策里木格，邵晶波

电厂供水控制系统自动化设计方法研究

策里木格，邵晶波

（哈尔滨师范大学计算机科学与信息工程学院，哈尔滨150025）

提出基于模糊控制的方法，以蒙古第四热电厂为例，实现热电厂供水系统水位自动检测，开启的水泵数目也由模糊函数控制，根据第四热电厂实际情况，将任务分解为15个规则，利用模糊推理解决供水系统自动化问题。提出的方法在第四热电厂的应用结果表明，与旧版本软件相比较，供水控制效率更高、更安全可靠。

第四热电厂（TPP-4）、技术供水系统（TWSS）、监测系统、模糊函数、可编程逻辑控制器（PLC）

0 引言

众所周知，当一个热电厂的生产技术实现自动化时，该热电厂的供水系统的输出量也会增大。蒙古最大的热电厂按照国际标准引进先进的技术供电。如图1所示，热电厂工艺流程为：首先电力要有能源，可采用煤炭，一般电力厂有个储煤场存放煤炭。首先，由传送带将煤炭送至供煤机，经粉碎机粉碎之后送至锅炉中，将煤处理打磨成细粉后燃烧产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机，汽轮机带动涡轮机接发电机产生点，然后生成的电进入升压房，将其转换成成高压电，通过高压线送至变电所进行供电。但该热电厂存在亟待解决的问题，即“技术供水系统”还没有完全达到自动化。旧的供电系统仍有很多问题需要升级[1]。陈旧的电力系统面临的主要问题是：（1）没有监测系统，房子陈旧,没有任何防盗装置，没有发射机装置，因而压力信号无法传送到调度员，而且一旦系统紧急暂停时,需要话费很多时间来定位有故障的井泵，缺乏相应的应急处理措施。

1 相关研究现状

近年来，由于供电系统需要大量的电力和频繁负载调整，火力发电厂中许多设备在及其恶劣的条件下超负荷运作。而控制室又很难在短时间内迅速识别出事故如火灾、燃油泄漏及系统声音异常等故障。因此，系统维护者必须搜寻工厂所有处所、定位故障点、排除故障。为了排除故障，自动监测系统应能检测到该类意外事故的发生。本文主要针对该问题进行了研究。

图1 热电厂示意图

近年来国内外在该方面的主要研究成果如下。罗马尼亚科学家开发了一个监视和控制系统，重点研究热处理系统从而提高整个系统的功能[2]。本文主要做了两方面的工作。一是监控系统版本；二是系统的编译语言。对于一个确定的操作系统如Windows或Unix来说，这两方面是对等的。

文献[3]开发了一个先进的综合监控系统，主要用于监测和控制火力发电厂的锅炉和汽轮机。提出的方法主要设定了几种工作模式，可控制启动、关闭操火力发电厂。用户可通过变换不同的操作模式，控制先进的设备，实现系统综合监控的功能。作者提出了相应的控制算法，该系统采取模型预测控制器MIMO控制方法，开发的综合监控系统采用标准化、开放式接口API，可被直接连接到其他系统，监控系统可通过网络实施远程实时监控。

文献[4]重点研究了软件中梯形图与指令表程序互相转换的算法，先介绍了指令解释执行的原理和方法，然后根据AOV有向图建立二叉树，再对二叉树进行后序遍历，从而实现梯形图程序向指令表程序转换的算法，并描述了算法实现的详细步骤。而文献[5]中以XBTGT5330触摸屏、Modicon M340 PLC和并联保护单元（PPU）为核心，设计了交流电压为380V，工作频率为50 Hz的船舶自动化电站监控系统，实现了PLC控制程序控制，人机界面交互。通过网络将电站运行数据传送至上位机，以便实行远程监控。实验结果显示，该系统可显著提高船舶电站的稳定性和可靠性。

文献[6]中，把在线监测、诊断和预测（OMDP）等信息提供给运营商作参考，从而提高核电站的安全性。分布式守恒方程和人工免疫系统实现在线监测和诊断。将定量仿真模型和交互式数据库结合起来预测系统态势和故障的严重程度。通过提高对凝析油的监测和诊断预测，对给水系统进行了仿真实验，实验结果证明了在线监测的有效性。文献[7]中，给每一个排站安装自动化系统，使排站管理更加灵活，用户管理更加简单方便，排站工作更加稳定、安全。基于S7200系列PLC和WinCC人机界面设计工具，文献中的作者实现了小型水电站的自动远程监控，可对橡胶坝进行实时监测。该系统兼具自动控制和远程监控的优点，并且保留了现场手动电气控制和机械控制的功能，进一步提高了系统的发电效率。文献[8]详细介绍了提出的系统的研发过程。系统采用西门子S7-300系列PLC作为控制核心，采用WinCC组态软件搭建人机界面，构成一个综合信息管理平台，采用以太网方实现PLC与上位机软件之间通信，通过控制泵、阀、电机等执行结构完成控制任务，并为生产过程提供视频监控和硬盘录像的功能，综合运用了控制理论、网络通讯、组态软件、PLC以及检测与传感器等多项技术。

针对蒙古第四热电厂急需解决的问题，我们主要进行电厂供水控制系统自动化设计方法研究。

2 初步设计

如果我们把热电厂看成人体，则技术供水系统为静脉，为人体输送生存所必须的养料，维持整个人体的正常活动。发电厂技术供水系统需要供应炉，过滤水涡轮机等设备。系统组件的8个井具有相同数量的泵电机、逆变器、控制器和传感器，而且远离发电厂15多公里。因由于电厂孤立并缺乏足够的防护措施，没有监测系统，没有传送机，压力信号无法发送到调度员，加之，一个轮班只有两个调度员，一个调度员在采区，另一个调度员在巡逻。因此，一旦出现事故或意外，他们必须要搜寻、定位故障。有了我们设计的这个新的监控系统，我们采不必浪费太多时间去解决这些问题。

系统监测计划主要为了确保监视和控制技术适用于热电厂供水系统。供水系统监测主要涉及的组件为：井亭、电动机、监视控制房间。井泵配有自己的仪表：可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、逆变器、温度控制器和传感器。系统架构集中向电脑，实现监测警报的管理和故障条件。通信时通过使用特殊的数据采集卡和以太局域网络。这些设施都是为了方便操作员监控技术供水系统。

3 详细设计

实现给水供水系统的水位监测系统体系结构如图2所示。系统主要有四种基本结构：现场层、工厂地板层、技术层、企业级层。局域网主要采用分布式客户机/服务器体系结构，在此基础上，每一层链接使用TCP/ IP协议连接到互联网。该通信系统通过TCP，将电脑连接到PLC。来自PLC的信号是数字的，采用串行通信。PLC接收监控值和视频流，然后将接收到的测量值与显示器上的标称值比较，并在显示器上显示，同时将反馈信号发送至PLC。因此，输出信号处理有时间延迟，可采用多线程来解决这个问题。多线程主要包括主线程和辅线程。仅当辅助线程更改接收到的值时，主线程才创建一个数据接收端。然后程序日志文件通过使用数据库被存储在服务器中。对于监测部分，在一定时间内，视频将被逐帧转换成MPEG格式后，复制到硬盘中。

系统配备1个Dell-Optiplex 330个人电脑，7个“Adam-6024”系列（通用模块），8个媒体转换器，传感器和紧急指标45个。

图2 供水监测系统的基本架构

4 水位及水泵控制

接下来要完成水位变化率模糊化和水泵开启台数模糊化的近似，按照水位率模糊化步骤，依次完成水位变化率模糊化与水泵开启台数模糊化。水位变化率模糊隶属度函数如图4所示，水泵开启台数模糊隶属度函数如图5所示。

图3 水位模糊隶属度函数

若要构造一个系统，程序必须要组织好。正如工程师必须把任务清晰、无二义地告诉他/她的机械师一样，泵站函数必须要配备正确模糊控制系统。类似地，程序任务也必须清楚的规则。根据蒙古第四热电厂实际情况，它的任务可细分为15个子任务，具体如下：

图4 水位变化率模糊隶属度函数

图5 水泵开启台数模糊隶属度函数

如果水位很低并且水位下降，那么泵机全部停机；如果水位不稳定，那么所有泵机全停机；如果水位非常低并且涨水，那么开启一个泵机；如果水位偏低并且水位下降，那么开启一个泵机；如果水位中等并且水位下降，那么开启一个泵机；如果水位偏低并且水位稳定，那么开启一个泵机；如果水位偏低并且涨水，那么开启两个泵机；如果水位偏高并且水位下降，那么开启两个泵机；如果水位中等并且水位稳定，那么开启两个泵机；如果水位非常高并且水位下降，那么开启两个泵机；如果水位中等并且涨水，那么开启三个泵机；如果水位非常高并且水位稳定，那么开启三个泵机；如果水位偏高并且涨水，那么开启三个泵机；如果水位偏高并且水位稳定，那么开启三个泵机；如果水位非常高并且涨水，那么开启机三个泵机。

表1 模糊控制表

上述十五种情况可归纳为表1。

模糊控制规则见图6，模糊规则浏览界面如图7所示。

图6 模糊控制规则

（2）模糊推理

经过计算之后得出结论，当水位达到0.9m，上涨速率为0.09cm/s时模糊控制器模糊推理结果为：

（3）解模糊

由模糊推理得到的输出量属于模糊量，需要通过解模糊方程得到一个精确值，此过程亦即解模糊。在本课题中，根据电排站的特性和控制要求，采用最大隶属度函数法解模糊，该方法简单实用，只需在推理结果的模糊集合里选出最大的一个元素作为输出即可。本系统采用最大隶属度函数法计算，当水位达到0.9m，上涨速率为0.09cm/s时，由（1）式得出的模糊控制器模糊推理结果得模糊控制器输出为：

综上所述，在液面水位达到0.9m、涨水速率为0.09cm/s时，模糊控制器输出的结果为，控制开启三个泵机。为了维持三相电动机功率为6kW，我们使用一个继电器开关控制。因为在最开始时，继电器保持接触反馈触点来启动设备，继电器松开触点来关闭设备。所以，该系统需要两个离散输出来控制泵机，此外，还需要为加热器提供两个输出端。但是如图2所示，图中的模块“ADAM-6024”不是两个输出端，因而需要进行适应性更改。Advantech公司开发的软件Adamview是一个相对老旧，需要用Modbus传输控制协议的服务器。它有自带的库文件。我们通过adamtcp.dll文件将硬件和软件协调起来。随着系统的不断更新，系统会随着模块数量的增加变得更快。

图7 模糊规则浏览界面

5 软件测试

总体上讲，蒙古第四热电厂的供水系统需要有两类控制回路——开环控制回路和闭环控制回路实现对供水系统的自动控制。对于开环控制回路，控制器的控制结果是生成独立的输出；对于中央供暖锅炉控制，只需设置一个定时器即可，这样可以控制加热持续一段时间而不必考虑建筑的温度。而对于闭环控制回路而言，控制器的控制作用主要取决于输出过程。由恒温器监控锅炉温度，反馈信号与设定温度相比较，判断是否为恒温，以确保控制器将建筑的温度控制在预设的温度。闭环控制器需要一个反馈回路将控制器产生的控制作用反馈给流程，输出结果。开环控制的实现可以示为一个数学公式，描述精确定义的系统输入和输出结果之间的关系。由于输送机系统需要以恒定速度运转，电机的负载可以控制恒压输送机以多大速度运转。因而，可通过调整负载来控制电机的电压，使输送机恒速运行。此种情况下，闭环控制系统是必不可少的。先通过液位传感器不断的采集液位值，然后作滤波处理。再将采样的液位值与上一次采的样值作比较，得到液位偏差量，将液位偏差量除以采样周期，得到液位偏差变化率。实现了上述数据处理之后，就可以进行模糊化。把采集液位值和液位偏差变化率根据隶属度函数转换为模糊集合。如图3所示，离散分级数越多，则分辨率越高，控制决策的结果就越平稳越精确。然而级数一般不宜过多，可根据实际工程需要确定分级数。根据电排站操作员的经验，可运用三角函数法将采集液位值细分成五个级别的离散值，液位偏差变化率细分成三个级别的离散值，而水泵开启台数细分成四个级别。

6 结语

本文提出了一种适用于蒙古第四热电厂的热电厂供水系统自动化的设计和实现方法。实现的该软件系统能完成更多模块的操作。与旧版本软件相比较，实现的监测系统效率更高、更安全可靠。

[1]Oikawa,T.，Tomizawa,M.，Degawa,S.New Monitoring System for Thermal Power Plants Using Digital Image Processing and Sound Analysis.Control Engineering Practice，1997，1，5（1）:75-78.

[2]S.Ignat,L.Stoian,R.Meza,E.Stancel,R.Balan Supervisory and Control System for Thermal Treating Processes，2006.IEEE

[3]Bong-Kuk Lee，Yong-Hak，Shin.The Integrated Monitoring and Control System for the Combined cycle Power Plant.International Conference on Control,Automation and Systems 2008 Oct.14-17,2008 in COEX,Seoul,Korea.

[4]张贻杰,杨泽桢,鲍猛,谈士力.高压供油系统测试设备设计与研究.工业控制计算机.2016.

[5]张霖.基于S7-300 PLC的煤层气发电生产过程监控系统的研究与设计.太原理工大学.2010.

[6]Wang,H.，Peng,M.-j.，Wu,P.，Cheng,S.-y.Improved Methods of Online Monitoring and Prediction in Condensate and Feed Water System of Nuclear Power Plant.Annals of Nuclear Energy，2016，4，90:44-53.

[7]孙永坚，司玉娟.基于无线传感器网络的智能家居远程监控系统研究与设计.吉林大学，电子与通信工程,2014硕士.

[8]王晓东,钱中阳.水泵测试台电控系统设计.工业控制计算机.2016.

Research on Automation Design Method of Power Plant Water Supply Control System

CELI Mu-ge，SHAO Jing-bo

（School of Computer Science and Information Engineering,Harbin Normal University，Harbin 150025）

Proposes a novel method for design automation of technical water supply system(TWSS).Based on fuzzy function and fuzzy reasoning, chooses thermal power plant No.4(TPP-4)in Mongolia,gives the fuzzy function for controlling the number of water pumps,and establishes related reasoning rules for the proposed surveillance system.According to the real situation for No.4 thermal power plant,partitions the total task for TPP-4 into 15 subtasks,and elaborates the detailed reasoning rules.The proposed algorithm is implemented by programmable logic controller(PLC).Experimental results on TPP-4 shows that the proposed approach acheives higher efficiency and realiability.

Thermal Power Plant№4（TPP-4）;Technical Water Supply System（TWSS）;Surveillance System;Fuzzy Functin;Programmable Logic Controller（PLC）

1007-1423（2017）01-0029-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.01.008

策里木格（1989-），男，蒙古人，硕士研究生，研究方向为计算机应用技术

邵晶波（1979-），女，黑龙江省宾县人，博士，硕士导师，副教授，研究方向为集成电路设计自动化

2016-11-08

2017-01-15

黑龙江省教育厅科技项目（No.12531183）