阅读说明：本技术 一种测试平台用多路压力流量恒定水冷系统及其应用方法 (Multi-path pressure flow constant water cooling system for test platform and application method thereof ) 是由 李骏霖 王成鑫 匡红 刘力升 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种测试平台用多路压力流量恒定水冷系统,包括循环水回路、混水罐和控制系统；所述循环水回路以混水罐为中心分为一次回路和二次回路,低温介质由混水罐引出为一带有总管泵送机构的总管路,再分成N条并联支路用于对被测器件进行冷却。本发明中,通过优化设计二次回路布置,配备电动球阀、流量变送器、温度铂热电阻、压力变送器、压力表、单向阀、手动球阀等,解决了现有技术中齿轮箱、变频器、发电机以及液压系统测试平台水冷系统众多,重复利用率低的问题,保障被测器件的安全运行,协助研发人员获取被测器件关键性能参数,为器件的优化设计提供数据支撑。(The invention provides a multi-path pressure flow constant water cooling system for a test platform, which comprises a circulating water loop, a water mixing tank and a control system, wherein the circulating water loop is connected with the water mixing tank; the circulating water loop is divided into a primary loop and a secondary loop by taking the water mixing tank as a center, and the low-temperature medium is led out from the water mixing tank to form a main pipeline with a main pipe pumping mechanism and is further divided into N parallel branches for cooling the tested device. According to the invention, by optimally designing the arrangement of the secondary loop and arranging the electric ball valve, the flow transmitter, the temperature platinum thermal resistor, the pressure transmitter, the pressure gauge, the one-way valve, the manual ball valve and the like, the problems of numerous water cooling systems and low repeated utilization rate of a gear box, a frequency converter, a generator and a hydraulic system test platform in the prior art are solved, the safe operation of a tested device is ensured, research and development personnel are assisted to obtain key performance parameters of the tested device, and data support is provided for the optimal design of the device.)

一种测试平台用多路压力流量恒定水冷系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及风电水冷系统领域，尤其涉及一种测试平台用多路压力流量恒定水冷系统及其应用方法。

背景技术

近年来，随着风电机组单机容量的不断增大，由原来的2MW、3MW逐渐增大到5MW至8MW，其由陆上型逐渐向海上型转变，以及风电机组的投行时间的逐渐累积，由齿轮箱、变频器、发电机故障或损坏引起的机组停运事件时有发生，由此带来的直接和间接损失也越来越大，维护人员投入相关工作的工作量也有上升趋势。这就促使越来越多的主机厂对风机齿轮箱、变频器、发电机等提出了更高的要求。随着海上风电崛起，风电机组单机容量大型化趋势更加明显，这对风电机组核心部件齿轮箱、变频器、发电机以及液压系统性能均提出了更高的要求。

由于产品的多样化，每次测试都需要不同的压力流量的冷却水，导致水冷系统非常多，并且重复利用率很低。因此，提供一种用于风电测试平台多路压力流量恒定控制系统及控制方法，能精确控制多路冷却水的压力和流量，运行可靠，保证被测器件的安全运行，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提供一种测试平台用多路压力流量恒定水冷系统及其应用方法，解决了现有技术中齿轮箱、变频器、发电机以及液压系统测试平台水冷系统众多，重复利用率低的问题。该测试平台设计一套大型的水冷系统，可同时提供多路可调压力、流量的冷却水供测试设备使用。该水冷系统可应用于风机的变频器、发电机、齿轮箱以及液压站性能测试平台，通过为测试平台提供要求的压力、流量的测试介质，保障被测器件的安全运行，协助研发人员获取被测器件关键性能参数，为器件的优化设计提供数据支撑。

本发明提供一种测试平台用多路压力流量恒定水冷系统，包括循环水回路、混水罐和控制系统；

所述循环水回路以混水罐为中心分为一次回路和二次回路，混水罐内设置分流旁路，用于抵消一次回路及二次回路流量差异；

所述混水罐下部的低温介质通过二次回路进入测试平台对被测器件进行冷却，经热交换后的高温介质回到混水罐上部，高温介质再通过一次回路进入冷却塔进行降温，降温后的冷却介质又回到混水罐下部，以此形成一个密闭循环；

二次回路的低温介质由混水罐引出为一带有总管泵送机构的总管路，再分成N条并联支路，各支路的供水端和回水端均顺序连接有温度热电阻传感器和压力变送器，各支路的供水端或回水端顺序连接有电动球阀和流量变送器，各支路的回水最终汇总后引入混水罐；

所述控制系统包括变频器、PLC控制器、与PLC控制器通信连接的人机交互设备，可通过控制变频器的转速调节总管泵送机构使水冷系统恒压供水，通过控制电动球阀的开度使各支路流量恒定；PLC控制器包括电源模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、用于与测试平台进行通讯的通讯模块和设置有多路压力流量恒定程序的中央处理器；所述压力流量恒定程序包括压力恒定控制单元和流量恒定控制单元。

进一步地，所述总管泵送机构包括分别与工频电机、变频电机连接的两台出口设有单向阀的并联循环泵，工频电机连接的循环泵控制回路由断路器、交流接触器和热继电器组成，变频电机连接的循环泵控制回路由断路器、交流接触器和变频器组成，单向阀用于单台循环泵运行时防止回流。

进一步地，所述温度热电阻传感器至少设有2N支，分别安装于每路支路的供水口和回水口，用于采集每路的供水温度与回水温度；

所述压力变送器至少设有2N+1支，其中一支安装于总管路的供水口处，用于采集总管路的压力，从而调用多路压力恒定单元，采用PID控制方法控制变频循环泵的转速，使总管路压力恒定；另外2N支压力变送器分别安装于每路支路的供水口和回水口，用于采集每路支路的供水压力与回水压力；

所述电动球阀带有开度反馈，至少设有N+1支，其中一支安装于总管路的供水口与回水口之间，用于变频器故障时调节系统压力或系统超压时紧急卸压；另外N支分别与每路支路的流量变送器串联，用于控制每路支路的流量；

所述流量变送器至少设有N支，安装于每路支路的电动球阀与压力变送器之间，用于反馈每路支路的流量，从而调用多路流量恒定单元，采用PID控制方法控制每路支路的电动球阀的开度，调节每路支路流量恒定。

进一步地，所述混水罐上端安装有用于排除系统内空气的排气阀，下端安装有排空混水罐里的水的泄空阀；所述总管泵送机构安装有在检修时或循环泵故障时使用的手动球阀；所述总管路上安装有压力表，用于就地显示所述总管路压力；每路支路的供水口和回水口各安装有手动球阀，用于测试平台更换时使用；每路支路的供水口与回水口之间安装有手动球阀，用于设备调试时使用。

进一步地，所述多路压力流量恒定程序包括数据采集存储单元、压力恒定控制单元、流量恒定控制单元和故障报警诊断单元。

进一步地，还包括三台控制柜，一台PLC控制柜安装于水泵房，用于整套系统的控制与操作，一台MCC柜安装在PLC控制柜旁边，用于动力回路的控制，一台远程I/O控制柜安装于测试平台旁，用于采集测试平台的压力、温度、流量、电动球阀的开度与控制电动球阀。

基于上述水冷系统，本发明还提供一种多路压力流量恒定水冷系统的应用方法，包括以下步骤：

步骤一：通过人机交互设备设定系统运行参数；

步骤二：启动总管泵送机构：水冷系统收到测试平台启动水冷系统命令后，变频循环泵先启动，调用压力恒定控制单元，控制系统采用PID控制变频器的转速来调节总管泵送机构，使系统恒压供水；

步骤三：将N路支路流量设置值累加得出需求总流量，当需求总流量大于或等于工频循环泵启动流量值时，开启工频循环泵；

步骤四：调用流量恒定控制单元，控制系统采用PID控制电动球阀的开度，使各支路流量恒定；

步骤五：开始测试，待测试平台测试完成，先依次停止测试平台、水冷系统、压力恒定控制单元与流量恒定控制单元的调用，再停止变频循环泵的运行，支路电动阀门保持运行时的阀位不变。

进一步地，所述多路压力流量恒定程序还包括数据采集存储单元和故障报警诊断单元；数据采集存储单元采集各支路的压力、流量、温度值，传送至人机交互设备；在测试前，故障报警诊断单元检测压力、流量、温度值并输出相应的信号，无故障信号输出时，测试平台可开始测试。

进一步地，所述预先设定的参数包括主管压力、压力PID调节的比例调节值、压力PID调节的积分调节值、压力PID调节的微分调节值、压力PID的调节死区；还包括各支路的流量、流量PID调节的比例调节值、流量PID调节的积分调节值、流量PID调节的微分调节值、流量PID的调节死区；还包括压力、流量、温度的报警值以及工频循环泵启动流量值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明设计科学合理，能调节水冷系统的供水压力与各支路的供水流量，为测试平台提供要求的压力、流量的测试介质，且运行可靠，能保被测器件的安全运行。

本发明通过PLC控制器采集系统各传感器的运行参数，通过人机交互设备设置系统的运行参数，控制系统自动运行，保证向测试平台提供多路恒定压力、流量的冷却水；该水冷系统应用于风机的变频器、发电机、齿轮箱以及液压站性能测试平台，能够为平台提供要求的压力、流量的测试介质，保障被测器件的安全运行，协助研发人员获取被测器件关键性能参数，为器件的优化设计提供数据支撑。

本发明压力、流量调节非常方便，工作性能优良，使用寿命长，能在复杂环境中长期稳定地运行。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的整体示意图；

图2是总管路的示意图；

图3是任一支路的示意图。

附图标记说明：

1-变频循环泵，2-工频循环泵，3-单身阀，4-手动球阀，5-压力表，6-压力变送器，7-温度铂热电阻，8-流量变送器，9-电动球阀，10-手动球阀，11-排气阀，12-泄空阀，13-测试设备，14-混水罐。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明中，提供了一种测试平台用多路压力流量恒定水冷系统，包括循环水回路、混水罐14和控制系统。循环水回路以混水罐14为中心分为一次回路和二次回路，混水罐14下部的低温介质在总管泵送机构的驱动下通过二次回路进入测试平台对被测器件进行冷却，经热交换后的高温介质回到混水罐14上部，高温介质再通过一次回路在一次单级涡壳离心泵的驱动下进入冷却塔进行降温，降温后的冷却介质又回到混水罐14下部，以此形成一个密闭循环；上述二次回路中，低温介质由混水罐14引出为一总管路，再分成N条并联支路，各支路的供水端和回水端均顺序连接有温度铂热电阻7和压力变送器6，各支路的供水端还顺序连接有电动球阀9和流量变送器8，各支路的回水最终汇总后引入混水罐14。控制系统包括PLC控制器、与PLC控制器通信连接的触摸屏；PLC控制器包括电源模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、用于与测试平台进行通讯的通讯模块和中央处理器。

具体地，上述仪器、仪表的设置如下：温度铂热电阻7设有2N支，分别安装于每路支路的供水口和回水口，用于采集每路的供水温度与回水温度；压力变送器6设有2N+1支，其中一支安装于总管路的供水口处以用于采集总管路的压力，另外2N支压力变送器6分别安装于每路支路的供水口和回水口以用于采集每路支路的供水压力与回水压力，总管路上安装有压力表5以用于就地显示总管路压力；电动球阀9带有开度反馈，设有N+1支，其中一支安装于总管路的供水口与回水口之间以用于变频器故障时调节系统压力或系统超压时紧急卸压，另外N支分别与每路支路的流量变送器8串联以用于控制每路支路的流量；流量变送器8设有N支，安装于每路支路的电动球阀9与压力变送器6之间以用于反馈每路支路的流量。

为了实现多路压力流量恒定，上述中央处理器内置有多路压力流量恒定程序，该多路压力流量恒定程序包括压力恒定控制单元和流量恒定控制单元；相应地，总管泵送机构包括分别与工频电机、变频电机连接的两台出口设有单向阀3的并联循环泵，单向阀3用于单台循环泵运行时防止回流。工频电机连接的循环泵控制回路由断路器、交流接触器和热继电器组成，变频电机连接的循环泵控制回路由断路器、交流接触器和变频器组成。因此，控制系统可基于上述仪器、仪表的测量值，调用多路压力恒定单元，采用PID控制方法控制变频循环泵的转速，使总管路压力恒定；调用多路流量恒定单元，采用PID控制方法控制每路支路的电动球阀9的开度，调节每路支路流量恒定。

多路压力流量恒定程序还包括数据采集存储单元和故障报警诊断单元。数据采集存储单元用于采集和处理上述各传感器的信号，并接受触摸屏上参数的设置与储存。故障报警诊断单元用于检测上述各传感器本身是否正常，以及检测到的压力、流量、温度值是否正常，并输出相应的信号，如：提供总管路供水压力低、供水压力超低、供水压力高、供水压力超高报警，每支路供水压力低、供水压力超低、供水压力高、供水压力超高报警，每支路回水压力低、回水压力超低报警，每支路供水温度低、供水温度高、供水温度超高报警，每支路回水温度高、回水温度超高报警，每支路的供水流量低、供水流量超低报警。

该水冷系统还包括三台控制柜：一台PLC控制柜安装于水泵房，用于整套系统的控制与操作；一台MCC柜安装在PLC控制柜旁边，安装与工频电机和变频电机连接的循环泵控制回路，用于动力回路的控制；一台远程I/O控制柜安装于测试平台旁，用于采集测试平台的压力、温度、流量、电动球阀9的开度与控制电动球阀9。

混水罐14内还设有分流旁路，用于抵消一次回路及二次回路流量差异；混水罐14上端安装有用于排除系统内空气的排气阀11，下端安装有排空混水罐里的水的泄空阀12。各支路的供水口也设有排气阀11和泄空阀12，回水口设有泄空阀11。为便于维修、故障和测试平台更换等情况下的使用，总管路和总管泵送机构均设有在检修时或循环泵故障时使用的手动球阀10；每路支路的供水口和回水口也各安装有手动球阀10，用于测试平台更换时使用；每路支路的供水口与回水口之间安装有手动球阀10，用于设备调试时使用。

在一个实施例中，风电测试平台用多路压力流量恒定水冷系统如图1-3所示，包括循环水回路、混水罐14和控制系统。循环水回路以混水罐14为中心分为一次回路和二次回路。一次回路本实施例中不作详细描述，均为本领域内的现有技术。二次回路包括总管路和支路，并配备有以下装置：总管泵送机构、电动球阀9、流量变送器8、温度铂热电阻7、压力变送器6、压力表5、单向阀3、手动球阀10以及安装在混水罐14上的排气阀11和泄空阀12。其中，混水罐14用于一次循环回路与二次循环回路的交换，排除闭式系统中的空气；总管泵送机构用于为二次回路的总管路提供动力源；总管路供水与回水之间的电动球阀9用于紧急卸压及在调节压力时备用，支路上的电动球阀9用于支路的流量调节；流量变送器8用于反馈支路的流量，通过计算得出总管路的实际流量；总管路上的压力变送器6用于采集总管路上的压力，进而用于调节变频循环泵的运行速度，支路上的压力变送器6用于采集支路供水压力与回水压力，检测支路压力是否正常；温度铂热电阻7用于采集支路上的供水温度与回水温度，检测温度是否正常。

控制系统包括变频器、PLC控制器、与PLC控制器通信连接的触摸屏。控制系统采用PID控制变频器的转速来带动总管泵送机构使水冷系统恒压供水，采用PID控制电动球阀的开度使各支路流量恒定。PLC控制器包括电源模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、通讯模块和设置有多路压力流量恒定程序的中央处理器；通讯模块用于与测试平台的测试设备进行通讯，控制系统选用西门子S7-1500系列，配备有三台控制柜，PLC控制柜用于整个系统的运算和处理，MCC柜用于动力回路的控制，远程I/O控制柜则专用于给测试平台所有传感器、电动球阀9供电，安装有输入、输出模块，通过远程通信模块与PLC控制柜通讯。触摸屏用于进行系统的参数设置、数据显现及提供操作界面。

本实施例中，上述多路压力流量恒定水冷系统的应用方法，包括以下步骤：

步骤一：预先设定好系统运行参数：设置总管路压力(5bar)、压力PID调节的比例调节值(0.2)、压力PID调节的积分调节值(80S)、压力PID调节的微分调节值(60S)、设定压力PID的调节死区(0.05bar)；设置各支路的流量(0～333L/min)、各支路流量PID调节的比例调节值(0.1～0.3)、各支路流量PID调节的积分调节值(60～80S)、各支路流量PID调节的微分调节值(40～60S)、各支路流量PID的调节死区(0～2L/min)；设置各路压力报警值(总路供水压力超低值(4bar)、总路供水压力低值(4.5bar)、总路供水压力高值(7bar)、总路供水压力超高值(8bar)、支路供水压力超低值(3bar)、支路供水压力低值(3.5bar)、支路供水压力高值(6bar)、支路供水压力超高值(6.5bar)、支路回水压力超低值(1bar)、支路回水压力低值(1.2bar))、流量报警值(供水流量超低值(70％×支路设置流量)、供水流量低值(80％×支路设置流量))、温度报警值(供水温度低值(10℃)、供水温度高值(34℃)、供水温度超高值(38℃)、回水温度高值(45℃)、回水温度超高值(48℃))的报警值；工频循环泵启动流量值(1000～1200L/min)，该步骤设置在触摸屏上进行；设置变频器的额定电流为：36.2A，设定工频电机热继电器的整定电流为：36.2A；

步骤二：水冷系统控制方式选择为远方控制状态；

步骤三：水冷系统的两台循环泵正常，此时水冷系统发出允许远程启动信号；

步骤四：测试平台收到水冷系统的允许远程启动信号后，通过远程控制命令来控制水冷系统的起停；

步骤五：水冷系统收到测试平台启动水冷系统命令后，变频循环泵先启动，调用程序中的压力恒定控制单元，控制系统采用PID控制变频器的转速来带动总管泵送机构，压力低于设定值则增大变频器的转速，使供水增多，从而增大系统压力，压力高于设定值则减小变频器的转速，使供水减少，从而降低系统压力，使系统恒压供水；

步骤六：变频循环泵启动延时(30S)后，调用数据采集存储单元，将各支路流量设置值累加，计算需求总流量，比较需求总流量是否大于工频循环泵启动流量值，若大于或等于则运行工频循环泵，若小于则停止工频循环泵；

步骤七：数据采集存储单元采集各支路的压力、流量、温度值，转换并在触摸屏上显示。

步骤八：调用流量恒定控制单元，用PID控制电动球阀的开度，支路流量低于设定值则增大电动球阀9的开度，使供水增多，从而增大系统流量，支路流量高于设定值则减小电动球阀9的开度，使供水减少，从而降低系统流量，使各支路流量恒定；

步骤九：故障报警诊断单元检测个传感器是否正常，根据系统设置的参数输出系统预报警与故障停机信号；若无任何报警，则水冷系统延时(60S)输出允许测试平台启动信号，测试平台收到水冷系统发出允许测试平台启动信号后，测试平台可以开始测试；

步骤十：测试平台返回运行信号至水冷系统，用来连锁水冷系统的启动(禁止停机)；

步骤十一：若测试平台测试完成，则先停止测试平台运行，给水冷系统发送停止水冷信号，水冷系统停止运行；

步骤十二：水冷系统停止运行后，停止调用压力恒定控制单元与流量恒定控制单元，停止变频循环泵的运行，支路电动阀门保持运行时的阀位不变。

在任何时候，只要变频循环泵故障或工频循环泵故障，控制系统都能够发出相应的报警，提示操作人员，循环泵不正常。

在任何时候，只要电动球阀9的开度控制信号与开度反馈信号相差大于±5％，延时(10S)输出电动球阀9故障信号；流量变送器8、压力变送器6系统自动检测电流信号，正常情况下输出4～20mA，如电流信号小于2mA或大于22mA，则判断相应的变送器故障；通过控制系统采集温度铂热电阻7的电阻值来判断传感器是否正常，若电阻值大于140Ω，则判断温度铂热电阻7故障。

在任何时候，只要总管路压力变送器6故障，则报警停机，防止因变送器故障导致系统压力超过安全值，影响系统安全。

水冷系统给测试平台的信号有：允许远程启动、允许测试平台运行、水冷系统运行反馈、水冷系统预警、水冷系统故障、请求停水冷系统，在任何时候，测试平台收到水冷系统发出水冷系统故障信号，测试平台都要停机，不允许在继续运行。

在运行过程中，可以通过触摸屏画面上的参数设置画面修改系统所需要的压力与流量参数，修改后系统将自动调整到需要的值；可以修改PID调节参数来修正系统的供水压力与供水流量的控制参数，使压力、流量达到要求的控制状态。解决了现有技术中齿轮箱、变频器、发电机以及液压系统测试平台水冷系统众多，重复利用率低的问题。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。