CN111520316B - 一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统及其控制方法，涉及供水设备技术领域，解决了供水低效和不稳定的问题，包括预设数量的水泵、变频器、传感器、PLC、人机界面和工业级5G路由器，所述的预设数量的水泵通过多泵并联的方式连接在一起，单个水泵与对应的变频器相连接，所述的PLC与变频器相连接，控制水泵运行，所述的传感器与PLC相连接，所述的人机界面与PLC相连接，实现人机交互，所述的工业级5G路由器与人机界面相连接，设备管理员可以通过工业级5G路由器对系统进行远程控制；控制系统结构简单，故障率低，控制精准，无极调速，同步调频，高效节能，多泵并联，细分流量。
Description
技术领域
本发明涉及供水设备技术领域，尤其涉及一种供水控制系统。
背景技术
现阶段，供水设备类型较多，市场上常见的有水箱式供水设备和罐式叠压供水设备，设备一般主要由水箱、泵组、管道和阀门组成。泵组一般有2-3台水泵，通过一台变频器拖动运行，设备运行时，通过变频器调节水泵转速，来满足用户端水压衡定，若一台水泵的流量不足，可依次启动其他工频水泵来弥补流量。
上述供水设备优点是成本较低，控制系统设计简单，准入门槛较低，因此受到很多小公司的青睐。但其缺点也非常明显，如下所示：
1.常规设备仅有一台变频器，无法做到让每台泵都能调频，取而代之的是使用接触器让剩余水泵处于工频运行。
2.用户端需水量变化快，时变系数较高，要求系统具备足够的反应速度，而常规设备系统反应缓慢，调节不稳定，压力波动较大，最大值与最小值能相差0.1MPa甚至更大。
3.常规设备在控制水泵的增减操作时，始终只有一台水泵处于变频调节状态，其余水泵均为工频运行，因此在工频水泵的投入与切除时，会带来较大的水压波动，同时对电网也会产生较大的冲击。
4.常规设备在多泵同时运行时，由于工频水泵与变频水泵的实际工作点不同，导致每台水泵的出水流量与扬程不能均衡分配，进而在系统内部产生互相抑制作用，特别是变频水泵更容易受到工频水泵的抑制，最直观的表现既是水泵流量会出现1+1<2的现象，并联水泵数量越多，这种现象越明显，这也是很多供水设备中，水泵并联数量不会超过3台的根本原因。
5.由于系统内部的互相抑制作用无法避免，会让系统损失很大一部分扬程与流量，这会让系统的能耗增高，效率降低，不利于国家节能减排的战略目标，同时也让用户承担了更多的运行成本，如电费和维修费。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统，提供一种安全、高效、节能、稳定的供水系统。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统，包括预设数量的水泵、变频器、传感器、PLC、人机界面和工业级5G路由器，所述的预设数量的水泵通过多泵并联的方式连接在一起，单个水泵与对应的变频器相连接，所述的PLC与变频器相连接，控制水泵运行，所述的传感器与PLC相连接，所述的人机界面与PLC相连接，实现人机交互，所述的工业级5G路由器与人机界面相连接，设备管理员可以通过工业级5G路由器对系统进行远程控制。
一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1)系统启动后，首先执行初始化程序，然后PLC采集相关元器件的状态信息以及模拟量数据，通过运算分析，判断系统当前是否具备启动的条件，若一切均正常，则等待启动命令，若发现状态或数据超出报警界限，则发出报警信息；
2)系统收到启动命令后，开始运行，调用供水专用PID子程序，根据设定值和反馈值，实时调整频率输出，将出水压力的波动范围控制在0.01MPa以内；
3)若当前投入运行的水泵数量无法满足用户端总流量需求，系统将增加水泵数量和同步调速，增泵过程分为两个阶段，第一阶段为快速响应阶段，目的是快速达到有效转速，该阶段系统会启用抗超调机制，避免因新增泵加速过快带来的水压冲击；第二阶段为重建平衡阶段，待新增泵转速达到有效转速后，加速度适当放缓，之前运行的水泵转速将适当下降，最终新增泵与之前运行的水泵达到新的平衡点，实现多变频同步调速；在同步调速阶段，系统均衡每台泵的工作效率，让每台泵的实际工作点尽可能接近或达到效率最高点，使系统节能效果显著，系统每次增泵，都将遵循先停先启的原则，即选取最早停止运行的那一台作为新增泵，以便做到寿命均衡；
4)若当前投入运行的水泵数量过多，供水能力富余，系统会自动减少运行水泵的数量；减泵过程分为两个阶段，第一阶段系统会先将待减泵速度调至有效转速以下，使其保留一定的转速但无法正常供水，然后将剩余的运行泵速度提高，运行一段时间，在此期间若一直能满足供水需求，则进入第二阶段，将待减泵停机，若期间无法满足供水，则重新恢复同步调速；第一阶段的主要目的是让水泵减速的同时，具备能在极短时间内恢复供水的能力，每次减泵，都将遵循先启先停的原则，即选取最先启动的那台泵作为待减泵，以便均衡水泵寿命；
5)用户端无用水时，系统自动判断并进入休眠模式，进入休眠需同时满足三个条件：①休眠相关参数设置正确，且休眠功能处于激活状态，②系统水压满足设定值，③水泵长期(时间可调)处于低频(频率可调)运行状态，三个条件均满足后，系统先将运行泵的转速调至有效转速以下并运行一段时间，在此期间，若系统无压力损失，则进入休眠模式，将转速调整为0，休眠模式下，全部水泵均停止运行，但会实时监控水压变化，若检测到压力跌幅较大，则重新回到调节模式下，恢复正常供水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.控制系统结构简单，故障率低。
传统设备中，由于一台变频器需要循环控制多台水泵，必须使用大量的中间继电器和交流接触器，来完成各种切换动作，每个继电器与接触器会连接大量的主回路导线与控制回路导线，接线点繁多，经过统计，每个接触器约12至14个接线点，需要连接12至20根导线；每个中间继电器约8至14个接线点，需要连接8至18根导线。由此带来生产工艺复杂，生产周期长，故障点多，故障率高等问题。
本发明采用变频器一对一控制，变频器输出端直接与水泵连接，抛弃交流接触器，同时极大地减少中间继电器的使用量，从而简化系统结构，减少故障点，降低故障率，简化生产工艺，缩短生产周期。
2.控制精准，无极调速。
传统设备只有一台变频器，只能保证有一台水泵处于调频状态，剩余水泵只能使用工频运行，频率梯度明显，尤其是在增泵、减泵、切泵时频率会出现陡崖式变化，带来巨大的水压波动，同时造成对电网的冲击。
本发明可确保每台水泵均处在变频运行模式，频率调节连续性非常好，无梯度变化，可做到无极调速，避免因增泵、减泵、切泵等动作带来的水压波动和电网冲击，经过实验验证发现，上诉三种工况的水压波动均可均可控制在0.01MPa以内。
3.同步调频，高效节能。
传统设备由于水泵运行模式不同，工频水泵做功较为强势，对变频水泵的抑制作用明显，导致严重的内耗，整机供水效率低下，进而带来非常高的能耗。
本发明可使得每台运行的水泵同步调频，即水泵转速相等，从性能曲线上看，每台水泵的工作点相同，因此可做到每台水泵的出水流量与扬程完全相同，既没有强势泵，也没有劣势泵，从根本上杜绝了系统内耗，极大的提升了运行效率，降低了整机能耗。通过对同类型设备(扬程、流量、功率均相同)的实验验证发现，整机节能效果平均可达到3％，特殊工况下可达到23.6％。(测试方法采用QCQ3153《二次供水节能认证规范》中规定的测试流程与方法)
4.多泵并联，细分流量。
传统设备系统内耗严重，典型表现是并联后系统总流量出现1+1<2的现象，且并联泵数越多，该现象越明显，因此常规设备水泵数量一般不超过3台，对于用水总流量大，时变系数大的用水环境，无奈只能选择单泵流量较大的水泵型号，当处于小流量供水时，水泵运行严重偏离高效点，导致能耗增大。
本发明由于消除了系统内耗，因此解决了上诉问题，对于用水总流量大，时变系数大的用水环境，可选用多台小流量水泵并联，根据实际情况可选择3-6台甚至更多，做到了流量细分，灵活应对小流量与大流量等各种工况，确保让每台水泵均处在高效点运行，进一步降低能耗，节约运行成本。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图1是本发明的控制过程示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图1及具体实施例对本发明作进一步的说明。
一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统，包括预设数量的水泵、变频器、传感器、PLC、人机界面和工业级5G路由器，所述的预设数量的水泵通过多泵并联的方式连接在一起，单个水泵与对应的变频器相连接，所述的PLC与变频器相连接，控制水泵运行，所述的传感器与PLC相连接，所述的人机界面与PLC相连接，实现人机交互，所述的工业级5G路由器与人机界面相连接，设备管理员可以通过工业级5G路由器对系统进行远程控制。具有以下特点：
1.多泵并联，水泵选用具有国家二级节能认证标志的产品，配套电机选用超高效率三相异步电动机，能效等级不低于IE3。
2.每台水泵均配置一台高效节能变频器，确保水泵数量等于变频器数量，以便于系统实现一对一控制。
3.以PLC(可编程逻辑控制器)作为控制核心，采集系统运行数据，计算分析，并发出控制指令，实现机组控制、数据计算、故障诊断、报警提示等功能。
4.人机界面(HMI)实现人机交互，包括参数设置与修改，状态查询，故障查询、报警记录存储等功能。
5.系统支持远程控制及远程调参等功能，整个系统可通过工业级5G路由器(向下兼容4G、3G、2G等网络模式)，可连接设备管理平台，实时查看运行状态，调取运行参数，更新程序版本。
如附图1所示，一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1)系统启动后，首先执行初始化程序，然后PLC采集相关元器件的状态信息以及模拟量数据，通过运算分析，判断系统当前是否具备启动的条件，若一切均正常，则等待启动命令，若发现状态或数据超出报警界限，则发出报警信息；
2)系统收到启动命令后，开始运行，调用供水专用PID子程序，根据设定值和反馈值，实时调整频率输出，将出水压力的波动范围控制在0.01MPa以内，该PID程序是在传统PID算法基础上，专为供水设备开发设计，针对供水行业的特殊工况，结合先进的PID增量式计算公式，引入了休眠机制、唤醒机制、抗积分饱和机制、稳压范围设定机制、选择性激活死区频率机制等。通过算法优化，使系统运行更加稳定，参数整定更加便捷；
3)若当前投入运行的水泵数量无法满足用户端总流量需求，系统将增加水泵数量和同步调速，增泵过程分为两个阶段，第一阶段为快速响应阶段，目的是快速达到有效转速，该阶段系统会启用抗超调机制，避免因新增泵加速过快带来的水压冲击；第二阶段为重建平衡阶段，待新增泵转速达到有效转速后，加速度适当放缓，之前运行的水泵转速将适当下降，最终新增泵与之前运行的水泵达到新的平衡点，实现多变频同步调速；在同步调速阶段，系统均衡每台泵的工作效率，让每台泵的实际工作点尽可能接近或达到效率最高点，使系统节能效果显著，系统每次增泵，都将遵循先停先启的原则，即选取最早停止运行的那一台作为新增泵，以便做到寿命均衡；
4)若当前投入运行的水泵数量过多，供水能力富余，系统会自动减少运行水泵的数量；减泵过程分为两个阶段，第一阶段系统会先将待减泵速度调至有效转速以下，使其保留一定的转速但无法正常供水，然后将剩余的运行泵速度提高，运行一段时间，在此期间若一直能满足供水需求，则进入第二阶段，将待减泵停机，若期间无法满足供水，则重新恢复同步调速；第一阶段的主要目的是让水泵减速的同时，具备能在极短时间内恢复供水的能力，每次减泵，都将遵循先启先停的原则，即选取最先启动的那台泵作为待减泵，以便均衡水泵寿命；
5)用户端无用水时，系统自动判断并进入休眠模式，进入休眠需同时满足三个条件：①休眠相关参数设置正确，且休眠功能处于激活状态，②系统水压满足设定值，③水泵长期(时间可调)处于低频(频率可调)运行状态，三个条件均满足后，系统先将运行泵的转速调至有效转速以下并运行一段时间，在此期间，若系统无压力损失，则进入休眠模式，将转速调整为0，休眠模式下，全部水泵均停止运行，但会实时监控水压变化，若检测到压力跌幅较大，则重新回到调节模式下，恢复正常供水。
系统保护功能完善，当出现过载、过流、过压、欠压、短路、缺相、缺水等情况时，系统可自动检测并做成相应的保护动作，如自动断电、停机等，可保护设备不受损坏，保护电网不受冲击，保护管道不受破坏。
系统状态自检及故障诊断功能，系统运行时出现的各类故障，均可通过HMI记录并存储，并自动根据故障类型，提供不同的解决方案，供现场维修人员参考。
本发明的工作原理和工作过程如下：供水系统包括泵组管道系统和供水控制系统，泵组管道系统主要完成水的存储与输送功能；供水控制系统主要完成对整个系统的全自动控制，进出水压力变送器、压力开关、电流互感器、流量计、电能质量监测仪等各类传感器及仪表，将系统的各类数据实时反馈给控制中枢PLC，经过一系列的计算、分析后，得出当前系统所需输出的频率值，再以总线通信的方式，交由变频器处理，达到控制水泵转速的目的，最终实现用户端水压衡定的目标。
控制系统自动判断用户端水压变化趋势，实时调节输出频率，多台水泵同时运转时，系统自动计算出最佳频率组合，确保每台运行的水泵转速相等，实现同步调频，消除系统内耗，在满足用户端各类供水工况的前提下，实现节能降耗的目的。
系统运行时，实时监控各类数据及设备状态，当出现数据异常或设备故障时，会发出报警信息，如果是非致命故障，系统自动切除故障单元，继续维持供水，若出现致命故障，系统会做出相应的保护机制，如自动断电、自动停机等，并在HMI中保留故障信息，提供相应的解决方案，供现场维修人员参考。
系统通过工业级5G路由器(向下兼容4G、3G、2G)连接调度系统，将各类运行数据、设备状态、控制命令等发送到调度系统，供值班员查阅，必要时可介入人工控制。系统支持远程运维，可远程监控PLC运行状态，更新PLC或HMI程序版本。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统的控制方法，其特征是包括以下步骤：
第一步，系统启动后，首先执行初始化程序，然后PLC采集相关元器件的状态信息以及模拟量数据，通过运算分析，判断系统当前是否具备启动的条件，若一切均正常，则等待启动命令，若发现状态或数据超出报警界限，则发出报警信息；
第二步，系统收到启动命令后，开始运行，调用供水专用PID子程序，根据设定值和反馈值，实时调整频率输出，将出水压力的波动范围控制在0.01MPa以内；
第三步，若当前投入运行的水泵数量无法满足用户端总流量需求，系统将增加水泵数量和同步调速，增泵过程分为两个阶段，第一阶段为快速响应阶段，目的是快速达到有效转速，该阶段系统会启用抗超调机制，避免因新增泵加速过快带来的水压冲击；第二阶段为重建平衡阶段，待新增泵转速达到有效转速后，加速度适当放缓，之前运行的水泵转速将适当下降，最终新增泵与之前运行的水泵达到新的平衡点，实现多变频同步调速；在同步调速阶段，系统均衡每台泵的工作效率，让每台泵的实际工作点尽可能接近或达到效率最高点，使系统节能效果显著；
第四步，若当前投入运行的水泵数量过多，供水能力富余，系统会自动减少运行水泵的数量；减泵过程分为两个阶段，第一阶段系统会先将待减泵速度调至有效转速以下，使其保留一定的转速但无法正常供水，然后将剩余的运行泵速度提高，运行一段时间，在此期间若一直能满足供水需求，则进入第二阶段，将待减泵停机，若期间无法满足供水，则重新恢复同步调速；第一阶段的主要目的是让水泵减速的同时，具备能在极短时间内恢复供水的能力；
第五步，用户端无用水时，系统自动判断并进入休眠模式，进入休眠需同时满足三个条件：①休眠相关参数设置正确，且休眠功能处于激活状态，②系统水压满足设定值，③水泵长期处于低频运行状态；三个条件均满足后，系统先将运行泵的转速调至有效转速以下并运行一段时间，在此期间，若系统无压力损失，则进入休眠模式，将转速调整为0，休眠模式下，全部水泵均停止运行，但会实时监控水压变化，若检测到压力跌幅较大，则重新回到调节模式下，恢复正常供水。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是第三步增泵过程中，系统每次增泵，都将遵循先停先启的原则，即选取最早停止运行的那一台作为新增泵，以便做到寿命均衡。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是第四步减泵过程中，每次减泵，都将遵循先启先停的原则，即选取最先启动的那台泵作为待减泵，以便均衡水泵寿命。
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