大型水厂自动控制系统的设计与实现

大型水厂自动控制系统的设计与实现

董学臣

中国水利水电第四工程局有限公司  青海  西宁  810007

摘要：自动控制系统的设计与性能优化是现代工程领域中一个至关重要的研究领域，自动控制系统是现代工程领域中不可或缺的一部分，这些系统通过监测和调整各种过程变量，以确保系统能够按照既定的要求运行。因此，自动控制系统的设计和性能优化对于提高工程系统的效率、降低能源消耗、减少人工干预以及确保产品质量至关重要。本文首先介绍了自动控制系统的基本概念和应用领域，然后详细讨论了系统设计的关键因素以及性能优化的各种方法，最后，通过案例研究，展示了性能优化对自动控制系统的重要性以及实际应用中的成功经验。

关键词：自动控制系统、性能优化、控制算法、参数调整

1阐述水厂自动控制系统

水务信息化建设是一项结构复杂、技术难度大、功能众多、涉及面广并需考虑与已建系统整合的系统工程，水厂自动控制系统作为水务信息化的基础环节之一，建设时应遵循需求牵引、统一设计标准，兼容扩展、高效稳定等原则；设计时根据水工建筑物布置和运行管理的需要，多采用分层分布式设计，按远程调度层、泵站监控层、现地控制层进行设计，层级越低控制优先权越高，即现地级具有最高的控制选择权，站控级次之，调度中心的控制选择权最低；网络规划时应考虑较高的实时性、可靠性、经济性及水厂自动控制系统关联的多种业务类型。

2给水厂控制网络结构

水厂自动控制系统关联的业务种类十分广泛,不仅有大量的调度自动化系统、水利市场支持系统等以太网接入，还有语音接入、视频监控接入等，从业务范围可以分为两个网络，分别为：管理网及生产控制网。这两类网络可使用网闸物理隔离的方式进行分区防护，从而用以限定网络访问、数据共享和信息流向。

（1）管理网

该网络主要承担运行管理单位工程调度管理、办公及国际互联网访问需求，通过分析其逻辑还可以分为不同的逻辑网络，包含办公网络、视频监控网络、视频会议网络、IP语音网络、调度中心网络；同时在物理网络上可以分为调度中心核心节点网络及各分支机构（调度中心、中心所及各个类型泵站控制点）网络。

（2）生产控制网络

该网络主要承担运行管理单位的日常生产业务的通信支撑，从物理上可以分为调度中心网络和泵站网络。为了满足管理网与水利云及生产控制网之间的数据可信可控交换和信息共享需求，在三个网络内分别部署信息资源交换平台，并通过单向网闸设备实现信息数据的严格单向无反馈传输，其中在水利云内部署信息交换平台核心站点实现不同应用系统间数据交换共享与集成，在管理网与生产控制网之间部署单向传输通道，通道由内、外端信息资源交换平台及一个单向网闸构成，单向传输通道可将生产控制网产生的数据单向传输至管理网，并执行数据交换策略和安全管控策略，确保不同业务数据可控安全交换，以各工程为节点，组成骨干网络，各节点间隔接入，形成环型网络。管理网、视频监控和电话通信共同使用1个以太环网。

3.水厂自动控制系统的设计

在过去的几十年里，自动控制系统的设计和性能优化已经取得了巨大的进步。随着计算机技术的不断发展，控制算法的复杂性和性能得以提高，使得系统能够更加精确地响应外部变化和扰动。同时，性能优化方法的不断创新也为系统的设计和维护提供了更多的可能性。

深入探讨自动控制系统的设计和性能优化，旨在为工程师、研究人员和决策者提供有关如何构建高效、稳定和可靠的自动控制系统的关键信息。将能够深入了解自动控制系统的设计原理和性能优化方法，并将能够应用这些知识来改善现有系统的性能，或者设计新的系统以满足不断变化的需求。我们希望这篇文章能够为自动控制领域的研究和实践提供有益的参考和指导。

4水厂自动控制系统功能

4.1现地级功能

泵组现地LCU应实现数据采集、数据处理、控制与调节、监视记录功能。自动采集各现场设备的实时信息，并对采集的数据进行必要的处理计算，用于画面显示与刷新、控制与调节、操作，完成数据的互锁逻辑运算、越线检查和报警信息生成；完成泵组开停机必须的逻辑条件处理，电量、供排水量、泵组流量、功率、运行时数、开停机次数等数据的计算和累加，完成泵组的开机与停机的手动、自动控制，完成人工命令及事故紧急停机控制，实现变速泵组的的启动和调节控制，在站控层或远程调度层控制运行模式下，接受上一级运行控制或程序控制命令；实现对泵组及辅助设备的实时监视，完成故障信号、参数越线等信号的画面报警与数据记录、故障时自动发出报警信号；完成部分泵组开停机流程中技术供水系统阀门的控制，并实时监测技术供水管路的压力、温度、流量等数据，确保泵组安全稳定运行。

4.2站控级及现地级功能

数据采集方面，站控级与现地级实时通信，自动采集各现场设备的实时信息。包括泵站内机电设备的电量、非电量、状态量等数据。采集各泵组的机泵健康状态监测数据。

数据处理方面，对采集的数据进行必要的处理计算，存入实时数据库和历史数据库，用于画面显示与刷新、控制与调节、记录检索、统计、操作、管理指导等；完成数据的互锁逻辑运算、越线检查和报警信息生成等；完成泵组开停机必须的逻辑条件处理，电量、供排水量、泵组流量、功率、泵组效率、运行时数、开停机次数、能源单耗等数据的计算和累加。

控制与调节方面：完成泵组的开机与停机的手动、自动控制。自动控制时：根据下泄流量要求，通过相关泵组的机泵健康状态评估分析，各泵组运行特定分析，选定开机方案，检查拟开启泵组的开机必须的逻辑条件正常后，开启泵组；完成人工命令及事故紧急停机控制；

在远程调度层控制运行模式下，接受上一级运行控制或程序控制命令；实现主变与站用变的投入与退出的运行控制；实现变配电系统进出线开关、10 KV母联开关的分合闸控制；

远程监视方面，实现对泵组、公用设备、辅助设备、变配电系统等设备的启停（投退）过程监视与顺序记录，当发生故障时自动报警；

故障事故分析与处理方面，当输水线路中下游一处（或多处）发生事故时，根据调度中心命令，将运行泵组停机，防止弃水，当泵组或变压器设备本身或因输电线路出现事故而被迫停机，自动实现本泵站相应泵组的启/停程序，以保证输水系统的流量平衡和水工建筑物的安全。

4.3调度中心功能

数据采集方面，调度中心与站控级、现地级、管理网实时通信，自动采集各现场设备的实时信息。包括全线所有机电设备和水力量测系统的主要电量、非电量、状态量等数据。

数据处理方面，对采集的数据进行必要的处理计算，存入实时数据库和历史数据库，用于画面显示与刷新、控制与调节、记录检索、统计、操作、管理指导等；事件数据的记录与处理；完成泵组开停机必须的逻辑条件处理，电量、供排水量、泵组流量、功率、泵组效率、运行时数、开停机次数、能源单耗等数据的计算和累加，完成各泵站机泵健康状态监测评估的汇总、展示。

实现对各泵站的泵组、公用设备、辅助设备、变配电系统等主要设备的实时监视；实现对各泵站的泵组、公用设备、辅助设备、变配电系统等主要设备的启停（投退）过程监视与顺序记录，当发生故障时自动报警。

远程控制方面，根据下泄流量要求，通过采集相关泵组的机泵健康状态评估结果，选定拟开的泵组，检查该泵组开机必须的逻辑条件正常后，根据运营单位运行管理规定向站控或现地及下达开启泵组指令。

故障事故分析与处理方面，当输水线路中任何一处（或多处）发生事故时，将事故段上游的泵站泵组停机，防止弃水；当泵组或变压器设备本身或因输电线路出现事故而被迫停机，调度中心计算机系统将根据可能出现的故障情况制定处理措施，自动实现本泵站或上下游泵站相应泵组的启/停程序，以保证输水系统的流量平衡和水工建筑物的安全。

流量平衡、联合调度方面，计算机监控系统根据调度中心下达的各泵站的输水量，在维持整个输水线路的输水量和前池水位基本不变的情况下，并考虑沿线水工建筑物的水位等相关限制条件，确定各泵站开/停机的台数以及变速泵组的转速。

5项目案例

自动控制系统的设计和性能优化涉及多个关键步骤，包括系统建模、控制算法选择、参数调整和系统仿真。

5.1系统建模

系统建模是自动控制系统设计的第一步。它涉及将实际系统抽象为数学模型，以便进行进一步的分析和控制设计。常用的系统建模方法包括物理建模和数据驱动建模。

物理建模：基于系统的物理原理，使用微分方程或状态空间方程来描述系统动态行为。这种方法通常适用于已知系统结构和参数的情况。

5.2数据驱动建模

通过采集系统输入和输出数据，使用系统辨识技术来构建数学模型。这种方法适用于复杂系统或者系统参数不完全已知的情况。

5.3控制算法选择

控制算法的选择取决于系统的特性和性能要求。常见的控制算法包括比例积分微分（PID）控制、模型预测控制（MPC）、状态反馈控制等。

5.4PID控制

PID控制器根据系统误差的比例、积分和微分部分来调整控制信号，适用于许多工业应用，易于调整。

5.5MPC

MPC使用系统模型来优化未来一段时间内的控制动作，适用于多变量系统和有约束条件的控制问题。

5.6状态反馈控制

状态反馈控制器根据系统状态的反馈来调整控制信号，可以实现高度精确的控制。

5.7参数调整

控制算法的性能通常依赖于参数的选择和调整。参数调整的目标是使系统的性能指标（如稳定性、响应时间、超调量等）达到最优。

5.8自动调参算法

使用自动化工具和优化算法来调整控制器参数，例如遗传算法、模拟退火算法等。

5.9手动调参

根据经验和系统理解，手动调整控制器参数，通常需要多次试验和调整。

结论

自动控制系统的设计与性能优化是现代工程领域中不可或缺的一部分，对于提高系统的效率、稳定性和可靠性至关重要。首先，自动控制系统的设计需要从系统建模开始，选择合适的数学模型对系统进行描述。然后，在控制算法选择阶段，需要考虑系统的特性和性能要求，选择合适的控制策略。参数调整是优化控制性能的关键步骤，可以通过手动调参或自动化算法来实现。最后，系统的性能优化可以带来多方面的好处，包括提高响应速度、减小超调量、增强鲁棒性和降低能耗。

总之，自动控制系统的设计与性能优化是一个充满挑战但又充满机遇的领域。通过综合考虑系统特性、性能要求和最新技术，我们可以设计出高效、稳定且可靠的自动控制系统，为各个领域的应用带来显著的价值。希望本文能够为读者提供有关自动控制系统的设计和性能优化的深入了解，并激发更多的研究和实践。

参考文献：

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