Способ регулирования уровня жидкости в емкости-сборнике и цифровая система для его осуществления

Способ регулирования уровня жидкости в емкости-сборнике и цифровая система для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области автоматического цифрового регулирования и предназначено для управления системами наполнения емкостей жидкостью. Сферами применения изобретения могут быть, к примеру, участки первого подъема систем водоснабжения населенных пунктов и промышленных объектов.

Известна система управления центробежным насосом, содержащая блок задания параметра регулирования, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход асинхронного электродвигателя соединен с входом центробежного насоса, первый выход центробежного насоса соединен с датчиком регулируемого параметра, отличающаяся тем, что в систему введены блок расчета требуемой скорости, блок регулирования частоты и напряжения, частотный преобразователь, датчик расхода, блок расчета регулируемого параметра, причем второй выход центробежного насоса соединен с датчиком расхода, выход датчика регулируемого параметра соединен с первым входом блока расчета регулируемого параметра, выход датчика расхода соединен с вторым входом блока расчета регулируемого параметра, выход которого соединен с входом блока сравнения, выход блока сравнения соединен с входом блока расчета требуемой скорости, выход которого соединен с блоком регулирования частоты и напряжения, выходы которого соединены с входами частотного преобразователя, выход частотного преобразователя соединен с входом асинхронного электродвигателя (см. патент РФ №2511934 C1, МПК F04D 15/00; F04D 13/06, опубл. 10.04.2014).

Недостатком данной системы является низкая стабильность процесса регулирования расхода жидкости, выдаваемого насосом, при наличии значительных возмущений регулируемого параметра (уровня жидкости в емкости-сборнике).

Наиболее близким к заявляемому является способ регулирования расхода жидкости, сливаемой из емкости-сборника, при котором сигнал текущего значения уровня с датчика в емкости-сборнике оцифровывают, фильтруют и вычитают из задаваемого значения уровня жидкости, затем разность между этими значениями преобразуют по интегральному закону в цифровой управляющий сигнал, из которого вычитают цифровой сигнал текущего расхода жидкости, полученная разность определяет величину изменения выходного расхода, поступающего на вход регулятора, причем при необходимости к интегральному закону добавляют корректирующий пропорциональный закон.

Цифровая система, реализующая данный способ, содержит последовательно соединенные элемент сравнения - сумматор, цифровой регулятор расхода жидкости, объект регулирования, охваченные обратной связью, отличающаяся тем, что в нее введены цифровые корректирующие пропорциональный и интегральный регуляторы элементы сравнения, блок включения корректирующего пропорционального регулятора и фильтр низких частот, при этом на вход фильтра низких частот поступают текущие значения уровня жидкости в емкости-сборнике с выхода объекта регулирования, а выход фильтра низких частот соединен через введенный элемент сравнения со входом корректирующего интегрального регулятора, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения - сумматора, кроме того, текущие значения уровня жидкости поступают на вход блока включения корректирующего пропорционального регулятора, а выход блока включения соединен через введенный второй элемент сравнения со входом корректирующего пропорционального регулятора, выход которого соединен со вторым входом элемента сравнения - сумматора (см. патент РФ №2348960 С1, МПК G05D 7/00; G05D 9/12, опубл. 10.03.2009).

Недостатком известных способа и цифровой системы является отсутствие возможности использования в условиях низких температур окружающей среды, вследствие замерзания жидкости в трубопроводе при пониженном расходе. Данный факт значительно ограничивает сферу применения способа и системы в области водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий, поскольку подавляющее большинство трубопроводов прокладывается по поверхности земли или на незначительном заглублении в условиях низких температур окружающей среды, причем замерзание жидкости в них предотвращается путем повышения расхода. Также в способе используется интегральный закон определения цифрового управляющего сигнала, с возможностью подключения пропорциональной составляющей в случае выхода за границы области «плавного» регулирования, что приводит к снижению плавности изменения управляющего сигнала при значительных и длительных колебаниях уровня в емкости-сборнике, что может привести к нерациональному использованию электрической энергии и преждевременному выходу из строя узлов объекта регулирования.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности регулирования уровня жидкости в емкости-сборнике с осуществлением защиты трубопровода открытой прокладки от замерзания в зимнее время.

Технический результат достигается тем, что способ регулирования уровня жидкости в емкости-сборнике, включающий измерение сигнала текущего значения уровня жидкости с датчика в емкости-сборнике, его последующую оцифровку и вычитание из задаваемого значения уровня жидкости, преобразование полученной разности по пропорционально-интегральному закону в цифровой управляющий сигнал по уровню, отличается тем, что полученную разность дополнительно преобразуют по дифференциальному закону, дополнительно измеряют сигнал текущего значения температуры с датчика на трубопроводе, проводят его оцифровку и вычитают из задаваемого значения температуры жидкости в трубопроводе, полученную разность преобразуют по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону в цифровой управляющий сигнал по температуре, затем выбирают наибольший по значению управляющий сигнал, по которому регулируют уровень в емкости-сборнике за счет изменения расхода.

Цифровая система регулирования уровня жидкости в емкости-сборнике, содержащая последовательно соединенные элемент сравнения, цифровой регулятор расхода жидкости, объект регулирования, охваченные обратной связью, пропорциональный и интегральный регуляторы по уровню, дополнительные элементы сравнения, отличается тем, что в нее дополнительно введены дифференциальный регулятор по уровню, пропорциональный, интегральный и дифференциальный регуляторы по температуре, сумматоры, блок расчета расхода, при этом входы регуляторов по уровню соединены с выходом второго элемента сравнения, к входу которого подключен первый выход объекта регулирования, а выходы регуляторов через введенный сумматор подключены к первому входу блока расчета расхода, входы введенных пропорционального, интегрального и дифференциального регуляторов по температуре соединены с выходом третьего элемента сравнения, к входу которого подключен второй выход объекта регулирования, а выходы регуляторов по температуре через введенный второй сумматор подключены ко второму входу блока расчета расхода, выход которого соединен с входом первого элемента сравнения, также к третьему входу блока расчета расхода напрямую подключен второй выход объекта регулирования.

Использование пропорционально-интегрально-дифференциального закона позволяет повысить качество стабилизации расхода, а также сделать процесс регулирования более плавным в условиях значительных и длительных колебаний уровня жидкости, что обеспечит экономию электрической энергии и ресурса электропривода насосного агрегата. Защита трубопровода от замерзания в зимнее время основана на повышении температуры перекачиваемой жидкости за счет повышения диссипативной теплоты трения жидкости путем увеличения расхода в трубопроводе, для этого в алгоритм расчета требуемого расхода вводится дополнительный пропорционально-интегрально-дифференциальный канал, вычисляющий величину расхода по температуре перекачиваемой жидкости в конечной части трубопровода. В качестве результирующего расхода выбирается наибольшая из двух величин.

На фиг. 1 приводится схема системы транспортировки и накапливания жидкости, в которой возможно применение разработанного способа. Данная схема содержит следующие элементы: емкость-источник 1, из которой осуществляется перекачивание жидкости; электронасос 2; расходомер 3; запорные клапаны 4; датчик температуры 5; емкость-сборник 6 с ультразвуковым или поплавковым датчиком уровня 7; конечный потребитель жидкости 8; блок сбора данных 9; устройство проводной или беспроводной связи 10; управляющее устройство 11; частотный преобразователь 12.

Данная система работает следующим образом. Насосный агрегат перекачивает жидкость из емкости-источника (скважины) 1 в емкость-сборник 6 по трубопроводу открытой прокладки. Уровень жидкости в емкости-сборнике может снижаться в зависимости от нужд конечного потребителя 8. Информация о текущем уровне жидкости в емкости-сборнике 6 фиксируется датчиком уровня 7 и, вместе с температурой жидкости в конце трубопровода, измеряемой датчиком температуры 5, передается в блок сбора данных 9, содержащий аналогово-цифровой преобразователь и интерфейс передачи данных. Далее значения уровня и температуры передаются по радиоканалу или кабельной линии при помощи устройств передачи данных 10. Затем эти величины поступают в управляющее устройство 11, где проводится их анализ и вычисление величины расхода жидкости. Полученный расход передается на частотный преобразователь 12, который будет поддерживать его в трубопроводе за счет наличия обратной связи от расходомера 3. Уровень жидкости в емкости-сборнике регулируется за счет изменения расхода путем варьирования частоты вращения электродвигателя насоса.

На фиг. 2 приводится структурная схема цифровой системы, реализующей способ регулирования уровня жидкости в емкости-сборнике. Данная схема содержит следующие элементы: расходомер 3; датчик температуры жидкости в трубопроводе 5; датчик уровня жидкости в емкости-сборнике 7; пропорциональные регуляторы по уровню 13 и температуре 14; интегральные регуляторы по уровню 15 и температуре 16; дифференциальные регуляторы по уровню 17 и температуре 18; блок расчета расхода 19; регулятор расхода (частотный преобразователь и насосный агрегат) 20; элементы сравнения (вычитания) 21, 22, 23; сумматоры 24, 25. Элементы 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 22, 24, 25 входят в управляющее устройство (УУ), которое может быть реализовано как на базовых цифровых элементах, так и с помощью программируемого контроллера. Элементы 3, 5, 7 входят в состав объекта регулирования.

На фиг. 1 и 2 вводятся следующие условные обозначения: y¹ - текущее значение уровня жидкости в емкости-сборнике; y² - текущее значение температуры в конечной части трубопровода наземной прокладки; y³ - текущая величина расхода в трубопроводе; z¹ - задаваемое значение уровня жидкости в емкости-сборнике; z² - задаваемое значение температуры в трубопроводе; z³ - рассчитываемая величина расхода в трубопроводе; e_L - величина рассогласования (разности) по уровню; e_T - величина рассогласования (разности) по температуре; e_P - величина рассогласования (разности) по расходу; u L П - пропорциональный управляющий сигнал по уровню; u L И - интегральный управляющий сигнал по уровню; u L Д - дифференциальный управляющий сигнал по уровню; u_L - полный управляющий сигнал по уровню; u Т П - пропорциональный управляющий сигнал по температуре; u Т И - интегральный управляющий сигнал по температуре; u Т Д - дифференциальный управляющий сигнал по температуре; u_T - полный управляющий сигнал по температуре.

Способ реализуется в цифровой системе следующим образом.

Выход датчика уровня 7 соединяется линией обратной связи с первым входом элемента сравнения 21. По этому каналу передается сигнал текущего значения уровня жидкости в емкости-сборнике у¹, который оцифровывается и вычитается из задаваемого значения уровня z¹, подаваемого на второй вход элемента сравнения 21, после чего величина рассогласования по уровню e_L на выходе элемента сравнения 21 передается на входы регуляторов 13, 15, 17.

Пропорциональный регулятор 13 вычисляет величину пропорционального управляющего сигнала по уровню u L П следующим образом:

где i - индекс такта квантования сигналов (квантование осуществляется по времени с длительностью такта Т₀);

q_П - настроечный коэффициент пропорционального регулятора.

Пропорциональный регулятор позволяет определить и усилить величину рассогласования между требуемым значением регулируемого параметра и его действительным входным значением, что позволяет вычислить основную составляющую величины управляющего сигнала.

Интегральный регулятор 15 вычисляет величину интегрального управляющего сигнала по уровню u L И следующим образом:

где q_И - настроечный коэффициент интегрального регулятора.

Интегральный регулятор позволяет сгладить незначительные колебания входного параметра регулятора, тем самым делая процесс регулирования более плавным.

Дифференциальный регулятор 17 вычисляет величину дифференциального управляющего сигнала по уровню u L Д следующим образом:

где q_Д - настроечный коэффициент дифференциального регулятора.

Дифференциальный регулятор позволяет учитывать скорость изменения входного параметра, что способствует более эффективной стабилизации объекта регулирования.

Полученные значения управляющих сигналов по уровню u L П ( i ) , u L И ( i ) , u L Д ( i ) суммируются сумматором 24, образуя полный управляющий сигнал по уровню u_L(i), который затем передается на первый вход блока расчета расхода 19.

Полный управляющий сигнал по температуре u_T(i) вычисляется аналогичным образом: выход датчика температуры 5 соединяется линией обратной связи с первым входом элемента сравнения 22. По этому каналу передается сигнал текущего значения температуры в конечной части трубопровода открытой прокладки y², который оцифровывается и вычитается из задаваемого значения температуры z², подаваемого на второй вход элемента сравнения 22, после чего величина рассогласования по температуре e_T на выходе элемента сравнения 22 передается на входы регуляторов 14, 16, 18, которые по формулам (1), (2), (3) вычисляют управляющие сигналы u T П ( i ) , u T И ( i ) , u T Д ( i ) , которые затем суммируются сумматором 25, образуя полный управляющий сигнал по температуре u_T(i), подаваемый на второй вход блока расчета расхода 19.

Блок расчета расхода умножает значения u_T(i) и u_L(i) на масштабирующие коэффициенты, необходимые для приведения управляющих сигналов к величине, сопоставимой с величиной расхода жидкости в трубопроводе. Далее выбирается максимальное из полученных значений, которое затем суммируется с величиной расхода на предыдущем такте квантования z³(i-1), в итоге получаем величину расхода на текущем такте квантования z³(i):

где G - коэффициент масштабирования управляющего сигнала по температуре;

K - коэффициент масштабирования управляющего сигнала по уровню.

Выбор наибольшего управляющего сигнала позволяет либо осуществлять эффективное наполнение емкости-сборника, если температурный режим системы позволяет эксплуатировать ее с меньшим расходом (при ), либо предотвратить замерзание трубопровода путем пренебрежения уровнем воды в емкости-сборнике (при ). В последнем случае возможен перелив жидкости через спускное отверстие емкости-сборника.

Блок расчета расхода также получает на третий вход текущее значение температуры в конечной части трубопровода открытой прокладки y², которое сравнивается с критической температурой , где d - величина допустимого отклонения требуемой температуры z². Если , то в качестве требуемой величины расхода на текущем такте квантования z³(i) выбирается максимально возможная величина расхода, что является экстренной мерой, в случае неэффективности алгоритма плавного регулирования расхода для предотвращения замерзания трубопровода.

Величина расхода z³(i) поступает на второй вход элемента сравнения 23, затем из нее вычитается текущая величина расхода y³(i), подаваемая на первый вход элемента сравнения 23 по линии обратной связи от расходомера 3. На выходе элемента сравнения 23 получаем величину рассогласования по расходу e_p(i), которая подается на частотный преобразователь регулятора расхода жидкости 20 для поддержания требуемой величины расхода жидкости в трубопроводе. Для поддержания расхода жидкости частотный преобразователь изменяет частоту вращения электропривода насосного агрегата по определенному внутреннему алгоритму управления (зачастую используется пропорционально-интегрально-дифференциальный закон или его модификации).

Обычно элемент сравнения 23 встраивается в частотный преобразователь. В этом случае величина требуемого расхода z³ и текущего расхода y³ подаются напрямую в частотный преобразователь.

Предложенный способ и цифровая система регулирования, реализующая его, позволяют эффективно регулировать уровень жидкости в емкости-сборнике путем изменения расхода в трубопроводе, одновременно обеспечивая защиту трубопровода от замерзания в зимнее время, за счет введения в алгоритм регулирования дополнительного параметра - температуры жидкости в трубопроводе.

1. Способ регулирования уровня жидкости в емкости-сборнике, включающий измерение сигнала текущего значения уровня жидкости с датчика в емкости-сборнике, его последующую оцифровку и вычитание из задаваемого значения уровня жидкости, преобразование полученной разности по пропорционально-интегральному закону в цифровой управляющий сигнал по уровню, отличающийся тем, что полученную разность дополнительно преобразуют по дифференциальному закону, дополнительно измеряют сигнал текущего значения температуры с датчика на трубопроводе, производят его оцифровку и вычитают из задаваемого значения температуры жидкости в трубопроводе, полученную разность преобразуют по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону в цифровой управляющий сигнал по температуре, затем выбирают наибольший по значению управляющий сигнал, по которому регулируют уровень в емкости-сборнике за счет изменения расхода.

2. Цифровая система регулирования уровня жидкости в емкости-сборнике, содержащая последовательно соединенные элемент сравнения, цифровой регулятор расхода жидкости, объект регулирования, охваченные обратной связью, пропорциональный и интегральный регуляторы по уровню, дополнительные элементы сравнения, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены дифференциальный регулятор по уровню, пропорциональный, интегральный и дифференциальный регуляторы по температуре, сумматоры, блок расчета расхода, при этом входы регуляторов по уровню соединены с выходом второго элемента сравнения, к входу которого подключен первый выход объекта регулирования, а выходы регуляторов через введенный сумматор подключены к первому входу блока расчета расхода, входы введенных пропорционального, интегрального и дифференциального регуляторов по температуре соединены с выходом третьего элемента сравнения, к входу которого подключен второй выход объекта регулирования, а выходы регуляторов по температуре через введенный второй сумматор подключены ко второму входу блока расчета расхода, выход которого соединен с входом первого элемента сравнения, также к третьему входу блока расчета расхода напрямую подключен второй выход объекта регулирования.