Анализ использования модального регулирования на водонасосных станциях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НА ВОДОНАСОСНЫХ СТАНЦИЯХ

А.Д. Лиходедов1, Н.Н. Портнягин2

1,2 Камчатский государственный технический университет, г. Петропавловск-Камчатский, 683003

1 e-mail: [email protected]

2 e-mail: pornic1@yandex. ru

В статье рассмотрено применение модального регулятора для автоматизации процесса регулирования скорости электропривода в сравнении с ПИД-регулятором. Предлагается применять автоматический регулятор, основанный на методах модальности и искусственного интеллекта для повышения надежности АСУ и снижения энергозатрат на городских водонапорных станциях.

Ключевые слова: ПИД-регулятор, модальный регулятор, электропривод, частотный преобразователь, нейросеть, нечеткая логика.

Analysis of using the modal regulation at water pumping stations. A.D. Lihodedov1, NN. Portnyagin2 (1, 2 Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)

In the article application of modal regulator for automation the process of adjusting the speed of the electric drive is considered by comparison to a PID-regulator. Encouraged to apply an automatic regulator, based on the methods of modality and artificial intelligence to improve the reliability of CAD and to reduce the energy consumption at the city water station.

Key words: PID-regulator, modal regulator, electric motor, frequency converter, neural network, fuzzy logic.

Введение

Автоматизация технологических процессов на основе микроэлектронной техники для развития и совершенствования существующих и создающихся производств является одним из важных направлений развития производства.

Внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) приобретает особое значение в связи с ростом требований к скорости вычисления, переработки и выдачи информации. Поэтому разработка и исследование структур и режимов функционирования АСУ ТП на основе микро-ЭВМ является актуальной задачей. Использование микро-ЭВМ позволяет на порядок снизить затраты, обеспечивает повышение эффективности и расширение функциональных возможностей.

Внедрение комплексной автоматизации является важнейшим средством дальнейшего технического прогресса в развитии систем водоснабжения. Достигнутые успехи в совершенствовании техники водоснабжения могут привести к высокой эффективности лишь при широком использовании современных методов и средств автоматизации технологических процессов.

В связи с постоянным развитием и совершенствованием инженерных систем все чаще возникает необходимость более качественного и оптимального управления ими. Этим и объясняется непрекращающийся рост автоматизации в водоснабжении.

Способы управления насосными агрегатами

Для обеспечения заданного режима работы насосной станции (НС) при изменении условий работы требуется производить регулирование режимов работы насосных установок. Эта задача может быть разделена на два направления: регулирование гидравлических режимов работы насосов и регулирование энергетической эффективности работы оборудования НС.

Для насосных установок центробежного типа применяют следующие способы регулирования подачи жидкости и давления:

- дросселирование трубопровода;

- перепуск части потока жидкости из выходного патрубка насоса во входной;

- отключение или подключение насосов (ступенчатое регулирование);

- изменение частоты вращения рабочего колеса насоса.

Дросселирование трубопровода является распространенным способом регулирования давления и подачи жидкости. Несмотря на простоту реализации данного способа регулирования он имеет ряд недостатков. Одним из них является снижение КПД НС.

Регулирование напора перепуском основано на отведении части потока жидкости с выхода насоса на его вход через отвод с задвижкой. При этом энергия, затрачиваемая на циркуляцию жидкости по холостому кругу, не создает полезной работы, что снижает КПД установки.

Ступенчатое регулирование подачи насосной станции осуществляется за счет подключения или отключения насоса или группы насосов. Данный способ вызывает частые пуски двигателей, что уменьшает срок работы оборудования и требует строительства промежуточного аккумулирующего резервуара для сглаживания колебаний подачи НС. Кроме того, электроприводы работают не в оптимальном режиме, что также снижает КПД всей НС.

Изменение частоты вращения рабочего колеса насосной установки позволяет осуществить непрерывное регулирование производительности НС с меньшими затратами энергии, чем в предыдущих вариантах. Однако оно требует больших затрат на регулирующее оборудование, особенно для установок с мощностью выше средней, и приводит к ухудшению электромагнитной совместимости с питающей сетью [1].

На рис. 1 приведен график зависимости мощности, потребляемой электродвигателем, от текущего водоразбора при дроссельном и частотном регулировании. При водоразборе, меньшем

О1, частотное регулирование, безусловно, выгодно.

Рис. 1. Потребление электроэнергии при дроссельном и частотном регулировании:

Р1 - расход энергии, потребляемой электродвигателем при дроссельном регулировании;

Р2 - расход энергии, потребляемой электродвигателем при частотном регулировании;

Р3 - экономия электроэнергии за счет внедрения частотного регулировании

По результатам исследований Фраунгоферского института (Fraunhofer Institut) потенциал экономии энергопотребления насосными системами составляет приблизительно 60%. Регулирующие системы, которые настраивают режим работы насоса на текущую необходимую мощность, могут исчерпать этот потенциал [2].

По сравнению с дросселированием при частотном регулировании (ЧР) производительности насосных станций достигается экономия электроэнергии до 50%. Для осуществления ЧР используются преобразователи частоты (ПЧ), которые автоматически изменяют частоту и напряжение питания электродвигателя насоса, в результате чего изменяется скорость вращения рабочего колеса и производительность насоса. Внедрение устройства частотного регулирования электроприводом позволяет точно управлять скоростью и моментом электродвигателя по заданным параметрам в точном соответствии с характером нагрузки. Попутно решается проблема гидравлических ударов: при работе преобразователя частоты пуск и останов насоса происходят плавно [3]. При помощи ПИД-регулятора преобразователь определяет необходимую выходную частоту питания электронасоса.

На рис. 2 изображена структурная схема водопроводной насосной станции (ВНС) и указано расположение используемых для автоматизации датчиков.

S1

дренажный приямок

Рис. 2. Структурная схема водопроводной насосной станции:

1 - напорный насос № 1; 2 - напорный насос № 2; 3 - напорный насос № 3; 4 - уровень воды в РЧВ; 5 - дренаж; 6 - давление в напорном коллекторе; 7 - расход в напорном коллекторе

Для осуществления автоматизации технологического процесса на ВНС предполагается установка датчиков: уровнемер - в резервуаре чистой воды (РЧВ); датчик давления и расходомер в напорном коллекторе.

Чтобы подать воду в кран потребителя, нужно создать необходимый напор (Н) на выходе насосной станции. Его величина складывается из двух составляющих:

- статической (Нс) - это разница абсолютных высот расположенного выше других потребителя и насосной станции, плюс необходимое давление у потребителя;

- динамической - необходимой для преодоления гидравлического сопротивления (обозначено как суммарный коэффициент потерь) системы трубопроводов току воды и зависящей от величины водоразбора (0.

Напор (Н) = статическая составляющая (Не) + динамическая составляющая (££ б2).

Статическую и динамическую составляющие можно рассчитать из показаний датчиков -уровнемера и расходомера - и в результате получить величину необходимого напора.

На рис. 3 изображена структурная схема системы автоматического регулирования напора воды в расходном баке с использованием ПИД-регулятора.

Рис. 3. Структурная схема системы автоматического регулирования напора воды в расходном баке:

ЧП - частотный преобразователь; АД - асинхронный двигатель; ТГ - тахогенератор;

ОУ- объект управления; Д - датчики

Объект управления имеет большое запаздывание во времени, поэтому целесообразно использовать модель системы подчиненного регулирования. Система содержит два контура отрицательной обратной связи (ООС) и два регулятора: подчиненный и командный, обеспечивает точность и непрерывность управления.

На вход системы подается уставка в виде сигнала напряжения, это постоянная величина,

характеризующая заданный напор. Сигнал уставки поступает либо от оператора, либо от системы управления более высокого уровня. По показаниям датчика расхода с использованием формулы расчета напора (1) определяется напор, который нужно создать в трубопроводе:

Ошибка рассогласования поступает на автоматическое управляющее устройство, преобразующее сигнал напряжения по принципу ПИД-регулятора (2):

х^) = Кпе^) + Кп \е(\)ё1 + Кл^^~. (2)

от

<о

Внутренний контур ООС оказывает упреждающее воздействие на объект управления. Функции подчиненного автоматического управляющего устройства выполняет частотный преобразователь. Он осуществляет частотное управление асинхронным электродвигателем и посредством изменения частоты вращения ротора исполнительного механизма регулирует создаваемый в трубопроводе напор и поддерживает уровень воды в резервуаре.

Частотный преобразователь и асинхронный двигатель охвачены цепью отрицательной обратной связи, в которую включен тахогенератор, выходное напряжение тахогенератора прямо пропорционально скорости вращения электродвигателя (3):

_ „ <Ид2

х, = К • со = К ■-------2-. (3)

2 ТГ ТГ 7. \^)

т

Данные о состоянии объекта управления поступают на автоматизированное рабочее место диспетчера (АРМД) для контроля и анализа.

Моделирование САР

Было произведено математическое моделирование системы автоматического регулирования (САР) в программе МА^АВ 7.2.0.232. Объекты и устройства, входящие в систему, были описаны передаточными функциями.

ПИД-регулятор обеспечивает управление АД средней и большой мощности в скользящем режиме; регулирование возможно в узких пределах скольжения sH < 5 < 5т.

Система была оптимизирована по времени регулирования. Она имеет запасы устойчивости по фазе 170 градусов на частоте 0,336 рад/с; по амплитуде 50,1 дБ на частоте 167 рад/с, перерегулирование переходного процесса 0%, статическую ошибку 0,01%.

На рис. 4 изображен переходный процесс системы, оптимизированной по времени регулирования с использованием ПИД-регулятора.

Time (sec)

Рис. 4. Переходный процесс системы с ПИД-регулятором

Время регулирования составило tper = 7,25 с. Минимально возможное время регулирования для САР с ПИД-регулятором при оптимальной настройке может быть не меньше 7 с [3].

На рис. 5 изображены ЛАФЧХ системы с ПИД-регулятором, определены запасы устойчивости.

Bode Diagram From: AIIFinalS/v'xodl (1) To: AIIFinal3rti=4m (1)

Frequency (rad/sec)

Рис. 5. ЛАФЧХ системы с ПИД-регулятором

Оптимизация управления группой насосов

Каждый насосный агрегат имеет свою фактическую расходно-напорную характеристику, каждой точке которой соответствует некоторое паспортное значение потребляемой мощности электродвигателя. Выбор комбинации работающих насосных агрегатов и способа регулирования определяет текущее значение потребляемой мощности по каждому агрегату и всей насосной станции в целом. Следовательно, критерием оптимизации является обеспечение заданного режима работы насосной станции по подачам и давлениям при минимально возможном расходе электроэнергии с учетом всех доступных способов регулирования.

Результатом решения задачи оптимизации в каждый конкретный момент времени является выработка рекомендации по осуществлению такого комплекса управляющих воздействий (включение/отключение агрегатов, изменение положения дросселирующего клапана, изменение частоты вращения электродвигателей), который переводит текущую рабочую точку совокупной характеристики насосной станции к значению, которому соответствуют минимально достижимая при этом потребляемая электрическая мощность приводов насосов.

Для управления группой насосов выпускают специализированные серии частотных преобразователей. Использование специализированных преобразователей значительно упрощает схему и технологию изготовления системы автоматики, снижает ее себестоимость и освобождает от необходимости написания программ для управляющих устройств других типов.

Однако системы автоматики многонасосных станций, построенные с использованием функций управления насосами специализированных преобразователей частоты, имеют ряд недостатков. Преобразователи позволяют настраивать некоторые параметры работы станции, например число насосов и выдержки времени перед переключениями, но сам алгоритм работы остается неизменным. Это делает невозможным совершенствование алгоритма и добавление новых функций.

Но главный недостаток использования специализированных ПЧ заключается в том, что преобразователи не сигнализируют об аварийном отключении насосов, работавших на момент аварии от преобразователя, и выводе их из автоматического режима. У преобразователей просто нет дополнительных выходных реле, с помощью которых они могли бы сигнализировать об аварии каждого насоса. Все реле, включая реле плат расширения, задействуются для управления коммутационными аппаратами. Общий сигнал аварии ПЧ не позволяет идентифицировать аварийный насос и снимается автоматически при подключении к преобразователю другого насоса. В результате может сложиться ситуация, когда авария насосов не будет вовремя обнаружена персоналом. Ситуация сохраняется даже при выходе из строя всех резервных насосов. Авария еще одного насоса приведет к полному прекращению водоснабжения или снижению его объемов с понижением давления сети.

При достижении выходной частотой преобразователя максимального или минимального значения и необходимости подключить или отключить дополнительный насос возникают зоны нестабильности.

Суммарная производительность работающих насосов до переключения может несколько отличаться от суммарной производительности после переключения из-за технологического разброса характеристик насосов и некоторого различия характеристик одного насоса при работе от сети и от ПЧ. Изменение производительности при стандартном алгоритме управления может оказаться достаточным для обратного переключения и возникновения автоколебательного процесса, сопровождающегося значительными колебаниями выходного давления. В большинство систем управления насосными станциями вводятся выдержки времени перед переключениями, что значительно снижает вероятность возникновения автоколебаний. Однако при работе станции на объемную трубопроводную систему и при использовании насосов большой мощности введение выдержек времени не всегда позволяет полностью погасить автоколебания [4].

Модальное управление

В сложных системах управления, когда необходимо обеспечить высокую точность регулирования, рекомендуется применять модальное управление [5-7]. Модальное управление обладает рядом достоинств:

- синтезированная модальная САУ не требует проверки на устойчивость (так как она заранее должна быть устойчивой и обладать требуемой степенью устойчивости);

- синтезированная модальная САУ не требует введения дополнительных корректирующих устройств (так как она сама уже удовлетворяет требуемым показателям качества);

- введение модальных ОС, в силу их безынерционности, не повышает порядок объекта и не нарушает его управляемость и наблюдаемость (что зачастую происходит при введении пассивных инерционных корректирующих устройств);

- относительная простота и экономичность технической реализации модальных САУ (так как реализация модальных ОС может быть выполнена с помощью маломощных измерительнопреобразовательных устройств и электронных усилителей с малыми тепловыми потерями).

На рис. 6 приведена классическая схема модального регулятора.

Суть модального управления состоит в определении численных значений коэффициентов передачи безынерционных ОС по всем переменным состояния объекта с целью обеспечения заданного распределения корней характеристического уравнения замкнутой САУ. Корни характеристического уравнения САУ полностью определяют ее свободное движение (4).

х(/) = г1е_й' + спе~Рг> + ... + Г 1е~Рп>. (4)

В системе автоматического регулирования напора воды в расходном баке, описанной выше, вместо ПИД-регулятора был использован модальный регулятор. В результате моделирования получен переходный процесс, изображенный на рис. 7. Время регулирования ^рег = 5,25 с.

Рис. 7. Переходный процесс системы с применением модального регулятора

Использование модального управления позволяет получить желаемую форму переходного процесса, обеспечить высокую точность регулирования. В то же время применение модального управления влечет за собой:

- жесткую привязанность параметров регулятора к параметрам системы и, как следствие, непредсказуемость работы системы управления при изменении параметров системы;

- неудовлетворительную работу системы управления при воздействии внешних возмущений;

- зачастую невозможность «наблюдения» всех координат системы.

Незначительное изменение параметров модального регулятора, построенного по классической схеме, приводит к изменению параметров переходного процесса.

Для ослабления влияния перечисленных недостатков модального регулятора предлагается применить нечеткую логику. В систему управления будет введена нейронная сеть, что повысит адаптивность системы управления. В этом случае малые отклонения параметров системы не будут приводить к изменению переходного процесса; также будут учтены недостатки специализированных частотных преобразователей.

Синтез систем модального управления базируется на корневых методах, а следовательно, качество переходных процессов определяется расположением корней характеристического полинома системы на комплексной плоскости. Модальный регулятор относится к полноразмерным (нередуцированным) линейным регуляторам состояния, то есть для выработки оптимального управления используется информация обо всех координатах управляемого объекта. Такой регулятор позволит экономить электроэнергию за счет оптимального управления как одним двигателем, так и системой, включающей два и более двигателей. Подобный подход приведет к снижению энергозатрат и эксплуатационных затрат на 10-15%. На рис. 8 приведена общая схема системы с нечетким модальным регулятором.

Рис. 8. Общий вид системы с нечетким модальным регулятором [8]:

«модель» - модель объекта управления; W(p) - передаточная функция объекта; НР - нечеткий регулятор;

НС - нейронная сеть; и - управляющее воздействие; е - ошибка регулирования; у - выход системы;

/ж - желаемая характеристика переходного процесса; 8 - ошибка регулирования;

- управляющее воздействие НР

Заключение

Использование нечеткого подхода при синтезе систем модального управления позволяет устранить слабые стороны модального управления. Наличие корректирующей нейронной сети в контуре нечеткого модального регулятора придает системе регулирования дополнительные адаптационные свойства, обеспечивающие получение желаемого переходного процесса, несмотря на изменения параметров системы.

Введение нечетко-модального регулятора позволит:

- экономить электроэнергию за счет оптимизации процесса управления двигателем;

- повысить надежностные, эксплуатационные характеристики системы;

- оптимизировать управление системы, состоящей из группы насосов;

- учесть и исключить недостатки использования специализированных частотных преобразователей и недостатки использования классической схемы модального регулятора.

Литература

1. Виноградов А.Б., Сибирцев А.Н., Колодин И.Ю. Автоматизация насосной станции с применением частотно-регулируемого электропривода // Силовая электроника. - 2006. - № 2.

2. Хусаинов Р.Г. Частотные преобразователи: критерии выбора // ТехСовет № 4(67)

27.04.2009.

3. http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/03_05/stat_114.htm

4. http://www.energoportal.ru/articles/avtomatika-mnogonasosnyh-stancij-povysheniya-davleniya-s-chastotnym-regulirovaniem- 1439.html

5. Проников А.С. Программный метод испытаний металлорежущих станков. - М.:

Машиностроение, 1985.

6. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. - М.: Машиностроение, 1976.

7. Постников Ю.В., Соколовский Г.Г. Автоматизированные системы управления

электроприводами с упругостью. - Л.: Ротапринт ЛЭТИ, 1990.

8. Косицын В.Г., Соловьев В.А. Синтез систем управления с нечетким модальным

регулятором // Интеллектуальные системы. - 2002. - № 2(4).

УДК 519.65