基于变频水位维持设备的水位维持系统及自适应控制方法与流程

本发明属于水位控制
技术领域：
，具体涉及一种基于变频水位维持设备的水位维持系统及自适应控制方法。
背景技术：
：工业控制当中，有许多应用场合需要水位维持系统，例如水轮发电机组水车室顶盖部位有水轮机漏水，需要水轮机顶盖排水系统；水电站坝体内部有河床岩体漏水，需要坝基排水系统；水电站机组检修，需要机组检修排水系统；厂房因汛期下雨排涝，需要厂区雨水排水系统。这些系统都是典型的水位维持系统。水位维持系统通常设计有多台型号规格相同的定量排水泵作为水位维持设备，但是由于水位维持系统负载存在稳态固定来水负载和随机来水负载，若来水负载与水位维持设备输出功率不匹配，即系统水位由于来水上升的速度与水位维持设备排水的能力大小不匹配，会导致水位维持设备频繁启停或加卸载，设备原件磨损消耗加剧，影响水位维持设备寿命，同时导致能量损失，影响系统能效和经济性。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明提供一种基于变频水位维持设备的水位维持系统及自适应控制方法，旨在解决来水负载与水位维持设备输出功率不匹配，即系统水位由于来水上升的速度与水位维持设备排水的能力大小不匹配导致的：水位维持设备频繁启停或加卸载、设备原件磨损消耗加剧、影响水位维持设备寿命；同时导致能量损失，影响系统能效和经济性等问题。本发明采取的技术方案为：一种基于变频水位维持设备的水位维持系统，该系统包括：排水池、蓄水池、水位维持设备；排水池通过水位维持设备连接蓄水池，所述排水池设有传感器，传感器用于采集排水池的参数信息，所述传感器5、水位维持设备连接控制器，控制器连接人机交互装置。所述水位维持设备为n台型号规格相同的变频排水泵，编号分别为1#，2#……n#。任意一个水位维持设备设有电源变频器，电源变频器连接控制器。水位维持设备中n台型号规格相同的变频排水泵对应设有n台电源变频器。所述人机交互装置，与控制器进行通讯，将用户通过人机交互装置设置的水位维持系统额定水位h额，最高水位h最高，较高水位h较高，较低水位h较低，最低水位h最低，水位维持设备4中n台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线参数表参数信息传送给控制器，同时人机交互装置采集控制器发送的压力维持系统参数信息，进行图形化展示。所述控制器，通过通讯回路接受人机交互装置设置的水位维持系统额定水位h额，最高水位h最高，较高水位h较高，较低水位h较低，最低水位h最低，水位维持设备4中n台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线参数表参数信息，并根据通过二次回路接收到的传感器采集的水位维持系统状态信号，采用水位维持系统自适应控制方法进行逻辑处理后，通过二次回路对水位维持设备中n台型号规格相同的变频排水泵对应的电源变频器进行频率控制，从而对水位维持设备中n台变频排水泵进行运行工况控制，同时将水位维持系统状态信息通过通讯回路传输给人机交互装置。一种水位维持系统自适应控制方法，包括以下步骤：步骤1、控制器初始化，采集用户通过人机交互装置设置的水位维持系统额定水位h额，最高水位h最高，较高水位h较高，较低水位h较低，最低水位h最低，排水池的横截面积s，水位维持设备中n台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线表参数信息。步骤2、控制器控制启动n台变频排水泵在额定频率运行加载，将水位维持系统排水至额定水位h额，然后停止所有变频排水泵运行。步骤3、控制器采集水位维持系统水位h1，同时开始计时。步骤4、控制器检测计时是否满t分钟，若是进入步骤5，否则继续检测。步骤5、控制器采集水位维持系统水位h2。步骤6、控制器计算水位维持系统来水负载流量q＝(h2-h1)s/t。步骤7、控制器根据来水负载流量q和水位维持设备中n台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线表，计算变频排水工作泵的台数x，以及优先级最高的变频排水工作泵运行初始电源频率f0，输出频率控制信号f给优先级最高的变频排水工作泵对应的电源变频器，f＝f0，从而启动x台水位维持设备中变频排水泵作为变频排水工作泵，并实现对优先级最高的变频排水工作泵的电源频率进行控制。为向上取整数学符号。f0计算方法：若qi-1≤q-(x-1)qm≤qi,则f0＝fi-1+(fi-fi-1)[q-(x-1)qm-qi-1]/(qi-qi-1)。并初始化上次频率控制信号f上＝f。其余的变频排水工作泵的电源频率为fm。工作泵和备用泵轮换方法参见图3所示一种多台工作泵和多台备用泵的智能排队轮换工作方法。步骤8、控制器实时采集水位维持系统水位h。步骤9、控制器根据水位维持系统水位h和水位维持系统额定水位h额，计算优先级最高的变频排水工作泵的电源频率f＝f上+k(h-h额)，k为水位偏差与频率增幅比例系数，是一个常量，通常根据调节性能要求设置。输出频率控制信号f给优先级最高的变频排水工作泵对应的电源变频器，从而实现对水位维持设备中优先级最高的变频排水工作泵的电源频率进行控制。并刷新上次频率控制信号f上＝f。步骤10、若水位维持系统水位h不小于较高水位h较高，启动并加载一台优先级最高的备用变频排水泵，控制备用变频排水泵电源频率为fm。进入步骤11。步骤11、若水位维持系统水位h不小于最高水位h最高，启动并加载所有备用变频排水泵，控制备用变频排水泵电源频率为fm。进入步骤12。步骤12、若水位维持系统水位h小于较低水位h较低，则卸载并停止一台备用变频排水泵。进入步骤13。步骤13、若水位维持系统水位h小于最低水位h最低，则卸载并停止所有备用变频排水泵，返回步骤3。否则，返回步骤8。水位维持设备中n台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线表如下图表1所示，表1中m、i都为正整数，1＜i≤m，fi-1＜fi，qi-1＜qi，qi为fi电源频率对应的排水泵的排水能力。排水能力指单位时间排出的水的体积，单位为m3/min。表1频率与排水能力协联曲线参数表f1f2f3…fi-1fi…fm-1fmq1q2q3…qi-1qi…qm-1qm本发明一种基于变频水位维持设备的水位维持系统及自适应控制方法，优点在于：可以解决水位维持系统来水负载与水位维持设备输出功率不匹配，即系统水位由于来水上升的速度与水位维持设备排水的能力大小不匹配导致的，水位维持设备频繁启停或加卸载，设备原件磨损消耗加剧，影响水位维持设备寿命，同时导致能量损失，影响系统能效和经济性等问题。采用本发明一种基于变频水位维持设备的水位维持系统，用变频水位维持设备替代定频水位维持设备，可以解决水位维持系统来水负载与水位维持设备输出功率不匹配，即系统水位由于来水上升的速度与水位维持设备排水的能力大小不匹配问题，相比定频水位维持设备更能提高匹配的精确度和准确度，能更有效的保持系统水位稳定，充分降低系统水位由于来水变化的速度。同时解决不匹配问题，可以避免不必要的水位维持设备启停和加卸载，降低设备原件磨损消耗，延长水位维持设备寿命，降低系统能耗，提高经济性。采用本发明一种水位维持系统自适应控制方法，采用闭环控制算法精确控制变频水位维持设备对应的电源变频器输出的电源频率，可以解决水位维持系统来水负载与水位维持设备输出功率不匹配，即系统水位由于来水上升的速度与水位维持设备排水的能力大小不匹配问题，自动动态提高匹配的精确度和准确度，能更有效的保持系统水位稳定，充分降低系统水位由于来水变化的速度。同时解决不匹配问题，可以避免不必要的水位维持设备启停和加卸载，降低设备原件磨损消耗，延长水位维持设备寿命，降低系统能耗，提高经济性。故相对采用定频水位维持设备的水位维持系统和控制方法，本发明方法具有更好的控制性能、适应性和经济性。附图说明图1为本发明水位维持系统结构示意图。图2为本发明水位维持系统自适应控制方法流程示意图。图3为一种多台工作泵和多台备用泵的智能排队轮换工作方法流程示意图。具体实施方式如图1所示，一种基于变频水位维持设备的水位维持系统，包括有多台型号规格相同的变频排水泵作为水位维持设备，正常情况只需要启动一台泵运行，其包括排水池1，蓄水池2，管路3，水位维持设备4，传感器5，控制器6，人机交互装置7，电气回路8，通迅回路9。排水池1为来水存储的地方，等待水位维持设备4将其抽排至蓄水池2。蓄水池2为排水存储的地方。管路3连接排水池1，蓄水池2，水位维持设备4。水位维持设备4为n台型号规格相同的变频排水泵，编号分别为1#，2#……n#。传感器5采集水位维持系统中排水池1的物理量参数，如水位等。控制器6通过通讯回路9，接受人机交互装置7设置的水位维持系统额定水位h额，最高水位h最高，较高水位h较高，较低水位h较低，最低水位h最低，水位维持设备4中n台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线参数表等参数信息，并根据通过电气回路8接收到的传感器5采集的水位维持系统状态信号，采用一种水位维持系统自适应控制方法进行逻辑处理后，通过电气回路8，对水位维持设备4中n台型号规格相同的变频排水泵对应的电源变频器10进行频率控制，从而对水位维持设备4中n台变频排水泵进行运行工况控制，同时将水位维持系统状态信息通过通讯回路9传输给人机交互装置7。传感器5，采用品牌为文特斯，型号为ly25-cs41f2an2h(0～40m)的压力密封式液位信号器。控制器6，采用品牌为罗克韦尔，型号为1769-l311769-l35ecompactlogix的plc。人机交互装置7，采用品牌为罗克韦尔，型号为2711pc-t10c4d1的触摸屏电气回路8，采用通用国标电缆。通迅回路9，采用通用9针串口通讯线。电源变频器10，采用品牌为欧阳华斯，型号为983150的三进三出变频电源。n台型号规格相同的变频排水泵，采用品牌为环玉，型号为变频250qj深井潜水泵。水位维持设备4中n台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线如下图表1所示，表1中m、i都为正整数，1＜i≤m，fi-1＜fi，qi-1＜qi，qi为fi电源频率对应的排水泵的排水能力。排水能力指单位时间排出的水的体积，单位为m3/min。表1频率与排水能力协联曲线参数表f1f2f3…fi-1fi…fm-1fmq1q2q3…qi-1qi…qm-1qm人机交互装置7与控制器6进行通讯。将用户通过人机交互装置7设置的水位维持系统额定水位h额，最高水位h最高，较高水位h较高，较低水位h较低，最低水位h最低，排水池1的横截面积s，水位维持设备4中n台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线表等参数传送给控制器6，同时人机交互装置7采集控制器6发送的水位维持系统参数信息，进行图形化展示。水位维持设备4连接电源变频器10；传感器5连接控制器6；控制器6连接电源变频器10；实现状态信号、控制信号的传输。水位维持设备4中n台型号规格相同的变频排水泵对应设有电源变频器10中n台电源变频器。控制器6通过通讯回路9连接人机交互装置7，实现排水能力信息、状态信息的传输。电源变频器10通过电气回路8，接受控制器6输出的频率控制信号，并输出对应频率的电源信号给水位维持设备4中n台变频排水泵，从而对水位维持设备4中n台变频排水泵的电源开关及电源频率实现控制。一种水位维持系统自适应控制方法，包括以下步骤：步骤1、控制器6初始化，采集用户通过人机交互装置7设置的水位维持系统额定水位h额，最高水位h最高，较高水位h较高，较低水位h较低，最低水位h最低，排水池1的横截面积s，水位维持设备4中n台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线表参数信息。步骤2、控制器6控制启动n台变频排水泵在额定频率50hz运行加载，将水位维持系统排水至额定水位h额，然后停止所有变频排水泵运行。步骤3、控制器6采集水位维持系统水位h1，同时开始计时。步骤4、控制器6检测计时是否满t分钟，若是进入步骤5，否则继续检测。步骤5、控制器6采集水位维持系统水位h2。步骤6、控制器6计算水位维持系统来水负载流量q＝(h2-h1)s/t。步骤7、控制器6根据来水负载流量q和水位维持设备4中n台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线表，计算变频排水工作泵的台数x，以及优先级最高的变频排水工作泵运行初始电源频率f0，输出频率控制信号f给优先级最高的变频排水工作泵对应的电源变频器10，f＝f0，从而启动x台水位维持设备4中变频排水泵作为变频排水工作泵，并实现对优先级最高的变频排水工作泵的电源频率进行控制。为向上取整数学符号。f0计算方法：若qi-1≤q-(x-1)qm≤qi,则f0＝fi-1+(fi-fi-1)[q-(x-1)qm-qi-1]/(qi-qi-1)。并初始化上次频率控制信号f上＝f。其余的变频排水工作泵的电源频率为fm。工作泵和备用泵轮换启动方法见图3所示一种多台工作泵和多台备用泵的智能排队轮换工作方法。步骤8、控制器6实时采集水位维持系统水位h。步骤9、控制器6根据水位维持系统水位h和水位维持系统额定水位h额，计算优先级最高的变频排水工作泵的电源频率f＝f上+k(h-h额)，k为水位偏差与频率增幅比例系数，是一个常量，通常根据调节性能要求设置。输出频率控制信号f给优先级最高的变频排水工作泵对应的电源变频器10，从而实现对水位维持设备4中优先级最高的变频排水工作泵的电源频率进行控制。并刷新上次频率控制信号f上＝f。步骤10、若水位维持系统水位h不小于较高水位h较高，启动并加载一台优先级最高的备用变频排水泵，控制备用变频排水泵电源频率为fm。进入步骤11。步骤11、若水位维持系统水位h不小于最高水位h最高，启动并加载所有备用变频排水泵，控制备用变频排水泵电源频率为fm。进入步骤12。步骤12、若水位维持系统水位h小于较低水位h较低，则卸载并停止一台备用变频排水泵。进入步骤13。步骤13、若水位维持系统水位h小于最低水位h最低，则卸载并停止所有备用变频排水泵，返回步骤3。否则，返回步骤8。一种多台工作泵和多台备用泵的智能排队轮换工作方法，如图3所示包括以下步骤：步骤①：初始化，确定系统工作泵台数i和泵总数j。步骤②：采集所有泵的多种工况因素，并确定所有泵的各种工况值。步骤③：根据所有泵的多种工况因素，进行权重排序，确定所有泵各种工况因素的权重值。步骤④：根据所有泵的各种工况因素对应的工况值、以及相应工况因素对应的权重值，计算每台泵的优先级得分。步骤⑤：根据每台泵的优先级得分，对系统中的所有泵进行优先级排序；步骤⑥：根据所有泵的优先级排序，取优先级由高到低排序的前i台泵作为工作泵，其他j-i台泵作为备用泵；步骤⑦：检测所有泵的运行状态，如果有泵停止运行，返回步骤②。所述步骤②中，多种工况因素包括：泵的运行次数，泵能否正常工作，泵的运行状态把手“主用”、“备用”、或“切除”人为设置。本发明步骤以此三个工况因素为例，实际应用时可以根据实际应用情况对工况因素进行扩充。所有泵的各种工况值如下：在所有泵中，若泵能正常工作，该工况值x取值为1；若泵不能正常工作，该工况值x取值为0。设n号泵的该工况值为xn；在所有泵中，若泵能正常工作，该工况值x取值为1；若泵不能正常工作，该工况值x取值为0。设n号泵的该工况值为xn。在所有泵中，若泵的运行状态把手人为设置为“主用”时，该状态工况值y取值为2；若泵的运行状态把手人为设置为“备用”时，该状态工况值y取值为1；若泵的运行状态把手人为设置为“切除”时，该状态工况值y取值为0。这样取值的原因是泵的运行状态把手人为设置为“主用”优先级高于人为设置为“备用”，人为设置为“备用”优先级高于人为设置为“切除”。设n号泵的状态工况值为yn。在所有泵中，对泵的运行次数进行排序，次数由高到低对应的泵次数工况值z依次取值为1，2……5，6。设n号泵的次数工况值为zn。所述步骤③中，泵轮换考虑的三个因素重要性由高到低依次是：泵能否正常工作，泵的运行状态把手“主用”、“备用”、或“切除”人为设置，泵的运行次数；设定泵能否正常工作的权重值a＝100；泵的运行状态把手“主用”、“备用”、或“切除”人为设置的权重值b＝10；泵的运行次数的权重值c＝1。所述步骤④中，分别计算每台泵的优先级得分m＝ax+by+cz＝100x+10y+z；则n号泵的优先级得分mn＝100xn+10yn+zn。所述步骤⑤中，根据mn的大小进行泵的优先级排序，n号泵的优先级得分mn越大，优先级越高，其就排在队列的位置越靠前，设mn1≧mn2≧mn3≧mn4≧mn5≧mn6,则优先级排序如下：n1，n2，n3，n4，n5，n6。实施例：将本发明应用于某电站坝基排水系统排水泵的启停控制。该系统共设计4台变频排水泵。以下结合该实施例对本发明方法作详述。采用本发明方法，某电站坝基排水系统排水泵控制方法的详细步骤如下：1、坝基排水系统控制器初始化，采集用户通过人机交互装置设置的水位维持系统额定水位h额，最高水位h最高，较高水位h较高，较低水位h较低，最低水位h最低，排水池1的横截面积s，2台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线表等参数信息。2、坝基排水系统控制器控制启动4台变频排水泵在额定频率50hz运行加载，将水位维持系统排水至额定水位h额，然后停止所有变频排水泵运行。3、坝基排水系统控制器采集水位维持系统水位h1，同时开始计时。4、坝基排水系统控制器检测计时是否满t分钟，若是进入第5步，否则继续检测。5、坝基排水系统控制器采集水位维持系统水位h2。6、坝基排水系统控制器计算水位维持系统来水负载q＝(h2-h1)s/t。7、坝基排水系统控制器根据来水负载流量q和水位维持设备中4台变频排水泵的电源频率与排水能力协联曲线表，计算变频排水工作泵的台数x，以及优先级最高的变频排水工作泵运行初始电源频率f0，输出频率控制信号f给优先级最高的变频排水工作泵对应的电源变频器，f＝f0，从而启动x台水位维持设备中变频排水泵作为变频排水工作泵，并实现对优先级最高的变频排水工作泵的电源频率进行控制。为向上取整数学符号。f0计算方法：若qi-1≤q-(x-1)qm≤qi,则f0＝fi-1+(fi-fi-1)[q-(x-1)qm-qi-1]/(qi-qi-1)。并初始化上次频率控制信号f上＝f。其余的变频排水工作泵的电源频率为fm。工作泵和备用泵轮换方法参见图3所示一种多台工作泵和多台备用泵的智能排队轮换工作方法。8、坝基排水系统控制器实时采集水位维持系统水位h。9、坝基排水系统控制器根据水位维持系统水位h和水位维持系统额定水位h额，计算优先级最高的变频排水工作泵的电源频率f＝f上+k(h-h额)，k为水位偏差与频率增幅比例系数，是一个常量，通常根据调节性能要求设置。输出频率控制信号f给优先级最高的变频排水工作泵对应的电源变频器，从而实现对水位维持设备中优先级最高的变频排水工作泵的电源频率进行控制。并刷新上次频率控制信号f上＝f。10、若水位维持系统水位h不小于较高水位h较高，启动并加载一台优先级最高的备用变频排水泵，控制备用变频排水泵电源频率为fm。进入步骤11。11、若水位维持系统水位h不小于最高水位h最高，启动并加载所有备用变频排水泵，控制备用变频排水泵电源频率为fm。进入步骤12。12、若水位维持系统水位h小于较低水位h较低，则卸载并停止一台备用变频排水泵。进入步骤13。13、若水位维持系统水位h小于最低水位h最低，则卸载并停止所有备用变频排水泵，返回步骤3。否则，返回步骤8。当前第1页12