電廠供水控制系統(tǒng)自動化設計方法研究

策里木格，邵晶波

電廠供水控制系統(tǒng)自動化設計方法研究

策里木格，邵晶波

（哈爾濱師范大學計算機科學與信息工程學院，哈爾濱150025）

提出基于模糊控制的方法，以蒙古第四熱電廠為例，實現(xiàn)熱電廠供水系統(tǒng)水位自動檢測，開啟的水泵數(shù)目也由模糊函數(shù)控制，根據(jù)第四熱電廠實際情況，將任務分解為15個規(guī)則，利用模糊推理解決供水系統(tǒng)自動化問題。提出的方法在第四熱電廠的應用結果表明，與舊版本軟件相比較，供水控制效率更高、更安全可靠。

第四熱電廠（TPP-4）、技術供水系統(tǒng)（TWSS）、監(jiān)測系統(tǒng)、模糊函數(shù)、可編程邏輯控制器（PLC）

0 引言

眾所周知，當一個熱電廠的生產(chǎn)技術實現(xiàn)自動化時，該熱電廠的供水系統(tǒng)的輸出量也會增大。蒙古最大的熱電廠按照國際標準引進先進的技術供電。如圖1所示，熱電廠工藝流程為：首先電力要有能源，可采用煤炭，一般電力廠有個儲煤場存放煤炭。首先，由傳送帶將煤炭送至供煤機，經(jīng)粉碎機粉碎之后送至鍋爐中，將煤處理打磨成細粉后燃燒產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動汽輪機，汽輪機帶動渦輪機接發(fā)電機產(chǎn)生點，然后生成的電進入升壓房，將其轉換成成高壓電，通過高壓線送至變電所進行供電。但該熱電廠存在亟待解決的問題，即“技術供水系統(tǒng)”還沒有完全達到自動化。舊的供電系統(tǒng)仍有很多問題需要升級[1]。陳舊的電力系統(tǒng)面臨的主要問題是：（1）沒有監(jiān)測系統(tǒng)，房子陳舊,沒有任何防盜裝置，沒有發(fā)射機裝置，因而壓力信號無法傳送到調度員，而且一旦系統(tǒng)緊急暫停時,需要話費很多時間來定位有故障的井泵，缺乏相應的應急處理措施。

1 相關研究現(xiàn)狀

近年來，由于供電系統(tǒng)需要大量的電力和頻繁負載調整，火力發(fā)電廠中許多設備在及其惡劣的條件下超負荷運作。而控制室又很難在短時間內迅速識別出事故如火災、燃油泄漏及系統(tǒng)聲音異常等故障。因此，系統(tǒng)維護者必須搜尋工廠所有處所、定位故障點、排除故障。為了排除故障，自動監(jiān)測系統(tǒng)應能檢測到該類意外事故的發(fā)生。本文主要針對該問題進行了研究。

圖1 熱電廠示意圖

近年來國內外在該方面的主要研究成果如下。羅馬尼亞科學家開發(fā)了一個監(jiān)視和控制系統(tǒng)，重點研究熱處理系統(tǒng)從而提高整個系統(tǒng)的功能[2]。本文主要做了兩方面的工作。一是監(jiān)控系統(tǒng)版本；二是系統(tǒng)的編譯語言。對于一個確定的操作系統(tǒng)如Windows或Unix來說，這兩方面是對等的。

文獻[3]開發(fā)了一個先進的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測和控制火力發(fā)電廠的鍋爐和汽輪機。提出的方法主要設定了幾種工作模式，可控制啟動、關閉操火力發(fā)電廠。用戶可通過變換不同的操作模式，控制先進的設備，實現(xiàn)系統(tǒng)綜合監(jiān)控的功能。作者提出了相應的控制算法，該系統(tǒng)采取模型預測控制器MIMO控制方法，開發(fā)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用標準化、開放式接口API，可被直接連接到其他系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡實施遠程實時監(jiān)控。

文獻[4]重點研究了軟件中梯形圖與指令表程序互相轉換的算法，先介紹了指令解釋執(zhí)行的原理和方法，然后根據(jù)AOV有向圖建立二叉樹，再對二叉樹進行后序遍歷，從而實現(xiàn)梯形圖程序向指令表程序轉換的算法，并描述了算法實現(xiàn)的詳細步驟。而文獻[5]中以XBTGT5330觸摸屏、Modicon M340 PLC和并聯(lián)保護單元（PPU）為核心，設計了交流電壓為380V，工作頻率為50 Hz的船舶自動化電站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了PLC控制程序控制，人機界面交互。通過網(wǎng)絡將電站運行數(shù)據(jù)傳送至上位機，以便實行遠程監(jiān)控。實驗結果顯示，該系統(tǒng)可顯著提高船舶電站的穩(wěn)定性和可靠性。

文獻[6]中，把在線監(jiān)測、診斷和預測（OMDP）等信息提供給運營商作參考，從而提高核電站的安全性。分布式守恒方程和人工免疫系統(tǒng)實現(xiàn)在線監(jiān)測和診斷。將定量仿真模型和交互式數(shù)據(jù)庫結合起來預測系統(tǒng)態(tài)勢和故障的嚴重程度。通過提高對凝析油的監(jiān)測和診斷預測，對給水系統(tǒng)進行了仿真實驗，實驗結果證明了在線監(jiān)測的有效性。文獻[7]中，給每一個排站安裝自動化系統(tǒng)，使排站管理更加靈活，用戶管理更加簡單方便，排站工作更加穩(wěn)定、安全?；赟7200系列PLC和WinCC人機界面設計工具，文獻中的作者實現(xiàn)了小型水電站的自動遠程監(jiān)控，可對橡膠壩進行實時監(jiān)測。該系統(tǒng)兼具自動控制和遠程監(jiān)控的優(yōu)點，并且保留了現(xiàn)場手動電氣控制和機械控制的功能，進一步提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。文獻[8]詳細介紹了提出的系統(tǒng)的研發(fā)過程。系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC作為控制核心，采用WinCC組態(tài)軟件搭建人機界面，構成一個綜合信息管理平臺，采用以太網(wǎng)方實現(xiàn)PLC與上位機軟件之間通信，通過控制泵、閥、電機等執(zhí)行結構完成控制任務，并為生產(chǎn)過程提供視頻監(jiān)控和硬盤錄像的功能，綜合運用了控制理論、網(wǎng)絡通訊、組態(tài)軟件、PLC以及檢測與傳感器等多項技術。

針對蒙古第四熱電廠急需解決的問題，我們主要進行電廠供水控制系統(tǒng)自動化設計方法研究。

2 初步設計

如果我們把熱電廠看成人體，則技術供水系統(tǒng)為靜脈，為人體輸送生存所必須的養(yǎng)料，維持整個人體的正?；顒?。發(fā)電廠技術供水系統(tǒng)需要供應爐，過濾水渦輪機等設備。系統(tǒng)組件的8個井具有相同數(shù)量的泵電機、逆變器、控制器和傳感器，而且遠離發(fā)電廠15多公里。因由于電廠孤立并缺乏足夠的防護措施，沒有監(jiān)測系統(tǒng)，沒有傳送機，壓力信號無法發(fā)送到調度員，加之，一個輪班只有兩個調度員，一個調度員在采區(qū)，另一個調度員在巡邏。因此，一旦出現(xiàn)事故或意外，他們必須要搜尋、定位故障。有了我們設計的這個新的監(jiān)控系統(tǒng)，我們采不必浪費太多時間去解決這些問題。

系統(tǒng)監(jiān)測計劃主要為了確保監(jiān)視和控制技術適用于熱電廠供水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)監(jiān)測主要涉及的組件為：井亭、電動機、監(jiān)視控制房間。井泵配有自己的儀表：可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、逆變器、溫度控制器和傳感器。系統(tǒng)架構集中向電腦，實現(xiàn)監(jiān)測警報的管理和故障條件。通信時通過使用特殊的數(shù)據(jù)采集卡和以太局域網(wǎng)絡。這些設施都是為了方便操作員監(jiān)控技術供水系統(tǒng)。

3 詳細設計

實現(xiàn)給水供水系統(tǒng)的水位監(jiān)測系統(tǒng)體系結構如圖2所示。系統(tǒng)主要有四種基本結構：現(xiàn)場層、工廠地板層、技術層、企業(yè)級層。局域網(wǎng)主要采用分布式客戶機/服務器體系結構，在此基礎上，每一層鏈接使用TCP/ IP協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng)。該通信系統(tǒng)通過TCP，將電腦連接到PLC。來自PLC的信號是數(shù)字的，采用串行通信。PLC接收監(jiān)控值和視頻流，然后將接收到的測量值與顯示器上的標稱值比較，并在顯示器上顯示，同時將反饋信號發(fā)送至PLC。因此，輸出信號處理有時間延遲，可采用多線程來解決這個問題。多線程主要包括主線程和輔線程。僅當輔助線程更改接收到的值時，主線程才創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)接收端。然后程序日志文件通過使用數(shù)據(jù)庫被存儲在服務器中。對于監(jiān)測部分，在一定時間內，視頻將被逐幀轉換成MPEG格式后，復制到硬盤中。

系統(tǒng)配備1個Dell-Optiplex 330個人電腦，7個“Adam-6024”系列（通用模塊），8個媒體轉換器，傳感器和緊急指標45個。

圖2 供水監(jiān)測系統(tǒng)的基本架構

4 水位及水泵控制

接下來要完成水位變化率模糊化和水泵開啟臺數(shù)模糊化的近似，按照水位率模糊化步驟，依次完成水位變化率模糊化與水泵開啟臺數(shù)模糊化。水位變化率模糊隸屬度函數(shù)如圖4所示，水泵開啟臺數(shù)模糊隸屬度函數(shù)如圖5所示。

圖3 水位模糊隸屬度函數(shù)

若要構造一個系統(tǒng)，程序必須要組織好。正如工程師必須把任務清晰、無二義地告訴他/她的機械師一樣，泵站函數(shù)必須要配備正確模糊控制系統(tǒng)。類似地，程序任務也必須清楚的規(guī)則。根據(jù)蒙古第四熱電廠實際情況，它的任務可細分為15個子任務，具體如下：

圖4 水位變化率模糊隸屬度函數(shù)

圖5 水泵開啟臺數(shù)模糊隸屬度函數(shù)

如果水位很低并且水位下降，那么泵機全部停機；如果水位不穩(wěn)定，那么所有泵機全停機；如果水位非常低并且漲水，那么開啟一個泵機；如果水位偏低并且水位下降，那么開啟一個泵機；如果水位中等并且水位下降，那么開啟一個泵機；如果水位偏低并且水位穩(wěn)定，那么開啟一個泵機；如果水位偏低并且漲水，那么開啟兩個泵機；如果水位偏高并且水位下降，那么開啟兩個泵機；如果水位中等并且水位穩(wěn)定，那么開啟兩個泵機；如果水位非常高并且水位下降，那么開啟兩個泵機；如果水位中等并且漲水，那么開啟三個泵機；如果水位非常高并且水位穩(wěn)定，那么開啟三個泵機；如果水位偏高并且漲水，那么開啟三個泵機；如果水位偏高并且水位穩(wěn)定，那么開啟三個泵機；如果水位非常高并且漲水，那么開啟機三個泵機。

表1 模糊控制表

上述十五種情況可歸納為表1。

模糊控制規(guī)則見圖6，模糊規(guī)則瀏覽界面如圖7所示。

圖6 模糊控制規(guī)則

（2）模糊推理

經(jīng)過計算之后得出結論，當水位達到0.9m，上漲速率為0.09cm/s時模糊控制器模糊推理結果為：

（3）解模糊

由模糊推理得到的輸出量屬于模糊量，需要通過解模糊方程得到一個精確值，此過程亦即解模糊。在本課題中，根據(jù)電排站的特性和控制要求，采用最大隸屬度函數(shù)法解模糊，該方法簡單實用，只需在推理結果的模糊集合里選出最大的一個元素作為輸出即可。本系統(tǒng)采用最大隸屬度函數(shù)法計算，當水位達到0.9m，上漲速率為0.09cm/s時，由（1）式得出的模糊控制器模糊推理結果得模糊控制器輸出為：

綜上所述，在液面水位達到0.9m、漲水速率為0.09cm/s時，模糊控制器輸出的結果為，控制開啟三個泵機。為了維持三相電動機功率為6kW，我們使用一個繼電器開關控制。因為在最開始時，繼電器保持接觸反饋觸點來啟動設備，繼電器松開觸點來關閉設備。所以，該系統(tǒng)需要兩個離散輸出來控制泵機，此外，還需要為加熱器提供兩個輸出端。但是如圖2所示，圖中的模塊“ADAM-6024”不是兩個輸出端，因而需要進行適應性更改。Advantech公司開發(fā)的軟件Adamview是一個相對老舊，需要用Modbus傳輸控制協(xié)議的服務器。它有自帶的庫文件。我們通過adamtcp.dll文件將硬件和軟件協(xié)調起來。隨著系統(tǒng)的不斷更新，系統(tǒng)會隨著模塊數(shù)量的增加變得更快。

圖7 模糊規(guī)則瀏覽界面

5 軟件測試

總體上講，蒙古第四熱電廠的供水系統(tǒng)需要有兩類控制回路——開環(huán)控制回路和閉環(huán)控制回路實現(xiàn)對供水系統(tǒng)的自動控制。對于開環(huán)控制回路，控制器的控制結果是生成獨立的輸出；對于中央供暖鍋爐控制，只需設置一個定時器即可，這樣可以控制加熱持續(xù)一段時間而不必考慮建筑的溫度。而對于閉環(huán)控制回路而言，控制器的控制作用主要取決于輸出過程。由恒溫器監(jiān)控鍋爐溫度，反饋信號與設定溫度相比較，判斷是否為恒溫，以確?？刂破鲗⒔ㄖ臏囟瓤刂圃陬A設的溫度。閉環(huán)控制器需要一個反饋回路將控制器產(chǎn)生的控制作用反饋給流程，輸出結果。開環(huán)控制的實現(xiàn)可以示為一個數(shù)學公式，描述精確定義的系統(tǒng)輸入和輸出結果之間的關系。由于輸送機系統(tǒng)需要以恒定速度運轉，電機的負載可以控制恒壓輸送機以多大速度運轉。因而，可通過調整負載來控制電機的電壓，使輸送機恒速運行。此種情況下，閉環(huán)控制系統(tǒng)是必不可少的。先通過液位傳感器不斷的采集液位值，然后作濾波處理。再將采樣的液位值與上一次采的樣值作比較，得到液位偏差量，將液位偏差量除以采樣周期，得到液位偏差變化率。實現(xiàn)了上述數(shù)據(jù)處理之后，就可以進行模糊化。把采集液位值和液位偏差變化率根據(jù)隸屬度函數(shù)轉換為模糊集合。如圖3所示，離散分級數(shù)越多，則分辨率越高，控制決策的結果就越平穩(wěn)越精確。然而級數(shù)一般不宜過多，可根據(jù)實際工程需要確定分級數(shù)。根據(jù)電排站操作員的經(jīng)驗，可運用三角函數(shù)法將采集液位值細分成五個級別的離散值，液位偏差變化率細分成三個級別的離散值，而水泵開啟臺數(shù)細分成四個級別。

6 結語

本文提出了一種適用于蒙古第四熱電廠的熱電廠供水系統(tǒng)自動化的設計和實現(xiàn)方法。實現(xiàn)的該軟件系統(tǒng)能完成更多模塊的操作。與舊版本軟件相比較，實現(xiàn)的監(jiān)測系統(tǒng)效率更高、更安全可靠。

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Research on Automation Design Method of Power Plant Water Supply Control System

CELI Mu-ge，SHAO Jing-bo

（School of Computer Science and Information Engineering,Harbin Normal University，Harbin 150025）

Proposes a novel method for design automation of technical water supply system(TWSS).Based on fuzzy function and fuzzy reasoning, chooses thermal power plant No.4(TPP-4)in Mongolia,gives the fuzzy function for controlling the number of water pumps,and establishes related reasoning rules for the proposed surveillance system.According to the real situation for No.4 thermal power plant,partitions the total task for TPP-4 into 15 subtasks,and elaborates the detailed reasoning rules.The proposed algorithm is implemented by programmable logic controller(PLC).Experimental results on TPP-4 shows that the proposed approach acheives higher efficiency and realiability.

Thermal Power Plant№4（TPP-4）;Technical Water Supply System（TWSS）;Surveillance System;Fuzzy Functin;Programmable Logic Controller（PLC）

1007-1423（2017）01-0029-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.01.008

策里木格（1989-），男，蒙古人，碩士研究生，研究方向為計算機應用技術

邵晶波（1979-），女，黑龍江省賓縣人，博士，碩士導師，副教授，研究方向為集成電路設計自動化

2016-11-08

2017-01-15

黑龍江省教育廳科技項目（No.12531183）