CN109974077A - 一种基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置。所述控制装置包括：主站控制器、变频水泵组控制器、冷热源控制器和各用水末端控制器。各控制器与相应的各设备相连。各控制器为现场控制单元，它们与主站控制器相连，构成DCS计算机网络控制***。变频水泵组控制器以最小的代价实时跟踪最不利末端即***总负荷变化；而其他控制器控制各自设备以最小的代价实时跟踪各自末端负荷变化；在主站控制器统领协调控制下，水循环***所有设备均按照“实时跟踪负荷且花最小的代价”规则即具有自适应与最小耗能智能功能运行。这样，***整体时时智能地处在整体优化的动态水力平衡状态，各个用水末端便实现了以最小的代价按需供水的理想目标。
Description
技术领域
本发明涉及水循环***的水力平衡控制领域。
背景技术
水循环***在工民生产生活中广泛地应用着，然而影响水循环***安全、运行效率和品质的水力失调问题，一直困扰着业界；所谓水力失调，就是***中各个末端，不具备按需供水的功能，致使***各个末端冷热不均，安全性降低，能耗增大，运行品质下降的现象；因为以传统的还原论观、线性思维、堆积叠加集成科学范式和非线性复杂的水循环***的本质不匹配，构成的水循环***没有内在健康结构所致。
传统解决水力失调的方法，就是在水循环***的主管、支管上安装平衡阀。平衡阀有两种：恒流式平衡阀和恒压式平衡阀。而平衡阀的开发者并不十分清楚水循环***的内在结构、本质运行规律及平衡阀在***中的角色、作用和引起***整体性能的变化，开发出的平衡阀虽然能够解决水力平衡的问题，但却带来另外的一些问题，如图1、图2所示，在每个支管、干管、主管上都要安装平衡阀，量大复杂，每个平衡阀都要用价格昂贵的专用仪表人工调整到设计流量，过程繁复，而且所调整的流量只是设计值，而非实际值，不同末端两值差别也是不同的，因而调整流量的精度也是不同的；同时，平衡阀的恒流、恒压的性能是靠消耗水泵20％～30％的输送动力换来的，这些问题和水力平衡节能、提高运行品质设计的初衷相违背，限制了平衡阀的推广应用。因此，传统的平衡阀的结构复杂，构成水力平衡调节***非常复杂，存在造价高，手动调试困难以及节能效率低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，以解决传统的水力平衡调节***造价高，手动调试困难以及节能效率低等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，包括：主站控制器，变频水泵组、变频水泵组控制器，冷热源、冷热源控制器，各用水末端以及各用水末端控制器；
所述变频水泵组、所述冷热源、各用水末端通过管网连接构成一个水循环***；
所述变频水泵组控制器与所述变频水泵组相连接；所述变频水泵组控制器，用于以最小的代价实时跟踪最不利末端(即基准点)即***总负荷变化；
所述冷热源控制器与所述冷热源相连接；所述冷热源控制器，用于控制冷热源以最小的代价实时跟踪冷热源负荷变化；
所述各用水末端控制器与所述各用水末端连接；所述各用水末端控制器，用于控制各自末端以最小的代价实时跟踪各自末端负荷变化；
所述变频水泵组控制器、所述冷热源控制器以及所述各用水末端控制器为现场控制单元，通过现场控制总线与所述主站控制器相连接构成DCS计算机网络控制***；所述主站控制器，用于接收各个所述现场控制单元上传的相应设备运行信息，并向各个所述现场控制单元发出所述DCS计算机网络控制***协调运行控制指令，使所述DCS计算机网络控制***及各个所述现场控制单元及所有设备按照“实时跟踪负荷且花最小的代价”的规则运行。
所述水泵为同步变频水泵。
所述主站控制器为可编程逻辑控制器或数字控制器。
所述水泵控制器为可编程逻辑控制器或数字控制器。
所述冷热源控制器为可编程逻辑控制器或数字控制器。
所述各用水末端控制器为可编程逻辑控制器或数字控制器。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置。冷热源及各个末端现场控制单元以最小的代价实时跟踪各自设备的负荷，变频水泵组现场控制单元控制水泵组同步变频以最小的代价实时跟踪基准点末端即***的总负荷，主站控制单元协调各个现场控制单元，使整个水循环***中所有设备及***整体都按照“实时跟踪负荷变化且花最小的代价”规则运行，“实时跟踪负荷变化”即***的自适应性，“花最小的的代价”即***的最小耗能性，***的智能就表现在自适应性与最小耗能性，这个状态***的标志就是各个末端出口温度都在设定值附近波动，整个***智能地达到了水力平衡状态，实现了本发明要使各个末端按需供水的理想目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的现有的手动恒流水力平衡阀的安装图；
图2为本发明所提供的现有的恒流水力平衡阀剖面图；
图3为本发明所提供的基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置结构图；
图4为本发明所提供的基准点跟踪法手动水力平衡控制***图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，它能够智能地实现水循环***的静态、动态水力平衡调节，以最小的代价达到各个末端按需供水的理想目的，从而提高水循环***运行性能、节能率和透明度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图3为本发明所提供的基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置结构图，如图3所示，一种基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，包括：主站控制器1，变频水泵组2、变频水泵组控制器3，冷热源4、冷热源控制器5，各用水末端6-i(i＝1～n)、各用水末端控制器7-i(i＝1～n)；
所述变频水泵组2、所述冷热源4、各用水末端6-i(i＝1～n)通过管网连接构成一个水循环***；
所述变频水泵组控制器3与所述变频水泵组2相连接；所述变频水泵组控制器3，用于以最小的代价实时跟踪最不利末端(即基准点)即***总负荷变化；
所述冷热源控制器5与所述冷热源4相连接；所述冷热源控制器5，用于控制冷热源4以最小的代价实时跟踪冷热源4负荷变化；
所述各用水末端控制器7-i(i＝1～n)与所述各用水末端6-i(i＝1～n)连接；所述各用水末端控制器7-i(i＝1～n)，用于控制各自末端以最小的代价实时跟踪各自末端负荷变化；
所述变频水泵组控制器3、所述冷热源控制器5以及所述各用水末端7控制器为现场控制单元，通过现场控制总线与所述主站控制器1相连接构成DCS计算机网络控制***；所述主站控制器1，用于接收各个所述现场控制单元上传的相应设备运行信息，并向各个所述现场控制单元发出所述DCS计算机网络控制***协调运行控制指令，使所述DCS计算机网络控制***及各个所述现场控制单元及所有设备按照“实时跟踪负荷且花最小的代价”的规则运行即具有自适应与最小耗能的智能地运行，这样***整体时时智能地处在整体优化的动态水力平衡状态，各个用水末端便实现了以最小的代价按需供水的理想目标
本发明所提供的基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置中每个末端回路n的进口管道安装有隔离阀IVi(i＝1～n)，出口管上安装有手动调节阀HVi(i＝1～n)作为隔离阀，在其下端安装有电动调节阀EVi(i＝1～n)，在每个末端配置有末端控制器7-i(i＝1～n)。
末端控制器7-i(i＝1～n)、第i(i＝1～n)个末端、第i(i＝1～n)个末端出口温度传感器t2 i(i＝1～n)和电动调节阀EVi(i＝1～n)共同组成一个计算机闭环控制回路，在其它设备协同运作下，以最小的代价完成跟踪第i(i＝1～n)个末端负荷变化即控制各个末端出口温度基本相同，达到整体智能动态水力平衡调节、按需供水的目的。
本发明中的最不利末端6-n做为基准点。同步变频水泵组控制控制器3、最不利回路末端n、第n个末端出口温度传感器t2n和变频水泵共同组成一个计算机闭环控制回路，在其它设备协同运作下，以最小的代价完成跟踪第n个末端即基准点负荷变化的控制；在基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置运行过程中，最不利回路末端进出口阀开到最大，电动调节阀EVn置于手动位置并开到最大，这样做的目的是让最不利回路的阻力最小，消耗水泵的输送动力最小。
根据哈肯学同学原理推论出了水循环***各个末端负荷同步的假设，变频水泵跟踪最不利末端即基准点6-n负荷变化的控制，实际上就等于跟踪***整体负荷变化的控制。
在主站控制器1协调控制下，各现场控制器以最小的代价实时跟踪各自设备负荷变化，结果水循环***各个末端的出口温度智能地跟随基准点出口水温在设定值允许的误差范围内波动，使得水循环***智能地时时保持动态水力平衡平衡状态。
这时从理论上讲，水循环***的管网中所有的几何参数，包括各个末端可变几何参数的电动调节阀EVi[i＝1～(n-1)]的开度都不能变，这就保证了变频水泵组2始终在最节能的全相似状态运行。
冷热源4连接冷热源控制器5。冷热源控制器5、冷热源4、冷热源4出口温度传感器t10共同组成一个闭环计算机控制***，以最小的代价实时跟踪冷源负荷的变化，使得冷热源4出口温度t10在要求的范围内波动，以保证整个水循环***为一个量调***。保证水循环***的量调特征，基准点跟踪法智能水力平衡控制***才具有自适应和最小耗能的智能。
主站控制器1与水泵控制器3、冷热源控制器5、末端控制器7-i(i＝1～n)通过过程现场总线(process fieldbus，PROFIBUS)共同组成了一个分布式控制(DistributedControl System，DCS)***。
主站控制器1协调水泵控制器3、冷热源控制器5、末端控制器7-i(i＝1～n)的运行，使基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置时时处在智能水力平衡平衡状态，每个末端、设备及基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置的整体都按照“实时跟踪负荷变化且花最小的代价”的规则运行，即使基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置每个末端、设备及基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置的整体都具有自适应和最小耗能的基本智能。
本发明具有自适应和最小耗能的基本智能，其内在结构便是健康的因而有能力在基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置的整体层面上涌现出简约、最小耗能、自适应、大大降低基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置运维的难度和费用。
基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置是在基准点跟踪法手动水力平衡控制***装置的基础上提出的，附图4是基准点跟踪法手动水力平衡控制***装置的***图，其工作原理是利用各个末端的进出口隔离阀，并将出口隔离阀换成调节性能比较好的手动调节；在量调***中，各个末端的进口水温是确定的，手动调节各末端的出口水温相同，就达到了水循环***的水力平衡。
基准点跟踪法手动水力平衡控制***装置水力平衡调节的过程是这样的：在调节之前，各末端进出口隔离阀开到最大，这时因基准点末端的环路阻力最大，流量最小，出口温度最高。
水力平衡调节时，先从(n-1)末端开始，遵从(n-1)→1的顺序跟踪基准点末端n的出口温度变化，直到所有末端的出口温度都和基准点末端n的出口温度相同，水循环***即达到了静态水力平衡状态。可以从理论证明，遵从(n-1)→1的顺序水力平衡调节过程只要经过一次调节即可，不用反复进行；同时也可以从理论证明，基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置达到了静态水力平衡状态，便同时达到了动态水力平衡状态。当静态水力平衡调节后，各个末端的进出阀门的开度便固定不可随意改变，否则将破坏基准点跟踪法手动水力平衡控制***装置的水力平衡。
这时，可以证明在阻力平方区，各个末端管路和总管管路的综合阻力系数Si只是管道几何的参数的函数，而和管道的流量无关，因此阻力和流量之间的函数关系都可以用公式(1)描述：
式中：
ΔPi——第i个管路阻力，kPa；
Si——第i个管路综合阻力系数；
Li——第i个管路流量，m3/s；
下标为“0”的参数为总管，也是水泵组的运行参数。
各个末端管路和总管管路消耗的水泵输送动力由公式(2)计算：
式中：
Wp.i——第i个管路消耗水泵输动力，kW；
η0——水泵的总效率；
其他参数含义同公式(1)。
水循环***中，在阻力平方区，只要管网的几何参数不变即管网的综合阻力系数Si不变，水泵才能在最节能的全相似(几何相似、运动相似、动力相似)状态运行。基准点跟踪法手动水力平衡控制***装置运行的水泵组才有三个著名的相似关系公式：
根据哈肯协同学序参量的概念提出了各个末端的负荷是同步变化的假设，如果控制水泵组同步变频跟踪基准点末端负荷变化，也就是跟踪了所有末端负荷的变化，水泵组在最节能的全相似状态运行，使得每个末端都能达到按需供水的要求，整体和各个末端都具有了生物体最基础的智能：自适应和按最小耗能原理运行的功能。
根据***科学哲学第三原理，如果***是按最小耗能原理运行的，便是和谐的有内在结构健康的、整体优化的，因此基准点跟踪法手动水力平衡控制***装置才像一个有机***整体一样，有能力在基准点跟踪法手动水力平衡控制***装置的整体层面上涌现出一系列外在的优良健康属性。
基准点跟踪法手动水力平衡控制装置虽说具有有机***的智慧性能，手动调节水力平衡的过程比传统的方便许多，但调节的过程仍嫌费工，特别是水循环***的末端比较多、比较复杂时尤其显著。若利用先进的计算机网络控制技术和基准点跟踪法水力平衡原理有机地结合，就能将费力的手动水力平衡调节过程自动化、智能化，便完成了***智能地升华，构成了本发明——基准点跟踪法智能水力平衡控制装。
基准点跟踪法智能水力平衡控制装的构成是在基准点跟踪法手动水力平衡控制装置中的每一个末端回路的出口管上安装了电动调节阀，跟踪控制出水温度恒定即跟踪末端负荷变化的末端控制器7-i(i＝1～n)的控制***；安装了水泵组控制器3构成的跟踪基准点末端出水温度t2n即跟踪***整体负荷变化变频水泵控制***；安装了冷热源控制器5跟踪冷热源4出口温度t10恒定即跟踪冷热源4负荷变化控制***，以确保水循环***是个量调***；安装了主站控制器1，收集水泵控制器3、冷热源控制器5、末端控制器7-i(i＝1～n)传来的基层装置运行参数并下达控制指令，协调水泵控制器3、冷热源控制器5、末端控制器7-i(i＝1～n)的工作，使整个水循环***所有设备协同运行达到“配置合理，运行协调，整体优化”境界而具有内在的健康结构，水循环***整体层面上就有能力涌现出简约、节能、透明、自适应、大大降低基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置运维的难度和费用等等一系列有自适应、最小耗能的基础智能的外在的优良健康属性，从而彻底解决了传统水循环***水力平衡调节中存在的绝大部分问题。
通过耗能对比计算，如果手动基准点跟踪法水力平衡***的水泵组额定耗能为Wp.t.0，那么手动基准点跟踪法水力平衡***的水泵组年时均负荷率为Wb.a.T＝0.216Wp.t.0，这是传统恒流平衡阀水力平衡***耗能的1/5.6，是传统恒压平衡阀水力平衡***耗能的1/3.9。
本发明所提供的基准点跟踪法水力平衡调节原理并融合计算机网络控制技术，使得水循环***具有显著的自适应和最小耗能的基础智能，从而不用人工干预，***就可以达到理想的静态、动态水力平衡状态。
本发明摒除了传统水力平衡调节***使用恒流、恒压平衡阀带来的问题，完美地解决了水循环***的水力失调问题，在水循环***各个组成设备的协调配合下，以最小的水泵耗能达到静态、动态水力平衡的目的即使水循环水***各个末端达到按需供水的理想目的。
本发明所提供的基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，在基准点跟踪法水力平衡技术的基础上，加上计算机网络控制技术以及人工智能技术，代替人工调试的工作，那将减少人的干与，赋予***智能，大大提高***的控制精度和性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，其特征在于，包括：主站控制器，变频水泵组、变频水泵组控制器，冷热源、冷热源控制器，各用水末端以及各用水末端控制器；
所述变频水泵组、所述冷热源、各用水末端通过管网连接构成一个水循环***；
所述变频水泵组控制器与所述变频水泵组相连接；所述变频水泵组控制器，用于以最小的代价实时跟踪最不利末端即***总负荷变化；
所述冷热源控制器与所述冷热源相连接；所述冷热源控制器，用于控制冷热源以最小的代价实时跟踪冷热源负荷变化；
所述各用水末端控制器与所述各用水末端连接；所述各用水末端控制器，用于控制各自末端以最小的代价实时跟踪各自末端负荷变化；
所述变频水泵组控制器、所述冷热源控制器以及所述各用水末端控制器为现场控制单元，通过现场控制总线与所述主站控制器相连接构成DCS计算机网络控制***；所述主站控制器，用于接收各个所述现场控制单元上传的相应设备运行信息，并向各个所述现场控制单元发出所述DCS计算机网络控制***协调运行控制指令，使所述DCS计算机网络控制***及各个所述现场控制单元及所有设备按照“实时跟踪负荷且花最小的代价”的规则运行。
2.根据权利要求1所述的基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，其特征在于，所述水泵为同步变频水泵。
3.根据权利要求1所述的基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，其特征在于，所述主站控制器为可编程逻辑控制器或数字控制器。
4.根据权利要求1所述的基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，其特征在于，所述水泵控制器为可编程逻辑控制器或数字控制器。
5.根据权利要求1所述的基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，其特征在于，所述冷热源控制器为可编程逻辑控制器或数字控制器。
6.根据权利要求1所述的基准点跟踪法智能水力平衡控制***装置，其特征在于，所述各用水末端控制器为可编程逻辑控制器或数字控制器。
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