本发明属于隔膜泵启动控制技术领域，具体涉及一种三缸单作用隔膜泵安全启动方法。
背景技术：
在
尾矿输送过程中，需要将选矿中的分选产物尾矿输送至尾矿坝进行存储，一是为了防止污染，二是以待二次开发利用。尾矿由隔膜泵提供动力，经输送管道送至尾矿坝。
在实际生产过程中，所用隔膜泵绝大多数为三缸单作用，隔膜泵的运行频率受多种因素的影响，如尾矿输送量、输送管道可承受压力、外界温度等。一般来说，当尾矿输送系统正常运行时，尾矿输送量变化小，隔膜泵需要调节的幅度小，不易发生生产安全事故。而企业从生产安全的角度着想，需要定期对隔膜泵进检修，同时由于一些其他不可抗拒因素需要对隔膜泵进行停机操作。当隔膜泵重新启动时，由现场工人到现场对plc的触摸屏进行操作，依靠主观经验每隔一段时间提高一点运行频率，直到达到合适的频率。
然而由于plc程序的执行方式循环扫描，隔膜泵频率升降依靠定时器、计数器完成，所以操作工人有时候点击触摸屏时会出现频率不变，或频率变化过大等现象。按照现场工人的启动方式操作，得到的隔膜泵启动曲线为不规则阶梯状，这样就导致在启动过程中可能发生管道压力突变，从而引发管道爆裂事故。目前并没有可供参考的曲线模型指导操作工人安全启动隔膜泵。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有三缸单作用隔膜泵启动控制主要依赖人工经验并且没有一套监控报警系统的问题，提供了一种三缸单作用隔膜泵安全启动方法。本发明通过建立隔膜泵启动曲线模型，并结合实际的隔膜泵速度设定值与出口压力之间的关系得出实际启动曲线，并且针对启动过程中可能发生的由于压力骤增导致的管道破裂问题建立一套启动过程监控报警方法，从而实现隔膜泵的安全稳定启动。
一种三缸单作用隔膜泵安全启动方法，包括如下步骤：
步骤1：收集尾矿输送过程中隔膜泵速度设定值、工作频率、隔膜泵出口管道压力数据，并对数据进行分析处理；所述速度设定值用以表示隔膜泵的工作强度，是操作人员控制隔膜泵的一个控制量，其值与带动隔膜泵的电机的转速相关；
步骤2：根据步骤1中分析处理后的数据建立样本库；
步骤3：将样本库中的数据通过最小二乘法拟合出隔膜泵速度设定值与隔膜泵出口管道压力之间的函数关系并以函数的方式保存；
步骤4：建立隔膜泵启动压力曲线模型；
步骤5：获取隔膜泵启动目标管道压力值、启动时间，根据步骤3和步骤4，得到隔膜泵启动速度设定值曲线；其中，启动目标值和启动时间为人为给定，具体值视当前启动过程处理流体的量决定；
步骤6：根据步骤5中得到的隔膜泵启动速度设定值曲线，按照每次设定值加一的规则，计算启动过程中每次更改设定值所需要的时间间隔；
步骤7：根据步骤3中的隔膜泵速度设定值与隔膜泵出口管道压力之间的拟合关系式，建立隔膜泵速度设定值与报警阈值的关系式并制定报警规则。
所述三缸单作用隔膜泵安全启动方法，其中：
所述步骤1的对收集的隔膜泵速度设定值、工作频率、隔膜泵出口管道压力数据进行分析处理；具体的，每个速度设定值之下，隔膜泵出口管道压力值理论上是周期变化的，也就是存在每个周期内的最大值和最小值，选出最大值和最小值，最终整理出来的数据是速度设定值、工作频率、最大压力、最小压力一一对应的一组数据；具体步骤如下：
步骤1.1：构建机理模型，确定隔膜泵出口管道压力理论变化规律，所述机理模型如下：
q＝q1+q2+q3
p＝α·q
其中，q1、q2、q3分别表示1号、2号、3号单缸的流量，所述3个单杠同时工作，区别为初始相角不同，相角差互为120°；qm是每个缸每个周期内的最大流量值，单位为m3/h；q为三个单缸作用耦合后隔膜泵出口的总流量；r为曲柄长度，单位为米；l为连杆长度，单位为米；ψ是曲柄当前位置与起始位置间的角度，单位为rad；p表示出口管道压力，单位为kpa；α表示比例系数；
步骤1.2：根据隔膜泵频率及步骤1.1中的出口管道压力理论变化规律，确定理论压力变化时间周期，公式如下：
其中，v表示频率，单位为转/分钟；t单位为秒；
步骤1.3：根据步骤1.2中的时间周期，确定每个周期中的压力最大值和压力最小值。
所述步骤3的拟合出隔膜泵速度设定值与隔膜泵出口管道压力之间的函数关系并以函数的方式保存，具体步骤如下：
步骤3.1：选择一次、二次、三次、四次多项式函数，拟合出隔膜泵出口管道最大压力值与隔膜泵速度设定值之间的关系式；
步骤3.2：选择一次、二次、三次、四次多项式函数，拟合出隔膜泵出口管道最小压力值与隔膜泵速度设定值之间的关系式；
步骤3.3：根据步骤3.1和步骤3.2中的拟合结果，选择最合适的拟合函数，并保存函数关系式；所述的最合适的函数是指r-square最接近1的函数，r-square相同的情况下，选择次数低的函数以降低计算成本。
所述步骤4的建立隔膜泵启动压力曲线模型，具体步骤如下：
步骤4.1：设计一种自适应三段加速型曲线，曲线及曲线斜率函数关系分别如图2和图3所示，所述曲线需满足以下关系式：
t1＝t3-t2
vmax＝a1·t1
其中，起始点至t1为匀加速阶段，t1至t2为匀速阶段，t2至t3为匀减速阶段；t1为匀加速结束时刻，t2为匀速结束时刻，t3为终点时刻，t1、t2、t3单位均为min；vmax为匀速阶段速度，单位为kpa/min；pmax为隔膜泵出口管道目标压力值；a1为匀加速阶段加速度，单位为(kpa)2/min；a2为匀减速阶段加速度，单位为(kpa)2/min；
步骤4.2：根据实际隔膜泵出口管道的内压承受能力，对步骤4.1中所设计的曲线进行参数限定。
所述步骤7的根据步骤3中的拟合关系式，建立隔膜泵速度设定值与报警阈值的关系式并制定报警规则，具体步骤如下：
步骤7.1：根据步骤3中拟合出的函数关系式及步骤1中收集到的数据，建立报警阈值关系式；
步骤7.2：根据实际隔膜泵的运行情况，制定报警规则。
本发明方法与现行方法相比较具有以下的优点：
通过分析隔膜泵的机理，分析其理论工作周期和压力变化规律；基于数据驱动技术，建立了隔膜泵出口压力与隔膜泵速度设定值的一一对应关系；建立自适应三段加速型曲线并使其应用到隔膜泵启动过程，得到了隔膜泵启动过程速度设定值曲线模型。同时，通过对数据的分析，建立了压力的动态报警机制，保证了启动过程的安全性。实现了隔膜泵的平稳启动，能够为操作人员调整隔膜泵速度设定值提供参考，减少了仅依靠人工经验带来的弊端。
附图说明
图1为本发明的一种三缸单作用隔膜泵安全启动方法流程图。
图2为本发明设计的自适应三段加速型曲线图。
图3为本发明设计的自适应三段加速型曲线斜率图。
图4为本发明实例1中拟合出的隔膜泵速度设定值与隔膜泵出口管道压力周期最大值之间函数图像。
图5为本发明实例1中拟合出的隔膜泵速度设定值与隔膜泵出口管道压力周期最小值之间函数图像。
图6为本发明实例1中隔膜泵启动过程出口压力曲线。
图7为本发明实例1中隔膜泵启动过程速度设定值曲线。
图8为本发明实例1中隔膜泵启动过程时间间隔计算结果。
图9为本发明实例1中隔膜泵实际启动过程曲线。
图10为本发明实例1中隔膜泵启动过程报警规则流程图。
具体实施方式
下面结合附图，以某选矿厂实际情况为例，该厂输送尾矿所选用的为geho活塞隔膜泵，对本发明的具体实施做详细说明。
如图1所示，一种三缸单作用隔膜泵安全启动方法，包括如下步骤：
步骤1：收集尾矿输送过程隔膜泵速度设定值、工作频率、隔膜泵出口管道压力等数据，并对数据进行分析处理；
步骤1.1：通过构建机理模型，确定隔膜泵出口管道压力理论变化规律；
q＝q1+q2+q3
p＝α·q
其中，q1、q2、q3分别表示1号、2号、3号单缸的流量，所述3个单杠同时工作，区别为初始相角不同，相角差互为120°；qm是每个缸每个周期内的最大流量值，单位为m3/h；q为三个单缸作用耦合后隔膜泵出口的总流量；r为曲柄长度，单位为米；l为连杆长度，单位为米；ψ是曲柄当前位置与起始位置间的角度，单位为rad；p表示出口管道压力，单位为kpa；α表示比例系数；
步骤1.2：根据隔膜泵频率及步骤1.1中的压力变化规律，确定压力变化时间周期；
步骤1.3：根据步骤1.2中的时间周期，确定每个周期中的压力最大值和压力最小值；
步骤2：根据步骤1数据建立样本库；
步骤3：将样本库中的数据通过最小二乘法拟合出隔膜泵速度设定值与隔膜泵出口管道压力之间的函数关系并以函数的方式保存；
步骤3.1：选择一次、二次、三次、四次多项式函数，拟合出隔膜泵出口管道最大压力值与隔膜泵速度设定值之间的关系式，具体关系式如下：
步骤3.2：选择一次、二次、三次、四次多项式函数，拟合出隔膜泵出口管道最小压力值与隔膜泵速度设定值之间的关系式；
步骤3.3：根据步骤3.1和步骤3.2中的拟合结果，选择最合适的拟合函数，并保存函数关系式，这里均选择二次多项式，函数关系式如下：
得到的图像拟合曲线如图4和图5所示；
步骤4：建立隔膜泵启动压力曲线模型；
步骤4.1：设计一种自适应三段加速型曲线，曲线及曲线斜率函数关系分别如图2和图3所示，所述曲线需满足以下关系式：
a1·t1＝a2·(t3-t2)
vmax＝a1·t1
其中，起始点至t1为匀加速阶段，t1至t2为匀速阶段，t2至t3为匀减速阶段；t1为匀加速结束时刻，t2为匀速结束时刻，t3为终点时刻，t1、t2、t3单位均为min；vmax为匀速阶段速度，单位为kpa/min；pmax为隔膜泵出口管道目标压力值；a1为匀加速阶段加速度，单位为(kpa)2/min；a2为匀减速阶段加速度，单位为(kpa)2/min；
步骤4.2：根据实际隔膜泵出口管道的内压承受能力，对步骤4.1中所设计的曲线进行参数限定：
为防止压力骤变引起的爆管现象，vmax应小于40kpa/min，为方便计算，取a1＝-a2；
步骤5：获取隔膜泵启动目标管道压力值、启动时间，根据步骤3和步骤4，给出隔膜泵启动速度设定值曲线，给定数据和求解数据如下表：
得到的隔膜泵启动出口管道压力曲线和速度设定值曲线如图6和图7所示。
步骤6：根据步骤5中的隔膜泵启动速度设定值曲线，按照每次设定值加一的规则，计算启动过程中每次更改设定值所需要的时间间隔，计算结果如图8所示，隔膜泵最终实际启动过程曲线如图9所示；
步骤7：根据步骤3中的拟合关系式，建立隔膜泵速度设定值与报警阈值的关系式并制定报警规则；
步骤7.1：根据步骤3中拟合出的函数关系式及步骤1中收集到的数据，建立报警阈值关系式，关系式如下：
f(x)＝-0.2354x2+76.98x+20
步骤7.2：根据实际隔膜泵的运行情况，制定报警规则，报警规则如图10所示。
技术特征：
1.一种三缸单作用隔膜泵安全启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：收集尾矿输送过程中隔膜泵速度设定值、工作频率、隔膜泵出口管道压力数据，并对数据进行分析处理；
步骤2：根据步骤1中分析处理后的数据建立样本库；
步骤3：将样本库中的数据通过最小二乘法拟合出隔膜泵速度设定值与隔膜泵出口管道压力之间的函数关系并以函数的方式保存；
步骤4：建立隔膜泵启动压力曲线模型；
步骤5：获取隔膜泵启动目标管道压力值、启动时间，根据步骤3和步骤4，得到隔膜泵启动速度设定值曲线；
步骤6：根据步骤5中得到的隔膜泵启动速度设定值曲线，按照每次设定值加一的规则，计算启动过程中每次更改设定值所需要的时间间隔；
步骤7：根据步骤3中的隔膜泵速度设定值与隔膜泵出口管道压力之间的拟合关系式，建立隔膜泵速度设定值与报警阈值的关系式并制定报警规则。
2.根据权利要求1所述的三缸单作用隔膜泵安全启动方法，其特征在于，所述步骤1的对收集的隔膜泵速度设定值、工作频率、隔膜泵出口管道压力数据进行分析处理；具体步骤如下：
步骤1.1：构建机理模型，确定隔膜泵出口管道压力理论变化规律，所述机理模型如下：
q＝q1+q2+q3
p＝α·q
其中，q1、q2、q3分别表示1号、2号、3号单缸的流量，所述3个单杠同时工作，区别为初始相角不同，相角差互为120°；qm是每个缸每个周期内的最大流量值，单位为m3/h；q为三个单缸作用耦合后隔膜泵出口的总流量；r为曲柄长度，单位为米；l为连杆长度，单位为米；ψ是曲柄当前位置与起始位置间的角度，单位为rad；p表示出口管道压力，单位为kpa；α表示比例系数；
步骤1.2：根据隔膜泵频率及步骤1.1中的出口管道压力理论变化规律，确定理论压力变化时间周期，公式如下：
其中，v表示频率，单位为转/分钟；t单位为秒；
步骤1.3：根据步骤1.2中的时间周期，确定每个周期中的压力最大值和压力最小值。
3.根据权利要求1所述的三缸单作用隔膜泵安全启动方法，其特征在于，所述步骤3的拟合出隔膜泵速度设定值与隔膜泵出口管道压力之间的函数关系并以函数的方式保存，具体步骤如下：
步骤3.1：选择一次、二次、三次、四次多项式函数，拟合出隔膜泵出口管道最大压力值与隔膜泵速度设定值之间的关系式；
步骤3.2：选择一次、二次、三次、四次多项式函数，拟合出隔膜泵出口管道最小压力值与隔膜泵速度设定值之间的关系式；
步骤3.3：根据步骤3.1和步骤3.2中的拟合结果，选择最合适的拟合函数，并保存函数关系式；所述的最合适的函数是指r-square最接近1的函数，r-square相同的情况下，选择次数低的函数以降低计算成本。
4.根据权利要求1所述的三缸单作用隔膜泵安全启动方法，其特征在于，所述步骤4的建立隔膜泵启动压力曲线模型，具体步骤如下：
步骤4.1：设计一种自适应三段加速型曲线，曲线及曲线斜率函数关系分别如图2和图3所示，所述曲线需满足以下关系式：
t1＝t3-t2
vmax＝a1·t1
其中，起始点至t1为匀加速阶段，t1至t2为匀速阶段，t2至t3为匀减速阶段；t1为匀加速结束时刻，t2为匀速结束时刻，t3为终点时刻，t1、t2、t3单位均为min；vmax为匀速阶段速度，单位为kpa/min；pmax为隔膜泵出口管道目标压力值；a1为匀加速阶段加速度，单位为(kpa)2/min；a2为匀减速阶段加速度，单位为(kpa)2/min；
步骤4.2：根据实际隔膜泵出口管道的内压承受能力，对步骤4.1中所设计的曲线进行参数限定。
5.根据权利要求1所述的三缸单作用隔膜泵安全启动方法，其特征在于，所述步骤7的根据步骤3中的拟合关系式，建立隔膜泵速度设定值与报警阈值的关系式并制定报警规则，具体步骤如下：
步骤7.1：根据步骤3中拟合出的函数关系式及步骤1中收集到的数据，建立报警阈值关系式；
步骤7.2：根据实际隔膜泵的运行情况，制定报警规则。
技术总结
一种三缸单作用隔膜泵安全启动方法，属于隔膜泵启动控制技术领域；包括：收集尾矿输送过程中隔膜泵相关数据，对数据进行分析处理；处理后的数据建立样本库；通过最小二乘法拟合出隔膜泵速度设定值与隔膜泵出口管道压力之间的函数关系；建立隔膜泵启动压力曲线模型；获取隔膜泵启动目标管道压力值、启动时间，得到隔膜泵启动速度设定值曲线；根据得到的隔膜泵启动速度设定值曲线，计算启动过程中每次更改设定值所需要的时间间隔；建立隔膜泵速度设定值与报警阈值的关系式并制定报警规则。本发明方法实现了隔膜泵的安全平稳启动，能够为操作人员调整隔膜泵速度设定值提供参考，减少了仅依靠人工经验带来的弊端。
技术研发人员：高宪文;张家兴;王明顺;张鼎森;张斌;王浩;马紫薇
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2020.11.30
技术公布日：2021.03.16
声明：
“三缸单作用隔膜泵安全启动方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色技术网
来源：东北大学
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2024年11月27日 ~ 29日 
