НАСОСНАЯ СИСТЕМА, А ТАКЖЕ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА В НАСОСНОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2018 года по МПК F04D15/00 

[01] Изобретение относится к насосной системе, а также к способу определения расхода в насосной системе.

[02] Известны насосные системы, которые содержат емкость для жидкости, предназначенную для хранения жидкости, подлежащей выкачиванию из нее или закачиваемой в нее. В таких емкостях для жидкости уровень жидкости флуктуирует. По этой причине трудно определять действительный расход протекающей жидкости или расход на выходе, поскольку расход насоса при подаче не всегда соответствует расходу протекающей жидкости.

[03] В патентном документе GB 2 221 073 раскрыт способ, который основан на временных измерениях заполнения и опорожнения бака для жидкости. Этому способу присущ недостаток, заключающийся в том, что он работает только тогда, когда приток в емкость для жидкости является по существу постоянным во время закачивания. Как правило, дело обстоит не так.

[04] В патентном документе ЕР 2 258 949 раскрыт способ оценивания расхода (расхода протекающей жидкости) в насосной системе с емкостью для жидкости, при этом в способе применяется рутинная операция калибровки, которая основана на предположении, что приток в емкость является по существу постоянным в течение закачивания. Тем самым среднее значение до включения насоса образует основу для притока. Однако этот способ также не является надежным, в частности, в случае, если несколько насосов с несколькими емкостями для жидкости соединены последовательно.

[05] В патентном документе US 5,831,174 раскрыт измеритель расхода насосной станции, использующий два датчика уровня в колодце, один из которых определяет уровень при запуске, а другой определяет уровень при остановке насоса. Посредством использования этих датчиков в состоянии покоя насоса высчитывается средний расход на впуске. Для создания зависимой от времени модели притока рассматриваются последние четыре предшествующих цикла притока. Для выпуска предполагается постоянный расход насоса, когда насос включен. Поскольку данному методу для оценки расхода на впуске требуется четыре предшествующих цикла, данный метод является медленным относительно возможности реагирования на изменения расхода на впуске.

[06] Задача изобретения заключается в усовершенствовании насосной системы с по меньшей мере одной емкостью для жидкости до такой степени, чтобы можно было точно определять расход через емкость для жидкости, то есть расход на впуске и расход на выходе.

[07] Эта задача решается насосной системой с признаками, описанными в пункте 1 формулы изобретения, а также способом оценивания расхода насоса с признаками, описанными в пункте 13 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления вытекают из соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения, последующего описания, а также сопровождающих чертежей.

[08] Насосная система согласно изобретению содержит по меньшей мере одну емкость для жидкости с впуском и с выпуском. Подаваемая жидкость протекает через впуск в емкость для жидкости и далее вытекает из него через выпуск. Кроме того, насосная система содержит по меньшей мере один насос, который может быть расположен на впуске или выпуске. Это означает, что емкость для жидкости может быть расположена перед или после насоса в направлении потока. Например, для систем сточной воды известно, что сточная вода должна подаваться так, чтобы она сначала втекала в приямок насоса, представляющий собой емкость для жидкости, и выводилась из него посредством насоса через выпуск. В противоположность этому, для систем подачи воды известно, например, что насос подает воду в емкость для жидкости, которая расположена на более высоком уровне. Это означает, что насос подает жидкость в емкость для жидкости через впуск. Далее жидкость может вытекать из емкости для жидкости, например, под действием силы тяжести. В обоих вариантах осуществления альтернативно или дополнительно несколько емкостей для жидкости с соответствующими насосами можно располагать последовательно так, чтобы жидкость всегда выводилась из первой ёмкости для жидкости в следующую, вторую емкость для жидкости. Это можно применять, чтобы иметь возможность соединять большее количество высот подачи насоса.

[09] Кроме того, насосная система согласно изобретению содержит управляющее устройство, имеющее устройство оценивания расхода, выполненное с возможностью определения или идентификации параметров модели расходов, описывающей расход через емкость насосной системы, то есть расход на впуске и выходе, и непрерывного оценивания расхода на основании идентифицированных параметров модели расходов.

[10] Согласно изобретению предусмотрено определение или оценивание расхода посредством устройства оценивания расхода. Для этого устройство оценивания расхода согласно изобретению выполнено с возможностью использования модели системы для определения параметров модели расходов. Таким образом, существенным в изобретении является то, что модель системы, которая имитирует полную насосную систему с емкостью для жидкости, состоит из по меньшей мере двух подмоделей. Первая из подмоделей описывает режим притока в емкость и вторая подмодель описывает режим истечения из емкости, то есть потока, вытекающего через выпуск. Расход на выходной стороне или расход на выходе может определяться или оцениваться при использовании второй подмодели. Подмодели построены с возможностью непрерывного определения или вывода заданных значений расходов на основании ранее определенных параметров модели и входных переменных, измеряемых в системе.

[11] Применение двух таких подмоделей обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что оценивание расхода, которое представляет собой, например, идентификацию модели потоков, также возможно для расхода на выходе даже в случае, если расход на впуске не является постоянным, поскольку режим притока также имитируется в подмодели. Кроме того, в обратном случае, когда насос подает жидкость в емкость для жидкости, истечение из емкости для жидкости, которое не является постоянным в этом случае, также может быть имитировано соответствующей подмоделью из двух подмоделей. Это означает, что режим притока и также режим истечения всегда учитываются в модели системы, применяемой согласно изобретению, так что флуктуации притока и истечения не оказывают влияния или оказывают только небольшое влияние на определение параметров модели расходов.

[12] Предпочтительно, что две различные подмодели имеют разную или изменяющуюся природу. Это означает, что предпочтительно, что они не зависят друг от друга и имеют различное поведение в качестве реакции на входные параметры. Таким образом, например, для одной подмодели нельзя предполагать поведение другой подмодели или зависимость от поведения второй подмодели. Таким путем можно получать независимое описание режима притока и режима истечения из емкости.

[13] Управляющее устройство содержит запоминающее устройство, которое выполнено с возможностью сохранения значений (отсчетов) измерений или данных, которые обнаруживаются в насосной системе. Кроме того, предпочтительно, что управляющее устройство содержит устройство оценивания параметров, которое выполнено с возможностью определения параметров модели или параметров по меньшей мере двух подмоделей на основании сохраняемых данных. Это означает, что модели адаптируются на основании измеряемых и сохраняемых данных через определение их параметров, так что они описывают систему или подсистему с возможной точностью.

[14] Устройство оценивания параметров выполнено с возможностью одновременного определения параметров первой подмодели и параметров второй подмодели. Также предпочтительно, что оценивание параметров устройством оценивания параметров может быть выполнено одновременно с оцениванием расхода устройством оценивания расхода. Это означает, что управляющее устройство обеспечивает непрерывное оценивание расхода с одновременной непрерывной адаптацией или оптимизацией подмоделей, на основании чего осуществляется оценивание (идентификация) параметров модели расходов. Устройство оценивания параметров определяет параметры модели на циклической основе, например, набор данных собирается и используется для определения нового набора параметров модели. В устройстве для оценивания расхода формирователь набора параметров модели используется для непрерывного оценивания расхода, и когда собирается новый набор данных, устройство оценивания параметров определяет новый набор параметров модели. Устройство оценивания параметров выполнено с возможностью непрерывного оценивания параметров обеих подмоделей, если даже позднее только одна подмодель используется для определения расхода. При этом для определения расхода предпочтительно использовать подмодель, описывающую режим истечения. В таком случае другая подмодель служит в качестве вспомогательной модели, которая используется только для оценивания параметров обеих подмоделей.

[15] Кроме того, устройство оценивания параметров предпочтительно выполнять так, что параметры по меньшей мере двух подмоделей определялись при минимизации расхождения между оцениваемой выходной переменной, которая определяется посредством подмоделей, и соответствующей выходной переменной, которая измеряется или вычисляется на основании измерений, выполняемых в системе. В частности, это может быть осуществлено применением метода наименьших средних квадратов. Это означает, что оцениваемая выходная переменная, которая определяется посредством моделей, сравнивается с фактической выходной переменной, а параметры подмоделей адаптируются так, что оцениваемая переменная отличается по возможности незначительно от фактической выходной переменной. Поэтому подмодели адаптируются так, что они описывают систему по возможности оптимально.

[16] Описанная минимизация расхождения может осуществляться одновременно для обеих подмоделей, например, посредством суммы или разности обеих подмоделей, образуемой и сравниваемой с фактической выходной переменной. Таким образом, фактическая выходная переменная может соответствовать уровню жидкости или высоте жидкости в емкости для жидкости или его изменению в зависимости от времени. Поэтому изменение должно соответствовать разности между притоком в емкость для жидкости и истечением из него и может быть определено по двум подмоделям.

[17] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения емкость с жидкостью снабжена датчиком уровня, который обнаруживает уровень жидкости внутри емкости, при этом обнаруживаемый уровень жидкости сохраняется как часть регистрируемых данных, то есть сохраняется в описанном ранее запоминающем устройстве. В таком случае сохраняемый уровень жидкости, то есть, в частности, временной ход уровня жидкости, может служить в качестве основы для определения параметров подмоделей в устройстве оценивания параметров. Поэтому высота или уровень жидкости может определяться непосредственно или косвенно, например, посредством датчика давления, который определяет гидростатическое давление.

[18] Согласно дальнейшему предпочтительному варианту осуществления по меньшей один насос содержит приводной электродвигатель и устройство обнаружения мощности, которое обнаруживает текущую (превалирующую) электрическую мощность приводного электродвигателя, при этом электрическая мощность сохраняется как часть обнаруживаемых данных, то есть сохраняется в ранее описанном запоминающем устройстве. Это обеспечивает устройству оценивания параметров возможность оценивания сохраняемых значений мощности для определения параметров подмоделей. При этом предпочтительно сохранять в запоминающем устройстве обнаруживаемую электрическую мощность в зависимости от времени, поскольку мощность предпочтительно обнаруживать непрерывно.

[19] Также предпочтительно, что датчик давления расположен на выпускной стороне насоса и обнаруживает давление на выпуске насоса, и при этом давление на выпуске сохраняется как часть регистрируемых данных, то есть сохраняется в ранее описанном запоминающем устройстве. Поэтому устройство оценивания параметров может обращаться к сохраняемым значениям давления для определения параметров подмоделей. Предпочтительно, что датчик давления обнаруживает давление непрерывно, а временной ход давления на выпуске сохраняется в запоминающем устройстве.

[20] В соответствии с дальнейшим предпочтительным вариантом осуществления управляющее устройство выполнено с возможностью обнаружения количества действующих насосов в насосной системе и/или скорости вращения по меньшей мере одного насоса, при этом предпочтительно сохранение количества действующих насосов и/или скорости вращения в качестве части регистрируемых, например, обнаруживаемых, данных, то есть сохранение в ранее описанном запоминающем устройстве или описанной памяти. Поэтому устройство оценивания параметров может обращаться к количеству действующих насосов или скорости вращения для определения параметров подмоделей. Кроме того, в данном случае временной ход количества действующих насосов и/или скорости вращения предпочтительно сохраняется в запоминающем устройстве или памяти.

[21] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения первая подмодель является функцией времени и по меньшей мере одного параметра модели. Параметр модели определяется описанным способом посредством устройства оценивания параметров.

[22] Предпочтительно, чтобы вторая подмодель была функцией данных, которые обнаруживаются в системе, например, функцией сохраняемых данных и по меньшей мере одного определенного параметра модели. Таким образом, это является случаем параметров модели, определяемых описанным ранее устройством оценивания параметров, которые предпочтительно непрерывно адаптировать. Что касается данных, то их можно отнести к случаю, например, выходной переменной, соответствующей ранее описанным уровню жидкости, электрической мощности приводного электродвигателя, давлению на выходе насоса, количеству действующих насосов в насосной системе и/или скорости вращения одного или нескольких насосов. Если первая подмодель является функцией времени, а вторая подмодель является функцией измеряемых данных, то, как описывалось выше в качестве предпочтительного построения, выходные данные, оцениваемые посредством этих двух подмоделей, являются различными по свойствам.

[23] Предпочтительно выполнять управляющее устройство так, чтобы можно быть применять вторую подмодель для определения расхода насоса или расхода через емкость для жидкости. Предпочтительно, чтобы вторая подмодель, описанная выше, была подмоделью, описывающей режим истечения из емкости. В частности, это является случаем, когда насос расположен на выпуске емкости для жидкости. В этом случае предпочтительно, что первая подмодель описывает режим притока в емкость для жидкости. Если в противоположность этому насос расположен на впуске или входе емкости для жидкости, то вторая подмодель описывает расход насоса или представляет режим притока в емкость для жидкости, тогда как первая подмодель описывает или представляет режим истечения. В случае, когда насос расположен на впуске емкости для жидкости, предпочтительно, что расход через емкость для жидкости представляет собой расход на выпуске емкости для жидкости, чтобы в этом случае первую подмодель можно было к тому же использовать для определения расхода через емкость для жидкости. Управляющее устройство соответственно адаптируется в этих случаях.

[24] Согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения емкость для жидкости представляет собой приямок насоса, а насос расположен на выпуске для выкачивания жидкости насоса из приямка насоса, при этом первая подмодель описывает приток в приямок насоса, а вторая подмодель описывает режим насоса, то есть режим истечения из емкости для жидкости. Что касается насоса, то предпочтительно, что он является погруженным насосом, который погружен в приямок насоса. Как описывалось ранее, при таком построении предпочтительно использовать вторую подмодель для определения посредством модели расхода или гидравлического расхода подачи насоса. Непрерывная калибровка подмоделей путем адаптации их параметров посредством устройства оценивания параметров является предпочтительной при использовании такой насосной системы, поскольку при использовании, например, насосов сточной воды, эффективность насоса может быстро изменяться с течением времени вследствие загрязнения и износа. Устройство оценивания расхода согласно изобретению обладает преимуществом, заключающимся в том, что оно непрерывно самокалибруется, при этом флуктуация расхода на впуске также учитывается посредством первой подмодели.

[25] Согласно другому варианту осуществления насос может быть расположен на впуске для заполнения емкости, при этом первая подмодель описывает истечение из емкости и вторая подмодель описывает режим насоса, то есть режим притока. В таком варианте осуществления первая подмодель может использоваться для определения расхода на выходе или расхода через емкость для жидкости. Например, такую компоновку можно применять при подаче воды, когда вода закачивается насосом в емкость для жидкости, который находится на более высоком месте, из которого она далее может вытекать только под действием силы тяжести. Кроме того, в такой системе изменение характеристик системы вследствие износа или загрязнения может учитываться посредством непрерывной калибровки или адаптации параметров подмоделей.

[26] Наряду с ранее описанной насосной системой предметом изобретения является способ оценивания расхода насоса, который может быть применен, например, в ранее описанной насосной системе. Способ оценивания расхода насоса служит для определения расхода, который является, например, расходом на выпуске насосной системы, при этом насосная система содержит по меньшей мере один насос и емкость для жидкости. Предпочтительно, чтобы насосная система соответствовала насосной системе согласно предшествующему описанию. Способ отличается тем, что расход на выпуске определяют посредством модели системы, которая состоит из по меньшей мере двух подмоделей, подмодели, описывающей режим притока в емкость для жидкости, и подмодели, описывающей режим истечения из или расход на выпуске емкости для жидкости. Тем самым оценивание расхода насосной системы осуществляют способом, описанным ранее. При этом признаки, которые описаны для насосной системы, аналогичным образом представляют предпочтительные признаки способа оценивания расхода насоса согласно изобретению. Предшествующее описание имеет к нему отношение в той мере, в какой представляет интерес.

[27] В модели системы для способа оценивания расхода насоса предпочтительно применять по меньшей мере две подмодели, которые имеют различную природу в том смысле, что они имеют различное поведение в качестве реакции на изменение входных значений. Поэтому, как описано выше в отношении насосной системы, две подмодели не влияют друг на друга, и можно непрерывно адаптировать параметры модели системы так, что модель системы описывает режим притока в емкость для жидкости, а также режим истечения из него. Например, когда параметры модели идентифицированы, вторую модель непрерывно используют для оценивания расхода.

[28] Ниже изобретение описывается для примера посредством сопровождающих чертежей. На этих чертежах:

фиг.1 - схематичный вид насосной системы согласно изобретению в виде приямка насоса с насосом, который расположен в нем;

фиг.2 - структурная схема устройства оценивания расхода согласно изобретению;

фиг.3 - ход уровня жидкости в зависимости от расхода на впуске и расхода на выпуске в насосной системе согласно фиг.1;

фиг.4 - представление согласно фиг.3, но при флуктуирующем расходе на впуске;

фиг.5 - несколько диаграмм оценок расхода на впуске и расхода насоса на основании модели системы;

фиг.6 - схематичный вид насосной системы, которая пригодна для подачи воды; и

фиг.7 - диаграммы уровня жидкости в емкости для жидкости согласно фиг.6 в зависимости от притока и истечения.

В соответствии с первым возможным вариантом осуществления изобретения насосная система согласно изобретению может быть конструктивно выполнена как система для подачи сточной воды. На фиг.1 показано соответствующее устройство. Приямок 2 насоса образует емкость для жидкости, которая снабжена впуском 4 и выпуском 6. Впуск 4 расположен на верхней стороне и выпуск 6 на нижней стороне приямка 2 насоса. Насос 8, который подает воду или жидкость из приямка 2 насоса, расположен на выпуске 6. В этом примере насос 8 расположен вне приямка 2 насоса. Однако погружной насос также может быть применен. Для такой насосной системы имеются несколько релевантных переменных, в частности, расход q_in на впуске и расход q_p на выпуске, при этом расход q_p на выпуске соответствует расходу при подаче насоса 8. Два датчика 10 и 12 давления предусмотрены в системе. Первый датчик 10 давления образует датчик уровня. Для обнаружения гидростатического давления на основании приямка 2 насоса датчик 10 давления расположен внутри приямка 2 насоса. Уровень h жидкости внутри приямка 2 насоса может быть определен известным способом по гидростатическому давлению. Датчик 12 давления расположен на выпуске 6 или выпускном трубопроводе ниже по потоку от насоса 8, то есть на стороне подачи насоса 8, и обнаруживает давление p_out на выпуске насоса 8. Дополнительной переменной, которая имеет отношение к системе, является потребление электрической мощности Р приводным электродвигателем 14 насоса 8. Предпочтительно, чтобы насос 8 содержал встроенное управляющее устройство 16, которое принимает сигналы датчиков с датчиков 10 и 12 давления и также обнаруживает потребление электрической мощности Р приводным электродвигателем 14. Дополнительно управляющее устройство 16 может управлять приводным электродвигателем 14 насоса 8. Кроме того, управляющее устройство 16 содержит устройство оценивания расхода, которое находится на месте оценивания расходов q_in и q_p. В ином случае это управляющее устройство 16 может быть внешним устройством, особенно в случае, если в системе имеются два или большее количество насосов.

Это устройство 18 оценивания расхода схематично представлено на фиг.2. В устройстве оценивания расхода используется модель 20 системы, имитирующая насосную систему, предназначенная для вычисления или приблизительного оценивания расходов q_p и q_in. Модель 20 системы состоит из двух подмоделей 22 и 24, функции которых описываются более подробно ниже. Кроме того, устройство 18 оценивания расхода содержит модуль 26 регистрации данных, который непрерывно регистрирует или обнаруживает измеряемые параметры системы, в этом примере высоту h уровня жидкости в приямке 2 насоса, которая вычисляется на основании сигнала с датчика 10 давления в управляющем устройстве 16, дифференциальное давление Δp на насосе 8, то есть разность давлений между датчиками 10 и 12 давления, потребление электрической мощности Р, а также сигнал s переключения, который показывает, включен или выключен приводной электродвигатель 14. Эти данные, которые непрерывно обнаруживаются модулем 26 регистрации данных, непрерывно сохраняются в запоминающем устройстве в виде памяти 28 данных. Таким образом, новые данные могут регулярно записываться поверх старых данных. Устройство 30 оценивания параметров, которое точно так же является частью устройства оценивания расхода, способом, описанным ниже, определяет параметры модели или параметры 32 подмоделей 22 и 24 на основании данных, сохраняемых в памяти 28 данных. На основании подмоделей 22 и 24, образованных таким образом, определяются расходы q_p и q_in на основании подаваемых текущих данных, измеряемых в системе.

Использование модели 20 системы для определения расхода через насосную систему, который соответствует расходу q_p на впуске насоса 8, исключает непосредственное измерение расхода. Эффективность насоса изменяется относительно быстро, поскольку насос 8 подвергается износу и загрязнению, так что оценивание расхода нельзя основывать только на электрических переменных приводного электродвигателя 14 и измеряемых давлениях. Изменение уровня h в зависимости от времени t также не является надежной переменной для расхода q_p на выпуске, если одновременно изменяется расход q_in на впуске. Это поясняется посредством фиг.3 и 4.

Режим системы в зависимости от времени t представлен тремя диаграммами на фиг.3. Нижней кривой на фиг.3 показан расход q_p на выпуске в зависимости от времени t. Средней кривой показан расход q_in на впуске в зависимости от времени t, верхней кривой показана высота h уровня жидкости в приямке 2 насоса в зависимости от времени t. Можно видеть, что расход q_in на впуске является постоянным. Насос 8 включается в момент T₁ времени и выключается в момент T₃ времени. Уровень h возрастает до момента T₁ времени вследствие постоянного расхода q_in на впуске. Расход q_in на впуске на этом временном интервале пропорционален повышению уровня h. Уровень h падает снова при включении насоса 8 в момент T₁ времени, при этом как представлено в уравнениях на фиг.3, изменение уровня h в зависимости от времени t пропорционально разности расхода q_in на впуске и расхода q_p на выпуске. Если, как представлено на фиг.3, расход q_in на впуске является постоянным, то расход q_p на выпуске может быть определен просто по разности изменения уровня в случае включения и выключения насоса 8. Как представлено на фиг.4, изменения расхода q_in на впуске более невозможны.

Три кривые на фиг.4 соответствуют кривым из фиг.3. В противоположность фиг.3 расход q_in на впуске не является постоянным в режиме работы согласно фиг.4, а возрастает в момент T₀ времени и снижается в момент Т₂ времени, как это представлено на фиг.4. Как можно понять по верхней кривой, скорость, с которой уровень h в приямке 2 насоса возрастает, повышается при возрастании расхода q_in на впуске в момент Т₀ времени на интервале Δt₄. В соответствии с этим скорость падения уровня h меньше на временных интервалах Δt₅, Δt₆ и Δt₇ между моментами Т₁ и Т₂ времени, чем на сравнимом интервале в режиме работы согласно фиг.3. Скорость, с которой уровень h в приямке 2 насоса падает, опять повышается на интервале Δt₈ при снижении расхода q_in на впуске в момент Т₂ времени. Следует понимать, что невозможно получать расход q_p на выпуске только на основании скорости, с которой уровень h изменяется, если расход q_in на впуске изменяется, поскольку временное изменение уровня h всегда пропорционально разности между расходом q_in на впуске и расходом q_p на выпуске.

Модель 20 системы применяют способом, описываемым ниже, чтобы иметь возможность определять расход q_p на выпуске также и в таких режимах работы. Модель 20 системы состоит из двух подмоделей 22 и 24. Существенным для системы является то, что подмодели 22 и 24 имеют различную природу. Подмодель 22 описывает режим притока, то есть расход q_in на впуске, тогда как подмодель 24 описывает или представляет режим истечения в виде расхода q_p на выпуске. Таким образом первая модель зависит от параметра θ и времени t, то есть q_in=f(θ,t). Вторая подмодель 24 имеет другую природу и зависит от параметра λ, сигнала s включения, электрической мощности Р и дифференциального давления Δp между датчиками 10 и 12 давления, то есть q_p=g(λ,s,P,Δ,p).

Нижеследующее уравнение следует из того, что расход q_in на впуске и расход q_p на выпуске, представленные на фиг.3 и 4, зависят от изменения высоты h в приямке 2 насоса:

В этой формуле h соответствует уровню жидкости в приямке 2 насоса, t - времени, δt - временному интервалу и A(h) - площади поперечного сечения приямка 2 насоса, при этом площадь поперечного сечения может быть функцией высоты h, если приямок насоса 2 не имеет поперечного сечения, которое является постоянным на протяжении высоты. При последующем рассмотрении площадь A(h) поперечного сечения приямка 2 насоса предполагается известной.

Нижеследующая модель может быть применена в качестве первой подмодели 22, представляющей режим подачи или притока:

f(θ,t)=θ₀+θ₁atan(θ₂t+θ₂).

Нижеследующая модель может быть применена, например, в качестве второй подмодели 24, которая представляет режим истечения:

g(λ,s,P,ΔP)=λ₀s+λ₁sP+λ₂s Δp.

Две подмодели 22 и 24 наряду с различными входными переменными содержат различные параметры модели или параметры θ₀, θ₁, θ₂, θ₃ и λ₀, λ₁, λ₂, соответственно, которые определяются устройством 30 оценивания параметров.

Следует понимать, что ранее указанные модели являются только примерами. Кроме того, различным образом образованные модели, которые являются разными по природе, могут быть применены в качестве подмодели 22, а также в качестве подмодели 24. Поэтому, например, подмодель 24, которая представляет режим истечения, также может быть упрощена:

G(λ,s,P)=λ₀s+λ₁sP.

Такая модель, представляющая насос 8, является предпочтительной, поскольку, например, для нее давление p_out на выпуске не требуется в качестве входной переменной. Такое обнаружение давления не типично для многочисленных установок отвода, сбора и очистки сточных вод. В связи с этим конструкция установки упрощается. Другое упрощение модели может быть следующим:

G(λ,s,Δp)=λ₀s+λ₁s Δp.

Такая подмодель 24, представляющая режим истечения или режим насоса 8, является предпочтительной, поскольку не требуется обнаруживать электрическую переменную насоса 8. В противоположность этому, такая модель основана только на параметрах λ₀ и λ₁ модели, сигнале s переключения, дифференциальном давлении Δp между датчиками 10 и 12 давления, а также времени t.

Более расширенная версия подмодели 24 с информацией о скорости имеет вид:

.

Предпочтительно использовать эту версию, если насос управляется преобразователем частоты, поскольку информацию о скорости можно получать с преобразователя частоты.

В случае расположения более одного насоса в приямке 2 насоса, что часто случается, имеются два различных подхода для соответствующего представления этого моделями. С одной стороны, в каждом случае можно образовывать модель для каждого насоса и учитывать включение электропитания, которое является, например, сигналом s пуск/стоп для каждого из двух насосов 8. Отсюда, две дополнительные подмодели 24 в таком случае будут, например, в виде:

q ₁=g₁(λ₁,s₁,P₁,Δp),q₂= g₁(λ₂,s₂,P₂,Δp),

при этом имеются два набора параметров λ₁ и λ₂, а также сигналы s₁, s₂ включения, по одному для каждого насоса в каждом случае.

С другой стороны, можно использовать модель или подмодель, которой имитируются оба насоса, если оба насоса или несколько насосов 8 включаются одновременно, как случае однотипных насосов 8. В этом случае переменная s не будет подлинным сигналом пуск/стоп, представляющим включение и выключение насоса, а сигналом, который одновременно представляет одновременное включение многочисленных насосов 8. В этом случае электрическая мощность Р будет обозначать среднюю мощность одного насоса, то есть сумму мощностей всех действующих насосов, деленную на количество действующих насосов.

Параметры λ и θ из подмодели 22 и 24, относящиеся к работе насосной системы, непрерывно определяются и адаптируются устройством 30 оценивания параметров на основании ранее измеренных данных, сохраняемых в памяти 28 данных. Поэтому адаптированные параметры 32 (λ, θ) в таком случае образуют основу для определения или идентификации расхода q_in на впуске и расхода q_p на выпуске. Таким образом, непрерывно выполняемая адаптация или оптимизация моделей оказывает полезное действие, так что эти подмодели 22 и 24 имитируют или представляют системы по возможности точно.

Кроме того, способ осуществления функций моделей поясняется посредством фиг.5. Верхней кривой на фиг.5 показано изменение высоты h в зависимости от времени t. Второй кривой показаны потребление электрической мощности Р приводным электродвигателем 14 в зависимости от времени t и сигнал s переключения, который представляет состояние включения приводного электродвигателя 14. Можно понять, что насос 8 включен между моментом Т₁ времени, соответствующим около 13 с, и моментом Т₃ времени, соответствующим около 42 с. Третьей кривой на фиг.5 показан сигнал давления, который является результатом дифференциального давления Δp между двумя датчиками 10 и 12 давления. Разность Δp давлений возрастает при включении насоса 8.

Четвертой параллельной кривой на фиг.5 показан расход q_pit приямка насоса, то есть расход q_pit, который приводит к возрастанию и падению уровня h в приямке 2 насоса. Расход q_pit приямка насоса является разностью между расходом q_in на впуске и расходом q_p на выпуске. Фактический расход q_pit,meas приямка насоса, который следует из измерения высоты h и известного поперечного сечения A(h) приямка 2 насоса, представлен четвертой кривой на фиг.5 в виде сплошной линии. Пунктирной линией показан оцененный расход q_pit.est приямка насоса, который определен на основании подмоделей 22 и 24.

Расход q_pit,est приямка насоса, определенный таким образом в соответствии с моделями, основан на расходе q_in,est на впуске и расходе q_p,est на выпуске, которые определены по подмоделям 22 и 24 и представлены на нижней кривой из фиг.5. Можно понять, что модели точно представляют фактический измеряемый расход q_pit приямка насоса.

Расход q_pit приямка насоса следует из приведенного ниже уравнения:

.

Переменные, использованные в уравнении, соответствуют переменным, которые описаны выше.

Получение параметров λ и θ для подмоделей 22 и 24 может быть осуществлено сравнением результирующих переменных, определенных в соответствии с моделями, с фактическими измеренными соответствующими переменными при использовании, например, метода наименьших средних квадратов. Как пояснялось выше, расход q_pit приямка насоса может быть вычислен в зависимости от времени t в соответствии с предшествующим уравнением на основании уровня h, который измеряют в приямке 2 насоса, то есть эту переменную можно фактически измерять и сравнивать с расходом q_pit,est приямка насоса, который определяют на основании моделей. Что касается расхода q_pit,est приямка насоса, который определяют на основании моделей, то в этом случае он является оцененным расходом приямка насоса, который следует из подмоделей 22 и 24, которые описаны выше. Применяют способ, которым минимизируют ошибки прогнозирования. Для этого соответствующим образом адаптируют параметры модели, θ₀, θ₁, θ₂, θ₃, а также λ₁ и λ₂.

Что касается примера варианта осуществления согласно фиг.1, то задача устройства 18 оценивания расхода заключается в определении расхода q_p на выпуске. Фактически, для этого необходима только вторая подмодель 24. Однако, чтобы иметь возможность определять ее параметр λ, первая подмодель 22, представляющая расход q_in на впуске, необходима для того, чтобы описанным способом определять параметры λ и θ модели путем сравнения оцененного расхода q_pit,est приямка насоса с измеренным расходом q_pit,meas приямка насоса. Таким образом, в этом случае подмодель 22 образует вспомогательную модель, которая используется для оценивания параметров.

На фиг.6 показан второй пример варианта осуществления изобретения. Согласно примеру варианта осуществления показана насосная система для подачи воды. В данном случае бак 2' предусмотрен в качестве емкости для жидкости, при этом насос 8' расположен на его впуске 4'. Бак 2' находится выше насоса 8', так что этот насос закачивает воду или жидкость в бак 2' при расходе q_p на впуске. Жидкость может вытекать из бака 2' через выпуск 6' под действием силы тяжести. Поэтому создается расход q_out на выпуске. Датчик 34 уровня, который может быть выполнен, например, аналогично датчику давления, описанному посредством фиг.1, предусмотрен для определения уровня или высоты h жидкости в баке 2'. В данном случае датчик 36 давления, который обнаруживает давление p_p на выпуске насоса 8', расположен на выходной стороне насоса 8'. Кроме того, в этом случае первая подмодель 22, в которой представлен расход на впуске, в данном случае расход q_p насоса, и вторая подмодель 24, в которой представлен расход q_out на выпуске, также могут быть применены соответствующим образом в управляющем устройстве для определения расхода. Кроме того, в данном случае расход q_pit в баке зависит от разности расходов q_p и q_out. Поскольку это представляет интерес, оценивание одного параметра из параметров λ и θ для обеих подмоделей 22 и 24 может быть выполнено способом, который соответствует способу, ранее описанному.

Например, в качестве модели расхода q_out на выпуске может быть применен ряд Фурье

q _out=f(θ,t)=θ₀+θ₁cos(ωt)+θ₂sin(ωt)+^…

или аппроксимирующий многочлен

q _out=f(θ,t)=θ₀+θ₁t+θ₂t²+^…

Расход q_p насоса, который соответствует расходу на впуске, как в первом примере варианта осуществления, может быть аппроксимирован функцией g(λ,s,P,Δp). При этом Δp является дифференциальным давлением на насосе 8', а переменная s переключения обозначает количество действующих насосов в случае, когда несколько насосов расположены параллельно, как описывалось ранее.

Дифференциальное давление можно определять как давление нагнетания насоса, когда насос работает, вычтенное из давления в системе, при этом давление в системе оценивают и сохраняют, когда насос выключен, при этом например, как давление нагнетания насоса, так и давление в системе можно измерять одним датчиком 36 давления p_p.

На фиг.7 показаны ход высоты h в зависимости от времени и соответствующее изменение расхода q_out на выпуске и расхода q_p насоса, при этом насос 8' включается в момент Т₁ времени и выключается в момент Т₃ времени.

Как схематично представлено на фиг.2, непрерывную адаптацию подмоделей 22 и 24 можно одновременно осуществлять в зависимости от оценки расходов также в случае второго примера варианта осуществления согласно фиг.6 и 7.

Перечень ссылочных позиций

2 - приямок насоса

2' - бак

4, 4' - впуск

6, 6' - выпуск

8, 8' - насос

10 - датчик давления, датчик уровня

12 - датчик давления

14 - приводной электродвигатель

16 - управляющее устройство

18 - устройство оценивания расхода

20 - модель системы

22, 24 - подмодели

26 - модуль регистрации данных

28 - память данных, запоминающее устройство

30 - устройство оценивания параметров

32 - параметр

34 - датчик уровня

36 - датчик давления

q_in - расход на впуске приямка насоса

q_out - расход на выпуске

q_p - расход на выпуске приямка насоса, расход насоса

q_pit - расход приямка насоса, q_pit=q_p-q_out или q_pit=q_in-q_p

h - уровень

Р - электрическая мощность

p_out - давление на выпуске насоса

s - сигнал включения, который обозначает количество насосов, которые включаются

Δp - дифференциальное давление на насосе

t - время

Δt, δt - временные интервалы

E(θ,t) - математическая модель, которая описывает режим притока

θ - вектор параметров, который содержит параметры модели для режима притока

θ_i - параметр

g(λ,s,P,Δp) - математическая модель, которая описывает расход насоса или режим истечения

λ - вектор параметров, который содержит параметры модели, описывающей расход насоса

λ_i – параметр.

Группа изобретений относится к насосной системе и способу определения расхода в ней. Система содержит по меньшей мере одну емкость (2) для жидкости, которая содержит впуск (4) и выпуск (6), с по меньшей мере одним насосом (8), который расположен на впуске (4) или выпуске (6), и управляющее устройство (16), которое содержит устройство оценивания расхода для определения расхода через емкость (2).Устройство оценивания расхода выполнено с возможностью использования в нем модели системы для определения расхода. Модель состоит из по меньшей мере двух различных подмоделей: подмодели, описывающей режим притока в емкость (2), и подмодели, описывающей режим истечения из емкости (2). Управляющее устройство (16) содержит запоминающее устройство, которое выполнено с возможностью сохранения данных, регистрируемых в насосной системе, и устройство оценивания параметров, которое выполнено с возможностью определения параметров по меньшей мере двух подмоделей на основании сохраняемых данных таким образом, что параметры первой подмодели одновременно определяются. Изобретения направлены на точное определение расхода через емкость.2 н. и 12 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Насосная система с по меньшей мере одной емкостью (2; 2') для жидкости, которая содержит впуск (4; 4') и выпуск (6; 6'), с по меньшей мере одним насосом (8; 8'), который расположен на впуске (4) или выпуске (6), и с управляющим устройством (16), которое содержит устройство (18) оценивания расхода для определения расхода (9) через емкость (2; 2') для жидкости насосной системы,

при этом

устройство (18) оценивания расхода выполнено с возможностью использования в нем модели (20) системы для определения расхода, при этом модель (20) системы состоит из по меньшей мере двух различных подмоделей (22, 24), подмодели (22), описывающей режим притока в емкость (2; 2') для жидкости, и подмодели (24), описывающей режим истечения из емкости (2; 2') для жидкости, отличающаяся тем, что управляющее устройство (16) содержит запоминающее устройство (28), которое выполнено с возможностью сохранения данных, регистрируемых в насосной системе, и устройство (30) оценивания параметров, которое выполнено с возможностью определения параметров по меньшей мере двух подмоделей (22, 24) на основании сохраняемых данных таким образом, что параметры первой подмодели (22) и параметры второй подмодели (24) одновременно определяются.

2. Насосная система по п.1, отличающаяся тем, что две различные подмодели (22, 24) имеют различную природу.

3. Насосная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что устройство (30) оценивания параметров выполнено с возможностью определения параметров по меньшей мере двух подмоделей (22, 24) путем минимизации расхождения между оцененной выходной переменной (q_pit,est), которая определяется подмоделями (22, 24), и соответствующей выходной переменной (q_pit), которая измеряется или вычисляется в системе, в частности, посредством использования метода наименьших средних квадратов.

4. Насосная система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что емкость (2; 2') для жидкости снабжена датчиком (10; 34) уровня, который обнаруживает уровень (h) жидкости внутри емкости (2; 2') для жидкости, при этом обнаруженный уровень (h) жидкости сохраняется как часть регистрируемых данных.

5. Насосная система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что по меньшей мере один насос (8; 8') содержит приводной электродвигатель (14) и устройство обнаружения мощности, которое обнаруживает текущую электрическую мощность (Р) приводного электродвигателя (14), при этом электрическая мощность (Р) сохраняется как часть регистрируемых данных.

6. Насосная система по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что датчик (12; 36) давления расположен на выпускной стороне насоса (8; 8') с возможностью обнаруживать давление (p_out) на выпуске насоса (8; 8'), при этом давление (p_out) на выпуске сохраняется как часть регистрируемых данных.

7. Насосная система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что управляющее устройство (16) выполнено с возможностью обнаружения количества действующих насосов (8; 8') в насосной системе и/или скорости вращения по меньшей мере одного насоса (8; 8'), при этом количество действующих насосов (8; 8') и/или скорость вращения предпочтительно сохраняются как часть регистрируемых данных.

8. Насосная система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что первая подмодель (22) является функцией времени (t) и по меньшей мере одного определенного параметра (θ) модели.

9. Насосная система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что вторая подмодель (24) является функцией данных, которые регистрируются в системе, и по меньшей мере одного определенного параметра (λ) модели.

10. Насосная система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что управляющее устройство (16) выполнено с возможностью использования второй подмодели (24) для определения расхода (q_p) насоса.

11. Насосная система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что емкость для жидкости представляет собой приямок (2) насоса, а насос (8) расположен на выпуске (4) для выкачивания жидкости из приямка (2) насоса, при этом первая подмодель (22) описывает приток в приямок (2) насоса и вторая подмодель (24) описывает режим насоса (8).

12. Насосная система по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что насос (8') расположен на впуске (2') для заполнения емкости (2') для жидкости, при этом первая подмодель (22) описывает истечение из емкости (2') для жидкости и вторая подмодель (24) описывает режим насоса (8).

13. Способ оценивания расхода насоса для определения расхода на выпуске насосной системы, которая содержит по меньшей мере один насос (8) и емкость (2) для жидкости, при этом расход на выпуске определяют посредством модели (20) системы, которая состоит из по меньшей мере двух подмоделей (22, 24), подмодели (22), описывающей режим притока в емкость (2) для жидкости, и подмодели (24), описывающей режим истечения из емкости (2) для жидкости, отличающийся тем, что данные, регистрируемые в насосной системе, сохраняются в запоминающем устройстве, и тем, что параметры по меньшей мере двух подмоделей (22, 24) одновременно определяются на основании указанных сохраняемых данных.

14. Способ оценивания расхода насоса по п.13, отличающийся тем, что по меньшей мере две подмодели (22, 24) имеют различную природу в том смысле, что они имеют различное поведение в качестве реакции на изменение входных значений.