CN112196781B - 基于ZigBee通信技术的海水泵系统控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于ZigBee通信技术的海水泵系统控制装置，其特征在于，采集海水泵系统的压力传感器输出的4～20mA信号并且采集海水泵系统的PT100的电阻信息，通过CAN通信接口与海水泵系统的变频器进行信息交互，通过ZigBee接口与海水泵系统的进口阀、出口阀、压力阀、流量阀进行信息交互，通过以太网接口与服务器及智能终端设备进行信息交互，从而利用泵阀联动控制方法实现对海水泵系统的控制使海水泵系统状态在启动准备状态、准备就绪状态、恒流量运行状态、恒压力运行状态、停机状态与故障状态之间切换。

Description

基于ZigBee通信技术的海水泵系统控制装置

技术领域

本发明涉及一种基于ZigBee通信技术的海水泵系统控制装置，属于海水泵系统控制器设计技术领域。

背景技术

船舶主机的冷却控制系统一般采用冷却水泵抽取的海水/江水供给主机对其增压器、润滑油及主机机体进行冷却。目前海水泵控制方法主要有两种，第一种方法为在海水输出管路上安装调节阀，由现场作业人员根据实际情况控制阀门开度，进而控制海水流量；第二种方法采用变频器控制电机，通过调节泵转速实现流量的调节。

第一种方法中，调节阀需现场人员根据实际情况进行频繁调整，工作量大，且主观判断进行调整不能保证结果的准确，此外电机保持定频运行，调节阀的节流会增加额外机械功的消耗，降低系统工作效率。第二种方法通过调节转速控制系统流量，控制方式更加灵活，能达到一定的节能效果，但其控制范围受电机转速范围的限制，且不能保证泵运行在最优能耗的工作状态。

发明内容

本发明的目的是：实现海水泵系统恒流量、恒压力运行工况的自动调节和平滑切换。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于ZigBee通信技术的海水泵系统控制装置，其特征在于，采集海水泵系统的压力传感器输出的4～20mA信号并且采集海水泵系统的PT100的电阻信息，通过CAN通信接口与海水泵系统的变频器进行信息交互，通过ZigBee接口与海水泵系统的进口阀、出口阀、压力阀、流量阀进行信息交互，通过以太网接口与服务器及智能终端设备进行信息交互，从而利用泵阀联动控制方法实现对海水泵系统的控制使海水泵系统状态在启动准备状态、准备就绪状态、恒流量运行状态、恒压力运行状态、停机状态与故障状态之间切换：

所述海水泵系统控制装置向海水泵系统给出启动指令后，海水泵系统的状态由停机状态切换至启动准备状态；准备完毕后，海水泵系统的状态由启动准备状态切换至准备就绪状态，若海水泵系统无法切换至准备就绪状态则进入故障状态，处于准备就绪状态的所述海水泵系统在所述海水泵系统控制装置的控制下切换至恒流量运行状态或恒压力运行状态；处于恒流量运行状态或恒压力运行状态的海水泵系统若发生数据异常，则切换至故障状态，若收到外部给出的停机指令，则在所述海水泵系统控制装置的控制下切换至停机状态。

优选地，所述海水泵系统在所述海水泵系统控制装置控制下切换至所述启动准备状态包括以下步骤：

所述海水泵系统控制装置将所述海水泵系统的进口阀开度调节为100％、出口阀开度调节为80％，流量阀、压力阀开度调节为80％；

所述海水泵系统控制装置向所述海水泵系统的变频器发送启动命令和启动转速；

所述海水泵系统控制装置检测进口阀、出口阀、流量阀及压力阀开度和电机转速，若在预定时间内均达到设定值，则判定启动成功，所述海水泵系统进入准备就绪状态，否则启动失败，向变频器发送停机命令。

优选地，所述海水泵系统在所述海水泵系统控制装置控制下切换至所述恒流量运行状态包括以下步骤：

将压力阀开度调节为0；

计算扬程值，根据泵预设的流量-扬程曲线，计算出当前高能效点流量；

若最高能效点流量大于设定流量，则所述海水泵系统控制装置每0.5s向变频器发送降1Hz变频指令，每2s向流量调节阀发送增加1％开度指令；若最高能效点流量小于设定流量，则所述海水泵系统控制装置每0.5s向变频器发送升1Hz变频指令，每2s向流量调节阀发送降低1％开度指令。

优选地，所述海水泵系统在所述海水泵系统控制装置控制下切换至所述恒流量运行状态具体包括以下步骤：

1)海水泵系统控制装置通过以太网接口接收服务器或平板电脑发送的控制目标值Q_c＝260m³/h、启动命令；

2)通过ZigBee接口发送命令驱动进口阀、出口阀、压力阀、流量阀至指定开度；

3)通过CAN接口向变频器发送启动转速1500r/min和启动命令；

4)延时15s后检测：变频器的转速，进口阀、出口阀、压力阀、流量阀的阀门开度，以及泵的扬程H是否大于8m，若在30s内达到要求，则进入步骤5)，否则进入故障状态；

5)通过ZigBee接口发送命令，将压力阀开度调节为0关闭压力阀，若调整成功则进入步骤6)，否则进入故障状态；

6)通过服务器或平板电脑预先录入的泵的设计转速n₀下的流量扬程曲线抽象成离散点，组成数组D保存在海水泵系统控制装置内，D＝[(Q₁,H₁)；(Q₂,H₂)；…(Q_n,H_n)；(Q_n+1,H_n+1)；…]，(Q_n,H_n)是转速n时的高效点的流量及扬程；

每间隔0.5s执行以下步骤a)至步骤d)，从而每间隔0.5s更新一次当前实际流量Q及高效点流量Q₀’：

a)计算当前转速n时，泵的扬程H为：

H＝(P₂-P₁)/ρg+0.5，式中，P2为出口压力、P1为进口压力，ρ为海水密度，g为重力加速度；

b)计算设计转速n₀下的流量Q_D：

Q_D＝H(n₀/n)²；

搜索数组D，确定Q_D在数组D中的位置，若Q_D值的大小处在数组D中的Qn与Qn+1之间，数组D中对应点为(Q_n,H_n)、(Q_n+1,H_n+1)。

利用差值算法，重新计算得到Q_D：

c)计算当前实际流量Q，Q＝(n/n₀)Q_D；

d)计算高效点流量Q₀’，Q₀’＝(n/n₀)Q_n；

7)每次当前实际流量Q及高效点流量Q₀’更新后，判断：

若Q_c＜Q₀’，则每0.5s向变频器发送降1Hz变频指令，直至Q_c＝Q₀’(判断误差±5％)；

若Q_c＞Q₀’，则每0.5s向变频器发送升1Hz变频指令，直至Q_c＝Q₀’(判断误差±5％)；

若Q＜Q_c，则在预设开度基础上，每2s向恒流量调节阀门发送增加开度信号，例如61％，62％，……，直至Q＝Q_c；

若Q＞Q_c，则在预设开度基础上，每2s向恒流量调节阀门发送降低开度信号，例如59％，58％，……，直至Q＝Q_c。

优选地，所述海水泵系统在所述海水泵系统控制装置控制下切换至所述恒压力运行状态包括以下步骤：

1)海水泵系统控制装置通过以太网接口接收服务器或平板电脑发送的设定扬程H0、启动命令；

2)通过ZigBee接口发送命令驱动进口阀、出口阀、压力阀、流量阀至指定开度；

3)通过CAN接口向变频器发送启动转速1500r/min和启动命令；

4)延时15s后检测：变频器的转速，进口阀、出口阀、压力阀、流量阀的阀门开度，以及泵的扬程H是否大于8m，若在30s内达到要求，则进入步骤5)，否则进入故障状态；

5)通过ZigBee接口发送命令，将流量阀开度调节为0关闭流量阀，若调整成功则进入步骤6)，否则进入故障状态；

6)计算当前转速n下的扬程值H：若大于设定扬程H0，则控制器每0.5s向变频器发送降1Hz变频指令；若小于设定扬程H0，则控制器每0.5s向变频器发送升1Hz变频指令。

本发明提出了一种新型海水泵系统泵阀联动控制装置，其通过ZigBee通信技术实现系统内泵与阀的远程无线联合控制，实现海水泵系统恒流量、恒压力运行工况的自动调节和平滑切换。相较于传统的海水泵系统，本发明的优势在于：

1)泵与阀采用无线通信，能够自组网连接，系统可拓展性强；

2)控制策略能够保证泵工作在高能效区，提高系统的运行效率

3)能够实现系统恒流量、恒压力工况的自动调节和平滑切换。

附图说明

图1为控制器对外接口示意图；

图2为系统运行状态切换图；

图3为恒流量控制软件流程图；

图4为恒压力控制软件流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提出的一种海水泵系统控制装置由CPU板、AI板和电源板组成，电源板用于对CPU板及AI板供电，CPU板用于执行控制程序,与变频器、四个阀门、服务器、平板电脑进行信息交互，AI板用于采集压力传感器、PT100的信号，对外接口如图1所示。本发明通过CAN通信接口与海水泵系统的变频器进行信息交互，通过ZigBee接口与海水泵系统的四个阀门(进口阀、出口阀、压力阀、流量阀)进行信息交互，通过以太网接口与服务器、平板电脑进行信息交互。本发明采集海水泵系统的压力传感器输出的4～20mA信号，并且采集海水泵系统的PT100的电阻信息。

本发明提供的海水泵系统控制装置采用泵阀联动控制方法，该泵阀联动控制方法的控制输入包括：泵进口压力、泵出口压力、变频器转速、四个阀门的当前开度、目标流量值、目标压力值；控制输出包括变频器转速控制、四个阀门的阀门开度控制。将海水泵系统状态分为：启动准备、准备就绪、恒流量运行、恒压力运行、停机、故障，各状态之间的切换方法如图2所示。本泵阀联动控制方法针对各状态的控制和状态的之间的切换，具体如下：

启动控制过程：

1)进口阀开度调节为100％，出口阀开度调节为80％，流量阀、压力阀开度调节为80％。

2)向变频器发送启动命令和启动转速。

3)检测进口阀、出口阀、压力阀、流量阀开度和电机转速，若预定时间内均达到设定值，则判定启动成功，否则启动失败。

4)若启动失败，则向变频器发送停机命令，进入停机状态。

5)若启动成功，则进入准备就绪状态，控制系统根据当前工况状态进入恒流量控制状态或恒压力控制状态。

恒流量控制，以恒流量260m³/h为例，如图3所示包括以下步骤：

1)海水泵系统控制装置通过以太网接口接收服务器或平板电脑发送的控制目标值Q_c＝260m³/h、启动命令；

2)通过ZigBee接口发送命令驱动进口阀、出口阀、压力阀、流量阀至指定开度；

3)通过CAN接口向变频器发送启动转速1500r/min和启动命令；

4)延时15s后检测：变频器的转速，进口阀、出口阀、压力阀、流量阀的阀门开度，以及泵的扬程H是否大于8m，若在30s内达到要求，则进入步骤5)，否则进入故障状态；

5)通过ZigBee接口发送命令，将压力阀开度调节为0关闭压力阀，若调整成功则进入步骤6)，否则进入故障状态；

6)通过服务器或平板电脑预先录入的泵的设计转速n₀下的流量扬程曲线抽象成离散点，组成数组D保存在海水泵系统控制装置内，D＝[(Q₁,H₁)；(Q₂,H₂)；…(Q_n,H_n)；(Q_n+1,H_n+1)；…]，(Q_n,H_n)是转速n时的高效点的流量及扬程。

每间隔0.5s执行以下步骤a)至步骤d)，从而每间隔0.5s更新一次当前实际流量Q及高效点流量Q₀’：

a)计算当前转速n时，泵的扬程H为：

H＝(P₂-P₁)/ρg+0.5，式中，P2为出口压力、P1为进口压力，ρ为海水密度，g为重力加速度；

b)计算设计转速n₀下的流量Q_D：

Q_D＝H(n₀/n)²；

搜索数组D，确定Q_D在数组D中的位置，若Q_D值的大小处在数组D中的Qn与Qn+1之间，数组D中对应点为(Q_n,H_n)、(Q_n+1,H_n+1)。

利用差值算法，重新计算得到Q_D：

c)计算当前实际流量Q，Q＝(n/n₀)Q_D；

d)计算高效点流量Q₀’，Q₀’＝(n/n₀)Q_n。

7)每次当前实际流量Q及高效点流量Q₀’更新后，判断：

若Q_c＜Q₀’，则每0.5s向变频器发送降1Hz变频指令，直至Q_c＝Q₀’(判断误差±5％)；

若Q_c＞Q₀’，则每0.5s向变频器发送升1Hz变频指令，直至Q_c＝Q₀’(判断误差±5％)；

若Q＜Q_c，则在预设开度基础上，每2s向恒流量调节阀门(Vo3)发送增加开度信号，例如61％，62％，……，直至Q＝Q_c(判断误差±5％)；

若Q＞Q_c，则在预设开度基础上，每2s向恒流量调节阀门(Vo3)发送降低开度信号，例如59％，58％，……，直至Q＝Q_c(判断误差±5％)。

恒压力控制，如图4所示，包括以下步骤：

1)海水泵系统控制装置通过以太网接口接收服务器或平板电脑发送的设定扬程H0、启动命令；

2)通过ZigBee接口发送命令驱动进口阀、出口阀、压力阀、流量阀至指定开度；

3)通过CAN接口向变频器发送启动转速1500r/min和启动命令；

4)延时15s后检测：变频器的转速，进口阀、出口阀、压力阀、流量阀的阀门开度，以及泵的扬程H是否大于8m，若在30s内达到要求，则进入步骤5)，否则进入故障状态；

5)通过ZigBee接口发送命令，将流量阀开度调节为0关闭流量阀，若调整成功则进入步骤6)，否则进入故障状态；

6)计算当前转速n下的扬程值H：若大于设定扬程H0，则控制器每0.5s向变频器发送降1Hz变频指令；若小于设定扬程H0，则控制器每0.5s向变频器发送升1Hz变频指令。

停机控制过程：

由海水泵系统控制装置向变频器发送停机命令。

Claims (3)

1.一种基于ZigBee通信技术的海水泵系统控制装置，其特征在于，采集海水泵系统的压力传感器输出的4～20mA信号并且采集海水泵系统的PT100的电阻信息，通过CAN通信接口与海水泵系统的变频器进行信息交互，通过ZigBee接口与海水泵系统的进口阀、出口阀、压力阀、流量阀进行信息交互，通过以太网接口与服务器及智能终端设备进行信息交互，从而利用泵阀联动控制方法实现对海水泵系统的控制使海水泵系统状态在启动准备状态、准备就绪状态、恒流量运行状态、恒压力运行状态、停机状态与故障状态之间切换：

所述海水泵系统控制装置向海水泵系统给出启动指令后，海水泵系统的状态由停机状态切换至启动准备状态；准备完毕后，海水泵系统的状态由启动准备状态切换至准备就绪状态，若海水泵系统无法切换至准备就绪状态则进入故障状态，处于准备就绪状态的所述海水泵系统在所述海水泵系统控制装置的控制下切换至恒流量运行状态或恒压力运行状态；处于恒流量运行状态或恒压力运行状态的海水泵系统若发生数据异常，则切换至故障状态，若收到外部给出的停机指令，则在所述海水泵系统控制装置的控制下切换至停机状态；

所述海水泵系统在所述海水泵系统控制装置控制下切换至所述恒流量运行状态具体包括以下步骤：

1)海水泵系统控制装置通过以太网接口接收服务器或平板电脑发送的控制目标值Q_c＝260m³/h、启动命令；

2)通过ZigBee接口发送命令驱动进口阀、出口阀、压力阀、流量阀至指定开度；

3)通过CAN接口向变频器发送启动转速1500r/min和启动命令；

4)延时15s后检测：变频器的转速，进口阀、出口阀、压力阀、流量阀的阀门开度，以及泵的扬程H是否大于8m，若在30s内达到要求，则进入步骤5)，否则进入故障状态；

5)通过ZigBee接口发送命令，将压力阀开度调节为0关闭压力阀，若调整成功则进入步骤6)，否则进入故障状态；

6)通过服务器或平板电脑预先录入的泵的设计转速n₀下的流量扬程曲线抽象成离散点，组成数组D保存在海水泵系统控制装置内，D＝[(Q₁,H₁)；(Q₂,H₂)；…(Q_n,H_n)；(Q_n+1,H_n+1)；…]，(Q_n,H_n)是转速n时的高效点的流量及扬程；

每间隔0.5s执行以下步骤a)至步骤d)，从而每间隔0.5s更新一次当前实际流量Q及高效点流量Q₀’：

a)计算当前转速n时，泵的扬程H为：

H＝(P₂-P₁)/ρg+0.5，式中，P2为出口压力、P1为进口压力，ρ为海水密度，g为重力加速度；

b)计算设计转速n₀下的流量Q_D：

Q_D＝H(n₀/n)²；

搜索数组D，确定Q_D在数组D中的位置，若Q_D值的大小处在数组D中的Qn与Qn+1之间，数组D中对应点为(Q_n,H_n)、(Q_n+1,H_n+1)；

利用差值算法，重新计算得到Q_D：

c)计算当前实际流量Q，Q＝(n/n₀)Q_D；

d)计算高效点流量Q₀’，Q₀’＝(n/n₀)Q_n；

7)每次当前实际流量Q及高效点流量Q₀’更新后，判断：

若Q_c＜Q₀’，则每0.5s向变频器发送降1Hz变频指令，直至Q_c＝Q₀’，判断误差±5％；

若Q_c＞Q₀’，则每0.5s向变频器发送升1Hz变频指令，直至Q_c＝Q₀’，判断误差±5％；

若Q＜Q_c，则在预设开度基础上，每2s向恒流量调节阀门发送增加开度信号，直至Q＝Q_c；

若Q＞Q_c，则在预设开度基础上，每2s向恒流量调节阀门发送降低开度信号，直至Q＝Q_c。

2.如权利要求1所述的一种基于ZigBee通信技术的海水泵系统控制装置，其特征在于，所述海水泵系统在所述海水泵系统控制装置控制下切换至所述启动准备状态包括以下步骤：

所述海水泵系统控制装置将所述海水泵系统的进口阀开度调节为100％、出口阀开度调节为80％，流量阀、压力阀开度调节为80％；

所述海水泵系统控制装置向所述海水泵系统的变频器发送启动命令和启动转速；

所述海水泵系统控制装置检测进口阀、出口阀、流量阀及压力阀开度和电机转速，若在预定时间内均达到设定值，则判定启动成功，所述海水泵系统进入准备就绪状态，否则启动失败，向变频器发送停机命令。

3.如权利要求1所述的一种基于ZigBee通信技术的海水泵系统控制装置，其特征在于，所述海水泵系统在所述海水泵系统控制装置控制下切换至所述恒压力运行状态包括以下步骤：

1)海水泵系统控制装置通过以太网接口接收服务器或平板电脑发送的设定扬程H0、启动命令；

2)通过ZigBee接口发送命令驱动进口阀、出口阀、压力阀、流量阀至指定开度；

3)通过CAN接口向变频器发送启动转速1500r/min和启动命令；

4)延时15s后检测：变频器的转速，进口阀、出口阀、压力阀、流量阀的阀门开度，以及泵的扬程H是否大于8m，若在30s内达到要求，则进入步骤5)，否则进入故障状态；

5)通过ZigBee接口发送命令，将流量阀开度调节为0关闭流量阀，若调整成功则进入步骤6)，否则进入故障状态；

6)计算当前转速n下的扬程值H：若大于设定扬程H0，则控制器每0.5s向变频器发送降1Hz变频指令；若小于设定扬程H0，则控制器每0.5s向变频器发送升1Hz变频指令。

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