水利樞紐泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相 楠

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

智能體是一種通過(guò)傳感器感知環(huán)境、并通過(guò)執(zhí)行器作用于環(huán)境的一個(gè)程序或是實(shí)體，是一種綜合自治性、進(jìn)化性以及主動(dòng)性的多種特性的智能實(shí)體[1]。泵站是能夠提供一定壓力和流量的液壓動(dòng)力和氣壓動(dòng)力的裝置，能夠配置一定的水量來(lái)滿足供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的水量需求。水利樞紐是一種在河道或渠道修建的水利工程，在該工程的作用下，能夠調(diào)節(jié)不同季節(jié)下的水流量，保證日常的供水需求[2]。隨著水利樞紐泵站規(guī)模不斷增大，如何實(shí)現(xiàn)水利樞紐的自動(dòng)化控制成為了當(dāng)下的研究重點(diǎn)，為此，在智能體技術(shù)的支持下，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

國(guó)外在設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)起步較早，在20世紀(jì)70年代末期，開(kāi)發(fā)了多種控制設(shè)備以及儀器，并在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，構(gòu)建了多種自動(dòng)化控制技術(shù)[3-4]。國(guó)內(nèi)在研究自動(dòng)化控制系統(tǒng)起步較晚，以已有的自動(dòng)化控制設(shè)備作為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了多種控制軟件程序，現(xiàn)已進(jìn)入到快速發(fā)展的階段。在雙模糊控制器的支持下，確定了多種直接控制指標(biāo)，但多種控制指標(biāo)對(duì)運(yùn)行計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的負(fù)載較大[5]。多級(jí)模塊型結(jié)構(gòu)在控制過(guò)程中產(chǎn)生了多種控制參數(shù)，實(shí)際控制的對(duì)象較多，也對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生了較大負(fù)載[6]。

1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制柜

在泵站內(nèi)部存在大量的控制閥，用控制柜的中心處理器，配置信號(hào)開(kāi)關(guān)后，采用真空閥開(kāi)關(guān)連接水利樞紐的射流閥[7]，CPU模塊采用S7 300芯片作為處理核心，構(gòu)建得到的控制柜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制柜的結(jié)構(gòu)

在圖1中控制柜采用型號(hào)為CPU 315-2PN/DP的中央處理器，采用以太網(wǎng)接口與PROFIBUS-DP主/從接口連接上位機(jī)，采用數(shù)字量輸入SM321接口作為信號(hào)接收口，在PROFIBUS接口處連接一個(gè)機(jī)架，并在機(jī)架接口IM模塊處連接泵站的水泵電機(jī)與變頻器。

定義I/O串口的接口后，將接口的數(shù)字地址對(duì)應(yīng)控制泵站與水利樞紐的各個(gè)開(kāi)關(guān)，使用多個(gè)串口構(gòu)建形成控制點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。在控制柜的接口處，串聯(lián)一個(gè)水位傳感器與水位計(jì)，選定檢測(cè)差異在0.1%之間、檢測(cè)區(qū)域在0.01～1000cm的傳感器。采用浮球式的水位計(jì)，并在每個(gè)串口控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的樞紐處，設(shè)定多個(gè)磁感按鈕[8-9]。自動(dòng)化控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后，構(gòu)建自動(dòng)化控制電路。

1.2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集傳輸電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述自動(dòng)化控制柜結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集傳輸電路結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)定8路的模擬量信號(hào)通道，設(shè)定采樣電阻為200Ω，使用兩路的以太網(wǎng)接口連接RS232接口。將STM32F103ZET6單片機(jī)作為實(shí)際的信號(hào)處理單元[10]，在消除外部信號(hào)噪聲干擾時(shí)，引入一個(gè)TLP2630光電耦合器，并在外部串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管，形成的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳輸電路結(jié)構(gòu)

在圖2傳輸電路結(jié)構(gòu)下，高速光耦器件內(nèi)部封裝一個(gè)2路獨(dú)立的通道，并固定該電路通道的電壓數(shù)值為5V，同時(shí)使用串行接口兼容硬件結(jié)構(gòu)的SPI總線[11]，并聯(lián)一個(gè)CS5532轉(zhuǎn)換器后，將控制柜中傳感器的電流數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際所需的數(shù)值信號(hào)，并根據(jù)數(shù)值信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利樞紐的控制。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)定智能體控制參數(shù)

泵站水利樞紐在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，存在大量的可控制點(diǎn)，控制不同的控制點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生不同的運(yùn)行方案[12]，使用智能體技術(shù)將不同運(yùn)行方案對(duì)應(yīng)設(shè)定控制參數(shù)，控制運(yùn)行過(guò)程的精度。假定pi表示智能體執(zhí)行i運(yùn)行方案的概率，此時(shí)，對(duì)于不同數(shù)值的控制體，執(zhí)行方案產(chǎn)生的控制回報(bào)就可計(jì)算得到：

(1)

式中，Pn—控制方案函數(shù)；A—存在控制點(diǎn)的數(shù)量[13]。

為了實(shí)現(xiàn)智能體的最優(yōu)控制，在聯(lián)合行為的控制下，對(duì)每個(gè)控制方案設(shè)定一個(gè)最佳響應(yīng)狀態(tài)，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(2)

式中，ai—智能體的均衡函數(shù)；ri—控制方案產(chǎn)生的控制回報(bào)；z-a—均衡函數(shù)對(duì)應(yīng)的相關(guān)均衡函數(shù)。

不斷替換控制回報(bào)數(shù)值后，定義一個(gè)收縮算子，此時(shí)，智能體實(shí)際的控制參數(shù)就可表示為：

(3)

式中，Q—控制參數(shù)；γ—收縮算子；Wt—智能體的狀態(tài)函數(shù)。其余參數(shù)含義不變。

確定上述智能體的控制參數(shù)后，設(shè)計(jì)自動(dòng)化程序，實(shí)現(xiàn)控制軟件功能[14]。

2.2 自動(dòng)化程序的實(shí)現(xiàn)

按照水利泵站結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同的樞紐位置，根據(jù)設(shè)定的智能體控制參數(shù)，劃分為5個(gè)開(kāi)度的區(qū)域[15]，使用JAVA編程處理5個(gè)開(kāi)度區(qū)域?yàn)橄嗤臄?shù)值參數(shù)，并在上位機(jī)中形成一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)。

編輯水利樞紐泵站的變量參數(shù)后，根據(jù)計(jì)算得到的智能體控制參數(shù)的大小，設(shè)定各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)[16]，執(zhí)行優(yōu)先任務(wù)時(shí)，使用智能體控制參數(shù)設(shè)定一個(gè)模擬量，模擬量可表示為：

(4)

式中，Ci—硬件控制柜的數(shù)據(jù)參數(shù)，其余參數(shù)含義不變。

使用上述設(shè)定的模擬量作為自動(dòng)化程序的控制參數(shù)，在運(yùn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)過(guò)程中，將該控制參數(shù)作為運(yùn)行時(shí)的均衡點(diǎn)[17]，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水利樞紐泵站自動(dòng)化控制。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，使用的計(jì)算機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 使用的計(jì)算機(jī)參數(shù)

準(zhǔn)備的定位芯片參數(shù)見(jiàn)表2，構(gòu)建泵站定位模塊。

表2 使用的定位芯片參數(shù)

使用表2參數(shù)的定位芯片，構(gòu)建得到UWB超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)定位模塊與GPS，用于定位水利樞紐泵站的位置。

在測(cè)試環(huán)境下，設(shè)定水利樞紐泵站設(shè)備管理狀態(tài)參數(shù)[16]。

設(shè)定參數(shù)后，使用兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，定義3種測(cè)量指標(biāo)后，對(duì)比3種控制系統(tǒng)的性能。

3.2 結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，在承載運(yùn)行軟件的主機(jī)上，設(shè)定水利樞紐的時(shí)間組參數(shù)后，定義測(cè)定時(shí)間為8min，以3種自動(dòng)化控制系統(tǒng)可控制的樞紐處理的水量作為對(duì)比指標(biāo)[17]，在相同的時(shí)間周期內(nèi)，3種自動(dòng)化控制系統(tǒng)可控的水量數(shù)值結(jié)果如圖2所示。

圖2 三種控制系統(tǒng)可控制的水量結(jié)果

根據(jù)圖2結(jié)果可知，在3種自動(dòng)化控制系統(tǒng)作用下，設(shè)定統(tǒng)計(jì)時(shí)間為8min，由圖6中各項(xiàng)變化數(shù)值可知，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)1在第3min后，控制水量數(shù)值達(dá)到了平穩(wěn)的狀態(tài)，可控制泵站的水量為2t，可控制的水量數(shù)值較小。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)2在第5min后，自動(dòng)化控制系統(tǒng)可控制后的水量達(dá)到了平穩(wěn)狀態(tài)，可控制的水量為1.7t，可控水利樞紐的水量數(shù)值最小。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在第5min可控制的水量達(dá)到了平穩(wěn)，可控制的水量為2.5t，與兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可控制的水量數(shù)值最大，能夠充分支持水利樞紐的日常水量調(diào)度。

保持上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，調(diào)用水利樞紐線路后，標(biāo)定線路內(nèi)所有水利樞紐點(diǎn)共計(jì)50個(gè)，定義3種自動(dòng)化控制系統(tǒng)可在標(biāo)定點(diǎn)檢測(cè)到水流作為成功的標(biāo)志，在10個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，統(tǒng)計(jì)并對(duì)比3種自動(dòng)化控制系統(tǒng)可控制的樞紐點(diǎn)數(shù)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 三種自動(dòng)化控制系統(tǒng)可控制樞紐點(diǎn)結(jié)果 單位：個(gè)

根據(jù)表3得到的可控樞紐點(diǎn)結(jié)果，在3種不同控制系統(tǒng)作用下，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)1實(shí)際可控制的樞紐點(diǎn)在23個(gè)左右，數(shù)量最少，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)2實(shí)際可控制的樞紐點(diǎn)在40左右，可控的數(shù)量較多。而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可控制的樞紐點(diǎn)在48個(gè)左右，與兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)得到的控制系統(tǒng)可控制水利樞紐泵站網(wǎng)絡(luò)中所有的樞紐點(diǎn)。

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在大量控制指令的傳輸，傳輸過(guò)程中會(huì)消耗大量的計(jì)算機(jī)資源，控制3種自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)載相同數(shù)值的用戶，在調(diào)度過(guò)程中調(diào)用計(jì)算機(jī)的任務(wù)管理器，對(duì)比3種自動(dòng)化控制系統(tǒng)占用的CPU負(fù)載，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3的CPU負(fù)載結(jié)果可知，在實(shí)際控制水利樞紐泵站時(shí)，3種自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)際占據(jù)、CPU負(fù)載表現(xiàn)出了不同的變化，調(diào)控3種控制為掃頻模式，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際產(chǎn)生的負(fù)載最大，傳統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)2產(chǎn)生的負(fù)載較小于傳統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)1，而文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)載最小，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。

圖3 三種自動(dòng)化控制系統(tǒng)產(chǎn)生的CPU負(fù)載

4 結(jié)語(yǔ)

為了有效解決傳統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)負(fù)載量大的問(wèn)題，利用智能化控制提高了系統(tǒng)使用效率。在現(xiàn)代化信息技術(shù)發(fā)展下，水利樞紐泵站控制實(shí)現(xiàn)了智能化控制，經(jīng)系統(tǒng)性能測(cè)試表明，本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)載最小，能夠在一定程度上改善傳統(tǒng)系統(tǒng)的問(wèn)題，為今后設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)提供研究參考。但仍存在很多的不足之處，希望在今后的研究工作中不斷深入，在確保自動(dòng)化控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。