增压装置的制作方法

本发明涉及一种用于对流经管道的液体进行增压的增压装置。

背景技术：

这样的增压装置例如应用于建筑物的饮用水供应中，例如当饮用水供应中的管道侧压力不足以将饮用水输送至建筑物的最上面一层时。这样的增压装置具有一个或多个增压泵，这些增压泵可以被并联或串联，并在增压泵的出口侧压力超过预设的边界值时被接通。当达到期望的目标压力时，增压泵相应地被再次断开。除了这种启动-停止运行模式(Start-Stopp-Betrieb)之外，特别是在流量较大的情况下，增压泵可以恒定地运行并调节其转速，从而以期望的方式调整压力。

当这种增压装置以所谓的启动-停止运行模式运行时存在下述的问题：即，断开和接通增压泵之间的时间间隔取决于在连接的管道系统中以及特别是在可能存在的缓冲容器中的容积有多大。较大的容积会导致在相对较长的时间间隔内出现较大的压力波动。在这样的系统中，当增压泵的接通持续时间相同时，较小的压力波动会带来更好的舒适度。在目前的系统中，这只能通过手动调整来实现。

技术实现要素：

有鉴于上述问题，本发明的目的在于对用于提高流经管道的液体的压力的增压装置进行改进，使得能够根据不同的液压系统实现自动调整，从而使得所发生的压力波动最小化。本发明的目的通过一种增压装置来实现，该增压装置具有至少一个增压泵、控制该增压泵的控制装置以及至少一个设置在增压泵的出口侧并与控制装置相连接的压力传感器，其中，控制装置被设计为，其至少在一个运行区域中以启动-停止运行模式控制增压泵，以便在达到上压力边界值时断开增压泵，并在达到下压力边界值时接通增压泵，在此将控制装置设计为，在启动-停止运行模式中，基于至少一个由压力传感器检测到的压力值的时间进程，自动地调整控制装置的至少一个压力-控制参数。优选的实施方式由以下的说明书、附图以及其他部分给出。

根据本发明的增压装置用于提高流经管道的液体的压力，例如饮用水管道中的饮用水的压力。增压装置具有至少一个增压泵。但是也可以并联和/或串联多个增压泵。因此，在下文中使用增压泵这一术语时，也将明确地包含这种多个增压泵的设置。增压装置还具有控制增压泵的控制装置。为此，存在至少一个在增压泵的出口侧设置在管道上或管道中的压力传感器，该压力传感器与控制装置相连接，使得能够将压力传感器检测到的压力测量值传递给控制装置。

控制装置被设计为，其至少在工作范围内控制在启动-停止运行模式下的增压泵。也就是说，在达到上压力边界值时断开泵，并在达到下压力边界值时接通泵。由此将使得增压装置出口侧的管道中的压力保持在上压力边界值和下压力边界值之间。

根据本发明将控制装置设计为，其在启动-停止运行模式中自动地调整控制装置的至少一个压力-控制参数。这样的压力-控制参数被视为通过控制装置控制增压泵的基础参数，特别是在启动-停止运行模式中的接通和断开时间点上有影响的参数。根据本发明，这种对至少一个压力-控制参数的自动调整是以至少一个由压力传感器检测到的压力值的时间进程为基础进行的。由此将提供一种自学系统，其能够根据增压装置出口侧的液压系统中的当前条件进行自动调整。优选将控制装置设计为这样实现调整：在不增加超过预定边界值的接通进程数量的情况下，将上压力边界值和下压力边界值之间的压差最小化。由此可以确保增压泵在启动-停止运行模式中的运行时间基本上不会被延长，同时又通过使系统中的压力波动最小化而改进了舒适度。由此可以在能源效率同步增长的同时提升舒适度。

根据本发明的一种优选的实施方式，增压装置或者说其控制装置被设计为，使至少一个已被自动调整的压力-控制参数是上压力边界值和/或下压力边界值。特别是压力-控制参数可以是上压力边界值和下压力边界值之间的差值，即滞后差(Hystrese-Spanne)。通过调整压力边界值，使运行中的压差在基本上不增加增压泵的接通过程数量或者说整个接通持续时间的情况下最小化，就能够通过对压力边界值或者说其差值的调整，使增压装置自动地根据其所连接的液压系统或者说在该系统中占主导地位的状态进行调整。由此实现了舒适度增益(Komfortgewinn)。特别是可以根据系统中的缓冲罐的罐容积对系统进行调整。在大容积的情况下可以减小压差，从而在系统中整体而言只发生很小的压力波动。

根据本发明的另一种优选的实施方式，控制装置被设计为，基于在管道中具有恒定流量的分析时间段中所检测到的至少一个压力值的时间进程，实现对至少一个压力-控制参数、特别是上压力边界值和/或下压力边界值的调整。这样做的优点在于：例如由于打开和关闭栓塞或者在液压系统中的消耗而引起的压力波动基本上对于压力-控制参数的测量和调整没有影响。由此可以确保在实际当中基本上只需要考虑系统本身所造成的影响。例如，当饮用水管道的一个或多个栓塞被打开时，在系统中会随着流量的突然升高而出现突然的压力降低。这种状态变化不是由系统设计所引起的，而是由使用者行为所导致的，因此应当在可能的调整中不予考虑。也就是说，应该优选在稳定的运行状态下进行分析。

根据本发明的另一种优选的实施方式，控制装置被设计为，其将分析时间段放在增压泵在启动-关闭运行模式下被接通的时间段中。也就是说，作为调整压力-控制参数的基础的时间压力进程优选在增压期间通过增压泵来检测。

根据另一种优选的实施方式，控制装置被设计为，将上述的分析时间段放在通过控制装置增加或降低增压泵的转速的时间段中。其优点在于：可以将所测得的系统中的压力的变化与转速变化的相关性考虑进来。由此可以判断压力是否以期待的方式遵循转速变化，也就是说，实际检测到的压力的变化遵循设定的或者说想要得到的压力变化。

因此，优选将控制装置设计为，其在分析时间段中监控压力进程，也就是监控由至少一个压力传感器在系统中测量到的压力的进程，并且只要该压力进程在预定义的边界中遵循额定压力进程，就只执行对至少一个压力-控制参数的调整。如果是这样的情况，则可以就此判定：稳定的运行状态没有发生例如会导致栓塞被打开或关闭的改变。根据本发明，这种影响应当尽可能地被排除。

根据本发明的另一种优选的实施方式，控制装置被设计为，其使用预测误差法(prediction error system identification method，预测误差系统辨识方法)来调整至少一个压力-控制参数。如前所述地，在此将考虑到相对于预测压力值的偏差，并通过使该偏差或者说误差最小化来实现调整。

优选控制装置具有预测系统，该预测系统基于预测模型来预测压力值。在此，该预测系统被设计为，根据增压泵的转速进行预测。也就是说，该预测系统将根据增压泵的当前转速预先给出所期望的系统中的压力值。根据所检测到的实际检测压力值相对于预测压力值的偏差，预测系统将基于预设的算法来调整预测模型中的至少一个系统参数。由此可以实现：根据实际的系统来调整预测模型，并且预测误差将被最小化或者说变得更小。

除了根据液压系统中的实际条件控制这种调整之外，该系统还可以用于识别液压系统中的变化，例如泄漏。如果预测模型中的至少一个系统参数在之前的恒定运行之后发生较大的变化，必然可以推断出在系统中发生变化，例如泄漏。因此可以将控制装置设计为，当其识别出这种异常时，例如显示为错误。

优选将预测系统设计为，其使用一种预测模型，该预测模型是自回归模型(ARX-model)，特别是第一级(erster Ordnung)的自回归模型(ARX-model)。基于这种模型，能够以简单的方式实现对压力值的预测。此外，在这种模型中，可以按照前述的方式调整至少一个所使用的系统参数，从而使预测误差最小化。

根据另一种优选的实施方式，控制装置被设计为，根据预测模型中的至少一个系统参数，特别是基于预设的算法或表格、尤其是预设的并存储于控制装置中的表格，确定至少一个压力-控制参数。由此，特别是可以根据以前述方式调整的预测模型中的系统参数，将前述的压力边界值作为压力-控制参数同样进行调整。由此，在启动-停止运行模式中在增压泵的接通和/或断开时间点上具有主要影响的压力-控制参数可以根据至少一个被调整的系统参数进行调整，从而除了以前述方式使预测误差最小化之外，还可以使增压泵的接通和断开之间的压差最小化，并能够由此实现舒适度增益。

优选控制装置具有压力调节器，该压力调节器将增压泵调节至压力额定值。压力额定值作为输入参数被输送给压力调节器。在此，优选基于由使用者设定的期望压力值通过控制装置来调整该压力额定值。

根据另一种优选的实施方式，至少一个压力-控制参数可以是压力调节器中的控制参数或者说调节参数。这样的压力-控制参数可以单独地或者在其他压力-控制参数之外附加地以前述的方式基于压力值的时间进程被调整。

进一步优选将增压装置设计为，在增压泵的出口侧设有止回阀。这样的止回阀有利于在增压泵断开的情况下确保：不会出现液体回流，并保持增压泵的出口侧、也就是止回阀的出口侧的压力。此外，该止回阀在流量很小的情况下被关闭。在这样的状态下，增压泵的转速变化绝对不会对由压力传感器在止回阀的下游所测得的实际压力有影响。优选将压力传感器设置在止回阀的下游。如果转速变化不再对实际的压力有影响，则该实际压力在压力额定值(泵将试图通过转速变化来调节该压力额定值)降低时也不再遵循预测的压力值。在此，很小的流量可以被识别出，并且控制装置可以将该控制切换至所描述的启动-停止运行模式中。然后在该状态下实现所述的对至少一个压力-控制参数的调整。

因此，优选将控制装置设计为，其在很小流量占主导的工作范围中按照以所描述的启动-停止运行模式控制增压泵，并且在至少一个其他的工作范围中、优选在具有较大流量的工作范围中利用转速来调节增压泵，以达到所期望的增压。对启动-停止运行模式的限定可以按照已知的方式进行，例如按照由专利文献DE3824293A1已知的方式进行。这特别可以是如前所述地通过止回阀的作用来实现，并判断：实际的压力进程是否在所期望的边界中遵循预测的压力进程。

在大流量的情况下，增压泵优选处于连续运行中，并且压力是通过转速调节或者说转速适配以期望的方式来调节。优选增压泵是电子调节泵，特别是通过变频器调节的泵，从而能够任意地改变转速。

如前所述的，优选将控制装置设计为，其能够识别出很小流量的范围。为此，优选控制装置具有流量识别模型，该流量识别模型被设计为，基于至少一个由压力传感器检测到的压力值并基于增压泵的转速变化，来识别很小流量的工作范围。在此，优选将压力传感器如前所述地设置在止回阀的后面。流量识别模型可以如下地识别出很小流量的范围：当在很小流量的情况下发生止回阀关闭时，被测量的压力值将不再遵循额定压力的改变。也就是说，用于很小转速范围的边界(在该边界中被切换至启动-停止运行模式)取决于止回阀的功能，并优选取决于止回阀的预紧。

附图说明

下面借助于附图对本发明做示例性的说明。其中：

图1示意性示出了根据本发明的增压装置，

图2a和图2b示意性示出了在流量很小的情况下，在增压装置的启动-停止运行模式下的压力进程，

图3示意性示出了根据本发明的增压装置的调节器，

图4示意性示出了在流量很小的情况下的启动-停止运行模式，

图5示意性示出了根据本发明的增压装置的参数调整，

图6示出了用于查明压力边界值之间的压差的表格，和

图7示出了四种不同的运行状态关于时间的压力进程。

其中，附图标记列表如下：

2 增压泵

4 止回阀

5 管道

6 缓冲罐

8 压力传感器

10 阀门

12 控制装置

14 物理系统

16 传输功能器件

18 取决于使用者的传输功能器件

20 压力调节器

22 减法器

24 状态调节模块

26 预测模块，预测系统

28 参数模块

P 压力

P_U 期望压力

P_p 预测压力

P_S 额定压力

P₁，P₁′ 上部压力边界值

P₂，P₂′ 下部压力边界值

P₁-P₂，P₁′-P₂′ 压差或滞后差

t 时间

T_A 断开时间点

T_E 接通时间点

a₁，b₁ 参数

Z 状态值

Q 流量

具体实施方式

图1示意性示出了饮用水供应管道中的增压装置。该增压装置具有增压泵2，在该增压泵上，在距离出口侧不远的下游处连接有止回阀4。在止回阀4的出口侧设有缓冲罐6，该缓冲罐可以按照传统的方式构造为储存罐，该储存罐具有膜和通过该膜所形成的封闭的空气容积。在更远的下游处设有压力传感器8，其检测增压泵2的出口侧和止回阀4的出口侧的压力P。在更远的下游处示意性示出了阀门10，该阀门代表一个或多个消耗，例如抽取点，并通过该阀调整位于止回阀4出口侧的管道5中的流量。需要指出的是，替代阀门10地，在实践中也可以在管道5上连接具有多个阀门10的分支网络。

此外设有控制装置12，其控制或调节增压泵2。为此，增压泵2一方面通过控制装置12被接通和断开，另一方面通过该控制装置来调节其转速。为此，增压泵2可以通过转速调节器，特别是变频器来操控。控制装置12与压力传感器8信号连接，使得该控制装置接收由压力传感器8检测到的压力值。

需要指出的是，替代唯一的增压泵2地，也可以使用多个并联和/或串联连接的增压泵，这些增压泵通过控制装置12进行控制或调节。因此需要说明的是，当在此描述增压泵2时，其也非常明确地包括多个增压泵2的设置。

在所示出的增压装置的运行中，优选有两个运行状态，即，小流量运行状态和高流量运行状态。在高流量运行状态中，优选增压泵2以连续运行模式运转，并通过控制装置12根据在压力传感器8上检测到的压力值调节其转速，以达到或遵循额定压力值。

在小流量运行状态中，止回阀4被关闭，并且增压泵2的转速调节也绝对不会再影响到管道5中的压力下降。因此可以如前所述地不再进行压力调节。在这种运行状态下，增压装置被切换至启动-停止运行模式，在这种模式中，当管道5中的压力P下降到低于下压力边界值时，增压泵2被接通；当管道5中的压力P达到上压力边界值时，增压泵2被断开。对增压泵2的接通和断开通过控制装置12完成。

如图2a和图2b所示，在这种启动-停止运行模式中，缓冲罐6的大小具有重要的意义，因为所发生的压力波动取决于此。在图2a和图2b中，在各自的上图中分别绘出了关于时间t的管道5中的压力P。在各自的下图中分别示出了关于时间t的增压泵2的接通状态。增压泵2在值为1时被接通，在值为0时被断开。图2a在上面的曲线中示出了在罐体积较小时关于时间t的压力进程，并在下面的曲线中示出了所对应的接通状态。增压泵2在断开时间点T_A达到上压力边界值P₁被断开。随后，压力下降至下压力边界值P₂。当在接通时间点T_E达到该下压力边界值时，增压泵2再次被接通，直至在时间点T_A再次达到上压力边界值P₁。图2b中的上图示出了在缓冲罐6具有较大容积时的压力进程。通过比较图2a和图2b中的上图可以看到：当缓冲罐6具有较大的容积时，断开时间点T_A和接通时间点T_E之间的间隔更大。由此使得在管道5中压力P下降地更慢。现在根据本发明设计为，在该状态下改变或者说调整压力边界值P₁和P₂。上压力边界值P₁被降低至压力边界值P₁′，而下压力边界值P₂被升高至下压力边界值P₂′，即，滞后差被减小至P₁′-P₂′。增压泵2的断开和接通之间的压差因此被降低。同时，在断开时间点T_A和接通时间点T_E之间的时间间隔也被缩短。由此，当增压泵2在缓冲罐6为大容积时具有与在缓冲罐6为小容积时基本上相同的运行时间和接通频率时，可以实现更光滑的、具有更小压力波动的压力进程。这种调整的效果根据图7明显类似于图2b中的上曲线，图7示出了关于时间t的压力进程P。在第一运行状态a中，在罐容积较小的情况下小流量将占有主导地位。实际的压力P在相对较大的带宽中围绕使用者所选择的压力P_U波动。切换间隔是较短的。图7中的运行状态b代表在罐容积较大的情况下很小流量的状态。压力波动保持相同，但是增压泵2的接通和断开之间的间隔被延长。工作区域c代表在罐容积较大的情况下在调整了压力边界值P₁和P₂之后的小流量。切换间隔再次被缩短。同时，围绕期望值P_U的压力波动减弱。工作区域d对应于高流量的工作区域，在该区域中，增压泵2不再以启动-停止运行模式运行，而是通过压力调节器以恒定的运行模式运行。在该工作区域中基本上不存在压力波动。

现在借助于图3对这种适配和调节做进一步的说明。图3示出了通过控制装置12对增压泵2进行调节或者说控制的流程。在图3中示出的调节组件被集成在控制装置12中，或者说在这里以相应的模块运行。在此特别是软件模块。物理系统14及其对控制或者说调节的影响在图3中通过虚线标识出。物理系统14的主要组件是传输功能器件16，其代表液压系统或者说由液压系统构成，并且从增压泵2的转速n到管道5中的压力P的转换取决于该液压系统。此外，还设有取决于使用者的传输功能器件18，其代表阀门10的位置的影响。管道5中的压力P同样会根据阀门10的位置而变化。这将通过传输功能器件18来表示。转速n是压力调节器20的输出值，该压力调节器被集成在控制装置12中。向压力调节器20输入额定压力P_S，该额定压力在减法器22处将减去实际压力P。

额定压力P_S通过状态控制模块或者说状态调节模块24计算得到或者说给出。使用者所期望的压力P_U作为输入参数被输入给状态调节模块24。上压力边界值P₁和下压力边界值P₂之间的差值，即滞后差P₁-P₂，在参数模块28中被确定。这是基于在预测模块26中所确定的参数a₁和b₁实现的。在预测模块26中使用预测模型，该预测模型在当前的示例中是第一级自回归模型(ARX-model)。该预测模型的参数a₁和b₁在预测模块26中确定。实际压力P、转速n以及状态值Z作为输入参数被输送给预测模型26，在此，状态值Z代表工作区域，即，小流量的工作区域或者高流量的工作区域，在此，在小流量工作区域中使用启动-停止运行模式。基于至少一个在预测误差方法(prediction error system identification method)的框架下被调整的参数a₁和b₁，通过在参数模块28中对压力边界值P₁和P₂的差值P₁-P₂形式的压力-控制参数的调整，根据物理系统14的状态对这种调节或者说控制进行调整。压力边界值P₁和P₂的差值是待调整的压力-控制参数的一个举例。也可以按照合适的方式调整其他的压力-控制参数，例如输送到压力调节器中的参数。实际的压力边界值P₁和P₂通过状态调节模块24基于所期望的压力P_U来确定，使得使所期望的压力P_U优选处于滞后差P₁-P₂的中间。

控制装置12和特别是其状态调节模块24尤其是具有运行状态识别功能，以便查明应该进行启动-停止运行模式的小流量范围。下面将借助于图4来说明这是如何实现的。在图1中，下部的曲线示出了增压泵2关于时间t的转速n。上部的曲线示出了压力P关于时间t的压力进程，在此，实线表示在压力传感器8上所测得的实际压力P，虚线则代表额定压力P_S。图4中间的图示出了关于时间t的流量Q。所示出的这三个图描述了一在时间上并行的流程。流量Q在到达时间点t1时降低，使得运行状态从大流量的状态变更为小流量或基本上没有流量的状态。正如根据上部图中的实线所看到的那样，在该时间点上，实际压力P首先升高，并且由于在压力调节器20中所实施的压力调节又再次降低至额定压力P_S。在时间点t2和t3之间识别：是否存在小流量的状态。为此，降低额定压力P_S并由此降低转速n，并检验实际压力P是否遵循额定压力P_S的进程。在图4中可以看到并非是这种情况。于是系统被切换至启动-停止运行模式。在该示例中，在时间点t3和t4以及t5和t6之间，增压泵2被接通。在时间点t4和t5之间以及在时间点t6之后，增压泵2被断开。在断开时间段的开始阶段，转速首先降低。随后压力P如图2所示的那样缓慢地降低。

在预测模块24所使用的预测模型中，例如以如下的形式使用第一级ARX模型：P[k]＝-a₁P[k-1]+b₁n[k-1]

在该公式中，P表示压力，k表示试样编号或循环编号，n表示转速，并且a₁和b₁表示两个参数。参数a₁和b₁可以通过算法来确定，例如以如下示出的方式确定：

a₁[k]＝a₁[k-1]-λe[k]P[k-1]

b₁[k]＝b₁[k-1]+λe[k]n[k-1]

在此，λ表示步段数值参数e表示预测误差。用于调整预测压力P_p的预测误差模型的工作原理借助于图5进行说明。图5在顶部的图中示出了关于时间t的压力，在此，实线表示所测得的压力P，虚线表示预测的压力P_p。在第二个图中示出了相对于时间t的预测误差e，而下部的两个曲线示出了关于时间t的参数a₁和b₁。应当看到，在开始阶段，预测压力P_P极大地偏离实际压力P。由此导致了预测误差e，基于该预测误差调整参数a₁和b1，以使预测压力P_p和实际压力P重合，也就是说，使预测误差e基本为零。

根据本发明，这种预测误差方法也被用于调整参数模块28中的至少一个压力-控制参数。在该示例中，压力-控制参数是压力边界值P₁和P₂的差值P₁-P₂。在该实施例中，该压力边界值的调整将基于参数b₁实现。在控制装置12中，特别是在参数模块28中，存储有一表格，该表格针对特定的参数b₁定义压力边界值P₁和P₂之间的压差，即压力-滞后差。替代地，也可以直接将压力边界值P₁和P₂存储在表格中，但是为此还需要附加地将期望压力P_U输入参数模块28中，并在表格中将该期望压力考虑进去。可给出压差P₁-P₂的表格例如可以如图6中所示出的那样。在这里，例如对于参数b₁＜0.32的值，设置压力边界值P₁和P₂的压差或者说滞后差为0.1bar，而对于参数b₁大于或等于0.32的情况，则设置压差或滞后差为0.5bar。还可以考虑以更多的压力步段更详细地设计该表格，以便能够实现更精细的调整。

所述对参数a₁和b₁的调整优选发生在增压泵2的运行时间点上或者说运行区域中，在该运行时间点上或者说运行区域中存在稳定的运行状态，即，特别是存在尽可能恒定的流量。在图4中，例如在时间点t3和t4以及t5和t6之间，就是这种情况。在该时间点上恒定的流量占有主导地位，也就是说，阀门10的位置不会改变。因此，优选将控制装置12设计用于识别这种运行状态。特别是该控制装置将依据下述情况来识别流量的变化：在所提到的运行区域中压力突然地变化，或者说实际所测得的压力P偏离额定压力P_S。如果识别出这种状态，则停止对参数a₁和b₁的调整，直至达到稳定的运行状态。因此，控制装置12可以被设计为：例如，当在启动-停止运行模式下增压泵2被接通时，如果没有探测到由于阀门位置的变化而导致的压力进程的变化，就一直实施对参数a₁和b₁的参数调整。在压力边界值P₁和P₂的差值P₁-P₂被调整之后，表格被预先确定为，根据参数b₁如下地确定压差或者说压力-滞后差P₁-P₂：使压差最小化，而增压泵2的接通进程的数量不会超过所确定的边界。这可以通过预线确定的表格来保证。由于参数b₁取决于所测得的压力P的进程，因此也以这种方式基于所测得的压力P的进程来调整压力边界值P₁和P₂的差值P₁-P₂，其代表压力-控制参数。