参考速度(Wref)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个泵送单元，该方法包括，根据泵的估计机械功率和在泵的估计速度(Wpi)下的PQ型泵曲线确定泵的估计流率的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于每个泵送单元(Ci)，该方法包括在，根据估计流率和泵的估计速度(Wpi)下的HQ型泵曲线确定估计水头(Hpumpi)的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于每个泵送单元(Ci)，根据估计水头(Hpumpi)和所述校正值(HEGi)确定泵送单元的估计压力差。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括使用二次补偿系数校正参考压力差(dPsp)的步骤。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括初始学习步骤，所述初始学习步骤被执行以确定代表泵送单元中的水头损失的校正值(HEGi)，所述初始学习步骤包括：

在特定的参考单独流率下单独地致动系统的每个泵(Pi)，

在与所述参考单独流率相同的参考总流率下至少两个两个地致动系统的泵，

对于每个泵送单元，确定水头损失补偿系数(a_i)，

根据水头损失补偿系数(a_i)，确定校正值。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括根据相当于在给定流率下系统的泵送单元的水头损失的水头，确定校正值(HEGi)的步骤。

8.一种用于控制用以泵送流体的多泵系统(1)的系统，所述系统包括n个并联连接的泵送单元(Ci)，n大于或等于2，并且每个泵送单元包括入口、出口和在入口和出口之间连接的泵(P)、连接到泵送单元的每个入口至少一个的入口接合点(A)和连接到泵送单元的每个出口的至少一个出口接合点(B)，根据在所述入口接合点和所述出口接合点之间的参考压力差控制所述系统，所述系统的特征在于，其包括：

用于确定在考虑到代表泵送单元中的水头损失的校正值(HEGi)的情况下由每个泵送单元(Ci)产生的在其入口和其出口之间的估计压力差(dPpumpi)的模块，

用于根据对于每个泵送单元的估计的压力差来确定多泵系统的压力差(dPSys)的模块，

用于将所述多泵系统的估计压力差(dPSys)与所述参考压力差(dPsp)比较以便命令被投入到多泵系统的控制回路中的参考速度(Wref)的模块。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，其包括，对于每个泵送单元(Ci)，用于根据泵的估计机械功率(Pm_pi)和在泵的估计速度(Wpi)下的PQ型泵曲线估计泵的估计流率的块(B1)。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，其包括，对于每个泵送单元(Ci)，根据估计流率和在泵的估计速度下的HQ型泵曲线估计估计水头(Hpumpi)的块(B2)。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，其包括，对于每个泵送单元(Ci)，用于根据估计水头(Hpumpi)和所述校正值(HEGi)估计泵送单元的估计压力差的块(B3)。

12.根据权利要求8至10中任一项所述的系统，其特征在于，其包括使用二次补偿系数校正参考压力差(dPsp)的块(B7)。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的系统，其特征在于，该方法包括学习模块，所述学习模块被执行以确定校正值(HEGi)，所述学习模块包括：

用于根据特定的参考单独流率单独地控制系统的每个泵(Pi)的模块，

用于根据在与所述参考单独流率相同的参考总流率至少两个两个地控制系统的泵的模块,

用于确定对于每个泵送单元的水头损失补偿系数(a_i)的模块，

用于根据水头损失补偿系数(a_i)确定校正值的模块。

14.根据权利要求8至12中任一项所述的系统，其特征在于，其包括用于根据相当于在给定流率下的系统的泵送单元的水头损失的水头来确定校正值(HEGi)的模块。