自來水供水廠水泵智能控制

楊江華

（珠海水務(wù)集團(tuán)有限公司斗門供水分公司,廣東珠海,519100）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用水量不斷增多，這對(duì)供水廠提出了新的服務(wù)要求。在傳統(tǒng)的水泵管理過程中采取單一的水泵控制，水泵不能進(jìn)行功能切換，局限性很大，而且水泵在工作的過程中出現(xiàn)的故障率較高。根據(jù)新的服務(wù)要求，在PID模糊控制理論的指導(dǎo)下，加強(qiáng)自來水公司水泵的智能控制，可實(shí)現(xiàn)自來水水廠控制的科學(xué)化以及合理化，減少水泵的故障率。

1 實(shí)行自來水廠水泵的智能化控制的重要意義

1.1 適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要

水泵在水廠的工作中發(fā)揮著十分重要的作用，對(duì)水廠本身的建設(shè)以及為用戶提供服務(wù)的過程中占有十分中國要的地位。傳統(tǒng)自來水廠的人工控制水泵的做法，一方面浪費(fèi)了大量的人力資源，另一方面也存在著水箱等基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)建設(shè)，導(dǎo)致了人力物力的極大消耗。傳統(tǒng)的管理方法，落后的管理理念和管理方式已經(jīng)不再適合社會(huì)發(fā)展對(duì)水廠服務(wù)的要求。加強(qiáng)說泵管理的智能化建設(shè)，可以增強(qiáng)水廠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活要求能力。

1.2 促進(jìn)自來水廠可持續(xù)發(fā)展的需要

近年來不論是工業(yè)發(fā)展用水的需求以及滿足人們生活的用戶需求都在不斷的劇增。這對(duì)自來水廠的服務(wù)能力提出了更高的要求。為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活的用水需求，自來水廠在發(fā)展的過程中要加強(qiáng)現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用。模糊PID技術(shù)應(yīng)用到自來水廠的管理得過程中，可以提高自來水廠對(duì)水泵的控制能力和管理水平，切實(shí)提高自來水廠的實(shí)際服務(wù)水平和服務(wù)質(zhì)量。

2 PID模糊控制

2.1 模糊控制系統(tǒng)

從本質(zhì)上而言模糊控制系 統(tǒng)是一種計(jì)算即數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)的是以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。

模糊控制系統(tǒng)由模糊控制器，輸入、輸出接口，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，被控制對(duì)象以及傳感性構(gòu)成。真?zhèn)€系統(tǒng)中模糊控制器時(shí)主導(dǎo)部分，模糊控制器的控制規(guī)則是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)決定的。在整個(gè)系統(tǒng)工作中，計(jì)算機(jī)對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行精確至采集，通過精確至與給定值之間的比較，得出差異信號(hào)e，差異信號(hào)e使系統(tǒng)的輸入量，同時(shí)也要把誤差信號(hào)e的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，誤差信號(hào)而得模糊化語言表示可以產(chǎn)生出一個(gè)模糊信號(hào)e語言集的一個(gè)子系統(tǒng)E，通過E和模糊控制規(guī)則R根據(jù)系統(tǒng)邏輯推理形成規(guī)則進(jìn)行決策，得到模糊控制量U=ER，式中U為一個(gè)模糊量。在這過程中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制對(duì)象的精確化控制，還需要將模糊量U轉(zhuǎn)化為精確量u。

2.2 PID控制器結(jié)構(gòu)

目前比較通用的控制規(guī)律是在模糊控制系統(tǒng)中控制規(guī)律是PlD控制。PID控制器主要是由比例P單元、I積分單元以及D微分單元構(gòu)成的。通過PID控制器中的Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。

圖1 變壓調(diào)速供水原理圖

3 變壓調(diào)速供水原理

變壓調(diào)速供水原理如圖1所示。

從圖1我們可以清晰的看出，自來水水廠的流量從Q。減為Q1時(shí)，如果在這個(gè)過程中采用傳統(tǒng)的恒速泵如揚(yáng)程升至HB，那么這個(gè)過程中段的揚(yáng)程則是完全不必要的；如果在這個(gè)過程中所采用的是恒壓變頻調(diào)速泵以維持恒壓H，那么在這個(gè)的過程中段的揚(yáng)程則是無用功，但從以上的分析我們就可以發(fā)現(xiàn)，恒壓調(diào)速比恒速供水實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC處于智能水泵智能恒壓公說系統(tǒng)中的主導(dǎo)地位。系統(tǒng)內(nèi)部的傳感器在工作的過程中可以將系統(tǒng)管道所承受的壓力以信號(hào)的反射反饋回系統(tǒng)。在PLC模擬量輸入模塊中，通過對(duì)系統(tǒng)給定的壓力值與傳感系統(tǒng)反饋的精確值以及起變化呂作為模糊控制器輸入，經(jīng)PLC查詢模糊控制表得出相應(yīng)的輸出控制量，輸出控制量會(huì)通過模擬量輸出給變頻器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的輸出頻率以及水泵的工作臺(tái)數(shù)進(jìn)行有效的控制。在這個(gè)過程中PLC對(duì)蓄水池的水位檢測(cè)是通過超聲波水位計(jì)實(shí)現(xiàn)的，并且可以通過對(duì)電動(dòng)閥的控制以確保蓄水池有足夠的水量。

系統(tǒng)可以通過壓力傳感器對(duì)水泵的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，得到的數(shù)據(jù)為真實(shí)的水壓值，PLC將傳感器傳回的壓力數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)指定的壓力值進(jìn)行對(duì)比，重耳確認(rèn)壓力偏差，再通過PLC算法除控制信號(hào)，通過變頻器的中介作用，來調(diào)整系統(tǒng)中異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的實(shí)際控制，水泵的出1：3壓力改變，再經(jīng)過壓力傳感器反饋給PLC，從而達(dá)到水壓P的在線調(diào)整。

4.2 水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

被控系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性、時(shí)滯性，且由于噪聲、負(fù)載擾動(dòng)等因數(shù)的干擾。因此，難以對(duì)被控系統(tǒng)建立起十分精確的數(shù)學(xué)模型或引起對(duì)象數(shù)學(xué)模型的改變，這樣使得在精度上很難達(dá)到要求。采用模糊控制PID算法，可以對(duì)這些問題進(jìn)行有效的解決，它可以避開精確的數(shù)學(xué)模式的建立，也能達(dá)到對(duì)被控制對(duì)象快速、有效的控制。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的過程中為了提高控制的精度，加強(qiáng)系統(tǒng)的響應(yīng)能力，水壓控制閉環(huán)采用模糊控制PID控制策略，根據(jù)模糊推理和模糊邏輯運(yùn)算規(guī)則去修改各種控制參數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)如下：根據(jù)水壓檢測(cè)值和實(shí)際值的偏差，包括正偏差和負(fù)偏差，根據(jù)水壓偏差的大小化分為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、負(fù)零(NO)、正零(PO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)8個(gè)模糊子集。同樣根據(jù)水壓偏差變化大小將其分為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)7個(gè)模糊子集。

經(jīng)過分析我們可以得出以下結(jié)論。當(dāng)系統(tǒng)水壓出現(xiàn)負(fù)偏差，并且負(fù)偏差比較大時(shí)，而且水壓偏差的辯護(hù)方向仍然是負(fù)，在這種情況下水壓偏差會(huì)朝著變大的方向發(fā)展，為了對(duì)出現(xiàn)的負(fù)大水壓進(jìn)行控制，使水查偏壓不再繼續(xù)加大，控制量的變化取正大。當(dāng)出現(xiàn)水壓的偏差時(shí)負(fù)偏差，但是,水壓變化呈現(xiàn)正變化時(shí)，系統(tǒng)自身對(duì)水壓進(jìn)行調(diào)解，會(huì)對(duì)水壓偏差進(jìn)行減少，在這個(gè)過程中為了調(diào)節(jié)水壓，應(yīng)該取較小的控制了量。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)中的水壓偏差時(shí)，控制量的變化與出現(xiàn)水壓偏差為負(fù)大時(shí)一樣。水壓出現(xiàn)負(fù)小的偏差時(shí)，系統(tǒng)在總體上處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，在這時(shí)控制量應(yīng)該選擇為正中。當(dāng)水壓正小偏差時(shí)，系統(tǒng)本身會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)為正小?？傊?，以上所分析的水壓調(diào)節(jié)是以維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性作為主要目的的。

4.3 系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程中使用PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)與傳統(tǒng)的水泵管理相比該系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中比較平穩(wěn)，減少了不必要的摩擦，提高了水泵的使用年限。

(3)該系統(tǒng)采用了恒壓供水方法，減少了水廠在建設(shè)的過程中在水箱和水塔等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了資本的節(jié)約，也有利于提高水廠的效益。

(4)變頻恒壓供水保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠，具有故障自診斷等保護(hù)功能。

圖2 水壓控制閉環(huán)圖

(5)系統(tǒng)可以通過一臺(tái)變頻器對(duì)多臺(tái)水泵進(jìn)行管理，可以根據(jù)用戶的需求，進(jìn)行合理的調(diào)整，滿足用戶的多樣需求。

(6)利用PID系統(tǒng)進(jìn)行控制，電能的輸出可以根據(jù)水量進(jìn)行調(diào)解，實(shí)現(xiàn)了能源實(shí)用的有效控制。

(7)系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，不需要人力干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

5 結(jié)語

本文對(duì)自來水的智能控制進(jìn)行研究，通過上述分析我們可以得出，實(shí)現(xiàn)自來水廠水泵控制的智能化，一方面滿足了社會(huì)發(fā)展需要對(duì)供水的實(shí)際需求，提高了自來水廠的實(shí)際服務(wù)能力，另一方面水廠水泵控制智能化實(shí)現(xiàn)了自來水廠自身的發(fā)展。自來水廠智能控制一般包括單擊控制策略以及多機(jī)模糊控制策略，本文分析的重點(diǎn)為多機(jī)模糊控制策略。在這種策略的指導(dǎo)下，可以降低水泵在使用過程中的能耗，符合可持續(xù)發(fā)發(fā)展理念要求，也提高了自來水廠的經(jīng)營效益，創(chuàng)造了社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]劉洪濤，黃海．PLC應(yīng)用開發(fā)從基礎(chǔ)到實(shí)踐[M]．北京：電子工業(yè)出版社．2007．

[2]賈振興，郭芝政.基于PLC礦井智能化主排水泵的研究[J].山東煤炭科技，2013(3)

[3]余嘩.基于PID模糊調(diào)節(jié)的水泵智能控制技術(shù)[M].高科技與產(chǎn)業(yè)化,2010(7).

[4]李焦明，薛平智.智能化節(jié)電設(shè)備在水泵上的應(yīng)用[J].中國給水排水，2010(16).

[5]鎖良，方明，王泳.基于PLC的水泵智能控制及能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(12)

[6]王光生,尹文波,韓洪彬,等. 基于 PLC 的礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2010（2）.