TWI447302B - 泵浦系統的診斷裝置及其性能診斷方法 - Google Patents

Description

泵浦系統的診斷裝置及其性能診斷方法

本揭露是有關於一種性能診斷技術，且特別是有關於一種泵浦系統的診斷裝置及其性能診斷方法。

泵浦(Pump)是一種透過加壓方式來移動流體、氣體或特殊流體介質，使之輸送流動的機械。換句話說，泵浦即是對流體作功的機械。循環水流則廣泛用於整個工業，在許多機構設施(例如，空調設備、冷卻系統)中經常被視為必要的能源供應。由於泵浦會耗用比任何其他種類的設備更多的電力，不適當的設計與操作泵浦系統致使效率不佳的情形非常明顯。因此，如果能夠對泵浦系統進行有效且正確的節能改善，便有機會大幅節省工業用電力的消耗。

然而，泵浦系統經常缺乏管理，若經常進行停機檢驗與管理的話，則會損失掉工廠的產能，導致無法了解泵浦系統的運轉狀態。因此，廠商皆希望可以開發一套能夠對泵浦進行現場監測、分析、專業管理及執行系統能源效率的診斷技術，此診斷技術不需要進行停機檢驗，便可快速地導入工廠，執行最低成本的不停機診斷，提供廠商對於泵浦系統之調整、換機、維護管理以及節能投資的參考依據。

另一方面，目前已經有許多針對泵浦系統的節能措施，這些措施亦具有相當大的節能潛力。然而，要進行這些節能措施之前，必須先行瞭解泵浦系統的運作狀態，否則無從得知這些節能措施在進行之後預期的改善幅度。只有當重要參數(例如，壓力、流量、電力...等)皆具備後，才能估算出目前泵浦系統的運作點與效率。

傳統上，工廠內裝設的泵浦系統大多沒有具備完整且全面的壓力診斷裝置、流量計等高單價設備，因而難以判斷泵浦系統的實際狀況是否合理、是否操作於泵浦系統的高效率區，甚至泵浦系統是否已經衰退而偏離原先設計，造成能源的浪費、或已有部份零件故障而影響生產。因此，一般工廠維護者大多在泵浦即將故障甚至故障後才更換新品，徒浪費能源而不自知。

目前工廠中利用多個泵浦配合馬達所組成的泵浦系統，通常並不具備有完整且全面性的性能檢測設備，更罔論設置針對泵浦系統的智慧型診斷裝置。若廠商需要進行泵浦的性能檢測及診斷時，僅能將整個泵浦系統停機後，於重點偵測區域加裝固定式量測設備、並將其連接至可執行性能評估的電腦主機。然而，一旦停機，工廠的產能便會耗損，而且此種性能評估設備的成本皆十分昂貴，許多廠商認為投資於此並不合經濟效益。因此，目前仍缺乏可直接在現有泵浦系統上進行性能分析、診斷及效能評估的相關技術。

習知技術如中華民國專利公告第170031號的「流體機械線上監測診斷裝置」以及中華民國專利公開第201027014號的「空調耗能管理方法」，上述兩者分別提供流體機械的故障判斷以及專用於空調系統的電能管理監控，但並未提供能夠對泵浦系統進行現場監測、全面性進行耗電量的分析，無法推估節能預期效果的性能診斷技術。

本揭露提供一種泵浦系統的診斷裝置及其性能診斷方法，其可迅速導入泵浦系統而不影響工廠運作，並透過馬達資料庫以及泵浦資料庫來強化評估準確度，自動化進行泵浦系統的能源效率診斷。

本揭露提出一種診斷裝置，其適用於泵浦系統。診斷裝置包括電力量測模組、液壓量測模組、流量量測模組以及診斷模組。電力量測模組測量泵浦系統的多個電力讀數，液壓量測模組測量泵浦系統的多個壓力讀數，而流量量測模組則是測量泵浦系統的多個流量讀數。診斷模組耦接至電力量測模組、液壓量測模組以及流量量測模組。診斷模組接收上述電力讀數、壓力讀數以及流量讀數並利用馬達資料庫以及泵浦資料庫進行參考，以分析泵浦系統的管路阻抗曲線與泵浦系統的特性曲線，從而計算出泵浦系統的操作點，進而產生泵浦系統的診斷資訊。

從另一觀點而言，本揭露提出一種性能診斷方法，其適用於一泵浦系統。此性能診斷方法包括下列步驟。分別測量泵浦系統的多個電力讀數、多個壓力讀數以及多個流量讀數。依據這些電力讀數、壓力讀數以及流量讀數並參考馬達資料庫以及泵浦資料庫，藉以分析泵浦系統的管路阻抗曲線與泵浦系統的泵浦特性曲線。以及，計算泵浦系統的操作點並產生泵浦系統的診斷資訊。

基於上述，本揭露所開發的診斷裝置適用於正在運轉的泵浦系統，可在不影響泵浦系統的運作下進行現場短期間的效能監控、分析及評估。並且，本揭露利用內建於資料中的出廠資訊，自動地與實際運作中所測量得到的相關數據加以比對，便可更為清楚地得到各個實際運作的泵浦在基於成本、生命週期等考量之下的量化統計圖表，從而評估是否需要更換、調整、修理泵浦系統，以使泵浦系統更符合工廠的需求，並使其運作於耗能的高效率區。最終目的在於，提供生產線單位在產能耗電量的改善，使泵浦在滿足製程需求下以最低耗電量與最高耗能效率進行運轉。

為讓本揭露之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

現將詳細參考本揭露之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/符號代表相同或類似部分。

本實施例開發一套可進行現場監測、分析及執行泵浦系統之能源效率診斷的儀器及軟體組合套件，其可方便快速的導入工廠，執行低成本的不停機診斷，並利用比速率Ns來自動判斷受測泵浦系統的運轉形式，從而針對不同運轉形式的泵浦判斷合理的效率值、電量數據、甚至是各個時間中每個泵浦的搭配運轉建議，使其易於評估泵浦系統的效能並加以節能省電。此外，可自動化地基於泵浦的生命週期、生產成本、效能分析而產生量化後的客制化圖形、報表，提供廠商對於泵浦系統進行調整、更換、維護管理以及節能投資的參考依據，大幅度擴充工廠的節能效益。

圖1是根據本揭露一實施例說明泵浦系統100的示意圖。如圖1所示，泵浦系統100包括泵浦馬達110、傳輸管線120、回流管線160以及管路裝置130，泵浦馬達110則具備配送電力所需的配電盤170。於本實施例中，泵浦馬達110主要由泵浦112及馬達115兩部份組成，馬達115利用中介的轉動轉矩以帶動泵浦112運轉。流體(例如水)將會透過泵浦馬達110獲得能量，並經由傳輸管線120提供至多個管路裝置130中以供使用。在此將泵浦馬達110供應的能量稱作揚程(Head；簡寫H)，亦即每單位重量之流體所獲得的機械能增高量。在開放式管路，傳輸管線120末端的流體可被導引至他處以進行廢水或廢棄物處理。而在封閉式管路，各個管路裝置130使用後的流體會在密閉式管路中經由回流管線160導引回泵浦馬達110，藉以繼續進行流體循環。為了方便描述，本實施例僅繪示單個泵浦馬達110。其它實施例也可將多個泵浦馬達加以串接而提升對於流體的作功效率，藉以符合工廠的實際需求。

由於難以實際量測管路內的阻抗曲線(以下簡稱管路阻抗曲線)，因此一般泵浦控制技術通常使用固定參考值(例如固定末端水壓值)，因而忽略了管路阻抗會隨管路形狀、磨擦係數、管路裝置數量或閥門等因素而隨之變動。於此，本揭露實施例利用圖2的診斷裝置來自動學習此泵浦系統100的管路阻抗曲線，進而達成上述功效。此外，本實施例可以利用泵浦系統的單機用水量模式為主軸，從而可提供各泵浦系統的不同時間流體流量及流量功率的統計。

圖2是根據本揭露一實施例說明診斷裝置200的方塊圖，並可同時參考圖1以了解診斷裝置200如何裝設且適用於泵浦系統100。診斷裝置200包括對於泵浦系統100的電性及物性整合監測儀，包括對於單個泵浦馬達110及整個泵浦系統100的電力量測模組210、液壓量測模組220、流量量測模組230。診斷裝置200在後處理方面發展以微軟系統為基礎的分析診斷軟體，例如是診斷模組240，藉以執行後處理分析。電力量測模組210於泵浦馬達110的配電盤170利用夾式電流計/電壓計作為電流、電壓感測器，並藉以量測泵浦馬達110的耗電電流量、耗電電壓，並透過算式以計算出耗電功率...等，本實施例將上述耗電電流量、耗電電壓、耗電功率等資訊稱為電力讀數。於其他實施例中，電力量測模組210也可以透過集合式電錶來實現，例如三用電錶。

本實施例的液壓量測模組220則由入口壓力感測器222(利用壓力計實現)以及出口壓力感測器225(壓力計)所組成。入口壓力感測器222裝設於泵浦馬達110的流體入口處，而出口壓力感測器225裝設於泵浦馬達110的流體出口處。液壓量測模組220便可藉此獲得泵浦馬達110入口與出口之間的流體壓力差，以作為壓力讀數。本實施例以超音波流量計作為流量量測模組230的實現，藉以於現場立即進行檢測且不需破壞管線。超音波流量計測量泵浦系統100管路中每單位時間所流通的流體流量，以作為流量讀數。

診斷模組240耦接至電力量測模組210、液壓量測模組220以及流量量測模組230。診斷模組240包括資料轉換模組250、控制單元260、馬達資料庫270、泵浦資料庫280以及人機介面290。由於各個量測模組傳輸資料的介面、資料種類及型態的不同，因此診斷模組240利用資料轉換模組250來接收各種量測模組的類比訊號，並將其轉換為數位訊號以供後續性能診斷之用。熟悉此技術領域者可針對易於裝設且變動量大的必要資訊作為必需量測的效能讀數，藉以決定感測器的種類、數量及放置地點，本揭露並不限制於此。

於本實施例中，夾式電流計/電壓計以及超音波流量計皆透過RS-485介面連接至診斷模組240的資料轉換模組250以傳輸資訊，而裝設於泵浦馬達110流體出水口以及其入水口的壓力計則利用USB介面來傳輸所測量獲得的資訊到資料轉換模組250。此外，上述各個量測模組也可以利用無線傳輸協定模組(例如ZigBee模組)來與診斷模組240進行資料傳輸。

診斷模組240的控制單元260則利用經由上述資料轉換模組250所傳輸之電力讀數、壓力讀數以及流量讀數，並參考馬達資料庫270以及泵浦資料庫280，分析泵浦系統110的管路阻抗曲線與泵浦系統100的特性曲線，從而計算出泵浦系統100的操作點，進而產生泵浦系統100的診斷資訊。馬達資料庫270及泵浦資料庫280中每筆資料即代表每個馬達及泵浦在原廠出廠時的相應參數。馬達資料庫270可包括下列欄位：製造商、型號、滿載功率、部分負載的功率、電壓、型式、級數、同步轉速、公因、效率。此外，泵浦資料庫280可包括下列欄位：製造商、型號、輸送液體種類、型式、水量、揚程、流量揚程特性曲線、馬力、級數、入口型式、NPSHr、比速率Ns、泵浦種類、效率曲線、轉速。藉此，馬達資料庫270及泵浦資料庫280可以作為實際運作之泵浦馬達110的對應參考。於本實施例中，馬達資料庫270可包括馬達標準CNS2934、CNS14400與IEC60034-30等。泵浦資料庫280則可包括國內外泵浦標準。

於本實施例中，在此列舉可供廠商參考的相關診斷資訊，例如，利用泵浦系統100的電力讀數、壓力讀數、流量讀數、流量功率、電源功率、比速率、泵浦揚程、總效率值和/或其組合所計算且統計產生的量化統計圖表。上述的量化統計圖表則可包括泵浦系統的運轉時間統計、耗電量統計、流體流量統計、耗能效率統計、性能衰退比較統計以及運轉成本資訊。診斷模組240可依據電費費率及上述的診斷資訊以計算出泵浦系統100的運轉成本資訊。

泵浦112(旋轉機構)是由馬達115所驅動的，因此必須利用馬達資料庫270以及泵浦資料庫280兩者的整合才能評估其效能。換句話說，馬達115透過連結系統以驅動泵浦112，從而對流體加壓，以透過管路將流體傳送至所需的管路裝置130中。在測量整套幫浦系統的效率時，比較難以單獨測量馬達115或泵浦112的單一效率。因為兩者在現場相互緊密結合，因此以下大部分皆以泵浦馬達110進行量測，而沒有區分兩者。

診斷裝置200除了可以呈現經由直接量測或經簡單分析之後的相關數據圖表以外，診斷模組240還可以顯示泵浦系統100在一預設時間(例如，運轉多年之後)的用電預測資訊、電功與流功之間的負載比率資訊、節能指示的相關資訊以及節能預測資訊。上述部分功能為應用本實施例者可應用得知，因此下述說明中將描述本案特別提出的診斷方法。

圖3是圖2之診斷裝置200的外觀示意圖。圖3繪示診斷模組240的機殼外型為一可攜式電腦外型，但僅為舉例且不限制於此。並同時參考圖2與圖3，診斷模組240亦包括有人機介面290，使用者可藉由人機界面290輸入泵浦系統100比對於實際運作的泵浦及其比對資訊，或是從馬達資料庫270以及泵浦資料庫280選擇上述比對的泵浦所對應的比對資訊，並與實際量測的診斷資訊進行比較。人機介面290也可讓使用者進行指令或參數的輸入，輸出或顯示診斷裝置200的性能分析或診斷結果。詳言之，人機介面290於本實施例中可以包括圖3的顯示單元310(在此以觸控螢幕作為舉例)、鍵盤320及滑鼠330，使用者可利用鍵盤320及滑鼠330或甚至是觸控螢幕來輸入規格參數及相關指令，並且利用顯示螢幕310顯示圖式或報表等資訊以讓使用者更為了解其分析診斷結果。於其他實施例中，人機介面290亦可包括各種傳輸介面，例如視訊圖形(Video Graphics Array,VGA)等顯示介面或通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)等資訊傳輸介面等，藉以將上述分析診斷結果傳輸至他處以供儲存、顯示及深入分析。

藉此，使用者或廠商便可透過現場設置的診斷裝置200，在短時間內進行泵浦系統100的性能分析、診斷及效能評估。詳言之，診斷裝置200利用泵浦系統100組合式的動力供給及分散負載的運轉特徵，透過現場架設且為非破壞式的量測模組以擷取泵浦系統100運轉資訊，並可分別輸入泵浦112及馬達115的特定性能資料，由執行後處理的診斷軟體結合兩者來預測系統的耗電效能與趨勢，是過去技術不易取得的系統運轉效率。並且，透過診斷軟體進行分析後的診斷資料不僅更為精確，並可量化結果來進行成本預測，讓工廠管理者對泵浦系統100進行控制、改善及維護上，擁有更高參考價值的診斷分析報告。

在本實施例中，診斷模組240中的控制單元260係執行一軟體以利用上述資料、馬達資料庫270以及泵浦資料庫280，配合泵浦系統100中已知馬達、泵浦出廠資料與參數、電費費率及其他相關資訊，分析及估計泵浦系統100及各個泵浦馬達110的性能資料、特定時間(例如數秒至數年等時間)的效能預估及其生命週期估計等功能。

如圖4所示，圖4是根據本揭露一實施例說明性能診斷方法的流程圖。請參考圖4配合圖2，在步驟S410中，使用者可透過人機介面290來判斷是否進行泵浦系統的性能分析。當量測裝置皆設置完畢之後，使用者便可輸入指令以執行診斷模組240中的軟體，並於步驟S420中載入相關的設定及資料，例如是時間基期(本實施例的時間基期可為數秒至數年的時間，但不限制於此)。於步驟S430中，診斷裝置200依據使用者所設定的時間基期來持續地分別測量泵浦系統100的多個電力讀數、多個壓力讀數以及多個流量讀數。此外，部分實施例可將所接收的相關讀數整理為各項性能讀數的日誌記錄，以儲存至診斷模組240的記憶單元中。於本實施例中，每組記錄可依據時間基期的長短而含有數秒至數年的系統運轉資訊。

特別說明的是，如果在上述時間基期中，診斷裝置200因電力中斷而造成性能資訊的記錄中斷時，診斷裝置200便會在電力恢復後自動繼續記錄泵浦系統100及各個泵浦馬達110的性能資訊，直至時間基期結束為止。詳言之，當診斷裝置200啟動時，便會讀取其內部的記錄狀態檔，藉以得知診斷裝置200是否位於時間基期中。若位於時間基期中，診斷裝置200便直接執行初始化上述的量測模组，並持續進行步驟S430以繼續記錄。此外，在時間基期內時，本實施例每隔一段時間間隔便讀取各個感測器的讀數，並且在當任何步驟過程中有發生錯誤時，便將這些錯誤資訊儲存至記憶單元的記錄區域中，然後重新啟動診斷裝置，以使其持續進行讀數擷取、整理、儲存等動作。

於步驟S440中，診斷裝置200依據所儲存的電力讀數、壓力讀數以及流量讀數，並同時參考馬達資料庫270以及泵浦資料庫280，藉以分析泵浦系統110的管路阻抗曲線與泵浦系統的泵浦特性曲線。於步驟S450中，診斷裝置200便可透過上述資料(尤其是泵浦系統110的管路阻抗曲線與泵浦特性曲線)來計算泵浦系統的操作點，並於步驟S460中產生泵浦系統110的診斷資訊。最後，利用人機介面290或其他輸出裝置來顯示其診斷資訊(步驟S470)。

由於泵浦系統的性能診斷方法係利用上述診斷裝置加以實現，因此部分實施例可由上述說明得知，在此不予贅述。以下利用各個流程圖來詳細說明圖4中的各個步驟，或是於本實施例中部份診斷資訊的診斷流程，藉以更為說明本揭露實施例。

圖5A說明步驟S440中分析泵浦系統100的管路阻抗曲線的細部流程圖。由於管路阻抗曲線與泵浦特性曲線可以顯示整個泵浦系統的用水情形，這些壓力等測量值提供回饋資訊至後處理軟體，來進行分析及診斷之技術手段，達成確定通過機構的壓力損失以及幫助決定泵浦系統的最佳操作點，以解決泵浦系統操作在低效率區，浪費電能之問題。

請參照圖2與圖5A，於步驟S510中，診斷模組240從流量量測模組230獲得流量讀數中的流體流量值Q，以及從液壓量測模組220獲得壓力讀數中的出口壓力及入口壓力。流體流量值Q也就是單位時間中的水流流量。於步驟S520中，診斷模組240轉換出口壓力與入口壓力之間的差值，藉以計算出泵浦系統的系統揚程值H，系統揚程值H也就是每單位重量的流體通過泵浦系統後所獲得的能量。

於步驟S530中，診斷模組240設定傳輸管線120(圖1)的高度差參數C₀ 。藉此，於步驟S540中，便可依據系統揚程值H、高度差參數C₀ 以及流體流量值Q，以透過管路阻抗曲線方程式來計算出管路的摩擦參數C₁ 。

管路阻抗曲線方程式如下述方程式(1)所示：

H =C ₀ +C ₁ ×Q ² 　(1)

由於系統揚程值H、高度差參數C₀ 以及流體流量值Q皆已獲得，因此便可計算出管路摩擦參數C₁ 。然後，於步驟S550中，逐一調整不同的流體流量值Q，並依據已得知的高度差參數C₀ 與管路摩擦參數C₁ ，透過上述管路阻抗曲線方程式來計算多個估計揚程值H。藉此，於步驟S560中，便可在在流量-揚程圖上，依據上述估計揚程值H與其對應的流體流量值Q所組成的多個點集結成一條線，以建立管路阻抗曲線LR，如圖5B所示，圖5B繪示在流量-揚程圖上的管路阻抗曲線LR。

上述的管路摩擦參數C₁ 會因為管路裝置及節水閥等裝置的使用量而改變。若管路裝置的使用數量固定時，管路摩擦參數C₁ 也就固定不變。當因使用者需求而改變管路裝置的數量時，管路阻抗曲線LR的曲率也會隨之改變。

此外，每個泵浦馬達在實際運作時，在流量-揚程圖上也都具有其獨特的泵浦特性曲線。圖6A說明步驟S440中分析泵浦系統100的泵浦特性曲線的細部流程圖。於本實施例中，此流程步驟將會基於圖5A的流程後繼續執行。步驟S610中，藉由調整出口管路120或回流管線160或管路裝置130數量或閥門，可以調整泵浦系統100中泵浦馬達110的出口壓力及入口壓力之間的壓差，以變更系統揚程值H以及流體流量值Q大小，從而獲得多個系統揚程值H與流體流量值Q，並依據這些系統揚程值H與流體流量值Q的關係，在流量-揚程圖上逐步繪出每個系統揚程值H及其對應之流體流量值Q的多個點以集結成一條線，藉此建立泵浦系統的泵浦特性曲線LC，如圖6B所示，圖6B繪示在流量-揚程圖上的泵浦特性曲線LC。

診斷模組240可由使用者處取得泵浦的相關出廠參數、或從資料庫取得前次紀錄之流量揚程性能曲線、或與安裝後初始之流量揚程性能曲線進行比較、或是診斷模組240可藉由其專家系統中所自動計算與參考而得到的比速率Ns，藉以取得與實際運作泵浦進行相互比對的比對泵浦及對應之比對特性曲線RLC，以便於步驟S620中，將比對泵浦所對應的比對資訊與實際求得的泵浦特性曲線LC在流量-揚程圖上進行比較。

圖6C繪示在流量-揚程圖上的泵浦特性曲線LC與比對資訊中的比對特性曲線RLC。步驟S630便會判斷比對資訊所形成的比對特性曲線RLC是否會落在泵浦特性曲線LC的上方，且兩者曲線是否相距大於一預定距離。當步驟S630判斷為是，表示泵浦馬達的性能已經過度衰退。因此，進入步驟S640，診斷模組240便會提出警示訊息以進一步檢查泵浦馬達的內部結構，若內部的葉片表面與軸承磨損過大時，則需進行零件更換，或者直接更換泵浦系統100中已經老舊的泵浦馬達110，藉以改善泵浦系統。

經由圖5A及圖6A的步驟流程後，診斷模組240便可計算此泵浦系統的操作點。圖7A說明步驟S450中計算泵浦系統100的操作點的細部流程圖。於步驟S710中，診斷模組240在同一個流量-揚程圖上放置於圖5A步驟S560分析而得的管路阻抗曲線LR以及於圖6A步驟S610分析而得的泵浦特性曲線LC。請同時參考圖7B，圖7B繪示在流量-揚程圖上的管路阻抗曲線LR、泵浦特性曲線LC以及操作點OP。藉此，於步驟S720中，便會以管路阻抗曲線LR以及泵浦特性曲線LC相交的交叉點作為泵浦系統的操作點OP。

接著，如果診斷模組240取得可與實際運作泵浦進行相互比對的比對泵浦的話，便進入步驟S730並同時參考圖7C，圖7C繪示在流量-揚程圖上的管路阻抗曲線LR、泵浦特性曲線LC以及比對泵浦的出廠效率曲線LE-1~LE-3。於本實施例中，圖7C所繪示的出廠效率曲線LE-1、LE-2以及LE-3分別為80%、70%與60%的等效率曲線。並且，於步驟S740中，判斷操作點OP是否位於出廠效率曲線的合理操作範圍中。若操作點OP在合理操作範圍之外時，透過人機介面向使用者提供建議信息，藉以改善泵浦系統。

詳言之，於步驟S750中，診斷模組240利用出廠效率曲線LE-1來判斷操作點OP是否位於其之合理操作範圍R中。此處所指的合理操作範圍R是出廠效率曲線LE-1與泵浦特性曲線LC相交的兩端點之間的區域。假設操作點OP位於其之合理操作範圍R當中，表示泵浦系統操作正位於高效率區，此時泵浦系統長時間運轉最為省電，因此不須提出任何建議以改善泵浦系統。

若操作點位於合理操作範圍R的右邊(步驟S760)，例如操作點位於點OPA的時候，表示泵浦系統正位於低效率區，此時泵浦系統若長期運轉則會導致耗電過大而浪費能源。因此，於步驟S760中，便可提供建議信息以建議增加管路阻抗而減少流量Q，讓操作點OPA向合理操作範圍R移動，以提高泵浦系統的效率。若是工廠生產需要如此大的流量，此時可以根據流量揚程需求，選用新泵浦或是修改泵浦，使泵浦特性曲線LC符合需求，同時操作點重新落在合理操作範圍R中。

相似地，若操作點位於合理操作範圍R的左邊(步驟S770)，例如操作點位於點OPB的時候，表示泵浦系統正位於低效率區，此時泵浦系統若長期運轉則會導致耗電過大而浪費能源。因此，於步驟S770中，便可提供建議信息以建議減少管路阻抗而增加流量Q，讓操作點OPB向合理操作範圍R移動，以提高泵浦系統的效率。若是工廠所需的流量Q無法增加，此時可以根據流量揚程需求，選用新泵浦或是修改泵浦，使泵浦特性曲線LC符合需求，同時操作點重新落在合理操作範圍R中。

圖2的診斷模組240也可以產生上述量化統計中的耗能效率統計。圖8說明步驟S460中產生泵浦系統的診斷資訊的細部流程圖。於步驟S810中，診斷模組240依據流量功率W_L 與電源功率以計算泵浦系統的耗能效率。

流量功率W_L 的單位是千瓦(kW)，其依據下述方程式(2)計算而得：

方程式(2)中流體壓力P的單位是牛頓/每平方公尺(Nt/m² )。流量Q的單位則是立方公尺/每秒(m³ /sec)。

其中，上述流體壓力P為流體密度ρ、重力加速度g以及揚程H三者的乘積，如方程式(3)所述。

P =ρgH 　....(3)

因此，額定點的流體功率W_L 便可結合方程式(2)、(3)而成為方程式(4)來計算求得：

電源功率則為應用本實施例者所公知，其可利用上述的電力讀數來計算求得，在此不予贅述。藉此，由於泵浦系統是將輸入的電源功率轉換為流體功率W_L ，因此其耗能效率則由流體功率W_L 除以輸入的電源功率來獲得。

然後，於步驟S820中，將比對泵浦所對應的比對資訊與實際量測的耗能效率(步驟S810)進行比較，以產生一輸入耗能值。換句話說，上述的輸入耗能值便是實際量測的耗能效率除以出廠時耗能效率的百分比數值。

於步驟S830中，便會判斷上述的輸入耗能值是否小於合理耗能值(例如，50%)。如果輸入耗能值真的小於合理耗能值的時候，表示有很大的機率是使用者在選擇比對泵浦的時候，其對應的對比資料選用錯誤。因此，進入步驟S840，藉以發出警示信息而提示使用者從泵浦資料庫中選用較小功率的泵浦做為比對泵浦。相對地，如果輸入耗能值真的大於合理耗能值，則進入步驟S850，判斷此輸入耗能值是否大於超載耗能值(例如，100%)。當輸入耗能值大於超載耗能值的時候，表示泵浦系統已超載使用，因此進入步驟S860，診斷模組240將會發出建議信息，以提示使用者需針對泵浦系統進行降載動作，或是對泵浦系統進行檢修，以避免泵浦系統燒毀。

特別說明的是，圖2的診斷模組240可以將泵浦系統的流體功率W_L 作為X軸，將輸入的電源功率作為Y軸以繪示出流功-電功曲線LWP，如圖9所示。圖9繪示在流體功率-電源功率圖上的國內外泵浦標準及流功-電功曲線。然後，診斷模組240更可以依據馬達資料庫270及泵浦資料庫280中的國內外泵浦標準同樣繪示於圖9上，藉此便可利用圖式來輕易判斷實際運作之泵浦系統的耗能效率是否與國內外泵浦標準差異甚大。於圖9中，國外泵浦標準例如是曲線C2，而國內泵浦標準例如是曲線C1。例如，此泵浦系統的流功-電功曲線LWP位於曲線C2的上方，表示泵浦系統的耗能效率劣於國外泵浦標準。此泵浦系統的流功-電功曲線LWP位於曲線C1的下方，表示泵浦系統的耗能效率優於國內泵浦標準。

使用者可透過診斷裝置200以及相關的資料庫來選用相同廠牌、型號的泵浦馬達(也就是上述的比對泵浦)，藉以與實際運作的泵浦、馬達進行效率比較。然而，由於工廠所使用的泵浦、馬達大多老舊，其上標示的型號標牌經常無法辨識。因此，操作人員可以依據經驗從資料庫中找尋相類似的泵浦、馬達型號或相似的初始值，或是由診斷模組240自動地利用比速率Ns、電源讀數、泵浦轉速...等從相應的資料庫中辨別泵浦及馬達的種類型式，藉以自動找尋相類似的比對泵浦。

泵浦的比速率Ns可由方程式(5)來求得：

其中，N為泵浦的轉速(rpm)，由於馬達轉速與泵浦轉速相接近，兩者之間的數值僅相差一個滑(slip)差，因此通常利用馬達轉速帶入此方程式。Q為上述管路中的流體流量值，H為系統揚程值。比速率Ns為特別適用於泵浦的參數，可作為判別泵浦的類型、形式，甚至是泵浦扇葉的形狀。例如，泵浦具有離心式(圖1所示的泵浦112即為離心式泵浦，但本揭露不受限於此)、軸流式、斜流式...等加壓種類及運行方式。不同種類的泵浦會影響泵浦的效率計算與出力大小。因此，為了要評估泵浦效率，診斷裝置200必須先行透過比速率來判斷出泵浦的種類形式，再藉由各種種類的泵浦來讀取相對應的泵浦資料庫。

有鑒於此，診斷裝置可以透過下表(一)來對使用者提供較佳的節能手段及預期的節能效果，並以圖示或報表形式呈現。

综上所述，本揭露所開發的診斷裝置適用於正在運轉且不需要使其停機的泵浦系統，在不影響泵浦系統的運作下進行現場短期間的效能監控、分析及評估。並且，本揭露利用內建於資料中的出廠資訊，自動地與實際運作中所測量得到的相關數據加以比對，便可更為清楚地得到各個實際運作的泵浦在基於成本、生命週期等考量之下的量化統計圖表，從而評估使否需要更換、調整、修理泵浦系統，以使泵浦系統更符合工廠的需求，並使其運作於耗能的高效率區。最終目的在於，提供生產線單位在產能耗電量的改善，使泵浦在滿足製程需求下以最低耗電量與最高耗能效率進行運轉。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．泵浦系統

110．．．泵浦馬達

112．．．泵浦

115．．．馬達

120．．．傳輸管線

130．．．管路裝置

160．．．回流管線

170．．．配電盤

200．．．診斷裝置

210．．．電力量測模組

220．．．液壓量測模組

222．．．入口壓力感測器

225．．．出口壓力感測器

230．．．流量量測模組

240．．．診斷模組

250．．．資料轉換模組

260．．．控制單元

270．．．馬達資料庫

280‧‧‧泵浦資料庫

290‧‧‧人機介面

310‧‧‧顯示單元

320‧‧‧鍵盤

330‧‧‧滑鼠

S410~S860‧‧‧步驟

H‧‧‧系統揚程值

LR‧‧‧管路阻抗曲線

C₀ ‧‧‧高度差參數

C₁ ‧‧‧管路摩擦參數

Q‧‧‧流體流量值

LC‧‧‧泵浦特性曲線

RLC‧‧‧比對特性曲線

OP、OPA、OPB‧‧‧操作點

R‧‧‧合理操作範圍

LE-1~LE-3‧‧‧出廠效率曲線

圖1是根據本揭露一實施例說明泵浦系統的示意圖。

圖2是根據本揭露一實施例說明診斷裝置的方塊圖。

圖3是圖2之診斷裝置的外觀示意圖。

圖4是根據本揭露一實施例說明性能診斷方法的流程圖。

圖5A說明步驟S440中分析泵浦系統的管路阻抗曲線的細部流程圖。

圖5B繪示在流量-揚程圖上的管路阻抗曲線。

圖6A說明步驟S440中分析泵浦系統的泵浦特性曲線的細部流程圖。

圖6B繪示在流量-揚程圖上的泵浦特性曲線。

圖6C繪示在流量-揚程圖上的泵浦特性曲線與比對資訊中的比對特性曲線。

圖7A說明步驟S450中計算泵浦系統的操作點的細部流程圖。

圖7B繪示在流量-揚程圖上的管路阻抗曲線、泵浦特性曲線以及操作點。

圖7C繪示在流量-揚程圖上的管路阻抗曲線、泵浦特性曲線以及比對泵浦的出廠效率曲線。

圖8說明步驟S460中產生泵浦系統的診斷資訊的細部流程圖。

圖9繪示在流體功率-電源功率圖上的國內外泵浦標準及流功-電功曲線。

100．．．泵浦系統

110．．．泵浦馬達

112．．．泵浦

115．．．馬達

120．．．傳輸管線

130．．．管路裝置

160．．．回流管線

170．．．配電盤

210．．．電力量測模組

222．．．入口壓力感測器

225．．．出口壓力感測器

230．．．流量量測模組

240．．．診斷模組

Claims (20)

1. 一種診斷裝置，適用於一泵浦系統，該診斷裝置包括：一電力量測模組，測量該泵浦系統的多個電力讀數；一液壓量測模組，測量該泵浦系統的多個壓力讀數；一流量量測模組，測量該泵浦系統的多個流量讀數；以及一診斷模組，耦接至該電力量測模組、該液壓量測模組以及該流量量測模組，接收該些電力讀數、該些壓力讀數以及該些流量讀數並參考一馬達資料庫以及一泵浦資料庫，以分析該泵浦系統的一管路阻抗曲線與該泵浦系統的一特性曲線，計算該泵浦系統的一操作點以產生該泵浦系統的一診斷資訊，其中在流量-揚程圖上放置該管路阻抗曲線以及該特性曲線，以該管路阻抗曲線以及該特性曲線相交的一交叉點作為該泵浦系統的該操作點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之診斷裝置，其中該電力量測模組包括：至少一電流感測器及至少一電壓感測器，設置於該泵浦系統的至少一電源供應來源。
3. 如申請專利範圍第2項所述之診斷裝置，其中該至少一電流感測器和該至少一電壓感測器是一夾式電流計和一夾式電壓計和/或其結合，或是，該電流感測器及該電壓感測器為一集合式電表。
4. 如申請專利範圍第1項所述之診斷裝置，其中該泵浦系統包括一傳輸管線，該流量量測模組測量該傳輸管線中的一流體流量值，並且，該液壓量測模組包括：一入口壓力感測器，量測該傳輸管線的一入口壓力；以及一出口壓力感測器，量測該傳輸管線的一出口壓力。
5. 如申請專利範圍第1項所述之診斷裝置，其中該些電力讀數包括電壓值、電流值、電源功率值。
6. 如申請專利範圍第1項所述之診斷裝置，其中該診斷資訊包括於由該泵浦系統的該些電力讀數、該些壓力讀數、該些流量讀數、一流量功率、一電源功率、一比速率、一泵浦揚程、一總效率值和/或其組合所計算且統計產生的多個量化統計。
7. 如申請專利範圍第6項所述之診斷裝置，其中該些量化統計包括該泵浦系統的一運轉時間統計、一耗電量統計、一流體流量統計、一耗能效率統計、一性能衰退比較統計以及一運轉成本資訊。
8. 如申請專利範圍第7項所述之診斷裝置，其中該診斷模組依據一電費費率及該診斷資訊以計算出該泵浦系統的該運轉成本資訊。
9. 如申請專利範圍第1項所述之診斷裝置，其中該診斷資訊包括該泵浦系統於一預設時間的一用電預測資訊、一負載比率資訊、一節能指示資訊及一節能預測資訊。
10. 如申請專利範圍第1項所述之診斷裝置，更包括：一人機介面，用以輸入該泵浦系統的一比對泵浦的一比對資訊，或從該馬達資料庫以及該泵浦資料庫選擇該比對泵浦對應的該比對資訊，以與實際量測的該診斷資訊進行比較，其中，該人機介面包括：一顯示單元，用以將該診斷資訊以圖式或報表來輸出顯示；以及一輸入模組，用以輸入及接收該比對資訊，並且該輸入模組包括一鍵盤、一滑鼠和/或一觸控式面板。
11. 一種性能診斷方法，適用於一泵浦系統，該性能診斷方法包括：分別測量該泵浦系統的多個電力讀數、多個壓力讀數以及多個流量讀數；依據該些電力讀數、該些壓力讀數以及該些流量讀數並參考一馬達資料庫以及一泵浦資料庫，分析該泵浦系統的一管路阻抗曲線與該泵浦系統的一泵浦特性曲線；計算該泵浦系統的一操作點；以及產生該泵浦系統的一診斷資訊，其中計算該泵浦系統的該操作點包括下列步驟：在流量-揚程圖上放置該管路阻抗曲線以及該泵浦特性曲線；以及以該管路阻抗曲線以及該泵浦特性曲線相交的一交叉點作為該泵浦系統的該操作點。
12. 如申請專利範圍第11項所述之性能診斷方法，其中該診斷資訊包括於由該泵浦系統的該些電力讀數、該些壓力讀數、該些流量讀數、一流量功率、一電源功率、一比速率、一泵浦揚程、一總效率值和/或其組合所計算且統計產生的多個量化統計。
13. 如申請專利範圍第12項所述之性能診斷方法，其中該些量化統計包括該泵浦系統的一運轉時間統計、一耗電量統計、一流體流量統計、一耗能效率統計、一性能衰退比較統計以及一運轉成本資訊。
14. 如申請專利範圍第13項所述之性能診斷方法，更包括：依據一電費費率及該診斷資訊以計算出該泵浦系統的該運轉成本資訊。
15. 如申請專利範圍第13項所述之性能診斷方法，產生該些量化統計中的該耗能效率統計包括下列步驟：依據該流量功率與該電源功率計算一耗能效率；將一比對泵浦對應的一比對資訊與實際量測的該耗能效率進行比較，以產生一輸入耗能值；判斷該輸入耗能值是否小於一合理耗能值；當該輸入耗能值小於該合理耗能值的時候，發出一警示信息以提示選用較小功率的泵浦做為該比對泵浦；判斷該輸入耗能值是否大於一超載耗能值；以及 當該輸入耗能值大於該合理耗能值的時候，發出一建議信息以提示該泵浦系統需要降載或對該泵浦系統進行檢修。
16. 如申請專利範圍第11項所述之性能診斷方法，其中該泵浦系統包括一傳輸管線，並且，分析該泵浦系統的該管路阻抗曲線包括下列步驟：獲得該些流量讀數中的一流體流量值以及該些壓力讀數中的一出口壓力及一入口壓力；轉換該出口壓力與該入口壓力之間的差值來計算一系統揚程值；設定該傳輸管線的一高度差參數；依據該系統揚程值、該高度差參數以及該流體流量值以透過一管路阻抗曲線方程式計算一管路摩擦參數；調整該流體流量值並透過該管路阻抗曲線方程式，以計算多個估計揚程值；以及在流量-揚程圖上，依據該些估計揚程值與其對應的該流體流量值以建立該管路阻抗曲線。
17. 如申請專利範圍第16項所述之性能診斷方法，分析該泵浦系統的該泵浦特性曲線包括下列步驟：調整出口管路或回流管線或管路裝置的數量或閥門，以調整該泵浦系統的該出口壓力及該入口壓力之間的壓差，以變更該系統揚程值以及該流體流量值，並依據該系統揚程值與該流體流量值的關係在流量-揚程圖上建立該泵浦系統的該泵浦特性曲線。
18. 如申請專利範圍第17項所述之性能診斷方法，產生該泵浦系統的該診斷資訊更包括下列步驟：將一比對泵浦對應的一比對資訊與該泵浦特性曲線在流量-揚程圖上進行比較；以及當該比對資訊所形成的一比對特性曲線落在該泵浦特性曲線的下方且相距大於一預定距離時，提出一警示訊息以檢查或更換該泵浦系統，藉以改善該泵浦系統。
19. 如申請專利範圍第17項所述之性能診斷方法，產生該泵浦系統的該診斷資訊更包括下列步驟：比較該操作點與一比對泵浦的一出廠效率曲線；以及判斷該操作點是否位於該出廠效率曲線的一合理操作範圍，並於該操作點位於該合理操作範圍之外時提供一建議信息以改善該泵浦系統。
20. 如申請專利範圍第19項所述之性能診斷方法，判斷該操作點是否位於該合理操作範圍更包括下列步驟：當該操作點位於該出廠效率曲線的左邊時，提供該建議信息以建議增加流量而提高該泵浦系統的效率；以及當該操作點位於該出廠效率曲線的右邊時，提供該建議信息以建議減少流量而降低該泵浦系統的效率。