節(jié)能型鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的應(yīng)用研究

楊 磊 沈 璐

（1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院；2.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽蕪湖 241002）

節(jié)能型鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的應(yīng)用研究目標(biāo)是研究一種供水系統(tǒng)的實(shí)施方案，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)用戶對(duì)水的需求為前提，通過對(duì)管網(wǎng)用水流量以及供水壓力的計(jì)算，合理控制水泵的取水量。實(shí)現(xiàn)用多少水供多少水。通過對(duì)供水管網(wǎng)中的用水量以及最不利點(diǎn)水壓的計(jì)算，結(jié)合智能控制技術(shù)，通過傳感器對(duì)供水系統(tǒng)以及變頻泵進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化控制。使得管網(wǎng)的水壓隨流量的變化而改變。讓管網(wǎng)的各級(jí)設(shè)備在節(jié)能、高效的工況下運(yùn)行。從而節(jié)約了揚(yáng)程，降低了能耗。實(shí)現(xiàn)真正意義上的變壓變量供水方式。這種方式降低了供水成本，滿足不同用戶的需要。

一、變壓變量供水系統(tǒng)基本原理

（一）節(jié)能介紹。變壓變量供水的特點(diǎn)是管網(wǎng)出水口的壓力隨著供水量的改變而改變。在管網(wǎng)供水量較少時(shí)，管網(wǎng)輸出的水壓也較低。在管網(wǎng)供水量較大時(shí)，管網(wǎng)輸出的水壓也升高，從而減少了用電量。在實(shí)際供水系統(tǒng)中的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是：確保供水系統(tǒng)中最不利供水點(diǎn)的供水壓力，并且同時(shí)滿足所有用戶同時(shí)用水的需求。如最不利供水點(diǎn)水壓過低，會(huì)減少供水的可靠性。如水壓過高，從而出現(xiàn)了揚(yáng)程的浪費(fèi)[1]。變頻供水運(yùn)行工況如圖2-1 所示：A0為水泵特性曲線，H0為管網(wǎng)的特性曲線。Q2為流量，H2為揚(yáng)程，n0為轉(zhuǎn)速。B 為恒壓供水工況下的水泵的工況點(diǎn)。通過對(duì)恒壓供水的系統(tǒng)進(jìn)行分析，在管網(wǎng)的揚(yáng)程保持恒定的時(shí)候，管網(wǎng)流量從Q2轉(zhuǎn)為Q1，電機(jī)轉(zhuǎn)速從n0滑到n1，從而b為水泵新的工況點(diǎn)。揚(yáng)程Δh1是系統(tǒng)節(jié)省的部分，但此時(shí)Δh2被忽略了，因此恒壓供水系統(tǒng)浪費(fèi)了一定揚(yáng)程。下圖的這種供水方式采取變壓變量的方法，以管阻特性曲線為依托，把管阻特性和水泵揚(yáng)程結(jié)合起來，當(dāng)管網(wǎng)的流量下降至Q1時(shí)，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也降至n2，此時(shí)C點(diǎn)為工況點(diǎn)。通過分析，變壓變量的供水方式節(jié)省了揚(yáng)程Δh2，從而進(jìn)一步節(jié)約了能耗，可見變壓變量的供水方式更加節(jié)能[2]。

圖1 水泵節(jié)能原理圖

假設(shè)最不利用水點(diǎn)的壓力值為Hm，管網(wǎng)損失為Hf，管網(wǎng)初始?jí)毫镠0，見下列關(guān)系式：

以上是管網(wǎng)水損的公式。S0稱為比阻，為單位流量的液體通過單位長度管道時(shí)所需水頭。由于供水管網(wǎng)的主干道通常是恒定的，所以L為一個(gè)常量。則S=S0L，得出：

不如有些控制方法，但結(jié)構(gòu)較為簡單且更容易實(shí)現(xiàn)。而建造成本和恒壓供水相當(dāng)。節(jié)能效果遠(yuǎn)優(yōu)于恒壓供水。

由此可見恒壓變量供水方式它是始終保持恒定的水壓，雖然最不利用水點(diǎn)的水壓得以保證，但卻浪費(fèi)了揚(yáng)程，產(chǎn)生不必要的能源浪費(fèi)。在恒壓變量供水的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化便產(chǎn)生了變壓變量供水方式,節(jié)約了能源。

（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過記錄不同時(shí)段時(shí)管網(wǎng)的流量，以滿足用戶需求為前提條件，設(shè)定相對(duì)應(yīng)的管路初始?jí)毫?，并且將初始?jí)毫χ荡嬗诖鎯?chǔ)器內(nèi)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，管網(wǎng)的水壓會(huì)隨流量的變化而變化。不同流量下所需的水壓，控制器依據(jù)用水量的變化情況，控制水泵的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行臺(tái)數(shù)來調(diào)節(jié)供水管網(wǎng)的出口水壓。在確保系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，盡可能的降低能耗。如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)原理圖

（三）控制策略。利用流量Q確定水泵揚(yáng)程的方法。在供水管網(wǎng)中通過流量計(jì)將不同時(shí)間段檢測到的管網(wǎng)流量Q反饋給PLC，再根據(jù) 確定水泵機(jī)組的總揚(yáng)程H，通過變頻調(diào)速使供水管網(wǎng)的流量和總揚(yáng)程達(dá)到最佳工況點(diǎn)的要求。理論上對(duì)于單條的鄉(xiāng)鎮(zhèn)管網(wǎng)供水系統(tǒng)，可以得到相應(yīng)的管阻特性曲線。根據(jù)管網(wǎng)的運(yùn)行狀況，近似估算出的管阻特性曲線。并通過模糊控算法由PLC完成控制的一系列控制過程。在實(shí)際運(yùn)行中，因?yàn)楣茏杼卣髑€不易確定，需要運(yùn)行數(shù)據(jù)多年的積累。這里本文提出可根據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)的特點(diǎn)，采用取近似變壓曲線控制的方法?？梢园堰@種方法理解成為分時(shí)變量狀態(tài)下的恒壓供水系統(tǒng)。這種控制方法的精度雖不如有些控制方法，但結(jié)構(gòu)較為簡單且更容易實(shí)現(xiàn)。而建造成本和恒壓供水相當(dāng)。節(jié)能效果遠(yuǎn)優(yōu)于恒壓供水。

（四）工作原理。該系統(tǒng)采用3 臺(tái)水泵對(duì)管網(wǎng)供水，分為1 臺(tái)變頻、1 臺(tái)工頻1 臺(tái)變頻、2 臺(tái)工頻1 臺(tái)變頻三種工作狀態(tài)。供水系統(tǒng)利用安裝在管網(wǎng)出口處的流量傳感器，每隔30 分鐘采集一次管網(wǎng)的流量數(shù)據(jù)。由于管網(wǎng)的水壓和流量存在線性關(guān)系，可以計(jì)算出不同流量所對(duì)應(yīng)的水壓。把這些數(shù)據(jù)存入PLC進(jìn)行參數(shù)的預(yù)設(shè)。供水系統(tǒng)把實(shí)際運(yùn)行時(shí)采集到的管網(wǎng)出口水壓與設(shè)定好的壓力進(jìn)行比較，計(jì)算壓差變化率和壓力差。把壓差變化率和壓力差傳到模糊控制器進(jìn)行模糊計(jì)算，得到輸出頻率。實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速來完成變壓變量供水的整個(gè)過程。因?yàn)槊?0 分鐘采集一次流量，所以每30 分鐘完成一次分時(shí)變壓的動(dòng)作。如圖3所示：

圖3 近似變壓曲線圖

例如對(duì)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)管網(wǎng)改造前進(jìn)行實(shí)測得到寶貴數(shù)據(jù)，已知在保證最不利點(diǎn)水壓為0.3Mpa的前提下，記錄供水管網(wǎng)不同時(shí)間段下的流量和初始水壓。通過PLC和變頻器對(duì)3臺(tái)水泵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，使得管網(wǎng)在的不同流量下達(dá)到設(shè)定的參考水壓值。如表1所示：

表2-1 管網(wǎng)參考水壓值

（五）功能設(shè)計(jì)。

1.利用模糊控制原理,對(duì)供水系統(tǒng)采用變壓變量的控制方式。并對(duì)每一臺(tái)水泵電機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)。

2.工頻和變頻實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。

3.采用先啟先停的原則，自動(dòng)切換到下一臺(tái)泵，以防止泵長時(shí)間不用而銹死。

4.蓄水池缺水自動(dòng)報(bào)警，停止工作。

5.接受到火警信號(hào)時(shí)，所有電機(jī)切換到工頻，滿負(fù)荷運(yùn)行。

6.供水壓力要求恒定，波動(dòng)一定要小，尤其在換泵時(shí)。

7.為了檢修和應(yīng)急要設(shè)有手動(dòng)功能。

二、變壓變量模糊控制方法

模糊集合、模糊語言變量、模糊邏輯構(gòu)成了模糊控制方法的知識(shí)結(jié)構(gòu)。通過對(duì)人的思維方法的模擬，使其可以控制那些無法建立精確數(shù)學(xué)模型的對(duì)象和過程。模糊控制理論的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)并具有模糊性的控制規(guī)則?？刂七^程分為模糊化、知識(shí)庫、模糊推理和去模糊化4個(gè)步驟，也是一般模糊控制器的4 個(gè)組成部分。這些規(guī)則通過模糊控制器進(jìn)行計(jì)算并利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，最終完成由計(jì)算機(jī)代替人腦對(duì)對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制的過程，這是模糊控制的基本原理[3]。

（一）系統(tǒng)原理。在確保最不利用水點(diǎn)的壓力滿足用戶要求的前提下，管網(wǎng)用水量變化的同時(shí)，供水的壓力也隨之發(fā)生變化[4]。利用模糊控制的方法對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行變壓變量控制的原理是：在信號(hào)采樣時(shí)，把每次檢測到的出口水壓和當(dāng)前流量下的預(yù)設(shè)的水壓值進(jìn)行比較。再把壓力的差值輸入模糊控制器，并通過模糊控制器算出壓力誤差變化量，通過模糊控制規(guī)則解模糊得出一個(gè)控制常量。把控制量的數(shù)值傳輸?shù)阶冾l器，從而對(duì)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在供水量變化較大時(shí)，可以利用 PLC來實(shí)現(xiàn)水泵變頻和工頻泵的轉(zhuǎn)換，使管網(wǎng)的供水壓隨管網(wǎng)用水量的變化而變化[5]。

（二）模糊控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)模糊控制器的時(shí)候，不用創(chuàng)建精確數(shù)學(xué)的模型，從而容易理解、接受模糊控制原理，把供水系統(tǒng)作為研究對(duì)象，由于供水管網(wǎng)很長，水壓調(diào)節(jié)具有滯后性且流量變化較緩慢，管網(wǎng)的水壓控制就是一個(gè)非線性、大慣量、動(dòng)態(tài)的一個(gè)控制對(duì)象，適用于模糊控制理論的范圍。供水管網(wǎng)模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖4[6]所示：

圖4 模糊控制系統(tǒng)原理圖

（三）模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟。

1.定義輸入、輸出變量。由科學(xué)推導(dǎo)出的量和被控系統(tǒng)的觀測量作為模糊控制系統(tǒng)的輸入變量。由操控執(zhí)行單元的操作量作為模糊控制系統(tǒng)的輸出變量。設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)時(shí)的輸出入量是，要通過科學(xué)推導(dǎo)，設(shè)計(jì)出正確的輸出入量。

2.制定模糊控制策略。輸入的觀測量可以是數(shù)值，也可以是別形式的輸入量。設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)時(shí)要通過輸入量的不同形式，制定適當(dāng)?shù)哪：刂撇呗?，便于轉(zhuǎn)換成語言變量。

3.語言變量數(shù)據(jù)庫的定義。

4.控制系統(tǒng)規(guī)則庫的設(shè)計(jì)。

5.模糊推理的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

6.解模糊，把模糊變量轉(zhuǎn)換為可控量。

具體方法如下：

通過對(duì)系統(tǒng)控制策略的分析，確定系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。以模糊控制器為核心，結(jié)合適應(yīng)性環(huán)節(jié)，構(gòu)成控制穩(wěn)定、適應(yīng)性好以及結(jié)構(gòu)簡單的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中pg為水壓的設(shè)定值，pf為水壓的實(shí)際測量值。它們的偏差為ec(e=Pf-Pg)以及偏差變化率為ec(ec=de/dt)。轉(zhuǎn)化為量化因子，經(jīng)過模糊化計(jì)算出模糊量E 和EC。輸入到模糊控制器，經(jīng)過模糊化、模糊推理和去模糊化這些步驟，取得輸出量Δu。Δu和例因子Ku的乘積計(jì)算出輸出頻率 U給變頻電機(jī)，從而完成一整套的模糊控制過程。

（1）輸入量及其模糊化處理?？紤]鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水特殊性，設(shè)定管網(wǎng)最高水壓值為0.7MPa，設(shè)定最低水壓0.4MPa，從而偏差e 和偏差變化率ec 的基本論域就為(-0.3，0.3)MPa。量化因子取10，所以偏差和偏差變化率ec 的模糊論域?yàn)?-3，3)。因電網(wǎng)頻率為50Hz，從而輸出△u 的基本論域?yàn)?0，50)Hz，故比例因子取8，則輸出△u的模糊論域?yàn)?0，6)。同理△u輸出分為正大(PB)正中(PM)、正小(PS)、零(ZR)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大（NB）7個(gè)模糊子集。

把壓力偏差E建立為7個(gè)模糊子集：分別正大(PB)、正中(PM)、ZO 正小(PS)、零(ZR)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大（NB）。隸屬度函數(shù)如圖6所示：

圖6 壓力偏差隸屬度圖

把壓力偏差變化率EC 建立為7 個(gè)模糊子集，論域選擇為（-3，3)。

分別正大(PB)、正中(PM)、ZO 正小(PS)、零(ZR)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大（NB）。設(shè)計(jì)隸屬度函數(shù)如圖7所示：

圖7 偏差變化率隸屬度圖

（2）輸出量及其模糊化處理。把Δu 建立為7 個(gè)模糊子集：分別正大(PB)、正中(PM)、ZO 正小(PS)、零(ZR)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大（NB）。設(shè)計(jì)隸屬度函數(shù)如圖8所示：

圖8 輸出頻率的隸屬度圖

制定系統(tǒng)模糊控制規(guī)則如表2所示：

表2 模糊控制規(guī)則表

生成49條If-then語句：

If(E is NB)and(EC is NB)then（△u is PB）If(E is NB)and(EC is NM)then（△u is PB）If(E is NB)and(EC is NS)then（△u is PM）If(E is NB)and(EC is Z0)then（△u is PM）If(E is NB)and(EC is PS)then（△u is PM）If(E is NB)and(EC is PM)then（△u is Z0）If(E is NB)and(EC is PB)then（△u is NB）If(E is NM)and(EC is NB)then（△u is PB）If(E is NM)and(EC is NM)then（△u is PB）If(E is NM)and(EC is NS)then（△u is PM）1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.

（3）模糊控制查詢表建立和解模糊。模糊子集的交叉節(jié)點(diǎn)處壓力偏差變化率EC和壓力偏差E的值會(huì)產(chǎn)生多種輸出結(jié)果，解模糊的方法是利用重心法公式運(yùn)算出輸出結(jié)果，重心法如式（5）所示[7]:

因?yàn)槠畹淖兓屎蛪毫ζ罡饔?個(gè)子集，所以輸出共有49個(gè)結(jié)果，通過運(yùn)算壓力偏差變化率EC和壓力偏差E的結(jié)果生成模糊控制規(guī)則表，并儲(chǔ)存在PLC中，經(jīng)過計(jì)算和查詢可得到相應(yīng)的輸入。如表3所示:

表3 模糊控制規(guī)則表

案例：

當(dāng)E=-0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)模糊子集:零(Z0)和負(fù)小(NS)；其隸屬度為：

μ零(-0.5)=1/2；μ負(fù)小(-0.5)=1/2

當(dāng)EC=-1.5 時(shí)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)模糊子集:負(fù)小(NS)和負(fù)中(NM)；它的隸屬度為：μ負(fù)中(-1.5)=1/2；μ負(fù)小(-1.5)=1/2

所以，激活的規(guī)則有4條：

E=(NS)且 EC=(NS)則 Δu=(PS) E=(Z0)且 EC=(NS)Δu=(PS）

E=(NS)且 EC=(NM)則 Δu=(PM) E=(Z0)且 EC=(NM)Δu=(PS)

對(duì)4 條隸屬度規(guī)則取其兩個(gè)前提條件中的隸屬度中最小的：

依據(jù)三角形從屬函數(shù)，模糊子集“正中”和“正小”對(duì)應(yīng)的值為5Hz和4Hz，代入重心法公式計(jì)算得出式（6）：

由于比例因子為8，因此輸出頻率為32Hz。

三、結(jié)語

本文結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水的實(shí)際情況和當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的成果，針對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)用戶對(duì)供水系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)出一套智能化程度高、節(jié)能高效、低維護(hù)成本、操作方便、安全可靠的變壓變量供水系統(tǒng)。其基本工作原理是：通過對(duì)供水管網(wǎng)中的用水量以及最不利用點(diǎn)水壓的計(jì)算，合理控制取水的深水泵的取水量，使得管網(wǎng)的水壓隨流量的變化而改變，實(shí)現(xiàn)用多少水供多少水。通過智能控制技術(shù)對(duì)供水系統(tǒng)以及變頻泵進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化控制、管理與監(jiān)控，使管網(wǎng)的各級(jí)設(shè)備在節(jié)能、高效的工況下運(yùn)行。從而節(jié)約揚(yáng)程，降低能耗。使系統(tǒng)在安全、可靠、節(jié)能的工況下運(yùn)行。