专利名称：智能水泵系统在线运行监视仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及冶金、石化、造纸、电厂、机械、矿山、炉窑、建筑、城市给排水、供热站、油田、大型农业灌溉、集中空调等领域的ー种智能水泵系统在线运行监视仪。
背景技术：
水泵是应用面广、量大的通用机械。水泵使用遍及国民经济各个生产、生活部门，如冶金、石化、造纸、电厂、机械、矿山、炉窑、建筑、城市给排水、供热站、油田、大型农业灌溉、轮船……。现在的水泵系统运行效率低下、耗能巨大、水平落后。据权威资料显示，目前我国电机系统用电量约占全国用电量的60%，其中水泵、风机、压缩机和空调制冷机的耗能分别 占全国用电量的20. 9%、10. 4%、9. 4%和6%，“三机ー泵(风机、压缩机、制冷机和水泵)”总耗能占全国用电总量的46. 9%,近乎占国家总耗能的一半，而单只水泵就消耗总电量的20. 9%。过去由于我国高等教育专业模块划分太细，对水泵的性能研究仅限于本专业的内容，对水泵容入系统后性能要发生根本变化的系统科学原理认识不清，水泵性能和管道系统特性及运行控制策略不匹配，加上设计部门设计计算方法落后，选择的水泵容量至少是实际需要的I. 7倍，水泵普遍在大流量、小温差、大马拉小车低效率、且多在系统匹配情况说不清、道不明的摸黑状态下运行。据统计我国泵类系统的运行效率约30%，比国外约低20% ;我国単位⑶P能耗是美国的3倍，是日本的10几倍，水泵低效运行“功”不可没。因此从理论和实践上解决水泵运行高耗能、低效率和落后水平的问题，应当是我国十二五规划单位GDP降耗16%艰巨任务的内容之一。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种结构简单，安装、调试方便、节能效果显著，操作エ在监视仪触摸屏上显示的操作指导信息的指引下，可以控制系统水泵时时在最高效率点工作的智能水泵系统在线运行监视仪。为了克服现有技术的不足，本实用新型的技术方案是这样解决的该监视仪包括触摸屏、可编程控制器构成的专家控制器；压差变送器、流量变送器构成的水泵运行參数测量仪；功率变送器、频率变送器、电量变送器、无线数据传输模块构成的水泵电量遥测仪；手动调节阀和操作エ担当的执行机构；变频器、水泵电机、水泵、管道系统构成被控对象等环节，监视仪是由上述几个环节构成的开环专家控制系统。本实用新型的特殊之处在于所述在水泵附近安装由触摸屏TS和可编程控制器PLC构成的专家控制器；所述水泵Pl的进出ロ管道上安装有压差变送器Λ P，在出口管道上安装有流量变送器F构成水泵运行參数测量仪；所述在远方水泵变频电控柜上分別连接水泵功率变送器W、频率变送器f、电量变送器TEQ、无线数据传输模块GPRS构成的水泵电量遥测仪；在水泵出ロ管道上安装有手动调节阀HVl和操作エー起担当执行机构；所述变频器VFD、水泵电机M、水泵Pl和管道系统构成被控对象；所述水泵实时电量信号通过遥测仪输送到触摸屏TS和可编程控制器PLC中；所述压差变送器△ P、流量变送器F将水泵实时的扬程、流量信号通过A/D转换器输送到触摸屏TS和可编程控制器PLC中；所述专家控制器由水泵系统知识库、比较环节、数据处理器、信息处理器、推理机、规则集构成；所述专家控制器、执行机构、系统水泵和传感器组四个环节构成了开环专家控制系统。当负荷发生变化或水泵运行台数等干扰因素发生，水泵偏离最高效率点时，传感器组将水泵实时运行参数送到专家控制器中，经专家控制系统和额定最佳值比较、得出偏差及其变化率，再经各个环节运算，在触摸屏TS上显示出水泵实时特性曲线、实时工况点、实时运行参数和实时操作指导信息。操作工在实时操作指导信息指引下，控制手动阀HV1，可以使水泵时时在最高效率点运行，从而达到对水泵运行工况清清楚楚和水泵节能的目的。因为专家控制器的输出的控制信号，不能直接控制手动调节阀HVl，而需要操作工参与控制的过程，所以监视仪实质是开环专家控制系统，其目的是为了节省价格昂贵的大口径电动调节阀。与现有技术相比，本实用新型是根据“系统节能”理论整合水泵系统节能理论、计算机控制技术、计算机图形技术、计算机网络技术、计算机无线组网技术提出的，具有结构简单、安装调试方便、节能效果显著特点，水泵在线实时运行信息形象清晰地在触摸屏上显·示出来，在监视仪提供的水泵实时操作信息指引下，操作工可以控制水泵时时在最高效率点工作，克服了传统水泵摸黑运行和不节能的缺点。在提供的算例里，水泵的效率提高7%以上，轴功率减小6kW以上，节能电能12. 2%。综上所述智能水泵系统在线运行监视仪有以下显著特点I).水泵实时运行参数采集图形显示水泵实时的进出口压差(扬程)、流量、有效能输出、电机输入功率、频率、水泵效率显示在触摸屏上；用户可清清楚楚知道水泵、变频器、管道组成的系统运行情况、需花的代价等等信息，明明白白地消费，消除了传统水泵摸黑瞎用、心中无数、低效、费能的应用局面。2).水泵容量匹配诊断加上冷机进出口温度或冷却塔进出口温度和环境温度的采集，可进行系统最大负荷需求的计算和水泵容量匹配诊断；3).给出水泵系统趋于最高效率点运行的操作指导。彻底改变了传统水泵、系统匹配情况摸黑的局面，能使水泵系统最大限度地节能；4).在线水泵特性测量在首次安装好运行监视仪后，可以通过扫描的方法获取在线水泵实际特性，以使用户对水泵实际特性心中有数，免除一些水泵厂商的宣传误导。5).和全相似变频或变速水泵控制技术相结合，可以使水泵系统达到“配置合理，运行协调”的境界，水泵系统能够花最小的代价实现实时跟踪负荷变化的控制，可以达到人们梦寐以求的水泵耗能系统有头脑、有智商、有灵性地用能状态，大大简化了水泵节能运行管理的工作。6).智能水泵系统在线运行监视仪，可以作为国家质监局的水泵质量检查测量仪，抽查生产厂家的或在线的水泵产品性能；7).水泵叶轮故障诊断、报警水泵因气蚀叶轮表面产生麻点使水泵效率下降，可以通过检测水泵最高效率的下降程度，估算水泵的气蚀程度或水泵叶片表面沾结污垢的程度。8).智能水泵系统在线运行监视仪是开放的，可以融入任何类型控制系统装置备有各种制式通讯模块可选，使装置能够容入DCS、BAS、PLC任何一种类型的楼控系统或工厂控制系统中。本本实用新型可以广泛用于钢厂、化工厂、大型中央空调水泵系统的节能设计和节能改造中。
图I为本实用新型的结构示意方框图；图2为图I的专家控制系统原理结构示意框图；图3为图I算例中的水泵性能曲线图。
具体实施方式
附图为本实用新型的实施例。
以下结合附图对发明内容作进一步说明参照图I、图2所示，一种智能水泵系统在线运行监视仪，该监视仪包括触摸屏、可编程控制器和控制软件构成的专家控制器；压差变送器、流量变送器构成水泵运行参数测量仪；功率变送器、频率变送器、电压电流等电量变送器、无线数据传输模块构成水泵电量遥测仪；手动调节阀和操作工担当执行机构；变频器、水泵电机、水泵和管道系统构成的被控对象。所述触摸屏TS、可编程控制器PLC(I)和控制软件构成专家控制器；所述水泵Pl10的进出口管道上安装压差变送器AP 11、在出口管道上安装流量变送器F 2构成水泵运行参数测量仪；所述在远方水泵变频电控柜上分别安装水泵功率变送器W 6、频率变送器f8、电量变送器TEQ 5、无线数据传输模块GPRS 4构成水泵电量遥测仪；在水泵出口管道上安装有手动调节阀HVl 3和操作工一起担当执行机构；所述变频器VFD 7、水泵电机M 9、水泵Pl 10和管道系统构成被控对象；所述专家控制器21由系统水泵知识库12、比较环节20、数据处理器18、信息处理器19、推理机17、规则集16组成；所述专家控制器21、执行机构15、系统水泵14和传感器组15四个环节组成了开环专家控制系统。所述水泵运行参数测量仪将水泵实时扬程、流量信号通过A/D转换器输送到触摸屏TS和可编程控制器PLC I中；所述水泵实时电量信号通过电量遥测仪输送到触摸屏TS和可编程控制器PLC I中，经专家控制系统和最佳值比较得出偏差，再经各个环节运算，在触摸屏TS上显示出水泵实时特性曲线、实时工况点、实时运行参数和实时操作指导信息，操作工在实时操作指导信息指引下，控制手动调节阀HVl 3，可以使系统水泵时时在最高效率点运行，从而达到对每台水泵运行工况清清楚楚和节能的目的。水泵是一个多参数相互关联的复杂系统。监视仪在水泵附近安装有由触摸屏、可编程控制器(TS+PLC)构成的专家控制系统；在水泵Pl 10进出口之间安装有压差变送器AP 11、在水泵出口安装流量变送器F 2构成水泵运行参数测量仪；在水泵变频电制柜处安装有水泵功率变送器W 6、频率变送器f 8、电量变送器TEQ 5、无线数据传输模块GPRS4构成的水泵电量遥测仪；手动调节阀HVl 3和操作工担当执行机构；变频器VFD 7、水泵电机M 9、水泵Pl 10和管道系统构成被控对象。水泵实时电量参数通过电量遥测仪被送到PLC中，水泵运行参数通过A/D转换器传送到PLC中，经过专家系统控制软件进行数据处理、推理运算，指明在线水泵系统运行特性，并给水泵趋于最高效率工况点运行给出操作指导信息，同时利用计算机图形技术将水泵在线运行实时參数及エ况点在触摸屏(TS)的屏幕上形象地显示出来。考虑到水泵高压变频电制柜离水泵较远，用GPRS无线组网技术或ISM无线组网技术或电カ载波通讯技术，将水泵电量遥传至(TS+PLC) I。所以智能水泵系统在线运行监视仪是依据水泵时时在最高效率点运行的目标，在“系统节能”理论指导下整合系统水泵原理、计算机图形技木、无线网络技术等多门现代技术创新发明出来的。水泵节能应用实际是造物主对我们严厉而公正的节能理论考试，水泵长时间、大面积出现低效运行的状况，说明我们在节能理论考试中不及格，我们还没有掌握符合客观规律的水泵系统节能理论，不太认识水泵耗能系统的本质、运行规律性和特点。现代认识论认为，观察滲透着理论，毛主席也说“感觉只解决现象问题，理论才解决本质问题。”理念决定世界，改变水泵不节能的问题，首先要解决水泵在系统中应用的理论问题。图2为图I的控制原理结构示意框图。专家控制器(21)由系统水泵知识库12、比较环节20、数据处理器18、信息处理器19、推理机17、规则集16组成；专家控制器21、执行机构15、系统水泵14和传感器组15四个环节组成了开环专家控制系统。 水泵在线实时运行參数被送到触摸屏TS和可编程控制器PLC I构成的专家控制器21中，水泵实时电量參数通过水泵电量遥测仪送到专家控制器中，专家控制器21根据水泵实时运行參数、电量參数，经各个环节数据处理，在触摸屏TS上形象地显示出水泵的实时特性曲线、实时エ况点、实时运行參数以及趋于最高效率点的操作指导信息，操作エ便可在操作指导信息的指引下，看着触摸屏TS上的エ况点趋于最高效率点进行操作。由于大口径电动调节阀的价格昂贵，就用手动阀HVl代替电动阀，实际上的在线专家控制系统是开环的水泵系统在线匹配专家指导控制系统。数据处理系统的软件按框图的思想进行编程。水泵系统受到负荷变化、阀门调节、水泵运行台数的变化等等干扰因素(/O的影响，使水泵偏离最高效率点工作，水泵传感器组测量到了水泵的流量、压力、电量等实时參数的变化并输入到专家数据处理系统的数据处理器，计算出在线水泵实际的效率n t与根据实际测量參数和系统水泵知识库计算出来最高效率设定值も进行比较得出偏差λヮ，送到专家系统的信息处理单元经运算输出信号S传送到推理単元，经过推理単元的推理运算输出信息I去规则集中运算选择并在TS屏幕上输出满意的趋于最高效率点操作指导信息，操作エ按照TS屏幕上提供的信息，监视着TS屏幕上水泵エ况点的变化控制手动调节阀，调节输入到水泵系统中的调节量ガ，克服干扰/^'造成的影响，使系统水泵又回到最高效率点允许波动的范围内运行。如此周而复始，在操作エ參与下使系统水泵时时在最闻效率点运行。智能水泵系统在线运行监视仪的构成过程是这样的根据实际水系统水泵的型号特性，选定合适量程、类型的压差变送器Λ P、流量变送器F、电量变送器TEQ、GPRS数据传输模块以及PLC和触摸屏TS，如附图I构成智能水泵在线匹配控制装置，按照附图2编制专家数据处理系统软件，试调，交付使用，便构成和水泵系统融为一体的智能水泵系统在线运行监视仪。图3所示是Wilo-NP150/315V 1450rpm Φ 356型水泵性能曲线22。以此水泵系统作为本实用新型的ー个计算实例。水泵的设计エ况点为(ハΛ八np,Vp> (350,38,85%,43)。其中[0032]L——7jC泵流量，m3/h ；LP——7jC泵扬程，mH20 ；np——水泵轴效率，% ;Wp——7jC泵轴功率，kW。智能水泵系统在线运行监视仪实测水泵流量为460 m3/h，是设计流量的I. 31倍。实际工况点为a，NP, np, Wp)= (460, 32, 79%, 49)0若水泵设计流量选择正确，如果任由水泵在大流量、小温差、低效能状态运行，额定工况水泵流量中31%做的是无用功。如果配以智能水泵系统在线运行监视仪，监督指导水泵时时在最高效率点工作，水泵的效率可提高7%，轴功率可以减小6kW，节能12. 2%。 由于智能水泵系统在线运行监视仪是根据“系统节能”原理提出的，如若和“系统节能”原理提出的其他技术相结合，便构成了完整、完美的水泵节能理论技术体系。如和水泵容量诊断技术相结合，监视仪检测出水泵容量比实际需要大31%，再选配一个和水系统特性相匹配的水泵，则达到系统需要的流量350 m3/h，和水系统特性相匹配的水泵计算仅需要扬程18. 5mH20。选择Wilo-NP125/250V 1470rpm ￠267. 5型水泵性能能够满足这样的要求。查Wilo-NP125/250V水泵特性曲线，需要轴功率19.8 kW，仅是原水泵实际运行耗能的40%，节能超过50%。如再加上“花最小的代价实现实时跟踪负荷变化的过程”的技术，则理论计算在全相似工况，水泵功耗仅为匹配的新水泵功耗的21. 6%，这时水泵处于有头脑、有智商、有灵性地用能状态，可以取得最好的节能效果。
权利要求1. 一种智能水泵系统在线运行监视仪，该监视仪由触摸屏和可编程控制器构成专家控制器；压差变送器、流量变送器构成水泵运行参数测量仪；电量变送器、功率变送器、频率变送器、无线数据传输模块构成水泵电量遥测仪；手动调节阀和操作工担当执行机构；变频器、水泵电机、水泵、管道系统构成被控对象；由系统水泵知识库、比较环节、数据处理器、信息处理器、推理机、规则集组成专家控制器；由专家控制器、执行机构、系统水泵、传感器组四环节组成开环专家控制系统等部件组成； 其特征在于所述在水泵附近安装由触摸屏TS和可编程控制器PLC (I)构成的专家控制器(21);所述水泵Pl (10)的进出口管道上安装有压差变送器AP(Il)，在出口管道上安装流量变送器F (2)构成水泵运行参数测量仪；所述在远方水泵变频电控柜上分别安装水泵功率变送器W ￠)、电压、频率变送器f (8)、电流等电量变送器TEQ (5)、无线数据传输模块GPRS (4)构成的水泵电量遥测仪；在水泵出口管道上安装有手动调节阀HVl (3)和操作工一起担当执行机构；所述变频器VFD (7)、水泵电机M (9)、水泵Pl (10)和管道系统构成的被控对象；所述水泵实时电量信号通过电量遥测仪输送到触摸屏TS和可编程控制器PLC(I)中；所述压差变送器AP (11)、流量变送器F (2)将水泵实时的扬程、流量信号通过A/D转换器输送到触摸屏TS和可编程控制器PLC (I)中；所述专家控制器(21)由系统水泵知识库(12)、比较环节(20)、数据处理器(18)、信息处理器(19)、推理机(17)、规则集(16)组成；专家控制器(21)、执行机构(13)、系统水泵(14)和传感器组(15)四个环节共同构成了一个开环的专家控制系统。
专利摘要本实用新型公开了智能水泵系统在线运行监视仪。水泵进出口管道上安装有压差变送器、流量变送器和手动调节阀；水泵附近安装有组成专家控制器的触摸屏、可编程控制器及无线数据传输模块；在电控柜上安装有电量变送器及无线数据传输模块；水泵实时运行参数通过数据采集通道传送到可编程控制器中，经专家控制器运算在触摸屏上显示出来水泵实时特性曲线、工况点、运行参数和最佳操作指导信息，操作工在此信息的指引下控制手动调节阀，使水泵时时在最高效率点运行。监视仪具有结构简单、安装调试方便、节能效果显著、在线显示水泵工况的特点。水泵效率可提高7%，轴功率减小6kW，节能12.2%。广泛应用于各领域的水泵系统节能设计和节能改造中。
文档编号F04D15/00GK202431503SQ20112048240
公开日2012年9月12日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者曹琦, 王军 申请人:深圳市宏事达实业发展有限公司