专利名称：不用外部信号在pid控制阀系统中优化阀位和泵速的方法
技术领域：
本发明涉及包括离心泵的泵，并且更特别地涉及不使用外部信号而在PID控制阀系统中优化阀位和泵速的方法和设备。
背景技术：
其他类似的设备和它们的缺点如下Witzel、Rolf等人的题为“Quantitative Measurement”的PCTWO 2005/064167 A1公开了一种技术，这种技术使用了校准的功率/差压相对于流量以及相对于速度的曲线。校准的数据存储起来，并且与当前值相比较，以确定泵的流量。然而，虽然这种技术可以监视泵功率和差压数据以从校准的泵曲线预测在各种速度下的流量，但它不能从PID控制阀系统寻找最佳的泵速和阀位。
授予Henyan的题为“Method for Determining Pump Flow RatesUsing Motor Torque Measurements”的美国专利No.6,591,697公开了阐明转矩和速度相对于泵流速的关系和使用变频驱动(VFD)调整离心泵速度来调节泵流量的能力的方法。虽然这种技术可以监视转矩和速度相对于泵流速的关系以及具有通过使用变频驱动(VFD)调整离心泵速度来调节泵流量的能力，但它不能从PID控制阀系统寻找最佳的泵速和阀位。
授予Sabini等人的题为“Apparatus and Method for Controllinga Pump System”的美国专利No.6,464,464 B2公开了一种解释使用VFD调节离心泵的流量、压力或速度的控制和泵保护算法的方法。虽然这种技术可以通过使用来自外部发射器的反馈经由嵌入在变频驱动(VFD)中的PID控制回路来调节流量或压力，但它不能从PID控制阀系统寻找最佳的速度和控制阀位。
发明内容
以其最广泛的意义，本发明展示了一种方法和设备，用于根据例如速度、转矩或功率的各种泵和电机的参数，或者根据存储在评估设备中的校准的流量曲线，或者根据例如流量计的外部流量参考，确定流量参考数据；并且用于利用该流量参考数据以便在PID控制阀系统中控制离心泵、离心鼓风机、离心混合器或离心压缩机。该设备可以为控制器或其他合适的处理设备的形式以便控制泵的操作。
实际上，本发明将克服用于利用PID控制阀逻辑来控制过程的泵系统的上述现有技术设备的缺陷，其中不需要阀数据/位置的输入或其他外部信号。根据本发明的算法利用流量参考数据，该流量参考数据可以根据例如速度、转矩或功率的各种泵和电机的参数，或者根据存储在评估设备中的校准的流量曲线，或者根据例如流量计的外部流量参考，数学地加以确定。
本发明的实施例可以包括一个或多个下列特征一旦PID控制阀达到其稳定状态正常条件，则可以捕获计算的流量值并且将其与在变频驱动减小了频率(速度)后获得的当前流量值进行比较。针对压力控制应用，如果在当前速度处的当前流量是在该泵的最佳效率流量的90-110％之内，则阀位被优化。通过将泵速增加一设置的数量并且将当前流量值与保存的流量值进行比较，进行针对全开控制阀条件的最终检查，以及如果流量没有增加，则阀位被优化。如果该控制器已经达到其优化的状态，以及如果在长于延迟周期期间，实际电机转矩增加5％或更多或者实际流量增加5％或更多，则阀的优化过程可以在最大速度处重新启动。可选地，如果该控制器已经达到其优化的状态，以及如果实际电机转矩减小5％或更多或者实际流量减小5％或更多，则阀的优化过程可以在当前操作点处重新启动。进行辅助的用户可选择的全开阀检查，以查看在响应延迟周期期间实际电机转矩的改变是否是优化的状态的2％或更多但小于5％，以及如果该条件为真并且实际流量在速度增量改变之后大于优化的流量值，则优化过程在最大速度处重新启动。此外，仅在其中算法的流量条件不再为真的速度阈值之前，阀位被优化；或如果流量条件保持为真，则仅在达到最小速度之前，阀位被优化；可以单独地或将一个或多个上述特征组合在一起使用。
图1为根据本发明的基本泵系统的方框图；图2为根据本发明由图1所示的控制器执行的基本步骤的流程图；图3为图1中所示的控制器的方框图，该控制器具有一个或多个配置为执行图2所示的基本步骤的模块；图4示出了根据本发明的设置为恒流控制的过程变量的流程图；以及图5示出了根据本发明的用于恒压控制应用的流程图。
具体实施例方式
图1示出了总体指示为2的根据本发明的基本泵系统，它具有控制器4、电机6和泵8。在操作中，并且根据本发明，与在此所示出和所描述的相一致，控制器4用于根据例如速度、转矩或功率的各种泵和电机的参数，或者根据存储在评估设备(未示出)中的校准的流量曲线，或者根据例如流量计(未示出)的外部流量参考，确定流量参考数据；并且用于利用该流量参考数据来控制泵8。
图2以实例的方式示出了总体指示为10的流程图，它具有可以由根据本发明的控制器4实现的泵流量确定算法的基本步骤10a和10b。所确定的流量值还可以用作给PID控制回路的输入来控制流量，而不需要外部流量计或传统的测量仪表。流量确定算法可以嵌入变频驱动或可编程逻辑控制器等中，如以上对图1中的控制器4所说明的那样。
图3控制器4图3示出了控制器4的基本模块4a、4b、4c。在本技术领域内已知有许多不同类型和种类的控制器和控制模块可以用来对泵进行控制。基于对这样的已知控制器和控制模块的了解，根据本发明，本领域的技术人员将能实现诸如4a、4b之类的控制模块和将它们配置成执行与在这里所说明的一致的功能性，包括根据例如速度、转矩或功率的各种泵和电机的参数，或者根据存储在评估设备(未示出)中的校准的流量曲线，或者根据例如流量计(未示出)的外部流量参考，来确定流量参考数据；以及利用该流量参考数据来控制泵8，如图1所示出和上面所描述的那样。评估设备和/或流量计可以包括在一个或多个模块4a、4b或它们的某些组合中或构成其一部分。
举例来说，模块4a、4b的功能性可以使用硬件、软件、固件或其组合来实现，虽然本发明的范围并不局限于本发明的任何具体实施例。在典型的软件实现中，这样的模块会是一个或多个基于微处理器的具有微处理器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出设备和连接它们的控制、数据和地址总线的体系结构。本领域的技术人员不需要有太多的实验就能对这样的基于微处理器的实现进行编程以执行在这里所说明的功能性。本发明的范围不局限于使用已知的或将来开发的技术的任何具体实现。
控制器4还具有在本技术领域内已知的其他控制器模块4c，这些模块并不形成本发明的基本部分，因此在这里就不对它们进行详细说明。例如其他控制器模块4c可以包括这样的评估设备和/或这样的流量计、然而，这样的用于存储流量曲线的评估设备和/或用于提供外部参考数据的流量计在本领域中是已知的，在此不对它们做详细说明。此外，本发明的范围不局限于任何现在已知的或今后将来开发的特定类型或种类的技术。实施例还被设想为将评估设备和/或流量计包括在一个或多个模块4a、4b中或构成其一部分。
电机6和泵8电机6和泵8在本技术领域内是众所周知的，在这里不对它们作详细说明。此外，本发明的范围并不局限于现在已知的或将来开发的任何具体类型或种类的电机和泵。此外，本发明的范围还应包括使用根据本发明与控制离心泵、离心混合器、离心鼓风机或离心压缩机的操作有关的技术。
实现方式目前有许多与结合PID控制器的控制阀一起操作的固定速度离心泵过程。在此配置中，通过利用来自外部过程发射器的反馈以及在DCS(集散控制系统)、PLC(可编程逻辑控制器)或某些其他回路控制设备中的PID逻辑，节流控制阀，以维持过程设定点。在许多情况下，从能量消耗的观点看来，泵是过大的并且阀节流的成本是高的。此外，如果固定速度的泵远离其最佳效率流量来操作，则泵的径向和轴向负载将会增加。该增加的负载对轴承和密封的寿命有负面的影响并且会使得系统的可靠性下降，这将导致设备的计划外的维修。与计划外的维修相关的成本包括设备的修理、生产的中断和/或与环境清理相关的成本。
因此，操作这样一种系统是有利的，其中可以降低泵速，使得泵节流最小化，并且泵可以尽可能地接近其最佳效率流量而操作。
许多用户希望受益于较低的操作成本并且提高系统可靠性，但不希望他们的控制逻辑有任何的改变或不希望提供外部输入。通过使用变速驱动(VFD)和控制阀以试图优化泵速和控制阀位两者而不改变控制阀上的外部控制逻辑，本发明解决了这一问题。它还试图不使用外部输入而使其得以执行。该逻辑如下对该逻辑的VFD输入包括-最大泵速，-最小泵速，-电机转矩，以及-电机功率。
在一种形式中，该逻辑利用计算的流量数据，该流量数据根据例如速度、转矩或功率的各种泵和电机的参数或者根据存储在评估设备中的计算流量曲线数学地确定。然而，在实践中，该逻辑可以使用与泵流量具有直接或半直接关系的任何驱动操作参数加以获得。此外，尽管该逻辑着重于没有任何外部过程信号的功能性，但流量的直接读数也可以加以使用。该逻辑可以嵌入在变频驱动(VFD)或可编程逻辑控制器(PLC)上。
图4示出了一般地指示为50的设置为恒流控制的过程变量的流程图，以及图5是用于恒压控制应用。
如下阀优化过程中有三个步骤步骤1-泵系统启动并且升至最大速度。检查以确认泵不是操作在零流量处，即潜在的危险条件。如果泵操作在零流量，则用户可以选择报告单元故障(关闭)或向操作者发送警告。如果建立了流量，则在等待一分钟以便PID控制阀响应后，过程进行到下一个步骤。
步骤2-随着一分钟的延迟周期的结束，一旦PID控制阀在最大泵速设置处达到给定值，则阀优化过程开始。将当前流量值保存为Q1。接下来，通过在用户可调整斜率处的用户可调整速度增量，使泵逐渐降低速度。一旦满足了反应延迟(用户可调整)以便给出控制阀重新建立给定值的时间，则进行检查，以比较当前流量与Q1。如果流量未变化(只是恒流)或流量增加或流量相同(只是恒压)，则反复降低速度直到达到最低泵速或流量减小(只是恒流)。如果流量减小，则逻辑将速度以1/2速度增量稍微地增加，直到当前流量等于或大于流量Q1，然后进行到步骤3。在高的静压头应用中这是重要的。在压力控制应用中，进行检查以查看是否实际流量在最佳效率流量的90-100％之内，是否流量值小于Q1或是否已经达到最小速度，然后进行到步骤3。
步骤3-步骤3的目的是确认控制阀没有全开。如果该条件为“满足(green)”，则考虑泵速和阀位被优化。如果在电机转矩或流量中有长于反应延迟的、超过优化的值的a＞＝+5％的改变，则推断发生了给定值的增加，并且阀优化过程从最大速度重新启动。如果在电机转矩或流量中的改变＞＝优化的转矩或流量的-5％，则推断给定值已经减小，并且阀优化过程在步骤2处启动。对于某些应用，用户可以在控制阀已经接近全开时增加给定值。这将不会导致在电机转矩中的伴随的＞＝5％的改变。在此条件下，用户可选择的特征是可用的，以针对全开阀的条件检查是否在电机转矩中有a＞＝+2％的改变(但小于5％)。
应当注意，虽然计算的流量值已经用于在此表示的逻辑，但转矩或功率的值还可以由流量来替代。该逻辑通过计算的流量值连续地检查空转、最小流量(流量太低)或过载条件(流量太高)，并且将警告用户或关闭单元，以及通过泵保护逻辑报告故障或自动复位故障以及重新启动该单元(如果其如此配置的话)，其中该泵保护逻辑如于2006年3月8日提交的临时专利申请No.60/780,529(05GI002/911-2.22-1)，以及于2006年11月7日提交的相应的正式专利申请no.11/601,373(05GI002/911-2.22-2)所示，该两个专利申请通过参考全文引入本文。
其他可能的应用存在利用控制阀逻辑的系统，在该控制阀逻辑中，设定点是通过在固定的电机速度处正常地阀节流来达到的。嵌入在VFD或PLC上的该逻辑将能够优化泵速和控制阀位以减少操作成本并增加系统的可靠性。
本发明的范围应该理解，除非在这里另有说明，在这里对特定实施例所说明的任何特征、特性、替代或修改也可以应用于或用于在这里所说明的任何其他实施例或与这些实施例结合。此外，这些附图在这里没有按比例绘制。
虽然本发明是关于其示例性实施例进行说明的，但可以在这些示例性实施例中进行前述和各种其他增添和省略，而不背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种控制器，包括配置为根据例如速度、转矩或功率的各种泵和电机的参数或者根据存储在评估设备中的校准的流量曲线或者根据例如流量计的外部流量参考来确定流量参考数据的一个或多个模块；以及配置为利用该流量参考数据以便在PID控制阀系统中控制离心泵、离心鼓风机、离心混合器或离心压缩机的一个或多个模块。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，一旦PID控制阀达到其稳定状态正常条件，则捕获计算的流量值并且将其与在变频驱动减小了频率(速度)后获得的当前流量值进行比较。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中仅在其中算法的流量条件不再为真的速度阈值之前，阀位被优化。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中如果流量条件保持为真，则仅在达到最小速度之前，阀位被优化。
5.根据权利要求1所述的控制器，其中针对压力控制应用，如果在当前速度处的当前流量是在泵的最佳效率流量的90-110％之内，则阀位被优化。
6.根据权利要求1所述的控制器，其中通过将泵速增加一设置的数量并且将当前流量值与保存的流量值进行比较，来进行针对全开控制阀条件的最终检查，以及如果流量没有增加，则阀位被优化。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中如果该控制器已经达到其优化的状态，以及如果在长于延迟周期期间实际电机转矩增加5％或更多或者实际流量增加5％或更多，则阀的优化过程在最大速度处重新启动。
8.根据权利要求1所述的控制器，其中如果该控制器已经达到其优化的状态，以及如果实际电机转矩减小5％或更多或者实际流量减小5％或更多，则阀的优化过程在当前操作点处重新启动。
9.根据权利要求1所述的控制器，其中进行辅助的用户可选择的全开阀检查，以查看在响应延迟周期期间实际电机转矩的改变是否是优化的状态的2％或更多但小于5％，以及如果该条件为真并且实际流量在速度增量改变之后大于优化的流量值，则优化过程在最大速度处重新启动。
10.根据权利要求2所述的控制器，其中仅在其中算法的流量条件不再为真的速度阈值之前，阀位被优化。
11.根据权利要求2所述的控制器，其中如果流量条件保持为真，则仅在达到最小速度之前，阀位被优化。
12.根据权利要求2所述的控制器，其中针对压力控制应用，如果在当前速度处的当前流量是在泵的最佳效率流量的90-110％之内，则阀位被优化。
13.根据权利要求2所述的控制器，其中通过将泵速增加一设置的数量并且将当前流量值与保存的流量值进行比较，来进行针对全开控制阀条件的最终检查，以及如果流量没有增加，则阀位被优化。
14.根据权利要求2所述的控制器，其中如果该控制器已经达到其优化的状态，以及如果在长于延迟周期期间实际电机转矩增加5％或更多或者实际流量增加5％或更多，则阀的优化过程在最大速度处重新启动。
15.根据权利要求2所述的控制器，其中如果该控制器已经达到其优化的状态，以及如果实际电机转矩减小5％或更多或者实际流量减小5％或更多，则阀的优化过程在当前操作点处重新启动。
16.根据权利要求2所述的控制器，其中进行辅助的用户可选择的全开阀检查，以查看在响应延迟周期期间实际电机转矩的改变是否是优化的状态的2％或更多但小于5％，以及如果该条件为真并且实际流量在速度增量改变之后大于优化的流量值，则优化过程在最大速度处重新启动。
17.一种方法，包括根据例如速度、转矩或功率的各种泵和电机的参数，或者根据存储在评估设备中的校准的流量曲线，或者根据例如流量计的外部流量参考，确定流量参考数据；以及利用该流量参考数据，以便在PID控制阀系统中控制离心泵、离心鼓风机、离心混合器或离心压缩机。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，一旦PID控制阀达到其稳定状态正常条件，则捕获计算的流量值并且将其与在变频驱动减小了频率(速度)后获得的当前流量值进行比较。
19.根据权利要求17所述的方法，其中仅在其中算法的流量条件不再为真的速度阈值之前，阀位被优化。
20.根据权利要求17所述的方法，其中如果流量条件保持为真，则仅在达到最小速度之前，阀位被优化。
21.根据权利要求17所述的方法，其中针对压力控制应用，如果在当前速度处的当前流量是在泵的最佳效率流量的90-110％之内，则阀位被优化。
22.根据权利要求17所述的方法，其中通过将泵速增加一设置的数量并且将当前流量值与保存的流量值进行比较，来进行针对全开控制阀条件的最终检查，以及如果流量没有增加，则阀位被优化。
23.根据权利要求17所述的方法，其中如果该控制器已经达到其优化的状态，以及如果在长于延迟周期期间实际电机转矩增加5％或更多或者实际流量增加5％或更多，则阀的优化过程在最大速度处重新启动。
24.根据权利要求17所述的方法，其中如果该控制器已经达到其优化的状态，以及如果实际电机转矩减小5％或更多或者实际流量减小5％或更多，则阀的优化过程在当前操作点处重新启动。
25.根据权利要求17所述的方法，其中进行辅助的用户可选择的全开阀检查，以查看在响应延迟周期期间实际电机转矩的改变是否是优化的状态的2％或更多但小于5％，以及如果该条件为真并且实际流量在速度增量改变之后大于优化的流量值，则优化过程在最大速度处重新启动。
26.根据权利要求18所述的方法，其中仅在其中算法的流量条件不再为真的速度阈值之前，阀位被优化。
27.根据权利要求18所述的方法，其中如果流量条件保持为真，则仅在达到最小速度之前，阀位被优化。
28.根据权利要求18所述的方法，其中针对压力控制应用，如果在当前速度处的当前流量是在泵的最佳效率流量的90-110％之内，则阀位被优化。
29.根据权利要求18所述的方法，其中通过将泵速增加一设置的数量并且将当前流量值与保存的流量值进行比较，来进行针对全开控制阀条件的最终检查，以及如果流量没有增加，则阀位被优化。
30.根据权利要求18所述的方法，其中如果该控制器已经达到其优化的状态，以及如果在长于延迟周期期间实际电机转矩增加5％或更多或者实际流量增加5％或更多，则阀的优化过程在最大速度处重新启动。
31.根据权利要求18所述的方法，其中如果该控制器已经达到其优化的状态，以及如果实际电机转矩减小5％或更多或者实际流量减小5％或更多，则阀的优化过程在当前操作点处重新启动。
32.根据权利要求18所述的方法，其中进行辅助的用户可选择的全开阀检查，以查看在响应延迟周期期间实际电机转矩的改变是否是优化的状态的2％或更多但小于5％，以及如果该条件为真并且实际流量在速度增量改变之后大于优化的流量值，则优化过程在最大速度处重新启动。
全文摘要
本发明提供了一种利用流量参考数据的算法，其中根据例如速度、转矩或功率的各种泵和电机的参数，或者根据存储在评估设备中的校准的流量曲线，或者根据例如流量计的外部流量参考，确定流量参考数据。一旦PID控制阀达到其稳定状态正常条件，则捕获计算的流量值并且将其与在变频驱动减小了频率(速度)后获得的当前流量值进行比较。仅在其中算法的流量条件不再为真的速度阈值之前，阀位被优化。
文档编号F04D27/00GK101033749SQ20071008607
公开日2007年9月12日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年3月8日
发明者A·E·斯塔瓦勒, B·S·维德赫姆 申请人:Itt制造企业公司