一种数字计量泵的运行压力保护系统的制作方法

本发明涉及流体计量输送设备、无刷直流电机（bldc）智能控制及软测量，具体涉及一种数字计量泵的运行压力保护系统，可在不依赖传统压力传感器的条件下实现出口压力的实时估算、超压/欠压保护及负载动态调整，适用于化工加药、水处理、石油化工、食品饮料等需要压力安全防护与精确计量的泵送场景。

背景技术：

1、数字计量泵在运行过程中，出口管路压力是关系到设备安全与工艺稳定的关键参数。出口压力过高可能导致管路爆裂、密封失效、泵头损坏甚至电机过载烧毁；出口压力过低或功率异常则可能反映管路泄漏、泵腔缺液（空转）或单向阀失效等故障。因此，压力保护是计量泵控制系统不可或缺的功能。

2、现有技术中，计量泵的压力保护主要采用以下方案：方案一：外接压力传感器。在泵出口管路安装机械式压力开关或电子式压力变送器，将压力信号接入控制器进行阈值判断。该方案测量精度高，但存在以下缺陷：1）增加硬件成本与安装复杂度；2）压力传感器与工艺介质直接接触，在腐蚀性、高粘度、含颗粒介质中易损坏、堵塞，可靠性差；3）传感器线缆在工业现场易受电磁干扰，且增加了泄漏点；4）需要定期校准维护。方案二：电机过流保护。通过检测电机电流是否超过阈值来间接判断过载，电流超限时切断驱动。该方案仅能实现“过流即停”的粗放保护，存在以下缺陷：1）电流与压力并非线性对应，受电网电压波动、电机温度、转速变化等多重因素影响，误判率高；2）无法区分真实超压与瞬时负载波动；3）仅能实现停机保护，无法进行渐进式负载调整；4）无法检测欠压、空转、泄漏等低压故障。方案三：变频器功率保护。部分变频驱动器具备功率监测功能，但仅作为通用电机保护，未针对计量泵的容积式负载特性建立功率-压力映射模型，无法输出精确的压力估算值，也无法实现压力闭环与流量协同控制。

3、综上，现有技术存在以下共性缺陷：

4、（1）依赖硬件压力传感器，成本高、可靠性差、介质兼容性受限；

5、（2）单纯过流保护精度低，无法区分压力与其他因素对电流的影响；

6、（3）缺乏电压、电流、功率多参数融合的压力软测量模型；

7、（4）保护手段单一（以停机为主），缺乏分级降额与负载动态调整；

8、（5）无法同时检测超压与欠压/空转/泄漏等多类故障；

9、（6）未将推算压力参与流量计量补偿，压力变化时计量精度下降。

10、因此，亟需一种基于电机功率软测量、无需额外压力传感器、能够精确推算出口压力并实现分级保护与负载优化的数字计量泵运行压力保护系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字计量泵的运行压力保护系统，通过功率采集单元获取电机运行的电压、电流、功率等电参数，经数据处理单元滤波解算后，由算法补偿单元建立多变量功率-压力映射模型（软测量），实时推算出口压力，并据此执行超压/欠压分级保护与负载动态调整，使电压、电流、功率参数深度参与算法补偿，在无压力传感器的条件下实现数字计量泵的压力安全防护与稳定精确运行。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种数字计量泵的运行压力保护系统，包括功率采集单元、数据处理单元、算法补偿单元、bldc驱动单元和流速转速控制单元：

3、（1）功率采集单元：在bldc电机驱动回路中布置母线电压采样电路（电阻分压+adc）与相电流采样电路，以固定采样频率同步采集母线电压u_dc(k)与相电流i_phase(k)，并实时计算瞬时功率p_inst(k)=u_dc(k)×i_dc(k)；同时对采样电路进行开路、短路、超量程故障自检；

4、（2）数据处理单元：对原始电压、电流数据进行数字滤波（滑动平均或低通滤波），解算有功功率p_active、视在功率s与功率因数cosφ，剔除异常值（基于功率变化率阈值与3σ准则），计算功率变化率dp/dt，输出稳定的功率特征值p(k)及变化率dp/dt至算法补偿单元；

5、（3）算法补偿单元：基于功率特征值与运行状态，执行以下算法逻辑：

6、① 功率-压力映射模型（软测量核心）：建立出口压力估算公式 p_est = f(p_active, n, t_media, u_dc)，其中p_active为电机有功功率，n为当前转速，t_media为介质温度（可选补偿），u_dc为母线电压。模型基于容积式泵负载特性：p_active = p_loss(n)+ k_pump × δp，其中p_loss(n)为转速相关的空载损耗（机械摩擦+铁损铜损+液压损耗），k_pump为泵的压力-功率转换系数，δp为出口压力与入口压力之差。通过出厂标定获得p_loss(n)曲线与k_pump系数，运行时实时反算δp，进而得到出口压力p_est = p_inlet+ δp；

7、② 多参数补偿：对功率-压力映射进行电压补偿（电网波动时修正功率基准）、转速补偿（不同转速下空载损耗不同）、温度补偿（绕组电阻随温变化影响铜损）、粘度补偿（介质粘度影响摩擦损耗），确保压力估算精度；

8、③ 超压分级保护：设置多级压力阈值（预警级p_warn、降额级p_derate、保护级p_limit、停机级p_shutdown），结合功率变化率dp/dt进行堵转预判，在不同等级下分别执行报警、降速降额、限制流量、安全停机等策略；

9、④ 欠压/空转/泄漏检测：当推算压力低于空载阈值且功率持续偏低时，判定为缺液空转；当功率突然下降且压力估算值骤降时，判定为管路泄漏；分别触发对应报警与保护；

10、⑤ 负载调整策略：根据推算压力动态调整目标转速与功率上限，在超压时平滑降低转速以减小输出流量、降低系统压力；在欠压时适当提升转速以维持流量，实现压力-流量协同优化；

11、⑥ 压力闭环补偿：将推算压力引入流量计量修正，由于压力变化会引起容积效率变化（内泄漏随压差增大而增加），通过压力补偿系数k_q(p)修正实际流量计算，确保高压工况下计量精度；

12、（4）bldc驱动单元：接收算法补偿单元输出的驱动限幅指令与pwm调整参数，执行三相逆变桥驱动、pwm占空比调节与换相逻辑控制，集成硬件过流、过压保护，将算法层的压力保护策略转化为电机实际驱动行为；

13、（5）流速转速控制单元：接收算法补偿单元输出的负载调整指令与转速优化指令，结合光栅传感器反馈执行转速闭环控制，进行流量计量与压力补偿校正；同时将实际转速、估算转矩、实际流量等运行状态反馈至算法补偿单元，形成闭环。

14、上述五个单元协同工作，功率采集→数据处理→算法补偿（压力软测量）→驱动与控制→负载功率反馈构成完整的无传感器压力保护闭环体系。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、（1）无传感器压力检测：无需在管路安装压力传感器，降低硬件成本与安装复杂度，消除介质兼容性限制与泄漏点，提高系统可靠性；

17、（2）多参数融合精度高：融合电压、电流、功率、转速、温度等多参数建立补偿模型，相比单纯过流保护大幅提升压力估算精度，典型误差可控制在±5%fs以内；

18、（3）分级超压保护：多级阈值结合功率变化率预判，实现从预警、降额到安全停机的渐进式保护，避免“过流即停”对工艺的冲击；

19、（4）故障类型可区分：可同时识别超压、堵转、空转、缺液、泄漏等多类故障，分别触发差异化保护策略；

20、（5）负载动态优化：根据推算压力实时调整转速与功率，超压时自动降速减压，欠压时提速保流，实现压力-流量协同最优；

21、（6）计量精度保障：通过压力对容积效率的补偿修正，确保高压工况下实际流量仍精确可控；

22、（7）抗干扰能力强：数据处理单元的数字滤波与多参数交叉校验有效抑制电网波动与电磁干扰，避免误保护；

23、（8）前瞻性堵转保护：引入功率变化率dp/dt，在堵转初期即快速识别并保护，防止电机与泵头损坏。