用来控制泵系统的设备和方法 本发明一般涉及控制系统，更具体地说，涉及一种用来控制抽运系统的流量、速度、压力或性能的控制器。
先有技术的典型离心泵包括一个叶轮，可转动地安装在固定壳体内用转动的叶轮把压力和动能传递给抽吸的流体，并且固定壳体把流体引向叶轮和从其引离。在一般包括同心扩散器和螺旋形离心壳体的典型离心泵壳体中，叶轮的转动把动能传递给流体，并且使流体在绕叶轮圆周的一般圆形方向上经围绕叶轮的壳体流动。在壳体中的某一点处，流体离开叶轮的圆周流动，通过一个分水角等穿过一般称作排出进口区域的泵区域和穿过排出喷嘴到泵排出口。
流体流动能受叶轮的结构、壳体的结构和尺寸、叶轮转动的速度、及泵进口和出口的结构和尺寸、元件的质量和光洁度、壳体螺旋的存在等的影响。为了控制流体流动，把变频器件用来调节泵的电机速度，以便调节在泵系统内地流动。要注意，如这里使用的那样，变频驱动包括可调节频率驱动(AFD)、可变速度控制器(VSC)或类似器件，这些器件操作控制电机速度。
除流量之外，泵速度和压力表示重要的抽吸系统参数，这些参数可能使泵在比其最有效值小的条件下工作。甚至更不便利的是，低于最佳工作参数可以使泵和电机工作得更繁重并因而磨损得更快，由此缩短泵的工作寿命。因而，高度希望提供一种利用计算机算法和传感器输入通过监视电机、泵及系统参数和经速度变化控制泵输出来控制抽吸系统的流量、速度、压力及性能的计算机控制变频器件(VFD)控制器。也便利的是，得到一种可操作以辨别和向技术员报告泵或系统异常、在对于抽吸单元的任何严重损坏发生之前有利于任何异常的研究和纠正的控制器。
一种控制器，用来对于用来抽吸流体的离心泵控制与流体流量、速度或压力有关的工作参数，其中至少一个传感器联接到泵上，用来产生一个指示检测的操作条件的信号。控制器包括：一个存储器件，用来存储指示至少一种操作条件的数据；和一个微处理器，与传感器通信，并且是可操作的，以便利用至少一个传感器信号和指示至少一种操作条件的存储数据来实现一种算法以产生一个控制信号，其中该控制信号指示要应用于泵的校正因数。
也公开了一种根据用来把流体抽吸到一个排出出口的算法自动控制与离心泵有关的工作参数的方法，该方法包括步骤：把与预定操作条件相对应的数据值存储在存储器中；得到指示当前操作条件的传感器测量；利用传感器测量和存储数据值以确定与当前泵操作条件相对应的计算数据值；及把计算数据值与存储数据值相比较，并且当计算数据值与存储数据值相差一个预定量时，产生一个指示要应用于泵的校正因数的控制信号。
图1是根据本发明的抽吸系统和控制器的方块图。
图2是方块图，表明与用来控制根据本发明的抽吸系统的控制器的微处理器和存储器。
图3A是可操作用来控制根据本发明的抽吸系统的程序控制器模块的功能方块图。
图3B是控制器的程序计算所需要的泵数据的示范说明。
图3C是控制所需要的计算所需要的场合特定数据的说明。
图3D是图3A更详细的方块图，表明与根据本发明的控制器有关的主要功能元件。
图4A是方块图，表明用来确定抽吸系统能力的输入和输出。
图4B表示流程图，描绘得到与根据本发明的控制器有关的流量计算涉及的步骤。
图5A是流程图，描绘与控制器有关的TDH逻辑模块。
图5B是流程图，描绘与控制器有关的NPSH逻辑模块。
图6是流程图，描绘与控制器有关的能力逻辑模块。
图7是流程图，描绘与控制器有关的压力逻辑模块。
图8是流程图，描绘与控制器有关的低流量逻辑模块。
图9是流程图，描绘与控制器有关的线水效率逻辑模块。
图10表示存储信息的一个数据表，包括水比重相对于温度的数据值。
图11表示存储信息的一个数据表，包括水蒸汽压力相对压力数据。
图12表示存储信息的一个数据表，包括在四种不同泵速度下泵压力相对于流量数据。
图13表示存储信息的一个数据表，包括在四种不同泵速度下泵性能数据。
图14表示存储信息的一个数据表，包括在四种不同泵速度下泵NPSHr数据。
图15是方块图，描绘与控制器有关的可变速度控制模块的功能。
图16是详细方块图，描绘根据本发明与联接的控制器有关以分离警报监视器件的主要功能软件程序。
现在参照图1，表示有联接到一个抽吸系统20上的控制器10，抽吸系统20包括一个可操作用来供电离心泵40的电机30。这样一种离心泵在标题为具有流量测量的离心泵(CENTRIFUGAL PUMP WITH FLOWMEASUREMENT)、发布于1992年7月14日及通过参考包括在这里的美国专利5,129,264中描绘。注意，当参照附图时，类似的标号用来指示类似部分。控制器或可变/可调节频率器件(VFD)10操作，以通过监视电机、泵及系统参数和经速度变化控制泵输出及辨别和报告泵系统问题来控制抽吸系统的流量、速度或压力。(注意使用诸如文丘里管、节流孔板、磁性量仪等之类常规流量测量测量器件；以及通过在美国专利No.5,129,264中概述的技术可以得到流量测量)进一步注意，根据本发明的新颖控制器可以嵌入在VFD内，或者可以外部连接在VFD与抽吸系统之间。更具体地说，如将更详细描述的那样，包含用来控制电机速度的可执行软件代码的微处理器实际上可以驻留在VFD内或VFD外部。后者实施允许与实际任何类型的VFD器件一起使用的控制。
如图1中所示，传感器1-6联接到抽吸系统20上，并且是可操作的，以便检测与泵有关的各种操作条件并且经通信22把这些值输入到控制器10。图2表示连接到泵系统20上的控制器10的更详细说明。控制器包括一个处理器12，如一个微处理器，操作完成利用从泵传感器的每一个得到的传感器信号或传感器数据确定泵操作条件的软件功能。微处理器12可以是一个由允许算术计算操作、逻辑及I/O操作的软件程序控制的大规模集成(LSI)或VLSI集成电路。也设想包括数字信号处理器(DSP)的其他处理器。诸如随机存取存储器(RAM)或其他可寻址存储器之类的存储器存储器件或数据库14包括在控制器内，用来存储与泵操作条件和参数有关的数据值和表格。微处理器控制器12接收传感器信号数据，并且处理输入数据以及在存储器14中的存储表格数据。微处理器通过启动响应传感器输入以及预存储数据参数的软件程序进行这种处理，以便进行用于与阈值相比较的无数算术计算。软件程序可以驻留在微处理器存储器位置中。根据这些计算的结果和与阈值的比较，当在计算与存储参数值之间的差别超过一个预定数值值时，软件起作用，以产生指示与特定操作参数有关的警报条件的警报信号，并且/或者产生用来输入到抽吸系统的一个信号以改变当前电机速度而校正异常操作条件。控制器操作以产生一个至VFD/控制器10内的VFD逻辑、指示减小或增大电机速度的控制信号，以便校正检测的异常条件。VFD然后产生一个至电机30与电压和/或频率的变化相对应的信号，使电机的速度按与控制器产生控制信号成比例的量变化。控制器也可以操作，以产生一个至一个警报监视器23、指示检测异常的第二输出控制信号19，以便警告技术员检测条件，从而允许他调查和/或调节与操作条件有关的某些参数。
如图1中所示，把来自传感器1-6每一个的多个传感器输入提供给控制器。这些输入包括绝对泵抽吸压力Ps(标号1)、绝对泵排出压力Pd(标号2)、压力差ΔP(标号3)、泵速度n(标号4)、抽运温度Tp(标号5)及电机功率(标号6)。注意泵抽吸压力、泵排出压力、及压差一般以英尺H2O测量，而泵速度以RPM测量。流体温度最好以华氏度测量，而与电机功率有关的单位一般是千瓦(kw)。进一步注意，用于流动的压力差可能是从流量计测量的G.P.M，而泵速度可以是来自控制器或经直接测量。以类似方式，电机功率也可以来自控制器或经直接传感器测量。一个诸如客户调节参数或设置点的之类的另外输入7也可以经一个用户接口(见图3A)输入到控制器10，作为响应检测操作条件之一操作触发一个校正因数或警报的参数。另外的辅助传感器输入8也可以由控制器利用，如用来测量大气压力的另外压力表。也注意，传感器的每一个是诸如以熟知方式定位在抽吸系统上或其内的换能器之类的常规传感器元件，这些元件起作用以把每个检测操作条件转换成一个用于输入到控制器的对应电子信号。
图3A表示控制器件软件能力的方块图。如图3A中所示，控制器包括执行算法和进行与电机、泵及系统参数的监视有关的计算的多个软件程序17，并且对这些参数进行控制、辨别及报告。来自泵的传感器输入数据输入到微处理器12并且由一个安装程序16接收，该安装程序16经参数值的存储器14进行初始化、计时控制、输入数据的定标、及接收和存储。如也表示在图3A中的那样，控制器10包括一个用来直接从用户接收参数数据的用户接口部分29，如用于触发条件的客户可调节设置点、用来输入希望泵速度的人工越权、或由模块17的软件应用程序进行的计算所需要的地点专门数据(见图3C)和/或泵数据(见图3B)，并且存储在存储器14中。安装程序16启动模块17中子程序的每一个，如将在下面详细解释的那样。与程序16有关的软件是可操作的以经用户接口29检索和显示泵系统参数、输入参数以及传感器输入和输出条件及从程序模块17中的算法执行产生的计算值。程序也包括把用户输入设置信息/参数与存储在存储器中的阈值相比较的代码，以便避免非法操作设置。如人们能确定的那样，软件模块17具有进行多种计算以便确定泵操作条件的程序代码，并且根据计算操作条件、和根据与预置阈值相比较的计算操作条件，控制器将把一个控制信号15发送到泵电机30以减小或增大电机速度。控制信号可以具有指示电机速度相对于其当前速度增大或减小的相对程度的各种振幅值和/或脉冲宽度。软件程序17也可以把一个控制信号19发送到一个警报指示器23，以指示在系统中禁止泵操作的任何失效或异常。警报控制信号也可以具有与警报条件的相对严重性程度和/或检测操作参数超过允许操作条件的上或下限的相对量相对应的变化振幅值和/或脉冲宽度。存储区域14包括用来存储软件程序执行和计算需要的地点专门数据的存储介质，并且包括最大泵速度、相对于温度的蒸汽压力、相对于温度的比重、容量设置点、及压力设置点和稳定性因数(cf)。用于控制器计算的这种地点专门数据需要表示在图3C中。如图3B中所示，控制器计算所需要的泵数据存储在诸如数据库之类的存储区域14中，并且包括泵排出直径、泵抽吸直径、对于抽吸CL的抽吸水位高度、净水位高度差、最小连续能力、最小允许能力、在不同速度下相对于能力的TDHnew、及在不同速度下相对于能力的NPSHR。
图3D表示程序模块17(图3A)的控制器软件能力的更详细方块图，该程序模块17一般包括如下软件模块：能力/流量确定模块171、TDH性能逻辑模块173、NPSH逻辑175、线水效率模块177、能力流量控制逻辑179、压力控制逻辑181、低流量逻辑183、及可变速度控制模块185。下面将描述与这些模块的每一个有关的处理。在最佳实施例中，以每秒10次的频率执行这些算术过程的每一个，以便足够监视和校正任何异常。如能从图3D看到的那样，模块的每一个一般利用从以前计算得到的传感器数据和存储参数数据(存储在存储器14中)以确定泵操作条件。模块输出启动性能警报22和/或调节电机30的电机速度的控制信号。
图4A表示控制器的能力确定模块的方块图，该能力确定模块接收传感器输入ΔP、Tp、及n作为输入，以便利用在专利5,129,264中公开的技术计算泵系统的能力。也注意，从流量计、以及利用上述技术能直接得到能力Q。
图4B表示用来得到与确定软件模块171有关的流量计算的流程图。参照图4B，接收抽吸温度Tp和泵速度n传感器数据，并且从在包括相对于温度的水比重的数据库中的参数数据，如图10中所示，选择比重(SpGR)。软件然后操作以从图12中表明的参数数据选择在不同速度下相对于流量的泵Δ压力、在数据库中具有最靠近来自传感器4的检测泵速度的值的速度值。在数据库14中存在GPM的流量的表格化值作为压力Δ英尺的函数。经传感器3输入的压力差(ΔP)压力然后用来确定和选择具有Δ英尺值的表格化流量、最靠近传感器输入ΔP值的压力。
参照图5A，描绘控制器10的泵总动态水头(TDH)逻辑部分173的流程图，该逻辑部分173操作以确定总动态水头和泵性能。如图5A中所示，与泵流体比重有关的数据值、以及泵数据(见图3B)存储在存储器14中的表格中(或者作为公式)。这样一种表格表明在图10中。TDH逻辑控制器也对于图12中所示的高达六种速度处理与抽吸流体蒸汽压力有关的表格数据(图11)和相对于流量的Δ压力。图5A的流程图表明确定泵总动态水头和把计算值与阈值相比较的如下步骤。如果在给定流量下的实际泵TDH在一个预置值(例如表格值的85-95％)以下，那么输出一个控制信号以启动性能警报。TDH确定步骤如下：
泵总动态水头(TDH)确定
a.确定该泵的净速度系数。
Cv＝2.5939*10^-3*(1/Dd^4-1/Ds^4)
其中Ds是以英寸表示的泵排出管直径。
Dd是以英寸表示的泵抽吸管直径。
Dd和Ds参数是输入数据。
b.确定该泵的净速度头。
Δhv＝Cv*Q^2
其中Cv是该泵的净速度系数。
Q是来自流量计算或直接来自流量计的以GPM表示的泵流量。
c.确定TDH
TDH＝(Pd-Ps)/SG+ΔZ+Δhv
其中Pd是以英尺表示的泵排压力(绝对)。
Ps是以英尺表示的泵抽吸压力(绝对)。
ΔZ是以英尺表示的在Pd和Ps水位之间的净水位高度差输入参数。
Ahv是净速度头
及SP GR是抽吸比重。
然后利用实际泵速度、流量值和确定的TDH值进行泵性能比较。按如下在下面辨别泵性能比较方法：
泵性能比较
d.流量的实际泵速度和计算TDH是已知的。
e.从图13的表格选择具有最靠近实际泵速度的速度的泵性能数据。
f.使用相似定律把实际泵流量和TDH校正到表格速度：
(Q1/Q2)＝(N1/N2)
(TDH1/TDH2)＝(N1/N2)^2
g.使用速度校正泵流量和TDH值，把他们与来自图13中的数据库表格的数据值相比较。
h.如果以给定流量下的实际泵TDH小于表格值的85％至95％(客户可调节设置参数)，那么启动泵性能警报。
现在参照图5B，表明净正抽吸头(NPSH)逻辑控制器部分175的流程图。如图5B中所示，至NPSH模块的输入包括Q容量、蒸汽压力(Pv)、比重、泵抽吸压力、抽吸温度和流体温度。然后按如下确定适用的净正抽吸头(NPSHa)：
适用的正抽吸头(NPSHa)：
a.实际抽吸温度是已知的(Tp)
b.从图11中所示的数据库中的存储参数数据得到抽吸的蒸汽压力(Pv)。
c.确定抽吸速度头
hvs＝(2.5939*10^-3)/Ds^4*Q^2其中
Ds是以英寸表示的泵抽吸管直径输入值。
d.确定NPSHa
NPSHa＝(Ps+Pv)/SG+ΔZs+hvs
其中
Ps是以英尺表示的泵抽吸绝对压力。
Pv是以英尺表示的抽吸蒸汽压力。
SP GR是由流量模块171确定的抽吸比重。
ΔZs是以英尺表示的对于泵抽吸输入数据的抽吸水位高度差。
Hvs是从步骤c确定的以英尺表示的抽吸速度。
然后进行存储在数据库14中(见图14)的NPSHa相对于NPSHr的比较。如果NPSHa小于NPSHr，则程序输出一个控制信号以警报和/或减小泵速度以防止泵继续在气蚀条件下操作。如下步骤描绘NPSHa相对于NPSHr比较步骤。
NPSHa相对于NPSHr比较
a.泵速度、流量和NPSHa是已知的。
b.从来自图14的数据库表格检测与最近速度数据相对应的参数数据。
c.使用对于表格速度的相似定律校正流量和NPSHa值。
d.在校正流量下，使用图14的数据库表格得到NPSHr。
e.如果对于表格速度NPSHr＞NPSHa，那么经控制信号启动警报；及
f.输出控制信号以把速度减小(NPSHa/NPSHr)^2因数。
注意，如在控制器的NPSH逻辑部分中描述的那样，把计算结果与表格化泵性能和NPSHr值相比较，从而在最佳实施例中，如果性能小于95％(用户可选择)，那么启动警报。如果泵的NPSHr大于系统的NPSHa，则启动警报23。
控制器10也包括一个进行线对水效率分析的软件程序模块177。如在图9的流程图中表示的那样，与抽吸系统的该线对水效率有关的步骤如下：
确定线水效率：
a.计算产生的水马力
WHP＝(Q*TDH*SG)/3960
其中Q是来自模块171的以GPM表示的泵流量
TDH是来自模块173以英尺表示的泵水头
SP GR是抽吸比重
b.计算使用的电气马力。
EHP＝KW/.746
其中KW是以千瓦表示的千瓦输入(kw)。
c.计算抽吸系统的线水效率
μww＝WHP/EHP。
图6表明控制器10的能力逻辑部分179。如在图6中表明的那样，用于流量控制的处理包括设置能力(Q设置)、通过把实际能力Qact与Qset值相比较确定能力是否在希望范围内、及通过下面一个因数调节速度
Nnew＝(Qact/Qset)*n*CF其中
CF是由客户设置的稳定性因数(典型地.1至1.0)。CF用来防止图6中所示泵流量和速度控制的过校正和不稳定性，输出控制信号操作对于泵电机增大或减小电机速度。
图7表明与控制器10有关的用于压力确定模块181的过程可变控制。如图7中所示，与该可变控制有关的步骤包括：
用于压力的过程可变控制：
a.把Pdact(实际Pd)与Pdset相比较。(泵排出压力)
b.调节速度一个因数Nnew＝(Pdact/Pdset)^.5*n*CF，其中CF是由客户设置的稳定性因数(典型地.1至1.0)
c.使用CF防止泵压力和速度控制的过校正和不稳定性。
如图7中所示，模块181的输出控制信号操作以增大或减小泵电机速度。
图8表明控制器10的低流量逻辑模块183的流程图，该低流量逻辑模块183把操作泵流量与泵的计算最小连续流量相比较。如果实际流量低于最小连续流量，则启动警报。也把操作泵流量与泵的计算最小允许流量相比较，从而如果实际流量低于最小允许流量，则软件程序操作以提供一个启动警报和/或减小泵速度以防止泵继续在最小允许流量下操作。如下步骤描绘以上标识条件的每一个。
低于最小连续流量：
a.把以gpm表示的在最大(max)速度下泵的输入最小连续流量(mcf)输入到数据库存储器中。
b.在任何速度下的mcf是(N1/Nmax)*mcfmax。
c.如果对于给定速度Qact＜mcf，则产生警报信号以通知客户流量在最小连续流量值以下。
低于最小允许流量：
a.把以gpm表示的在最大(max)速度下泵的输入允许流量(af)输入到数据库。
b.在任何速度下的af是(N1/Nmax)*afmax。
c.如果对于给定速度Qact＜af，则输出控制信号以警告客户流量在最小允许流量值以下。
d.如果Qact＜af，则输出控制信号以把泵速度减小到最小(即1000rpm)以消除对泵的损坏。
e.一旦已经消除低于允许流量条件的原因，用户接口就恢复控制。
可变速度控制模块185按图15中的流程图中描绘的那样操作。如图15中所示，选择希望的泵速度，并且经用户接口29输入到模块。经用户至模块185的选择泵速度输入存储在数据库14中，并且从控制器输出一个控制信号以设置电机30的希望速度。
如人们确认的那样，控制器操作以通知和校正泵操作参数，包括泵流量、泵性能、泵压力及速度，以便有效地把泵控制和保持在有效和灵敏状态。
将会理解，这里描述的实施例是示范性的，并且熟悉本专业的技术人员可以进行多种变更和修改而脱离本发明的精神和范围。例如，尽管已经表示一种单泵性能警报监视器，但要理解，软件应用程序模块的每一个可以提供一个独立的控制信号，该控制信号可以指向包括一个LED或峰鸣器的独立相应警报监视器，该监视器警告技术员准确过流或过载条件。分别连接到软件模块上的这样一组警报监视器表明在图16中。警报监视器可以连接到一个可以操作以警告在远离泵位置的位置处的个人的独立计算系统或计算机网络上。可以以诸如basic、C或其他高级语言之类的各种高级语言写与软件模块16和17有关的应用程序代码，并且以熟知方式与常规操作系统相结合地操作，以便适当地与泵传感器、泵电机、及任何外围设备通信。况且，如以前讨论的那样，控制器可以装在一个VFD中，用来接收泵传感器数据和输出控制信号以调节泵电机速度，或者可以在VFD外部，并且定位在一个接口模块中和连接到VFD上，从而把所有输入数据经VFD送到控制器，并且把调节电机速度的控制信号从控制器输出到VFD以便调节电子泵电机的速度。所有这些修改打算包括在附属权利要求书中定义的本发明的范围内。