基于均值偏移算法與PLC技術的泵站自動化控制方法

曹景玉，房英翠，秦余朝

(水發規劃設計有限公司，山東濟南250100)

0 引 言

泵站是水利工程、輸油管道運輸線路的重要組成部分。泵站機電設備主要由水泵、動力機、傳動設施3部分組成，還包括排水、通風、計量、起重等輔助設備[1-2]。我國泵站在運行過程中，多需要根據泵站所處位置需求、泵站功能等，通過人工的方式控制泵站運行，但這會影響泵站使用效率，產生不必要的電能消耗[3]。針對于此，國內外相關學者研究出遙測、車削葉輪、遙調、自動化系統、遙控、智能化儀表、遙信、中央控制系統、主監控系統、變頻調速等控制方法[4]。在國內外研究基礎上，文獻[5]將PLC技術與物聯網技術相結合，設計出一體化泵站控制系統，實現泵站的遠程聯動。文獻[6]面對泵站傳統控制方法存在的問題，引入嵌入式系統，計量泵站參數，實現泵站高精度控制。

總結以往研究經驗，針對電能消耗大、水泵機組運行效率低的問題，本文提出基于均值偏移算法與PLC技術的泵站自動化控制方法，基于泵站自動化運行模型，設置泵站數學模型和跟蹤目標數學模型的距離函數最小值，采用均值偏移算法，在可編程控制器功能中，以最小值對比各個矢量，獲取梯度信息，跟蹤參數，完成泵站自動化控制。

1 基于均值偏移算法與PLC技術的泵站自動化控制方法

1.1 泵站自動化運行模型

泵站主要分為建筑設施和機電設備兩部分。其中，建筑設施部分主要由進水建筑物、泵房、出水建筑物、變電站等部分組成[7]。機電設備主要分為主機設備和輔助設備。水泵是泵站的重要設施，通常由水泵、動力機、傳動設施3部分組成，也是泵站的主機組。輔助設備由充水設備、排水設備、通風采暖設施、計量設備、起重設備等組成[8]。泵站自動化運行模型如圖1所示。

圖1 泵站自動化運行模型

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

1.2 基于均值偏移算法跟蹤泵站運行參數

此次跟蹤泵站運行參數，在均值偏移算法基礎上，引入核直方圖，設計泵站運行參數跟蹤算法。泵站數學模型B為

B={bu}u=1，2，…，n

(1)

跟蹤目標數學模型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，需要在直方圖中，求取γ(y)的最大值。為此，引入核權值計算泵站數學模型與跟蹤目標數學模型中特征的概率

(4)

(5)

式中，k為核輪廓函數；xi(i=1，2，…，m)為泵站數學模型中第i個標準化參數；m為標準化參數數量；A1、A2均為標準化因子；ε為Kronecker delta函數；a(xi)為n級量化函數；h為帶寬[10]。

跟蹤泵站運行參數時，泵站數學模型和跟蹤目標數學模型的距離函數應該為最小值。所以采用均值偏移算法矢量提供的梯度信息，初始化目標數學模型參數值，計算{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)計算得到的在初始特征值附近不發生急劇變化時，采用式(7)計算{qu(y)}u=1，2，…，n的特征權值wi為

(7)

根據式(7)計算結果，采用式(8)確定下一個跟蹤目標

(8)

式中，y1為下一個跟蹤目標值[11]。

1.3 基于PLC技術設計泵站自動化控制器

由于PLC型號廣泛，所以依據圖1所示的泵站自動化運行模型，選擇適宜泵站自動化控制的PLC技術，設計泵站自動化控制器。根據PLC的特殊功能模塊、通信能力、I/O模塊等，以最優性價比為基準，滿足泵站自動化控制要求為目標，選擇在通訊網絡、可編程序控制器功能等方面具有獨特的優勢的Rockwell Allen-Bradley型PLC。

基于此次研究選擇的PLC，采用模糊控制規則，設計如圖2所示的泵站模糊自動化控制器。

圖2 泵站模糊自動化控制器

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行參數作為控制器的輸入量，依據控制器中的控制規則，在控制器的推理機作用下，實現泵站自動化控制。建立控制器規則庫，從而實現輸入量模糊化。

假設輸入控制器參數的偏差額為e，其基本論域為[-e，e]，偏差變化率為e′，其基本論域為[-e′，e′]，控制器控制輸出變量基本論域為[-u，u]。

依據泵站運行參數，在基本論域基礎上，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，為輸入變量選取的語言變量值為正大Pmax、正中Pavg、正小Pmin、0、負小Smin、負中Savg、負大Smax7種。

基于上述7個語言變量，按照式(9)的形式，組成控制器規則庫

ifuisPmax，thenzisPavg

(9)

根據式(9)所示的規則庫形式，在e、e′、u上所決定的三元模糊關系R為

(10)

式中，k為模糊規則庫中擁有的規則數量；Rj(j=1，2，…，k)為第j條規則對應的模糊關系[13]。依據上述計算過程，完成規則庫建立，并根據規則庫，得到式(9)所示的推理過程，從而實現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化控制器，結合泵站運行參數變化，實現泵站自動化控制。

2 自動化控制應用

為驗證上述基于均值偏移算法與PLC技術的泵站自動化控制方法，選擇某區域的取水泵泵站作為此次實驗研究對象，檢測實驗對象在此次研究方法自動化控制節能效果。

2.1 取水泵泵站運行工況

某取水泵泵站一直用于引水工程，每天取水量在180萬～280萬m3之間，其1小時的取水量在75 000～110 000 m3之間變化。由于每天取水量不固定，其泵站取水泵機組工作數量在6～10臺之間，工作頻率在36～45 Hz之間，以最近一天取水泵機組運行情況作為此次實驗數據，如表1所示。

泵組電耗和效率的計算公式為

(11)

(12)

式中，h為揚程；η為泵組效率；ω為泵組電耗；ρ為液體密度；t為泵運行小時數；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，此次實驗選擇的泵站取水量變化主要分為4個時間段，其中5～7 h屬于低峰期，16～24 h為高峰期。

表1 最近一天取水泵機組運行情況

2.2 實驗方法和步驟

依據表1所示的取水泵機組取水量數據，選取10臺取水泵機組，取水量80 000～125 000 m3，進行自動化控制泵站節能實驗。在實驗過程中，取水量按照5 000 m3大小遞增，同時，將機組開機數量控制在5～10臺之間，頻率控制在36～50 Hz之間。其實驗步驟如下：

(1)開啟實驗設置最低機組數量，調整機組運行頻率，當出水總量達到80 000 m3時，停止機組運行頻率調整，記錄該運行頻率下機組工況總管流量、壓力、總電量等參數。

(2)再次調節機組運行頻率，在初始出水總量的基礎上，遞增5 000 m3的出水量，并記錄機組此時的工況總管流量、壓力、總電量等參數。

(3)繼續調整機組運行頻率，讓取水量達到泵站取水量工況最大值，并記錄對應的機組運行參數。

(4)逐臺增加機組，分別在不同機組數量下，取80 938～104 976 m3大小的水量，并記錄機組對應的運行參數。

(5)整理上述4步記錄的實驗數據，分析此次研究方法自動化控制泵站節能效果。

2.3 應用效果分析

2.3.1 泵站節能控制數據

根據此次實驗步驟，在不同機組臺數下，獲取泵站不同時流量，所采用的機組運行頻率值，以及其消耗的電量值，如表2～7所示。

表2 5臺水泵節能控制數據

表3 6臺水泵節能控制數據

從表2～7中可以看出，此次研究方法自動化控制泵站時，可以根據泵站運行時流量需求，自動化控制水泵機組開機數量和運行頻率，其得到的最優泵站運行機組數量為7。

表4 7臺水泵節能控制數據

表5 8臺水泵節能控制數據

表6 9臺水泵節能控制數據

表7 10臺水泵節能控制數據

2.3.2 泵站節能效果

基于表2～7所示的泵站節能控制數據，得到的最優泵站運行機組數量，按照表1所示的運行工況，運行此次實驗選擇的泵站，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，此次研究方法自動化控制泵站后，相較泵站原本的運行工況，萬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，自動化控制泵站后，可以節約泵站能耗，提高水泵機組運行效率。

3 結 語

本文運用均值偏移算法設計的泵站自動化控制器，通過自動化控制泵站運行，達到了節約泵站運行能耗，提高泵站水泵機組運行效率的目的。但是受時間限制，未考慮泵站自動化控制抗干擾能力。在今后的研究中，還需深入研究泵站自動化控制技術抗干擾能力，進一步提高泵站自動化控制性能。