李曉剛

(寧夏回族自治區(qū)水利工程建設(shè)中心，寧夏 銀川 750000)

揚(yáng)水泵站的供水質(zhì)量直接關(guān)系到周圍居民的生活水平以及周圍企業(yè)的生產(chǎn)線效率，為了滿足安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)可靠的要求，揚(yáng)水泵站必須引入更加智能、現(xiàn)代化的綜合自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對供水的自動調(diào)配[1]。當(dāng)前，大部分揚(yáng)水泵站中供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速的恒壓控制策略，在滿足用水用戶需求的同時，不僅節(jié)省水資源運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用，同時還能夠在一定程度上減少水資源在運(yùn)輸管道中的滲漏量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對故障發(fā)生概率的控制，減少用于供水系統(tǒng)的維護(hù)成本[2]。但由于當(dāng)前用戶對于用水量的需求不斷增加，水資源運(yùn)輸管道在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的阻礙和影響。在用水高峰時段中，運(yùn)輸管道中水流極大，管阻不斷增加。與揚(yáng)水泵站距離較近的用戶用水需求能夠很好地滿足，但距離較遠(yuǎn)的用戶為其提供的供水壓力偏低，很難達(dá)到用戶的預(yù)期供水要求。但在用水低谷時段，距離揚(yáng)水泵站較近的用戶水壓又會出現(xiàn)偏高的問題，造成管網(wǎng)的滲漏率不斷增加，嚴(yán)重影響到揚(yáng)水泵站的正常輸水和運(yùn)行[3]。因此，當(dāng)前急需一種能夠根據(jù)不同時段用戶用水需要對管道輸水壓力進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的供水調(diào)配系統(tǒng)?；诖耍疚拈_展揚(yáng)水泵站變頻變壓供水自動調(diào)配系統(tǒng)設(shè)計研究。

1 揚(yáng)水泵站變頻變壓供水自動調(diào)配系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)揚(yáng)水泵站的總控室、水廠區(qū)和水源區(qū)3個組成部分，對變頻變壓供水自動調(diào)配系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行設(shè)計，如圖1所示。

圖1 本文系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成示意圖

根據(jù)功能對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)劃分為監(jiān)控區(qū)域、水廠區(qū)域、水源區(qū)以及無線通信。其中監(jiān)控區(qū)域主要由工業(yè)控制上位機(jī)、PLC可編程邏輯控制器、多個通信傳輸電臺以及UPS電源等硬件組成。在這一結(jié)構(gòu)中，主要針對揚(yáng)水泵站現(xiàn)場各類終端數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、檢測和控制，并將系統(tǒng)以及揚(yáng)水泵站在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和打印，方便后續(xù)維護(hù)和管理[4]。水廠區(qū)域結(jié)構(gòu)是將水源地輸送的水資源蓄積在蓄水池當(dāng)中，利用系統(tǒng)當(dāng)中的上位機(jī)對該區(qū)域蓄水池當(dāng)中的水位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測?，F(xiàn)場終端結(jié)構(gòu)主要核心為PLC控制器，實(shí)現(xiàn)用戶對現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、存儲和報警等功能。同時，該現(xiàn)場終端可通過無線信道的方式將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。綜合本文調(diào)配系統(tǒng)的應(yīng)用需要，主要針對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)當(dāng)中的PLC控制器和供水專用變頻器進(jìn)行選型優(yōu)化。

1.1 供水專用變頻器選型

為實(shí)現(xiàn)對揚(yáng)水泵站供水的變頻和變壓供水調(diào)配控制，首先針對系統(tǒng)硬件當(dāng)中的供水專用變頻器進(jìn)行選型優(yōu)化。選擇的水泵專用變頻器在設(shè)計研發(fā)階段將低噪聲控制作為目標(biāo)，應(yīng)用到本系統(tǒng)中，不僅可以在某種程度上降低由于噪聲問題帶來的運(yùn)行干擾，同時也可以通過此種方式，避免其運(yùn)行對系統(tǒng)內(nèi)其他硬件結(jié)構(gòu)的持續(xù)運(yùn)行造成干擾[5]。在此基礎(chǔ)上，可在硬件結(jié)構(gòu)中，增設(shè)一個可滿足高頻諧波電流抑制的DC端子，將端子的終端接口與EMC通信端口進(jìn)行對接，以此可充分滿足系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的EMC指令控制需要。該水泵專用變頻器相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 水泵專用變頻器技術(shù)指標(biāo)表

除表1中技術(shù)指標(biāo)參數(shù)以外，變頻器內(nèi)部裝有用于實(shí)現(xiàn)對控制電源輔助的輸入電路，在運(yùn)行過程中，主電源發(fā)生意外斷開，變頻器依然能夠保持對異常輸出信號的傳輸，進(jìn)一步提高本系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，若系統(tǒng)運(yùn)行存在負(fù)載過大的情況，則可通過對該水泵專用變頻器不跳閘繼續(xù)運(yùn)動的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的保護(hù)。

1.2 PLC選型

針對不同類型PLC可編程邏輯控制器的容量、結(jié)構(gòu)形式、性能等，按照本系統(tǒng)運(yùn)行需要和經(jīng)濟(jì)成本要求等眾多因素考量，選擇的核心控制器與其他系列相比更小，并且是用于各個行業(yè)當(dāng)中，可針對不同場合的檢測、控制、調(diào)配等進(jìn)行自動化控制。同時，指令集更加豐富，并且容易掌握，操作更加邊界[6]。在對其的實(shí)際應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)對揚(yáng)水泵站32個模塊的操作控制。同時，在運(yùn)行過程中，不需要使用風(fēng)扇設(shè)備，進(jìn)一步縮短本文系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)成本。在實(shí)際應(yīng)用中，能夠在0.5～1.0ms時間范圍內(nèi)對高達(dá)1024條二進(jìn)制語句進(jìn)行處理，從而進(jìn)一步提高本系統(tǒng)的調(diào)配控制效率。由于在應(yīng)用時二進(jìn)制命令較為少見，因此根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，為控制器提供混合操作，利用55%的二進(jìn)制語句與45%自操作語句構(gòu)成一個完整的控制語句。

根據(jù)調(diào)配系統(tǒng)的信號傳輸需要，考慮到現(xiàn)場終端測控開關(guān)輸入信號、模擬量輸入輸出信號的傳輸特點(diǎn)，在對控制器的數(shù)字量輸入擴(kuò)展電源進(jìn)行選擇時，選用EM224、EM234和EM235作為模擬量擴(kuò)展單元。由于在后續(xù)揚(yáng)水泵站不斷運(yùn)行和發(fā)展中，用戶的用水需求會進(jìn)一步提高，需要對調(diào)配系統(tǒng)進(jìn)行不斷地優(yōu)化和創(chuàng)新[7]。因此，在選擇控制器時，對其容量的考量還需要結(jié)合系統(tǒng)上位機(jī)用戶存儲器的內(nèi)存容量以及控制點(diǎn)的數(shù)量兩個方面因素，選擇時留有適量余量，為系統(tǒng)優(yōu)化升級提供便利條件。

2 揚(yáng)水泵站變頻變壓供水自動調(diào)配系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 揚(yáng)水泵站流量調(diào)節(jié)設(shè)計

針對揚(yáng)水泵站的運(yùn)行特點(diǎn)，在調(diào)配系統(tǒng)中引入兩種不同的流量調(diào)節(jié)方法，分別為調(diào)速調(diào)節(jié)和變徑調(diào)節(jié)。第一種調(diào)節(jié)方式可通過改變揚(yáng)水泵站中水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速，使水泵的流量發(fā)生改變[8]。這種調(diào)節(jié)方式在實(shí)際應(yīng)用中具有能耗小，綜合效益高的優(yōu)勢。另一種調(diào)制方式為流量調(diào)整，在此過程中，可通過切削的處理手段，對其流量的輸入與輸出進(jìn)行同步調(diào)控，相比第一種調(diào)節(jié)方式，此種方式的操作更為便捷，且具有成本低的顯著優(yōu)勢。綜合上述兩種調(diào)節(jié)方法的需要，首先在調(diào)配系統(tǒng)中對其液力耦合器的速度進(jìn)行控制。為了能夠在應(yīng)用液力耦合器的過程中，實(shí)現(xiàn)變速效率的進(jìn)一步提升，本文采用熱回收措施，將油溫的冷卻熱量進(jìn)行二次利用。結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)對調(diào)配系統(tǒng)當(dāng)中的交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算，其公式為：

(1)

式中，n—終端電動機(jī)在單位時間內(nèi)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速；f—交流電動機(jī)電源運(yùn)行頻率；p—設(shè)備運(yùn)行極對數(shù)；s—轉(zhuǎn)差率。

根據(jù)公式(1)可知，通過調(diào)節(jié)f與p，可實(shí)現(xiàn)對終端設(shè)備運(yùn)行的有效控制。因此，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對水泵交流電動機(jī)的可控，可采用液力耦合、變頻調(diào)速等方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。為確保系統(tǒng)在運(yùn)行過程中具有更高的應(yīng)用優(yōu)勢，選擇將兩種調(diào)速方式各項(xiàng)性能進(jìn)行綜合對比，結(jié)果見表2。

表2 液力耦合與變頻調(diào)速方式應(yīng)用性能對比

綜合表2中兩種調(diào)速方式的應(yīng)用性能對比結(jié)果可以看出，在系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用變頻調(diào)速方式能夠達(dá)到最佳的調(diào)配效果。同時，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮到揚(yáng)水泵站的節(jié)能要求，絕大部分時間內(nèi)，用戶用水量均小于設(shè)計初期的流量，而水泵在小流量狀態(tài)下工作時，存水泵特性曲線特點(diǎn)，其表達(dá)式為：

H=Hx-SxQ2

(2)

式中，H—揚(yáng)水泵站的水泵揚(yáng)程，m；Hx—揚(yáng)水泵站水泵虛總揚(yáng)程，m；Sx—水泵虛總內(nèi)耗；Q—水泵實(shí)際出水量,m3/s。

從公式(2)可知，當(dāng)終端水泵的出水量呈現(xiàn)一種持續(xù)上升的趨勢時，水泵的工作揚(yáng)程會隨之出現(xiàn)明顯的增漲趨勢，導(dǎo)致水泵的大部分運(yùn)行過程，均處于揚(yáng)程過剩的狀態(tài)，會對水資源造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。因此，針對這一問題，在實(shí)現(xiàn)對揚(yáng)水泵站流量調(diào)節(jié)時，引入調(diào)速技術(shù)，使水泵的流量以及揚(yáng)程能夠根據(jù)用戶的實(shí)際用水變化進(jìn)行自動調(diào)整，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

2.2 水泵變頻變壓調(diào)速控制

針對揚(yáng)水泵站的調(diào)速控制對于減少能源消耗而言具有十分重要的意義，因此為實(shí)現(xiàn)對揚(yáng)水泵站的調(diào)速控制，本文引入變頻變壓調(diào)速思路[9- 10]，在調(diào)配系統(tǒng)當(dāng)中利用上述選擇的水泵專用變頻器，對水泵進(jìn)行調(diào)速控制。首先，針對變頻器的容量參數(shù)進(jìn)行控制，其計算公式為：

P=KP′/(ηcosφ)

(3)

式中，P—系統(tǒng)當(dāng)中水泵專用變頻器的容量大小，kW；K—變頻器在運(yùn)行過程中的安全系數(shù)；P′—電機(jī)負(fù)載，kW；η—電動機(jī)的運(yùn)行效率；φ—電動機(jī)運(yùn)行時的功率因素。

在對水泵進(jìn)行變頻變壓調(diào)速控制的過程中，可采用大泵調(diào)速，小泵恒速和小泵調(diào)速，大泵恒速兩種調(diào)速控制方法。將標(biāo)準(zhǔn)供水量設(shè)置為W，在利用第一種方法進(jìn)行調(diào)速控制時，當(dāng)揚(yáng)水泵站的水量小于W，則此時由調(diào)速泵單獨(dú)完成運(yùn)行；當(dāng)用水量超過W，則由調(diào)速泵和恒速泵同時并聯(lián)運(yùn)行。在利用第二種方法進(jìn)行調(diào)速控制時，在此基礎(chǔ)上，需要增設(shè)一個W′參數(shù)，將此數(shù)值作為W的中間值，針對W′的調(diào)速，可由泵結(jié)構(gòu)獨(dú)立操作完成，在此過程中，當(dāng)W′>W時，便可以認(rèn)為此時調(diào)節(jié)泵處于一種并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)。同時，在實(shí)際應(yīng)用調(diào)配系數(shù)時，可將Cohen模型引入到對水泵流量計算，并對流量與實(shí)際并聯(lián)特性差異進(jìn)行分析，通過對比Cohen模型得出的多個輸出結(jié)果，不斷優(yōu)化水泵調(diào)速的適用范圍，并得出流量偏差優(yōu)化模型，從而將該模型作為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對水泵的科學(xué)調(diào)速。

2.3 基于改進(jìn)模糊算法的自動預(yù)估補(bǔ)償調(diào)配處理

由于揚(yáng)水泵站的運(yùn)行特點(diǎn)，在利用調(diào)配系統(tǒng)對其進(jìn)行供水控制時常常會出現(xiàn)被控制對象出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，使得其后續(xù)相應(yīng)的相位同樣出現(xiàn)滯后現(xiàn)象[11]。隨著時間的不斷增加，其相位滯后量也隨之不斷增加，嚴(yán)重影響到調(diào)配系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，并會造成超調(diào)或振蕩的問題，最終導(dǎo)致?lián)P水泵站的供水質(zhì)量降低。因此，針對這一問題，本文引入改進(jìn)模糊算法，對調(diào)配系統(tǒng)進(jìn)行自動預(yù)估補(bǔ)償調(diào)配處理，其補(bǔ)償流程為：利用改進(jìn)模糊算法原理給被控?fù)P水泵站并聯(lián)一個補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用于對被控?fù)P水泵站出現(xiàn)的滯后部分進(jìn)行補(bǔ)償，其表達(dá)式為：

(4)

式中，G(s)—被控?fù)P水泵站當(dāng)中不含滯后部分的傳遞函數(shù)；M—補(bǔ)償系數(shù)；Ts—補(bǔ)償量。

根據(jù)上述公式，在系統(tǒng)當(dāng)中引入一個Smith預(yù)估模塊，利用該模塊與傳遞函數(shù)共同構(gòu)成一個補(bǔ)償回路。經(jīng)過該補(bǔ)償回路的補(bǔ)償操作，系統(tǒng)當(dāng)中的滯后部分在閉環(huán)控制回路以外，從而無法影響到本文調(diào)配系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)論證

本文提出一種針對揚(yáng)水泵站變頻變壓供水的自動調(diào)配系統(tǒng)，并從硬件和軟件角度實(shí)現(xiàn)對其理論層面設(shè)計，為進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計的調(diào)配系統(tǒng)能夠在實(shí)際揚(yáng)水泵站當(dāng)中具備良好的應(yīng)用，與傳統(tǒng)基于PID控制器的調(diào)配系統(tǒng)同時應(yīng)用到相同的揚(yáng)水泵站運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中，分別對其供水進(jìn)行調(diào)速控制。選擇以某地區(qū)揚(yáng)水泵站改造工程作為實(shí)驗(yàn)依托環(huán)境，該項(xiàng)目中涉及的輸水區(qū)域成狹長條狀分布，東西方向長度約為2.36km，南北方向長度約為12.36km，通過對該揚(yáng)水泵站輸水區(qū)域近幾年的情況記錄得出，該揚(yáng)水泵站輸水范圍內(nèi)平均日綜合用水量為320L·人-1·d-1，區(qū)域周圍輸水管道等級在DN200級以上的管道總長度約為43km，輸水覆蓋面積為12.6km2，用水用戶超過25萬人。分別選擇該揚(yáng)水泵站輸水范圍內(nèi)的五個用戶用水區(qū)域，其距離揚(yáng)水泵站總站的距離分別為1、5、10、15、20km，分別利用本文提出的調(diào)配系統(tǒng)和傳統(tǒng)調(diào)配系統(tǒng)對揚(yáng)水泵站供水進(jìn)行控制，對比上述5個不同區(qū)域內(nèi)的供水量與實(shí)際所需情況，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 兩種調(diào)配系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表

從表3得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)調(diào)配供水量在各個距離上均滿足實(shí)際用戶用水需求量，而傳統(tǒng)系統(tǒng)無法達(dá)到這一效果。因此，通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的調(diào)配系統(tǒng)能夠充分滿足用戶用水需要，并且減少需水量小時能源的消耗，達(dá)到節(jié)能效果。

4 結(jié)語

當(dāng)前急需根據(jù)不同時段用戶用水需要，對管道輸水壓力進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的供水調(diào)配系統(tǒng)。本文通過開展對揚(yáng)水泵站供水調(diào)配系統(tǒng)的研究，提出一種變頻變壓式供水自動調(diào)配系統(tǒng)的設(shè)計思路，對該系統(tǒng)分別進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計，對揚(yáng)水泵站現(xiàn)場各類終端數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、檢測和控制，在調(diào)配系統(tǒng)中引入調(diào)速調(diào)節(jié)和變徑調(diào)節(jié)兩種流量調(diào)節(jié)方法，引入變頻變壓調(diào)速思路，實(shí)現(xiàn)對揚(yáng)水泵站的調(diào)速控制，并將該設(shè)計思路應(yīng)用于實(shí)際揚(yáng)水泵站當(dāng)中，能夠節(jié)省各類能源，進(jìn)而提高水廠整體效益。在今后的發(fā)展中，可引入先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)供水的智能調(diào)配。