一种基于性能曲线的泵产品智能诊断与控制系统

技术领域

本发明属于泵产品智能诊断与控制领域，特别涉及一种基于性能曲线的泵产品智能诊断与控制系统。

背景技术

泵的工作状态是否处于设计工况是其电力消耗的一大影响因子，实际工作中的泵往往因进、出口压力变化导致运行工况偏移，在非设计工况下运行的泵不仅会造成大量的能源浪费，还可能引发汽蚀、振动等问题，降低泵的使用寿命。此外，泵在运行过程中发生故障时往往伴随异常的振动和噪音，如何及时根据振动、噪音信号进行故障诊断和报警也是一项重要任务。目前部分泵产品的运行系统对泵配套电机的工作电流、电压进行实时监测，根据电流、电压来间接推断泵的工作状态。但是这种监测方式并不能直接反映泵的工况及性能状态，且电动机自身的老化等问题会导致电流增大，从而使系统误判泵产品的工作状态。

发明内容

本发明提出了一种基于性能曲线的泵产品智能诊断与控制系统，旨在解决泵产品运行偏离设计工况，以及当工作中出现汽蚀、磨损、振动等故障时，无法准确提供故障原因信息的问题。

本发明所提出的一种基于性能曲线的泵产品智能诊断与控制系统包括：外特性测试系统及数据处理与控制系统。

所述外特性测试系统包括：传感器测试模块和测试数据转换模块。其中传感器测试模块包括：压力传感器、液体流量传感器、振动传感器和噪声传感器。压力传感器布置在泵的进出口；液体流量传感器布置于泵的出口；振动传感器布置于泵产品外壳及底座；噪音传感器布置于泵体附近，与泵体保持5～10cm的距离，实时监测泵产品工作噪音。

所述测试数据转换模块将传感器测试模块所输出电压/流信号转换为对应传感器测得运行参数值，并发送至数据处理与控制系统。

所述数据处理与控制系统包括：数据处理及显示模块、故障诊断及报警模块和PID控制模块。

所述数据处理及显示模块包括：对测试数据转换模块输出信号进行处理的数据处理模块；提供操作面板并显示泵产品实时外特性数据的显示及交互模块。

所述显示及交互模块以坐标图的方式将所得几种性能曲线在人机交互界面上显示给工作人员，同时显示全生命周期能耗。各项性能曲线作为泵产品的标准工作性能，在实际运行中通过对采集数据进行处理得到扬程(H)、效率(η)、汽蚀余量(NPSH)、振动频率(f

所述故障诊断及报警模块包括：故障分析及诊断模块、报警通讯模块。故障分析及诊断模块对实时监测的工况点、振动和噪声信号进行分析，参考外特性曲线和给定的阈值判断泵产品是否发生故障，并分析故障类型和可能的诱发因素。报警通讯模块发出泵产品故障报警，并由报警通讯模块发送至相关工作人员。

所述PID控制模块，以泵出口处的电动调节阀作为被控对象，允许工作流量范围作为系统给定值，实时流量值作为PID控制模块输入。通过判断实时流量是否在允许工况范围内，若实时流量在允许工况范围内，则泵产品正常工作，PID控制系统不对电动调节阀进行调节；若实时流量大于允许工况最大流量值，则通过PID控制将电动调节阀阀门开度调小，使实时流量保持在允许工况范围内；若实时流量小于允许工况最小流量值，则通过PID控制将电动调节阀阀门开度调大，使实时流量保持在泵产品高效工作流量范围内。

本发明有益效果：本发明提供了泵产品的智能诊断与控制系统，能够在极小的人力资源条件下，智能实时监测泵产品的运行状态，若产生严重故障则立即停机并发送警报信息给工作人员，本发明有效减小了泵产品维护人员的工作量；在泵的运行参数处理上，本发明对采集到的实时运行参数进行了泵的性能指标换算，相比起运行时的传感参数而言更能代表泵的运行状态，提升了发明系统的可靠度；同时，本发明可根据性能曲线及实时性能参数的比对，结合多项测试数据进行泵产品的故障原因诊断分析，并根据故障原因采取相应措施，大大提升了泵产品的使用寿命；此外，本发明可提供泵全生命周期的有效做功能耗和电机输入能耗，为碳排放计量提供数据支撑。

附图说明

图1泵产品智能诊断与控制系统框图；

图2泵产品智能诊断与控制系统示意图；

图3泵产品智能诊断与控制系统显示与交互界面；

图4性能曲线(效率-流量曲线)详情实时监控界面。

具体实施方式

本发明所提出的一种基于性能曲线的泵产品智能诊断与控制系统包括：外特性测试系统及数据处理与控制系统，如图1所示。

所述外特性测试系统包括：传感器测试模块和测试数据转换模块。其中传感器测试模块包括：压力传感器、液体流量传感器、振动传感器和噪声传感器。压力传感器布置在泵的进出口；液体流量传感器布置于泵的出口；振动传感器布置于泵产品外壳及底座；噪音传感器布置于泵体附近，与泵体保持5～10cm的距离，实时监测泵产品工作噪音。

所述测试数据转换模块将传感器测试模块所输出电压/流信号转换为对应传感器测得运行参数值，并发送至数据处理与控制系统。

所述数据处理与控制系统包括数据处理及显示模块、故障诊断及报警模块和PID控制模块。

数据处理及显示模块包括：对测试数据转换模块输出的信号进行处理的数据处理模块；提供操作面板并显示泵产品实时外特性数据的显示及交互模块。

泵产品与该发明系统安装示意图及运行逻辑如图2所示，图中p

所述传感器测试模块对泵产品各项工作参数进行测试采集，经测试数据转换模块转换为模拟电信号输入数据处理及显示模块，在显示及交互界面对泵产品的工作状态及工作详情参数进行显示，若泵产品工况发生偏差，使工作效率降低了，则通过PID控制模块对电动调节阀进行调控，使工作流量保持在允许工作范围内，保持泵产品高效工作；若发生了工作故障则由故障分析及诊断模块进行故障分析工作，并自主判断是否需要进行紧急停机维护，若需要紧急停机，PID控制模块会将电动调节阀关闭，泵产品停止工作并通知工作人员对其进行检修维护。

将泵产品制造商提供的不同流量工况下的外特性参数导入所述外特性测试系统，经数据处理模块绘制出泵的性能曲线，包括：扬程-流量(H-Q

考虑到泵运行时的振动和噪音信号受场地和安装方式影响较大，需在现场通过外特性测试系统测试不同流量工况下的振动和噪声信号，经数据处理后绘制关于流量的变化曲线，包括振动频率-流量(f

同时，获取不同流量工况下的扬程、效率和汽蚀余量数据分布，基于这些数据给定故障分析的参考扬程、效率和汽蚀余量允许范围。

在泵产品实际工作时，数据处理模块接收所采集的实时运行参数，并在显示及交互模块上以数据点进行显示；同时，通过实时流量数据计算有效功率和轴功率P，采用数值积分算法计算泵全生命周期的有效做功能耗和电机输入能耗，为碳排放计量提供数据支撑。

显示及交互模块以坐标图的方式将所得几种性能曲线在人机交互界面上显示给工作人员，同时显示全生命周期能耗，如图3所示。各项性能曲线作为泵产品的标准工作性能，在实际运行中通过对采集数据进行处理得到扬程(H)、效率(η)、汽蚀余量(NPSH)、振动频率(f

故障诊断及报警模块包括：故障分析及诊断模块、报警通讯模块。故障分析及诊断模块对实时监测的工况点、振动和噪声信号进行分析，参考外特性曲线和给定的阈值判断泵产品是否发生故障，并分析故障类型和可能的诱发因素。报警通讯功能模块发出泵产品故障报警，并由通讯模块发送至相关工作人员。

PID控制模块，以泵出口处的电动调节阀作为被控对象，允许工作流量范围作为系统给定值，实时流量值作为PID控制系统输入。通过判断实时流量是否在允许工况范围内，若实时流量在允许工况范围内，则泵产品正常工作，PID控制系统不对电动调节阀进行调节；若实时流量大于允许工况最大流量值，则通过PID控制将阀门开度调小，使实时流量保持在允许工况范围内；若实时流量小于允许工况最小流量值，则通过PID控制将阀门开度调大，使实时流量保持在泵产品高效工作流量范围内。

本发明系统的具体工作过程如下：

S1首先将泵产品制造商提供的不同流量工况下的外特性参数导入所述外特性测试系统，经数据处理模块绘制出泵的性能曲线，包括扬程-流量(H-Q

将泵产品制造商测试不同流量工况下的外特性参数进行数据处理：在采集的外特性参数中剔除相同工况中的粗大误差值，并对相同工况下采集的外特性参数进行准确度分析，确保外特性参数测试的误差在允许范围内，即多次测定的外特性参数平均值可作为该工况下的参考值；对不同工况下的多个外特性参数，经计算机进行最小二乘法曲线拟合，即最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。

具体性能曲线计算方式如下：

以体积流量值(Q

其中，p

以流量(Q

其中，P

以流量(Q

其中H

S2泵产品的工作环境、固定方式会影响到其振动和噪音，因此对泵产品在实际工作环境中的不同流量工况下的振动和噪音情况进行测试。通过外特性测试系统测试不同流量工况下的振动和噪声信号，将振动传感器采集的信号和噪音传感器采集的信号经测试数据转换模块转换和数据处理获得每个工况下稳定的振动频率(f

获取不同流量工况下的扬程、效率、汽蚀余量、振动幅度及频率、噪音大小及频率数据分布，基于这些数据给定故障分析的参考扬程、效率、汽蚀余量振动和噪音的允许范围。

本发明维持泵产品工作处于高效运行区间，效率-流量(η-Q

Q

扬程-流量(H-Q

S3在泵产品运行时，外特性测试模块中的传感器测试模块定时对外特性参数进行测试，每20分钟进行一次外特性参数采集，测试时长60秒，传感器采集频率为1000Hz。传感器所输出电信号经测试数据转换模块转换为对应外特性运行参数，并发送至数据处理与控制系统。

数据处理模块分别对采集的各组实时外特性运行参数进行误差分析，剔除数据中的粗大误差，并采用准确度分析，确保随机误差和系统误差所造成的测试相对误差在2％以内。若分析结果显示相对误差大于2％，则可能随机误差对测试造成较大影响，该组测试数据不能作为外特性运行参数真值，外特性测试系统重新进行数据采集，直到误差分析结果显示相对误差小于2％，则取该组数据平均值作为外特性运行参数真值进行数据处理。

对各个不同的外特性运行参数进行计算得出当前运行的扬程(H)、效率(η)、汽蚀余量(NPSH)，并采集振动频率(f

S4通过对各个实时运行参数与允许运行范围进行比较，若所测得实时运行参数在允许运行范围内，则泵产品运行工况正常；若所测得实时运行参数不在允许范围内，则泵产品运行工况异常。数据处理与控制系统对发生异常工况的原因进行综合分析，并自主判断工况异常原因，进而进行调控，或判断泵产品发生严重故障，进行紧急停机并通过物联网向工作人员发送通知进行维护。

故障分析及诊断模块具体工作过程如下：

(1)对于扬程(H)来说，若测得实时扬程(H)，小于允许运行扬程最小值，则泵产品作用于工作液体的功不足，原因可能有以下几点：Ⅰ.发生汽蚀现象、Ⅱ.密封装置出现破损或松动，导致工作液体泄漏、Ⅲ.过流部件如叶轮等出现磨损，导致效率下降、Ⅳ.当前流量过小。

(2)对于效率(η)来说，若测得实时效率(η)，小于允许运行效率最小值，则泵产品能量转化能力下降，原因可能有以下几点：Ⅰ.发生汽蚀现象、Ⅱ.密封装置出现破损或松动，导致工作液体泄漏、Ⅲ.过流部件如叶轮等出现磨损，导致效率下降、Ⅳ.当前流量过小。

(3)对于汽蚀余量(NPSH)来说，若测得实时汽蚀余量(NPSH)小于允许运行有限汽蚀余量最小值，则泵产品更容易出现汽蚀现象，对泵产品产生损坏，原因可能有以下几点：Ⅰ.泵产品安装高度过高、Ⅱ.泵产品前管路上的流动损失过大、Ⅲ.当前流量过小。

(4)对于振幅(A)来说，若测得实时振幅大于允许运行振幅最大值，则泵产品可能发生剧烈震动导致损坏，原因可能有以下几点：Ⅰ.固定连接件预紧力不足或破损，泵产品零件松动、Ⅱ.过流部件出现磨损、Ⅲ.发生汽蚀现象。

(5)对于振动频率(f

(6)对于噪音大小(dB)来说，若测得实时噪音大小大于允许运行噪音最大值，则泵产品可能发生剧烈振动，原因可能有以下几点：Ⅰ.固定连接件预紧力不足或破损，泵产品零件松动、Ⅱ.过流部件出现磨损、Ⅲ.发生汽蚀现象。

(7)对于噪音频率(f

当故障分析及诊断模块收到异常工况时，计算机对泵的异常工况进行综合分析，诊断其故障原因。

当泵产品发生汽蚀现象时，气泡破碎产生的振动与瞬时高压会导致过流部件的破损，从而影响到泵的性能与使用寿命。气泡破碎产生的振动会导致产生高达10kHz的噪音，且会伴有高强度撞击的无规则的噼啪声。此时所测得噪音频率和振动频率产生明显高频峰值，大于允许运行频率最大值；测得噪音大小大于允许运行噪音最大值，且在时域呈不规律分布；由于汽蚀现象使液体中产生气泡，使得测得实时扬程会出现下降；同时测得效率出现下降；测得汽蚀余量出现明显下降，低于允许运行汽蚀余量最小值。由于系统对性能曲线进行实时监控，并将流量控制在允许运行工况内，因此不会因流量过小而产生的汽蚀现象。当系统判断发生汽蚀现象，则进行紧急停机，由报警通讯模块发出汽蚀警报，并通知工作人员对泵产品进行故障检修。

当泵产品固定连接件出现松动时，密封不足，出现工作液体泄漏并产生振动，导致泵的性能下降，且使得固定连接件与泵产品之间产生摩擦与碰撞，造成泵产品的损坏。此时由于泵产品产生异常振动测得噪音频率和振动频率产生变化；测得噪音大小大于允许运行噪音最大值；泵产品振幅变大，大于允许运行振幅最大值；由于密封不足导致的液体泄漏会造成测得扬程及效率出现明显下降，低于允许运行最小值。当系统判断固定连接件出现松动时，发送信号至PID控制模块，关闭电动调节阀及驱动电机，并使报警通讯模块发出警报，通知工作人员进行检查及维护。

当泵产品过流部件(如叶轮等)出现损坏，导致泵的性能下降，无法满足工作需求。此时测得扬程及效率出现明显下降，低于允许运行最小值；测得噪音频率出现变化，不在正常工况噪音频率范围内。当系统判断过流部件出现损坏时，发送信号至PID控制模块，关闭电动调节阀及驱动电机，并使报警通讯模块发出警报，通知工作人员进行检查及维护。