陶建科

　　提要:　闡述了給水系統(tǒng)操作控制基本原理、大規(guī)模給水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度軟硬件模塊及典型的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)，建立了大規(guī)模給水系統(tǒng)分級(jí)控制和優(yōu)化調(diào)度軟硬件模式。
　　關(guān)鍵詞:　大規(guī)模給水系統(tǒng)　分級(jí)控制　優(yōu)化調(diào)度　軟硬件模式　基本原理　模塊　實(shí)例

0　前言

　?隨著工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)和現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，通訊技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了高性能的PLC系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)，使工業(yè)過(guò)程控制程序化、模塊化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化，控制過(guò)程更加可視化和遠(yuǎn)程化。給水系統(tǒng)優(yōu)化控制是工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化控制的一個(gè)部分，本文提出的大規(guī)模給水系統(tǒng)分級(jí)控制和優(yōu)化調(diào)度軟硬件模式，構(gòu)筑了給水系統(tǒng)優(yōu)化控制基本框架。?

1　給水系統(tǒng)操作控制基本原理

1.1　控制目標(biāo)
　　給水系統(tǒng)操作控制目標(biāo)可以是單一的，也可以是多個(gè)的，對(duì)于取水工程，一般是BOD、DO 指標(biāo)上下限、水庫(kù)的水位上下限等；對(duì)于整個(gè)給水系統(tǒng)，控制目標(biāo)是滿(mǎn)足服務(wù)供應(yīng)及系統(tǒng)約束前提條件下，總費(fèi)用最小；大規(guī)模給水系統(tǒng)操作控制是一個(gè)多目標(biāo)復(fù)雜約束條件下的混合離散型動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題。
1.2　控制原理
　?控制機(jī)理：依據(jù)上一時(shí)段或本時(shí)段系統(tǒng)返回的值或?qū)ο乱粫r(shí)段不確定因素的預(yù)測(cè)值，滿(mǎn)足控制目標(biāo)及約束條件下，生成相應(yīng)的決策，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。在配水系統(tǒng)中不確定因素一般有：用戶(hù)用水量、管道C值，閥門(mén)開(kāi)度。
　　基本控制方式［１］：規(guī)則控制(Rules control)和反復(fù)控制(Repetitive control )。前一種控制方式?jīng)Q策形成是直接依據(jù)前一時(shí)段系統(tǒng)返回的量測(cè)值或信號(hào)進(jìn)行控制，指令設(shè)計(jì)為"如果…那么"的形式，該種控制方式在水廠制水過(guò)程中被廣泛采用，是經(jīng)驗(yàn)控制模式的典型方式。反復(fù)控制機(jī)理見(jiàn)圖1,U為控制函數(shù)，X為狀態(tài)向量，T為控制周期，Z為系統(tǒng)外部干擾函數(shù)，在時(shí)間t₀與t_f之間，系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)X(t₀)及預(yù)測(cè)干擾值Z(t₀，t₀＋T)反饋到控制模型，產(chǎn)生U(t₀，t₀＋T)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，每次以T為周期完成控制過(guò)程，當(dāng)t＞t_f時(shí)，在t_f的基礎(chǔ)上，又以T為周期完成循環(huán)控制，預(yù)測(cè)值Z在給水系統(tǒng)中為不確定因素。

　?圖1　反復(fù)控制機(jī)理

　?完成規(guī)則控制的過(guò)程比完成反復(fù)控制的過(guò)程快得多。
1.3　大規(guī)模給水系統(tǒng)的分解-協(xié)調(diào)［２］
　?大規(guī)模復(fù)雜給水系統(tǒng)操作控制問(wèn)題非常復(fù)雜，大量的控制變量應(yīng)該在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)得出，并完成控制；控制目標(biāo)函數(shù)含有大量定速泵、變速泵及控制閥門(mén)組成的多目標(biāo)離散型非線性控制問(wèn)題，數(shù)學(xué)上很難解決，計(jì)算時(shí)間不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制要求；分解-協(xié)調(diào)算法技術(shù)有利于求解大規(guī)模給水系統(tǒng)的操作控制問(wèn)題，因此大規(guī)模給水系統(tǒng)采用分解-協(xié)調(diào)技術(shù)完成。?大規(guī)模復(fù)雜給水系統(tǒng)控制問(wèn)題可在時(shí)間軸和空間上進(jìn)行分解，以滿(mǎn)足在線實(shí)時(shí)控制的要求，時(shí)間軸上分解要滿(mǎn)足水庫(kù)動(dòng)態(tài)的要求，空間上分解可減少問(wèn)題決策變量的維數(shù)，由于子問(wèn)題之間存在相互關(guān)聯(lián)，子問(wèn)題之間用協(xié)調(diào)變量進(jìn)行協(xié)調(diào)，這樣一來(lái)，通過(guò)分解-協(xié)調(diào)方法可減少大規(guī)模復(fù)雜給水系統(tǒng)控制問(wèn)題的復(fù)雜性。給水系統(tǒng)分解-協(xié)調(diào)控制(含兩子系統(tǒng))見(jiàn)圖 2。當(dāng)子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2之間存在利益沖突時(shí)，由協(xié)調(diào)者(上一級(jí))進(jìn)行協(xié)調(diào)。

圖2　含兩子系統(tǒng)的分解-協(xié)調(diào)操作控制示意

2　大規(guī)模給水系統(tǒng)分級(jí)控制和優(yōu)化調(diào)度軟硬件模塊?

2.1　大規(guī)模給水系統(tǒng)分級(jí)控制和優(yōu)化調(diào)度硬件模塊
　　大規(guī)模給水系統(tǒng)分級(jí)控制與優(yōu)化調(diào)度硬件模塊分三層：遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、本地控制室和協(xié)調(diào)決策層［１］。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)：在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)傳感設(shè)備采集數(shù)據(jù)，發(fā)送，經(jīng)交際單元傳入計(jì)算機(jī)，或計(jì)算機(jī)經(jīng)交際單元將信息發(fā)送傳輸至電動(dòng)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作的過(guò)程；本地控制室的計(jì)算機(jī)間的信息是通過(guò)局域網(wǎng)來(lái)傳輸，對(duì)于大規(guī)模給水系統(tǒng)，協(xié)調(diào)決策層與本地控制室之間的信息傳遞是通過(guò)廣域網(wǎng)完成，見(jiàn)圖3。

圖3　大規(guī)模給水系統(tǒng)分級(jí)控制和優(yōu)化調(diào)度硬件結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)的傳輸方式有三種：電話(huà)線(或ISTN或PSTN)、無(wú)線電波及電纜。用電話(huà)線傳輸數(shù)據(jù)很昂貴，如采用電話(huà)線傳輸數(shù)據(jù)，常將基地?cái)?shù)據(jù)儲(chǔ)存在本地，將它打包，在電話(huà)費(fèi)較便宜時(shí)，傳入中心計(jì)算機(jī)；配水系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)的信息常采用無(wú)線電波的形式發(fā)送，其安裝和傳輸費(fèi)用較低；電纜常用于近距離數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩暂^高。
　　RTU(Remote Terminal Unit)和PLC單元里含有許多智能控制器，裝備有信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)內(nèi)存，能收集和存儲(chǔ)信息，通過(guò)運(yùn)行自身程序模塊可執(zhí)行由決策層送來(lái)的命令，它們也備有大量I/O端口(I/O卡)，可進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)可脈沖輸入和步進(jìn)電動(dòng)輸出等功能，具有現(xiàn)場(chǎng)儀器的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)輸入輸出界面。
　　SCADA系統(tǒng)和PLC與RTU的交際方式有兩種：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)；PLC與RTU彼此間可進(jìn)行串并聯(lián)連接，常用端口為：RS232，RS422，RS449。
2.2　大規(guī)模給水系統(tǒng)分級(jí)控制和優(yōu)化調(diào)度軟件模塊
　?給水系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制和優(yōu)化調(diào)度軟件模塊有：規(guī)劃和資源管理軟件包(如GIS系統(tǒng))，通訊和遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)軟件包(如SCADA軟件)、決策支持系統(tǒng)軟件包。
　　規(guī)劃和資源管理軟件主要用于供水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和管網(wǎng)維護(hù)部門(mén)，GIS系統(tǒng)是該類(lèi)軟件的典型代表，它記錄了供水系統(tǒng)中所有的供水設(shè)施信息，用圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為決策支持系統(tǒng)提供供水系統(tǒng)靜態(tài)基礎(chǔ)資料。
　?通信和遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)軟件用于采集供水系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將來(lái)自主站的命令傳輸至各站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，SCADA系統(tǒng)是該類(lèi)軟件的典型代表。
　　決策支持系統(tǒng)軟件包是給水系統(tǒng)自動(dòng)化控制和優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的智力組成部分，它形成原始的操作指令，是以供水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行(費(fèi)用最小化)為目標(biāo)；決策形成過(guò)程有兩種方法：宏觀模型優(yōu)化調(diào)度和微觀模型優(yōu)化調(diào)度，前一種方法要求的基礎(chǔ)資料較少，受宏觀模型的局限性限制，在先進(jìn)的水司里應(yīng)用較少，后一種方法考慮了管網(wǎng)微觀結(jié)構(gòu)，隨著供水調(diào)度基礎(chǔ)水平的不斷提高，微觀模型優(yōu)化調(diào)度是發(fā)展方向。
　?大規(guī)模給水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度軟件框架見(jiàn)圖4、圖5。

　?圖4　宏觀模型優(yōu)化調(diào)度軟件框架

　圖5　微觀模型優(yōu)化調(diào)度軟件框架

3　大規(guī)模給水系統(tǒng)典型的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)

　?大規(guī)模給水系統(tǒng)中包含許多供水區(qū)域、水廠、中途泵站或水塔，每個(gè)水廠或供水區(qū)域內(nèi)有本地控制室，各本地控制室在整個(gè)供水系統(tǒng)決策層(中心調(diào)度室)的協(xié)調(diào)下，保證整個(gè)供水系統(tǒng)供水費(fèi)用最小。
　?大規(guī)模給水系統(tǒng)典型的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)有兩種：見(jiàn)圖6和圖7。圖6中，供水區(qū)域內(nèi)可含有中途泵站或水塔；圖7中，供水區(qū)域內(nèi)可含有水廠或中途泵站或水塔。

圖6　大規(guī)模給水系統(tǒng)典型的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)［１］?

圖7　大規(guī)模給水系統(tǒng)典型的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)

4　工程實(shí)例

　?原上海市自來(lái)水公司給水系統(tǒng)中包括16座凈水廠、48座中途泵站，于1999年底相繼完成了 3個(gè)世行貸款項(xiàng)目，初步建立了分級(jí)控制與優(yōu)化調(diào)度模式。
4.1　分級(jí)控制結(jié)構(gòu)的建立
　?建立了圖7所示的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)；該供水系統(tǒng)按地理位置分為4大供水區(qū)域：市南、市北、浦東和閔行供水區(qū)域，各供水區(qū)域間有聯(lián)絡(luò)管連接。
4.2　硬件結(jié)構(gòu)的建立
　　建立了圖3所示的硬件結(jié)構(gòu)；控制室硬件設(shè)備采用英國(guó)Serck Controls公司產(chǎn)品，水廠和泵站建立相對(duì)獨(dú)立的PLC系統(tǒng)，測(cè)壓、測(cè)流點(diǎn)及水庫(kù)水位建立了RTU電臺(tái)系統(tǒng)；水廠、泵站、水庫(kù)信號(hào)通過(guò)無(wú)線電波形式傳輸，各控制室信息可共享及相互傳送，部分水泵實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化操作。
4.3　軟件結(jié)構(gòu)建立
　?建立了GIS、SCADA系統(tǒng)及管網(wǎng)模型；GIS系統(tǒng)能為工況模擬器提供管網(wǎng)靜態(tài)資料，SCADA系統(tǒng)能將歷史和實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)用圖形或表格形式顯示，可將決策層指令傳送至各本地控制室，現(xiàn)正開(kāi)展水量預(yù)測(cè)及決策形成模塊的研究。?

5　結(jié)論

　?本文提出的建立大規(guī)模給水系統(tǒng)分級(jí)控制和優(yōu)化調(diào)度軟硬件模式方法已經(jīng)在中國(guó)上海和國(guó)外一些水司得到應(yīng)用［３］，具有實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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