水泵参数自学习方法、系统、设备及计算机可读存储介质与流程

1.本发明实施例涉及供水领域，更具体地说，涉及一种水泵参数自学习方法、系统、设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.目前恒压/恒流供水系统多采用传感器、变频器、电机和水泵组合的形式，其通过安装在水泵出水口的压力传感器/流量传感器采集的模拟量作为压力反馈值/流量反馈值，再通过pid等控制算法，使当前水泵出水口的水压/流量保持在设定值附近。由于传感器作为一种电子元器件存在失效的可能，在水泵系统管路中的传感器一旦失效，水泵系统则不能采集到准确的压力值，给生产生活带来一定影响甚至危险，而且传感器的使用也增加了恒压供水系统成本。
3.目前，为了避免传感器失效导致的供水系统失控，较为普遍的方案是针对某特定的水泵系统，人工采集并标定出该供水系统的水泵参数，然后将水泵参数写入到控制程序中，在实际恒压/恒流控制过程中，根据上述水泵参数估计出水泵的出水口的水压/流量，以此水压/流量来模拟压力传感器/流量传感器的反馈值，再利用pid等控制算法实现恒压/恒流控制。
4.然而，在上述方案中，水泵参数的标定过程费时费力，成本较高，很难大规模应用。而且，现有的人工采集标定过程可能存在一定的误操作，导致压力/流量估算不精确，恒压/恒流控制精度不高；此外，在标定环境较为恶劣时，人工采集标定具有一定的危险性。


技术实现要素：

5.本发明实施例针对上述传感器失效导致供水系统失控，以及无传感器供水系统中人工采集标定水泵参数费时费力、精度不足、以及特定环境下采集具有一定危险性的问题，提供一种水泵参数自学习方法、系统、设备及计算机可读存储介质。
6.本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种水泵参数自学习方法，用于生成供水系统中的水泵特性参数，所述供水系统包括电机和由所述电机带动运行的水泵，所述方法包括在所述供水系统投入使用之前：
7.分别以多个电机频率控制电机运转；
8.在每一所述电机频率，依次控制位于所述水泵的出水口的电动调节阀门按多个阀门开度开启，并获取所述多个阀门开度下所述供水系统的状态参数；
9.根据所述多个阀门开度下所述供水系统的状态参数，生成每一电机频率的水泵特性参数。
10.作为本发明实施例的进一步优化，所述供水系统的状态参数包括电机频率、电机功率以及所述水泵的出水口水压；
11.所述水泵特性参数用于所述供水系统在无压力传感器状态下的恒压供水控制，且所述水泵特性参数由对应电机频率下的出水口水压与电机功率之间的曲线关系构成；
12.所述根据所述多个阀门开度下所述供水系统的状态参数，生成每一电机频率的水泵特性参数，包括：
13.在相同电机频率下，若有n个不同阀门开度所对应的电机功率相同且出水口水压不同，获取所述n个不同阀门开度所对应的电机功率的算术平均值和所述n个不同阀门开度所对应的出水口水压的算术平均值，n为大于或等于2的整数；
14.将所述电机功率的算术平均值和所述出水口水压的算术平均值，代替所述n个不同阀门开度所对应的电机功率及出水口水压，生成对应电机频率的水泵特性参数。
15.作为本发明实施例的进一步优化，所述供水系统的状态参数包括电机频率、电机功率以及所述水泵的出水口流量；
16.所述水泵特性参数用于所述供水系统在无压力传感器状态下的恒流供水控制，且所述水泵特性参数由对应电机频率下的出水口流量与电机功率之间的曲线关系构成；
17.所述根据所述多个阀门开度下所述供水系统的状态参数，生成每一电机频率的水泵特性参数，包括：
18.在相同电机频率下，若有n个不同阀门开度所对应的电机功率相同且出水口流量不同，获取所述n个不同阀门开度所对应的电机功率的算术平均值和所述n个不同阀门开度所对应的出水口流量的算术平均值，n为大于或等于2的整数；
19.将所述电机功率的算术平均值和所述出水口流量的算术平均值，代替所述n个不同阀门开度所对应的电机功率及出水口流量，生成对应电机频率的水泵特性参数。
20.作为本发明实施例的进一步优化，所述方法还包括：
21.通过图形用户界面显示所述供水系统的状态参数；
22.根据输入装置的输入信息导入供水系统的状态参数。
23.本发明还提供一种水泵参数自学习系统，用于生成供水系统中的水泵特性参数，所述供水系统包括电机和由所述电机带动运行的水泵，所述水泵参数自学习系统包括电机控制器、上位机以及安装到所述水泵的出水口的传感器和电动调节阀门，且所述电机控制器分别与所述上位机、传感器和电动调节阀门连接；
24.所述电机控制器，用于在所述供水系统投入使用之前，根据上位机的指令，分别以多个电机频率控制电机运转，且在每一所述电机频率，依次控制位于所述水泵的出水口的电动调节阀门按多个阀门开度开启，并获取所述多个阀门开度下所述供水系统的状态参数；
25.所述上位机，用于在所述供水系统投入使用之前，向所述电机控制器发送指令，并根据来自所述电机控制器的所述多个阀门开度下所述供水系统的状态参数，生成每一电机频率的水泵特性参数。
26.作为本发明实施例的进一步优化，所述供水系统的状态参数包括电机频率、电机功率以及所述水泵的出水口水压；
27.所述水泵特性参数用于所述供水系统在无压力传感器状态下的恒压供水控制，且所述水泵特性参数由对应电机频率下的出水口水压与电机功率之间的曲线关系构成；
28.在相同电机频率下，若有n个不同阀门开度所对应的电机功率相同且出水口水压不同，n为大于或等于2的整数，所述上位机获取所述n个不同阀门开度所对应的电机功率的算术平均值和所述n个不同阀门开度所对应的出水口水压的算术平均值，并将所述电机功
率的算术平均值和所述出水口水压的算术平均值，代替所述n个不同阀门开度所对应的电机功率及出水口水压，生成对应电机频率的水泵特性参数。
29.作为本发明实施例的进一步优化，所述供水系统的状态参数包括电机频率、电机功率以及所述水泵的出水口流量；
30.所述水泵特性参数用于所述供水系统在无压力传感器状态下的恒流供水控制，且所述水泵特性参数由对应电机频率下的出水口流量与电机功率之间的曲线关系构成；
31.在相同电机频率下，若有n个不同阀门开度所对应的电机功率相同且出水口流量不同，n为大于或等于2的整数，所述上位机获取所述n个不同阀门开度所对应的电机功率的算术平均值和所述n个不同阀门开度所对应的出水口流量的算术平均值，并将所述电机功率的算术平均值和所述出水口流量的算术平均值，代替所述n个不同阀门开度所对应的电机功率及出水口流量，生成对应电机频率的水泵特性参数。
32.作为本发明实施例的进一步优化，所述上位机包括图形用户界面，且所述图形用户界面显示区域及数据导入区域，其中：
33.所述显示区域，用于显示所述供水系统的状态参数的显示区域；
34.所述数据导入区域，用于根据输入装置的输入信息导入供水系统的状态参数。
35.本发明实施例还提供一种水泵参数自学习设备，包括位于上位机的第一存储器和第一处理器，位于电机控制器的第二存储器和第二处理器，所述第一存储器中存储有可在所述第一处理器中执行的计算机程序，所述第二存储器中存储有可在所述第二处理器中执行的计算机程序，且所述第一处理器和第二处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的水泵参数自学习方法的步骤。
36.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上所述的水泵参数自学习方法的步骤。
37.本发明实施例具有以下技术效果：通过在供水系统投入使用之前，以自学习方式获得水泵特性参数，使得供水系统在使用过程中可利用自学习获得的水泵特性参数进行供水控制，不仅降低了供水系统的成本，而且提高了供水控制精度。
附图说明
38.图1是本发明实施例提供的水泵参数自学习方法的流程示意图；
39.图2是本发明实施例提供的水泵参数自学习方法中获取多个阀门开度下供水系统的状态参数的流程示意图；
40.图3是本发明另一实施例提供的水泵参数自学习方法的流程示意图；
41.图4是本发明实施例提供的水泵参数自学习系统的示意图；
42.图5是本发明实施例提供的水泵参数自学习设备的示意图。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
44.本发明提供一种水泵参数自学习方法，该方法可应用于供水系统，其可在供水系统投入使用前生成供水系统中的水泵特性参数。结合图4所示，上述供水系统包括电机42、由电机42带动运行的水泵43，当供水系统用于恒压供水时，该自学习方法还需在水泵43的出水口安装压力传感器44和电动调节阀门46；当供水系统用于恒流供水时，该自学习方法还需在水泵43的出水口安装流量传感器45和电动调节阀门46。其中电动调节阀46安装在水泵43的出水口的总支路上，且位于压力传感器44/流量传感器45之后。
45.特别地，上述电机42可采用由变频器、可编程逻辑控制器(programmable logic controller，plc)和电机组成的一体机。当然，在实际应用中，也可使用变频器、可编程逻辑控制器和电机代替上述一体机。电动调节阀门46、压力传感器44/流量传感器45分别与可编程逻辑控制器连接，且可编程逻辑控制器可向电动调节阀门46发送控制信号，以及从压力传感器44/流量传感器45获得采样数据。
46.结合图1所示，本实施例的水泵参数自学习方法可结合与电机42通信连接的上位机41实现，且该方法在供水系统投入使用之前执行。其中，电机42的可编程逻辑控制器以串口方式与上位机41通讯，上位机41可基于windows系统开发，整个上位机的图形用户界面可划分为显示区、参数设置区、数据保存区、及数据导入区域等。具体地，本实施例的水泵参数自学习方法包括以下步骤：
47.步骤s11：分别以多个电机频率控制电机42运转，并由电机42带动水泵43运转，从而使得水泵43的出水口出水。
48.上述电机频率可通过上位机41预先设置，并涵盖电机42的最低运行频率至额定频率(例如上述多个电机频率可在电机42的最低运行频率至额定频率之间按等步长方式设置)，并且，预设的电机频率越多，对供水系统投入使用后的控制精度越高。
49.具体地，电机频率可在上位机41上设置完成后，由上位机41发送到可编程逻辑控制器，再由变频器根据可编程逻辑控制器的信号控制电机以预设的电机频率运行。电机42的运行控制方式属于本领域的惯用技术，在此不再赘述。
50.步骤s12：在每一电机频率，即在电机运行于每一电机频率时，可编程逻辑控制器依次控制位于水泵43的出水口的电动调节阀门46按多个阀门开度开启，并获取每一阀门开度下供水系统的状态参数。上述供水系统的状态参数具体可采集变频器的信号和压力传感器44/流量传感器45的输出信号获得。
51.具体地，上述阀门开度也在上位机41上预先设置，并由上位机41发送的可编程逻辑控制器。上述阀门开度涵盖电动调节阀门46的全关至全开(例如该多个阀门开度可在电动调节阀门46的全关至全开之间按等步长方式设置)，并且，预设的阀门开度越多，对供水系统投入使用后的控制精度越高。
52.步骤s13：根据多个阀门开度下供水系统的状态参数，生成每一电机频率的水泵特性参数。即在确认某一电机频率下所有阀门开度所对应的状态参数都已采集完成，则可根据设定的运行算法(例如最小二乘法)，计算出该电机频率下的水泵特性参数，该水泵特性参数可采用表格形式。
53.该步骤由上位机41执行，即可编程逻辑控制器在采集到供水系统的状态参数后，通过串口发送到上位机41。在实际应用中，若可编程逻辑控制器的功能比较强大，该步骤也可直接由可编程逻辑控制器执行。
54.上述水泵特性参数可由可编程逻辑控制器写入到变频器的eeprom，从而完成水泵参数自学习，此时可拆去电动调节阀门46、压力传感器44/流量传感器45，供水系统可正常投入使用。
55.在供水系统正式投入使用后(此时压力传感器44/流量传感器45已拆除)，变频器可使用该水泵特性参数代替传感器的反馈信号，作为pid调节的反馈值，驱动水泵进行供水控制。
56.上述水泵参数自学习方法，通过在供水系统投入使用之前，以自学习方式获得水泵特性参数，使得供水系统在使用过程中可利用自学习获得的水泵特性参数进行供水控制，不仅降低了供水系统的成本，而且提高了供水控制精度。
57.在本发明的一个实施例中，供水系统在正常使用时可实现恒压供水，相应地，步骤s12中获取的多个阀门开度下的供水系统的状态参数包括电机频率、电机功率以及水泵43的出水口水压，其中电机频率和电机功率可直接从变频器采集获得，出水口水压则可从水泵43的出水口的压力传感器44采集获得。电机频率、电机功率及出水口水压的采集方式属于本领域的惯用技术，在此不再赘述。
58.相应地，水泵特性参数用于供水系统在无压力传感器状态下(即正常使用过程中)的恒压供水控制，且所述水泵特性参数由对应电机频率下的出水口水压与电机功率之间的曲线关系(该曲线关系可采用表格来表示)构成。
59.在供水系统正式投入使用时，变频器和可编程逻辑控制器自动采集当前运行的电机频率、电机功率，然后根据水泵特性参数得到当前水泵出水口的水压，并以此水压作为pid调节的反馈值，通过调节变频器运行频率，缩小反馈的水压与设定压力差距，直到将水泵的出水口的水压稳定在设定压力附近，从而实现恒压供水。
60.结合图2所示，在本发明的一个实施例中，图1中的步骤s13，即根据所述多个阀门开度下供水系统的状态参数，生成每一电机频率的水泵特性参数，可包括：
61.步骤s131：判断在相同电机频率下，是否有n个不同阀门开度所对应的电机功率相同且出水口水压不同，其中n为大于或等于2的整数。若有n个不同阀门开度所对应的电机功率相同且出水口水压不同的情况，则表示压力传感器采集的数据存在错误，执行步骤s132，否则执行步骤s134。
62.步骤s132：获取n个不同阀门开度所对应的电机功率的算术平均值和n个不同阀门开度所对应的出水口水压的算术平均值，然后执行步骤s133。
63.步骤s133：将电机功率的算术平均值和出水口水压的算术平均值，代替n个不同阀门开度所对应的电机功率及出水口水压，与其他阀门开度对应的电机功率和出水口水压一起，生成对应电机频率的水泵特性参数，即在生成水泵特性参数时，不考虑n个不同阀门开度所对应的电机功率和出水口水压。
64.步骤s134：根据所有阀门开度所对应的电机功率及出水口水压，生成对应电机频率的水泵特性参数。
65.通过上述步骤s131
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步骤s134，可减小因压力传感器采集的水压存在错误而导致的水泵特性参数不准确，并使用n个电机功率的算术平均值和n个出水口水压的算术平均值代替原状态数据进行水泵特性参数获取，从而大大提高了水泵特性参数的准确性，并使得供水系统后续的恒压供水的精度大大提高。
66.在本发明的另一实施例中，供水系统可实现恒流供水，相应地，步骤s12中可编程逻辑控制器获取的状态参数包括电机频率、电机功率以及水泵的出水口流量，其中电机频率和电机功率可直接从变频器采集获得，出水口流量则可从水泵43的出水口的流量传感器45采集获得。电机频率、电机功率及出水口流量的采集方式属于本领域的惯用技术，在此不再赘述。
67.相应地，水泵特性参数用于供水系统在无流量传感器状态下(即正常使用过程中)的恒流供水控制，且水泵特性参数由对应电机频率下的出水口流量与电机功率之间的曲线关系(该曲线关系可采用表格来表示)构成。
68.类似地，为避免流量传感器45的输出存在错误，在相同电机频率下，若有n个不同阀门开度所对应的电机功率相同且出水口流量不同，获取n个不同阀门开度所对应的电机功率的算术平均值和n个不同阀门开度所对应的出水口流量的算术平均值，n为大于或等于2的整数；然后将电机功率的算术平均值和出水口流量的算术平均值，代替n个不同阀门开度所对应的电机功率及出水口流量，生成对应电机频率的水泵特性参数，从而提高水泵特性参数的准确性。
69.结合图3所示，是本发明另一实施例提供的水泵参数自学习方法的流程示意图。该方法同样可用于供水系统正式使用前，且该方法包括：
70.步骤s301：上位机设置阀门开度和电机频率。
71.在该步骤中，根据客户需求将电动调节阀门从全关到全开划分为若干阀门开度(即开度梯度)，阀门开度的划分可根据电动调节阀门的特性给予推荐；类似地，将变频器的工作频率划分为若干电机频率，电机频率的数目根据客户控制精度需求给予推荐。上述阀门开度及电机频率设置个数，可在上位机界面设置。
72.步骤s302：上位机将阀门开度和电机频率(起始的电机频率)发送给可编程逻辑控制器。
73.具体地，完成阀门开度及电机频率设置后，在上位机的界面点击开始按钮，上位机将启动命令、电机频率和阀门开度传递至可编程逻辑控制器。
74.步骤s303：可编程逻辑控制器将电机频率通过内部通讯传至变频器，变频器控制电机以设定的电机频率运转，进而带动水泵运行。
75.步骤s304：可编程逻辑控制器将阀门开度传递至电动调节阀门，控制电动调节阀按设定的阀门开度开启。
76.步骤s305：待供水系统运行至稳定状态，可编程逻辑控制器记录并采集电机频率，电机功率，出水口水压/出水口流量等数据，并将上述数据通过串口通讯发送至上位机。上位机收到数据后显示并保存，保存完成后，上位机发送保存完成标志给可编程逻辑控制器。
77.步骤s306：可编程逻辑控制器判断是否所有阀门开度已执行，若是，执行步骤s308，否则执行步骤s307。
78.步骤s307：可编程逻辑控制器更新阀门开度，并将更新后的阀门开度发送给电动调节阀门，再执行步骤s304，使电动调节阀门以更新后的阀门开度开启。
79.步骤s308：上位机判断是否所有电机频率对应的供水系统的状态参数已经采集完毕，若是，执行步骤s310，否则执行步骤s309。
80.步骤s309：上位机更新电机频率，并将更新后的电机频率发送至可编程逻辑控制
器，再执行步骤s303，由可编程逻辑控制器发送更新后的电机频率至变频器执行。
81.步骤s310：上位机根据供水系统的状态数据生成水泵特性参数，并将水泵特性参数通过串口通讯传递至可编程逻辑控制器，由科编程瑞吉控制器将其写入变频器的eeprom中，由此完成供水数据自标定工作。其中，根据供水系统的状态数据生成水泵特性参数步骤可在步骤s308之前操作。
82.在本发明的一个实施例中，本发明的供水参数自学习方法还包括：上位机通过图形用户界面显示供水系统的状态参数，即步骤s12或步骤s305中获得的状态参数；并根据输入装置的输入信息修改供水系统的状态参数(例如可先将状态参数导出，修改完成后再导入，从而完成修改)。相应地，在步骤s13或步骤s310中，可根据修改后的状态参数生成水泵特性参数。
83.通过该方式，可由使用者根据现场环境调整状态参数，从而进一步提高水泵特性参数的准确性。
84.结合图4所示，本发明实施例还提供一种水泵参数自学习系统，用于生成供水系统中的水泵特性参数，其中供水系统包括电机42和由电机42带动运行的水泵43。本实施例的水泵参数自学习系统包括电机控制器、上位机41以及安装到水泵43的出水口的传感器和电动调节阀门46，且电机控制器分别与上位机41、传感器、电动调节阀门46连接。具体地，上述电机控制器可与电机42一体，并包括变频器和可编程逻辑控制器。
85.本实施例中的电机控制器，用于根据上位机的指令，分别以多个电机频率控制电机42运转，且在每一电机频率，依次控制位于水泵43的出水口的电动调节阀门46按多个阀门开度开启，并获取多个阀门开度下供水系统的状态参数。
86.上位机41用于向电机控制器发送指令，并根据来自电机控制器的多个阀门开度下供水系统的状态参数，生成每一电机频率的水泵特性参数。
87.在本发明的一个实施例中，供水系统的状态参数包括电机频率、电机功率以及水泵43的出水口水压；
88.相应地，水泵特性参数用于供水系统在无压力传感器状态下的恒压供水控制，且水泵特性参数由对应电机频率下的出水口水压与电机功率之间的曲线关系构成。
89.为减小压力传感器输出错误而导致的水泵特性参数精度不足，在本发明的一个实施例中，在相同电机频率下，若有n个不同阀门开度所对应的电机功率相同且出水口水压不同，n为大于或等于2的整数，上位机获取n个不同阀门开度所对应的电机功率的算术平均值和所述n个不同阀门开度所对应的出水口水压的算术平均值，并将电机功率的算术平均值和所述出水口水压的算术平均值，代替n个不同阀门开度所对应的电机功率及出水口水压，生成对应电机频率的水泵特性参数。
90.在本发明的另一实施例中，供水系统的状态参数包括电机频率、电机功率以及水泵43的出水口流量；
91.相应地，水泵特性参数用于供水系统在无流量传感器状态下的恒流供水控制，且水泵特性参数由对应电机频率下的出水口流量与电机功率之间的曲线关系构成。
92.类似地，为减小流量传感器输出错误而导致的水泵特性参数精度不足，在本发明的一个实施例中，在相同电机频率下，若有n个不同阀门开度所对应的电机功率相同且出水口流量不同，n为大于或等于2的整数，上位机获取n个不同阀门开度所对应的电机功率的算
memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
103.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。