基于均值偏移算法與PLC技術(shù)的泵站自動(dòng)化控制方法

曹景玉，房英翠，秦余朝

(水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東濟(jì)南250100)

0 引 言

泵站是水利工程、輸油管道運(yùn)輸線路的重要組成部分。泵站機(jī)電設(shè)備主要由水泵、動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)設(shè)施3部分組成，還包括排水、通風(fēng)、計(jì)量、起重等輔助設(shè)備[1-2]。我國(guó)泵站在運(yùn)行過程中，多需要根據(jù)泵站所處位置需求、泵站功能等，通過人工的方式控制泵站運(yùn)行，但這會(huì)影響泵站使用效率，產(chǎn)生不必要的電能消耗[3]。針對(duì)于此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究出遙測(cè)、車削葉輪、遙調(diào)、自動(dòng)化系統(tǒng)、遙控、智能化儀表、遙信、中央控制系統(tǒng)、主監(jiān)控系統(tǒng)、變頻調(diào)速等控制方法[4]。在國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[5]將PLC技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一體化泵站控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泵站的遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)。文獻(xiàn)[6]面對(duì)泵站傳統(tǒng)控制方法存在的問題，引入嵌入式系統(tǒng)，計(jì)量泵站參數(shù)，實(shí)現(xiàn)泵站高精度控制。

總結(jié)以往研究經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)電能消耗大、水泵機(jī)組運(yùn)行效率低的問題，本文提出基于均值偏移算法與PLC技術(shù)的泵站自動(dòng)化控制方法，基于泵站自動(dòng)化運(yùn)行模型，設(shè)置泵站數(shù)學(xué)模型和跟蹤目標(biāo)數(shù)學(xué)模型的距離函數(shù)最小值，采用均值偏移算法，在可編程控制器功能中，以最小值對(duì)比各個(gè)矢量，獲取梯度信息，跟蹤參數(shù)，完成泵站自動(dòng)化控制。

1 基于均值偏移算法與PLC技術(shù)的泵站自動(dòng)化控制方法

1.1 泵站自動(dòng)化運(yùn)行模型

泵站主要分為建筑設(shè)施和機(jī)電設(shè)備兩部分。其中，建筑設(shè)施部分主要由進(jìn)水建筑物、泵房、出水建筑物、變電站等部分組成[7]。機(jī)電設(shè)備主要分為主機(jī)設(shè)備和輔助設(shè)備。水泵是泵站的重要設(shè)施，通常由水泵、動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)設(shè)施3部分組成，也是泵站的主機(jī)組。輔助設(shè)備由充水設(shè)備、排水設(shè)備、通風(fēng)采暖設(shè)施、計(jì)量設(shè)備、起重設(shè)備等組成[8]。泵站自動(dòng)化運(yùn)行模型如圖1所示。

圖1 泵站自動(dòng)化運(yùn)行模型

如圖1所示的泵站自動(dòng)化運(yùn)行模型，可以采用氣穴余量、流量、揚(yáng)程等基本參數(shù)表示泵站工作性能。且其在運(yùn)行過程中，任意參數(shù)變化都可以影響其他參數(shù)。為此，依據(jù)圖1所示的模型，采用均值偏移算法，跟蹤泵站基本運(yùn)行參數(shù)。

1.2 基于均值偏移算法跟蹤泵站運(yùn)行參數(shù)

此次跟蹤泵站運(yùn)行參數(shù)，在均值偏移算法基礎(chǔ)上，引入核直方圖，設(shè)計(jì)泵站運(yùn)行參數(shù)跟蹤算法。泵站數(shù)學(xué)模型B為

B={bu}u=1，2，…，n

(1)

跟蹤目標(biāo)數(shù)學(xué)模型Q為

Q(y)={qu(y)}u=1，2，…，n

(2)

γ(y)=γ[qu(y)，bu]

(3)

式中，γ(y)為似然性。此時(shí)，需要在直方圖中，求取γ(y)的最大值。為此，引入核權(quán)值計(jì)算泵站數(shù)學(xué)模型與跟蹤目標(biāo)數(shù)學(xué)模型中特征的概率

(4)

(5)

式中，k為核輪廓函數(shù)；xi(i=1，2，…，m)為泵站數(shù)學(xué)模型中第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)；m為標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)量；A1、A2均為標(biāo)準(zhǔn)化因子；ε為Kronecker delta函數(shù)；a(xi)為n級(jí)量化函數(shù)；h為帶寬[10]。

跟蹤泵站運(yùn)行參數(shù)時(shí)，泵站數(shù)學(xué)模型和跟蹤目標(biāo)數(shù)學(xué)模型的距離函數(shù)應(yīng)該為最小值。所以采用均值偏移算法矢量提供的梯度信息，初始化目標(biāo)數(shù)學(xué)模型參數(shù)值，計(jì)算{qu(y)}u=1，2，…，n，求取bu和qu的線性近似γ[qu(y0)，bu]值，得到qu在直方圖上的初始值y0，則有

(6)

由式(6)計(jì)算得到的在初始特征值附近不發(fā)生急劇變化時(shí)，采用式(7)計(jì)算{qu(y)}u=1，2，…，n的特征權(quán)值wi為

(7)

根據(jù)式(7)計(jì)算結(jié)果，采用式(8)確定下一個(gè)跟蹤目標(biāo)

(8)

式中，y1為下一個(gè)跟蹤目標(biāo)值[11]。

1.3 基于PLC技術(shù)設(shè)計(jì)泵站自動(dòng)化控制器

由于PLC型號(hào)廣泛，所以依據(jù)圖1所示的泵站自動(dòng)化運(yùn)行模型，選擇適宜泵站自動(dòng)化控制的PLC技術(shù)，設(shè)計(jì)泵站自動(dòng)化控制器。根據(jù)PLC的特殊功能模塊、通信能力、I/O模塊等，以最優(yōu)性價(jià)比為基準(zhǔn)，滿足泵站自動(dòng)化控制要求為目標(biāo)，選擇在通訊網(wǎng)絡(luò)、可編程序控制器功能等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)的Rockwell Allen-Bradley型PLC。

基于此次研究選擇的PLC，采用模糊控制規(guī)則，設(shè)計(jì)如圖2所示的泵站模糊自動(dòng)化控制器。

圖2 泵站模糊自動(dòng)化控制器

圖2中，u表示輸入變量；z表示輸出變量。圖2所示的控制器將均值偏移算法跟蹤得到的泵站運(yùn)行參數(shù)作為控制器的輸入量，依據(jù)控制器中的控制規(guī)則，在控制器的推理機(jī)作用下，實(shí)現(xiàn)泵站自動(dòng)化控制。建立控制器規(guī)則庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)輸入量模糊化。

假設(shè)輸入控制器參數(shù)的偏差額為e，其基本論域?yàn)閇-e，e]，偏差變化率為e′，其基本論域?yàn)閇-e′，e′]，控制器控制輸出變量基本論域?yàn)閇-u，u]。

依據(jù)泵站運(yùn)行參數(shù)，在基本論域基礎(chǔ)上，e選取的論域精確值為{-N，-N+1，…，0，N-1，N}，e′選取的論域精確值為{-M，-M+1，…，0，M-1，M}，控制量u選取的論域精確值為{-L，-L+1，…，0，L-1，L}。與此同時(shí)，為輸入變量選取的語(yǔ)言變量值為正大Pmax、正中Pavg、正小Pmin、0、負(fù)小Smin、負(fù)中Savg、負(fù)大Smax7種。

基于上述7個(gè)語(yǔ)言變量，按照式(9)的形式，組成控制器規(guī)則庫(kù)

ifuisPmax，thenzisPavg

(9)

根據(jù)式(9)所示的規(guī)則庫(kù)形式，在e、e′、u上所決定的三元模糊關(guān)系R為

(10)

式中，k為模糊規(guī)則庫(kù)中擁有的規(guī)則數(shù)量；Rj(j=1，2，…，k)為第j條規(guī)則對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系[13]。依據(jù)上述計(jì)算過程，完成規(guī)則庫(kù)建立，并根據(jù)規(guī)則庫(kù)，得到式(9)所示的推理過程，從而實(shí)現(xiàn)輸入量的模糊化與輸出量的去模糊化。

在此次研究選擇的PLC中，通過PLC的可編程序控制器功能，編寫圖2所示的泵站模糊自動(dòng)化控制器，結(jié)合泵站運(yùn)行參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)泵站自動(dòng)化控制。

2 自動(dòng)化控制應(yīng)用

為驗(yàn)證上述基于均值偏移算法與PLC技術(shù)的泵站自動(dòng)化控制方法，選擇某區(qū)域的取水泵泵站作為此次實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象在此次研究方法自動(dòng)化控制節(jié)能效果。

2.1 取水泵泵站運(yùn)行工況

某取水泵泵站一直用于引水工程，每天取水量在180萬(wàn)～280萬(wàn)m3之間，其1小時(shí)的取水量在75 000～110 000 m3之間變化。由于每天取水量不固定，其泵站取水泵機(jī)組工作數(shù)量在6～10臺(tái)之間，工作頻率在36～45 Hz之間，以最近一天取水泵機(jī)組運(yùn)行情況作為此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

泵組電耗和效率的計(jì)算公式為

(11)

(12)

式中，h為揚(yáng)程；η為泵組效率；ω為泵組電耗；ρ為液體密度；t為泵運(yùn)行小時(shí)數(shù)；W有效為水泵的有效功率；V為流量；W軸為水泵的軸功率；η2為電機(jī)的效率值；g為重力加速度；η1為泵的效率值。

從表1中可以看出，此次實(shí)驗(yàn)選擇的泵站取水量變化主要分為4個(gè)時(shí)間段，其中5～7 h屬于低峰期，16～24 h為高峰期。

表1 最近一天取水泵機(jī)組運(yùn)行情況

2.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

依據(jù)表1所示的取水泵機(jī)組取水量數(shù)據(jù)，選取10臺(tái)取水泵機(jī)組，取水量80 000～125 000 m3，進(jìn)行自動(dòng)化控制泵站節(jié)能實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，取水量按照5 000 m3大小遞增，同時(shí)，將機(jī)組開機(jī)數(shù)量控制在5～10臺(tái)之間，頻率控制在36～50 Hz之間。其實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)開啟實(shí)驗(yàn)設(shè)置最低機(jī)組數(shù)量，調(diào)整機(jī)組運(yùn)行頻率，當(dāng)出水總量達(dá)到80 000 m3時(shí)，停止機(jī)組運(yùn)行頻率調(diào)整，記錄該運(yùn)行頻率下機(jī)組工況總管流量、壓力、總電量等參數(shù)。

(2)再次調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行頻率，在初始出水總量的基礎(chǔ)上，遞增5 000 m3的出水量，并記錄機(jī)組此時(shí)的工況總管流量、壓力、總電量等參數(shù)。

(3)繼續(xù)調(diào)整機(jī)組運(yùn)行頻率，讓取水量達(dá)到泵站取水量工況最大值，并記錄對(duì)應(yīng)的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)。

(4)逐臺(tái)增加機(jī)組，分別在不同機(jī)組數(shù)量下，取80 938～104 976 m3大小的水量，并記錄機(jī)組對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)。

(5)整理上述4步記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析此次研究方法自動(dòng)化控制泵站節(jié)能效果。

2.3 應(yīng)用效果分析

2.3.1 泵站節(jié)能控制數(shù)據(jù)

根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)步驟，在不同機(jī)組臺(tái)數(shù)下，獲取泵站不同時(shí)流量，所采用的機(jī)組運(yùn)行頻率值，以及其消耗的電量值，如表2～7所示。

表2 5臺(tái)水泵節(jié)能控制數(shù)據(jù)

表3 6臺(tái)水泵節(jié)能控制數(shù)據(jù)

從表2～7中可以看出，此次研究方法自動(dòng)化控制泵站時(shí)，可以根據(jù)泵站運(yùn)行時(shí)流量需求，自動(dòng)化控制水泵機(jī)組開機(jī)數(shù)量和運(yùn)行頻率，其得到的最優(yōu)泵站運(yùn)行機(jī)組數(shù)量為7。

表4 7臺(tái)水泵節(jié)能控制數(shù)據(jù)

表5 8臺(tái)水泵節(jié)能控制數(shù)據(jù)

表6 9臺(tái)水泵節(jié)能控制數(shù)據(jù)

表7 10臺(tái)水泵節(jié)能控制數(shù)據(jù)

2.3.2 泵站節(jié)能效果

基于表2～7所示的泵站節(jié)能控制數(shù)據(jù)，得到的最優(yōu)泵站運(yùn)行機(jī)組數(shù)量，按照表1所示的運(yùn)行工況，運(yùn)行此次實(shí)驗(yàn)選擇的泵站，其得到的取水電耗與泵組效率值如表8所示。

表8 泵站取水電耗與泵組效率

從表8中可以看出，此次研究方法自動(dòng)化控制泵站后，相較泵站原本的運(yùn)行工況，萬(wàn)m3取水量電耗分別減少了90.7、33.5、77.9、68.1 kW·h，效率分別提高了2.9%、2.2%、4.7%、14.23%。可見，此次研究方法，自動(dòng)化控制泵站后，可以節(jié)約泵站能耗，提高水泵機(jī)組運(yùn)行效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用均值偏移算法設(shè)計(jì)的泵站自動(dòng)化控制器，通過自動(dòng)化控制泵站運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)約泵站運(yùn)行能耗，提高泵站水泵機(jī)組運(yùn)行效率的目的。但是受時(shí)間限制，未考慮泵站自動(dòng)化控制抗干擾能力。在今后的研究中，還需深入研究泵站自動(dòng)化控制技術(shù)抗干擾能力，進(jìn)一步提高泵站自動(dòng)化控制性能。