（控制理论与控制工程专业论文）泵站监控及优化调度研究.pdf

摘要 国民经济建设的实践证明泵站在广泛的应用领域发挥着重要的作用，今后， 随着国民经济的进一步发展，必将有更多的泵站兴建。研究泵站如何发挥最大的 效益高效的运行是很有意义的。 本文研究了泵站监控及优化调度，从以下几方面来展开： 前半部分研究泵站监控。 首先，研究监控对象水泵、泵站的特性，考察他们的控制要求。并讨论 了泵站能耗、泵站效率的计算。 进而，结合一典型应用介绍了现在泵站综合自动化系统采用的结构和具有的 功能，重点分析并展望了其中涉及到的网络技术、组态软件技术。 后半部分是研究如何实现优化调度。 第四章中，首先建立系统的数学模型，针对优化调度的任务要求，选用了遗 传算法。而后，详细讨论了基本遗传算法的实现，分析了基本遗传算法的缺陷并 给出改进的方法。 最后一章，完成优化调度首先在m a t l a b 环境下完成算法应用于泵站优化 调度的实验研究，而后开发了独立于m a t l a b 环境的应用遗传算法的c 调度 程序。 关键词：泵站，优化调度，遗传算法，综合自动化 a b s 仃a c t i tw a sp r o v e dt h a tp u m p i n gs t a t i o n sh a dm a d eag r e a tr o l eo nt h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dw h e nt h ed e v e l o p m e n tg o e s o nm u s tc o n s t r u c tm o r ep u m p i n g s t a t i o n s s ot h er e s e a r c ho nh o wt om a k ep u m p i n gs t a t i o n sr u nm o r ee f f i c i e n t l yh a s m a g n i f i c e n ts i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l eh a sm a d er e s e a r c h e so i lp u m p i n gs t a t i o n s i n s p e c t i n ga n do p t i m a l d i s p a t c h i n g ，w h i c hh a st h ed e t a i l sa sf o l l o w s ： t h ef i r s th a l fo ft h ea r t i c l ei sa b o u tp u m p i n gs t a t i o n s i n s p e c t i n g f i r s t l y , t h ei n s p e c t e do b j e c t ，s u c ha sp u m p sa n ds oo n ，h a sb e e nr e s e a r c h e do n t h e i rc h a r a c t e r i s t i cs oa st om a k es u r et h ec o n t r o lf u n c t i o n s e c o n d l y , c o m b i n e dw i t hat y p i c a lp r o j e c ta p p l i c a t i o n ，o n ep u m p i n gs t a t i o n s i n t e g r a t i v ea u t o m a t i o ns y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e d i ts h o u l db en o t e dt h a tn e t w o r k t e c h n o l o g ya n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nm e n t i o n e d ，d u r i n gt h ei n t r o d u c t i o no f a u t o m a t i o ns y s t e m t h es e c o n dh a l fo ft h ea r t i c l ei sa b o u tp u m p i n gs t a t i o n s o p t i m a ld i s p a t c h i n g i nt h ef o u r t hc h a p t e r , o nt h eb a s i so fd e f i n i t i o no ft h em a t h e m a t i cm o d e lo f p u m p i n gs t a t i o ni nd i s p a t c h i n g ，a n dc o n s i d e r i n gt h et a s ko fd i s p a t c h i n g ，t h ea u t h o r c h o o s eg e n e t i ca l g o r i t h mt os e t t l et h ep r o b l e m h a v ed i s c u s s e dt h er e a l i z a t i o no ft h e b a s i cg e n e t i ca l g o r i t h m ，a st ot h ed i s a d v a n t a g eo ft h ea l g o r i t h m ，t h ea u t h o rh a sa d o p t e d s o m em e a g u r e st oo v e r c o m et h e m i nt h el a s t c h a p t e r ，t h e a u t h o rh a sr e a l i z e dt h ep u m p i n gs t a t i o n s o p t i m a l d i s p a t c h i n gi n m a t l a be n v i r o n m e n tf i r s t l y ，t h e nr e a l i z e dt h es a m ec o u r s ei nc l a n g u a g e k e yw o r d s ：p u m p i n gs t a t i o n s ，o p t i m a ld i s p a t c h i n g ，g e n e t i ca l g o r i t h m ， i n t e g r a t i v ea u t o m a t i o n 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 中不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个体和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者( 签名) ：勉圯彘 矽口牛年多月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文背景及目的 随着我国经济建设的不断发展，我国泵站的建设、管理与科研都得到了很大 的进展和提高。实践证明，泵站在抗御洪涝干旱灾难、改善农业生产条件、建设 高产稳产农田、跨流域调水、解决城镇供水，以及对沿海大型开放城市用水等发 挥着愈来愈重要的作用，取得了显著的经济效益和社会效益。今后，随着国民经 济的进一步发展，必将有更多的泵站兴建。另外，还有大量已投入运行多年的旧 站更薪、改造、提高等项目有待实施。 众所周知，泵站是机械设备、电力设备和水利工程的综合体，如何进行合理 选型、配套和管理，使其发挥最大的效益、最低的投资和建成后保证长期安全运 行，这是大家所关心的主要问题。目前，一方面，我国相当一部分泵站控制新技 术的控制理念和控制手段还未能在泵站上广泛使用。另一方面，由于机组容量不 断增大、泵站工程的安全可靠性和节约能源的要求不断提高，以往靠人工手动操 作难以满足要求，需要采用先进的控制系统、控制方式及控制手段。 论文主要讨论上述两方面的问题，结合现代控制理论及技术进行全面分析和 探讨。 1 泵站监控： 监控系统的功能要求，所采取的具体实现形式，涉及到哪些关键技术，他们 将来的发展方向和前景。 2 优化调度： 泵站在为国民经济服务的同时，也消耗着大量的能量，降低泵站能耗是提高 泵站效益的主要措施之一。因此，个大型泵站需要根据目前及预报的运行要求 确定当前泵站的工作方式，包括确定不同型号水泵的开启台数、水泵叶片角度、 变电站的工作方式等等。如果能够根据实际工作条件的改变，采用适宜的控制算 法由计算机上实现，随时调整泵站的运行方式，无疑将使泵站高效运行，更好地 为国民经济服务。 泵站监控及优化调度研究 1 2 论文内容 第一章：绪论 论文研究课题的目的，背景及要解决的问题。 第二章：监控对象 泵站作为被监控对象，主要介绍了其控制要求，即要求监控系统具有的功能； 也介绍了泵站能耗分析，泵站效率计算等，它是泵站优化调度的基础。 第三章：泵站综合自动化系统 结合典型泵站综合自动化系统的方案，讨论了现今实际应用的泵站自动化系 统的硬件组成、网络拓扑结构和软件体系结构；对于其中涉及的以太网技术、组 态软件、p l c 及其网络技术等，基于应用现状对其发展进行了探讨和展望。 第四章：优化调度 首先明确了优化调度问题的数学描述，分析调度任务；而后决定选择遗传算 法来解决调度任务，介绍遗传算法的基本原理，并对基本遗传算法的实现详细讨 论，明确了应用步骤。 第五章：泵站优化调度的计算机实现 先在m a t l a b 环境下利用g a o t 工具箱实现遗传算法在泵站调度中的应 用；而后在v c 环境下，开发了可独立于m a t l a b 环境的c 程序，通过它可以 用遗传算法来完成调度任务。 第六章：总结与展望 第二章监控对象 2 1 水泵【1 】【4 】 第二章监控对象 2 , 1 1 水泵的定义及分类 水泵是输送和提升液体的机器。他将原动机的机械能转化为被输送液体的能 量，使液体获得动能或势能。 按工作原理分为： ( 1 ) 叶片式水泵：它对液体的压送是靠装有叶片的叶轮的高速旋转而完成的。 包括离心泵、轴流泵、混流泵等。 ( 2 ) 容积式水泵：它对液体的压送是靠泵体工作室的容积的改变来完成的。如 活塞式往复泵、拄塞式往复泵、转子泵等。 ( 3 ) 其他类型：除上述的两种以外的特殊泵。如螺旋泵、射流泵、水锤泵、水 轮泵以及气升泵等。他们都是利用高速液流或气流的动能来输送液体的。 水泵是通用性的机械类设备而广泛地应用于国民经济的各个部门。现代工业 中，在采矿、冶金、市政以及农林等部门，各种形式的泵站很多，投资很大。目 前定型生产的各类叶片泵的使用范围相当广泛，其中，离心泵、轴流泵、混流泵 和往复泵的使用范围各有不同。往复泵侧重于高扬程、小流量。轴流泵和混流泵 侧重于低扬程、大流量。而离心泵的使用范围介于两者之间，工作区间最广，产 品种类、规格、系列也最多。实际应用中应根据具体应用条件来选择合适的泵型。 2 1 2 叶片泵的基本性能参数 流量、扬程、轴功率、效率、转速、允许吸上真空高度及汽蚀余量等。 ( 1 )流量( 抽水量卜水泵在单位时间内所输送的液体数量。 用字母q 表示，常用的体积流量单位是i t i3 h 或1 s 。常用的重量流量单位是 t h 。 ( 2 ) 扬程( 总扬程) 水泵对单位重量o k g ) 液体所作之功，也即单位重 泵站监控及优化调度研究 量液体通过水泵后其能量的增值。用字母h 表示，其单位为k g m k g ，也可 折算成抽送液体的液柱高度( m ) 表示；工程中用国际压力单位帕斯卡( p a ) 表示。 扬程是表征液体经过水泵后势能增值的一个参数，如果水泵抽送的是水，水 流进水泵时所具有的势能为e 1 ，流出水泵时所具有的势能为e 2 ，则水泵的扬程h = e 2 - e 。那么，水泵的扬程也就是势能的增值。 ( 3 )轴功率泵轴得自原动机所传递来的功率称为轴功率，以n 表示。 当原动机为电动电力拖动时，轴功率单位以k w 表示。 ( 4 )效率水泵的有效功率与轴功率之比值，以n 表示。 单位时间内流过水泵的液体从水泵那里得到的能量叫做有效泵的有效功率为 n u = yq h ；式中y 液体的容重( k g m 3 ) 。由于水泵不可能将原动机输入的 功率完全传递给液体，在水泵内部有损失通常就以效率r i 来衡量。水泵的效率为： n = n u n 。 ( 5 )转速水泵叶轮的转动速度，通常以每分钟转动的次数来表示， 以字母n 表示，常用单位为r m i n 。各种水泵都是按一定的转速来进行设计的， 当使用时水泵的实际转速不同于设计转速值时，则水泵的其它性能参数( 如q 、h 、 n 等) 也将按一定的规律变化。 ( 6 ) 允许吸上真空高度( h s ) 及汽蚀余量( h s v ) ； 允许吸上真空高度( h s ) 指水泵在标准状况下( 即水温为2 0 。c 、表面压力为一 个标推大气压) 运转时，水泵所允许的最大吸上真空高度。单位为m h 2 0 。水泵 厂一般常用其来反映离心泵的吸水性能。 汽蚀余量( h s v 卜一指水泵进口处，单位重量液体所具有超过饱和蒸气压力的富 裕能量。h s 值与h s v 值两者是从不同的角度来反映水泵吸水性能好坏的参数。 2 1 3 叶片泵的调速4 】 几何相似条件是：两个叶轮主要过流部分一切相对应的尺寸成一定比例，所 有的对应角相等。运动相似的条件是：两叶轮对应点上水流的同名速度方向一致， 大小互成比例。也即在相应点上水流的速度三角形相似。凡是两台水泵能满足几 何相似和运动相似的条件，称为工况相似水泵。叶轮相似定律基于几何相似和运 动相似的基础上，描述工况相似水泵问的联系。 4 第二章监控对象 实用中，如实际水泵与模型水泵的尺寸相差不太大，且工况相似时，( 注 带下标m 意味着为水泵模型的参数，入为模型缩小的比例尺) 则相似定律可写 为： 旦：刀旦，旦；并， 旦：生( 2 - - 1 ) 2 ( h n mh m n m n m ，l 。3 把相似定律应用于以不同转速运行的同一台叶片泵，就可以得到下式： 一q ：旦， 旦；， 旦：生 ( 2 _ 2 ) q m n m f i n n m 2 n r a n 。3 这三个公式表示对于同一台叶片泵，当转速n 改变时，其它性能参数将按上 述比例关系而变化，上面这三个式子为相似定律的一个特殊形式，称为比例律。 对于水泵的使用者而言，比例律是很有用处的。它反映出转速改变时，水泵主要 性能变化的规律。离心泵装置的变速调节可应用此比例律来换算。 2 1 4 离心泵4 】 一性能曲线 在城镇及企业的给排水工程中，普遍使用离心泵。在离心泵的六个参数中， 通常选定转速( n ) 为常量( c o n s t ) ，然后，列出扬程、轴功率、效率、允许吸上 真空高度等随流量而变化的函数关系式。 n = c o n s t 时：h = f ( q ) ；n = g ( q ) ；r t = v ( q ) ；h s = 巾( q ) 并把这些关系式用曲线来表示，称其为特性曲线。如果用分析方法来求特性曲线， 泵内的各种损失，实际上是很难精确计算的。因此，一般水泵厂都是采用实验的 方法来实测水泵的特性曲线。典型离心泵的性能曲线，如图2 一l ： 泵站监控及优化调度研究 h “) - o 神 f o h - i - 1 4 s a 一1 0 n = 1 4 5 0 r 缸r 1 3 = 4 6 6 h ) 一t ， 一1 氅s ，1 ， 何 t - t 芦 、 0 。詈言叠案i 意 图2 11 4 9 a 一1 0 型离心泵的特性曲线 1 每一个流量( q ) 都相应于一定的扬程( h ) 、轴功率( n ) 、效率( n ) 和允许吸 上真空高度( h s ) 。扬程是随流量的增大而下降。它将有利于泵站中电动机的选择 和与管网联合工作中工况的自动调节。 2 q h 曲线是一条不规则的曲线。相应于效率最高值的( q o ，h 0 ) 点的各参 数，& 口为水泵铭牌上所列出的数据( 图2 一l 中a 点所示) 。它将是该水泵最经济 工作的一个点。在该点左右的一定范围内( 一般不低于最高效率点的1 0 左右) 都是属于效率较高的区段，在水泵样本中，用两条波形线；标出，称为水泵的 高效段。在选泵时，应使泵站设计所要求的流量和扬程能落在高效段的范围内。 3 删曲线。在流量o = o 时，相应的轴功率并不等于零，而为n = l o o k w 。 水泵配套的电动机的输出功率，必须根据水泵的工作情况选择比水泵轴功率稍大 的功率，以免在实际运行中，出现小机拖大泵而使电机过载、甚至烧毁等事故； 但亦应避免选配过大功率的电机，造成机大泵小使电机容量不能锝到充分的利 用，从而降低了电机的效率和功率因数c o s 中。 4 在q h s 曲线上各点的纵坐标，表示水泵在相应流量下工作时，水泵所 允许的最大吸上真空高度值。它并不表示水泵在某( q i ，h 。) 点工作时的实际吸上 第二章监控对象 真空值。水泵的实际吸上真空值必须小于q h s 曲线上的相应值，否则，水泵 将会产生汽蚀现象。 二、离心泵装置工作点的确定3 5 1 泵站中决定离心泵工作点的因素有3 个方面：1 水泵本身的型号；2 水泵 运行的实际转速；3 输配水管路系统的布置以及水池、水塔( 高地水库) 的水位 值和变动等边界条件。 我们知道水泵供给提升液体所需的能量，而在管道中流动则需要消耗能量； 如果水泵e 供给 管道e 消耗，多余的能量将使管道中水流加速能量加大，工作点 向流量加大的方向移动。如果水泵e 供给 n 一 口c l s ) 图2 - 3 轴流泵特性曲线 z 舶 o ”罾 6 0 已 o ( 1 ) 扬程随流量的减小而剧烈增大，q 卜_ _ h 曲线陡降，并有转折点，如图2 3 所 示。其主要原因是，流量较小时，在叶轮叶片的进口和出口处产生回流，水 流多次重复得到能量，类似于多级加压状念，所以扬程急剧增大。又回流使 水流阻力损失增加，从而造成轴功率增大的现象，一般空转扬程h 0 约为设计 工作点扬程的1 5 - - 2 倍。 ( 2 ) q n 曲线也是陡降曲线，当q = 0 ( 出水阀关闭时) ，其轴功率n - = ( 1 2 一 1 4 ) n d ，n d 为设计工况时的轴功率。因此，轴流泵启动时，应当在闸阀全开 情况下来启动电动机，一般称为“开闸启动”。 ( 3 ) q n 曲线呈驼峰形。也即高效率工作的范围很小，流量在偏离设计工作点 不远处效率就下降很快。根据轴流泵的这一特点，采用闸阀调节流量是不利 的。一般只采取改变叶片角度b 的方法来改变其性能曲线，故称为变角调节。 大型全调式轴流泵，为了减小水泵的启动功率，通常在启动前先关小叶片的 1 3 角，待启动后再逐渐增大1 3 角，这样，就充分发挥了全调式轴流泵的特点。 图2 4 表示同一台轴流泵，在一定转速下，不同叶片装置角0 时的性能曲线、 第二章监控对象 等效率曲线以及等功率曲线等绘在一张图上，称为轴流泵的通用特性曲线。 有了这种图，可以很方便地根据所需的工作参数来找适当的叶片角，或用这 种图来选择水泵。 8 7 6 3 5 皇 4 3 2 1 2 8 z l b - 7 0 - - - ： 、 n = 5 8 0 r m i n - 吣兰x ：；=警d = 6 5 0 m m k、 式( 苓芸瞄03 、 d c s 系统为了提高通信网络的可靠性，通信线路( 包括通信信道和通信 接口) 采用冗余结构。 p l c 网络则能够全无网络的冗余，仅在关键部位采用冗余结构。p l c 自 制性强，通信数据量少，所以他网络简单而可靠，具有更好的性价比。 4 编程简单，使用方便。 采用诸如梯形图语言等编程方式，面向问题，面向控制过程，容易理解、掌 握，程序易于修改，调试方便。 可见以p l c 作为现地控制单元，p l c 网络与上位的监控主机通信联系。利 用p l c 和p l c 网络的上述优点，是成熟、实用的方案。 3 2 计算机控制系统的软件体裂1 4 】【3 6 】 典型泵站监控系统具有上述硬件方面的网络拓扑结构的同时具有如下的软 件体系。 3 2 1 主体：组态软件 随着计算机控制技术、工业以太网技术及现场总线技术的发展，作为用户无 需改变运行程序源代码的软件平台工具工控组态软件日渐成熟。 1 应用于计算机控制系统的通用软件结构 对于不同的控制对象，要求软件系统的功能会有不同，甚至差别很大，但我 们仍可以找出一个较为通用的计算机控制系统所具备的功能。 夺有报警检测的过程数据的输入输出 夺数据表示 夺历史数据管理功能 泵站监控及优化调度研究 夺过程画面显示管理 夺报警信息的管理 夺参数列表的管理 夺生产记录报表的管理和打印 夺人机接口( h m i ) 夺连续控制 夺优化控制或专家系统功能 夺各种通讯功能 以往，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写h m i 应用，开发时间长， 工作量大得惊人，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的， 选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能受 到严重的限制。而组态软件就是一种提供了灵活的组态方式，为用户提供快速构 建工业自动控制监控功能的、通用层次的软件工具。 2 组态软件的功能9 1 1 ) 强大的画面组态功能。像原有的h m i 软件使用户能够快速建立自己的人机 接口。 2 1 具有良好的开放性，能够支持不同厂家生产的硬件设备，支持多种通信协议。 3 ) 丰富的功能模块，完成实时监控，产生报表、显示历史曲线、实时曲线、提 供报警等功能。 4 ) 强大的实时数据库，存储各种数据，如模拟型、离散型、字符型等。实现与 外设的数据交换。 5 ) 可编程的命令语言，提供了脚本语言来扩充组态系统的功能。 6 ) 周密的系统安全防范。 7 ) 强的仿真功能，使系统并行设计，从而缩短开发周期。 它集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身， 包含动态显示、报警、趋势、控制策略、i o 控制、网络通讯等组件。 第三章泵站综台自动化系统 3 组态软件的体系结构的总体描述唧 i 历史数据分析模块ii 备份库生成模块i 企业舡s 、i n t e r n e t 接口模块f - + 报表模块 卜l 关系数据库控制模块l l l i 历史曲线显示模块i t 历史库生成 图形生成模块t - h 实时数据库控制模块e ： = i 薹；i 雾 = 一型 。驱銎“块i 工业总线 ； 现场控制站现场控制站现场控制站 图3 2 组态软件的体系结构 工控组态软件的体系结构可分三个层次( 图3 2 ) ， 通常可以把组态软件系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其 中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控 制，且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件 以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。监控层的软件功 能由监控组态软件来实现。 最底层是与现场控制站相连的i ，0 驱动程序接口模块，它主要完成上层软 件与现场控制站之间的数据信号的转换和缓存，i 0 驱动程序之上的中间层实 时数据库是控制模块，实现实时数据、历史数据、设备数据等数据之间的关联和 控制，并对图形显示模块、实时趋势模块和报警模块进行通信控制。最上层是关 系型数据库控制模块，主要完成用户对数据库提出的各种操作查询请求，根据要 求定期对数据库进行维护管理和备份，其包括实时数据记录库、登录库和其它的 事件、操作、故障记录库，并通过它实现报表生成、历史曲线显示等功能。 4 f 与i f i x 的基本结构【3 4 1 泵站监控及优化调度研究 驱动程序映像表 图3 - 3f i x ，i f i x 基本结构 f 、i f i x 的基本结构如图3 3 所示： ( i ) 过程硬件设备：f i x 、i f 软件用于连接工厂中的仪表，它们使用的实 时数据来自现场p l c ( 可编程程序控制器) 中的数据寄存器或另外一些输入输出设 备( 如模拟量输入等) 。 ( 2 ) 输入输出驱动程序：即i o 驱动器，也称为轮询任务。它作为f 、 i f 和p l c 之间的接口，其功能是不断地从输入设备读数据并送到对应驱动程 序映象表的地址旱，同时读输出驱动程序映象表数据并送到相应的输出设备。 ( 3 ) 驱动程序映象表( d r r ) ：可以把它看成是内存中的一个数据区域，被划 分为许多“邮箱”，由输入输出驱动程序创建和维护。其中每个邮箱称为一个记 录，每个记录可以装一个或连续的数据点。驱动程序根据用户设置的通讯参数及 轮询时间等信息创建和维护驱动程序映象表。通过访问驱动程序映象表，f i x 、 i f i x ( 可以向操作员显示接收的数据。然而，在访问数据之前，f i x 、i h x 需要有 一个地方来保存得到的信息。这就需要建立一个过程数据库。 ( 4 ) 过程数据库( p d b ) ：它是n x 、i f i x 的核心，由流程控制逻辑回路组成。 描述形式是块( b l o c k ) 和链( c h a i n ) 。一个块是一组被编码能实现具体任务的 控制指令。一个链是一串连接在一起能创建控制回路的“块”序列，在f i x 中创 建块可通过f i x 提供的数据库建立程序功能模块( d a t a b a s eb u i l d e r ) 来实现。用 2 6 第三章泵站综合自动化系统 户要创建一个新的块，必须输入块名，规定块接收值来源，块输出值去向，报警 优先权，对临界值或一般数据值的改变怎样反应等来完成一个块的创建过程。然 后，把创建的块连接起来构成链，每个链实现流程规定的操作。创建链之后、s a c 程序就会在规定时间内处理每个块里的指令。假如你想从输入输出设备读数据、 经过计算后写回到该输入输出设备，则执行这一策略的链可以是模拟输入块( a i ) 一计算块( c a ) 一模拟输出块( a o ) 。 ( 5 ) 扫描、报警、控制程序( s a c ) ：是一个运行在s c a d a ( 数据采集监控节 点) 节点上的系统任务。它的功能包括从驱动程序映象表中读数据。进行处理并 传送到过程数据库中。 ( 6 ) 内部数据库访问软件：从本地或远程数据库读数据，并把它们传送到需 要的应用当中，当然、数据也可以被写回过程硬件。它包括操作员显示、数据库 标识信息及数据流等内容。 总之，i o 驱动程序，s a c 程序、过程数据库组成了f i x 、i f i x 组态软件 的数据采集和管理功能。一个s c a d a 节点就是一个有过程数据库、运行输入输 出驱动程序和s c a d a 程序的单元。在此基础上f i x 、i f i x 实现数据的全面集成。 它是f i x 、i f i x 系列软件的核心内容，主要包括监视、报警、控制、保存和归档 数据、生成和打印报表以及绘图和视点创建数据的诸多显示形式等内容。 由于组态软件的显著的优点，它基本完成工控领域软件的通用功能，在全球 范围内，组态软件市场已比较成熟，年增长速度大约在9 左右。未来也有很好 的发展前景。 5 i f i x 在泵站综合自动化系统中的应用1 我们将i f i x 应用在泵站计算机监控系统上位机软件的快速开发，可以方便 的完成控制任务。站监控主机作为泵站计算机监控系统的上位机，以下是它所具 有的功能： ( 一)联网功能 与管理处局域网联网，可以通过网络接受带密码的处级调度、控制指令。向 处局域网发送本站实时运行信息。 ( 二)数据采集与处理功能 系统可巡测泵站各种实时数据与状态信息，进行必要的数据预处理并建立当 地实时数据库和历史数据库，同时也可在管理处优化调度局域网服务器建立实时 泵站监控及优化调度研究 数据库和历史数据库。数据采集包括： ( 1 )模拟量：电气模拟量，非电气模拟量及温度量； ( 2 ) 开关量：状态信号，事故信号； ( 3 )其他量：水文监测量，压力量、流量等。 ( 三)统计和计算功能 抽水流量，抽水水量的统计，电量的统计、事故及故障统计记录、参数越复 限统计记录、设备运行时间统计，抽水效率的计算。 ( 四)实时控制和调节( 泵站和闸门) 操作员利用鼠标或键盘，根据泵站当前的运行情况和控制命令，对泵站的运 行进行控制、开操作票等。其中包括优化调度。 ( 五)设备运行统计记录及生产管理 泵站运行记录：当班、当日、当月、当年的泵组、抽水量、线路送电量、厂 用电量及效率等。 主要电气设备动作及运行记录：泵组开、停次数，本次开机运行时间，累计 开机运行时间，泵组停机小时数，泵站检修退出时数。开关：断路器合闸次数， 正常跳闸次数，事故跳闸次数。 操作记录：对各种操作进行统计和记录，其中包括手动方式开、停机，断路 器的手动合、跳闸等。 定值变更记录：对所有的定值变更情况做记录，并存入数据库以备随时查询。 事故及故障统计记录对当班、当日、当月、当年的各类事故及故障的内容和 次数进行统计，作为资料保存。 参数越复限记录：对当班、当日、当月、当年的参数越复限情况进行统计， 并把它们记录下来。 主要设备和装置退出运行统计记录：目的是作为其使用情况和寿命，以及运 行安全性、可靠性判断的依据。 运行日志及报表打印：系统能按运行操作人员的管理和要求打印日志和报 表。打印内容以及打印格式可以事先设定。打印方式将有定时自动打印、随时召 唤打印等方式。 ( 六) 画砥显示 ( 1 )系统图类 第三章泵站综合自动化系统 主要有：主接线图、直流系统图、泵站剖面图、油、气系统图、供排水图、 综合保护器测量组合显示画面( 动态测量) 、低压回路测量显示画面( 动态测量) 等。 ( 2 ) 曲线图类 通过数据库调用，系统提供了负荷曲线以及各类运行图，机组启动及停机时 电流、电压、有功功率、转速、压力、投励时间、真空破坏阀开闭时间、管道压 力变化过程曲线，计算机监控系统将按操作运行人员的要求，自动地组织有关数 据以及相应时间区间，并显示在屏幕上。 ( 3 ) 棒图类 通过数据库调用，系统提供了各类运行参数的棒图，主要包括运行参数： 油、气、水压力及主变温度等极度极限与实际值、设定值对比等有关运行指标的 显示，并能在投影仪上显示出有关画面及内容。 ( 4 ) 报警画面类 系统具有模拟量的越限报警、复限提示以及相关参数的趋势报警，事故、故 障顺序记录及监控系统自诊断报警等功能，一旦报警发生，在各界面上均弹出报 警提示和简要报警说明，同时可在报警菜单内查询详细资料。 ( 5 )表格类 包括参数及参数给定值、特性表、给定变更统计表，各类报警信息统计表、 操作统计表、各类运行报表、运行日志、操作票等。 ( 6 ) 运行指导类 系统内安装“帮助”栏，给出详尽的运行指导，包括开、停机操作指导， 主系统操作指导，站用电系统操作指导画面、各类指示信息等。以上几类画面可 按值人员要求组合在一起显示，也可以单独显示。 ( 七) 人机联系 操作人员通过c r t 、键盘、鼠标以及打印机实现对全站运行的监视、控制、 调节、在线修改给定值、画面调度、报表显示和打印等功能。利用交互式人机接 口软件可以通过人机对话形式实现各种监视和控制功能，使用简单、方便、灵活。 工程应用中，上位机同时要求实现的功能具有较高的安全可靠性，所以应 另行开发，配备以下的功能模块：系统自检和自动重启动，有双机热备，故障自 动切换功能，系统诊断和仿真培训。 泵站监控及优化调度研究 3 2 2 其他 1 p l c 控制软件：采用p l c 梯形图编程软件进行设计开发。 2 应用软件：采用工控组态软件i f i x 2 6 ，以及面向对象的可视化编程语言 v b 6 0 v c 6 0 等进行设计开发。 3 系统软件：操作系统w i n d o w sn t 4 0 w i n d o w s2 0 0 0 等，数据库软 件s q l s e r v e r 7 0 等。 4 整个体系结构，各组成部分是采用分布式客户机，服务器结构。 3 3 总结 结合典型的泵站综合自动化系统，先讨论系统的网络拓扑结构，展望了工控 网络发展的方向；而后，基于组态软件的功能及其体系结构的认识，结合泵站综 合自动化系统的i f i x 应用，介绍整个系统的软件体系。 第四章优化调度 第四章优化调度 4 1 调度的目的和意义【1 5 】 泵站在为国民经济服务的同时，也消耗着大量的能量，降低泵站能耗是提高 泵站效益的主要措施。进行泵站规划设计时，常常根据历史资料对泵站预期使用 期的运行情况做出周密预测，优化选择泵站的各项设备，期望泵站建成以后在高 效益的情况下工作。但是，规划设计不能预测运行期间工作条件的实际时序状态， 这要求对已建成的泵站进行实际调度，或称为运行调度。 在大型泵站中，泵站的效益和能量消耗不仅与水泵的效率有关，还与电动机、 变电站的效率有关，泵站运行调度不是追求某一设备的运行状态最好，而是以整 体配合的运行状态最优为目标，因此，一个大型泵站需要根据目前及预报的工作 环境确定当前泵站的工作方式，包括确定不同型号水泵的开启台数、水泵叶片角 度、变电站的工作方式等等。 4 2 调度的准则【1 】 灌溉泵站应根据灌区要求，供水泵站应根据城镇和工业供水要求编制用水计 划。排水泵站应对来水进行调蓄演算。 根据工程和水泵装置配套的实际情况，测绘水泵装置的特性曲线，通过检测 系统，获得泵站运行的主要参数和区域水文气象资料，分析和建立其他相关工程 联合运行的水力特性关系。这些是调度的前提。 同时，对泵站系统的优化计算，需要建立数学模型。而建立目标函数和约束 条件方程则是数学模型中不可缺少的内容。约束条件可根据不同情况和不同要求 建立约束方程。目标函数则是以泵站的优化准则为依据。建立目标函数方程，常 见的优化准则有如下儿方面： 4 2 1以水泵效率最高为准则 无论是对于转速、叶片角度均不可调的机组，还是对于转速可调或叶片角度 泵站监控及优化调度研究 可调一或两者均可调的机组，都能够方便地分析计算得到水泵效率最高的工作 点，即他所对应的转速，叶片转角等。根据水泵效率最高为准则的计算量工作量 小，但因为水泵效率只是泵站效率的一部分，水泵的高效率并不一定泵站的高效 率。泵站的效率不仅与水泵效率有关而且与电动机、传动装置、管道及进出水池 的效率有关。根据有关研究，泵站效率曲线和水泵效率最高所对应的流量是不同 的，泵站效率最高的点小于水泵效率最高所对应的流量。水泵装置设计得越好， 则二者的相差越小，反之亦然。因此，只有在水泵装置设计较合理，而且净扬程 相同的情况下，以水泵效率最高为准则才能比较合理。 4 2 2以泵站效率最高为准则 已建成的泵站，通过现场测试，测出其流量、净扬程、输入功率( 耗电量表 示) 等参数后，可按下列公式计算： m ：垡堂( ) ( 4 - - 1 ) 1 0 0 0 p 1 。 n 。厂某时段泵站效率。 p l 某时段泵站的输入功率，k w ： q 同一时段内泵站的平均流量，衍，s 麒，同一时段内泵站的平均净扬程，m ：( 全文采用相同的符号表示， 以后不再列出。) p 水泵所输送液体的密度； g 重力加速度常数； 当水泵的转速和叶片角度一定的情况下，可根据不同的泵站净扬程求出的 泵站效率曲线。改变不同的转速或叶片角度，又可以求得相应的泵站效率曲线。 由此可以在某一净扬程下，选择泵站效率最高的水泵转速和叶片角度作为水泵的 运行方案：保证泵站效率最高，也就是确保泵站的能耗最低。 对于净扬程变化较小的泵站，可以认为扬程不变，泵站效率最高即能源单耗 最少，也就表示泵站的能耗最少，这就是符合节约能源，降低水费成本的原则的。 第四章优化调度 4 2 3以泵站能耗最低为准则 p 1 ：p g q h , , ( k w ) ( 4 2 ) 1 0 0 0 r , ， e a ：n t ：p g q h , t t ( k w h 、 ( 4 3 ) 1 0 0 0 r k r 只考虑主水泵( 采用电动机为动力) 提水所需的耗电量，没有考虑辅助设备、 电气设备、站用变电站等所需的耗电量。若考虑辅助设备、电气设备此时需进一 步修正。 由式( 4 3 ) 可知，泵站的能耗与很多因素有关，只有在该式分子各参数的 乘积相等时，才能说泵站效率最高时泵站的能耗最少。但是，在排水泵站中，扬 程、流量等参数经常变化的。从泵站运行的角度，除考虑泵站效率这个因素外， 还因考虑其他因素。但是，为了减少计算量，还应进一步分析影响泵站能耗的主 要因素。对排水泵站来说，重要的问题是在允许的排水时间里，以最小的能耗将 涝水排除。 e ，一e 一丛尘旦生：2 7 2 l o 一，m , ( k w 3 ) ( 4 _ 4 ) v3 6 0 0 q t 1 0 0 0 r s l r ；t m 。 由上式可见，单位水量的能耗不仅与泵站的效率有关而且与其净扬程有关。 若此时单独考虑泵站效率最高指标，可能会选择能耗较高的工作状态； 故在不同时段净扬程经常变化的情况下，必须考虑净扬程对泵站能耗的影 响。 4 2 4以泵站水费成本最低为准则 按单位水量考核泵站水费成本时，排水成本为： u _ 2 7 2 l o 奴警+ 丽k ( 4 _ 5 ) 排水成本由两部分组成，其中一部分为电费，另一部分包括折旧费、大修费 和维修费、行政管理费等在内的其他费用。电费( 前一项) 中，除耗电量外，还 与电价f ( 元k w h ) 有关。其他费用( 后一项) 中，除k ( 台，j 、时) 管理费外， 还与水泵的流量q 有关。具体说，水泵的流量大时排水时间少，单位水量的管 泵站监控及优化调度研究 理费可相应得减少。也就可能存在这种情况，虽然单位体积水的耗电量有所增加， 但因为流量的增大，排水时间减少，使泵站的运行台小时数有所减少。因此，总 的水费成本仍有可能减少。这种情况下，采用单位排水量成本最低作为泵站的运 行准则是有意义的。 4 2 5以泵站流量最大为准则 对于排水泵站，在特大暴雨期间，可能造成大面积的涝灾。这时，需要以最 快的速度将洪水排除，即以泵站的流量为最大准则，制定运行方案。此时，水泵 的效率或泵站的效率不一定高，泵站的能耗和水费成本也不一定低，即对泵站本 身来说，可能是不经济的，但从整个排水区来看，所减少的淹没损失比泵站所增 加的运行费用大得多。在这种情况下，以泵站流量最大为准则是合理的。 4 2 6 总结1 】 根据水利部泵站管理规程( s l 2 5 5 - - 2 0 0 0 ) ，泵站的优化调度应符合总体 优化的准则。在满足机组和工程安全运行的前提下，按提水量最大的目标进行调 度。在工程设计工况的范围内，按水泵提水成本最低的准则运行，在满足灌溉或 城镇供水计划要求的情况下，按照装置效率的最高目标进行调度。多级泵站联合 运行应使级间流量和水位配合最优。 实际上，可以发现各优化准则，虽各有其适用条件，但是各准则指标的计 算表达式联系紧密，只是某种情况下，考虑得更全面，或者更突出某个因素而对 泵站的优化策略稍有引申。具体应用时，因根据实际情况进行选择其一，我们将 选择以泵站的能耗最低为代表进行研究，也可按用同样的方法来实现。选择好一 种优化准则后就意味着选好了此优化问题的“目标函数”和对应的“约束条件”。 4 3 实现调度的步骤 4 3 1 建立对象数学模型2 4 】【2 6 】 凋度计象涉及到各泵站设备，为了确定泵站的最优运行方式，必须研究设 第四章优化调度 备的工作特性，从而根据工作条件，按各设备的性能找出各种设备运行方式的最 优组合。 1 水泵性能描述 水泵特性常用一组特性曲线或参数表示，如水泵流量和扬程q h 关系曲 线，水泵流量和效率q q 关系曲线。为了简化程序设计，加快计算机运算速度， 上述两种简单曲线可用1 1 次多项式拟合表示为 卵= a o + a t q + a 2 q 2 + + a 。q “( 4 叫) 实际计算表明，n = 2 4 已足够精确，q h 曲线可同样实现拟合。 水泵工作点的确定需要水泵装置的特性曲线，即水泵装置所需的扬程h 与 流量q 的关系： h - - h ，+ s q 2 ( 4 _ 一7 ) 式中日，为泵站上下游水位差；s 为进出水流道的阻力系数，对于具体的水泵装 置s 已知： 由于爿是q 的函数，日，q 关系最终可表示为 h ，= 日一s q 2 = ，( q ) ( 4 8 ) 同样可拟合出上述关系的反函数q = g ( h ) ( 4 9 ) 对叶片角度可调的水泵，应求出每一叶片的关系| 拄l 线。转速可调的水泵，应 给出不同转速的关系曲线。 实际计算时，给出，可由上述的四个公式所给出的约束关系( 计算机存储 此关系曲线) 计算得到水泵的工作点，即此时的流量、扬程、功率、效率( 水泵 的效率，并不是泵站的效率) 。 2 电动机的效率 给出电动机的效率曲线，由曲线上的数个点的数据来拟合此曲线。从而将 电动机的负荷系数和效率的约束关系弘= ，( 屈) 存储到计算机中。 3 变压器能量消耗 主要包括铁损及铜损，即： e = “+ r “乡乏s ( 妒) ，式中，e 变压器( k w ) ；p n 变压器铁损， 即空载损耗，p c u h 变压器满载的铜损，即短路损耗：c o s ( 中) 变压器二 泵站监控及优化调度研究 次侧的功率因数，可根据电动机负荷系数与c o s ( 由) 的关系求得a 4 3 2 泵站效率的电算实现1 1 在泵站的运行管理中，泵站效率是经常用到的一个重要参数。计算比较麻 烦，从提高工作效率和计算精度的角度出发，我们将采用计算机进行处理a 基于 上