泵系统的控制的制作方法

泵系统的控制的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种方法和一种控制设备，该方法和控制设备被构造成：在泵压力或泵转速改变之前测量经过泵装置的总流量；使下列中的至少一者改变：使泵压力改变预定的压力步距，或使泵转速改变预定的转速步距；在泵压力或泵转速改变之后测量经过泵装置的总流量；以及在泵压力改变之前和之后执行的总流量测量的基础上确定对另一泵压力或泵转速改变步距的需求。
【专利说明】泵系统的控制

【技术领域】
[0001]本发明涉及泵系统的控制，特别是涉及一种根据本发明的独立权利要求的前序部分的控制方法和设备。

【背景技术】
[0002]泵系统在家庭、工业和城市应用中很常见。增强的能源意识已经使人们注意到与这些系统相关的节能潜力。已经引入了允许泵的转速控制的变速驱动器，以提高泵系统的能量效率。然而，仅靠转速控制不能确保系统的最佳能量效率，因为泵或电动马达的能量效率不等于整个系统运行的能量效率。
[0003]通常，当损失最小化时，泵系统具有高能效运行的最佳前提条件。这可以例如通过将控制阀门打开至其最大量使流动阻力最小化，以及使用满足系统所需的最小压力，或者选择产生最低单位能耗的转速来获得。
[0004]已知包括若干个分支的泵系统，其中，每个分支均包括控制阀门，以控制流经该分支的流体的量。还已知的是，当控制阀门完全打开时，这些系统能够最高能效地工作，泵压力根据通过该阀门的流量来控制，其他阀门根据流量需求通过节流来控制通过其各自分支的流量。然而，该方法需要可以从控制系统或者从来自阀门的直接反馈中获取的阀门设置或角度的信息。这需要额外的仪器和布线，从而增加了系统成本，并且提供了额外的故障源，而且在某些情况下，例如关于以节温器控制的散热器为基础的加热系统，该信息从一开始就不可用。
[0005]同样已知的是通过不断地改变用于控制泵转速的比例压力曲线来使泵压力的需求最小化，其中，控制曲线的选择基于渗透系数及其饱和度。然后，渗透系数根据测得的泵压力和流量来计算，饱和度则被监测。在该方法中，举例来说，如果渗透系数的时间分布大部分时间位于时域平均值以下，换言之，即饱和度低，则选择较低的比例压力曲线。对应地，如果渗透系数高度饱和，则选择较高的比例压力曲线。在该方法中，泵压力总是高于最小的所需泵压力，因此，液压损失没有完全最小化，从而没有达到最小的能消。


【发明内容】

[0006]因此，本发明的目的是提供一种用于控制泵系统的新方法和新设备。本发明的目的通过具有独立权利要求中所陈述的特征的方法和设备来实现。本发明的优选实施方式公开于从属权利要求中。
[0007]本发明基于以下思路:利用已知的和/或已确定的栗特性和容易确定的栗压力和/或泵转速以及流量信息来找到和控制优化系统能量效率的泵压力设置。
[0008]本发明的方法和设备的优点是，该泵系统包括两个或更多个分支，每个分支均包括独立可调的控制元件，因此泵系统的效率能够显著地提高而不需要关于阀门设置或角度的信息。因此，能够避免额外的仪器和布线。

【专利附图】

【附图说明】
[0009]在下文中，本发明将通过优选实施例的方式参照附图进行更加详细的描述，其中
[0010]图1示意性地示出了泵系统；
[0011]图2示意性地示出了控制泵系统的方法；
[0012]图3以流程图示意性地示出了控制泵系统的方法的实施方式；
[0013]图4a和图4b示出了泵装置的特征曲线；
[0014]图5示意性地示出了根据一种实施方式的泵系统控制的方框图。
[0015]图6示意性地示出了用于泵系统控制的设备；
[0016]图7示意性地示出了与泵系统控制的用例相关的转速、总流量和压力的示例；以及
[0017]图8示意性地示出了控制泵系统的另一方法。

【具体实施方式】
[0018]图1示意性地示出了泵系统。该泵系统包括泵装置2和至少两个分支3。在图1的实施方式中，泵系统I包括三个分支3。这些分支中的每一个分支均包括流量控制元件5，并且泵装置2相连接地设置有泵装置控制构件(未示出)，该泵装置控制构件例如是变速驱动器、变频驱动器、进口导叶和/或控制元件。
[0019]在图1的实施方式中，泵系统I包括加热系统，其中，分支3中的每一个分支均包括负载元件4 (更具体而言是加热元件)和流量控制元件5 (更具体而言是节温器)。泵系统还包括传热元件6。该实施方式仅作为示例示出，并且对于本领域的技术人员而言明显的是，泵系统的构型可以在本发明的范围内的不同实施方式中进行改变。
[0020]图2示意性地示出了一种控制泵系统的方法。在该方法中，在泵压力改变之前测量通过泵装置的总流量(201)，使泵压力改变预定的压力步距(st印)(202)，在泵压力改变之后测量通过泵装置的总流量
[0021](203)，以及基于在泵压力改变之前和之后执行的总流量测量确定对另一泵压力改变步距的需求(204)。
[0022]根据一种实施方式，只有自上一次压力改变步距开始经过足够长的时间后，才会开始新的压力改变步距，以使泵系统能够再次达到稳定状态。现将用于开始新的压力改变步距的该时间间隔称作执行时间间隔，并且其应当分别针对每个系统和实施方式进行限定，因为其取决于实施方式和系统的规模，例如，其可以从几秒变化至几分钟或者在一些实施方式中甚至是几个小时。
[0023]根据一种实施方式，稳定时间，换言之，即泵系统达到稳定状态的时间，可以通过阶跃响应试验进行确定。在这种试验中，优选在开始使用已知足够满足系统需求的压力。然后该压力可以步进式地增加。当控制元件将流量降低至与通过之前的压力获得的流量相同的流量时，可以根据总流量的时域改变计算稳定时间的估计值。首先，可以将压力步距引入系统中，从而引起泵装置的转速和流量的步进式增加。当控制元件开始通过例如关闭每个分支中的控制阀门来保持恒定流量以应对该压力改变时，泵转速开始下降，这是因为维持新的压力基准需要较小的转速。由此，找到了与单个分支流量控制元件有关的恒定压力控制的稳定时间，并且该稳定时间可以用作当前方案的控制方法中的执行时间间隔，或者可以作为确定执行时间间隔的基础。通常，稳定时间被确定为从该步距(换言之，即从压力或转速的改变)的开始到流量(估计值)已经达到其最终值的2%以内的数值的时刻的时间。应当注意的是，该稳定时间可以根据系统工作点而改变，这意味着，例如，总流量较低时的稳定时间可以不同于总流量较高时的稳定时间。
[0024]图3以流程图示意性地示出了控制泵系统的方法的实施方式。该实施方式实现了根据当前方案的实施方式的控制算法。根据该实施方式，可以通过控制泵压力来将泵装置控制至稳定状态，在图3中，该泵压力被称作压力基准HMf。可以测量总流量Q并且将其与流量改变阈值进行比较。响应于总流量超过阈值或达到死区时间阈值，可以引入压力改变。
[0025]在图3中，DT指死区时间循环指数，DTth指循环中的死区时间阈值，用于检查泵压力是否足够，Hstep指压力改变步距，Href指压力基准，Q指总流量，Qprev指上一次循环的总流量，以及TH指流量的阈值，其为从O至I的相对值。
[0026]根据示例，响应于检测到下降的流量，可以确定对压力改变的需求。继而可以将当前流量保存为Qprev，并且可以将压力基准降低数量为Hstep的预定压力改变步距。在压力改变之后，当该系统再次达到稳定状态时，可以测量当前泵流量Q，继而可以根据阈值标准TH将当前泵流量Q与上一次流量Qpmv进行比较。换言之，检测压力改变是否导致了总流量超过相对阈值的改变。这些步骤可以重复，以便步进式地降低泵压力，直到压力改变引起流量的降低为止。换言之，可以将泵压力改变预定的压力步距，直到检测到当前泵流量Q和上一次总流量Qpmv之间的显著改变为止。当超过相对阈值时，则认为该改变是显著的。当该情况发生时，表明在那时当前压力低于满足需求的最低压力。因此，泵装置可以回到上一次泵压力值，即最近一次压力改变步距之前的压力。由此，找到并设定当前运行条件下用于泵系统的最佳泵压力，并且不再需要进一步的压力改变，直到另有指示为止。在图3中，该分支或状态被称作减压。
[0027]根据一种实施方式，响应于检测总流量的增加高于阈值，可以确定对压力改变的需求。因此，算法进行到被称作增压的状态。在该状态下，压力步进式地增加直至总流量不增加。此时已知的是，前一个压力是满足需求的最低压力，并且其被用作压力基准。在图3中，该分支或状态被称作增压。
[0028]根据一种实施方式，泵系统可以被构造成以等于死区时间阈值DTth的预定时间间隔开始泵压力的改变。换言之，当在时间间隔期间没有检测到可识别的总流量的改变时，响应于自上一次泵压力改变开始已经过去了等于死区时间阈值的时间间隔，可以确定对压力改变的需求。优选地，该压力改变包括增加压力。这使得在分支中能够提供足够的压力，在该分支中，由于较早的压力下降，阀门已经被完全地打开，因为那时不知道特定的分支是否需要更多的流量。通过以与上文关于其他实施方式公开的方式类似的方式定期地测试压力是否保持在所需的水平，可以确保每个分支中的足够的压力。死区时间阈值应当大于执行时间间隔。根据实施方式，死区时间阈值等于多个执行时间间隔。
[0029]本方案的优点是不需要额外的仪器，因为基于模型的解决方案可以用于泵装置的流量和压力的估计。无传感器实施方案可以以本身已知的基于模型的泵工作点估计方法为基础。这些估计方法可以包括使用泵装置的特性曲线(例如在图4a和4b中示出的示例)，将本身已知的相似定律作为泵装置的模型，以及将马达转速和轴功率的变频器预测作为输入。例如，离心泵的特性和一般性能可以通过根据恒定转速下的流量Q变化的压力或压头H、轴功耗P和效率η的特性曲线而形象化。泵装置通常应该在离心泵的最佳效率点(BEP)中被驱动，该最佳效率点通常也由泵装置制造商提供。
[0030]例如，变频器驱动的泵装置可以在各种转速下运行，因此，该泵装置的特性曲线需要转换为当前的转速。这可以在流量、泵压力、泵的轴功耗以及转速的基础上利用本身已知的相似定律执行。通过利用可从变频器以本身已知的方式获取的转速和轴扭矩的估计值(分别是nest和Test)，泵装置的特性曲线能够实现对泵工作点的位置和效率的无传感器估计。
[0031]图5示意性地示出了根据本方案的实施方式的泵系统控制的方框图。在所示的控制系统中，以执行时间间隔T执行控制算法。执行时间间隔优选地等于或长于在上一次压力改变之后泵系统达到稳定状态所需的时间。换言之，执行时间间隔优选地等于或长于稳定时间。在图5的实施方式中，泵装置在运行过程中是以恒定压力控制的。可以不断地执行恒定压力控制，以确保泵装置的恒定压力，使得单个分支流量控制元件的效应不会影响栗压力。
[0032]根据一种实施方式，该恒压控制可以通过如图5所示的无传感器式的基于模型的工作点估计方法来实现。在该方法中，期望压力和估计压力之间的误差可以计算出来并且输入到PID控制器中。PID控制器可以为泵系统计算新的转速基准。变频器进而可以调节转速以及估计功率，该转速和功率进而可以用于估计所产生的压力和流量。如上文所描述的，流量估计值可以用于算法中，压力估计值可以在恒压控制中用于控制的目的。
[0033]根据一种实施方式，预定压力步距的大小或压力基准Hstep的步进式改变的大小与流量阈值TH相关。流量阈值可以用于确定系统中的总流量是否无论压力有无改变都已经保持不变。压力改变步距应当优选地被选择为使得其能够产生系统总流量的显著改变。
[0034]图6示意性地示出了用于泵系统控制的设备。该泵系统可以包括泵装置2和至少两个分支3 (在图6的实施方式中有三个分支)，其中，每个分支均包括流量控制元件5。流量控制元件例如可以包括流量控制阀门。根据一种实施方式，该流量控制元件包括节温器。
[0035]用于泵系统的控制设备可以包括泵装置控制构件7和用于测量通过泵装置8的总流量的构件。该泵装置控制构件可以包括例如变频器和/或控制单元。这种变频器和控制单元本身是已知的。在不同的实施方式中，这些构件可以单独设置，或者这些构件中的一些或全部可以一体地整合在泵装置中。用于测量总流量的构件可以包括例如至少一个传感器和/或控制元件。这些传感器和控制元件本身是已知的，并且在一些实施方式中，常用的控制元件可用于压力控制和流量测量。
[0036]泵装置控制构件可以被构造成使泵压力改变预定的压力步距，并且用于测量总流量的构件可以被构造成测量泵压力改变之前和泵压力改变之后的总流量。泵装置控制构件继而可以进一步被构造成基于泵压力改变之前和之后的所述总流量测量来确定对另一泵压力改变步距的需求。泵装置2可以包括泵、风扇或压缩机。泵系统和/或控制设备可以用于实现本说明书所公开的方法中的一种或更多种或者它们的组合。
[0037]关于泵系统控制的用例的转速、总流量和压力的示例在图7中示出。泵系统可以包括三分支泵系统，其中，每个分支均包括诸如流量控制阀门的独立流量控制元件，如图1中的实施方式。在图7中，曲线以设定开始，其中，控制阀门部分地关闭，泵系统处于平衡，以及执行时间间隔T设定为50秒。由于系统需求的改变，在600s的时刻开始发生单个分支的流量需求的步进式改变。死区时间阈值DTth已经被设置为150秒。
[0038]由于初始压力被建立为足够用于系统，该系统开始将泵压力步进式地改变一个压力改变步距。在时刻O秒至200秒之间，压力逐步地减小。在时刻O秒至150秒之间，由于系统已经达到稳定状态，总流量保持大致相同。然而，在时刻150秒至200秒之间，由于压力不足，总流量明显地下降。因此，在200秒处，压力回升至足够的水平。这意味着找到了系统的最低压力。
[0039]在时刻350秒至550秒，算法会基于死区时间循环指数检查是否需要压力增加，但是由于尽管压力增加，总流量都会保持大致相同，因此压力不是永久性地增加。然而，在750秒处，当压力增大时，流量显著地增加，这意味着需要更高的压力基准来满足要求。压力一直增大直到压力的增大没有使流量显著增加为止。再次找到了满足要求的最低压力。
[0040]优选地，该系统承受压力的一些瞬变，从而承受流量的一些瞬变。而且，该系统优选地承受流量的一定量的误差。优选地，单独的流量控制和压力控制的稳定时间应当快于流量基准的改变，因而，在压力步进的过程中，流速的需求将保持大致恒定。
[0041]图8示意性地示出了控制泵装置的另一方法。在该方法中，在泵转速改变之前测量经过泵装置的总流量(801)，使泵转速改变预定的转速步距(802)，在泵转速改变之后测量经过泵装置的总流量(803)，以及基于在泵转速改变之前和之后执行的总流量测量来确定对另一泵转速改变步距的需求(804)。该实施方式在其他方面可以类似于结合基于泵压力改变的控制所解释的实施方式中的任意一种实施方式或任意组合，但不是使用压力改变步距，而是使用转速改变步距。
[0042]类似地，结合包含压力改变步距的实施方式所解释的任意控制设备都可以结合转速改变步距使用，只要泵装置控制构件可以被构造成改变泵装置的转速。
[0043]根据一种实施方式，仅当自上一次转速改变步距开始已经过去足够的时间时，才开始新的转速改变步距，以使泵系统能够再次达到稳定状态。这段时间也被称为执行时间间隔，并且其应当分别针对每个系统和实施方式进行限定，因为其取决于实施方式和系统的规模，例如，其可以从几秒变化至几分钟或者在一些实施方式中甚至是几个小时。
[0044]在不同的实施方式中，泵系统可以包括泵装置2，其中泵装置2可以包括泵、风扇或压缩机系统或者是它们的组合，其中，只要装置和系统的特性允许，则可以设有单独的分支流量控制元件。对应地，泵装置2可以包括泵、风扇或压缩机。
[0045]根据一种实施方式，当该系统包括关于系统中的关键分支的阀门设置的信息时，当前方案可以与节流控制的已知方案结合起来使用。两种控制方法的结合提供了甚至更加精确的流量控制，这在一些应用中是特别有益的。在这种情况下，这些方法可以结合起来，这样会导致以下情况，即，在分支中具有流量控制的任意系统都能够最优化，无论其是已知的还是未知的。在这些实施方式中，可以设置诸如压力传感器或流量传感器等的额外的传感器以进一步提高特别是基于模型的方案的估计精度，因此也改进了本方案的操作。
[0046]根据本方案，泵系统的所需压力可以降低，以及因此，在每个分支中具有单独的流量控制元件的系统的动态流量损失也能够减少。流动阻力的减小和更低的压力产生更好的能量效率。该方案的实施能够主要基于泵装置的模型来执行，而几乎不需要额外的信息。与已知方案相反，不需要关于单独的控制元件的信息。另一方面，该方案可以连同已知方案一起使用，从而在甚至更加关键的应用中确保压力最优。
[0047]对本领域的技术人员而言明显的是，随着技术的进步，本发明的理念可以以不同的方式实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。
【权利要求】
1.一种控制泵系统的方法，所述泵系统包括泵装置和至少两个分支，其中，每个分支均包括流量控制元件，并且所述泵装置相连接地设置有泵装置控制构件，所述方法的特征在于 在泵压力或泵转速改变之前测量通过所述泵装置的总流量， 改变下列中的至少一者:使所述泵压力改变预定的压力步距，或者使所述泵转速改变预定的转速步距， 在所述泵压力或泵转速改变之后测量通过所述泵装置的总流量，以及 基于在所述泵压力或泵转速改变之前和之后执行的总流量测量来确定对另一泵压力或泵转速改变步距的需求。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述泵压力改变预定的压力步距包括使所述泵压力降低预定的压力步距。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括:通过响应于在上一次泵压力改变之后的总流量测量值基本上与在上一次泵压力改变之前的总流量测量值相同而使所述泵压力降低另一预定的压力步距来改变所述泵压力。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，响应于检测到减小的总流量，确定对压力改变的需求。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述泵压力改变预定的压力步距包括使所述泵压力增加预定的压力步距。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，响应于检测到总流量的增加高于预定的阈值，确定对压力改变的需求。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，另一压力改变步距响应于以下情况开始:自上一次泵压力改变步距已经过去了等于预定的死区时间阈值的时间间隔，其中，没有检测到可识别的压力改变。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过阶跃响应试验确定稳定时间，其中，使已知足够满足系统压力需求的压力步进式地增加，并且基于流量和泵转速的测量确定所述稳定时间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在运行期间，所述泵装置被恒压控制。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述泵系统包括泵系统、风扇系统或压缩机系统。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括基于下列中的至少一者控制所述泵系统:控制元件的阀门设置和控制元件的角度设置。
12.用于泵系统的控制设备，所述泵系统包括泵装置和至少两个分支，其中所述分支中的每一个分支均包括流量控制元件，其中，所述控制设备包括用于测量通过所述泵装置的总流量的构件和泵装置控制构件，其特征在于 所述泵装置控制构件被构造成使下列中的至少一者改变预定步距:泵压力或泵转速， 用于测量所述总流量的所述构件被构造成在所述泵压力或泵转速改变之前和在所述泵压力或泵转速改变之后测量所述总流量，以及其中 所述泵装置控制构件进一步被构造成基于在所述泵压力或泵转速改变之前和之后的总流量测量来确定对另一泵压力或泵转速改变步距的需求。
13.根据权利要求12所述的控制设备，其还包括用于检测所述流量控制元件的阀门设置和角度的额外的传感器。
14.一种泵系统，所述泵系统包括泵装置、至少两个分支以及根据权利要求12所述的控制设备，其中，所述分支中的每一个分支均包括至少一流量控制元件。
15.一种泵系统，所述泵系统包括泵装置、至少两个分支以及根据权利要求13所述的控制设备，其中，所述分支中的每一个分支均包括至少一流量控制元件。
16.根据权利要求14或15所述的泵系统，其中，所述泵装置包括泵、风扇或压缩机。
【文档编号】F04B49/00GK104514705SQ201410498531
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】尤西·塔米宁, 泰罗·阿霍宁, 耶罗·阿霍拉 申请人:Abb公司