一种水泵无水保护的控制系统的制作方法

1.本发明涉及水泵监测技术领域，尤其涉及一种水泵无水保护的控制系统。


背景技术：

2.水泵普遍的应用于工业生产用水以及居民生活用水等各个领域中，为了保持水泵良好的运行状态，需对水泵的工作情况进行日常检测，并对机组其它运行状态参数的现场进行快速测定和计算指导水泵机组的节能、安全运行状态，以便合理安排动态检修，水泵在使用过程中，通常配置有流量计来检测水泵的流量。而对于大型或重要场合应用的水泵，配套有专门水泵运行监控系统，监控其运行情况。而对于农业或一般工业用途，考虑成本原因都未能配套相关的监控系统。
3.例如，一种在中国专利文献上公开的“一种水泵运行效率在线检测方法及检测装置”，其公告号：cn110807231b，公开了包括建立水泵的进出口测压点的压力差与流量的联立数学模型，所述联立数学模型包括水泵流量-扬程公式、水泵流量-效率公式和水泵流量公式；即时检测并获得被测水泵的进出口测压点的高度差和压力差数据，并代入所述联立数学模型中，获得所述被测水泵的对应流量值；以及将所述对应流量值代入所述水泵流量-效率公式中，求得所述被测水泵的实时效率值；但是该方案在使用时需要使用流量、流速等传感器进行检测来完成诊断。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中对水泵工作检测需要多种传感器协同的问题，本发明提供一种水泵无水保护的控制系统，仅需要在电机设置传感器即可实现水泵的检测。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种水泵无水保护的控制系统，包括：电机传感模块，监测转矩电流；电机传感模块连接有控制器，控制器获取转矩电流和功率数据；控制器连接有诊断模块，诊断模块根据功率和效率进行水泵诊断并发出调整信号。通过电机传感模块对电机的转矩电流进行检测，得到电机工作的实时电流信息；通过控制器监测电机传感模块的实时电流信息，控制器控制电机的输出功率，控制器根据实时电流信息和输出功率确定诊断模块所需要的信息，并将诊断模块所需要的信息发送到诊断模块进行水泵状态诊断；其中控制器根据实时电流信息和输出功率模拟出水泵运行的相关状态信息，并将水泵运行的相关状态信息发送到诊断模块进行水泵状态诊断；使得水泵工作的监控不需要设置很多额外的传感器对水泵的流速等状态进行监控，使得水泵中不需要多处设置传感器相关的物理结构，使得水泵也不会被多处传感器布置结构影响；并且通过诊断模块进行水泵状态诊断后，诊断模块直接发出调整信号到控制器进行调整，电路逻辑简单可靠，对于控制器的可靠性有所提升，在检测或诊断过程中任一环节产生故障，控制器仍可实现水泵的安全控制。
7.作为优选的，所述的诊断模块包括功率曲线模型，功率曲线模型由控制器的转矩电流和功率数据确定；包括效率曲线模型，确定水泵电机的实际效率。功率数据为额定功
率，通过转矩电流确定实际情况下环境和设备影响下的实际功率，通过额定功率和实际功率确定功率曲线，通过功率曲线确定效率曲线。使得通过转矩电流可以对水泵中电机的实际功率进行确定，并根据电机的实际功率确定水泵的实际效率。能够在没有对工作的水泵进行多传感器检测的情况下确定水泵的实际功率和实际效率，并且该实际功率和实际效率的精确度仅受到电流检测的精度影响，并不受到水泵实际工作及传感器精度影响。
8.作为优选的，所述的诊断模块从控制器获取转矩电流和功率数据，将转矩电流拟合为第一曲线模型，将功率数据作为第一曲线模型的参考值并获取其与第一曲线模型的映射关系，输出功率变化曲线。诊断模块根据转矩电流的变化拟合出转矩电流曲线，确定转矩电流和功率的映射关系，得到基于转矩电流曲线的功率曲线；将功率曲线和参考值功率数据进行求差得到功率变化值，将功率变化值拟合为功率变化曲线。能够通过转矩电流确定水泵电机的实际功率，并且不受到水泵运行环境等因素影响。
9.作为优选的，所述的控制器设有功率转换模块，功率转换模块根据功率曲线模型确定水泵出口压力值，将出口压力值发送到诊断模块。功率转换模块将功率转换为流速等水泵工作状态信息，并同时根据水泵物理参数确定水泵出口压力值，得到水泵工作的出口压力值，便于对可靠性进行诊断。实现没有多传感器时水泵的工作状态监控，并且事实上经过功率转换模块的转换，已经不需要再对多种状态使用传感器进行监控，监控的电流信息已经考虑到实际使用环境及情况的影响，所以获得的水泵出口压力值不需要考虑额外误差。
10.作为优选的，所述的功率曲线模型和效率曲线模型之间设有诊断模型，诊断模型分别获取功率曲线模型和效率曲线模型的特征点并进行多目标诊断。诊断模型将曲线模型进行在时间t范围内进行取样，时间t为取样区间，在取样区间内等间距设定取样点，对取样点及其相邻曲线模型确定变化率，重复上述过程得到变化率组，将变化率组中重复次数超过m的的变化率设定为特征点变化率；根据特征点变化率判断功率曲线模型和效率曲线模型的实时点是否为特征点；根据功率曲线模型的特征点和效率曲线模型的特征点进行诊断，诊断标准为特征点与标准值的的差值。能够实现基于时间t的功率和效率的异常诊断。
11.作为优选的，所述的电机传感模块包括传感器，传感器与电机连接；传感器包括电流检测电路，检测电机的转矩电流。传感器包括转换电路，转换电路将电流信号转换为转矩电流信号，转换电路与控制器连接。能够仅在电机电路中加入传感模块即实现水泵电机的监控。
12.作为优选的，所述的诊断模块从控制器获得水泵出口压力值，对出口压力值和标准压力值进行比率换算确定效率值，并根据实际扬程确定效率参考值，根据效率参考值对效率值进行修正输出效率变化曲线。控制器根据转矩电流确定的功率得到水泵的流速等工作状态的信息，并根据水泵的物理参数得到出口压力值；此外，控制器根据功率信息得到水泵出口的标准压力值，诊断模块根据标准压力值和出口压力值进行分数运算，得到百分比显示的效率值；诊断模块根据设计扬程确定的出口压力值得到设计压力值，根据设计压力值和出口压力值进行分数运算得到效率参考值。根据效率参考值对效率值进行补充并拟合出最终的效率变化曲线。能够对设计要求和实际两种情况下的效率进行确定，整个过程也避免了多传感器检测所造成的误差和精度影响。
13.作为优选的，所述的诊断模块发出调整信号包括，将多目标诊断结果划分梯度等
级，根据多目标诊断结果发出不同梯度等级对应的调整信号到控制器。对不同特征点分别划分梯度等级，每个梯度等级均可对应不同曲线的多个特征点，每个梯度等级对应有一个调整信号，调整信号包括调整量。不仅能够根据效率进行调整，也能够根据功率进行调整。
14.本发明具有如下优点：
15.(1)减少了水泵运行过程中的监控难度，避免了使用多传感器进行检测，同时提高了水泵运行诊断的可靠性；使得水泵工作的监控不需要设置很多额外的传感器对水泵的流速等状态进行监控，使得水泵中不需要多处设置传感器相关的物理结构，使得水泵也不会被多处传感器布置结构影响；(2)能够对设计要求和实际两种情况下的效率进行确定，整个过程也避免了多传感器检测所造成的误差和精度影响；(3)实现没有多传感器时水泵的工作状态监控，并且事实上经过功率转换模块的转换，已经不需要再对多种状态使用传感器进行监控，监控的电流信息已经考虑到实际使用环境及情况的影响，所以获得的水泵出口压力值不需要考虑额外误差。
附图说明
16.下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
17.图1是本发明中水泵无水保护的控制系统示意图。
18.图2是本发明中诊断模块的系统示意图。
19.图中：
20.1-电机传感模块；2-控制器；3-诊断模块；4-功率曲线模型；5-效率曲线模型；6-诊断模型。
具体实施方式
21.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.如图1-2所示，在一个较佳的实施例中，本发明公开了一种水泵无水保护的控制系统，包括：电机传感模块1，监测转矩电流；电机传感模块1连接有控制器2，控制器获取转矩电流和功率数据；控制器2连接有诊断模块3，诊断模块根据功率和效率进行水泵诊断并发出调整信号。通过电机传感模块对电机的转矩电流进行检测，得到电机工作的实时电流信息；通过控制器监测电机传感模块的实时电流信息，控制器控制电机的输出功率，控制器根据实时电流信息和输出功率确定诊断模块所需要的信息，并将诊断模块所需要的信息发送到诊断模块进行水泵状态诊断；其中控制器根据实时电流信息和输出功率模拟出水泵运行的相关状态信息，并将水泵运行的相关状态信息发送到诊断模块进行水泵状态诊断；并且通过诊断模块进行水泵状态诊断后，诊断模块直接发出调整信号到控制器进行调整。
23.在使用时，在水泵电机处连接电机传感模块，来对电机的转矩电流进行监测，并且类似的，可以对水泵电机的工作电流等电流信息进行监测；然后将本系统接入水泵，本控制系统根据电机电机传感模块的的数据进行数据处理和状态诊断，数据处理过程中将水泵电机的电流数据转化为状态诊断需要的水泵运行参数信息，同时根据水泵的物理参数进行进
一步转化，得到功率和效率的数据，将功率和效率的数据发送到诊断模块进行诊断，诊断模块建立功率曲线模型和效率曲线模型并进行状态诊断，以功率和效率为监控指标来确定水泵的工作状态。
24.所述的诊断模块3包括功率曲线模型4，功率曲线模型由控制器的转矩电流和功率数据确定；包括效率曲线模型5，确定水泵电机的实际效率。功率数据为额定功率，通过转矩电流确定实际情况下环境和设备影响下的实际功率，通过额定功率和实际功率确定功率曲线，通过功率曲线确定效率曲线。使得通过转矩电流可以对水泵中电机的实际功率进行确定，并根据电机的实际功率确定水泵的实际效率。
25.在使用时，诊断模块分别将转矩电流或其他水泵电机的电流数据及功率数据进行拟合，得到水泵内电机的功率曲线和效率曲线，此时，功率曲线和效率曲线为拟合曲线，代表电机实际工作状态，该诊断模块通过电机电流变化来确定实际工作情况对电机输出造成的反馈，使得不需要对所有变量进行监测，只要监测最终对电机电流造成的影响，从而实现水泵工作的高准确性监控。
26.所述的诊断模块从控制器获取转矩电流和功率数据，将转矩电流拟合为第一曲线模型，将功率数据作为第一曲线模型的参考值并获取其与第一曲线模型的映射关系，输出功率变化曲线。诊断模块根据转矩电流的变化拟合出转矩电流曲线，确定转矩电流和功率的映射关系，得到基于转矩电流曲线的功率曲线；将功率曲线和参考值功率数据进行求差得到功率变化值，将功率变化值拟合为功率变化曲线。
27.在使用时，第一曲线模型为电流的曲线，为转矩电流曲线或其他类似与转矩电流曲线有固定转化关系的电机电流的曲线，然后根据功率和转矩电流的转化关系得到基于转矩电流的实际功率，此时此实际功率与标准功率存在差值，根据该差值得到功率变化值，然后再次拟合数据，得到关于实际功率和标准功率差值的功率变化曲线，该功率变化曲线直接表示了功率相对标准功率的变化值，对该变化值作为目标进行优化，即可跳过对各种影响因素进行优化，得到总优化。
28.所述的控制器设有功率转换模块，功率转换模块根据功率曲线模型确定水泵出口压力值，将出口压力值发送到诊断模块。功率转换模块将功率转换为流速等水泵工作状态信息，并同时根据水泵物理参数确定水泵出口压力值，得到水泵工作的出口压力值，便于对可靠性进行诊断。实现没有多传感器时水泵的工作状态监控，并且事实上经过功率转换模块的转换，已经不需要再对多种状态使用传感器进行监控，监控的电流信息已经考虑到实际使用环境及情况的影响，所以获得的水泵出口压力值不需要考虑额外误差。
29.在使用时，设定泵流量一定，此时根据功率可以确定水泵出口压力值，所以根据功率曲线模型可确定水泵出口压力的变化值，实现水泵的物理参数监测。
30.所述的功率曲线模型4和效率曲线模型5之间设有诊断模型6，诊断模型分别获取功率曲线模型和效率曲线模型的特征点并进行多目标诊断。诊断模型将曲线模型进行在时间t范围内进行取样，时间t为取样区间，在取样区间内等间距设定取样点，对取样点及其相邻曲线模型确定变化率，重复上述过程得到变化率组，将变化率组中重复次数超过m的的变化率设定为特征点变化率；根据特征点变化率判断功率曲线模型和效率曲线模型的实时点是否为特征点；根据功率曲线模型的特征点和效率曲线模型的特征点进行诊断，诊断标准为特征点与标准值的的差值。
31.在使用时，进行状态诊断包括，分别对功率曲线和效率曲线进行异常识别，首先识别曲线中的特征点，再对特征点判断是否为异常状态点。而为了避免水泵工作计划变化的影响，同时减少误判与错误判断，对曲线模型设定取样区间，对取样区间内进行间隙取样，将间隙取样再分类统计，根据不同特征出现的频率确定是否为异常状态点；并且对不同出现频率的特征点设定不同的异常等级分别进行标记，然后对异常状态点本身的曲线数据进行判断，大大提高了诊断精度，减少了无用诊断。
32.所述的电机传感模块包括传感器，传感器与电机连接；传感器包括电流检测电路，检测电机的转矩电流。传感器包括转换电路，转换电路将电流信号转换为转矩电流信号，转换电路与控制器连接。
33.在使用时，对水泵电机连接传感器，同时将本控制系统接入水泵电机的控制器，从而实现对水泵电机的智能化控制，不需要在水泵工作的环境中设置多种传感器，使得每个水泵不需要在水路内外设置传感器，都可实现智能控制，使得智能水泵可以直接接入管路即可工作，减少了智能水泵监测的繁琐和不可靠性。
34.所述的诊断模块从控制器获得水泵出口压力值，对出口压力值和标准压力值进行比率换算确定效率值，并根据实际扬程确定效率参考值，根据效率参考值对效率值进行修正输出效率变化曲线。控制器根据转矩电流确定的功率得到水泵的流速等工作状态的信息，并根据水泵的物理参数得到出口压力值；此外，控制器根据功率信息得到水泵出口的标准压力值，诊断模块根据标准压力值和出口压力值进行分数运算，得到百分比显示的效率值；诊断模块根据设计扬程确定的出口压力值得到设计压力值，根据设计压力值和出口压力值进行分数运算得到效率参考值。根据效率参考值对效率值进行补充并拟合出最终的效率变化曲线。
35.在使用时，根据功率数据和确定的流量得到水泵出口压力值后，根据设计要求的出口压力值或扬程换算得到的设计出口压力值进行比较，从而确定实际出口压力值的变化，从而代表工作效率的变化。
36.所述的诊断模块发出调整信号包括，将多目标诊断结果划分梯度等级，根据多目标诊断结果发出不同梯度等级对应的调整信号到控制器。对不同特征点分别划分梯度等级，每个梯度等级均可对应不同曲线的多个特征点，每个梯度等级对应有一个调整信号，调整信号包括调整量。
37.在使用时，同时对效率曲线模型和功率曲线模型的特征点进行诊断，其特征点与相邻点变化率超过k为异常特征点，并且对相对k的超出量进行n个单位增加梯度，每个梯度都有一个代表不同严重等级的调整信号，调整信号中调整量的大小跟随调整信号的梯度变化。
38.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种水泵无水保护的控制系统，其特征在于，包括：电机传感模块，监测转矩电流；电机传感模块连接有控制器，控制器获取转矩电流和功率数据；控制器连接有诊断模块，诊断模块根据功率和效率进行水泵诊断并发出调整信号。2.根据权利要求1所述的一种水泵无水保护的控制系统，其特征在于，所述的诊断模块包括功率曲线模型，功率曲线模型由控制器的转矩电流和功率数据确定；包括效率曲线模型，确定水泵电机的实际效率。3.根据权利要求2所述的一种水泵无水保护的控制系统，其特征在于，所述的诊断模块从控制器获取转矩电流和功率数据，将转矩电流拟合为第一曲线模型，将功率数据作为第一曲线模型的参考值并获取其与第一曲线模型的映射关系，输出功率变化曲线。4.根据权利要求2或3所述的一种水泵无水保护的控制系统，其特征在于，所述的控制器设有功率转换模块，功率转换模块根据功率曲线模型确定水泵出口压力值，将出口压力值发送到诊断模块。5.根据权利要求1或2或3所述的一种水泵无水保护的控制系统，其特征在于，所述的功率曲线模型和效率曲线模型之间设有诊断模型，诊断模型分别获取功率曲线模型和效率曲线模型的特征点并进行多目标诊断。6.根据权利要求1或2或3所述的一种水泵无水保护的控制系统，其特征在于，所述的电机传感模块包括传感器，传感器与电机连接；传感器包括电流检测电路，检测电机的转矩电流。7.根据权利要求4所述的一种水泵无水保护的控制系统，其特征在于，所述的诊断模块从控制器获得水泵出口压力值，对出口压力值和标准压力值进行比率换算确定效率值，并根据实际扬程确定效率参考值，根据效率参考值对效率值进行修正输出效率变化曲线。8.根据权利要求5所述的一种水泵无水保护的控制系统，其特征在于，所述的诊断模块发出调整信号包括，将多目标诊断结果划分梯度等级，根据多目标诊断结果发出不同梯度等级对应的调整信号到控制器。

技术总结
本发明公开了一种水泵无水保护的控制系统，包括：电机传感模块，监测转矩电流；电机传感模块连接有控制器，控制器获取转矩电流和功率数据；控制器连接有诊断模块，诊断模块根据功率和效率进行水泵诊断并发出调整信号；减少了水泵运行过程中的监控难度，避免了使用多传感器进行检测，同时提高了水泵运行诊断的可靠性；使得水泵工作的监控不需要设置很多额外的传感器对水泵的流速等状态进行监控，使得水泵中不需要多处设置传感器相关的物理结构，使得水泵也不会被多处传感器布置结构影响。水泵也不会被多处传感器布置结构影响。水泵也不会被多处传感器布置结构影响。


技术研发人员：王建
受保护的技术使用者：利欧集团浙江泵业有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/22