CN113614381B - 在用于输送液体的机器的操作期间检测空吸发生的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在用于输送液体的机器的操作期间检测空吸发生的方法，该机器包括叶轮并且可操作地连接到控制单元。该方法的特征在于操作机器以输送液体的步骤，该机器是在机器的瞬时功率被导向设定功率水平(Pset)的条件下操作的，其中，允许机器的瞬时功率在设定功率水平范围(Prange)内波动，以最大因数[100+Xup]％乘以设定功率水平(Pset)定义该范围的上界，以最小因数[100‑Xdown]％乘以设定功率水平(Pset)定义下界，并通过监测机器的至少一个操作参数：功率[P]、电流[I]和功率因数

Description

在用于输送液体的机器的操作期间检测空吸发生的方法

技术领域

本发明大体上涉及控制适用于输送液体的机器(例如潜水排污泵/废水泵、潜水排水泵或潜水污水搅拌机/废水搅拌机)的操作的方法领域。本发明更具体地涉及用于检测空吸(snoring)发生(即当机器的叶轮/推进器部分在液体中操作并且部分在气体/空气中操作时)的方法的领域。因此，本发明旨在一种包括叶轮和电动马达并且可操作地连接到控制单元的机器。

背景技术

在潜水式机器(例如泵)的操作过程中，只要泵能够泵送/输送液体，即泵的入口位于液面以下，并且只有液体进入泵蜗壳,就没有问题。但是当液面低于泵的入口时，泵在操作过程中将开始吸入部分液体和部分气体/空气，叶轮将部分在液体中操作，部分在气体/空气中操作。这种现象被称为空吸，因为在这种情况下泵会产生空吸声。用于在水箱中输送/搅拌污水/废水的潜水搅拌机也会出现相同的空吸现象，当搅拌机的叶轮/推进器完全浸入水中时，没有问题。但是当液面下降并且叶轮/推进器的叶片在旋转过程中进入液面上方时，叶轮将部分在液体中操作，部分在气体/空气中操作。

在空吸期间，机器的扭矩需求/要求，更准确地说是机器的电动马达的扭矩需求将在稳定的操作速度下降低。因此，由于机器/马达的扭矩在空吸期间减小，机器/马达的电流和功率将减小，并且机器/马达的功率因数在空吸期间将改变。操作速度、扭矩、功率、电流和功率因数之间的关系取决于具体的机器/马达。对于特定的机器/马达，这些关系是众所周知的，并且通过监测这些量中的一个或多个，其他量便被认为是等效已知的。

对于某些应用，例如包括潜水排污泵/废水泵的泵站，在液面下降到泵入口以下之前，泵通常就被控制单元根据来自液位传感器的停止信号停止了。不过，作为安全特征，泵也可能在识别出泵正在空吸时停止，例如，如果液位传感器发生故障，就会出现这种情况。当泵空吸时，泵的操作不再有效，同时泵继续使用能量，即消耗大量能量而不产生任何液体输出。因此，如果泵长时间空吸，则泵的电动马达和其他部件可能由于过热/磨损而损坏。如果空气被泵入出口管道，这在某些应用中也是一个问题，这可能导致水锤和压头损失。在某些应用和情况下，泵旨在空吸以去除漂浮在液体表面上的油脂/废物，或者至少使液体表面上积累/产生的油脂/废物的饼状物破碎。

当搅拌机在空吸的情况下操作时，搅拌机的驱动轴和轴承上的负载会不均匀，从而导致磨损加剧。

对于某些应用，例如没有泵停止液位传感器的潜水排水泵/脱水泵，泵通常在泵空吸时也会工作，直到泵被手动关闭。如果泵的操作者不注意，泵在空吸的情况下驱动时间过长，会导致例如叶轮、抽吸盖、密封件、电动马达等泵部件的磨损和高机械应力。在这种情况下，空吸的检测可用于降低泵的操作速度一段时间，直到液面再次高于泵入口或处于泵启动液位。

已知存在检测空吸的方法，但这些方法特别关注对机器的操作速度进行快速和复杂调节以便将机器的瞬时功率导向设定功率水平的机器。这种操作也称为恒功率调节，即在正常的无空吸操作期间，操作速度的调节非常快，以至于机器的瞬时功率几乎是恒定的。已知方法(例如在EP3246572中的方法)如果在机器的操作速度增加的同时检测到平均功率与设定功率水平的波动/偏差为2％，则视为空吸。

然而，在以下情况下也需要能够检测空吸：机器的操作速度处于最大和/或无法调节；输送的污水/废水的性质变化很大，导致相对于设定功率水平的自然波动/偏差超过2％；机器的操作速度的调节回路慢，导致如果确定机器的平均功率，则该平均功率将不能正确表示真实的操作。

发明内容

本发明旨在提供一种改进的方法，用于检测在用于输送液体的机器的操作期间空吸的发生。本发明的主要目的是提供一种最初定义类型的改进方法，该方法将以可靠的方式检测机器是否在未知或变化的环境中空吸。本发明的另一个目的是提供一种方法，该方法利用被配置为驱动操作中的机器的控制单元同样地检测空吸。本发明的另一个目的是提供一种不需要监测或知道机器的操作速度的方法。本发明的一个目的是基于机器的瞬时功率确定空吸。

根据本发明，至少通过具有独立权利要求中定义的特征的最初定义的方法来实现主要目的。本发明的优选实施例在从属权利要求中被进一步限定。

根据本发明，提供了一种最初定义类型的方法，其特征在于以下步骤：操作机器以输送液体，机器在机器瞬时功率被导向设定功率水平(Pset)的条件下操作，其中，允许机器的瞬时功率在设定功率水平范围(Prange)内波动，以最大因数[100+Xup]％乘以设定功率水平(Pset)定义该范围的上界，以最小因数[100-Xdown]％乘以设定功率水平(Pset)定义该范围的下界，并通过监测机器的至少一个操作参数：功率[P]、电流[I]和功率因数在机器的瞬时功率低于空吸水平(Psnor)时，通过控制单元确定机器空吸，其中空吸水平(Psnor)等于空吸因数[100-(Xdown+W)]％乘以设定功率水平(Pset)，其中空吸因数[100-(Xdown+W)]％中的W元素大于0且小于或等于25。

根据本发明，还提供了计算机程序产品，包括至少一个非暂时性计算机可读存储介质，该存储介质中嵌入有计算机可读程序代码部分，其中计算机可读程序代码部分被配置为执行根据权利要求1所述的方法的步骤，以便在用于输送液体的机器的操作期间检测空吸的发生。

因此，本发明基于这样的理解：对于在机器的瞬时功率被导向设定功率水平的条件下操作的机器(泵或搅拌机)，不同于具有稳定/恒定或极大波动的瞬时功率的机器，该机器的空吸水平偏移了在无空吸操作期间允许的机器瞬时功率波动的功率水平范围。偏移量越大，对空吸发生的检测就越可靠。本发明适用于直接在线机器和操作速度被调节的机器。

在本发明的优选实施例中，在第一步中：通过控制单元操作机器以输送液体，控制单元在机器的瞬时功率被导向设定功率水平(Pset)的情况下控制机器的操作。由此，可以通过监测/控制机器操作的相同控制单元以可靠且有效的方式检测空吸。

根据优选实施例，最小因数[100-Xdown]％中的Xdown元素大于或等于3且小于或等于25。

根据优选实施例，空吸因数[100-(Xdown+W)]％大于或等于70％。

根据优选实施例，设定功率水平(Pset)是在机器的无空吸操作期间确定的测量目标值。因此，设定功率水平是根据机器在无空吸操作时瞬时功率的实际波动而定的。

根据其他从属权利要求以及以下优选实施例的详细描述，本发明的进一步优点和特征将是显而易见的。

具体实施方式

本发明涉及控制适用于输送液体(如污水/废水、含有固体物质的液体、泥浆、清水等)的机器的操作的方法。该机器包括潜水排污泵/废水泵、潜水排水泵/脱水泵、或潜水污水搅拌机/废水搅拌机，即包括叶轮/推进器的被配置为输送液体的机器。本发明具体涉及用于在这种机器的操作期间检测空吸(即叶轮部分在空气中、部分在液体中操作/旋转的操作条件)的发生的方法。机器可操作地连接到控制单元或控制器，其中控制单元被配置为至少监测机器/马达的操作参数：功率[P]、电流[I]和功率因数中的至少一个，并检测机器何时空吸。

当检测到空吸时，该信息可用于停止机器、通知操作者、用作与机器相关的另一种控制方法的输入、校准与机器相关使用的不同传感器等。

根据本发明，该方法包括以下步骤：

操作机器以输送液体，所述机器是在机器瞬时功率被导向设定功率水平(Pset)的条件下操作的，其中，允许机器的瞬时功率在设定功率水平范围(Prange)内波动，以最大因数[100+Xup]％乘以设定功率水平(Pset)定义该范围的上界，以最小因数[100-Xdown]％乘以设定功率水平(Pset)定义下界，并且

当机器的瞬时功率低于空吸水平(Psnor)时，通过控制单元确定机器正在空吸，其中空吸水平等于空吸因数[100-(Xdown+W)]％乘以设定功率水平(Pset)。

需要指出的是，术语“设定功率水平”被解释为表示机器/泵消耗的实际电力的预定/预设值/阈值，并且术语“空吸水平”被解释为表示机器/泵消耗的实际电力的值/阈值，认为低于该值/阈值则确定了空吸。

应当指出，与空吸检测相关的术语“当......时”被解释为意味着“尽快”。还需要指出的是，本发明可以与其他空吸检测方法并行使用。术语“机器的功率”被解释为表示机器/马达在当前操作条件下的功率消耗。术语“机器的电流”被解释为表示机器/马达在当前操作条件下的电流消耗。取决于所监测的操作参数/数量，直接或间接/相应地确定功率消耗降低的发生，这对于技术人员来说被认为是等效的。因此，如果电流是监测量，则将瞬时电流与对应于空吸时的功率水平的电流水平进行比较，即，当瞬时电流超过空吸时的所述电流水平时，机器消耗的瞬时功率超过空吸水平。

本发明特别适用于在正常无空吸操作中机器的瞬时功率将在设定功率水平范围(Prange)内大幅波动的应用和/或正常波动程度未知时的应用。例如，由于输送液体的不同性质、慢速控制回路等。

本发明适用于直接在线的机器，即由恒定频率(即电源频率Hz)操作的机器。从而机器被操作以使得机器的瞬时功率在机器的无空吸/正常操作期间被导向设定功率水平(Pset)。控制单元被配置为监测机器汲取的功率和电流中的至少一个，并且检测机器的瞬时功率何时低于空吸水平(Psnor)。所述监测可以连续地或间歇地被执行。

本发明也适用于更复杂或更智能的机器。机器可操作地连接到控制单元，并且根据优选实施例，控制单元内置于机器中。在此类应用中，机器由控制单元驱动操作，即通过控制单元操作机器以输送液体，其中控制单元在机器的瞬时功率被导向设定功率水平(Pset)时控制机器的操作。因此，控制单元通过调整机器的操作速度，努力将机器的瞬时功率保持在恒定水平。在优选实施例中，控制单元由变频驱动器[VFD]构成，该变频驱动器被配置为调节机器的操作速度，例如通过调节提供给机器的电动马达的交流电的频率Hz。因此，控制单元被配置为监测/调节/控制机器的操作速度，并且控制单元还被配置为监测由机器汲取的功率和电流中的至少一个操作参数。所述监测可以连续地或间歇地被执行。控制单元还被配置为检测机器的瞬时功率何时低于空吸水平(Psnor)。

根据一个实施例，在确定机器空吸之后直接停止机器，并且根据另一实施例，在确认机器正在空吸并经过预定时间段之后停止机器，这取决于应用。机器的停止包括缓慢降低机器的操作速度或直接/突然停止机器的操作速度，例如通过在控制单元中将操作速度设置为零或通过将机器与电源可操作地断开。

在机器由于空吸而停止之后，机器保持不工作直到出现新的启动标准/条件。根据一个实施例，机器在预定的暂停时间保持不工作，或者根据另一实施例，机器保持不工作直到控制单元从传感器或操作者获得启动信号。此后，机器再次处于工作状态，直到它被手动停止、因空吸而停止或因来自液位传感器的停止信号而停止等。

根据优选实施例，最大因数[100+Xup]％中的Xup元素大于或等于3且小于或等于25。优选地，Xup元素大于或等于5且小于或等于20。此外，优选地，最小因数[100-Xdown]％中的Xdown元素大于或等于3且小于或等于25。优选地，Xdown元素大于或等于5且小于或等于20。

此外，根据本发明，空吸因数[100-(Xdown+W)]％中的W元素严格大于0且小于或等于25。优选地，W元素大于或等于3并且小于或等于10。优选地，优于上述限制，空吸因数[100-(Xdown+W)]％大于或等于70％，优选大于或等于80％。

因此，机器瞬时功率在功率水平范围(Prange)内的波动/偏差是正常的，只有当机器的瞬时功率低于偏移的空吸水平(Psnor)时，才确定机器空吸。根据优选实施例，当机器的瞬时功率在预定时间段[t]内出现多次/多个样本低于空吸水平(Psnor)时，机器的瞬时功率被确定为低于空吸水平(Psnor)，所述预定时间段小于或等于3秒。

Xup元素和Xdown元素可以是预定值，或者可以是在机器的无空吸操作期间确定/测量的值。此外，设定功率水平(Pset)可以是预定的目标值，或者可以是在机器的无空吸操作期间确定/测量的目标值。

在设定功率水平(Pset)是测量目标值的实施例中，优选地将其确定为在预定时间段[t]内机器的瞬时功率的平均值。预定时间段[t]大于或等于1秒且小于或等于30秒。优选地，预定时间段大于或等于3秒且小于或等于10秒。机器的瞬时功率的平均值优选地基于在预定时间段[t]上均匀分布的多个样本[m]。样本[m]数小于或等于50且大于或等于10。优选地，样本[m]数小于或等于20。需要指出的是，在机器的无空吸操作期间测量/确定的设定功率水平(Pset)的目标值可以用作机器后续操作期间的预定目标值。

在本发明的另一方面，提供了一种计算机程序产品，包括至少一个非暂时性计算机可读存储介质，该存储介质中嵌入有计算机可读程序代码部分，其中计算机可读程序代码部分被配置为当在控制单元中运行时执行所述方法的步骤，在用于输送液体的机器的操作期间检测空吸的发生。

本发明的可行变化形式

本发明不仅限于上述主要用于说明性和示例性目的的实施例。本专利申请旨在涵盖这里描述的优选实施例的所有调整和变化形式，因此，本发明将由所附权利要求的措辞来确定，并且可以在所附权利要求的范围内以各种方式来改进设备。

还应指出的是，即使没有明确说明来自特定实施例的特征可以与来自另一实施例的特征组合，但如果组合是可行的，则该组合应被认为是显而易见的。

Claims (21)

1.一种在用于输送液体的机器的操作过程中检测空吸的发生的方法，其中在不监测所述机器的操作速度的情况下进行空吸检测，所述机器包括叶轮和电动马达并且被操作连接到控制单元，其中，该方法的特征在于包括以下步骤：

-操作机器以输送液体，所述机器是在机器的瞬时功率被导向设定功率水平Pset的条件下操作的，其中，允许机器的瞬时功率在设定功率水平范围Prange内波动，以最大因数[100+Xup]％乘以设定功率水平Pset定义该设定功率水平范围Prange的上界，以最小因数[100-Xdo wn]％乘以设定功率水平Pset定义该设定功率水平范围Prange的下界，并且

-通过监测机器的至少一个操作参数：功率P、电流I和功率因数cosφ，在机器的瞬时功率低于空吸水平Psnor时，通过控制单元确定机器空吸，所述空吸水平Psnor等于空吸因数[100-(Xdown+W)]％乘以设定功率水平Pset，其中空吸因数[100-(Xdown+W)]％中的W元素大于0且小于等于25。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一步中：

-通过控制单元操作机器以输送液体，控制单元在机器的瞬时功率被导向设定功率水平Pset的情况下控制机器的操作。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，最大因数[100+Xup]％中的Xup元素大于等于3且小于等于25。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，最小因数[100-Xdown]％中的Xdown元素大于等于3且小于等于25。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述空吸因数[100-(Xdown+W)]％大于等于70％。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，当机器的瞬时功率在预定时间段t内多次低于空吸水平Psnor时，将机器的瞬时功率确定为低于空吸水平Psnor，所述预定时间段t小于等于3秒。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述设定功率水平Pset是预定目标值。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述设定功率水平Pset是在所述机器的无空吸操作期间确定的测量目标值。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述测量目标值被确定为在预定时间段t内机器的瞬时功率的平均值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述预定时间段t大于等于1秒并且小于等于30秒。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述机器的瞬时功率的平均值基于在预定时间段t内均匀分布的多个样本m。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述样本m的数量小于等于50。

13.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：当机器的瞬时功率被确定为低于空吸水平Psnor时，通过控制单元因空吸而停止机器。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述机器在因空吸而停止之后，在预定的暂停时间内保持不工作。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述机器在因空吸而停止之后保持不工作，直到所述控制单元从传感器获得启动信号。

16.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述控制单元由变频驱动器构成。

17.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述机器是潜水式机器。

18.根据权利要求9所述的方法，其中，所述预定时间段t大于等于3秒并且小于等于10秒。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述样本m的数量大于等于10且小于等于20。

20.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述机器是潜水泵或潜水搅拌机。

21.计算机程序产品，包括至少一个非暂时性计算机可读存储介质，该存储介质中嵌入有计算机可读程序代码部分，其中计算机可读程序代码部分被配置为当在控制单元中运行时执行根据权利要求1的方法的步骤，在用于输送液体的机器的操作期间检测空吸的发生。