一种泵站APC控制系统

技术领域

本发明属于工业控制技术领域，尤其是涉及一种泵站APC控制系统。

背景技术

城市供水输配的基本设施是泵站和管网，泵站和管网是供水的重点资产，约占整个水务投资的70％，泵站和管网也是供水能耗的大户，约占供水总能耗的60％以上；同时，泵站及管网又是最容易受到气候、外力以及爆管等安全威胁的短板，必须重点监测和保护，因此，泵站和管网无疑是城市安全稳定供水最关键的两大要素。PID(比例、积分、微分)控制作为一种常用的控制算法，可以用于实现供水输配控制，然而，它也存在一些缺点：首先，PID控制需要合理设置比例系数、积分时间和微分时间，以达到较好的控制效果。但是，由于系统动态特性复杂和实际工况的变化，往往需要经过大量试验和调节才能获得最佳参数，且参数调节过程繁琐；其次，PID控制对于系统的参数变化较为敏感，当受控对象出现非线性、时变或未知扰动时，PID控制可能无法良好地适应和调节，导致控制性能下降；再次，PID控制的稳定性依赖于参数的选择，如果参数选择不当或者系统动态特性较为复杂，PID控制可能出现振荡、稳定性差或者不稳定的情况。因此，面对现代城市供水过程的大型化、复杂化的趋势，传统的PID控制已不能胜任，需要设计一种新型泵站控制系统，提高泵站控制的稳定性和抗扰动能力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种泵站APC控制系统，提高泵站控制的稳定性和抗扰动能力。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种泵站APC控制系统，包括泵站PLC控制子系统、泵站APC平台、管网SCADA子系统和HMI工控平台，所述泵站PLC控制子系统、HMI工控平台和泵站APC平台通过泵站局域网相连，所述管网SCADA子系统通过交换机与所述泵站局域网相连，所述泵站APC平台分别从泵站PLC控制子系统和管网SCADA子系统获取泵站运行工况和公司调度数据后，对泵站和管网进行整合优化控制。

进一步地，所述泵站APC平台采用MPC对泵站和管网进行整合优化控制，具体过程如下：

获取实时参数，所述实时参数包括泵站关联测压点压力、泵站关联点流量、机泵运行组合状况和泵站水库蓄水状况；

通过预测模型对实时参数进行计算和优化；

将所述优化后的参数下发泵站PLC控制子系统和管网SCADA子系统，调整机泵组合运行配比、出水压力设定、泵站出水流量设定以及水库蓄水设定。

进一步地，所述预测模型包括机泵组合等效模型和管网流量平衡模型。

进一步地，所述预测模型以泵站负荷能力和管网供水负荷需求为约束。

进一步地，所述预测模型使用最小二乘法进行校正。

进一步地，所述管网SCADA子系统包括下位机和上位机，通过工业通信网络相连。

进一步地，所述工业通信网络和泵站局域网配置备份和冗余设备。

进一步地，所述下位机包括数据采集模块和监控模块。

进一步地，所述泵站PLC控制子系统包括中央处理器、输入部分和输出部分，通过总线相连。

进一步地，所述HMI工控平台与所述泵站APC平台安装在同一台计算机硬件上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明设置泵站APC平台，与泵站PLC控制子系统、管网SCADA子系统和HMI工控平台相连，以现有控制系统为数据来源及控制输出的途径，采用APC优化过程控制将泵站及与其相关联的管网进行整合优化控制，提高了泵站控制的稳定性和抗扰动能力，克服系统大滞后、强耦合、多干扰等控制难点，具有友好的人机界面，可以较好地实现泵站和管网组合系统安全高效的供水自动控制。

2、本发明支持多输入多输出、具有约束的模型预测控制MPC，可根据泵站和管网的运行状况，通过预测模型，包括机泵组合等效模型和管网流量平衡模型对控制参数进行优化，并使用最小二乘法对预测模型进行校正，可以实现高品质、高稳定的多变量控制。

3、本发明的工业通信网络和泵站局域网配置备份和冗余设备，提高了系统的可靠性。

4、本发明将泵站APC平台与HMI工控平台安装在同一台计算机硬件上，将控制方案嵌入到现有操作界面，易于操作人员接受，同时也便于调试。

附图说明

图1为本发明结构示意图，

其中1、HMI工控平台，2、泵站APC平台，3、泵站PLC控制子系统，4、管网SCADA子系统，5、泵站局域网，6、交换机；

图2为泵站APC的数据流框图；

图3为泵站APC先进过程控制方案示意图；

图4为管网SCADA子系统结构示意图，

其中401、下位机，402、上位机，403、工业通信网络，411、数据采集模块，421、监控模块；

图5为泵站PLC控制子系统结构示意图，

其中301、中央处理器，302、输入部分，303、输出部分。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

本实施例提供一种泵站APC控制系统，如图1所示，包括泵站PLC控制子系统3、泵站APC平台2、管网SCADA子系统4和HMI工控平台1，所述泵站PLC控制子系统3、HMI工控平台1和泵站APC平台2通过泵站局域网5相连，所述管网SCADA子系统4通过交换机6与所述泵站局域网5相连，泵站APC平台2分别从泵站PLC控制子系统3和管网SCADA子系统4获取泵站运行工况和公司调度数据后，对泵站和管网进行整合优化控制，以现有控制系统为数据来源及控制输出的途径，充分利用了现有控制系统的潜能，提升控制水平。

在一优选实施方式中，所述HMI工控平台1与所述泵站APC平台2安装在同一台计算机硬件上，将控制方案嵌入到现有操作界面，易于操作人员接受，同时也便于调试。所述泵站APC控制平台2可与FactoryTalk View SE、AVEVA System Platform及KingSCADA等组态软件通过OPC进行通信，因此可与HMI工控平台1的组态软件共享流程图及报警界面，让操作员在HMI工控平台1和APC平台间2无缝连接；同时通过秒秒级监测和统计，准确地跟踪当前运行状况。

如图4所示，管网SCADA子系统4包括下位机401和上位机402，通过工业通信网络403相连，所述下位机401包括数据采集模块411和监控模块421，其中，其中，数据采集模块一般为PLC，通过传感器把设备运行状态，如泵站关联测压点压力，从物理量转换成电信号；监控模块421一般为RTU，可以通过远距离信息传输实现对分布式PLC的监控功能；上位机402通常具有友好的人机界面，主要作用是获取监控设备的运行状态，当设备出现问题时，在上位机上就能显示出各设备之间的状态(如正常、报警、故障等)，对下位机下发控制指令。在一优选实施方式中，所述工业通信网络403和泵站局域网5均配置备份和冗余设备，以进一步提高系统的可靠性。

如图5所示，泵站PLC控制子系统3包括中央处理器301、输入部分302和输出部分303，通过总线相连，其中，输入部分302用于收集并保存泵站实际运行的数据和信息；中央处理器301根据从输入部分302取得的信息，按照被控对象实际的动作要求做出的反映；输出部分303将控制命令下发给设备，实时调整设备运行的状态。所述泵站APC平台2的数据采自于公司生产管理数据库和泵站管理所的数据库，指令也是接收于公司调度层或泵站管理所监控中心。

泵站APC平台2的数据流框图如图2所示，泵站PLC控制子系统3通过传感器获取泵站运行工况，包括机泵运行组合状况(机泵开停机组合和设备运行状况)、泵站水库蓄水状况和水质状况，通过工控网发送至泵站APC平台；管网SCADA子系统4通过传感器获取公司调度数据，包括泵站关联测压点压力、泵站关联点流量监测值、预置供水模式和公司调度指令，实时监控若干个管网参数，通过数据链传输至泵站APC平台。

泵站APC平台2通过MPC(模型预测控制)进行控制，主要目标是在保证机泵供水效率的前提下快速匹配管网流量负荷变化需求，实现泵站稳态运行与经济运行。具体过程如图3所示：整个控制过程分为指令层、计算层、控制层和执行层，包括以下步骤：

指令层下发系统目标，同时，通过计算层中的计算性能模块对获取的实时参数，包括泵站关联测压点压力、泵站关联点流量、机泵运行组合状况和泵站水库蓄水状况进行计算和优化。

具体地，通过预测模型对实时参数进行计算优化，对于预测模型，需要考虑两方面的约束，一是泵站自身的负荷能力；二是管网供水的负荷需求。预测模型有四个输入和四个输出，四个控制目标分别为关联测点压力、关联测点流量、机泵运行组合状况与泵站水库水位，四个控制手段分别为机泵组合运行配比、出水压力设定、泵站出水流量设定与水库蓄水设定，采用专家规则与非线性控制相结合的控制方法，根据泵站负荷变化同时调整，从而保证泵站效率基础上的供水匹配负荷需求，在控制层中实现对泵站运行的多变量控制。机泵组合运行配比、出水压力设定通过目标优化得到当前负荷下的最佳量，同时接受人工调整量，综合结果用于控制输出。

将所述优化后的参数下发执行层中的泵站PLC控制子系统3和管网SCADA子系统4，进而实现对设备的控制。

具体地，预测模型包括机泵组合等效模型和管网流量平衡模型：

(1)机泵组合等效模型

比如，上海城投水务的广场泵站(人民公园)，共4台泵，2台水库泵，1台水库管道两用泵，1台管道泵；复兴公园泵站，一共4台泵，2台水库2台管道。

对此，可采用水泵等效模型方法优化泵站的运行，达到泵站供水的稳压、低耗，需要对机泵的运行模式进行优化组合，尤其对类似广场泵站和复兴公园泵站都没有配备且不太适合配备变频泵的泵站，通过大小机泵的合理优化搭配，形成等效的组合运行，即所谓的“虚拟水泵”模型；

(2)管网流量平衡模型

泵站是整个供水体系的中间环节，上游连接水厂，下游连接管网，泵站APC应该可以通过供水系统数据平台中获取关联测点的数据，并按照供水需求优化泵站供水模式。因此，管网流量平衡模型可以结合公司已有的管网建模以及将要开展的南厂智慧水厂项目协同开展。

在一优选实施方式中，所述预测模型使用最小二乘法进行校正，以提高MPC的控制性能和适应性，实现高品质、高稳定的多变量控制。

系统通信接口可采用OPC、MODBUS等通信协议，也可以定制通信协议。OPC协议使用基于标准的接口，可以灵活地定义数据采集和交换的规则，并支持实时数据传输、历史数据读取和远程控制等功能；而MODBUS协议可以通过不同的物理介质进行通信，例如串口、以太网等，它也可以扩展到更大的网络环境，支持主从结构和多主结构。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。