基于最小二乘法的供水泵站變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹景玉，沈 寧，孔 欣

（水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東濟(jì)南 250000）

自動(dòng)化變頻器在供水設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用，其發(fā)展迅速且智能化程度較高[1]。以往大都使用基于PLC 技術(shù)的供水泵站變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以泵站總管的出水壓力為控制目標(biāo)，將設(shè)定壓力值和實(shí)際反饋壓力值作比較，差值輸入經(jīng)PID 調(diào)整器壓力顯示處理后，輸出信號(hào)至變頻器以控制泵的運(yùn)行速度，即使在供水泵站流量快速變化的情況下，供水壓力也能在相關(guān)作用下趨于穩(wěn)定狀態(tài)[2]。雖然這類傳統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)中已加入了液力偶合器調(diào)速裝置，但是尚未涉及調(diào)速裝置的優(yōu)化，同時(shí)，將PLC 系統(tǒng)中的串級(jí)調(diào)速裝置優(yōu)化為功率轉(zhuǎn)換裝置，雖然優(yōu)化后的系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備維護(hù)方便，但與此同時(shí)，其能耗較大、控制效果不佳。

針對(duì)上述問題，提出了基于最小二乘法的供水泵站變頻控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于可以在保證系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力的前提下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化調(diào)試，使供水泵站變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為最佳的解決方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

供水泵站變頻控制系統(tǒng)以ATMEL 公司研發(fā)的ATMEGA128L 單片機(jī)為核心處理器，通過轉(zhuǎn)換模塊得到4 個(gè)處理通道，此時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)送被放大的信號(hào)。經(jīng)過單片機(jī)處理后，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率控制，轉(zhuǎn)換信號(hào)以后，處理結(jié)果通過RS-485 通信傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，為了避免因溫度過高影響電路安全，保證溫度變化平穩(wěn)，引入了溫度測(cè)量模塊，以供未來數(shù)據(jù)處理時(shí)使用[3]。圖1 為供水泵站變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

圖1 供水泵站變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

ATMEGA128L 單片機(jī)核心處理器是一款高效能、低功耗的8 位微處理器，工作電壓低至2.7 V，具有先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)，在大多數(shù)情況下能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成指令，16 MHz 的工作性能可以達(dá)到16 MIPS。該片集成了4 k 字節(jié)的EEPROM，在大多數(shù)情況下都能滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份的要求。將8 通道A/D轉(zhuǎn)換模塊集成到芯片中，以8位和10位的采樣精度作為選配參數(shù)，同時(shí)，通道還能接收來自4 個(gè)電路的參數(shù)，保證采集信號(hào)的穩(wěn)定性[4]。E331D 型復(fù)合電極分為基準(zhǔn)電極和測(cè)量電極兩部分，基準(zhǔn)電極安裝于基準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)模塊，測(cè)量電極安裝于基準(zhǔn)電壓采集放大模塊[5]。

1.1 中央控制器

中央控制器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 中央控制器結(jié)構(gòu)

中控臺(tái)在運(yùn)行過程中，通過壓力傳感器將管路實(shí)際壓力(P 管)傳送到壓力顯示裝置，采用PLCA/數(shù)模轉(zhuǎn)換法，比較分析管路的實(shí)際壓力與設(shè)定壓力，若管路實(shí)際壓力大于設(shè)計(jì)壓力0.5 MPa，則在主變頻下停止指示；若管路實(shí)際壓力小于管路設(shè)定壓力0.5 MPa，則在主變頻下停止指示[6]。原變頻運(yùn)行單元改為工頻運(yùn)行，新開關(guān)組成為變頻運(yùn)行，始終保持設(shè)定壓力值，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水[7]。

1.2 電路設(shè)計(jì)

以ARMCortex-M3 系列32 位處理器單片機(jī)為核心，主控芯片選用低能耗模式，在保證正常工作的同時(shí)又能降低功耗[8]。利用PCA9685 模塊(PWM)實(shí)現(xiàn)16路12位高精度脈寬調(diào)制，采用TTL級(jí)標(biāo)準(zhǔn)串口協(xié)議進(jìn)行通信接口的執(zhí)行，在工作時(shí)波特率為115 200 b/s，字符指令用于接收外部輸入[9-10]。主芯片根據(jù)IIC 協(xié)議對(duì)串口接收的指令進(jìn)行處理，并控制PCA9685 模塊輸出PWM 信號(hào)至控制操作器，通信接口執(zhí)行后返回指令。

1.2.1 電源電路

為保證各回路保持穩(wěn)定，電路選擇穩(wěn)壓集成電路，可提供不同平穩(wěn)電壓[11]。

1.2.2 輸入電路

根據(jù)電機(jī)的不同運(yùn)行方式輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，如反向指令、多數(shù)轉(zhuǎn)速指令、故障復(fù)位等電機(jī)運(yùn)行信號(hào)[12-13]。

1.2.3 顯示電路

參數(shù)由LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示，通過PID 控制電流、管路壓力、頻率指示、電壓等參數(shù)，經(jīng)過顯示電路精確顯示出系統(tǒng)的參數(shù)和相關(guān)狀態(tài)。

1.2.4 運(yùn)行電路

為了實(shí)時(shí)觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)通過LED指示燈作為狀態(tài)提示。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，指示燈閃爍，同時(shí)會(huì)響起警報(bào)[14-16]。

1.2.5 輸出電路

系統(tǒng)中設(shè)置了脈沖輸出、多功能模擬量輸出、故障點(diǎn)輸出和多功能斷路器輸出等多種輸出形式，通過PLC、A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換傳遞信號(hào)，能準(zhǔn)確有效地反映系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1.2.6 電壓調(diào)整電路

文中單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換電路的參考電壓為5 V，即規(guī)定傳感器的測(cè)量電極輸出電壓經(jīng)信號(hào)放大后必須在0～5 V 范圍內(nèi)，同時(shí)，測(cè)量電極的電壓要高于參考電極的電壓，當(dāng)測(cè)量溶液為酸性時(shí)，測(cè)量電極的電壓比參考電極的電壓要低；當(dāng)測(cè)量溶液為堿性時(shí)，測(cè)量電極的電壓比參考電極的電壓要高，在采集信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)能否正確選擇合理的電壓，是采集信號(hào)的關(guān)鍵。圖3 為電壓調(diào)整電路。

圖3 電壓調(diào)整電路

1.3 信號(hào)采集與放大模塊

頻率控制傳感器測(cè)量電極輸出的電壓值為毫伏級(jí)，當(dāng)被測(cè)溶液頻率控制發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量電極輸出的電壓信號(hào)變化很小，當(dāng)溫度一定時(shí)，溶液保持一定的頻率變化，此時(shí)輸出的電壓為0.059 V，因?yàn)閿?shù)值較小，單片機(jī)收集處理會(huì)比較困難，所以必須設(shè)計(jì)信息接收和放大功能模塊，將輸出電壓放大，提高單片機(jī)采集信息的精度。

使用放大芯片TLC4502，輸出的電壓信號(hào)可以被放大3 倍以上，并傳送到3 號(hào)引腳，被放大的電壓經(jīng)過新的電阻傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)轉(zhuǎn)換器中，完成信號(hào)放大。

1.4 變頻控制器

排水系統(tǒng)的輸水管道采用DN300UPVC 管。水庫(kù)出口設(shè)有OST200-420 A型兩臺(tái)水泵，泵的參數(shù)：Q=515 m3/h，H=43 m，P=9 kW，架構(gòu)一套變頻控制系統(tǒng)，兩個(gè)水泵共用一個(gè)ABBVF-S11-4015 PL 變頻器，變頻控制器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 變頻控制器結(jié)構(gòu)

變頻控制器是一種實(shí)現(xiàn)變頻器遠(yuǎn)程操作的智能設(shè)備，通過RS-485 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制變頻器的啟動(dòng)與停止，并實(shí)時(shí)顯示其工作頻率和實(shí)際轉(zhuǎn)速等信息，避免外界環(huán)境干擾。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于最小二乘法變頻控制模型的構(gòu)建

在傳統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)中，元件控制和基于節(jié)流或容積因子的控制方案都存在著明顯的缺陷，如在傳統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)中，節(jié)流參數(shù)的調(diào)節(jié)是以閥的控制為核心。在高功率的情況下，變頻控制系統(tǒng)的閥門壓力F計(jì)算公式如下所示：

式（1）、式（2）中，Pi表示第i個(gè)傳感器頻率控制強(qiáng)度；Pv表示閥門的變頻控制強(qiáng)度；Sv表示閥門的橫截面積；Ct表示水泵中液體體積流量；N表示元件組數(shù)。

變頻控制系統(tǒng)中傳感器組和水泵之間的體積流量成為制約系統(tǒng)大功率應(yīng)用的瓶頸，當(dāng)控制頻率為I時(shí)，供水泵單位時(shí)間內(nèi)排出的氣量Y為：

式（3）中，Sc表示供水泵活塞的面積；P0表示初始傳感器頻率變化控制強(qiáng)度，由此可獲取單位時(shí)間內(nèi)的氣缸流量。

基于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率需求和閥門的控制損耗，結(jié)合電機(jī)推動(dòng)力與傳感器組水平方向和垂直方向的最大角弧度α、電機(jī)推動(dòng)力與傳感器組的角弧度β，可得出分布式驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過水泵在不同尺寸的動(dòng)態(tài)流量推送時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力。在傳感器變頻控制強(qiáng)度與閥門變頻控制強(qiáng)度相同的情況下，從水平和垂直兩個(gè)方向的弧度中，選取最大值和最小值進(jìn)行積分求解。根據(jù)動(dòng)態(tài)水泵容積流量和閥門的應(yīng)力變化情況，確定頻率變化控制能力。

為提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作效率，進(jìn)一步提高元件的可靠性，采用最小二乘法來優(yōu)化變頻調(diào)速傳感器組內(nèi)各傳感器的變頻控制強(qiáng)度，以達(dá)到與閥門高度融合、減少控制損耗、提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制力和推動(dòng)力的作用。

綜上所述，對(duì)于給定的一組傳感器，根據(jù)獲取的變頻控制力，可以使傳感器組和閥門的融合程度最高。為此，有必要尋找電機(jī)和傳感裝置的最小二乘多項(xiàng)式曲線擬合函數(shù)X，由此構(gòu)建基于最小二乘法的變頻控制模型，如式（4）所示：

在該模型支持下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制程序，分配I/O，并設(shè)計(jì)頻率控制流程，實(shí)現(xiàn)供水泵站低功耗、高效的變頻控制。

2.2 系統(tǒng)程序控制與I/O分配

系統(tǒng)程序控制與I/O 分配如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)程序控制與I/O分配

由圖5 可知，當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，首先啟動(dòng)1#水泵，等待5 s 后，使壓力穩(wěn)定下來，通過PLC可以檢測(cè)變頻器的輸出頻率。在檢測(cè)到變頻器的下界頻率信號(hào)時(shí)，關(guān)閉1#水泵；反之，在檢測(cè)到變頻器的上界頻率信號(hào)時(shí)，PLC 執(zhí)行加泵操作：1）一臺(tái)水泵工頻運(yùn)行，另一臺(tái)水泵延遲1 s；2）一臺(tái)水泵延遲1 s，開關(guān)全滅弧，另一臺(tái)水泵延遲0.2 s。

在1#水泵上，為保護(hù)水泵和變頻器而實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，在等待5 s后，PLC在2#水泵進(jìn)入變頻運(yùn)行后，繼續(xù)檢測(cè)變頻器的輸出頻率。當(dāng)檢測(cè)到變頻器的下界頻率信號(hào)，關(guān)閉1#水泵，設(shè)2#水泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)，等待5 s 后，如果PLC 再次檢測(cè)到變頻器的下界頻率信號(hào)，同樣關(guān)閉2#水泵；反之，當(dāng)檢測(cè)到變頻器的上界頻率信號(hào)時(shí)，PLC 再執(zhí)行增壓泵的動(dòng)作。

將2#水泵改為工頻運(yùn)行，等待1 s 后，變頻運(yùn)行3#水泵。在3#泵投入變頻運(yùn)行后，等待5 s 后的PLC繼續(xù)檢測(cè)變頻器輸出頻率，由此執(zhí)行增泵、減泵動(dòng)作，以滿足恒壓供水的目的。

此外，為便于檢查維修故障，該變頻器在設(shè)計(jì)中增加了故障顯示和故障報(bào)警輸出，其自身具有短路保護(hù)和過載保護(hù)功能，只需將變頻器的輔助觸點(diǎn)如故障輸出點(diǎn)、接觸器、熱繼電器等與PLC 連接即可。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，PLC 通過程序掃描這些輸入點(diǎn)，并作出相應(yīng)動(dòng)作。如果發(fā)現(xiàn)某臺(tái)水泵有超載現(xiàn)象，則切斷該泵的接觸器投入備用泵，同時(shí)輸出故障信號(hào)，以方便檢查后及時(shí)維修。

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于最小二乘法的供水泵站變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。利用某住宅小區(qū)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，建立模擬實(shí)驗(yàn)室供水網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)水泵的流量和壓力數(shù)據(jù)，擬合出水泵揚(yáng)程參數(shù)、效率和流量功率的曲線方程，并修正了水泵特性曲線。在此基礎(chǔ)上，確定了水泵變頻調(diào)速的有效范圍，分析水泵運(yùn)行效率影響因素，其中，水泵出口流量為200 L/min，水泵出口壓力為0.2 MPa。將PLC 控制系統(tǒng)與最小二乘法控制系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)閥門排量變化進(jìn)行了對(duì)比分析。選取曲線上的隨機(jī)一點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，以保證兩臺(tái)泵的調(diào)頻接近甚至相同。

3.1 閥門位移變化

在基于最小二乘法的供水泵站變頻控制系統(tǒng)上進(jìn)行多次拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)，使閥門出現(xiàn)位移，對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同方法閥門位移對(duì)比結(jié)果

由圖6 可知，使用基于PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)在變頻控制時(shí)間為10 s 時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)了多次位移，隨著位移量增大，最大可達(dá)到0.085 mm，說明使用該系統(tǒng)已經(jīng)很難承載大功率負(fù)荷液壓變頻需求。而使用基于最小二乘法系統(tǒng)在確保液壓變頻的同時(shí)，降低了閥門負(fù)荷，避免多次大幅度變化的位移。

3.2 水泵容積效率

文中對(duì)比了基于PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)和基于最小二乘法控制系統(tǒng)分析水泵容積效率，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法水泵容積效率對(duì)比結(jié)果

由圖7 可知，基于PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)水泵因大功率負(fù)荷，使得輸出矩陣逐漸下降，說明該系統(tǒng)難以達(dá)到多次拉伸需求，系統(tǒng)具有明顯瑕疵；文中使用基于最小二乘法控制系統(tǒng)通過控制曲面流量，能夠進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，容積效率明顯高于基于PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于最小二乘法的供水泵站變頻控制系統(tǒng)的水泵采用先開后關(guān)的循環(huán)型工作方式，工作泵和備用泵不固定，防止設(shè)備生銹，并且采用無級(jí)變速，通過減少水量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，其具有節(jié)能、可靠、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)可以替代傳統(tǒng)的水塔、高位水箱、氣缸等供水方式，具有較好的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益，應(yīng)用前景廣闊。