基于最小二乘法的供水泵站變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

曹景玉，沈 寧，孔 欣

（水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東濟南 250000）

自動化變頻器在供水設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用，其發(fā)展迅速且智能化程度較高[1]。以往大都使用基于PLC 技術(shù)的供水泵站變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以泵站總管的出水壓力為控制目標，將設(shè)定壓力值和實際反饋壓力值作比較，差值輸入經(jīng)PID 調(diào)整器壓力顯示處理后，輸出信號至變頻器以控制泵的運行速度，即使在供水泵站流量快速變化的情況下，供水壓力也能在相關(guān)作用下趨于穩(wěn)定狀態(tài)[2]。雖然這類傳統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)中已加入了液力偶合器調(diào)速裝置，但是尚未涉及調(diào)速裝置的優(yōu)化，同時，將PLC 系統(tǒng)中的串級調(diào)速裝置優(yōu)化為功率轉(zhuǎn)換裝置，雖然優(yōu)化后的系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備維護方便，但與此同時，其能耗較大、控制效果不佳。

針對上述問題，提出了基于最小二乘法的供水泵站變頻控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于可以在保證系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力的前提下，對系統(tǒng)進行初始化調(diào)試，使供水泵站變頻控制系統(tǒng)設(shè)計成為最佳的解決方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

供水泵站變頻控制系統(tǒng)以ATMEL 公司研發(fā)的ATMEGA128L 單片機為核心處理器，通過轉(zhuǎn)換模塊得到4 個處理通道，此時，傳感器會發(fā)送被放大的信號。經(jīng)過單片機處理后，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率控制，轉(zhuǎn)換信號以后，處理結(jié)果通過RS-485 通信傳輸?shù)缴衔粰C，為了避免因溫度過高影響電路安全，保證溫度變化平穩(wěn)，引入了溫度測量模塊，以供未來數(shù)據(jù)處理時使用[3]。圖1 為供水泵站變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

圖1 供水泵站變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

ATMEGA128L 單片機核心處理器是一款高效能、低功耗的8 位微處理器，工作電壓低至2.7 V，具有先進的RISC 結(jié)構(gòu)，在大多數(shù)情況下能在一個時鐘周期內(nèi)完成指令，16 MHz 的工作性能可以達到16 MIPS。該片集成了4 k 字節(jié)的EEPROM，在大多數(shù)情況下都能滿足數(shù)據(jù)存儲和備份的要求。將8 通道A/D轉(zhuǎn)換模塊集成到芯片中，以8位和10位的采樣精度作為選配參數(shù)，同時，通道還能接收來自4 個電路的參數(shù)，保證采集信號的穩(wěn)定性[4]。E331D 型復合電極分為基準電極和測量電極兩部分，基準電極安裝于基準電壓調(diào)節(jié)模塊，測量電極安裝于基準電壓采集放大模塊[5]。

1.1 中央控制器

中央控制器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 中央控制器結(jié)構(gòu)

中控臺在運行過程中，通過壓力傳感器將管路實際壓力(P 管)傳送到壓力顯示裝置，采用PLCA/數(shù)模轉(zhuǎn)換法，比較分析管路的實際壓力與設(shè)定壓力，若管路實際壓力大于設(shè)計壓力0.5 MPa，則在主變頻下停止指示；若管路實際壓力小于管路設(shè)定壓力0.5 MPa，則在主變頻下停止指示[6]。原變頻運行單元改為工頻運行，新開關(guān)組成為變頻運行，始終保持設(shè)定壓力值，從而實現(xiàn)恒壓供水[7]。

1.2 電路設(shè)計

以ARMCortex-M3 系列32 位處理器單片機為核心，主控芯片選用低能耗模式，在保證正常工作的同時又能降低功耗[8]。利用PCA9685 模塊(PWM)實現(xiàn)16路12位高精度脈寬調(diào)制，采用TTL級標準串口協(xié)議進行通信接口的執(zhí)行，在工作時波特率為115 200 b/s，字符指令用于接收外部輸入[9-10]。主芯片根據(jù)IIC 協(xié)議對串口接收的指令進行處理，并控制PCA9685 模塊輸出PWM 信號至控制操作器，通信接口執(zhí)行后返回指令。

1.2.1 電源電路

為保證各回路保持穩(wěn)定，電路選擇穩(wěn)壓集成電路，可提供不同平穩(wěn)電壓[11]。

1.2.2 輸入電路

根據(jù)電機的不同運行方式輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，如反向指令、多數(shù)轉(zhuǎn)速指令、故障復位等電機運行信號[12-13]。

1.2.3 顯示電路

參數(shù)由LED 數(shù)碼管進行顯示，通過PID 控制電流、管路壓力、頻率指示、電壓等參數(shù)，經(jīng)過顯示電路精確顯示出系統(tǒng)的參數(shù)和相關(guān)狀態(tài)。

1.2.4 運行電路

為了實時觀察設(shè)備的運行狀態(tài)，系統(tǒng)通過LED指示燈作為狀態(tài)提示。當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，指示燈閃爍，同時會響起警報[14-16]。

1.2.5 輸出電路

系統(tǒng)中設(shè)置了脈沖輸出、多功能模擬量輸出、故障點輸出和多功能斷路器輸出等多種輸出形式，通過PLC、A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換傳遞信號，能準確有效地反映系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1.2.6 電壓調(diào)整電路

文中單片機A/D 轉(zhuǎn)換電路的參考電壓為5 V，即規(guī)定傳感器的測量電極輸出電壓經(jīng)信號放大后必須在0～5 V 范圍內(nèi)，同時，測量電極的電壓要高于參考電極的電壓，當測量溶液為酸性時，測量電極的電壓比參考電極的電壓要低；當測量溶液為堿性時，測量電極的電壓比參考電極的電壓要高，在采集信號時，系統(tǒng)能否正確選擇合理的電壓，是采集信號的關(guān)鍵。圖3 為電壓調(diào)整電路。

圖3 電壓調(diào)整電路

1.3 信號采集與放大模塊

頻率控制傳感器測量電極輸出的電壓值為毫伏級，當被測溶液頻率控制發(fā)生變化時，測量電極輸出的電壓信號變化很小，當溫度一定時，溶液保持一定的頻率變化，此時輸出的電壓為0.059 V，因為數(shù)值較小，單片機收集處理會比較困難，所以必須設(shè)計信息接收和放大功能模塊，將輸出電壓放大，提高單片機采集信息的精度。

使用放大芯片TLC4502，輸出的電壓信號可以被放大3 倍以上，并傳送到3 號引腳，被放大的電壓經(jīng)過新的電阻傳輸?shù)絾纹瑱C轉(zhuǎn)換器中，完成信號放大。

1.4 變頻控制器

排水系統(tǒng)的輸水管道采用DN300UPVC 管。水庫出口設(shè)有OST200-420 A型兩臺水泵，泵的參數(shù)：Q=515 m3/h，H=43 m，P=9 kW，架構(gòu)一套變頻控制系統(tǒng)，兩個水泵共用一個ABBVF-S11-4015 PL 變頻器，變頻控制器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 變頻控制器結(jié)構(gòu)

變頻控制器是一種實現(xiàn)變頻器遠程操作的智能設(shè)備，通過RS-485 實現(xiàn)遠程控制變頻器的啟動與停止，并實時顯示其工作頻率和實際轉(zhuǎn)速等信息，避免外界環(huán)境干擾。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 基于最小二乘法變頻控制模型的構(gòu)建

在傳統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)中，元件控制和基于節(jié)流或容積因子的控制方案都存在著明顯的缺陷，如在傳統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)中，節(jié)流參數(shù)的調(diào)節(jié)是以閥的控制為核心。在高功率的情況下，變頻控制系統(tǒng)的閥門壓力F計算公式如下所示：

式（1）、式（2）中，Pi表示第i個傳感器頻率控制強度；Pv表示閥門的變頻控制強度；Sv表示閥門的橫截面積；Ct表示水泵中液體體積流量；N表示元件組數(shù)。

變頻控制系統(tǒng)中傳感器組和水泵之間的體積流量成為制約系統(tǒng)大功率應(yīng)用的瓶頸，當控制頻率為I時，供水泵單位時間內(nèi)排出的氣量Y為：

式（3）中，Sc表示供水泵活塞的面積；P0表示初始傳感器頻率變化控制強度，由此可獲取單位時間內(nèi)的氣缸流量。

基于驅(qū)動系統(tǒng)的功率需求和閥門的控制損耗，結(jié)合電機推動力與傳感器組水平方向和垂直方向的最大角弧度α、電機推動力與傳感器組的角弧度β，可得出分布式驅(qū)動電機通過水泵在不同尺寸的動態(tài)流量推送時產(chǎn)生的動力。在傳感器變頻控制強度與閥門變頻控制強度相同的情況下，從水平和垂直兩個方向的弧度中，選取最大值和最小值進行積分求解。根據(jù)動態(tài)水泵容積流量和閥門的應(yīng)力變化情況，確定頻率變化控制能力。

為提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作效率，進一步提高元件的可靠性，采用最小二乘法來優(yōu)化變頻調(diào)速傳感器組內(nèi)各傳感器的變頻控制強度，以達到與閥門高度融合、減少控制損耗、提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制力和推動力的作用。

綜上所述，對于給定的一組傳感器，根據(jù)獲取的變頻控制力，可以使傳感器組和閥門的融合程度最高。為此，有必要尋找電機和傳感裝置的最小二乘多項式曲線擬合函數(shù)X，由此構(gòu)建基于最小二乘法的變頻控制模型，如式（4）所示：

在該模型支持下，設(shè)計系統(tǒng)控制程序，分配I/O，并設(shè)計頻率控制流程，實現(xiàn)供水泵站低功耗、高效的變頻控制。

2.2 系統(tǒng)程序控制與I/O分配

系統(tǒng)程序控制與I/O 分配如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)程序控制與I/O分配

由圖5 可知，當系統(tǒng)處于自動啟動狀態(tài)時，首先啟動1#水泵，等待5 s 后，使壓力穩(wěn)定下來，通過PLC可以檢測變頻器的輸出頻率。在檢測到變頻器的下界頻率信號時，關(guān)閉1#水泵；反之，在檢測到變頻器的上界頻率信號時，PLC 執(zhí)行加泵操作：1）一臺水泵工頻運行，另一臺水泵延遲1 s；2）一臺水泵延遲1 s，開關(guān)全滅弧，另一臺水泵延遲0.2 s。

在1#水泵上，為保護水泵和變頻器而實現(xiàn)電氣互鎖，在等待5 s后，PLC在2#水泵進入變頻運行后，繼續(xù)檢測變頻器的輸出頻率。當檢測到變頻器的下界頻率信號，關(guān)閉1#水泵，設(shè)2#水泵處于變頻運行狀態(tài)，等待5 s 后，如果PLC 再次檢測到變頻器的下界頻率信號，同樣關(guān)閉2#水泵；反之，當檢測到變頻器的上界頻率信號時，PLC 再執(zhí)行增壓泵的動作。

將2#水泵改為工頻運行，等待1 s 后，變頻運行3#水泵。在3#泵投入變頻運行后，等待5 s 后的PLC繼續(xù)檢測變頻器輸出頻率，由此執(zhí)行增泵、減泵動作，以滿足恒壓供水的目的。

此外，為便于檢查維修故障，該變頻器在設(shè)計中增加了故障顯示和故障報警輸出，其自身具有短路保護和過載保護功能，只需將變頻器的輔助觸點如故障輸出點、接觸器、熱繼電器等與PLC 連接即可。當出現(xiàn)故障時，PLC 通過程序掃描這些輸入點，并作出相應(yīng)動作。如果發(fā)現(xiàn)某臺水泵有超載現(xiàn)象，則切斷該泵的接觸器投入備用泵，同時輸出故障信號，以方便檢查后及時維修。

3 實 驗

為了驗證基于最小二乘法的供水泵站變頻控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性，進行實驗驗證分析。利用某住宅小區(qū)的歷史運行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，建立模擬實驗室供水網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)水泵的流量和壓力數(shù)據(jù)，擬合出水泵揚程參數(shù)、效率和流量功率的曲線方程，并修正了水泵特性曲線。在此基礎(chǔ)上，確定了水泵變頻調(diào)速的有效范圍，分析水泵運行效率影響因素，其中，水泵出口流量為200 L/min，水泵出口壓力為0.2 MPa。將PLC 控制系統(tǒng)與最小二乘法控制系統(tǒng)相結(jié)合，對閥門排量變化進行了對比分析。選取曲線上的隨機一點作為實驗點，以保證兩臺泵的調(diào)頻接近甚至相同。

3.1 閥門位移變化

在基于最小二乘法的供水泵站變頻控制系統(tǒng)上進行多次拉伸、壓縮實驗，使閥門出現(xiàn)位移，對比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同方法閥門位移對比結(jié)果

由圖6 可知，使用基于PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)在變頻控制時間為10 s 時，系統(tǒng)出現(xiàn)了多次位移，隨著位移量增大，最大可達到0.085 mm，說明使用該系統(tǒng)已經(jīng)很難承載大功率負荷液壓變頻需求。而使用基于最小二乘法系統(tǒng)在確保液壓變頻的同時，降低了閥門負荷，避免多次大幅度變化的位移。

3.2 水泵容積效率

文中對比了基于PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)和基于最小二乘法控制系統(tǒng)分析水泵容積效率，對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法水泵容積效率對比結(jié)果

由圖7 可知，基于PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)水泵因大功率負荷，使得輸出矩陣逐漸下降，說明該系統(tǒng)難以達到多次拉伸需求，系統(tǒng)具有明顯瑕疵；文中使用基于最小二乘法控制系統(tǒng)通過控制曲面流量，能夠進行有效的調(diào)節(jié)，容積效率明顯高于基于PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

基于最小二乘法的供水泵站變頻控制系統(tǒng)的水泵采用先開后關(guān)的循環(huán)型工作方式，工作泵和備用泵不固定，防止設(shè)備生銹，并且采用無級變速，通過減少水量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，其具有節(jié)能、可靠、自動化程度高等優(yōu)點，該系統(tǒng)可以替代傳統(tǒng)的水塔、高位水箱、氣缸等供水方式，具有較好的經(jīng)濟和技術(shù)效益，應(yīng)用前景廣闊。