陶建科

　　提要:　闡述了給水系統操作控制基本原理、大規模給水系統優化調度軟硬件模塊及典型的分級控制結構，建立了大規模給水系統分級控制和優化調度軟硬件模式。
　　關鍵詞:　大規模給水系統　分級控制　優化調度　軟硬件模式　基本原理　模塊　實例

0　前言

　?隨著工業自動化控制技術和現代科技的高速發展，通訊技術、電子技術和計算機技術的有機結合，出現了高性能的PLC系統和SCADA系統，使工業過程控制程序化、模塊化、智能化、集成化、網絡化，控制過程更加可視化和遠程化。給水系統優化控制是工業過程自動化控制的一個部分，本文提出的大規模給水系統分級控制和優化調度軟硬件模式，構筑了給水系統優化控制基本框架。?

1　給水系統操作控制基本原理

1.1　控制目標
　　給水系統操作控制目標可以是單一的，也可以是多個的，對于取水工程，一般是BOD、DO 指標上下限、水庫的水位上下限等；對于整個給水系統，控制目標是滿足服務供應及系統約束前提條件下，總費用最小；大規模給水系統操作控制是一個多目標復雜約束條件下的混合離散型動態規劃問題。
1.2　控制原理
　?控制機理：依據上一時段或本時段系統返回的值或對下一時段不確定因素的預測值，滿足控制目標及約束條件下，生成相應的決策，對系統進行控制。在配水系統中不確定因素一般有：用戶用水量、管道C值，閥門開度。
　　基本控制方式［１］：規則控制(Rules control)和反復控制(Repetitive control )。前一種控制方式決策形成是直接依據前一時段系統返回的量測值或信號進行控制，指令設計為"如果…那么"的形式，該種控制方式在水廠制水過程中被廣泛采用，是經驗控制模式的典型方式。反復控制機理見圖1,U為控制函數，X為狀態向量，T為控制周期，Z為系統外部干擾函數，在時間t₀與t_f之間，系統當前狀態X(t₀)及預測干擾值Z(t₀，t₀＋T)反饋到控制模型，產生U(t₀，t₀＋T)，對系統進行控制，每次以T為周期完成控制過程，當t＞t_f時，在t_f的基礎上，又以T為周期完成循環控制，預測值Z在給水系統中為不確定因素。

　?圖1　反復控制機理

　?完成規則控制的過程比完成反復控制的過程快得多。
1.3　大規模給水系統的分解-協調［２］
　?大規模復雜給水系統操作控制問題非常復雜，大量的控制變量應該在規定的時間段內得出，并完成控制；控制目標函數含有大量定速泵、變速泵及控制閥門組成的多目標離散型非線性控制問題，數學上很難解決，計算時間不能滿足實時控制要求；分解-協調算法技術有利于求解大規模給水系統的操作控制問題，因此大規模給水系統采用分解-協調技術完成。?大規模復雜給水系統控制問題可在時間軸和空間上進行分解，以滿足在線實時控制的要求，時間軸上分解要滿足水庫動態的要求，空間上分解可減少問題決策變量的維數，由于子問題之間存在相互關聯，子問題之間用協調變量進行協調，這樣一來，通過分解-協調方法可減少大規模復雜給水系統控制問題的復雜性。給水系統分解-協調控制(含兩子系統)見圖 2。當子系統1和子系統2之間存在利益沖突時，由協調者(上一級)進行協調。

圖2　含兩子系統的分解-協調操作控制示意

2　大規模給水系統分級控制和優化調度軟硬件模塊?

2.1　大規模給水系統分級控制和優化調度硬件模塊
　　大規模給水系統分級控制與優化調度硬件模塊分三層：遠動系統、本地控制室和協調決策層［１］。遠動系統：在現場通過傳感設備采集數據，發送，經交際單元傳入計算機，或計算機經交際單元將信息發送傳輸至電動設備進行動作的過程；本地控制室的計算機間的信息是通過局域網來傳輸，對于大規模給水系統，協調決策層與本地控制室之間的信息傳遞是通過廣域網完成，見圖3。

圖3　大規模給水系統分級控制和優化調度硬件結構

　　數據的傳輸方式有三種：電話線(或ISTN或PSTN)、無線電波及電纜。用電話線傳輸數據很昂貴，如采用電話線傳輸數據，常將基地數據儲存在本地，將它打包，在電話費較便宜時，傳入中心計算機；配水系統中測點的信息常采用無線電波的形式發送，其安裝和傳輸費用較低；電纜常用于近距離數據傳輸，其數據傳輸的安全性較高。
　　RTU(Remote Terminal Unit)和PLC單元里含有許多智能控制器，裝備有信號處理器和計算機內存，能收集和存儲信息，通過運行自身程序模塊可執行由決策層送來的命令，它們也備有大量I/O端口(I/O卡)，可進行A/D和D/A轉換，數字信號和模擬信號可脈沖輸入和步進電動輸出等功能，具有現場儀器的數字信號和模擬信號輸入輸出界面。
　　SCADA系統和PLC與RTU的交際方式有兩種：點對點，一點對多點；PLC與RTU彼此間可進行串并聯連接，常用端口為：RS232，RS422，RS449。
2.2　大規模給水系統分級控制和優化調度軟件模塊
　?給水系統計算機控制和優化調度軟件模塊有：規劃和資源管理軟件包(如GIS系統)，通訊和遠動系統軟件包(如SCADA軟件)、決策支持系統軟件包。
　　規劃和資源管理軟件主要用于供水系統規劃設計和管網維護部門，GIS系統是該類軟件的典型代表，它記錄了供水系統中所有的供水設施信息，用圖形數據和屬性數據存儲，為決策支持系統提供供水系統靜態基礎資料。
　?通信和遠動系統軟件用于采集供水系統中實時數據，并將來自主站的命令傳輸至各站點，實現自動化控制，SCADA系統是該類軟件的典型代表。
　　決策支持系統軟件包是給水系統自動化控制和優化調度系統的智力組成部分，它形成原始的操作指令，是以供水系統優化運行(費用最小化)為目標；決策形成過程有兩種方法：宏觀模型優化調度和微觀模型優化調度，前一種方法要求的基礎資料較少，受宏觀模型的局限性限制，在先進的水司里應用較少，后一種方法考慮了管網微觀結構，隨著供水調度基礎水平的不斷提高，微觀模型優化調度是發展方向。
　?大規模給水系統優化調度軟件框架見圖4、圖5。

　?圖4　宏觀模型優化調度軟件框架

　圖5　微觀模型優化調度軟件框架

3　大規模給水系統典型的分級控制結構

　?大規模給水系統中包含許多供水區域、水廠、中途泵站或水塔，每個水廠或供水區域內有本地控制室，各本地控制室在整個供水系統決策層(中心調度室)的協調下，保證整個供水系統供水費用最小。
　?大規模給水系統典型的分級控制結構有兩種：見圖6和圖7。圖6中，供水區域內可含有中途泵站或水塔；圖7中，供水區域內可含有水廠或中途泵站或水塔。

圖6　大規模給水系統典型的分級控制結構［１］?

圖7　大規模給水系統典型的分級控制結構

4　工程實例

　?原上海市自來水公司給水系統中包括16座凈水廠、48座中途泵站，于1999年底相繼完成了 3個世行貸款項目，初步建立了分級控制與優化調度模式。
4.1　分級控制結構的建立
　?建立了圖7所示的分級控制結構；該供水系統按地理位置分為4大供水區域：市南、市北、浦東和閔行供水區域，各供水區域間有聯絡管連接。
4.2　硬件結構的建立
　　建立了圖3所示的硬件結構；控制室硬件設備采用英國Serck Controls公司產品，水廠和泵站建立相對獨立的PLC系統，測壓、測流點及水庫水位建立了RTU電臺系統；水廠、泵站、水庫信號通過無線電波形式傳輸，各控制室信息可共享及相互傳送，部分水泵實現了無人化操作。
4.3　軟件結構建立
　?建立了GIS、SCADA系統及管網模型；GIS系統能為工況模擬器提供管網靜態資料，SCADA系統能將歷史和實時的動態數據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，現正開展水量預測及決策形成模塊的研究。?

5　結論

　?本文提出的建立大規模給水系統分級控制和優化調度軟硬件模式方法已經在中國上海和國外一些水司得到應用［３］，具有實用價值。

參考文獻

1　B M A Brdys & B Ulanicki. Operational Control of Water Sys te m Structures Algorithms and Application. Prentice Hall International(UK)Ltd,1994 ?
2　李人厚，邵福慶編著. 大系統的遞階與分散控制. 西安交通大學出版社，1986 ?
3　Bryan Coulbeck. Integrated computer application in water supply. Volumel-Me thods and procedures for systems simulation and control. Volume2-Application imp lementations for systems operation and management. Research studies press Ltd An d Jhon Wiley & Sons Inc，1993

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