СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЮЩЕЙ НАСОСНОЙ КОМПОНОВКОЙ ВОДНОГО РЕЗЕРВУАРА И ПОДАЮЩАЯ НАСОСНАЯ КОМПОНОВКА ВОДНОГО РЕЗЕРВУАРА Российский патент 2019 года по МПК F04D15/00 E03B1/00 

[01] Изобретение относится к способу управления подающей насосной компоновкой водного резервуара согласно пункту 1 формулы изобретения, способу управления множеством подающих насосных компоновок водного резервуара согласно пункту 14 формулы изобретения, и подающей насосной компоновке водного резервуара согласно пункту 17 формулы изобретения.

[02] Обычно, муниципальные системы подачи воды используют напорные резервуары для установки давления в системе и поддержания резервной воды в случае имеющейся аварийной ситуации. В предшествующем уровне техники, известны различные конфигурации систем подачи воды, содержащие водяные баки. Например, достаточно обычный пример такой конфигурации, широко используемой в Северной и Южной Америке, содержит бак, который устанавливает давление в сети, и служит в качестве резервуара разъединения между подачей системы и подачей насоса, как показано на фиг. 1. Это обеспечивает возможность управления включением/выключением насосов в системе. Однако помимо обеспечения возможности управления включением/выключением, бак согласно этой конфигурации, известной из предшествующего уровня техники, служит в качестве аварийного резервуара, как упомянуто выше. Более того, бак имеет возможность действовать в качестве реактора для, например, введения хлора, так как вся вода, содержащаяся в системе, проходит через этот бак.

[03] Другая конфигурация, известная из предшествующего уровня техники, которая обычно используется в Европе содержит бак, который имеет такие же функции, как описаны выше, за исключением функции действия в качестве реактора. Там является обычным, что несколько потребителей соединены с распределительной сетью воды между водяным баком и подкачивающим насосом, как показано на фиг. 2. Дополнительный недостаток этих конфигураций, более всего используемых в Европе, состоит в том, что является трудным обеспечивать, чтобы возраст воды был ниже предварительно определенного значения.

[04] Во многих городах, однако, является обязательным иметь водные резервуары внутри зданий в целях пожаротушения. Эти водные резервуары упоминаются как крышевые верхние баки. Структура системы крышевого верхнего бака является аналогичной системе, которая используется в Северной и Южной Америке, как описано выше, за исключением того, что бак размещается наверху здания.

[05] Во всех из конфигураций систем, упомянутых выше, насосы обычно управляются посредством контроллера включения/выключения, который останавливает и запускает насосы в соответствии с уровнем воды в баке.

[06] Более того, является известным из предшествующего уровня техники управлять работой насосов пропорционально уровню воды в баке. Во многих больших системах подачи воды, насосы запускаются на разных уровнях воды баков, что обеспечивает приближение пропорционального управления давлением.

[07] Описанные системы используют пропорциональное управление, так как давление в системе изменяется только достаточно медленно, таким образом, устраняя ударные нагрузки давления, и, тем самым, также уменьшая износ труб, клапанов, и насосов. Более того, пропорциональное управление давлением стабилизирует давление в городских областях, например, когда используется с системами, описанными выше, для европейского сектора. Это имеет преимущество, что вследствие устойчивого давления системы, предотвращаются разрывы труб или, по меньшей мере, уменьшаются. В дополнение к преимуществам по отношению к давлению системы, переход с управления включением/выключением на пропорциональное управление сберегает энергию и, таким образом, уменьшает расходы.

[08] Однако пропорциональное управление не используется широко, так как оно вызывает проблемы с регулировкой пропорционального коэффициента таким образом, чтобы достигать требуемого эффекта.

[09] Например, является известным в предшествующем уровне техники запускать насосы при разных уровнях таким образом, чтобы, например, ниже уровня 1, работал один насос, ниже уровня 2, работало два насоса, и так далее.

[10] Дополнительно, из применений сточных вод является известным управлять скоростью насоса, пропорционально уровню воды.

[11] Однако все подходы, известные из предшествующего уровня техники, не способны автоматически регулировать пропорциональный коэффициент, чтобы обеспечивать непрерывную подачу.

[12] Другой подход к этой проблеме использует некоторый тип предсказательного управления на основе модели (MPC), которое, однако, является достаточно усложненным и требует сложной модели системы, тем самым, вовлекая высокие затраты.

[13] Поэтому, настоящее изобретение основывается на цели, чтобы обеспечить способ для управления одной или более подающей насосной компоновкой водного резервуара без компрометации безопасности системы.

[14] Эта проблема решается посредством способа для управления подающей насосной компоновкой водного резервуара, имеющего признаки согласно пункту 1 формулы изобретения, способа для управления множеством подающих компоновок водного резервуара, имеющего признаки согласно пункту 14 формулы изобретения, также как подающей компоновки водного резервуара, имеющей признаки согласно пункту 17 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения, последующем описании и на чертежах.

[15] Согласно настоящему изобретению, обеспечивается способ управления подающей насосной компоновкой водного резервуара, в котором устанавливаемое значение p, q, v, n насосной компоновки определяется на основе значения смещения p_ref, q_ref, n_ref, v_ref, , уменьшенного посредством компоненты, которая является функцией разности между фактическим уровнем воды h и предварительно определенным уровнем воды h_ref в водном резервуаре, взвешенная разность автоматически регулируется посредством пропорционального коэффициента усиления G. Согласно настоящему изобретению, в дополнение к управлению включением/выключением, в периоде состояния "включено", допускается, чтобы давление изменялось с уровнем в резервуаре. Это делает систему устойчивой по отношению к неожиданным изменениям. Также обеспечивается устойчивость по отношению к проектированию параметров управления, так как уровень бака управляется посредством пропорционального контроллера с фиксированным членом смещения. То есть, устойчивость всегда обеспечивается согласно новой конфигурации. Именно, по сравнению с управлением PI, это является очень важным, так как достаточно медленная динамика резервуара или бака делает трудным регулировать параметры контроллера PI должным образом. Использование пропорционального контроллера обеспечивает, что уровень в резервуаре изменяется в течение дня, и, тем самым, обеспечивает некоторое изменение воды в резервуаре, чтобы поддерживать качество воды в резервуаре.

[16] Более того, использование пропорционального управления вызывает, что давление в системе изменяется только медленно, тем самым, устраняя ударные нагрузки давления и уменьшая износ труб, клапанов, и насосов.

[17] Другое преимущество нового способа состоит в том, что пропорциональное управление давлением стабилизирует давление, например, в городских областях, тем самым, избегая разрывов труб. В заключение, также имеются преимущества по отношению к потреблению энергии.

[18] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, устанавливаемое значение и значение смещения являются одним из опорного давления насоса, опорной подачи насоса, опорной скорости насоса, опорного количества включенных насосов в подающей насосной компоновке.

[19] Более того, предпочтительно предварительно определенный уровень воды является минимальным уровнем воды.

[20] Согласно изобретению коэффициент усиления регулируется каждый раз, когда достигается предварительно определенный уровень воды, в частности, максимальный уровень воды, в резервуаре, и/или истекает предварительно определенный временной интервал T. Альтернативно, предварительно определенный уровень воды может быть минимальным уровнем воды.

[21] Также, коэффициент усиления и/или значение смещения может регулироваться таким образом, чтобы максимальный уровень воды, измеряемый с течением времени, был долей разности между максимальным и минимальным допустимым уровнем воды.

[22] Дополнительно, является предпочтительным, если коэффициент усиления регулируется каждый раз после того, как истекает предварительно определенный временной интервал T, так что

где

и где k обозначает k-ый временной интервал T, обозначает долю, h_max обозначает максимальный допустимый порог уровня, h_min обозначает минимальный допустимый порог уровня, h_high является максимальным измеренным уровнем в заданном периоде времени, и K является предварительно определенной константой > 0.

[23] Дополнительно, является предпочтительным, если насосная компоновка включается, когда фактический уровень воды ниже предварительно определенного минимального уровня, и выключается, когда фактический уровень воды достиг предварительно определенного максимального уровня воды.

[24] Устанавливаемое значение предпочтительно является подачей, и максимальная устанавливаемая подача предпочтительно уменьшается посредством предварительно определенного значения подачи, если давление выше, чем предварительно определенное максимальное значение давления, и минимальная устанавливаемая подача предпочтительно увеличивается посредством предварительно определенного значения подачи, если давление ниже, чем предварительно определенное минимальное значение давления.

[25] Согласно еще дополнительному предпочтительному варианту осуществления изобретения, устанавливаемое значение является давлением, и максимальное устанавливаемое давление уменьшается посредством предварительно определенного значения давления, если подача выше, чем предварительно определенное максимальное значение подачи, и минимальное устанавливаемое давление увеличивается посредством предварительно определенного значения давления, если подача ниже, чем предварительно определенное минимальное значение подачи.

[26] Более того, усиление и наивысшее значение смещения могут регулироваться таким образом, чтобы изменения уровня воды с течением времени использовали предварительно определенный диапазон уровня воды, где диапазон уровня воды лежит между максимальным и минимальным позволяемым допустимым уровнем воды.

[27] Устанавливаемое значение может быть одним из давления и подачи, и значение смещения может быть усилением, и при этом пропорциональный коэффициент усиления и значение смещения могут регулироваться каждый раз, когда истекает предварительно определенный интервал T, при этом пропорциональный коэффициент усиления и значение смещения предпочтительно регулируются как

где

является устанавливаемым значением, отрегулированным после (k+1)-ого временного интервала,

является устанавливаемым значением, отрегулированным после k-ого временного интервала,

является значением смещения, отрегулированным после (k+1)-ого временного интервала,

является значением смещения, отрегулированным после k-ого временного интервала, и

h_high является максимальным уровнем k-ого временного интервала,

h_low является минимальным уровнем k-ого временного интервала, и

где k обозначает k-ый временной период T и обозначает долю, обозначает другую долю, h_max обозначает максимальный допустимый порог уровня, h_min обозначает минимальный допустимый порог уровня, h_high является максимальным уровнем и h_low является минимальным уровнем, оба уровня измеряются в заданном периоде времени, и и являются предварительно определенными константами > 0.

[28] Также является предпочтительным, если устанавливаемое значение является одним из давления и подачи, и значение смещения является усилением, и при этом пропорциональный коэффициент усиления и значение смещения регулируются каждый раз, когда истекает предварительно определенный интервал T, при этом пропорциональный коэффициент усиления и значение смещения регулируются как

[29] Предпочтительно, устанавливаемое значение является одним из давления и подачи, и значение смещения является усилением, и при этом значение смещения обновляется каждый раз, когда истекает предварительно определенный интервал T, и если уровень воды падает ниже минимального допустимого уровня h_min, при этом значение смещения регулируется как

где

является значением смещения, отрегулированным после (t+1)-ого временного интервала,

является значением смещения, отрегулированным после t-ого временного интервала, и

где t обозначает t-ый временной период T и K₂ является предварительно определенной константой > 0.

[30] Согласно еще другим предпочтительным вариантам осуществления, все насосные компоновки обеспечивают подачу для одного и того же водного резервуара, при этом устанавливаемое значение является подачей, и при этом каждое устанавливаемое значение определяется согласно способу, описанному ранее, и соответствующие устанавливаемые значения масштабируются согласно следующей формуле:

где обозначает коэффициент масштабирования, регулирующий величину воды, доставляемой i-ой насосной компоновкой, и i обозначает соответствующую насосную компоновку.

[31] Пропорциональный коэффициент усиления и значение смещения могут быть одними и теми же для всех насосных компоновок, и могут даваться посредством:

где является количеством включенных насосов, и является предварительно определенным коэффициентом управления сходимостью усиления.

[32] Дополнительно, одна из насосных компоновок также может содержать множество подчиненных насосных компоновок и соответствующие подачи поднасосов могут вычисляться согласно

где является опорной подачей для i-ого подчиненного контроллера насоса, является подачей главного контроллера насоса, и является числом, которое определяет распределение подачи между насосными компоновками, в частности, между насосными станциями.

[33] Согласно настоящему изобретению, обеспечивается подающая насосная компоновка водного резервуара, содержащая, по меньшей мере, один насос воды и устройство управления для управления упомянутым, по меньшей мере, одним насосом согласно способу, описанному выше. Подающая компоновка водного резервуара согласно настоящему изобретению предлагает устойчивую систему с различными преимуществами, описанными выше.

[34] Изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, которые могут модифицироваться множеством способов. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения теперь будут описываться более конкретно, посредством примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает схематический вид для конфигурации системы подачи воды согласно предшествующему уровню техники;

Фиг. 2 показывает дополнительный схематический вид для конфигурации системы подачи воды согласно предшествующему уровню техники;

Фиг. 3 показывает схематический вид для конфигурации системы подачи воды для зданий с крышевыми верхними баками;

Фиг. 4 показывает пропорциональную кривую давления для подающей насосной компоновки водного резервуара согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 5 показывает схематическую иллюстрацию для разделения между режимом управления включением/выключением и режимом непрерывного управления уровнем для управления насосом согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 6 показывает схематический вид для конфигурации, которая управляется согласно одному варианту осуществления способа согласно настоящему изобретению;

Фиг. 7 показывает дополнительный схематический вид для конфигурации, которая управляется в одном дополнительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению;

Фиг. 8 является диаграммой, показывающей ряд уровней для идентификации максимального уровня на ежедневной основе;

Фиг. 9 показывает схематический вид для конфигурации, которая управляется согласно еще одному дополнительному варианту осуществления способа согласно настоящему изобретению;

Фиг. 10 показывает схематический вид для конфигурации, которая управляется согласно другому варианту осуществления способа согласно настоящему изобретению;

Фиг. 11 является диаграммой, показывающей профиль давления и записанный профиль давления для использования в случае неисправности датчика уровня;

Фиг. 12 показывает структуру управления для управления пределами для подачи согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 13 показывает дополнительную структуру управления, содержащую защиту от входного давления;

Фиг. 14 является диаграммой, показывающей пропорциональную кривую уровня, где используется предварительно определенный диапазон уровня воды;

Фиг. 15 показывает дополнительный ряд уровней, идентифицирующий максимальный и минимальный уровни на ежедневной основе;

Фиг. 16 является диаграммой, показывающей поведение управления, проиллюстрированное на пропорциональной кривой подачи;

Фиг. 17 является диаграммой, показывающей поведение уровня за период пары дней, где фактический уровень воды упал ниже минимального допустимого порога уровня воды;

Фиг. 18 является схематической иллюстрацией системы с напорным резервуаром согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; и

Фиг. 19 является схематической иллюстрацией системы подачи воды согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

[35] Фиг. 1 показывает схематический вид для конфигурации для системы 1 подачи воды согласно предшествующему уровню техники, как обычно используется в Америке и Азии. Система 1 подачи воды содержит подающую насосную компоновку 2 водного резервуара с насосом 3 и бак или резервуар 4 для обеспечения подачи воды в множество домов 5. Резервуар 3, здесь, управляет давлением в сети, соединенной посредством труб 6, и служит в качестве резервуара разъединения между подачей конечного пользователя и подачей насоса q_p. Это обеспечивает возможность управления включением/выключением насоса 3 или множества насосов, в силу чего уровень воды h в водном резервуаре 4 управляется посредством контроллеров включения/выключения, которое запускает насосы 3, когда достигается порог низкого уровня, и останавливает насосы, когда достигается порог высокого уровня. Помимо обеспечения возможности управления включением/выключением, резервуар 4 служит в качестве аварийного резервуара. Более того, резервуар 4 также может функционировать в качестве реактора для, например, введения хлора, так как вся вода в системе 1 подачи воды проходит через резервуар 4.

[36] Фиг. 2 показывает дополнительную схематическую компоновку системы 1 подачи воды согласно предшествующему уровню техники, которая обычно используется в Европе. Показанная конфигурация в основном соответствует упомянутой конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 1. Однако здесь резервуар 4 не является способным функционировать в качестве реактора. Дополнительный недостаток с этой конфигурацией состоит в том, что является трудным обеспечивать, чтобы возраст воды был ниже предварительно определенного значения.

[37] Фиг. 3 показывает схематическую компоновку системы 1 подачи воды для здания 7 с крышевым верхним баком или резервуаром 4, которые используются в городах, в которых является обязательным иметь водные резервуары внутри здания 7 для пожаротушения. Система 1 подачи воды, здесь показанная, также является аналогичной упомянутой системе, показанной на фиг. 1, за исключением того, что бак или резервуар 4 размещается на верху 8 здания 7.

[38] Во всех системах 1 подачи воды, описанных выше, контроллер управляет насосом 3 или множеством насосов, чтобы останавливать и запускать насос 3 или насосы в соответствии с уровнем воды h в баке или резервуаре 4. Следует отметить, что во многих больших системах 1 подачи воды, насосы 3 запускаются на разных уровнях воды h, эта процедура обеспечивает приближение пропорционального управления давлением. Однако согласно применениям предшествующего уровня техники, не является возможным регулировать пропорциональный коэффициент автоматически, чтобы обеспечивать непрерывную подачу.

[39] Фиг. 4 показывает пропорциональную кривую давления для подающей насосной компоновки 2 водного резервуара согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Здесь, устанавливаемая точка давления p_set для контроллера насосной станции или подающей насосной компоновки 2 водного резервуара является функцией уровня воды h в резервуаре 4. На диаграмме из фиг. 4, p_ref указывает максимальную устанавливаемую точку давления для контроллера насосной станции, и уровень воды h бака или резервуара управляется между установкой минимального уровня воды h_min резервуара 4 и установкой максимального уровня воды h_max резервуара 4 посредством использования пропорционального контроллера с фиксированным членом смещения, так что уровень воды h остается ниже p_ref. Причина для этого состоит в том, что это обеспечивает устойчивость по отношению к проектированию параметров управления. То есть, в дополнение к другим преимуществам, уже перечисленным выше, в системе 1 подачи воды всегда обеспечивается устойчивость.

[40] В периодах состояния "включено", подающая насосная компоновка 2 водного резервуара насосной станции управляет давлением в соответствии с уровнем h, следуя уравнению (1) отношения

уравнение (1)

где p_set является фактическим давлением, обеспечиваемым подающей насосной компоновкой 2 водного резервуара насосной станции, p_ref является опорным давлением подающей насосной компоновки 2 водного резервуара насосной станции при работе в качестве контроллера включения/выключения, и G является пропорциональным коэффициентом. Дополнительно, h является фактическим уровнем в баке или резервуаре 4, и h_min является минимальным допустимым порогом уровня, устанавливаемым пользователем. Эффект этого управления проиллюстрирован на фиг. 4. Согласно этому подходу, давление используется в качестве опорного значения или эталона насосной станции. Вместо этого, подача может использоваться точно также, в этом случае пропорциональное управление будет представляться посредством уравнения (2):

уравнение (2)

[41] В случае подающей насосной компоновки 2 водного резервуара, которая управляется посредством опорной скорости, пропорциональное управление будет представляться посредством уравнения (3):

уравнение (3)

[42] В заключение, в случае, когда подающая насосная компоновка 2 водного резервуара содержит насосы 3 фиксированной скорости, количество работающих насосов 3 может управляться пропорционально уровню h. Пусть обозначает количество активных насосов 3, тогда пропорциональное управление будет представляться посредством уравнения (4):

уравнение (4)

где "ceil" обозначает наименьшее целое число, большее чем содержимое скобок.

[43] На основе фиг. 5, показывающей схематическую иллюстрацию для разделения между режимом 12 управления включением/выключением и режимом 13 непрерывного управления уровнем для управления насосом 3 согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, описывается адаптивная регулировка коэффициента усиления G. Регулировка коэффициента усиления G в предыдущей описанной стратегии управления уровнем является в этом подходе адаптивной. Стратегия регулировки разделяется на два уровня, следуя разделению стратегии управления уровнем.

[44] Основной стратегией управления является управление 12 включением/выключением. Это управление обеспечивает, что уровень h никогда не превосходит установку максимального уровня и никогда не уменьшается ниже установки минимального уровня. Это делается посредством переключения полной насосной станции или подающей насосной компоновки 2 водного резервуара во включенное состояние и выключенное состояние на основе установок уровня. Когда насосная станция или подающая насосная компоновка 2 водного резервуара включается, непрерывное управление 13 уровнем регулирует давление и подачу насоса в зависимости от выбора управления. Это делается согласно управлению, описанному в уравнениях (1) по (4). Усиление регулируется как в управлении включением/выключением, так и в непрерывном управлении и получается опорный выходной сигнал 14. В последующем, сначала описывается регулировка в режиме 12 управления включением/выключением, за которой следует регулировка в режиме 13 непрерывного управления.

[45] Фиг. 6 показывает схематический вид для конфигурации, которая управляется согласно одному варианту осуществления способа согласно настоящему изобретению, при этом конечный автомат 9 управляет уровнем h и регулирует коэффициент усиления G, чтобы обеспечивать непрерывную работу насосной станции или подающей насосной компоновки 2 водного резервуара.

[46] Как описано выше, проблема с использованием пропорционального управления заполнением бака состоит в том, чтобы выбирать хорошее значение для коэффициента усиления G. Здесь, эта проблема решается посредством регулировки усиления каждый раз, когда достигается максимальный уровень, так как это является индикацией, что давление является слишком высоким, чтобы получать непрерывную работу насоса. Конечный автомат 9, проиллюстрированный на фиг. 6, действует на основе уровня, запускает и останавливает насос 3 насосной станции или подающую насосную компоновку 2 водного резервуара. Конечный автомат регулирует коэффициент усиления G после того, как каждый насос 3 выключается, и в предварительно определенные моменты времени, чтобы получать непрерывную работу насоса.

[47] Фиг. 7 показывает дополнительный схематический вид для конфигурации, которая управляется в одном дополнительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению. Здесь, конечный автомат 9 идентифицирует минимальный и максимальный уровень управления и регулирует коэффициент усиления G согласно сигналу управления уровнем включения/выключения. Это применяется для случаев, в которых система 1 подачи воды оснащена контроллером уровня, который отправляет сигнал включения/выключения в контроллер насоса. В этих случаях этот сигнал включения/выключения может использоваться для идентификации минимального и максимального уровня и чтобы регулировать коэффициент усиления G, как делается посредством конечного автомата 9, показанного здесь.

[48] Фиг. 8 является диаграммой для описания регулировки в непрерывном управлении и показывает ряд уровней для идентификации максимального уровня на ежедневной основе. Здесь, значение максимального уровня уменьшается посредством увеличения коэффициента усиления G до тех пор, когда максимальный уровень будет ниже значения h^*_high.

[49] Когда насос 3 работает непрерывно, усиление G регулируется таким образом, чтобы максимальный уровень для был около 80% от разности между максимальным и минимальным порогом уровня (h_max и h_min). Это делается посредством сначала идентификации наивысшего уровня, полученного в заданном периоде согласно уравнению (5):

уравнение (5)

где h(t) является уровнем в момент времени t и член max осуществляет поиск максимального уровня во временном периоде T, где T предпочтительно охватывает 1 день. Исходом этого поиска является максимальный уровень, полученный в течение одного дня, здесь обозначенный как h_high на этой фигуре.

[50] Когда максимальный уровень за период T является известным, G регулируется согласно следующему уравнению (6) один раз в каждом временном периоде T:

уравнение (6)

где

где k обозначает k-ый временной период T, и обозначает долю между максимальным уровнем h_max и минимальным уровнем h_min, которую уровень должен достичь в период T. Член здесь равняется . В заключение, является константой усиления, которая управляет коэффициентом регулировки. является константой адаптации и должна иметь значение большее, чем ноль.

[51] Фиг. 9 показывает схематический вид для конфигурации, которая управляется согласно еще одному дополнительному варианту осуществления способа согласно настоящему изобретению. Здесь, описываются процедура или стратегия для управления насосной станцией с принудительной сменой воды в баке или резервуаре 4 и признаки качества воды.

[52] Возраст воды в резервуаре 4 является очень важным параметром для качества воды. Чтобы обеспечивать качество воды, среднее время пребывания воды в резервуаре 4 должно быть ограничено, и резервуар 4 должен быть чистым. С помощью подхода управления, описанного совместно с этой фиг. 9, естественное время пребывания воды будет увеличиваться в применениях со структурой, аналогичной системе 1 подачи воды, показанной на фиг. 2. Здесь, проблема качества воды со следующими двумя признаками.

[53] Чтобы обеспечивать качество воды, процедура опустошения инициируется в предварительно определенные моменты времени, обычно один раз в день или один раз в неделю. Машина 9 событий-состояний, показанная на этой фигуре, управляет процедурой опустошения. В состоянии опустошения, насосная станция или подающая насосная компоновка 2 водного резервуара управляет давлением или подачей согласно предварительно определенной устанавливаемой точке давления или подачи, которая является достаточно низкой, чтобы опустошать резервуар 4. Альтернативно, насосы 3 насосной станции или подающей насосной компоновки 2 водного резервуара останавливаются.

[54] Фиг. 10 показывает схематический вид для дополнительной конфигурации, которая управляется согласно другому варианту осуществления способа согласно настоящему изобретению. Здесь, будет описываться стратегия для управления насосной станцией для очистки бака или резервуара 4, при этом "очистка" означает, что резервуар 4 заполняется до его максимума, обеспечивая, что наполняется весь резервуар 4. Машина 9 событий-состояний, здесь проиллюстрированная, выполняет такую процедуру очистки. Уровень очистки на фигуре является уровнем, который определяет верх бака или резервуара 4 в точности перед тем, как вода будет переливаться. В общем, процедура очистки исполняется после того, как резервуар уже заполнен до его максимума, тем самым, обеспечивая наилучшую возможную смену воды.

[55] Фиг. 11 является диаграммой, показывающей профиль давления и записанный профиль давления для использования в случае неисправности датчика уровня, на основе которого описываются несколько стратегий безопасности. В случае неисправности датчика уровня, применяется следующее.

[56] Датчик уровня (не показан) осуществляет передачу от резервуара 4 в насосную станцию или подающую насосную компоновку 2 водного резервуара, которые обычно отделены несколькими километрами, так что сложная стратегия для управления насосной станцией или подающей насосной компоновкой 2 водного резервуара в случае неисправности датчика уровня является очень важной. Когда появляется неисправность датчика уровня, насосная станция или подающая насосная компоновка 2 водного резервуара работает со значениями давления, которые были обеспечены в систему в то же время дня, что и день ранее. Это делается посредством установки профиля значений давления из дня ранее, или среднего давления из некоторого количества дней в прошлом. Это иллюстрируется в том, что среднее давление для каждого часа записывается, и используется для управления следующего дня в случае неисправности датчика уровня.

[57] Фиг. 12 показывает структуру 10 управления для управления пределами для подачи согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Структура 10 управления содержит два контроллера 11 и 11', которые здесь осуществлены как контроллеры PI и которые управляют пределами для подачи, чтобы обеспечивать, что давление поддерживается в соответствии с ограничениями p_max и p_min, где p_max>p_min.

[58] В случае, когда в качестве переменной управления выбирается подача q (управление, как представлено в уравнении (2)), имеется риск, того что давление станет слишком высоким или слишком низким для системы 1 подачи воды, если соединение с баком или резервуаром 4 закрывается (например, вследствие очистки). Чтобы избегать того, что давление является слишком высоким или слишком низким, на подачу устанавливаются переменные ограничения. Это выполняется посредством конфигурации контроллера, показанной на этой фиг. 12. В этой конфигурации, контроллер 11 уменьшает верхний предел подачи, если давление выше, чем максимальное давление, и контроллер 11' увеличивает нижний предел подачи, если давление ниже, чем требование минимального давления. Средний контроллер 11'' является пропорциональным контроллером уровня, описанным по отношению к фиг. 11.

[59] Фиг. 13 показывает дополнительную структуру 10 управления, содержащую защиту от входного давления, эта структура 10 управления является доступной как для режима управления давлением, так и для режима управления подачей. В последующем, описывается защита от подачи в случае режима управления подачей.

[60] В случае, когда в качестве переменной управления выбирается давление p (процедура управления, представленная посредством уравнения (1)), имеется риск, что подача станет слишком высокой или слишком низкой для системы 1 подачи воды. Чтобы избегать, что подача является слишком высокой или слишком низкой, на давление устанавливаются переменные ограничения. Это достигается аналогичным способом, как это было описано по отношению к фиг. 12 в отношении защиты от давления. Особенно, защита от высокой подачи является важным признаком, так как это может быть частью схемы защиты, которая защищает водный ресурс, из которого снабжается насосная станция или подающая насосная компоновка 2 водного резервуара.

[61] По отношению к защите от входного давления, отметим следующее. Во многих системах подачи воды, является очень важным защищать водный резервуар на входной стороне насосной станции или подающей насосной компоновки 2 водного резервуара. Часто входное давление указывает величину воды, доступную в этом резервуаре 4. Поэтому, защита от входного давления проектируется для контроллера 11 насоса. Эта защита имеет такую же форму, что и функция защиты, описанная выше, за исключением того, что она использует измерение входного давления для управления, и ее архитектура управления показана на этой фигуре.

[62] Фиг. 14 является диаграммой, показывающей пропорциональную кривую уровня, на которой регулируются члены как смещения, так и усиления. Если должны обеспечиваться наибольшие возможные изменения в уровне и, тем самым, наибольший возможный обмен воды в течение дня, как усиление , так и член смещения должны регулироваться, при этом регулировка как усиления, так и смещения проиллюстрирована на фиг. 14. По отношению к случаю управления подачей, выражение пропорциональной кривой уровня дается посредством уравнения (7):

уравнение (7)

где

[63] В этом случае, как значение для усиления G₁, так и значение для смещения должны идентифицироваться автоматически. Используется такой же подход, что и ранее. То есть, как можно видеть на фиг. 15, используется максимальное значение уровня, полученное в течение предварительно определенного временного кадра T, обычно дня. Единственное различие состоит в том, что используются как максимальный, так и минимальный уровни в течение временного кадра T. Эти значения получаются посредством уравнений (8) и (9):

уравнение (8)

уравнение (9)

[64] Опорные значения для максимального и минимального уровней могут определяться посредством уравнений (10) и (11):

уравнение (10)

уравнение (11)

[65] где и являются числами между 0 и 1, которые определяют расстояние между максимальным приемлемым уровнем и максимальным уровнем, подлежащим управлению, и аналогично для минимального уровня. Как можно видеть на фиг. 15, которая показывает ряд уровней, идентифицирующий максимальный и минимальный уровень для каждого дня, разность между реальными максимальным и минимальным уровнями и опорными уровнями уменьшается каждый день посредством регулировки коэффициентов усиления и смещения и .

[66] Законы обновления для членов усиления и смещения представляются посредством следующих уравнений (12) и (13):

уравнение (12)

уравнение (13)

[67] Чтобы получить более хорошее поведение сходимости, может быть предпочтительным масштабировать закон обновления для члена смещения посредством оцененного усиления согласно уравнению (14):

уравнение (14)

[68] Как в предыдущем случае, алгоритм может использоваться для управляемых на основе как давления, так и подачи насосных станций или подающих насосных компоновок 2 водного резервуара. В случае управляемой на основе давления насосной станции, пропорциональное управление уровнем может определяться посредством уравнения (15):

уравнение (15)

с законами обновления для и , которые являются аналогичными в их структуре и в управляемой на основе подачи насосной станции или подающей насосной компоновки 2 водного резервуара, только с другими числовыми значениями для членов усиления.

[69] Фиг. 16 является диаграммой, показывающей поведение управления, проиллюстрированное на пропорциональной кривой подачи для описания управления безопасностью на уровне. С этим подходом, где как , так и регулируются, чтобы удовлетворять требованиям как к среднему уровню, так и к изменению уровня в резервуаре 4, более не является возможным гарантировать, что выходное давление или подача находится на его максимуме, когда достигается минимальный уровень. Это может вызывать, что уровень уменьшается ниже приемлемого минимального уровня в случае изменений в потребности. Чтобы решить эту проблему устанавливаемая точка подачи/давления увеличивается с уровнем посредством регулировки члена смещения . Это делается каждый раз, когда истекает предварительно определенный период времени T, в соответствии со следующим законом обновления, представленным посредством уравнения (16):

уравнение (16)

где обозначает t-ый временной период T, время выборки обычно лежит в диапазоне секунд.

[70] Это имеет следствием, что каждый раз, когда уровень становится ниже, чем минимальный уровень h_min, исполняется следующий алгоритм согласно уравнению (17)

уравнение (17)

где является усилением обновления. Это поведение проиллюстрировано на фиг. 16 для случая уровней ниже минимального уровня.

[71] Фиг. 17 является диаграммой, показывающей поведение уровня за периодом пары дней, с активным управлением, как описано выше совместно с фиг. 16. В день 2 уровень воды становится ниже, чем минимальный уровень h_min, уравнение (17) становится активным и обновляется.

[72] Фиг. 18 является схематической иллюстрацией системы с напорным резервуаром согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения с заполнением из множества насосных станций или подающих насосных компоновок 2 водного резервуара. В случае, когда резервуар 4 снабжается из множества источников, управление индивидуальной насосной станцией или подающей насосной компоновкой 2 водного резервуара должно разделять нагрузку (подачу) между блоками в соответствии с предварительно определенными установками. Система 1 подачи воды, где две насосных станции или подающие насосные компоновки 2 водного резервуара обеспечивают подачу воды в резервуар 4, показана на этой фигуре. Здесь, каждый из насосов 3 исполняет один и тот же контур управления, представленный посредством уравнения (18):

уравнение (18)

[73] Здесь, s является коэффициентом масштабирования, который регулирует величину воды, доставляемой разными насосными станциями или подающими насосными компоновками 2 водного резервуара. То есть, если , то i-ая и j-ая насосная станция или подающая насосная компоновка 2 водного резервуара доставляет одну и ту же подачу, и если , то i-ая и j-ая насосная станция или подающая насосная компоновка 2 водного резервуара доставляет подачу соответствующим образом. В этом варианте осуществления, выбирается пользователями.

[74] Законы обновления для и являются одними и теми же для всех насосных станций или подающих насосных компоновок 2 водного резервуара и согласованный алгоритм обеспечивает, что индивидуальные насосные станции сопоставляют значения. Согласованные обновления выполняются с более высокой частотой выборки, чем закон обновления, описанный посредством уравнений (12) и (13). Время выборки закона обновления обычно равняется 24 часа и для согласованного алгоритма ниже 1 часа. Согласованные обновления управляются посредством следующего закона обновления, описываемого посредством уравнений (19) и (20):

уравнение (19)

уравнение (20)

где k обозначает k-ое время выборки. Время выборки обычно лежит в диапазоне 10-60 минут,

где U является набором активных блоков (блоков, которые передали их значения для и в j-ый блок), является количеством блоков, которые передали их значения, и является коэффициентом усиления, который управляет сходимостью согласования между блоками.

[75] Фиг. 19 является схематической иллюстрацией дополнительной системы 1 подачи воды согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, где заполнение выполняется посредством множества насосных станций или подающих насосных компоновок 2 водного резервуара. В случае, здесь показанном, более, чем одна насосная станция или подающие насосные компоновки 2 водного резервуара разделяют подачу между ними в соответствии с определяемыми пользователем правилами. Это делается посредством определения одной из насосных станций или подающих насосных компоновок 2 водного резервуара в качестве главной станции 2', и затем позволения этой главной насосной станции 2' передавать опорные подачи в оставшуюся подчиненную насосную станцию 2'' в соответствии с предварительно определенным правилом, как можно видеть из этой фигуры.

[76] В силу этого, подчиненная насосная станция 2'' управляется на опорную подачу, которая вычисляется на основе подачи главной насосной станции 2' согласно уравнению (21):

уравнение (21)

где является опорной подачей для i-ого подчиненного контроллера насоса, является подачей главного контроллера насоса, и является числом, которое определяет распределение подачи между насосными станциями 2', 2''.

[77] В заключение, упоминаются некоторые альтернативные применения. Предложенный подход управления также может использоваться для заполнения больших резервуаров, таких как большие пруды для сырой воды для обеспечения подачи воды. Также опустошение резервуаров может выполняться посредством управления, которое управляет подачей пропорционально уровню. В этом случае, подача должна управляться в соответствии с уровнем, следуя правилу, представленному посредством уравнения (22):

уравнение (22)

[78] Помимо этого, подход является аналогичным вариантам осуществления, описанным выше.

ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ

1 система подачи воды

2, 2', 2'' подающая насосная компоновка водного резервуара/насосная станция

3 насос

4 резервуар/бак

5 дом

6 труба

7 здание

8 верх здания

9 конечный автомат

10 структура управления

11, 11' контроллер

12 режим управления включением/выключением

13 режим непрерывного управления

14 опорный выходной сигнал

h уровень воды в резервуаре/баке

h_min установка минимального уровня резервуаре/баке

h_max установка максимального уровня резервуара/бака.

G коэффициент усиления

p давление

p_inlet давление на входе

p_max максимальное давление

p_min минимальное давление

p_p, p_p1, p_p2 выходное давление насоса

p_set устанавливаемая точка давления для контроллера насосной станции

p_ref максимальная устанавливаемая точка давления для контроллера насосной станции

q подача

выходная подача насоса

q_ref максимальная устанавливаемая точка подачи для насосной станции

подача конечного пользователя

q_set устанавливаемая точка подачи для контроллера насосной станции

q_max максимальная позволяемая подача от насосной станции

n_set устанавливаемая точка скорости контроллера насосной станции

n_max максимальная скорость насосной станции

количество работающих насосов в насосной станции

количество насосов насосной станции

целое число времен выборки

T период, где уровень анализируется для нахождения достигаемого наивысшего уровня

h_high наивысший уровень, достигаемый во временном интервале T

опорное значение для наивысшего уровня, достигаемого во временном интервале T

h_low наименьший уровень, достигаемый во временном интервале T

опорное значение для наименьшего уровня, достигаемого во временном интервале T

доля между максимальным уровнем h_max и минимальным уровнем h_min, которую уровень должен достичь в период T

другая доля

коэффициент регулировки для регулировки G, когда насосная станция работает непрерывно

масштабирование подачи i-ой насосной станции

коэффициент усиления, который управляет согласованным алгоритмом, который управляет поведением между насосными станциями

Группа изобретений относится к области насосных установок. В способе устанавливаемое значение насосной компоновки определяется на основе значения смещения, уменьшенного посредством компоненты, которая является функцией разности между фактическим уровнем воды и предварительно определенным уровнем воды в водном резервуаре. Разность взвешивается посредством автоматически регулируемого пропорционального коэффициента усиления. Коэффициент усиления регулируется каждый раз, когда достигается предварительно определенный уровень воды в резервуаре и/или истекает предварительно определенный временной интервал. В способе управления множеством подающих насосных компоновок водного резервуара все насосные компоновки обеспечивают подачу для одного и того же водного резервуара. Устанавливаемое значение является подачей. Каждое устанавливаемое значение определяется согласно вышеописанному способу, и соответствующие устанавливаемые значения масштабируются согласно следующей формуле:, где обозначает коэффициент масштабирования, регулирующий величину воды, доставляемой i-й насосной компоновкой, и i обозначает соответствующую насосную компоновку. Подающая насосная компоновка водного резервуара содержит по меньшей мере один насос воды и устройство управления для управления упомянутым по меньшей мере одним насосом согласно вышеописанному способу. Обеспечивается способ для управления одной или более подающей насосной компоновкой водного резервуара без компрометации безопасности системы. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Способ управления подающей насосной компоновкой (2) водного резервуара, в котором устанавливаемое значение (p, q, v, n) насосной компоновки (2) определяется на основе значения смещения (p_ref, q_ref, n_ref, v_ref, ), уменьшенного посредством компоненты, которая является функцией разности между фактическим уровнем воды (h) и предварительно определенным уровнем воды (h_ref) в водном резервуаре (4), при этом разность взвешивается посредством автоматически регулируемого пропорционального коэффициента усиления (G), при этом коэффициент усиления (G) регулируется каждый раз, когда достигается предварительно определенный уровень воды в резервуаре (4) и/или истекает предварительно определенный временной интервал (T).

2. Способ по п.1, в котором устанавливаемое значение и значение смещения являются одним из опорного давления насоса, опорной подачи насоса, опорной скорости насоса, опорного количества включенных насосов в подающей насосной компоновке (2) водного резервуара.

3. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором предварительно определенный уровень воды является минимальным уровнем воды.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором уровень воды, когда коэффициент усиления (G) регулируется, является максимальным уровнем воды в резервуаре (4).

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором коэффициент усиления () и/или значение смещения регулируются таким образом, чтобы максимальный уровень воды, измеряемый с течением времени, был долей разности между максимальным и минимальным допустимым уровнем воды.

6. Способ по п.5, в котором коэффициент усиления регулируется каждый раз после того, как истекает предварительно определенный временной интервал (T), так что

где

и где k обозначает k-й временной интервал (T), обозначает долю, h_max обозначает максимальный допустимый порог уровня, h_min обозначает минимальный допустимый порог уровня, h_high является максимальным уровнем, измеренным в заданном периоде времени, и K является предварительно определенной константой > 0.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором подающая насосная компоновка (2) водного резервуара включается, когда фактический уровень воды ниже предварительно определенного минимального уровня, и выключается, когда фактический уровень воды достиг предварительно определенного максимального уровня воды.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором устанавливаемое значение является подачей и максимальная устанавливаемая подача уменьшается посредством предварительно определенного значения подачи, если давление выше, чем предварительно определенное максимальное значение давления, и минимальная устанавливаемая подача увеличивается посредством предварительно определенного значения подачи при условии, что давление ниже, чем предварительно определенное минимальное значение давления.

9. Способ по любому из пп.1-7, в котором устанавливаемое значение является давлением и максимальное устанавливаемое давление уменьшается посредством предварительно определенного значения давления, если подача выше, чем предварительно определенное максимальное значение подачи, и минимальное устанавливаемое давление увеличивается посредством предварительно определенного значения давления, если подача ниже, чем предварительно определенное минимальное значение подачи.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором усиление () и значение смещения () регулируются таким образом, чтобы изменения уровня воды с течением времени использовали предварительно определенный диапазон уровня воды, где диапазон уровня воды лежит между максимальным и минимальным допустимыми уровнями воды.

11. Способ по п.1, в котором устанавливаемое значение является одним из давления и подачи и значение смещения является усилением, при этом пропорциональный коэффициент усиления и значение смещения регулируются каждый раз, когда истекает предварительно определенный интервал (T), при этом пропорциональный коэффициент усиления и значение смещения регулируются как

где является устанавливаемым значением, отрегулированным после (k+1)-го временного интервала,

является устанавливаемым значением, отрегулированным после k-го временного интервала,

является значением смещения, отрегулированным после (k+1)-го временного интервала,

является значением смещения, отрегулированным после k-го временного интервала,

h_high является максимальным уровнем k-го временного интервала,

h_low является минимальным уровнем k-го временного интервала, и

где k обозначает k-й временной период (T) и обозначает долю, обозначает другую долю, h_max обозначает максимальный допустимый порог уровня, h_min обозначает минимальный допустимый порог уровня, h_high является максимальным уровнем в заданном периоде времени, h_min является минимальным уровнем в заданном периоде времени и K₀ и K₁ являются предварительно определенными константами > 0.

12. Способ по п.1, в котором устанавливаемое значение является одним из давления и подачи и значение смещения является усилением, при этом пропорциональный коэффициент усиления и значение смещения регулируются каждый раз, когда истекает предварительно определенный интервал (T), при этом пропорциональный коэффициент усиления и значение смещения регулируются как

где является устанавливаемым значением, отрегулированным после (k+1)-го временного интервала,

является устанавливаемым значением, отрегулированным после k-го временного интервала,

является значением смещения, отрегулированным после (k+1)-го временного интервала,

является значением смещения, отрегулированным после k-го временного интервала, и

h_high является максимальным уровнем k-го временного интервала,

h_low является минимальным уровнем k-го временного интервала, и

где k обозначает k-й временной период (T), обозначает долю, обозначает другую долю, h_max обозначает максимальный порог уровня, h_min обозначает минимальный порог уровня, h_high является максимальным уровнем в заданном периоде времени, h_low является минимальным уровнем в заданном периоде времени и и являются предварительно определенными константами > 0.

13. Способ по п.1, в котором устанавливаемое значение является одним из давления и подачи и значение смещения является усилением, при этом значение смещения обновляется каждый раз, когда истекает предварительно определенный интервал (T), и если уровень воды упал ниже минимального допустимого уровня (h_min), значение смещения регулируется как

где является значением смещения, отрегулированным после (t+1)-го временного интервала,

является значением смещения, отрегулированным после t-го временного интервала, и

является предварительно определенной константой > 0.

14. Способ управления множеством подающих насосных компоновок (2) водного резервуара, все насосные компоновки (2) обеспечивают подачу для одного и того же водного резервуара (4), при этом устанавливаемое значение является подачей, и при этом каждое устанавливаемое значение определяется согласно способу по любому из предшествующих пунктов, и соответствующие устанавливаемые значения масштабируются согласно следующей формуле:

где обозначает коэффициент масштабирования, регулирующий величину воды, доставляемой i-й насосной компоновкой (2), и i обозначает соответствующую насосную компоновку (2).

15. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором пропорциональный коэффициент усиления и значение смещения являются одними и теми же для всех насосных компоновок (2) и задаются посредством:

где является количеством включенных насосов (3) и является предварительно определенным коэффициентом управления сходимостью усиления.

16. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором одна из насосных компоновок (2) содержит множество подчиненных насосных компоновок и соответствующие подачи поднасосов вычисляются согласно

где является опорной подачей для i-го подчиненного контроллера (11') насоса, является подачей главного контроллера (11) и является числом, которое определяет распределение подачи между насосными компоновками (2), в частности между насосными станциями (2).

17. Подающая насосная компоновка (2) водного резервуара, содержащая по меньшей мере один насос (3) воды и устройство (11) управления для управления упомянутым по меньшей мере одним насосом (3) согласно способу по любому из пп.1-16.