一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统及其控制方法 (Multi-pump parallel multi-frequency conversion synchronous speed regulation water supply control system and control method thereof ) 是由 陈楼升 李盼盼 赵海兵 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统及其控制方法,涉及供水设备技术领域,解决了供水低效和不稳定的问题,包括预设数量的水泵、变频器、传感器、PLC、人机界面和工业级5G路由器,所述的预设数量的水泵通过多泵并联的方式连接在一起,单个水泵与对应的变频器相连接,所述的PLC与变频器相连接,控制水泵运行,所述的传感器与PLC相连接,所述的人机界面与PLC相连接,实现人机交互,所述的工业级5G路由器与人机界面相连接,设备管理员可以通过工业级5G路由器对系统进行远程控制；控制系统结构简单,故障率低,控制精准,无极调速,同步调频,高效节能,多泵并联,细分流量。(A multi-pump parallel multi-frequency conversion synchronous speed regulation water supply control system and a control method thereof relate to the technical field of water supply equipment and solve the problems of low efficiency and instability of water supply, and comprise a preset number of water pumps, frequency converters, sensors, a PLC (programmable logic controller), a human-computer interface and an industrial grade 5G router, wherein the preset number of water pumps are connected together in a multi-pump parallel mode, a single water pump is connected with the corresponding frequency converter, the PLC is connected with the frequency converters to control the operation of the water pumps, the sensors are connected with the PLC, the human-computer interface is connected with the PLC to realize human-computer interaction, the industrial grade 5G router is connected with the human-computer interface, and an equipment administrator can remotely control the system through the industrial grade 5G router; the control system has the advantages of simple structure, low failure rate, accurate control, stepless speed regulation, synchronous frequency modulation, high efficiency, energy conservation, parallel connection of multiple pumps and flow subdivision.)
技术领域
本发明涉及供水设备技术领域，尤其涉及一种供水控制系统。
背景技术
现阶段，供水设备类型较多，市场上常见的有水箱式供水设备和罐式叠压供水设备，设备一般主要由水箱、泵组、管道和阀门组成。泵组一般有2-3台水泵，通过一台变频器拖动运行，设备运行时，通过变频器调节水泵转速，来满足用户端水压衡定，若一台水泵的流量不足，可依次启动其他工频水泵来弥补流量。
上述供水设备优点是成本较低，控制系统设计简单，准入门槛较低，因此受到很多小公司的青睐。但其缺点也非常明显，如下所示：
1.常规设备仅有一台变频器，无法做到让每台泵都能调频，取而代之的是使用接触器让剩余水泵处于工频运行。
2.用户端需水量变化快，时变系数较高，要求系统具备足够的反应速度，而常规设备系统反应缓慢，调节不稳定，压力波动较大，最大值与最小值能相差0.1MPa甚至更大。
3.常规设备在控制水泵的增减操作时，始终只有一台水泵处于变频调节状态，其余水泵均为工频运行，因此在工频水泵的投入与切除时，会带来较大的水压波动，同时对电网也会产生较大的冲击。
4.常规设备在多泵同时运行时，由于工频水泵与变频水泵的实际工作点不同，导致每台水泵的出水流量与扬程不能均衡分配，进而在系统内部产生互相抑制作用，特别是变频水泵更容易受到工频水泵的抑制，最直观的表现既是水泵流量会出现1+1<2的现象，并联水泵数量越多，这种现象越明显，这也是很多供水设备中，水泵并联数量不会超过3台的根本原因。
5.由于系统内部的互相抑制作用无法避免，会让系统损失很大一部分扬程与流量，这会让系统的能耗增高，效率降低，不利于国家节能减排的战略目标，同时也让用户承担了更多的运行成本，如电费和维修费。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统，提供一种安全、高效、节能、稳定的供水系统。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统，包括预设数量的水泵、变频器、传感器、PLC、人机界面和工业级5G路由器，所述的预设数量的水泵通过多泵并联的方式连接在一起，单个水泵与对应的变频器相连接，所述的PLC与变频器相连接，控制水泵运行，所述的传感器与PLC相连接，所述的人机界面与PLC相连接，实现人机交互，所述的工业级5G路由器与人机界面相连接，设备管理员可以通过工业级5G路由器对系统进行远程控制。
一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1）系统启动后，首先执行初始化程序，然后PLC采集相关元器件的状态信息以及模拟量数据，通过运算分析，判断系统当前是否具备启动的条件，若一切均正常，则等待启动命令，若发现状态或数据超出报警界限，则发出报警信息；
2）系统收到启动命令后，开始运行，调用供水专用PID子程序，根据设定值和反馈值，实时调整频率输出，将出水压力的波动范围控制在0.01MPa以内；
3）若当前投入运行的水泵数量无法满足用户端总流量需求，系统将增加水泵数量和同步调速，增泵过程分为两个阶段，第一阶段为快速响应阶段，目的是快速达到有效转速，该阶段系统会启用抗超调机制，避免因新增泵加速过快带来的水压冲击；第二阶段为重建平衡阶段，待新增泵转速达到有效转速后，加速度适当放缓，之前运行的水泵转速将将适当下降，最终新增泵与之前运行的水泵达到新的平衡点，实现多变频同步调速；在同步调速阶段，系统均衡每台泵的工作效率，让每台泵的实际工作点尽可能接近或达到效率最高点，使系统节能效果显著，系统每次增泵，都将遵循先停先启的原则，即选取最早停止运行的那一台作为新增泵，以便做到寿命均衡；
4）若当前投入运行的水泵数量过多，供水能力富余，系统会自动减少运行水泵的数量；减泵过程分为两个阶段，第一阶段系统会先将待减泵速度调至有效转速以下，使其保留一定的转速但无法正常供水，然后将剩余的运行泵速度提高，运行一段时间，在此期间若一直能满足供水需求，则进入第二阶段，将待减泵停机，若期间无法满足供水，则重新恢复同步调速；第一阶段的主要目的是让水泵减速的同时，具备能在极短时间内恢复供水的能力，每次减泵，都将遵循先启先停的原则，即选取最先启动的那台泵作为待减泵，以便均衡水泵寿命；
5）用户端无用水时，系统自动判断并进入休眠模式，进入休眠需同时满足三个条件：①休眠相关参数设置正确，且休眠功能处于激活状态，②系统水压满足设定值，③水泵长期（时间可调）处于低频（频率可调）运行状态，三个条件均满足后，系统先将运行泵的转速调至有效转速以下并运行一段时间，在此期间，若系统无压力损失，则进入休眠模式，将转速调整0，休眠模式下，全部水泵均停止运行，但会实时监控水压变化，若检测到压力跌幅较大，则重新回到调节模式下，恢复正常供水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.控制系统结构简单，故障率低。
传统设备中，由于一台变频器需要循环控制多台水泵，必须使用大量的中间继电器和交流接触器，来完成各种切换动作，每个继电器与接触器会连接大量的主回路导线与控制回路导线，接线点繁多，经过统计，每个接触器约12至14个接线点，需要连接12至20根导线；每个中间继电器约8至14个接线点，需要连接8至18根导线。由此带来生产工艺复杂，生产周期长，故障点多，故障率高等问题。
本发明采用变频器一对一控制，变频器输出端直接与水泵连接，抛弃交流接触器，同时极大地减少中间继电器的使用量，从而简化系统结构，减少故障点，降低故障率，简化生产工艺，缩短生产周期。
2.控制精准，无极调速。
传统设备只有一台变频器，只能保证有一台水泵处于调频状态，剩余水泵只能使用工频运行，频率梯度明显，尤其是在增泵、减泵、切泵时频率会出现陡崖式变化，带来巨大的水压波动，同时造成对电网的冲击。
本发明可确保每台水泵均处在变频运行模式，频率调节连续性非常好，无梯度变化，可做到无极调速，避免因增泵、减泵、切泵等动作带来的水压波动和电网冲击，经过实验验证发现，上诉三种工况的水压波动均可均可控制在0.01MPa以内。
3.同步调频，高效节能。
传统设备由于水泵运行模式不同，工频水泵做功较为强势，对变频水泵的抑制作用明显，导致严重的内耗，整机供水效率低下，进而带来非常高的能耗。
本发明可使得每台运行的水泵同步调频，即水泵转速相等，从性能曲线上看，每台水泵的工作点相同，因此可做到每台水泵的出水流量与扬程完全相同，既没有强势泵，也没有劣势泵，从根本上杜绝了系统内耗，极大的提升了运行效率，降低了整机能耗。通过对同类型设备（扬程、流量、功率均相同）的实验验证发现，整机节能效果平均可达到3%，特殊工况下可达到23.6%。（测试方法采用QCQ3153《二次供水节能认证规范》中规定的测试流程与方法）
4.多泵并联，细分流量。
传统设备系统内耗严重，典型表现是并联后系统总流量出现1+1<2的现象，且并联泵数越多，该现象越明显，因此常规设备水泵数量一般不超过3台，对于用水总流量大，时变系数大的用水环境，无奈只能选择单泵流量较大的水泵型号，当处于小流量供水时，水泵运行严重偏离高效点，导致能耗增大。
本发明由于消除了系统内耗，因此解决了上诉问题，对于用水总流量大，时变系数大的用水环境，可选用多台小流量水泵并联，根据实际情况可选择3-6台甚至更多，做到了流量细分，灵活应对小流量与大流量等各种工况，确保让每台水泵均处在高效点运行，进一步降低能耗，节约运行成本。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图1是本发明的控制过程示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图1及具体实施例对本发明作进一步的说明。
一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统，包括预设数量的水泵、变频器、传感器、PLC、人机界面和工业级5G路由器，所述的预设数量的水泵通过多泵并联的方式连接在一起，单个水泵与对应的变频器相连接，所述的PLC与变频器相连接，控制水泵运行，所述的传感器与PLC相连接，所述的人机界面与PLC相连接，实现人机交互，所述的工业级5G路由器与人机界面相连接，设备管理员可以通过工业级5G路由器对系统进行远程控制。具有以下特点：
1.多泵并联，水泵选用具有国家二级节能认证标志的产品，配套电机选用超高效率三相异步电动机，能效等级不低于IE3。
2.每台水泵均配置一台高效节能变频器，确保水泵数量等于变频器数量，以便于系统实现一对一控制。
3.以PLC（可编程逻辑控制器）作为控制核心，采集系统运行数据，计算分析，并发出控制指令，实现机组控制、数据计算、故障诊断、报警提示等功能。
4.人机界面（HMI）实现人机交互，包括参数设置与修改，状态查询，故障查询、报警记录存储等功能。
5.系统支持远程控制及远程调参等功能，整个系统可通过工业级5G路由器（向下兼容4G、3G、2G等网络模式），可连接设备管理平台，实时查看运行状态，调取运行参数，更新程序版本。
如附图1所示，一种多泵并联多变频同步调速供水控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1）系统启动后，首先执行初始化程序，然后PLC采集相关元器件的状态信息以及模拟量数据，通过运算分析，判断系统当前是否具备启动的条件，若一切均正常，则等待启动命令，若发现状态或数据超出报警界限，则发出报警信息；
2）系统收到启动命令后，开始运行，调用供水专用PID子程序，根据设定值和反馈值，实时调整频率输出，将出水压力的波动范围控制在0.01MPa以内，该PID程序是在传统PID算法基础上，专为供水设备开发设计，针对供水行业的特殊工况，结合先进的PID增量式计算公式，引入了休眠机制、唤醒机制、抗积分饱和机制、稳压范围设定机制、选择性激活死区频率机制等。通过算法优化，使系统运行更加稳定，参数整定更加便捷；
3）若当前投入运行的水泵数量无法满足用户端总流量需求，系统将增加水泵数量和同步调速，增泵过程分为两个阶段，第一阶段为快速响应阶段，目的是快速达到有效转速，该阶段系统会启用抗超调机制，避免因新增泵加速过快带来的水压冲击；第二阶段为重建平衡阶段，待新增泵转速达到有效转速后，加速度适当放缓，之前运行的水泵转速将将适当下降，最终新增泵与之前运行的水泵达到新的平衡点，实现多变频同步调速；在同步调速阶段，系统均衡每台泵的工作效率，让每台泵的实际工作点尽可能接近或达到效率最高点，使系统节能效果显著，系统每次增泵，都将遵循先停先启的原则，即选取最早停止运行的那一台作为新增泵，以便做到寿命均衡；
4）若当前投入运行的水泵数量过多，供水能力富余，系统会自动减少运行水泵的数量；减泵过程分为两个阶段，第一阶段系统会先将待减泵速度调至有效转速以下，使其保留一定的转速但无法正常供水，然后将剩余的运行泵速度提高，运行一段时间，在此期间若一直能满足供水需求，则进入第二阶段，将待减泵停机，若期间无法满足供水，则重新恢复同步调速；第一阶段的主要目的是让水泵减速的同时，具备能在极短时间内恢复供水的能力，每次减泵，都将遵循先启先停的原则，即选取最先启动的那台泵作为待减泵，以便均衡水泵寿命；
5）用户端无用水时，系统自动判断并进入休眠模式，进入休眠需同时满足三个条件：①休眠相关参数设置正确，且休眠功能处于激活状态，②系统水压满足设定值，③水泵长期（时间可调）处于低频（频率可调）运行状态，三个条件均满足后，系统先将运行泵的转速调至有效转速以下并运行一段时间，在此期间，若系统无压力损失，则进入休眠模式，将转速调整0，休眠模式下，全部水泵均停止运行，但会实时监控水压变化，若检测到压力跌幅较大，则重新回到调节模式下，恢复正常供水。
系统保护功能完善，当出现过载、过流、过压、欠压、短路、缺相、缺水等情况时，系统可自动检测并做成相应的保护动作，如自动断电、停机等，可保护设备不受损坏，保护电网不受冲击，保护管道不受破坏。
系统状态自检及故障诊断功能，系统运行时出现的各类故障，均可通过HMI记录并存储，并自动根据故障类型，提供不同的解决方案，供现场维修人员参考。
本发明的工作原理和工作过程如下：供水系统包括泵组管道系统和供水控制系统，泵组管道系统主要完成水的存储与输送功能；供水控制系统主要完成对整个系统的全自动控制，进出水压力变送器、压力开关、电流互感器、流量计、电能质量监测仪等各类传感器及仪表，将系统的各类数据实时反馈给控制中枢PLC，经过一系列的计算、分析后，得出当前系统所需输出的频率值，再以总线通信的方式，交由变频器处理，达到控制水泵转速的目的，最终实现用户端水压衡定的目标。
控制系统自动判断用户端水压变化趋势，实时调节输出频率，多台水泵同时运转时，系统自动计算出最佳频率组合，确保每台运行的水泵转速相等，实现同步调频，消除系统内耗，在满足用户端各类供水工况的前提下，实现节能降耗的目的。
系统运行时，实时监控各类数据及设备状态，当出现数据异常或设备故障时，会发出报警信息，如果是非致命故障，系统自动切除故障单元，继续维持供水，若出现致命故障，系统会做出相应的保护机制，如自动断电、自动停机等，并在HMI中保留故障信息，提供相应的解决方案，供现场维修人员参考。
系统通过工业级5G路由器（向下兼容4G、3G、2G）连接调度系统，将各类运行数据、设备状态、控制命令等发送到调度系统，供值班员查阅，必要时可介入人工控制。系统支持远程运维，可远程监控PLC运行状态，更新PLC或HMI程序版本。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。