用于工业控制器和组态软件的水泵风机运行效率控制方法 所属技术领域 本发明涉及用于工业控制器和组态软件的水泵风机控制方法，尤其是能防止水泵风机运行在低效区的用于工业控制器和组态软件的水泵风机运行效率控制方法。
背景技术 为了满足工艺要求和实现节能，经常需要使用调速器对水泵风机的转速进行调节，常用的调速器包括变频器、串级调速器、电磁调速器和液力耦合器等。目前公知的用于调速器的水泵、风机控制方法是常规单闭环控制，常规单闭环控制可以作为工业控制器、调速器和组态软件的一部分存在。常用的工业控制器包括PLC可编程控制器、PID调节器、DCS控制装置、水泵风机专用控制器、调速器中的控制单元等，用于工业控制的组态软件也可以实现对水泵风机的控制。根据工艺要求被控参数可以是压力、流量、温度、浓度等，以保持水泵出口压力恒定为例，常规单闭环控制方法的控制框图如图1，PS为水泵出口压力设定值，水泵出口的实际压力为Pa，当压力传感器104测量出的Pa低于设定值PS时，调节单元101的输出增加，调速单元102使水泵103的转速升高，水泵出口的实际压力Pa升高，如果Pa仍小于PS，则水泵103的转速继续升高，直到Pa等于PS；当Pa高于设定值PS时，调节单元101的转出降低，调速单元102使水泵103地转速降低，水泵出口的实际压力Pa降低，如果Pa仍高于PS，则水泵103的转速继续降低，直到Pa等于PS，这样就使得水泵的实际出口压力Pa保持在PS附近。当被控参数是水泵流量、混合介质温度或浓度时，同上述控制压力的调节过程基本相同，只是当被控参数为温度控制时，根据水泵输送的介质是制冷介质还是加热介质水泵的调速方向会相反。常规单闭环风机控制的原理与上述调节过程基本相同。有的调速器包含调节单元和调速单元，也有的调速器只包含调速单元，调节单元由调速器之外的PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制装置、水泵风机专用控制器或组态软件完成。在常规的单闭环控制方法中，由于没有控制水泵风机运行效率的措施，所以常会使水泵、风机的运行偏离高效区，进入低效运行状态，从而导致水泵风机电耗的不合理升高。
发明内容 为了克服现有的水泵风机常规单闭环控制方法中存在的不能保证水泵风机运行在高效区的问题，本发明提供一种用于工业控制器和组态软件的能控制水泵风机运行效率的方法，该方法不仅能满足正常的工艺控制要求，而且能有效地保证水泵风机运行在高效区。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在常规单闭环控制的调节单元和调速单元之间，增加运行效率控制单元，运行效率控制单元对水泵风机的运行效率进行控制。运行效率控制单元根据工艺要求的设定压力Ps、水泵风机进口的附加压力Pe、设定流量Qs、水泵风机的实际压力Pa、实际流量Qa、水泵风机的特性参数，确定出水泵风机高效区对应的最低转速nmin和最高转速nmax；确定出水泵风机高效区对应的最小流量Qmin和最大流量Qmax；确定出水泵高效区对应的最低扬程Hmin和最高扬程Hmax；确定出风机高效区对应的最低压力Pmin和最高压力Pmax。运行效率控制单元中含有运行方式选择功能，当选择常规单闭环控制方式时，调节单元输出的转速调节信号ns不作任何处理，由运行效率控制单元直接送入调速单元，运行效率控制单元输出ns’＝ns；当选择运行效率控制方式时，调节单元输出转速调节信号ns至运行效率控制单元进行处理，运行效率控制单元输出能保持或趋向使水泵风机运行在高效区的转速调节信号ns’至调速单元。ns＜nmin时，ns’＝nmin；ns＞nmax时，ns’＝nmax；nmin≥ns≥nmax时，ns’＝ns，由于水泵风机转速的变化是在nmin和nmax之间，从而保证水泵风机运行在高效区；Qa＜Qmin时，ns’＝ns’+Δn；Qa＞Qmax时，ns’＝ns’-Δn；Qmin≤Qa≤Qmax时，ns’＝ns，Δn是一定时间的转速增量，由于水泵风机的流量变化是在Qmin和Qmax之间，从而保证水泵风机运行在高效区；Pa＜Hmin时，ns’＝ns’+Δn；Pa＞Hmax时，ns’＝ns’-Δn；Hmin≤Pa≤Hmax时，ns’＝ns。Pa＜Pmin时，ns’＝ns’+Δn；Pa＞Pmax时，ns’＝ns’-Δn；Pmin≤Pa≤Pmax时，ns’＝ns，Δn是一定时间的转速增量，水泵的扬程变化是在Hmin和Hmax之间，风机的压力变化是在Pmin和Pmax之间，从而保证水泵风机运行在高效区。运行效率控制单元可以作为调速器的一部分置于调速器中，运行效率控制单元也可以作为PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制装置、水泵风机专用控制器或组态软件的一部分置于PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制装置、水泵风机专用控制器和组态软件中，运行效率控制单元也可以做为独立的水泵风机运行效率控制装置。
水泵在额定转速ne时的Q-H流量扬程特性曲线和Q-η流量效率特性曲线如图2，要求水泵调速后的运行效率在最高效率ηmax左侧不低于η1，在最高效率ηmax右侧不低于η2，η1和η2两点对应的特征扬程为H1和H2，对应的特征流量为Q1和Q2，Pe为水泵进口的附加压力，(Ps-Pe)对应流量Qse，Qs对应扬程Hse，(Pa-Pe)对应流量Qae，Qa对应扬程Hae。
风机在额定转速ne时的Q-P流量压力特性曲线和Q-η流量效率特性曲线，如图3，要求风机调速后的运行效率在最高效率ηmax左侧不低于η1，在最高效率ηmax右侧不低于η2，η1和η2两点对应的特征压力为P1和P2，对应的特征流量为Q1和Q2，Pe为风机进口的附加压力，(Ps-Pe)对应流量Qse，Qs对应压力Pse，(Pa-Pe)对应流量Qae，Qa对应压力Pae。
被控参数是水泵出口压力，水泵出口压力设定值为Ps，Pe为水泵进口附加压力值，Ps、Pe、H1、H2换算为相同的计算单位。运行效率控制单元确定出水泵运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×[(Ps-Pe)÷H1]0.5，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×[(Ps-Pe)÷H2]0.5；(Ps-Pe)＞H1时，nmin＞ne，由于水泵的转速一般不允许超过额定转速ne，取nmin＝ne，这将导致水泵运行效率低于η1；(Ps-Pe)＞H2时，nmax＞ne，因为同样的原因，取nmax＝ne；运行效率控制单元确定出水泵运行高效区对应的最小流量Qmin＝Q1×[(Ps-Pe)÷H1]0.5，运行高效区对应的最大流量Qmax＝Q2×[(Ps-Pe)÷H2]0.5，(Ps-Pe)＞H1时，取ns’＝ηe，这将导致水泵运行效率低于η1；(Ps-Pe)＞H2时，取Qmax＝Qse。η1＝η2时，要求水泵在调速范围内运行效率不低于效率值η1；η1＝η2＝ηmax时，要求水泵一直工作在最高效率点ηmax。
被控参数为风机出口压力，风机出口压力设定值为Ps，Pe为风机进口附加压力值，运行效率控制单元确定出风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×[(Ps-Pe)÷P1]0.5，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×[(Ps-Pe)÷P2]0.5，(Ps-Pe)＞P1时，取nmin＝ne，(Ps-Pe)＞P2时，取nmax＝ne；运行效率控制单元确定出风机运行高效区对应的最小流量Qmin＝Q1×[(Ps-Pe)÷P1]0.5，运行高效区对应的最大流量Qmax＝Q2×[(Ps-Pe)÷P2]0.5，(Ps-Pe)＞P1时，取ns’＝ne，这将导致风机运行效率低于η1；(Ps-Pe)＞P2时，取Qmax＝Qse；η1＝η2时，风机在调速范围内运行效率不低于η1；η1＝η2＝ηmax时，风机运行在最高效率点ηmax。
被控参数为水泵风机的流量，水泵风机的流量设定值为Qs，运行效率控制单元确定出水泵风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×(Qs÷Q2)，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×(Qs÷Q1)，Qs＞Q2时，取nmin＝ne，Qs＞Q1时，取nmax＝ne；运行效率控制单元确定出水泵运行高效区对应的最低扬程Hmin＝H2×(Qs÷Q2)2，运行高效区对应的最高扬程Hmax＝H1×(Qs÷Q1)2，Qs＞Q2时，取ns’＝ne，Qs＞Q1时，取Hmax＝Hse；确定出风机运行高效区对应的最低压力Pmin＝P2×(Qs÷Q2)2，运行高效区对应的最高压力Pmax＝P1×(Qs÷Q1)2，Qs＞Q2时，取ns’＝ne，Qs＞Q1时，取Pmax＝Pse；η1＝η2时，水泵风机在调速范围内运行效率不低于η1；η1＝η2＝ηmax时，水泵风机运行在最高效率点ηmax。
被控参数不是水泵的压力和流量，可以得到水泵的实际压力Pa和水泵进口附加压力值Pe，Pa、Pe、H1、H2换算为相同的计算单位，运行效率控制单元确定出水泵运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×[(Pa-Pe)÷H1]0.5，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×[(Pa-Pe)÷H2]0.5，(Pa-Pe)＞H1时，取nmin＝ne，(Pa-Pe)＞H2时，取nmax＝ne；运行效率控制单元确定出水泵运行高效区对应的最小流量Qmin＝Q1×[(Pa-Pe)÷H1]0.5，运行高效区对应的最大流量Qmax＝Q2×[(Ps-Pe)÷H2]0.5，(Pa-Pe)＞H1时，取ns’＝ne，(Pa-Pe)＞H2时，取Qmax＝Qae；η1＝η2时，水泵在调速范围内运行效率不低于η1；η1＝η2＝ηmax时，水泵运行在最高效率点ηmax。
被控参数不是风机压力和流量，可以得到风机的实际压力Pa和风机进口附加压力值Pe，运行效率控制单元确定出风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×[(Pa-Pe)÷P1]0.5，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×[(Pa-Pe)÷P2]0.5，(Pa-Pe)＞P1时，取nmin＝ne，(Pa-Pe)＞P2时，取nmax＝ne；运行效率控制单元确定出风机运行高效区对应的最小流量Qmin＝Q1×[(Ps-Pe)÷P1]0.5，运行高效区对应的最大流量Qmax＝Q2×[(Pa-Pe)÷P2]0.5，(Pa-Pe)＞P1时，取ns’＝ne，这将导致风机运行效率低于η1，(Pa-Pe)＞P2时，取Qmax＝Qae；η1＝η2时，风机在调速范围内运行效率不低于η1；η1＝η2＝ηmax时，风机运行在最高效率点ηmax。
被控参数不是水泵风机的压力和流量，可以得到水泵风机的实际流量Qa，运行效率控制单元确定出水泵风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×(Qa÷Q2)，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×(Qa÷Q1)，Qa＞Q2时，取nmin＝ne，Qa＞Q1时，取nmax＝ne；运行效率控制单元确定出水泵运行高效区对应的最低扬程Hmin＝H2×(Qa÷Q2)2，运行高效区对应的最高扬程Hmax＝H1×(Qa÷Q1)2，Qa＞Q2时，取ns’＝ne，Qa＞Q1时，取Hmax＝Hae；运行效率控制单元确定出风机运行高效区对应的最低压力Pmin＝P2×(Qa÷Q2)2，运行高效区对应的最高压力Pmax＝P1×(Qa÷Q1)2，Qa＞Q2时，取ns’＝ne，Qa＞Q1时，取Pmax＝Pae；η1＝η2时，水泵风机在调速范围内运行效率不低于η1；η1＝η2＝ηmax时，水泵风机运行在最高效率点ηmax。
本发明的有益效果是可使调速运行的水泵风机在满足正常的工艺要求的同时，并可避免运行在低效区，由于仅需增加对转速进行限制的运行效率控制单元，结构简单易实现。
附图说明 下面结合附图和优选实施例，对本发明进一步说明。
图1是控制水泵出口压力的常规单闭环控制框图。
图2是水泵的Q-H流量扬程特性曲线和Q-η流量效率特性曲线。
图3是风机的Q-P流量压力特性曲线和Q-η流量效率特性曲线。
图4是优选实施例增加运行效率控制单元后水泵出口压力控制框图。
图5是优选实施例增加运行效率控制单元后风机出口压力控制框图。
图6是优选实施例增加运行效率控制单元后水泵风机流量控制框图。
图7是优选实施例以水泵实际输出压力为运行效率判别参数时的控制框图。
图8是优选实施例以风机实际输出压力为运行效率判别参数时的控制框图。
图9是优选实施例以水泵风机的流量为运行效率判别参数时的控制框图。
图10是优选实施例运行效率控制单元的程序框图。
图中Ps为压力设定值，Qs为流量设定值，Pe为水泵风机进口附加压力值，Pa为水泵风机的实际压力值，Qa为水泵风机的实际流量值，Vs为流量压力以外的被控参数设定值，Va为流量压力以外的被控参数实际值，H1为水泵在额定转速ne下效率为η1点对应的特征扬程值，H2为水泵在额定转速下效率为η2点对应的特征扬程值，P1为风机在额定转速ne下效率η1点对应的特征压力值，P2为风机在额定转速ne下效率η2点对应的特征压力值，Q1是水泵风机在额定转速ηe下效率η1点对应的特征流量压值，Q2是水泵风机在额定转速下效率η2点对应的特征流量值，ηmax为水泵风机的最高效率值，(Ps-Pe)对应流量Qse，QS对应扬程Hse，Qs对应压力Pse，(Pa-Pe)对应流量Qae，Qa对应扬程Hae，Qa对应压力Pae，ns是调节单元输出的转速调节信号，ns’为运行效率控制单元输出的转速调节信号，调节单元101为常规的控制器或调节器，调速单元102为普通调速器，水泵103为被调速器控制的水泵，风机501为被调速器控制的风机，水泵风机603为被调速器控制的水泵风机，运行效率控制单元401负责对水泵风机的运行效率进行控制，压力传感器104为常规的压力变送器，流量传感器604为常规的流量变送器，传感器704是被控参数Va的测量传感器，nmin为水泵风机高效区对应的最低转速，nmax为水泵风机高效区对应的最高转速。
具体实施方式 在图4中，调节单元101根据水泵出口压力设定值Ps和压力传感器104测量出的水泵实际压力值Pa之间的差值，输出转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns值、水泵进口附加压力值Pe、水泵在额定转速ne下效率η1对应的特征扬程值H1、水泵在额定转速ne下效率η2点对应的特征扬程H2进行运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，根据运行方式要求，当要求常规控制时，运行效率控制单元401送出转速调节信号ns’＝ns，当要求运行效率控制时，运行效率控制单元401将根据ns的大小决定送出的转速信号ns’，ns＜nmin时，ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns＞nmax时，ns’＝nmax，调速单元102根据ns’值对水泵103的转速进行调节。一般调速器包含调速单元102，运行效率控制单元401可以作为调速器的一个组成部分置入调速器内，运行效率控制单元401也可以作为PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制装置、水泵风机专用控制器或组态软件的一个组成部分置入PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制装置、水泵风机专用控制器或组态软件内，运行效率控制单元401也可以作为独立的水泵风机运行效率控制装置，调节单元101可以是调速器的一部分，也可以是独立于调速器之外的PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制装置、水泵风机专用控制器或组态软件的一部分。
在图5中，调节单元101根据风机输出压力设定值Ps和压力传感器104测量出的风机实际压力值Pa之间的差值，输出转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns值、风机进口附加压力值Pe、风机在额定转速ne下效率η1对应的特征压力值P1、风机在额定转速ne下效率η2点对应的特征压力值P2进行运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，根据运行方式要求，当要求常规控制时，运行效率控制单元401送出转速调节信号ns’＝ns，当要求运行效率控制时，运行效率控制单元401将根据ns的大小决定送出的转速信号ns’ns＜nmin时，ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns＞nmax时，ns’＝nmax，调速单元102根据ns’值对风机501的转速进行调节。
在图6中，调节单元101根据水泵风机的流量设定值Qs和流量传感器604测量出的水泵风机实际流量Qa之间的差值，输出转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns、水泵风机在额定转速ne下效率η1对应的特征流量值Q1、水泵风机在额定转速ne下效率η2点对应的特征流量Q2进行运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，根据运行方式要求，当要求常规控制时，运行效率控制单元401送出转速调节信号ns’＝ns，当要求运行效率控制时，运行效率控制单元401将根据ns的大小决定送出的转速信号ns’，ns＜nmin时，ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns＞nmax时，ns’＝nmax，调速单元102根据ns’值对水泵风机603的转速进行调节。
在图7中，被控参数不是水泵的压力和流量，其设定值为Vs，如果能得到水泵出口实际压力Pa，调节单元101根据设定值Vs和传感器704测量出的实际值Va之间的差值，输出转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns值、水泵进口附加压力Pe、水泵在额定转速ne下效率η1对应的特征扬程值H1、水泵在额定转速ne下效率η2点对应的特征扬程H2进行运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，根据运行方式要求，当要求常规控制时，运行效率控制单元401送出转速调节信号ns’＝ns，当要求运行效率控制时，运行效率控制单元401将根据ns的大小决定送出的转速信号ns’，ns＜nmin时，ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns＞nmax时，ns’＝nmax，调速单元102根据ns’值对水泵103的转速进行调节。
在图8中，被控参数不是风机压力和流量，其设定值为Vs，如果能得到风机出口实际压力Pa，调节单元101根据设定值Vs和传感器704测量出的实际值Va之间的差值，输出转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns值、风机进口附加压力Pe、风机在额定转速ne下效率η1对应的特征压力值P1、风机在额定转速ne下效率η2点对应的特征压力值P2进行运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，根据运行方式要求，当要求常规控制时，运行效率控制单元401送出转速调节信号ns’＝ns，当要求运行效率控制时，运行效率控制单元401将根据ns的大小决定送出的转速信号ns’，ns＜nmin时，ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns＞nmax时，ns’＝nmax，调速单元102根据ns’值对风机501的转速进行调节。
在图9中，被控参数不是水泵风机的压力和流量，其设定值为Vs，如果能得到水泵风机的实际流量Qa，调节单元101根据设定值Vs和传感器704测量出的实际值Va之间的差值，输出转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns值、水泵风机在额定转速ne下效率η1对应的特征流量值Q1、水泵风机在额定转速ne下效率η2点对应的特征流量Q2进行运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，根据运行方式要求，当要求常规控制时，运行效率控制单元401送出转速调节信号ns’＝ns，当要求运行效率控制时，运行效率控制单元401将根据ns的大小决定送出的转速信号ns’，ns＜nmin时，ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns＞nmax时，ns’＝nmax，调速单元102根据ns’值对水泵风机603的转速进行调节。
在图10中，采集调节单元送来的转速调节信号ns，判别是否要求对运行效率进行控制，如不要求，则直接将ns送出ns’＝ns，如要求，则采集Ps、Qs、Pa、Qa、Pe、H1、H2、P1、P2、Q1、Q2参数计算出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，如果ns＜nmin，则输出ns’＝nmin，如果ns＞nmax，则输出ns’＝nmax，否则输出ns’＝ns。