TW201546371A - 智慧型無增壓桶之恆壓變頻泵浦系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種智慧型無增壓桶之恆壓變頻泵浦系統及其方法，係包括一中央控制單元，及一至複數組由一變頻器(INVERTER)以三相交流控制之以一馬達驅動之泵浦，且於該泵浦之排氣孔有一以螺絲固定於該排氣孔之溫度感測器等所組成之泵浦組，該複數組泵浦之入口與出口各分別以管路(PIPE)並連形成一單獨之入口與出口，且於該出口及其延伸管路(PIPE)上，無增壓桶或類似其功能之其他裝置，僅裝設一壓力檢知器。其中控制單元依其內存之程序，根據管路上負載需求，於複數組泵浦中自動並入或退出，在維持恆壓及節能的狀況下，以適量之泵浦在適速下運轉。

Description

智慧型無增壓桶之恆壓變頻泵浦系統及其方法

本發明是有關於一種恆壓變頻泵浦，且特別是有關於一種智慧型無增壓筒之恆壓變頻泵浦系統及其方法。

泵浦系統係用來傳輸如水等之流體，是當今社會生活所必須，廣泛運用於大樓一般家庭及工業廠房等，為重要供水設施之一。傳統之供水設施不外採下列方式，即於管路上裝置一壓力開關一增壓筒及一以馬達驅動之泵浦，當有負載產生管路會先由增壓筒供水，然後壓力下降觸動壓力開關，進而啟動泵浦以定速將水打入增壓筒及負載，當負載消失管路壓力上升促使壓力開關轉態而停止泵浦。由於增壓筒內含相當其容積具一定壓力之水量，在負載小於該增壓筒水量的條件下，雖無法恆壓卻也可達一穩定運作。但若負載有頻繁變化或負載量大於增壓筒水量時，管路壓力便會不穩造成打停頻繁降低使用壽命，此為其最大缺失。欲克服此缺失，一般會在該供水管路上加裝一具有改變管路壓力能力之元件，如2003/09/01公告之第550343號公告中披露之裝置，或是將壓力開關換成壓力檢知器，另增加一變頻器接收壓力檢知器傳來之壓力訊號，據以調變所聯結之泵浦之轉速，由於變頻器能作細緻之轉速控制，故可隨負載變化改變泵浦轉速達到恆壓，如1997/01/11公告之第296005號公告中披露之恆壓變頻泵浦。然上述諸方式皆仍存在下述之改善空間：

1.在負載量大的供水場合中必須使用較大的泵浦及較大容積之增壓筒，如此便增加其震動及躁音產生，和空間之需求，限制了其裝設地點及空間之選擇，尤其是在當今都市中建築空間成本日愈提高的趨勢下，更顯現其不可忽視。

2.有些應用場合如飯店汽車旅館車站等，其負載有明顯之尖峰和離峰表現，且相對應其尖離峰之兩負載差異值相當大，在此狀況下必然使用大功率泵浦及大容積增壓筒，以供尖峰時段之需求。但在離峰時段中任一微小之負載亦會啟動該大功率泵浦，產生另一種形式之頻繁打停，既不符合節約能源之原則又不利於該泵浦之使用壽命。

3.由於供水管路是一個密閉式迴路，系統會穩定在任一壓力平衡(管路壓力等於設定壓力)的狀況下，即使是無負載且泵浦轉速不為零，這也就是意謂著以恆壓變頻方式控制的供水迴路中，負載為零但泵浦不停車(運轉在一較低轉速)也是一種穩態，再加上現場管路長度及佈建形狀不一，壓力檢知器之瞬間雜訊干擾，負載閥件之阻抗特性，使用者之用水習性等皆隨時變化，這些因素往往會讓系統落入不停車的機率難以降低。必須頻繁地於每一現場微調其系統參數，否則輕者浪費能源重者馬達過熱泵浦葉片磨損扭曲。

本發明提供一種智慧型無增壓筒之恆壓變頻泵浦系統，能在一無增壓筒裝設之供水管路中，由一中央控制單元，以恆壓變頻之控制方式藉由一裝設於管路上壓力檢知器所傳送之信號，控制著一由複數部單一泵浦並聯運作之泵浦組之轉速，在維持恆壓的狀況下滿足一切負載需求。

因供水管路是一個密閉式迴路，當有負載產生時，泵浦出水口會因流體移動帶走熱量，故該處之溫度必會小於或等於流體溫度，若管路雖無負載但因不明原由，泵浦穩定在一個不為零的轉速下，如先前技術描述之第三項缺失中之現象，則該泵浦出水口會因泵浦葉片轉動產生之熱量無移動流體帶走而產生溫升。本發明利用此特性藉由裝設於泵浦出水口附近之一溫度感測器，於第一時間檢知該溫升，進而關閉該泵浦，可有效地改善如先前技術所描述之第三項缺失。

另一方面，本發明提供一種智慧型無增壓筒之恆壓變頻泵浦系統之操作方法，能在一由複數部單一泵浦並聯形成之泵浦組中，根據管路負載需求在維持管路壓力平衡於設定值的原則下，自動啟動或關閉其中至少一部之泵浦，並根據管路上壓力變化，調節該至少一部之泵浦組之轉速，讓管路壓力平衡於設定值，如此在離峰時系統會以單部泵變頻運轉，尖峰時則以多部泵浦並聯變頻運轉，有多少負載需求啟動適當部數之泵浦且運轉於適當之轉速，既有效率又符合節省能源原則，有效地改善如先前技術所描述之第二項缺失。

又管路中之壓力下降代表有負載產生，利用包含於中央控制單元內之一類比至數位轉換模組及處理器(CPU)之高速處理能力，可在管路壓力開始下降之初始，以確認下降趨勢成立之方式，於第一時間判定有負載需求產生，同時間立即以一比例於該管路之壓力下降率之轉速讓泵浦運作，如此可確保在負載產生的當時，壓力依舊平穩，既然壓力平穩，意即在供水管路中可不須增壓筒存在。

以上是本發明就先前技術所描述之缺失，所提出之技術手段 及其達到之功效。為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文是根據本發明之一較佳實施例。

100‧‧‧中央控制單元

110‧‧‧按鍵及LED顯示模組

120‧‧‧處理器CPU

130‧‧‧指令輸出介面

140‧‧‧類比至數位轉換模組

PS‧‧‧壓力檢知器

TS_1‧‧‧溫度感測器_1

TS_N‧‧‧溫度感測器_N

INV_1‧‧‧變頻器控制指令_1

INV_N‧‧‧變頻器控制指令_N

U/V/W‧‧‧三相交流控制信號

圖1是根據本發明一實施例所述之智慧型無增壓筒之恆壓變頻泵浦系統的方塊圖。

圖2~7是根據本發明一實施例所述之智慧型無增壓筒之恆壓變頻泵浦系統控制方法的流程圖。

圖2為即時事件處理程序之流程圖。

圖3~5為主程序之流程圖。

圖6為泵浦並入子程序之流程圖。

圖7為泵浦退出子程序之流程圖。

圖1是根據本發明一實施例所述之智慧型無增壓筒之恆壓變頻泵浦系統的方塊圖。如圖1所示，包括有一中央控制單元100，一壓力檢知器PS，至少一個至複數個溫度感測器TS_1...TS_N(N為大於1之正整數)，及一電動泵浦組。該中央控制單元100包括有一按鍵及LED顯示模組110，一高速處理器(CPU)120，一能輸出AVI_1...AVI_N等至少一個至複數個控制信號之指令輸出介面130，以及一具有ADC_1...ADC_N等至少二個至複數個轉換通道之類比數位轉換模組140。

該電動泵浦組，為至少一組至複數組由一變頻(INVERTER)以三相交流(U/V/W)控制著一以馬達驅動之泵浦(PUMP)，且於該泵浦之排氣孔有一以螺絲固定於該排氣孔之溫度感測器(TS)等所組成之電動泵浦 組。該複數組泵浦(PUMP_1...PUMP_N)之入口與出口各分別以管路(PIPE)並聯形成一單獨之入口與出口，且於該出口及其延伸管路(PIPE)上，無增壓筒或類似其功能之其他裝置，僅裝設該壓力檢知器PS連同該複數個溫度感測器TS_1...TS_N分別與中央控制單元100之類比數位轉換模組140連接，又其中複數個變頻器之輸入端分別與中央控制單元100之指令輸出界面130中的輸出信號AVI_1...AVI_N一一連接。

又該中央控制單元100內之按鍵及LED顯示模組110中的LED顯示，可以是一個或以上之七節字劃(7 Segment)，單或雙色LED，RGB三色LED，或其任意組合。該按鍵及LED顯示模組110，與高速處理器(CPU)120連接，形成一有效之人機介面，供使用者更新設定或輸入參數及系統狀態顯示。另高速處理器(CPU)120亦與指令輸出介面130及類比數位轉換模組140連接，蒐集並處理由壓力檢知器PS以0~10V電壓或4~20mA電流形式傳送之管路壓力信號，經PID程序演算後透過指令輸出介面130控制該電動泵浦組200之轉速，形成一有效之恆壓變頻控制迴路。並以執行其儲存於內含記憶體之至少包含下列程序之程序集合，來實現本實施例中之一切操作方法。

圖2~7為本發明，一種智慧型無增壓筒之恆壓變頻泵浦系統之操作流程圖，包括有一主程序(圖3~5)，一定期循環執行之即時事件處理程序(圖2)，及一至少包括下列子程序之子程序集合：有一PID控制子程序，該程序會根據管路上壓力變化及負載需求，透過變頻器動態調整其以存於CPU內存記憶體之一泵浦邏輯物理對照表所定義組成之主動泵浦之轉速以維持管路壓力平衡於設定值，並 指定另一靜止之泵浦為從動泵浦。

該主動泵浦，從動泵浦與實際之複數泵浦組(Pump1...PumpN N>=1)存在著下列關係：

1.主動泵浦為複數泵浦組(Pump1...PumpN N>=1)中不為零的任意組合，如Pump1或(Pump1+Pump2)或(Pump2+Pump4+Pump5)....等。

2.若主動泵浦為一以上之複數部泵浦，則該複數部泵浦係以並聯方式受PID控制程序控制，運作於同一轉速。

3.實際複數泵浦組(Pump1...PumpN N>=1)中不包含主動泵浦之剩餘列表中第一部泵浦為從動泵浦。

4.若主動泵浦為該實際複數泵浦組，則從動泵浦為零。

5.上述之關係以一存於CPU內存記憶體中之泵浦邏輯物理對照表紀錄。

有一泵浦並入子程序(圖6)，會在當供水管路中因負載需求增大，主動泵浦已達全速而管路中壓力仍無法平衡於設定值時被執行，該程序執行下列步驟：首先檢查是否設定並列旗標，若否則輸出一預設值至從動泵浦及其暫存器，設定並列旗標後返回。若是則先判斷管路壓力是否穩定，若否返回；若是則判斷主動泵浦與從動泵浦兩者轉速之差異是否縮小至一門檻值，若否則令從動泵浦及其暫存器之值等於原值加一預設值後返回。若是則令主動泵浦為原主動泵浦與從動泵浦並列，重新指定下一個閑置泵浦為從動泵浦，並更新泵浦之邏輯物理對照表之主動泵浦與從動泵浦組成，然後清除並列旗標後返回。

有一泵浦退出子程序(圖7)，會在當供水管路中因負載需 求縮小，主動泵浦之轉速降至一門檻值(譬如全速之若干百分比)時被執行，該程序執行下列步驟：首先檢查是否設定退出旗標，若否則將泵浦之邏輯物理對照表內至少兩部物理對應的最後一部泵浦指定為從動泵浦，剩餘之對應組合指定為主動泵浦，然後更新泵浦之邏輯物理對照表，設定退出旗標後返回。若是則先判斷管路壓力是否穩定，若否返回；若是則判斷從動泵浦之輸出值是否小於一門檻值？，若否則令從動泵浦及其暫存器之值等於原值減一預設值後返回。若是則令從動泵浦及其暫存器之值等於零，並清除退出旗標後返回。

如圖2所示之即時事件處理程序，會在每2.5毫秒執行一次。該程序首先更新LED顯示並檢視是否有按鍵輸入，若有則紀錄之供主程序處理人機介面時使用。接著對所有的泵浦執行如下步驟：首先檢查當部泵浦之過熱旗標是否設定，若是則停止該泵浦，若否則根據泵浦之邏輯物理對照表中之對應關系，令當部泵浦之輸出值等於PID程序中主動或從動泵浦之運算值。重複本步驟直至最後一部泵浦。由於本程序固定每2.5毫秒執行一次，藉著連續若干次對某一物理量的讀取值，可輕鬆算出該物理量之變化率，依此方式本程序接著計算出管路壓力的變化率，及主動和從動泵浦之轉速變化率，供泵浦並入子程序及泵浦退出子程序使用。最後更新交替倒數計時器及其他系統計時器。

圖3~5為主程序之流程圖，如圖3所示該程序首先執行一包括硬體及軟體的系統起始步驟，接著進入一循環執行之迴圈，該迴圈重複執行下列步驟：

1.判斷是否有按鍵輸入，若有則根據由即時事件處理程序所紀錄之按鍵 數據，進入手動模式或系統查詢或參數設定及維護模式，形成一有效之人機介面運作，此時程式會重複處理按鍵輸入，並將系統信息或回應數據透過即時事件處理程序在LED顯示單元顯現，直至結束按鍵輸入。藉此方式使用者可在手動模式下任意改變任一泵浦之轉速，或於系統查詢模式下查詢系統信息，或於參數設定及維護模式下，使用者可變更一些系統設定或諸如PID參數等之系統參數。

2.透過類比至數位轉換模組中第二至N+1轉換通道，蒐集溫度感測器TS_1至TS_N所傳送之數據並加以濾波處理後紀錄之。

3.對每一部轉速不為零的泵浦判斷其溫度，若逾超溫門檻則設定該泵浦之過熱旗標，若低於啟動門檻則清除該泵浦之過熱旗標，透過該過熱旗標，即時事件處理程序，會立即關閉泵浦直至過熱解除，如此即可達到保護之功能。

4.透過類比至數位轉換模組中第一轉換通道，蒐集壓力檢知器PS以0~10V電壓或4~20mA電流形式傳送之管路壓力數據並加以濾波處理後紀錄之。

5.計算管路壓力與設定壓力之誤差值，並以此值呼叫PID控制子程序，並將其回傳值(即主動泵浦之轉速)放至暫存器，供即時事件處理程序根據泵浦之邏輯物理對照表中之對應關系，以及泵浦之過熱旗標，關閉或啟動泵浦。

6.檢查是否設定並列旗標，若是則呼叫泵浦並入子程序，然後跳至步驟8。若否則檢查是否設定退出旗標，若是則呼叫泵浦退出子程序，然後跳至步驟8。

7.檢查在一參考時間內管路壓力變化率低於一門檻值，若否跳至步驟8。壓力變化率低於一門檻值，意即管路壓力已達一相對穩定狀態。若是則判斷是否主動泵浦輸出已滿載或大於一門檻值且壓力誤差值大於零，若是則呼叫泵浦並入子程序，然後跳至步驟8。若否則判斷是否主動泵浦之轉速低於一門檻值，若是則呼叫泵浦退出子程序，然後跳至步驟8。

8.判斷是否所有泵浦皆處於停機狀態，若否則跳回步驟1。若是則檢查一由即時事件處理程序更新之交替倒數計時器是否為零，若否則跳回步驟1。若是則將一預約指定或經操作指定之泵浦設為主動泵浦，並更新泵浦之邏輯物理對照表，然後回步驟1。如是定時地在複數部泵浦中輪替為主動泵浦，則可平均各泵浦之工時，延長系統壽命。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧中央控制單元

110‧‧‧按鍵及LED顯示模組

120‧‧‧處理器CPU

130‧‧‧指令輸出介面

140‧‧‧類比至數位轉換模組

PS‧‧‧壓力檢知器

TS_1‧‧‧溫度感測器_1

TS_N‧‧‧溫度感測器_N

INV_1‧‧‧變頻器控制指令_1

INV_N‧‧‧變頻器控制指令_N

U/V/W‧‧‧三相交流控制信號

Claims (9)

1. 一種智慧型無增壓桶之恆壓變頻泵浦系統及其方法，包括一中央控制單元，及一至複數組由一變頻器(INVERTER)以三相交流控制著以一馬達驅動之泵浦，且於該泵浦之排氣孔有一以螺絲固定於該排氣孔之溫度感測器等所組成之泵浦組，該複數組泵浦之入口與出口各分別以管路(PIPE)並連形成一單獨之入口與出口，且於該出口及其延伸管路(PIPE)上，僅裝設一壓力檢知器，無增壓桶或類似其功能之其他裝置，而為其特徵。其中控制單元依其內存之程序，根據管路上負載需求，於複數組泵浦中自動並入或退出，在維持恆壓及節能的狀況下，以適量之泵浦在適速下運轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之智慧型無增壓桶之恆壓變頻泵浦系統，其中之中央控制單元包括：一處理器(CPU)可用數位信號處理器(DSP)或單晶片或系統晶片來實現。一按鍵及LED顯示模組，與處理器(CPU)連接，形成一有效之人機介面。一與處理器(CPU)連接之類比至數位轉換模組，及另一與處理器(CPU)連接之指令輸出介面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之中央控制單元，其中之類比至數位轉換模組，以其第一類比至數位轉換通道ADC_1，接收壓力檢知器PS以0~10V電壓或4~20mA電流形式傳送之壓力數據。又以其第二至N+1類比至數位轉換通道ADC_2...ADC_N+1，接收至少一個至複數個如申請專利範圍第1項所述之溫度感測器TS_1...TS_N之溫度數據。該複數個溫度感測器，可以是負溫度係數之熱敏電阻或其他型式之溫度檢知器。
4. 如申請專利範圍第2項所述之中央控制單元，其中之指令輸出介面，為 至少一個至複數個以0~10V電壓輸出之數位至類比轉換通道DAC_1...DAC_N，或是以RS422或RS485實現之通信介面。
5. 一種智慧型無增壓桶之恆壓變頻泵浦系統之操作方法，該方法至少包括下列程序：一以計時器驅動重複執行之即時事件處理程序，一主程序，及一包括有PID控制子程序，泵浦並入子程序，及泵浦退出子程序，之子程序集合。其中之即時事件處理程序，包括下列步驟：(5A)按鍵掃瞄及LED顯示更新。(5B)對每一部泵浦判斷其過熱旗標是否設定，若有則關閉該泵浦，若無則根據泵浦之邏輯物理對照表中之對應關系，令本部泵浦之輸出值等於PID程序中主動或從動泵浦存於暫存器之運算值。(5C)計算管路壓力變化率。(5D)計算主動及從動泵浦之轉速變化率。(5E)交替倒數計時器，或其他***內部計時器更新與維護。(5F)結束。
6. 如申請專利範圍第5項所述之操作方法，其中之主程序包括下列步驟：(6A)對硬體或軟體作***起始。(6B)判斷是否有按鍵輸入，若有則根據由即時事件處理程序所紀錄之按鍵數據，進入手動模式或系統查詢或參數設定及維護模式，形成一有效之人機介面運作，此時程式會重複處理按鍵輸入，並將系統信息或回應數據透過即時事件處理程序在LED顯示單元顯現，直至結束按鍵輸入。(6C)透過類比至數位轉換模組中第二至N+1轉換通道，蒐集溫度感測器TS_1至TS_N所傳送之數據並加以濾波處理後紀錄之。 (6D)對每一部轉速不為零的泵浦判斷其溫度，若逾超溫門檻則設定該泵浦之過熱旗標，若低於啟動門檻則清除該泵浦之過熱旗標。(6E)透過類比至數位轉換模組中第一轉換通道，蒐集壓力檢知器PS以0~10V電壓或4~20mA電流形式傳送之管路壓力數據並加以濾波處理後紀錄之。(6F)計算管路壓力與設定壓力之誤差值，並以此值呼叫PID控制子程序，並將其回傳值(即主動泵浦之轉速)放至暫存器。(6G)檢查是否設定並列旗標，若是跳至步驟(6K)。(6H)檢查是否設定退出旗標，若是跳至步驟(6M)。(6I)檢查在一參考時間內管路壓力變化率低於一門檻值，若否跳至步驟(6N)。(6J)判斷是否主動泵浦輸出已滿載或大於一門檻值且壓力誤差值大於零，若否跳至步驟(6L)。(6K)呼叫泵浦並入子程序，然後跳至步驟(6N)。(6L)判斷是否主動泵浦之轉速低於一門檻值，若否跳至步驟(6N)。(6M)呼叫泵浦退出子程序。(6N)判斷是否所有泵浦皆處於停機狀態，若否則跳回步驟(6B)。若是則檢查交替倒數計時器是否為零，若否則跳回步驟(6B)。(6P)將一預約指定或經操作指定之泵浦設為主動泵浦，並更新泵浦之邏輯物理對照表，然後回步驟(6B)。
7. 如申請專利範圍第5項所述之操作方法，其中之泵浦並入子程序包括下列步驟： (7A)檢查是否設定並列旗標，若是跳至步驟(7C)。(7B)輸出一預設值至從動泵浦及其暫存器，設定並列旗標後返回。(7C)檢查在一參考時間內管路壓力變化率低於一門檻值，若否返回。(7D)判斷主動泵浦與從動泵浦兩者轉速之差異是否縮小至一門檻值，若否則令從動泵浦及其暫存器之值等於原值加一預設值後返回。(7E)令主動泵浦為原主動泵浦與從動泵浦並列，重新指定下一個閑置泵浦為從動泵浦，並更新泵浦之邏輯物理對照表之主動泵浦與從動泵浦組成。(7F)清除並列旗標後返回。
8. 如申請專利範圍第5項所述之操作方法，其中之泵浦退出子程序包括下列步驟：(8A)檢查是否設定退出旗標，若是跳至步驟(8C)。(8B)將泵浦之邏輯物理對照表內至少兩部物理對應的最後一部泵浦指定為從動泵浦，剩餘之對應組合指定為主動泵浦，然後更新泵浦之邏輯物理對照表，設定退出旗標後返回。(8C)檢查在一參考時間內管路壓力變化率低於一門檻值，若否返回。(8D)判斷從動泵浦之輸出值是否小於一門檻值？，若否則令從動泵浦及其暫存器之值等於原值減一預設值後返回。(8E)令從動泵浦及其暫存器之值等於零，清除退出旗標後返回。
9. 如申請專利範圍第5項所述之操作方法，其各程序中所述之主動泵浦，從動泵浦與實際之複數泵浦組(Pump1...PumpN N>=1)存在著下列關係：(9A)主動泵浦為複數泵浦組(Pump1...PumpN N>=1)中不為零的任意組合，如Pump1或(Pump1+Pump2)或(Pump2+Pump4+Pump5)....等。 (9B)若主動泵浦為一以上之複數部泵浦，則該複數部泵浦係以並聯方式受PID控制程序控制，運作於同一轉速。(9C)實際複數泵浦組(Pump1...PumpN N>=1)中不包含主動泵浦之剩餘列表中第一部泵浦為從動泵浦。(9D)若主動泵浦為該實際複數泵浦組，則從動泵浦為零。(9E)上述之關係以一存於CPU內存記憶體中之泵浦邏輯物理對照表紀錄。