一种可视化的水泵频率自适应调节系统

技术领域

本发明涉及水泵控制调节领域，尤其是涉及一种可视化的水泵频率自适应调节系统。

背景技术

水厂和泵站最耗能的设备是水泵，水泵属于叶片式流体机械；由流体机械理论，在相似工况下，水泵的流量，扬程和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。如转速下降一半，其功率可下降到原来的1/8。

流量是水处理过程中需要调节的重要参数。对于水泵流量调节，原则上有两大方法；一是节流调节，泵的转速不变，改变供水管路上阀门的开度以调节流量；开大阀门，流量增加；关小阀门，流量减少。目前，国内水处理行业大部分是采用节流调节的方法，平衡管网的供水压力和流量需求。采用流调节，有大量能量消耗在节流损耗上。调节流量的第二种方法是变速调节，即供水管路的状态不变(供水阀门开度不变)，改变泵的转速以进行流量调节；转速升高，流量增加，转速降低，流量减少。用调速调节流量可以大幅度降低节流能量损耗，具有显著的节能效果。

离心泵的高效率区取决于泵的工况(n、Q、H值决定是泵的工况点)。当采用变频调速(n值可变)，则泵的高效率区扩大，因此采用变频调速可以节能。其次是防止给水泵出现"大马拉小车"的工况。因为给水系统要满足Qmax及Hmax的工况，如果采用1台泵，当小流量用水时必然出现"大马拉小车"的工况，此时水泵的效率低，功率浪费大。为了防止大马拉小车，通常的做法是采用多台水泵并联给水的方式，多用水多开泵，少用水少开泵，可以显著减轻"大马拉小车"弊端的出现，改善节能的效果。理论分析及实际使用证明，多泵并联变频调速给水可以显著提高节能效果。所以现代建筑生活给水系统大多采用多泵并联恒压变量(或准度变压变量)给水方式。

采用多泵并联给水，按变频调速恒压给水原理，在多泵并联的给水系统中，只要其中有一台是变频调速泵，就可以达到恒压给水的目的；为了达到恒压给水，变频泵必须是并联泵中的最大者；最经济的配泵方集是各并联泵的大小相同。目前变频控制系统中，控制过程并不能清晰可见。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种实现可视化调节的水泵频率自适应调节系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可视化的水泵频率自适应调节系统，包括：

PLC：包括数据采集模块和模拟运算模块，所述数据采集模块用于实时获取水泵的运行数据，所述模拟运算模块用于对所述运行数据进行处理，得到实时拟合的动态水泵特性曲线；

客户端：用于获取用户请求、在前端页面展示返回的用户请求结果；

监控管理平台：用于实时显示PLC获取的运行数据、动态水泵特性曲线以及根据所述动态水泵特性曲线监测异常情况并发出报警信息；

数据库：用于存放PLC实时获取的运行数据和动态水泵特性曲线；

数据服务器：用于根据用户请求，从数据库中提取相应的数据进行处理，并将处理结果发送给客户端；

变频控制子系统：用于根据所述用户请求和动态水泵特性曲线驱动PID自适应调节水泵频率。

进一步地，所述数据采集模块包括跟踪子模块、功率子模块、设定子模块和虚拟水泵子模块，所述跟踪子模块用于实时跟踪水泵调节频率后的转速、流量和压力，所述功率子模块用于实时计算水泵调节频率后的输出功率变化量，所述设定子模块用于根据设定的预期流量和恒定出水压力下计算转速，所述虚拟水泵子模块用于计算虚拟水泵的目标调节流量。

进一步地，所述虚拟水泵由多台水泵并联而成。

进一步地，所述运行数据包括压力、流量、功率、转速和频率。

进一步地，所述变频控制子系统包括压力传感器、比较模块、PID指令模块、变频器、运算模块和动态特性检测模块，所述PID指令模块分别与比较模块、变频器和运算模块连接，所述压力传感器分别与比较模块和水泵的出口总管连接，所述变频器与水泵连接，所述动态特性检测模块与水泵的出口总管连接。

进一步地，所述PID指令模块通过ControlLogix进行设置。

进一步地，所述PID指令模块通过PID方程计算控制输出，以控制变频器调节水泵频率。

进一步地，所述PID方程为：

CV＝Kp(E)+Ki∫(E)dt+Kd(PV)/dt+BIAS

E＝PV–SP

式中，CV为PID控制输出，Kp、Ki和Kd分别为PID设定的比例增益、积分增益和微分增益，PV为出口压力实测值，SP为压力控制设定值，E为实测值对设定值的偏差，BIAS为输出偏置。

进一步地所述监控管理平台还实时显示动态水泵特性曲线叠加管网压力曲线、流量等值线和压力点。

进一步地，所述客户端、数据库和数据服务器为基于Web服务的B/S三层结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对水泵的自适应调节，采用监控管理平台进行实时可视化展示调节过程，使用户能够清晰地明确水泵调节过程。

(2)本发明采用客户端、数据库和数据服务器为基于Web服务的B/S三层结构，能够查询水泵的运行工况，实现对水泵的调节分析和追忆，有助于根据分析结果进行适当的人工干预，提高水泵的运行效率和节能效率。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的动态水泵特性曲线图；

图3为本发明的变频控制子系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种可视化的水泵频率自适应调节系统，如图1所示，该系统包括PLC 1、客户端2、监控管理平台3、数据库4、数据服务器5和变频控制子系统6。

PLC 1(Programmable logic Controller，可编程控制器)包括数据采集模块和模拟运算模块，所述数据采集模块用于实时获取水泵7的运行数据，所述模拟运算模块用于对所述运行数据进行处理，得到实时拟合的动态水泵特性曲线，所述拟合的动态水泵特性曲线如图2所示。其中，数据采集模块用于采集变频调节后的数据，包括跟踪子模块、功率子模块、设定子模块和虚拟水泵子模块，所述跟踪子模块实时跟踪变频后转速、流量、压力变化，所述功率子模块实时计算变频后水泵7输出轴功率变化量：P

(1)由于PLC 1的程序处理循环周期为毫秒级水平，因此，将大大提高动态虚拟水泵模拟计算和动态跟踪的实时性。

(2)依托PLC 1高可靠性，将同步提高动态虚拟水泵模拟计算运行的可靠性。

(3)由于数据采集和模拟运算在PLC 1中一体化完成，减少了数据传输和处理中间环节，将大大降低程序执行的出错率，提高计算的准确性。

客户端2、数据库4和数据服务器5是基于Web服务的B/S三层结构，后台数据库4存放PLC 1中采集上来的水泵7运行工况历史数据，中间层为WEB服务器，处理来自客户端2的请求，根据业务逻辑需要从数据库4中提取处理数据，前端用户界面通过客户端2浏览器来实现。该三层结构通过处理分析水泵7历史运行数据，实现水泵特性曲线数据挖掘和运行工况追忆。

监控管理平台3与PLC 1之间的数据交换和管理，将数据进行可视化展示，并根据数据可视化监控异常情况，发出报警信息。监控管理平台3采用实时监控平台组态软件，提供下列数据可视化功能：

(1)水泵特性曲线(Q-H图)叠加管网压力曲线；

(2)当前流量等值线显示；

(3)当前转速对应的Q-H线、当前压力点高亮显示；

(4)当前流量、转速、频率、压力值显示面板；

(5)频率调节设定面板。

变频控制子系统6用于根据所述用户请求和动态水泵7特性曲线驱动PID自适应调节水泵7频率。水泵7都在额定工作条件下，按最佳工作条件设计操作，在适当压力流量条件下，水泵7特性有最高的效率。利用变频调速，可使电动机驱动泵变速运行，泵的特性曲线与系统在任何流量下的需要相匹配，流量与电机转速成正比，产生的压差与转速度的平方成正比，无级变频调速后可得到无数条水泵特性曲线，都可作为工况点与外网水量变化相适应，在较小的扬程下达到达到所对应的流量，降低能量耗。本实例变频调节是基于实时动态水泵特性曲线驱动的PID自适应调节，如图3所示，变频控制子系统6包括压力传感器61、比较模块62、PID指令模块63、变频器64、运算模块65和动态特性检测模块66，所述PID指令模块63分别与比较模块62、变频器64和运算模块65连接，所述压力传感器61分别与比较模块62和水泵7的出口总管连接，所述变频器64与水泵7连接，所述动态特性检测模块66与水泵7的出口总管连接。该子系统通过PLC 1将实时采集并运算得出的水泵7动态特性曲线与水泵7额定特性曲线进行比较，并与水泵7的管网负载工况一起作为PID调节的约束条件，使水泵7的动态特性曲线在满足管网负载的条件下仍拟合在最佳效率范围之内，从而提高水泵7的运行效率和节能效率。具体步骤包括：

实时采集和运算：PLC连接压力传感器61，并实时采集水泵7的出口压力信号。通过比较模块62，将实时采集的压力信号与设定的管网负载工况进行比较，得到压力误差信号。

PID调节：将压力误差信号输入到PID指令模块63中。PID指令模块63根据设定的PID参数(比例增益、积分时间和微分时间)，计算出相应的控制输出信号。

控制变频器64：控制输出信号通过运算模块65进行处理，并将结果发送给变频器64。变频器64根据接收到的控制信号，调节水泵7的输出频率，从而实现对水泵7流量或压力的调节。

动态特性曲线比较：动态特性检测模块66连接到水泵7的出口总管，实时采集水泵7的流量或压力信号。PLC 1将实时采集的动态特性曲线数据进行处理和运算，并与额定特性曲线进行比较。

比较结果和约束条件：PLC 1将动态特性曲线与额定特性曲线进行比较，并根据比较结果调整PID调节的输出信号。在调节过程中，PLC 1会考虑管网负载工况的约束条件，以确保水泵7的动态特性曲线在满足管网负载的条件下仍保持在最佳效率范围内。

变频泵的频率调节采用ControlLogix专用PID指令完成。为及时跟踪出水总管压力变化过程，PID指令执行周期设定为200毫秒。

PID指令参数：

SP—压力控制设定值，单位：MPa，该工艺参数由操作人员根据工艺要求设定；

PV—出口压力实测值，单位：MPa，该工况参数由压力传感器反馈给PLC 1；

E—实测值对设定值的偏差，即E＝PV–SP；

Kp—PID设定的比例增益(P增益)；

Ki—PID设定的积分增益(i增益)；

Kd—PID设定的微分增益(d增益)。

用于PID指令的PID方程是一个可选择独立增益或相关增益的位置形式方程。本程序采用独立增益方式，其比例、积分、微分只影响各自特定的分项。

PID方程式：

CV＝Kp(E)+Ki∫(E)dt+Kd(PV)/dt+BIAS

其中：CV为PID控制输出，BIAS为输出偏置，Kp、Ki、Kd参数在调试时根据实际工况在PLC 1的PID指令中设置。

通过以上步骤，PLC 1可以实现对水泵7的闭环控制，并根据实时采集的数据和设定的约束条件，调节水泵7的频率以满足管网负载工况，并使水泵7的动态特性曲线尽可能地保持在最佳效率范围内。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。