增压系统的管理和控制方法与流程
本发明涉及一种用于由电机运行的增压系统的至少一个运行参数的管理和控制方法。
上述方法特别地然而并非唯一地适用于在配备有固定或变速电机(特别是异步类型的电动机)的泵和增压单元的领域。
背景技术：
在本领域中已知的是，在稳定供水网络中，如果网络压力不足或不足以稳定地向处于高水位的用户供水，则采用加压装置，通常称为“升压泵”。通常，会提供至少一个主增压系统和至少一个辅助增压系统。
这些加压装置的典型设计是，加压装置的输送处所需的压力水平可保持在一定的范围值内。因此，泵的尺寸设置为在限定入口压力的情况下将系统压力保持在上下限值之间。为此，升压泵总是在加压装置出口侧的压力水平下降到下限值以下时打开，并在达到上限值时再次关闭。如果辅助泵的入口压力下降到不允许达到该下限值的值，则加压装置将继续以最大泵功率无限制运行，导致相应的高能耗、泵磨损和输送介质的加热，而同时不会获得所需的压力水平效果。特别地，在连续的启停操作中，特别是在使用异步电机运行的泵中，最容易损坏的组件是冷凝器。
为了克服该缺点，通常在液压回路内采用水箱(也称为膨胀水箱)，以使通常的增压系统的开启和关闭次数尽可能的少。通常的做法是将其控制在每小时开启/关闭30次内。然而，这种权宜之计常常是不够的。
因此，现在已经开发出用于测量流量(flowrate)的方法和系统，以确定正确的工作压力值并为公共设施建立最佳的使用条件。对于由异步电机运行的泵，这种估算尤其必要。
wo2014/023642a1号专利申请文献描述了一种增压系统(特别是离心泵)的流量的数学估计方法，该方法使用了泵的转速值、泵的液压变量(通常是输送压力)、以及电机驱动的其中一个电变量，例如电功率。
wo2005/085772a1号专利申请文献描述了一种用于由交流电电机运行的增压系统的流量的测量方法，其中该交流电电机的转速是由变频器控制的。通过使用增压系统的特征数据和测量到的参数(例如增压系统的电机转速、流体压力和电机功率)来确定流量。
gb2313197b号专利文献描述了一种增压系统的流量的估算方法，该方法将增压系统的制造商提供的测试数据(在这种情况下，增压单元的泵吸收的功率、容量和液压头)与运行状态下测量的相同定量相比较。使用两个压力变换器(transducers)来确定工作条件下的液压头(hydraulichead)h，第一个液压头用于抽吸，第二个液压头用于增压系统的输送。
尽管目前已知的方法是有利的并且可以替代使用昂贵的流量传感器，但是它们提供了采用多个测量工具的方式，整个系统的复杂性和成本更高。
此外，采用多个测量系统可能会导致不同的潜在测量误差，这些误差可能会在流量的总体估算中被组合和放大。
出于这个原因，本发明的目的是构思一种增压系统的管理和控制方法，该方法允许在估算所需的参数最小化的同时获得可靠的流量值。
另一个目的在于提供一种能够监控增压系统的运行状态的方法，以优化增压系统在一段时间内的各个步骤的运行。
另一个目的在于提供一种方法，该方法允许获得能耗的最优化，同时保持公共设施最大使用舒适度。
最后，另一个目的在于提供一种方法，使系统的结构需求最小化，以控制成本。
技术实现要素：
本发明的解决方案理念在于提供一种方法，该方法允许通过从测得数据的最小数量开始估算来确定和最优化增压系统的运行状态。
通过一种用于由电机运行的增压系统、或泵的至少一个运行参数的管理或控制方法来解决上述技术问题，所述方法包括通过单个压力传感器检测增压系统的输送管道处的运行压力值的步骤。该方法还包括通过在控制软件中实施的算法来估算液压流量和液压头(hydraulichead)的步骤，其中该控制软件基于通过单个压力传感器检测的运行压力值。该方法还包括基于运行压力值以及增压系统的螺旋桨的叶片数量来估算增压系统的电机转速的步骤。最后，该方法包括根据所述估算处理增压系统的开启/关闭信号的步骤。
有利地，通过增压单元的输送管道中的单个的集成物理压力传感器以及在控制软件中实施的算法，本发明允许估算液压流量、增压系统的电机转速以及要求的膨胀水箱性能。因此可以调整增压系统的运行的最小和最大压力阈值，并在与增压系统的液压回路连接的公用设施关闭/开启时监控使用情况。。以此种方式，可以确保用户最大化的使用舒适度。
优选地，本发明的方法包括预备步骤：将增压系统的标称的运行参数储存在增压系统或泵的电控单元的储存器的一部分中。
因此有利地，增压系统设置有一系列测试数据，在生产线的测试步骤中获取并且储存这些数据，这些数据特定于生产的泵和/或增压单元的每个型号。
优选地，信号处理步骤包括步骤：一旦安装在增压系统中，从上述运行压力值以及从运行条件中的所述电机转速开始，更新增压系统的标称运行参数的标称液压头的值。以此种方式，可以基于设施中要求的特定功能应用更新数据。
另外优选地，信号的处理步骤包括步骤：在参考值的范围内，计算所述增压系统的输入和抽吸液压头的最优值。
以此种方式，有利地，在使用期间内的任何条件下和任何时间，都能为用户提供最优的供应。
优选地，信号的处理步骤包括步骤：计算输入液压头和标称液压头之间的压力变化以及根据开/关信号来优化增压系统的开启时间。
有利地，这允许增压系统的正确开启定时，从而减少能耗并且增加由于不必要的开启和关闭来增压系统正确供水而造成的磨损和损耗的泵组件的可靠性。
根据一个优选实施例，计算增压系统的输入液压头的最优值的步骤通过以下步骤实施：设置增压系统的初始压力参数，通过运行的液压头中的加权差和预设参考值之间的比较的迭代处理、以及在预设时间段中识别输入和抽吸液压头的参考值和最小能耗情况来校准增压系统。
有利地，本程序是最快的并且同时从运行和能耗的角度来看能有效地达到设施的最佳条件。
优选地，为了使所述增压系统的运行的变化的能量最优化并且为了识别所述增压系统的设计外的运行状况，设置了迭代重复。
有利地，这允许达到一段时间内不同时刻的最大效率的条件。此外，这允许通过间接评估流量来识别出水龙头关闭的接近条件，以及识别出允许的小滴水。实际上，这些水滴隐含流量运行曲线的斜率会发生变化，然而必须不对应于增压系统的响应。这允许进一步减少增压系统不必要的开启和关闭次数。
优选地，该方法提供了将预设的舒适性参数应用于标称液压头以及入口和抽吸液压头的值。
有利地，这允许校正值以进一步改善对设施的供应。
根据一个特定实施例，本发明的管理和控制方法包括增压系统的启动控制步骤。
有利地，该额外步骤允许进行预防检查，以确认正确的操作或确定在自诊断条件下进行维护干预的需要。以此种方式，维护的干预时间得以优化，甚至可以防止更严重的损坏。
优选地，该管理和控制方法包括根据增压系统的运行使用条件来估算膨胀水箱的容积的步骤，该增压系统的运行使用条件适于维持上述增压系统的开启和关闭的预设最小运行阈值。
有利地，这还允许通过向水管工建议要集成到系统中的外部膨胀水箱的最小尺寸来优化连接到水分配系统的接口。
根据本发明的另一方面，提供了一种增压系统，该系统包括单个压力传感器以及适于执行根据如上限定的方法的电控单元。
有利地，从最小化消耗以及组件(特别是电解电容器)的正确和持久的运行的角度出发，如此构造的增压系统允许以最少数量的物理组件以最佳配置运行。
根据一个实施例，增压系统包括异步类型的电机。
根据另一个优选实施例，增压系统包括膨胀水箱。
参考以非限制性示例给出的附图，从本发明的优选而非唯一的实施例的如下详细描述中，其他特征和优点将更为清楚。
附图说明
在附图中：
图1示出了根据本发明的示例性增压系统；
图2示出了根据本发明的示例性流程图；
图3示出了根据本发明的用于增压系统的膨胀水箱的选择图表；
图4示出了根据本发明的膨胀水箱的另一选择图表；
图5示出了根据本发明的另一示例性流程图。
具体实施方式
参考附图，附图标记1整体上示意性地表示根据本发明制造的增压系统。
增压系统1包括电机2、液压单元3以及控制电子单元4。
电机2和液压单元3通过电机轴杆在运动学上联接。
电机2优选地为两相异步类型的电机。
液压单元3通过蜗壳5的开口侧6容纳在蜗壳5内。
从蜗壳5分离出流体吸入管道7和流体输送管道8，这两个管道具有内螺纹以与液压系统的供应和分配管道(未示出)联接，本发明的增压系统1插入到该液压系统。
在图1的示例性实施例中，电动机2横向联接至控制电子单元4。电控单元4包括控制电子板9和界面显示器12。电子单元4还包括压力传感器10，压力传感器10通过连接电缆11连接到电控板9。压力传感器10适于检测流体输送管道8内部的流体压力，从而调整增压系统1的启动/停止周期。
特别地，支撑元件13设置在流体输送管道8的侧表面上，支撑元件13横向于输送管道8的轴线并且适于接收压力传感器10。压力传感器10可移除地约束(例如通过螺纹连接)到支撑元件13。
在本实施例中以o型环表示的密封元件14插入到电子单元4和压力传感器10之间。所述密封元件14通过修正蜗壳5与电机2之间的任何未对准而执行保持和支撑功能。
另外的密封元件15插入到支撑元件13和压力传感器10之间，以确保部件之间的正确液压密封。
电子单元4适于管理和控制增压系统1的至少一个运行参数。
在增压系统1的测试步骤期间存在初始步骤，初始步骤用于存储增压系统的标称运行参数。特别地，获得增压系统1的液压和电气运行参数。增压系统1的吸入管道7处的流体的压力hin是已知的。通过压力传感器10测量输送管道8处的压力。已知由电机吸收的功率pn和电机2的转数rpmn，电机的转数是从增压系统(特别是离心泵)的输送压力脉冲获得的，已知叶轮的叶片数z，并进行了适当的低通电子滤波。流体流量qn是吸收功率pn和转数rpmn的函数。可以确定由压力传感器10测量的绝对标称压力hn作为液体流量qn和转速rpmn的函数。已知hn和hin，因此可以在测试台条件下(例如hn-hin)确定增压系统1的液压头δp。
这些参数被传输到电子单元4的存储器中。
在设施的实际运行的步骤中，必须获得相应的液压头值δp。绝对标称压力hn的值必须根据特定的应用情况进行更新。因此，必须知道运行条件下的流量qf、运行条件下由压力传感器10在输送管道8处测得的压力hf。类似于先前已经完成的操作，即，可以从增压系统(特别是离心泵)的输送中的压力脉冲中进一步获得运行状态下的转数rpmf(已知叶轮的叶片数z，在根据上述参数以及存储在电子单元4中的参数进行适当的低通电子滤波的情况下)。
从运行参数、特别是吸收功率pf和存储在电子单元4中的参数开始，然后可以根据涡轮机械的机械相似性，在增压系统的标称校准条件下计算吸收功率，诸如
类似地，可计算出实际运行条件下的流量：
然后，可以从运行步骤中计算出的值开始，为该应用案例计算更新的绝对标称压力hn：
在增压系统的实际安装条件下，例如，当连接到本地供水网络或本地供水网络上的增压系统时，抽吸压力hinf并不总是恒定的。
然而，如上所述，知道用于计算增压系统的液压头δpf的压力hinf的有效值是必要的。
本发明提供了用于获得该压力hin的校准步骤。
首先，执行设置参数f1的阶段。设置的参数是由压力传感器10测量的标称绝对压力hmaxnom、在零流量q的条件下由压力传感器10在运行条件hmaxf下测量的标称绝对压力、吸入的标称绝对压力hinnom、在零流量q的条件下抽吸时运行hinf下的标称绝对压力、电机吸收的功率pmaxnom，在运行步骤电机吸收的功率pmaxf。在运行条件下的液压头δpf对应于差值hmaxnom-hinnom。
它们被设置为初始参考参数：hmaxr＝hmaxnom，pmaxr＝pmaxnom，hinr＝hinnom。
进一步设置参考值以校正所设置的参考参数。
因此，在零流量q的条件下，相对于设定的参考参数和该参考值在运行参数之间进行加权比较。
特别地，如果
相反，如果
吸收的最大功率值始终等于pmaxnom，并且根据涡轮机械的机械相似性公式进行计算，以新值hinfr计算δpf和qf。
加权比较之后，停止校准步骤。
如上所述，如果安装增压系统1以增加公共供水网络的压力，则hinfr是变量。这可能会导致增压系统1的开启次数和关闭次数过多。此外，尤其是在公共设施最常用的时段中，会出现压力波动，由于系统压力下降，间歇供应，因此增压系统无法保证更高高度(例如，公寓顶层)的供应。
因此，本发明提供了校准步骤下游的自适应过程。
一旦设置了参数hinfnom和hmaxnom(通常但不限于将其设置在2bar到4bar之间)，并且一旦执行了上述校准步骤以获得参考值hmaxr和hinfr，则增压系统1会由设施在标准使用条件下运行。因此，记录特征参数hinfr和hmaxr一段预先设定的时间。
在这一点上，可以设置所谓的“节能”模式，使得电子单元4控制增压系统1以特别地优化在参考时间段内增压系统1的开启和关闭的次数，从而优化能耗。
hmaxr和hinfr的平均值被设定为新的运行极限直到hmaxf大于hmaxr，此时增压系统1关闭。
关闭后，将重复校准步骤。如果发现在关闭压力下的最大吸收功率与pmaxnom不同，则即使增压系统在低于hmaxr的压力下关闭，也会关联吸入条件(尤其是hinfr)的变化，并且重复校准步骤。
不同地，可以设置所谓的“舒适”模式，使得电子单元4控制加压系统1以最小化供水至设施期间的压力波动。
在这种情况下，一旦确定出平均值hmaxr和hinfr之间的平均值δpmed，就将其确定并作为标称值存储在电子单元4的存储器中：
hinfnom＝hinfr(medio)+ε*δpmed
hmaxnom＝hmaxr(medio)-ε*δpmed
其中，ε等于预定常数，优选地在0.05到0.15之间。
根据本发明的方法还提供了一种组合算法，该算法允许以协调的方式优化最小开启时间和最大供应稳定性的要求，如图2所示。特别地，它可以提高增压系统在“舒适”模式下的最小开启时间，同时减少增压系统1在单元时间中开启/关闭的频率，从而当确定设施的需求停止时关闭增压系统1。
该算法基于对足够快速的正压力变化的识别，该正压力变化超过了用作阈值的预设压力值，因此预示了设施的关闭条件。该算法使用增压系统1的制造数据，特别是将增压系统1本身的流量与液压头联系起来的特性曲线q/h。
具体地，本发明提供了信号的获取步骤16，该信号的获取步骤16通过移动平均算法在采样时间tc(优选地200μs)中对n个样本(优选地1024个样本)进行过滤并取平均。
即，指示lpf取accumulator＝+press(kt)-vect(n)，vect(n)＝press(kt)，press_avg(kt)＝accumulator/n；
其中，accumulator为采样的累计值，press为压力，press_avg为压力平均值。
因此，迭代地重复信号采集步骤16，并且在n次采集之后，将获得的平均压力值与前一周期的平均压力值进行比较。
即，p_diff＝press_avg(n)-press_avg_mem；
press_avg_mem＝press_avg(n)。
其中，press_avg(n)是n次采集之后获得的平均压力值，press_avg_mem是前一周期的平均压力值。
如果该差值p_diff超过阈值threshold(即p_diff>threshold)，则计数器增加(即，counter++)(步骤17)，否则相同的计数器复位(即，counter＝0)(步骤18)。
一旦计数器增加，存在所谓的“状态1”的第一存储步骤19，其压力值与采集时间相关联(p1，t1)。
步骤19即：
保存p1＝press_avg；
保存t1＝counter。
其中，p1是“状态1”下的压力值，t1是相关联的“状态1”下的采集时间。
一旦计数器复位，即压力差p_diff不再超过阈值threshold(即p_diff<＝threshold)，则存在所谓的“状态2”的第二存储步骤20，其具有与采集时间相关联的压力值(p2，t2)。然后计算“状态1”和“状态2”之间的导数dp_dt，并且如果该导数dp_dt大于最小值min_derivative，则该方法向设施发送关闭信号(步骤21)。
步骤20即：
保存p2＝press_avg；
保存t2＝counter；
dp_dt＝(p2-p1)/(t2-t1)。
其中，p2是“状态2”下的压力值，t2是相关联的“状态2”下的采集时间。
计数器增加的阈值从增压系统的q/h特性曲线获得。还确定了最小导数值，以略过缓慢的压力变化。
对于这些判定，考虑在流量为零的情况下增压系统1的压力与流量为0.5m3/h的情况下增压系统1的压力之间的差δp(对应于大约8l/min)。
因此，阈值和最小导数值取决于舒适度参数ε：
阈值threshold＝δpε
ε的值优选为大约0.125。
根据本发明的方法的优选的一个方面，在增压系统1的启动期间，上述方法还被用于启动控制步骤。
特别地，在该启动步骤期间，电子单元4在电机吸收功率之前监控导数并且验证其是否在根据增压系统1的模型或泵选择的时间间隔δt中增加。
同时，将上述算法应用于在增压系统的输送管道8处的最小流量的检测，以验证是否超出了增压系统1的通常型号或泵的最小流量qmin。
如果在规定的时间间隔δt内同时发生上述情况，则增压系统将启动并遵循标准运行。不同的是，如果这两个条件均未得到验证，则增压系统将停止运行，并且启动过程将重复执行预定的次数n(这也是增压系统1的型号的典型值)。如果在预定的启动次数之后条件没有得到验证，则增压系统1进入警报状态并最终停止，从而要求外部操作员进行干预。
δt，qmin和n的值在特定参考表中实现。
根据一个优选方面，根据本发明的方法可以将增压系统1配备有水箱(也称为膨胀水箱)，当达到预设的操作阈值时该水箱启动。
对蓄水系统的需求源于响应白天的公共设施需求以恒定的流量供水。
储水箱的容量必须确保在最大需求期间所需的水量，并在公共设施所需的流量低于所提供的平均流量时容纳同样的水量。
如图3中的示例所示，一旦定义了流速和小时消耗量，就可以根据时间绘图，确定出膨胀水箱的最小容量。
具体而言，一旦确定了积分曲线的极限点0和p，便绘制这些点的连接点和两条平行线，对距离段o最远的连接点0和点p的积分曲线点执行以下操作：两条平行线截取的垂直线段以积分曲线的比例表示在流量等于日均消耗量的情况下膨胀水箱的最小容积v。
例如，高压釜可以用作膨胀水箱，关于该膨胀水箱的循环时间、容量，特别是关于系统的加压空气压缩机的采用、以及最大插入频率可以通过已知的分析来获得。
如图4中的示例所示，膨胀水箱的尺寸可以根据增压系统的q/h特性来定义。
因此，根据本发明的方法提供了通过在图4中突出显示的条件之间建立流量极限来评估增压系统1下游的水网络的损失或供应条件，这确定了“损失”和“输送到公共设施有用的流量”之间的边界值，在示出的示例中为q＝6l/min。每条直线是增压系统滞后、增压系统1的最大启动次数和每小时循环次数以及所用膨胀水箱类型的函数。在给定流量值和上述固定极限的情况下，可以获得膨胀水箱的最小容量值。一旦与增压系统1连接，就可以在界面显示器12上读取流量的估算值、由压力值10测得的压力以及电机2的电气参数。
以示例的方式，图5示出了表示根据本发明的用于包括水箱的增压系统的方法的流程图。
其中，复位后进行压力检查(步骤22)。当压力大于等于启动压力，即press>＝pressurestart时，重复复位过程。当压力小于启动压力，即press<pressurestart时，启动加速过程(即执行ramp_up-start)，执行加速过程(即执行ramp_up)，结束加速过程(即执行ramp_up-end)。
在压力控制步骤22之后，在低于启动压力的压力条件下，开始根据本发明的方法。如图5所示，计数器的更新步骤23(min_time_run_counter++)之后是第二计数器用作计时器以测量增压系统1的运行时间(步骤24：最小运行时间检查min_time_runcheck)。
当最小运行时间min_time_run<3s时，判定fc_defect_enable为假(无法检测到fc)。则回到计数器的更新步骤。当最小运行时间min_time_run>＝3s时，进行模式选择。
关于运行时间和所选择的模式——“eco(节能)模式”或“comfort(舒适)模式”——应用算法分支。
在“eco(节能)”模式(步骤25)中，在压力未超过停止压力(等于hmaxr)的验证步骤26之后，增压系统1在30秒后停止。即当最小运行时间min_time_run>＝30s时，进行压力检查，当压力小于停止压力p_stop时，回到计数器的更新步骤(min_time_run_counter++)；当压力大于等于停止压力p_stop时，启动减速过程(即执行ramp_down-start)，执行减速过程(即执行ramp_down)，结束减速过程(即执行ramp_down-end)，从而结束图5中的流程。
在“comfort(舒适)”模式27中，在公共设施关闭时进行启用检查“fcdetect”(步骤28)。如果事实证明已经启用并且确定公共设施可能关闭的事件，则增压系统1在压力并未超过停止压力(等于hmaxr)的验证步骤29之后在5秒后关闭。
有利地，通过根据本发明的方法，通过简单地以位于增压系统的输送管道处的压力传感器测量压力以及一旦获知电机的电气变量(即电流和吸收的功率)，可以获得用于控制增压系统的流量。
有利地，压力传感器用于从增压系统的输送管道处的压力传感器测量的时间单位中的压力脉动开始估算增压系统的叶轮的转速。
有利地，使用唯一的压力值，根据本发明的在增压系统的电子单元中实施的方法允许检测压力对应于公共设施的可能的部分关闭或全部关闭的正变化。
此外，根据本发明的方法允许最优化能耗，同时保持公共设施的最大使用舒适度。
本领域技术人员还将理解如何使系统的结构要求最小化，并因此将成本降低到最小，以确保具有与使用更复杂的系统获得的数据相同的可信度。
本领域技术人员将理解的是，根据可能和特定的需要，可对本文的实施例作出多种修改和变化，这些都包括在权利要求书所限定的本发明的保护范围之内。
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