本發(fā)明屬于隔膜泵啟動控制技術領域，具體涉及一種三缸單作用隔膜泵安全啟動方法。

背景技術：

在尾礦輸送過程中，需要將選礦中的分選產(chǎn)物尾礦輸送至尾礦壩進行存儲，一是為了防止污染，二是以待二次開發(fā)利用。尾礦由隔膜泵提供動力，經(jīng)輸送管道送至尾礦壩。

在實際生產(chǎn)過程中，所用隔膜泵絕大多數(shù)為三缸單作用，隔膜泵的運行頻率受多種因素的影響，如尾礦輸送量、輸送管道可承受壓力、外界溫度等。一般來說，當尾礦輸送系統(tǒng)正常運行時，尾礦輸送量變化小，隔膜泵需要調(diào)節(jié)的幅度小，不易發(fā)生生產(chǎn)安全事故。而企業(yè)從生產(chǎn)安全的角度著想，需要定期對隔膜泵進檢修，同時由于一些其他不可抗拒因素需要對隔膜泵進行停機操作。當隔膜泵重新啟動時，由現(xiàn)場工人到現(xiàn)場對plc的觸摸屏進行操作，依靠主觀經(jīng)驗每隔一段時間提高一點運行頻率，直到達到合適的頻率。

然而由于plc程序的執(zhí)行方式循環(huán)掃描，隔膜泵頻率升降依靠定時器、計數(shù)器完成，所以操作工人有時候點擊觸摸屏時會出現(xiàn)頻率不變，或頻率變化過大等現(xiàn)象。按照現(xiàn)場工人的啟動方式操作，得到的隔膜泵啟動曲線為不規(guī)則階梯狀，這樣就導致在啟動過程中可能發(fā)生管道壓力突變，從而引發(fā)管道爆裂事故。目前并沒有可供參考的曲線模型指導操作工人安全啟動隔膜泵。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有三缸單作用隔膜泵啟動控制主要依賴人工經(jīng)驗并且沒有一套監(jiān)控報警系統(tǒng)的問題，提供了一種三缸單作用隔膜泵安全啟動方法。本發(fā)明通過建立隔膜泵啟動曲線模型，并結(jié)合實際的隔膜泵速度設定值與出口壓力之間的關系得出實際啟動曲線，并且針對啟動過程中可能發(fā)生的由于壓力驟增導致的管道破裂問題建立一套啟動過程監(jiān)控報警方法，從而實現(xiàn)隔膜泵的安全穩(wěn)定啟動。

一種三缸單作用隔膜泵安全啟動方法，包括如下步驟：

步驟1：收集尾礦輸送過程中隔膜泵速度設定值、工作頻率、隔膜泵出口管道壓力數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理；所述速度設定值用以表示隔膜泵的工作強度，是操作人員控制隔膜泵的一個控制量，其值與帶動隔膜泵的電機的轉(zhuǎn)速相關；

步驟2：根據(jù)步驟1中分析處理后的數(shù)據(jù)建立樣本庫；

步驟3：將樣本庫中的數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合出隔膜泵速度設定值與隔膜泵出口管道壓力之間的函數(shù)關系并以函數(shù)的方式保存；

步驟4：建立隔膜泵啟動壓力曲線模型；

步驟5：獲取隔膜泵啟動目標管道壓力值、啟動時間，根據(jù)步驟3和步驟4，得到隔膜泵啟動速度設定值曲線；其中，啟動目標值和啟動時間為人為給定，具體值視當前啟動過程處理流體的量決定；

步驟6：根據(jù)步驟5中得到的隔膜泵啟動速度設定值曲線，按照每次設定值加一的規(guī)則，計算啟動過程中每次更改設定值所需要的時間間隔；

步驟7：根據(jù)步驟3中的隔膜泵速度設定值與隔膜泵出口管道壓力之間的擬合關系式，建立隔膜泵速度設定值與報警閾值的關系式并制定報警規(guī)則。

所述三缸單作用隔膜泵安全啟動方法，其中：

所述步驟1的對收集的隔膜泵速度設定值、工作頻率、隔膜泵出口管道壓力數(shù)據(jù)進行分析處理；具體的，每個速度設定值之下，隔膜泵出口管道壓力值理論上是周期變化的，也就是存在每個周期內(nèi)的最大值和最小值，選出最大值和最小值，最終整理出來的數(shù)據(jù)是速度設定值、工作頻率、最大壓力、最小壓力一一對應的一組數(shù)據(jù)；具體步驟如下：

步驟1.1：構(gòu)建機理模型，確定隔膜泵出口管道壓力理論變化規(guī)律，所述機理模型如下：

q＝q1+q2+q3

p＝α·q

其中，q1、q2、q3分別表示1號、2號、3號單缸的流量，所述3個單杠同時工作，區(qū)別為初始相角不同，相角差互為120°；qm是每個缸每個周期內(nèi)的最大流量值，單位為m3/h；q為三個單缸作用耦合后隔膜泵出口的總流量；r為曲柄長度，單位為米；l為連桿長度，單位為米；ψ是曲柄當前位置與起始位置間的角度，單位為rad；p表示出口管道壓力，單位為kpa；α表示比例系數(shù)；

步驟1.2：根據(jù)隔膜泵頻率及步驟1.1中的出口管道壓力理論變化規(guī)律，確定理論壓力變化時間周期，公式如下：

其中，v表示頻率，單位為轉(zhuǎn)/分鐘；t單位為秒；

步驟1.3：根據(jù)步驟1.2中的時間周期，確定每個周期中的壓力最大值和壓力最小值。

所述步驟3的擬合出隔膜泵速度設定值與隔膜泵出口管道壓力之間的函數(shù)關系并以函數(shù)的方式保存，具體步驟如下：

步驟3.1：選擇一次、二次、三次、四次多項式函數(shù)，擬合出隔膜泵出口管道最大壓力值與隔膜泵速度設定值之間的關系式；

步驟3.2：選擇一次、二次、三次、四次多項式函數(shù)，擬合出隔膜泵出口管道最小壓力值與隔膜泵速度設定值之間的關系式；

步驟3.3：根據(jù)步驟3.1和步驟3.2中的擬合結(jié)果，選擇最合適的擬合函數(shù)，并保存函數(shù)關系式；所述的最合適的函數(shù)是指r-square最接近1的函數(shù)，r-square相同的情況下，選擇次數(shù)低的函數(shù)以降低計算成本。

所述步驟4的建立隔膜泵啟動壓力曲線模型，具體步驟如下：

步驟4.1：設計一種自適應三段加速型曲線，曲線及曲線斜率函數(shù)關系分別如圖2和圖3所示，所述曲線需滿足以下關系式：

t1＝t3-t2

vmax＝a1·t1

其中，起始點至t1為勻加速階段，t1至t2為勻速階段，t2至t3為勻減速階段；t1為勻加速結(jié)束時刻，t2為勻速結(jié)束時刻，t3為終點時刻，t1、t2、t3單位均為min；vmax為勻速階段速度，單位為kpa/min；pmax為隔膜泵出口管道目標壓力值；a1為勻加速階段加速度，單位為(kpa)2/min；a2為勻減速階段加速度，單位為(kpa)2/min；

步驟4.2：根據(jù)實際隔膜泵出口管道的內(nèi)壓承受能力，對步驟4.1中所設計的曲線進行參數(shù)限定。

所述步驟7的根據(jù)步驟3中的擬合關系式，建立隔膜泵速度設定值與報警閾值的關系式并制定報警規(guī)則，具體步驟如下：

步驟7.1：根據(jù)步驟3中擬合出的函數(shù)關系式及步驟1中收集到的數(shù)據(jù)，建立報警閾值關系式；

步驟7.2：根據(jù)實際隔膜泵的運行情況，制定報警規(guī)則。

本發(fā)明方法與現(xiàn)行方法相比較具有以下的優(yōu)點：

通過分析隔膜泵的機理，分析其理論工作周期和壓力變化規(guī)律；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動技術，建立了隔膜泵出口壓力與隔膜泵速度設定值的一一對應關系；建立自適應三段加速型曲線并使其應用到隔膜泵啟動過程，得到了隔膜泵啟動過程速度設定值曲線模型。同時，通過對數(shù)據(jù)的分析，建立了壓力的動態(tài)報警機制，保證了啟動過程的安全性。實現(xiàn)了隔膜泵的平穩(wěn)啟動，能夠為操作人員調(diào)整隔膜泵速度設定值提供參考，減少了僅依靠人工經(jīng)驗帶來的弊端。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種三缸單作用隔膜泵安全啟動方法流程圖。

圖2為本發(fā)明設計的自適應三段加速型曲線圖。

圖3為本發(fā)明設計的自適應三段加速型曲線斜率圖。

圖4為本發(fā)明實例1中擬合出的隔膜泵速度設定值與隔膜泵出口管道壓力周期最大值之間函數(shù)圖像。

圖5為本發(fā)明實例1中擬合出的隔膜泵速度設定值與隔膜泵出口管道壓力周期最小值之間函數(shù)圖像。

圖6為本發(fā)明實例1中隔膜泵啟動過程出口壓力曲線。

圖7為本發(fā)明實例1中隔膜泵啟動過程速度設定值曲線。

圖8為本發(fā)明實例1中隔膜泵啟動過程時間間隔計算結(jié)果。

圖9為本發(fā)明實例1中隔膜泵實際啟動過程曲線。

圖10為本發(fā)明實例1中隔膜泵啟動過程報警規(guī)則流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，以某選礦廠實際情況為例，該廠輸送尾礦所選用的為geho活塞隔膜泵，對本發(fā)明的具體實施做詳細說明。

如圖1所示，一種三缸單作用隔膜泵安全啟動方法，包括如下步驟：

步驟1：收集尾礦輸送過程隔膜泵速度設定值、工作頻率、隔膜泵出口管道壓力等數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理；

步驟1.1：通過構(gòu)建機理模型，確定隔膜泵出口管道壓力理論變化規(guī)律；

q＝q1+q2+q3

p＝α·q

其中，q1、q2、q3分別表示1號、2號、3號單缸的流量，所述3個單杠同時工作，區(qū)別為初始相角不同，相角差互為120°；qm是每個缸每個周期內(nèi)的最大流量值，單位為m3/h；q為三個單缸作用耦合后隔膜泵出口的總流量；r為曲柄長度，單位為米；l為連桿長度，單位為米；ψ是曲柄當前位置與起始位置間的角度，單位為rad；p表示出口管道壓力，單位為kpa；α表示比例系數(shù)；

步驟1.2：根據(jù)隔膜泵頻率及步驟1.1中的壓力變化規(guī)律，確定壓力變化時間周期；

步驟1.3：根據(jù)步驟1.2中的時間周期，確定每個周期中的壓力最大值和壓力最小值；

步驟2：根據(jù)步驟1數(shù)據(jù)建立樣本庫；

步驟3：將樣本庫中的數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合出隔膜泵速度設定值與隔膜泵出口管道壓力之間的函數(shù)關系并以函數(shù)的方式保存；

步驟3.1：選擇一次、二次、三次、四次多項式函數(shù)，擬合出隔膜泵出口管道最大壓力值與隔膜泵速度設定值之間的關系式，具體關系式如下：

步驟3.2：選擇一次、二次、三次、四次多項式函數(shù)，擬合出隔膜泵出口管道最小壓力值與隔膜泵速度設定值之間的關系式；

步驟3.3：根據(jù)步驟3.1和步驟3.2中的擬合結(jié)果，選擇最合適的擬合函數(shù)，并保存函數(shù)關系式，這里均選擇二次多項式，函數(shù)關系式如下：

得到的圖像擬合曲線如圖4和圖5所示；

步驟4：建立隔膜泵啟動壓力曲線模型；

步驟4.1：設計一種自適應三段加速型曲線，曲線及曲線斜率函數(shù)關系分別如圖2和圖3所示，所述曲線需滿足以下關系式：

a1·t1＝a2·(t3-t2)

vmax＝a1·t1

其中，起始點至t1為勻加速階段，t1至t2為勻速階段，t2至t3為勻減速階段；t1為勻加速結(jié)束時刻，t2為勻速結(jié)束時刻，t3為終點時刻，t1、t2、t3單位均為min；vmax為勻速階段速度，單位為kpa/min；pmax為隔膜泵出口管道目標壓力值；a1為勻加速階段加速度，單位為(kpa)2/min；a2為勻減速階段加速度，單位為(kpa)2/min；

步驟4.2：根據(jù)實際隔膜泵出口管道的內(nèi)壓承受能力，對步驟4.1中所設計的曲線進行參數(shù)限定：

為防止壓力驟變引起的爆管現(xiàn)象，vmax應小于40kpa/min，為方便計算，取a1＝-a2；

步驟5：獲取隔膜泵啟動目標管道壓力值、啟動時間，根據(jù)步驟3和步驟4，給出隔膜泵啟動速度設定值曲線，給定數(shù)據(jù)和求解數(shù)據(jù)如下表：

得到的隔膜泵啟動出口管道壓力曲線和速度設定值曲線如圖6和圖7所示。

步驟6：根據(jù)步驟5中的隔膜泵啟動速度設定值曲線，按照每次設定值加一的規(guī)則，計算啟動過程中每次更改設定值所需要的時間間隔，計算結(jié)果如圖8所示，隔膜泵最終實際啟動過程曲線如圖9所示；

步驟7：根據(jù)步驟3中的擬合關系式，建立隔膜泵速度設定值與報警閾值的關系式并制定報警規(guī)則；

步驟7.1：根據(jù)步驟3中擬合出的函數(shù)關系式及步驟1中收集到的數(shù)據(jù)，建立報警閾值關系式，關系式如下：

f(x)＝-0.2354x2+76.98x+20

步驟7.2：根據(jù)實際隔膜泵的運行情況，制定報警規(guī)則，報警規(guī)則如圖10所示。

技術特征：

1.一種三缸單作用隔膜泵安全啟動方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：收集尾礦輸送過程中隔膜泵速度設定值、工作頻率、隔膜泵出口管道壓力數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理；

步驟2：根據(jù)步驟1中分析處理后的數(shù)據(jù)建立樣本庫；

步驟3：將樣本庫中的數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合出隔膜泵速度設定值與隔膜泵出口管道壓力之間的函數(shù)關系并以函數(shù)的方式保存；

步驟4：建立隔膜泵啟動壓力曲線模型；

步驟5：獲取隔膜泵啟動目標管道壓力值、啟動時間，根據(jù)步驟3和步驟4，得到隔膜泵啟動速度設定值曲線；

步驟6：根據(jù)步驟5中得到的隔膜泵啟動速度設定值曲線，按照每次設定值加一的規(guī)則，計算啟動過程中每次更改設定值所需要的時間間隔；

步驟7：根據(jù)步驟3中的隔膜泵速度設定值與隔膜泵出口管道壓力之間的擬合關系式，建立隔膜泵速度設定值與報警閾值的關系式并制定報警規(guī)則。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三缸單作用隔膜泵安全啟動方法，其特征在于，所述步驟1的對收集的隔膜泵速度設定值、工作頻率、隔膜泵出口管道壓力數(shù)據(jù)進行分析處理；具體步驟如下：

步驟1.1：構(gòu)建機理模型，確定隔膜泵出口管道壓力理論變化規(guī)律，所述機理模型如下：

q＝q1+q2+q3

p＝α·q

其中，q1、q2、q3分別表示1號、2號、3號單缸的流量，所述3個單杠同時工作，區(qū)別為初始相角不同，相角差互為120°；qm是每個缸每個周期內(nèi)的最大流量值，單位為m3/h；q為三個單缸作用耦合后隔膜泵出口的總流量；r為曲柄長度，單位為米；l為連桿長度，單位為米；ψ是曲柄當前位置與起始位置間的角度，單位為rad；p表示出口管道壓力，單位為kpa；α表示比例系數(shù)；

步驟1.2：根據(jù)隔膜泵頻率及步驟1.1中的出口管道壓力理論變化規(guī)律，確定理論壓力變化時間周期，公式如下：

其中，v表示頻率，單位為轉(zhuǎn)/分鐘；t單位為秒；

步驟1.3：根據(jù)步驟1.2中的時間周期，確定每個周期中的壓力最大值和壓力最小值。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三缸單作用隔膜泵安全啟動方法，其特征在于，所述步驟3的擬合出隔膜泵速度設定值與隔膜泵出口管道壓力之間的函數(shù)關系并以函數(shù)的方式保存，具體步驟如下：

步驟3.1：選擇一次、二次、三次、四次多項式函數(shù)，擬合出隔膜泵出口管道最大壓力值與隔膜泵速度設定值之間的關系式；

步驟3.2：選擇一次、二次、三次、四次多項式函數(shù)，擬合出隔膜泵出口管道最小壓力值與隔膜泵速度設定值之間的關系式；

步驟3.3：根據(jù)步驟3.1和步驟3.2中的擬合結(jié)果，選擇最合適的擬合函數(shù)，并保存函數(shù)關系式；所述的最合適的函數(shù)是指r-square最接近1的函數(shù)，r-square相同的情況下，選擇次數(shù)低的函數(shù)以降低計算成本。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三缸單作用隔膜泵安全啟動方法，其特征在于，所述步驟4的建立隔膜泵啟動壓力曲線模型，具體步驟如下：

步驟4.1：設計一種自適應三段加速型曲線，曲線及曲線斜率函數(shù)關系分別如圖2和圖3所示，所述曲線需滿足以下關系式：

t1＝t3-t2

vmax＝a1·t1

其中，起始點至t1為勻加速階段，t1至t2為勻速階段，t2至t3為勻減速階段；t1為勻加速結(jié)束時刻，t2為勻速結(jié)束時刻，t3為終點時刻，t1、t2、t3單位均為min；vmax為勻速階段速度，單位為kpa/min；pmax為隔膜泵出口管道目標壓力值；a1為勻加速階段加速度，單位為(kpa)2/min；a2為勻減速階段加速度，單位為(kpa)2/min；

步驟4.2：根據(jù)實際隔膜泵出口管道的內(nèi)壓承受能力，對步驟4.1中所設計的曲線進行參數(shù)限定。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三缸單作用隔膜泵安全啟動方法，其特征在于，所述步驟7的根據(jù)步驟3中的擬合關系式，建立隔膜泵速度設定值與報警閾值的關系式并制定報警規(guī)則，具體步驟如下：

步驟7.1：根據(jù)步驟3中擬合出的函數(shù)關系式及步驟1中收集到的數(shù)據(jù)，建立報警閾值關系式；

步驟7.2：根據(jù)實際隔膜泵的運行情況，制定報警規(guī)則。

技術總結(jié)

一種三缸單作用隔膜泵安全啟動方法，屬于隔膜泵啟動控制技術領域；包括：收集尾礦輸送過程中隔膜泵相關數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析處理；處理后的數(shù)據(jù)建立樣本庫；通過最小二乘法擬合出隔膜泵速度設定值與隔膜泵出口管道壓力之間的函數(shù)關系；建立隔膜泵啟動壓力曲線模型；獲取隔膜泵啟動目標管道壓力值、啟動時間，得到隔膜泵啟動速度設定值曲線；根據(jù)得到的隔膜泵啟動速度設定值曲線，計算啟動過程中每次更改設定值所需要的時間間隔；建立隔膜泵速度設定值與報警閾值的關系式并制定報警規(guī)則。本發(fā)明方法實現(xiàn)了隔膜泵的安全平穩(wěn)啟動，能夠為操作人員調(diào)整隔膜泵速度設定值提供參考，減少了僅依靠人工經(jīng)驗帶來的弊端。

技術研發(fā)人員：高憲文;張家興;王明順;張鼎森;張斌;王浩;馬紫薇

受保護的技術使用者：東北大學

技術研發(fā)日：2020.11.30

技術公布日：2021.03.16