水利枢纽泵站自动化控制系统设计

相 楠

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

智能体是一种通过传感器感知环境、并通过执行器作用于环境的一个程序或是实体，是一种综合自治性、进化性以及主动性的多种特性的智能实体[1]。泵站是能够提供一定压力和流量的液压动力和气压动力的装置，能够配置一定的水量来满足供水系统结构中的水量需求。水利枢纽是一种在河道或渠道修建的水利工程，在该工程的作用下，能够调节不同季节下的水流量，保证日常的供水需求[2]。随着水利枢纽泵站规模不断增大，如何实现水利枢纽的自动化控制成为了当下的研究重点，为此，在智能体技术的支持下，设计一种自动化控制系统。

国外在设计自动化控制系统起步较早，在20世纪70年代末期，开发了多种控制设备以及仪器，并在计算机技术的支持下，构建了多种自动化控制技术[3-4]。国内在研究自动化控制系统起步较晚，以已有的自动化控制设备作为基础，在计算机上实现了多种控制软件程序，现已进入到快速发展的阶段。在双模糊控制器的支持下，确定了多种直接控制指标，但多种控制指标对运行计算机产生的负载较大[5]。多级模块型结构在控制过程中产生了多种控制参数，实际控制的对象较多，也对控制系统产生了较大负载[6]。

1 自动化控制系统硬件设计

1.1 设计自动化控制柜

在泵站内部存在大量的控制阀，用控制柜的中心处理器，配置信号开关后，采用真空阀开关连接水利枢纽的射流阀[7]，CPU模块采用S7 300芯片作为处理核心，构建得到的控制柜结构如图1所示。

图1 控制柜的结构

在图1中控制柜采用型号为CPU 315-2PN/DP的中央处理器，采用以太网接口与PROFIBUS-DP主/从接口连接上位机，采用数字量输入SM321接口作为信号接收口，在PROFIBUS接口处连接一个机架，并在机架接口IM模块处连接泵站的水泵电机与变频器。

定义I/O串口的接口后，将接口的数字地址对应控制泵站与水利枢纽的各个开关，使用多个串口构建形成控制点网络。在控制柜的接口处，串联一个水位传感器与水位计，选定检测差异在0.1%之间、检测区域在0.01～1000cm的传感器。采用浮球式的水位计，并在每个串口控制点对应的枢纽处，设定多个磁感按钮[8-9]。自动化控制柜结构设计完毕后，构建自动化控制电路。

1.2 设计数据采集传输电路结构

根据上述自动化控制柜结构，在设计数据采集传输电路结构时，设定8路的模拟量信号通道，设定采样电阻为200Ω，使用两路的以太网接口连接RS232接口。将STM32F103ZET6单片机作为实际的信号处理单元[10]，在消除外部信号噪声干扰时，引入一个TLP2630光电耦合器，并在外部串联一个稳压二极管，形成的电路结构如图2所示。

图2 传输电路结构

在图2传输电路结构下，高速光耦器件内部封装一个2路独立的通道，并固定该电路通道的电压数值为5V，同时使用串行接口兼容硬件结构的SPI总线[11]，并联一个CS5532转换器后，将控制柜中传感器的电流数值转换为实际所需的数值信号，并根据数值信号的变化，实现对水利枢纽的控制。

2 自动化控制系统软件设计

2.1 设定智能体控制参数

泵站水利枢纽在实际运行时，存在大量的可控制点，控制不同的控制点会产生不同的运行方案[12]，使用智能体技术将不同运行方案对应设定控制参数，控制运行过程的精度。假定pi表示智能体执行i运行方案的概率，此时，对于不同数值的控制体，执行方案产生的控制回报就可计算得到：

(1)

式中，Pn—控制方案函数；A—存在控制点的数量[13]。

为了实现智能体的最优控制，在联合行为的控制下，对每个控制方案设定一个最佳响应状态，数值关系可表示为：

(2)

式中，ai—智能体的均衡函数；ri—控制方案产生的控制回报；z-a—均衡函数对应的相关均衡函数。

不断替换控制回报数值后，定义一个收缩算子，此时，智能体实际的控制参数就可表示为：

(3)

式中，Q—控制参数；γ—收缩算子；Wt—智能体的状态函数。其余参数含义不变。

确定上述智能体的控制参数后，设计自动化程序，实现控制软件功能[14]。

2.2 自动化程序的实现

按照水利泵站结构，结合不同的枢纽位置，根据设定的智能体控制参数，划分为5个开度的区域[15]，使用JAVA编程处理5个开度区域为相同的数值参数，并在上位机中形成一个逻辑网络。

编辑水利枢纽泵站的变量参数后，根据计算得到的智能体控制参数的大小，设定各个任务的优先级[16]，执行优先任务时，使用智能体控制参数设定一个模拟量，模拟量可表示为：

(4)

式中，Ci—硬件控制柜的数据参数，其余参数含义不变。

使用上述设定的模拟量作为自动化程序的控制参数，在运行自动化控制系统过程中，将该控制参数作为运行时的均衡点[17]，最终实现对水利枢纽泵站自动化控制。

3 系统测试

3.1 测试准备

控制系统运行环境，使用的计算机参数见表1。

表1 使用的计算机参数

准备的定位芯片参数见表2，构建泵站定位模块。

表2 使用的定位芯片参数

使用表2参数的定位芯片，构建得到UWB超宽带(Ultra Wide Band，UWB)定位模块与GPS，用于定位水利枢纽泵站的位置。

在测试环境下，设定水利枢纽泵站设备管理状态参数[16]。

设定参数后，使用两种传统控制系统与设计控制系统进行测试，定义3种测量指标后，对比3种控制系统的性能。

3.2 结果及分析

基于上述实验准备，在承载运行软件的主机上，设定水利枢纽的时间组参数后，定义测定时间为8min，以3种自动化控制系统可控制的枢纽处理的水量作为对比指标[17]，在相同的时间周期内，3种自动化控制系统可控的水量数值结果如图2所示。

图2 三种控制系统可控制的水量结果

根据图2结果可知，在3种自动化控制系统作用下，设定统计时间为8min，由图6中各项变化数值可知，传统控制系统1在第3min后，控制水量数值达到了平稳的状态，可控制泵站的水量为2t，可控制的水量数值较小。传统控制系统2在第5min后，自动化控制系统可控制后的水量达到了平稳状态，可控制的水量为1.7t，可控水利枢纽的水量数值最小。设计的控制系统在第5min可控制的水量达到了平稳，可控制的水量为2.5t，与两种传统控制系统相比，设计的控制系统可控制的水量数值最大，能够充分支持水利枢纽的日常水量调度。

保持上述实验环境不变，调用水利枢纽线路后，标定线路内所有水利枢纽点共计50个，定义3种自动化控制系统可在标定点检测到水流作为成功的标志，在10个统计周期内，统计并对比3种自动化控制系统可控制的枢纽点数量结果见表3。

表3 三种自动化控制系统可控制枢纽点结果 单位：个

根据表3得到的可控枢纽点结果，在3种不同控制系统作用下，传统控制系统1实际可控制的枢纽点在23个左右，数量最少，传统控制系统2实际可控制的枢纽点在40左右，可控的数量较多。而设计的控制系统可控制的枢纽点在48个左右，与两种传统控制系统相比，设计得到的控制系统可控制水利枢纽泵站网络中所有的枢纽点。

在上述实验环境下，自动化控制系统运行过程中存在大量控制指令的传输，传输过程中会消耗大量的计算机资源，控制3种自动化控制系统运载相同数值的用户，在调度过程中调用计算机的任务管理器，对比3种自动化控制系统占用的CPU负载，测试结果如图3所示。

根据图3的CPU负载结果可知，在实际控制水利枢纽泵站时，3种自动化控制系统实际占据、CPU负载表现出了不同的变化，调控3种控制为扫频模式，传统控制系统在运行过程中，实际产生的负载最大，传统自动化控制系统2产生的负载较小于传统自动化控制系统1，而文中设计的自动化控制系统产生的负载最小，要远远小于两种传统控制系统。

图3 三种自动化控制系统产生的CPU负载

4 结语

为了有效解决传统自动化控制系统负载量大的问题，利用智能化控制提高了系统使用效率。在现代化信息技术发展下，水利枢纽泵站控制实现了智能化控制，经系统性能测试表明，本文所设计的自动化控制系统产生的负载最小，能够在一定程度上改善传统系统的问题，为今后设计自动化控制系统提供研究参考。但仍存在很多的不足之处，希望在今后的研究工作中不断深入，在确保自动化控制系统稳定运行的同时，创造出更大的经济效益。