CN108572672B - 一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，采用转速脉冲注入的方式，包括以下步骤：1)并联运行逻辑控制；2)设备启动压力要求Pset：系统正常处于待机休眠状态时，系统在重新启动时的压力设置Pset。3)Vmin转速值确定。4)并联设备交替工作：当管网系统中始终有用户用水时，设备需要进行交替工作，设备根据用水量的不同，启动多台或单台设备。该方法主要方式是通过转速脉冲注入和压力采样信息，通过数据处理，对各种不同运行状态下的数据信息进行对比分析，各个设备通过分析结果，对设备本身的运行状态进行调节和控制，达到满足系统运行的要求。

Description

一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法

技术领域

本发明涉及一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法。

背景技术

为了实现系统运行的可靠性和可控制性及节能效果，水泵或风机并联设备中，各台设备将配置一台控制器对该设备的电机进行控制。

对于水泵或风机等管网系统，需要进行增压或恒压控制时，考虑到单台增压设备不能满足系统增压需要，或者对安全性要求较高需要进行冗余设计的，需要进行多台设备输出并联运行时，需要增加系统控制或者需要以一台主设备进行控制，其他设备作为从设备，按照主设备的命令要求进行工作，并且把从设备相关采集到的信息上传主设备，通过主设备进行判断分析，并对不同的从设备进行相关控制。并且当主设备出现故障时，需要设置哪台从设备来代替主设备执行相应功能，并对其他从设备进行操作控制。并且，为了实现系统的可靠性，需要设备之间轮换工作，也需要进行相关控制，控制比较复杂，占用了控制器的内部资源信息。主要控制如附图7和附图8所示。

所有信息通过设备采集管网流体的运行状态信息再通过网络进行传输，主要有两类方式，有线传输和无线传输方式，传统方式主要通过网络线进行传输，如串口通讯或CAN通讯等方式，近几年，随着无线技术的发展，通过增加一些无线发送或接受模块进行数据传输。连接线方式需要引线，无线方式虽然去除了连接线，但是需要增加控制模块等。关键主从式结构控制方式，如果主设备损坏以后，系统更换和设置比较麻烦，并且维护成本较高。无论有线网络还是无线网络，都需要网络进行信息的传送。本身是作为信息的载体进行传输，信息需要按照协议要求进行编码发送，接受到以后再通过解码转化作为控制信息的进行数据处理计算等。管网系统本身也是一个网络系统，在管网中流体本身，也可以携带系统运行状态的相关信息。如果可以通过管网直接采集的信息进行控制，可以解决通过通讯方式所带来的一些问题。

无论有线还是无线传输，通过通讯方式进行信息传输并进行指令控制，涉及到传输距离等问题的影响。对于无线传输涉及到穿墙能力等问题。

对于以上问题，目前还没有一个很好的改进解决方案。管网系统本身也是一个网络系统，如何通过一种方式使得每一台设备对该管网系统进行信息采集、数据处理和控制，增加系统响应的及时性，增加系统的可靠性，降低系统运行的维护成本，具有重要的现实意义和研究价值。

发明内容

本发明的目的在于现有技术的不足，提供一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，采用转速脉冲注入的方式，包括以下步骤：

1)并联运行逻辑控制：系统先进行实时压力采样，快速进行增压满足用户的需求；然后当系统启动运行时，对转速脉冲周期开始计时，各设备会通过转速脉冲注入后采集到的压力数据进行判断，当判断为满足停机要求时，该设备开始减速运行，并不断进行判断，在减速过程中，转速不满足V<Vmin时，该设备就按照调整后的转速进行运行；转速满足V<Vmin时，减速过程一直持续，该设备将实现停机休眠，进入待机状态。

2)设备启动压力要求Pset：系统正常处于待机休眠状态时，系统在重新启动时的压力设置Pset。

3)Vmin转速值确定。

4)并联设备交替工作：当管网系统中始终有用户用水时，设备需要进行交替工作，设备根据用水量的不同，启动多台或单台设备。

进一步，在采用转速脉冲注入的方式之前，需要将并联水泵系统开启，具体过程：并联设备实时对管网系统进行压力信息采样，当发现压力值低于系统设定的工作压力时，系统各设备开启运行，并开始进行计时，按照设置的转速脉冲注入周期时间，开始对系统的运行状态进行数据采集和监控。

进一步，采用转速脉冲注入的方式的过程包括：(a)转速脉冲注入信号幅度；(b)转速脉冲注入时间宽度；(c)转速脉冲注入周期；(d)信号采集；(e)状态判断。

进一步，转速脉冲注入信号幅度小于额定转速的2％-4％。

进一步，转速脉冲注入时间宽度为2s-3s。

进一步，脉冲注入周期为T，T的范围为2min＜T＜5min。

进一步，信号采集采用电压型压力传感器、电流型压力传感器、远传压力表。

进一步，在步骤(2)中，系统在重新启动时的压力设置Pset要满足以下两点：一确保系统启动后达到满足用户用水不会出现断续；二确保压力不会低于正常用水压力点，给系统启动一定的时间响应。

进一步，在步骤(3)中，Vmin转速值设定为额定转速的48％，当设备转速低于Vmin转速值时，系统降速停止运转，处于待机状态。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明为一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，当客户用水时，系统所有设备可以通过采样压力信息判别出相关指令信息，所有设备同时加速运行，快速相应系统要求，当系统达到设定压力以后，由于各个设备之间的相互差异性，各设备会对管网信息进行采集，数据处理后，进行判断，由于判断的在时间上的差异性和间隔性，某一台设备会进行减速，并实时对系统进行数据采集、数据处理和状态监控，确定是否可以完全进行停机，当满足停机要求时，该设备按照系统要求继续运行。当某台设备停机后，系统仍可以满足客户需求的，另一台设备也会出现相应的操作。所有过程中，设备都是主动进行判断，自主地进行控制，不受其他设备的指令控制，并所有设备的设置都是相同的，任何一台设备故障停机后，可以用相同型号的设备替换安装，不需要进行其他设置，方便简单，对维护人员要求降低，维护成本较低。

该方法主要方式是通过转速脉冲注入和压力采样信息，通过数据处理，对各种不同运行状态下的数据信息进行对比分析，各个设备通过分析结果，对设备本身的运行状态进行调节和控制，达到满足系统运行的要求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明中一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法的流程图；

图2为本发明中控制方式1的结构示意图；

图3为本发明中转速脉冲注入示意图；

图4为本发明中脉冲采样时刻示意图；

图5为本发明中离心水泵的通用性能曲线图；

图6为本发明中并联运行逻辑控制的流程图；

图7为本发明中控制方式2的结构示意图；

图8为本发明中控制方式3的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，采用转速脉冲注入的方式，脉冲注入的基本原理如下：

1、基本理论

对水泵等流体来说，它们满足几何相似、运动相似以及动力相似，则它们必定是相似的。公式(1)、(2)、(3)分别表示水泵的流量、扬程和功率的相似换算公式。公式中的Q、H、P分别表示流量、扬程和功率，n表示转速。

按照公式(2)，根据压力与转速的关系，压力与转速的平方成正比，当压力减小60rpm-90rpm时，系统压力变化率为0.0011-0.0025。当系统在没有用水的情况下，系统流量为0，并且由于系统设备止回阀的作用，压力实际不会在转速降低时减小。

2、转速脉冲注入基本方法

转速脉冲信号注入方式如图3所示，在该示意图中，假设在满足用户用水的情况下，转速不变为Vout，在该转速基础上注入负的转速脉冲信号，得到右边的最终转速给定信号Vref，作为后面转速控制的给定信号，进行转速的调节控制。图中ΔV为所注入转速脉冲。转速脉冲注入时间为t1，每个脉冲的间隔时间为t2。

当系统用户正常用水时，系统通过转速脉冲注入方式，注入负的转速脉冲；转速脉冲大小为60-90rpm。当系统没有用水需求时，假设水泵可以工作的最小频率为1800rpm，注入转速脉冲后，实际压力变化只有转速脉冲注入前压力的0.25％，可以判断出用户没有使用水，可以进行延迟后减速关机。实现水泵的停止功能。

当系统用水需求时，由于转速降低，压力会出现下降，通过采样转速脉冲注入前的压力值，与转速脉冲注入结束后的压力采样值，进行对比，当压力差值大于1.5％，该比例为所采用的压力传感器最大量程值的1.5％，而不是系统设置值的1.5％。既可确认系统用户正常用水。转速脉冲注入时间一般3-5s，时间太小由于系统滞后，无法采到相应脉冲变化值。如果时间太长，压力波动太大对系统影响较大。

由于系统中用户用水时间的不确定性，以及用水量不确定性，正常情况下，压力本身也会有1％的波动，正常情况下，该压力值需要传感器进行采样，根据传感器采样精度要求，一般传感器精度为1％，比较值需要大于采样精度的最小值。如1Mpa量程1％精度的压力传感器，需要设置采样判别值为0.015Mpa，即1.5m的压力值。对于2.5Mpa，一般为采样判别值为0.0375Mpa。

运行状态判断的情况如下：

对于恒压系统运行，当系统没有用水时，系统连接的所有设备处于休眠状态待机状态；当系统中有用户用水，满足设定启动压力时，系统连接的设备就会全部启动运行，快速进行增压满足用户的需求，实现快速响应。

当系统满足用户需求后，各设备会通过转速脉冲注入后采集到的压力数据进行判断，当判断为满足停机要求时，该设备开始减速运行，并不断进行判断，当减速过程中，发现不能关机时，该设备就按照调整后的转速进行运行，不仅可以满足系统运行要求又可以实现节能的效果；当减速过程可以一直持续时，该设备将实现关机。其他设备也按照该方法进行判断和调整。当系统中没有用户用水时，最后运行的设备也按照以上的判断方式进行调整，直到所有设备都停止运行为止，该系统所有设备都处于休眠待机状态。

系统中所有设备在判断时，由于用户使用状态的不确定性和转速脉冲注入方式的周期性，每次启停设备也会出现不确定性和随机性，这样可以确保每个设备都能运行。

由于管网系统的电子设备元件的差异性，以及采样等干扰因素，系统采样值和采样判断周期不会同时出现。这样为管网系统并联设备的交替运行提供了可靠的基础。

该方法的前期准备如下：

1.并联水泵系统开启:当管网系统中没有用户用水时，管网系统并联设备处于休眠待机状态，并联设备实时对管网系统进行压力信息采样，并且每台设备都把采集的压力数据与设定值进行比较，当发现压力值低于系统设定的工作压力时，系统各设备开启运行，并开始进行计时，按照设置的转速脉冲注入周期时间，开始对系统的运行状态进行数据采集和监控。

2.转速脉冲注入。

a)脉冲注入信号幅度：假设水泵电机的额定转速为3000rpm，一般注入脉冲要小于额定转速的2％-4％。当系统用户正常用水时，系统通过转速脉冲注入方式，注入负的转速脉冲；转速脉冲大小为60-90rpm。注入的信号以小的阶跃扰动信号加入，一般注入脉冲要小于额定转速的2％-4％，因为脉冲信号是周期性加入，当信号太大，周期性信号加入，会影响水泵系统的正常运行，系统始终处于振荡调整过程，影响正常使用。如果扰动信号太小，在信号提取时，无法正确识别实际运行状态。

b)转速脉冲注入时间宽度：当扰动脉冲注入后，注入时间为2s-3s，即图3中t1＝3s，由于供水系统的惯性特性，时间设置太大，系统供水波动太大，当设置时间太小，由于止回阀以及系统的缓冲，会吸收该脉冲，无法采样到相关数据信息。

c)脉冲注入周期：为了不使系统一直处于振荡调整中，并且为了给系统一个足够的稳定运行时间，一般注入的扰动脉冲信号时间为T，T＝t0+t1，T的范围为2min＜T＜5min，即脉冲频率0.2Hz＜f＜0.5Hz。对于扰动脉冲注入的周期，当系统运行在用水状态时，脉冲注入频率太快，将会影响系统正常运行，系统始终处于调整过程，没有一个稳定运行时间，用户用水舒适度下降。

当系统在没有用水的情况下，如果扰动脉冲频率太低，就会出现系统不用水时停机时间太长，虽然根据水锤冲击效应，时间越长冲击效应越小，但当时间超出一定范围以后，水锤消除作用超出了能量消耗的影响，所以脉冲频率选择0.2Hz＜f＜0.5Hz。

d)信号采集：在恒压供水系统中，压力信号的采样主要有3种，电压型压力传感器、电流型压力传感器、远传压力表等。无论电压信号还是电流信号，都是通过信号调理以后转换为微处理可以接收的电压信号进行采样。

要实现状态的识别，采样信号的采样时刻也非常重要，如果采样时刻选择不合适，会出现误判，引起工作混乱。图4所示为脉冲注入信号的采样时刻示意图，在该示意图中，假设某个采样脉冲注入开始时的时刻为tp0，脉冲注入结束时的时刻为tp1，在进行信号采样时，在tp0时，采样该时刻的压力值作为恒压工作时的状态压力P0，即脉冲注入前的压力值；tp1时，采样该时刻的系统压力，为注入脉冲结束时的系统压力值P1，即脉冲注入后的压力值。通过采样这两个时刻的系统压力值，即可得到系统在脉冲注入前后的压力值。

e)状态判断：当系统用户正常用水时，系统通过转速脉冲注入方式，注入负的转速脉冲；当在用水状态时，压力与设定值之间的差值较大，当系统中无人用水时，压力与设定值之间的差值较小，设定一个判断值，通过差值与设定值的比较判断出相应的工作状态。

如5中，脉冲注入前后的压力采样值P0，P1，取两次采样值之差的绝对值，即ΔP＝|P0-P1|，与设定的比较值ΔPlim进行比较，当差值绝对值大于设定的比较值时即ΔP>ΔPlim，判断为系统正常用水，有水流出；当比较差值小于等于比较值时即ΔP<ΔPlim，判断为系统中没有用户用水，没有水流出。ΔPlim一般在压力传感器标称值的1％-2％范围之间取值。

该方法的具体步骤如下：

1)并联运行逻辑控制：参看图6，对于恒压系统运行，系统实时进行压力采样，并进行判断是否满足启动要求(即P<Pset？)，当系统没有用水时，系统连接的所有设备处于休眠状态待机状态；当系统中有用户用水，满足设定启动压力时，系统连接的设备就会全部启动运行，快速进行增压满足用户的需求，实现快速响应。当系统启动运行时，对转速脉冲周期开始计时。

系统设备开启后，按照步骤二脉冲注入方法进行工作。当系统满足用户需求后，各设备会通过脉冲注入后采集到的压力数据进行判断，当判断为满足停机要求时，该设备开始减速运行，并不断进行判断，当减速过程中，转速不满足V<Vmin时，该设备就按照调整后的转速进行运行；转速满足V<Vmin时，当减速过程可以一直持续时，该设备将实现停机休眠,进入待机状态。

当系统中没有用户用水时，最后运行的设备也按照以上的判断方式进行调整，直到所有设备都停止运行为止，该系统所有设备都处于休眠待机状态。

系统中所有设备在判断时，由于用户使用状态的不确定性和脉冲注入方式的周期性，每次启停设备也会出现不确定性和随机性，冗余设计的设备也可以正常工作，并处于最佳状态，这样可以确保每个设备都能运行。

2)设备启动压力要求Pset：系统正常处于待机休眠状态时，系统在重新启动时的压力设置Pset要满足以下两点要求：一方面确保系统启动后达到满足用户用水不会出现断续，即用户用水需求不受影响；另一方面为了确保压力不会低于正常用水压力点，给系统启动一定的时间响应。由于考虑到用水量的不确定性，一般对系统会有30％以上的余量，Pset压力值设置区间为设定压力的10％-15％之间，这样可以保证系统正常运行。

3)Vmin转速值确定。如图5所示，通过该曲线可以了解流量和扬程与转速之间的相互关系以及不同工况下的特性。

当系统中有多台设备同时运行时，某个设备在判断进行降速，当转速降到相应的转速值以下时，由于设备本身特性，该设备对应的输出压力急剧降低，当低于系统设定压力时，该设备就对整个系统没有贡献。此时，可以停止运行，处于待机状态，直到满足下次唤醒启动条件时，在启动运行。水泵运行最佳效率区间一般在60％-80％额定压力范围区间，从公式2可以看出，压力与转速的平方成正比例关系，当系统转速降到额定转速的50％时，该设备实际输出的压力就会降到其压力的25％。为了考虑的实际产品的差异性，一般转速设定Vmin为额定转速的48％，当设备转速低于Vmin时，系统降速停止运转，处于待机状态。

以图5离心泵性能曲线为参考，当转速为50％额定转速时，压力为7mmH2O，为关死压力的25％，另外，在此转速下，系统输出能量只为额定能量的12％左右，当输出当不到系统要求压力时，没有能量输出，输出效率接近于0。所消耗的能量用来抵消掉系统摩擦和系统转动惯量。

4)并联设备交替工作：当管网系统中始终有用户用水时，设备需要进行交替工作时，设备会根据用水量的不同，启动多台或单台设备，加入在系统中有两台设备运行，用户用水量变化的时间存在不确定性，每台设备运行和待机的概率分别为50％，这样可以确保系统设备运行的整体时间是均衡的，不仅保证系统运行设备设计的冗余性，并且保证了所有设备的正常运行，确保设备在用水量大时，都处于正常状态，进一步保证系统运行的可靠性。

参看图2，每个设备需要采集管网的信息，根据系统要求的设置信息单独进行控制，通过自由组合方式即确保系统运行的可靠性，又保证设备都始终处于良好的运行状态。

对于管道网络来说，管道中的流体是联通的，管网中的流量、压力等信息可以通过管道网络进行传输，每一台设备都可以通过采集管网中流体的信息，通过数据分析，确定自己的启动、停止、加速和减速运行等运行状态，满足系统设定要求，并满足客户的使用要求。当客户用水时，系统所有设备可以通过采样压力信息判别出相关指令信息，所有设备同时加速运行，快速相应系统要求，当系统达到设定压力以后，由于各个设备之间的相互差异性，各设备会对管网信息进行采集，数据处理后，进行判断，由于判断的在时间上的差异性和间隔性，某一台设备会进行减速，并实时对系统进行数据采集、数据处理和状态监控，确定是否可以完全进行停机，当满足停机要求时，该设备按照系统要求继续运行。当某台设备停机后，系统仍可以满足客户需求的，另一台设备也会出现相应的操作。所有过程中，设备都是主动进行判断，自主地进行控制，不受其他设备的指令控制，并所有设备的设置都是相同的，任何一台设备故障停机后，可以用相同型号的设备替换安装，不需要进行其他设置，方便简单，对维护人员要求降低，维护成本较低。

主要方式是通过转速脉冲注入和压力采样信息，通过数据处理，对各种不同运行状态下的数据信息进行对比分析，各个设备通过分析结果，对设备本身的运行状态进行调节和控制，达到满足系统运行的要求。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，其特征在于:采用转速脉冲注入的方式，包括以下步骤： 1)并联运行逻辑控制：系统先进行实时压力采样，快速进行增压满足用户的需求；然后当系统启动运行时，对转速脉冲周期开始计时，各设备会通过转速脉冲注入后采集到的压力数据进行判断，当判断为满足停机要求时，该设备开始减速运行，并不断进行判断，在减速过程中，转速不满足V<vmin时，该设备就按照调整后的转速进行运行；转速满足v<vmin时，减速过程一直持续，该设备将实现停机休眠，进入待机状态；2)设备启动压力要求Pset：系统正常处于待机休眠状态时，系统在重新启动时的压力设置Pset； 3)Vmin转速值确定； 4)并联设备交替工作：当管网系统中始终有用户用水时，设备需要进行交替工作，设备根据用水量的不同，启动多台或单台设备；其中，在采用转速脉冲注入的方式之前，需要将并联水泵系统开启，具体过程：并联设备实时对管网系统进行压力信息采样，当发现压力值低于系统设定的工作压力时，系统各设备开启运行，并开始进行计时，按照设置的转速脉冲注入周期时间，开始对系统的运行状态进行数据采集和监控，其中，每一台设备均通过采集管网中流体的信息，通过数据分析，确定自己的启动、停止、加速和减速运行运行状态，满足系统设定要求。

2.根据权利要求1所述的一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，其特征在于：采用转速脉冲注入的方式的过程包括：(a)转速脉冲注入信号幅度；(b)转速脉冲注入时间宽度；(c)转速脉冲注入周期；(d)信号采集；(e)状态判断。

3.根据权利要求2所述的一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，其特征在于：所述转速脉冲注入信号幅度小于额定转速的2％-4％。

4.根据权利要求2所述的一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，其特征在于：所述转速脉冲注入时间宽度为2s-3s。

5.根据权利要求2所述的一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，其特征在于：所述脉冲注入周期为T，T的范围为2min＜T＜5min。

6.根据权利要求2所述的一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，其特征在于：所述信号采集采用电压型压力传感器、电流型压力传感器、远传压力表。

7.根据权利要求1所述的一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，系统在重新启动时的压力设置Pset要满足以下两点：一确保系统启动后达到满足用户用水不会出现断续；二确保压力不会低于正常用水压力点，给系统启动一定的时间响应。

8.根据权利要求1所述的一种流体管网增压或恒压设备并联控制方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，Vmin转速值设定为额定转速的48％，当设备转速低于Vmin转速值时，系统降速停止运转，处于待机状态。

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