水利樞紐泵站自動化控制系統設計

相 楠

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

智能體是一種通過傳感器感知環境、并通過執行器作用于環境的一個程序或是實體，是一種綜合自治性、進化性以及主動性的多種特性的智能實體[1]。泵站是能夠提供一定壓力和流量的液壓動力和氣壓動力的裝置，能夠配置一定的水量來滿足供水系統結構中的水量需求。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，能夠調節不同季節下的水流量，保證日常的供水需求[2]。隨著水利樞紐泵站規模不斷增大，如何實現水利樞紐的自動化控制成為了當下的研究重點，為此，在智能體技術的支持下，設計一種自動化控制系統。

國外在設計自動化控制系統起步較早，在20世紀70年代末期，開發了多種控制設備以及儀器，并在計算機技術的支持下，構建了多種自動化控制技術[3-4]。國內在研究自動化控制系統起步較晚，以已有的自動化控制設備作為基礎，在計算機上實現了多種控制軟件程序，現已進入到快速發展的階段。在雙模糊控制器的支持下，確定了多種直接控制指標，但多種控制指標對運行計算機產生的負載較大[5]。多級模塊型結構在控制過程中產生了多種控制參數，實際控制的對象較多，也對控制系統產生了較大負載[6]。

1 自動化控制系統硬件設計

1.1 設計自動化控制柜

在泵站內部存在大量的控制閥，用控制柜的中心處理器，配置信號開關后，采用真空閥開關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，構建得到的控制柜結構如圖1所示。

圖1 控制柜的結構

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

定義I/O串口的接口后，將接口的數字地址對應控制泵站與水利樞紐的各個開關，使用多個串口構建形成控制點網絡。在控制柜的接口處，串聯一個水位傳感器與水位計，選定檢測差異在0.1%之間、檢測區域在0.01～1000cm的傳感器。采用浮球式的水位計，并在每個串口控制點對應的樞紐處，設定多個磁感按鈕[8-9]。自動化控制柜結構設計完畢后，構建自動化控制電路。

1.2 設計數據采集傳輸電路結構

根據上述自動化控制柜結構，在設計數據采集傳輸電路結構時，設定8路的模擬量信號通道，設定采樣電阻為200Ω，使用兩路的以太網接口連接RS232接口。將STM32F103ZET6單片機作為實際的信號處理單元[10]，在消除外部信號噪聲干擾時，引入一個TLP2630光電耦合器，并在外部串聯一個穩壓二極管，形成的電路結構如圖2所示。

圖2 傳輸電路結構

在圖2傳輸電路結構下，高速光耦器件內部封裝一個2路獨立的通道，并固定該電路通道的電壓數值為5V，同時使用串行接口兼容硬件結構的SPI總線[11]，并聯一個CS5532轉換器后，將控制柜中傳感器的電流數值轉換為實際所需的數值信號，并根據數值信號的變化，實現對水利樞紐的控制。

2 自動化控制系統軟件設計

2.1 設定智能體控制參數

泵站水利樞紐在實際運行時，存在大量的可控制點，控制不同的控制點會產生不同的運行方案[12]，使用智能體技術將不同運行方案對應設定控制參數，控制運行過程的精度。假定pi表示智能體執行i運行方案的概率，此時，對于不同數值的控制體，執行方案產生的控制回報就可計算得到：

(1)

式中，Pn—控制方案函數；A—存在控制點的數量[13]。

為了實現智能體的最優控制，在聯合行為的控制下，對每個控制方案設定一個最佳響應狀態，數值關系可表示為：

(2)

式中，ai—智能體的均衡函數；ri—控制方案產生的控制回報；z-a—均衡函數對應的相關均衡函數。

不斷替換控制回報數值后，定義一個收縮算子，此時，智能體實際的控制參數就可表示為：

(3)

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

確定上述智能體的控制參數后，設計自動化程序，實現控制軟件功能[14]。

2.2 自動化程序的實現

按照水利泵站結構，結合不同的樞紐位置，根據設定的智能體控制參數，劃分為5個開度的區域[15]，使用JAVA編程處理5個開度區域為相同的數值參數，并在上位機中形成一個邏輯網絡。

編輯水利樞紐泵站的變量參數后，根據計算得到的智能體控制參數的大小，設定各個任務的優先級[16]，執行優先任務時，使用智能體控制參數設定一個模擬量，模擬量可表示為：

(4)

式中，Ci—硬件控制柜的數據參數，其余參數含義不變。

使用上述設定的模擬量作為自動化程序的控制參數，在運行自動化控制系統過程中，將該控制參數作為運行時的均衡點[17]，最終實現對水利樞紐泵站自動化控制。

3 系統測試

3.1 測試準備

控制系統運行環境，使用的計算機參數見表1。

表1 使用的計算機參數

準備的定位芯片參數見表2，構建泵站定位模塊。

表2 使用的定位芯片參數

使用表2參數的定位芯片，構建得到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。

在測試環境下，設定水利樞紐泵站設備管理狀態參數[16]。

設定參數后，使用兩種傳統控制系統與設計控制系統進行測試，定義3種測量指標后，對比3種控制系統的性能。

3.2 結果及分析

基于上述實驗準備，在承載運行軟件的主機上，設定水利樞紐的時間組參數后，定義測定時間為8min，以3種自動化控制系統可控制的樞紐處理的水量作為對比指標[17]，在相同的時間周期內，3種自動化控制系統可控的水量數值結果如圖2所示。

圖2 三種控制系統可控制的水量結果

根據圖2結果可知，在3種自動化控制系統作用下，設定統計時間為8min，由圖6中各項變化數值可知，傳統控制系統1在第3min后，控制水量數值達到了平穩的狀態，可控制泵站的水量為2t，可控制的水量數值較小。傳統控制系統2在第5min后，自動化控制系統可控制后的水量達到了平穩狀態，可控制的水量為1.7t，可控水利樞紐的水量數值最小。設計的控制系統在第5min可控制的水量達到了平穩，可控制的水量為2.5t，與兩種傳統控制系統相比，設計的控制系統可控制的水量數值最大，能夠充分支持水利樞紐的日常水量調度。

保持上述實驗環境不變，調用水利樞紐線路后，標定線路內所有水利樞紐點共計50個，定義3種自動化控制系統可在標定點檢測到水流作為成功的標志，在10個統計周期內，統計并對比3種自動化控制系統可控制的樞紐點數量結果見表3。

表3 三種自動化控制系統可控制樞紐點結果 單位：個

根據表3得到的可控樞紐點結果，在3種不同控制系統作用下，傳統控制系統1實際可控制的樞紐點在23個左右，數量最少，傳統控制系統2實際可控制的樞紐點在40左右，可控的數量較多。而設計的控制系統可控制的樞紐點在48個左右，與兩種傳統控制系統相比，設計得到的控制系統可控制水利樞紐泵站網絡中所有的樞紐點。

在上述實驗環境下，自動化控制系統運行過程中存在大量控制指令的傳輸，傳輸過程中會消耗大量的計算機資源，控制3種自動化控制系統運載相同數值的用戶，在調度過程中調用計算機的任務管理器，對比3種自動化控制系統占用的CPU負載，測試結果如圖3所示。

根據圖3的CPU負載結果可知，在實際控制水利樞紐泵站時，3種自動化控制系統實際占據、CPU負載表現出了不同的變化，調控3種控制為掃頻模式，傳統控制系統在運行過程中，實際產生的負載最大，傳統自動化控制系統2產生的負載較小于傳統自動化控制系統1，而文中設計的自動化控制系統產生的負載最小，要遠遠小于兩種傳統控制系統。

圖3 三種自動化控制系統產生的CPU負載

4 結語

為了有效解決傳統自動化控制系統負載量大的問題，利用智能化控制提高了系統使用效率。在現代化信息技術發展下，水利樞紐泵站控制實現了智能化控制，經系統性能測試表明，本文所設計的自動化控制系統產生的負載最小，能夠在一定程度上改善傳統系統的問題，為今后設計自動化控制系統提供研究參考。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，在確保自動化控制系統穩定運行的同時，創造出更大的經濟效益。