ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Гриценко Костянтин Григорович

УДК 681.513.2

АВТОМАТИЗОВАНЕ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧЕ УПРАВЛІННЯ

НАСОСНОЮ СТАНЦІЄЮ СИСТЕМИ ВОДОПОСТАЧАННЯ

05.13.07 — Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Комп‘ютеризовані системи управління” Сумського державного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Черв‘яков Володимир Дмитрович,

Сумський державний університет,

доцент кафедри “Комп‘ютеризовані системи

управління”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бойко Віталій Іванович,

Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри

“Автоматизація виробничих процесів”

доктор технічних наук, професор,

Каргін Анатолій Олексійович,

Донецький національний університет,

завідувач кафедри “Комп‘ютерні технології”

Провідна установа Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”,

кафедра системного аналізу та управління,

Міністерство освіти та науки України

(м. Харків)

Захист відбудеться “28” березня 2002р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.03 у Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корпус 1, ауд. 201.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корпус 2.

Автореферат розісланий “27” лютого 2002р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Мокрий Г.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Ак-ту-а-ль-ність те-ми. Системи водопостачання (СВ) відносяться до числа найбільш ресурсоємних технологічних об‘єктів в комунальному господарстві та промисловості. Найбільшою складовою ресурсоємності є енергоспоживання. Україна відноситься до енергодефіцитних країн. Тому економія електроенергії визнана найважливішим напрямком енергетичної політики в Україні. Розроблені комплексна державна і регіональні програми енергозбереження. Другою складовою ресурсоємності є витрата води, природні запаси якої обмежені. Третьою складовою являється дороге технологічне обладнання, особливо трубопровідні системи, строк служби якого залежить від частоти виникнення перевантажень. В світлі сказаного закономірно актуальною є науково-технічна проблема зниження енергоємності технологічного процесу водопостачання. Вирішенням цієї проблеми досягаються соціальні та економічні результати, що поліпшують умови життя людей, підвищують економічний потенціал держави, зменшують екологічний збиток. Зазначена проблема вирішується в основному двома шляхами. Перший з них полягає в застосуванні більш досконалого технологічного і електротехнічного обладнання, а другий — в розвитку систем автоматизації насосних станцій (НС) з метою вдосконалення процесів управління технологічним обладнанням і поліпшення за рахунок цього економічних показників функціонування СВ.

Актуальність теми дисертаційної роботи обумовлена гостротою проблеми енергозбереження в народному господарстві України і, зокрема, зазначеною вище актуальністю задач енергозбереження в СВ. Підставою для розробки теми являється недостатньо високий рівень автоматизації технологічних процесів у вітчизняних СВ, унаслідок чого не можуть успішно вирішуватися задачі енергозбереження. Зокрема, практично не використовуються інформаційні технології управління, застосуванню регульованого електропривода не приділяється достатньої уваги. Сучасний стан систем автоматизації процесів водопостачання в промислово розвинутих країнах характеризується традиційним підходом вирішувати задачі енергозбереження виключно засобами регульованого електропривода, коли всі насоси на НС обладнуються регульованим електроприводом. Проте останнє в більшості випадків є економічно недоцільним, бо суперечить принципу достатності. Загальні принципи побудови автоматизованих систем енергозберігаючого управління процесом водопостачання на основі нових інформаційних технологій управління в дійсний час не розроблені, кожний розробник систем автоматизації насосних станцій вирішує задачі енергозбереження виходячи з свого досвіду. Ці обставини розглядаються в якості вихідних даних для розробки теми. Необхідність проведення дослідження по темі дисертаційної роботи обгрунтовується значимістю науково-технічної проблеми та існуючим станом систем автоматизації.

Зв‘я-зок ро-бо-ти з на-у-ко-ви-ми про-гра-ма-ми, пла-на-ми, те-ма-ми. На-у-ко-во--до-с-лі-д-на ро-бо-та по те-мі ди-се-р-та-ції ви-ко-ну-ва-лась за планом науково-дослідних робіт Сумського державного університету в рамках “Ко-м-п-ле-к-с-ної дер-жа-в-ної про-гра-ми ене-р-го-з-бе-ре-жен-ня Укра-ї-ни”, за-твер-дже-ної По-ста-но-вою Ка-бі-не-ту Мі-ні-с-т-рів Укра-ї-ни від 5.02.1997р. №148, і “Про-г-ра-ми ене-р-го-з-бе-ре-жен-ня і ра-ці-о-на-ль-но-го ви-ко-ри-с-тан-ня па-ли-в-но--ене-р-ге-ти-ч-них ре-сур-сів в Сум-сь-кій об-ла-с-ті на най-бли-ж-чі ро-ки і пе-р-с-пе-к-ти-ву до 2010 ро-ку”, за-твер-дже-ної на-у-ко-во--ко-о-р-ди-на-цій-ною ра-дою з ене-р-го-з-бе-ре-жен-ня Сум-сь-кої об-ла-с-ної держ-ад-мі-ні-с-т-ра-ції, про-то-кол №11 від 28.10.1998 ро-ку.

Ме-та і за-да-чі до-слі-джен-ня. Метою дослідження є підвищення економічної ефективності функціонування систем водопостачання за рахунок застосування методів енергозберігаючого управління режимами роботи насосних станцій.

Згідно до мети і предмета дослідження загальна задача дисертаційної роботи полягає в розробці методів і алгоритмів енергозберігаючого управління режимом роботи насосної станції. Ідея роботи полягає в тому, щоб на основі розроблених топологічних і матричних моделей, критерію оптимальності вибору робочої технологічної схеми НC, узагальненого критерію ефективності управління насосною станцією, методів аналізу і синтезу структур управляючих систем запропонувати шляхи вдосконалення систем автоматизації НС, реалізація яких дозволила б знизити енергоємність процесу водопостачання.

Основні задачі, що визначаються метою дослідження і загальною задачею роботи:

розробка математичних моделей технологічної схеми НС, на основі яких можуть вирішуватися задачі енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання НС;

розробка методу енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання НС;

розробка методу формування технологічного завдання для НС за критерієм мінімізації втрат абонентів і СВ;

розробка методу координації режимів роботи регульованих насосних агрегатів насосної станції.

Об‘єкт дослідження — автоматизоване управління насосними станціями систем водопостачання.

Предмет дослідження — автоматизація процедур прийняття рішень і процесів управління режимами роботи насосних станцій з метою зниження енергоємності процесів водопостачання.

Ме-то-ди до-слі-джен-ня базуються на положеннях і методах те-о-рії гі-д-ра-в-лі-ч-них ме-реж, теорії гра-фів, те-о-рії ав-то-ма-ти-ч-но-го управління, теорії автоматизованого електропривода, методах оптимізації, лі-ній-но-го і нелінійного про-гра-му-ван-ня, методології об‘-єк-т-но-орі-є-н-то-ва-но-го про-грамування і імітаційного моделювання з використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. У ході вирішення поставлених задач були отримані наступні результати:

вперше розроблена топологічна модель технологічної схеми насосної станції в вигляді зв‘язного орієнтованого графа, структурними елементами котрого являються однотипні підграфи, якими моделюється насосне обладнання. Однотипність згаданих підграфів придає топологічній моделі властивість універсальності у застосуванні до будь-яких НС, завдяки чому ця модель може бути покладена в основу розробки автоматизованої системи управління (СУ) режимом роботи технологічного обладнання НС;

вперше розроблено метод енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання НС, що дозволяє за рахунок оптимального вибору робочої технологічної схеми НС виконати з мінімальними енерговитратами технологічне завдання по тиску і подачі на виході НС в умовах коливань водоспоживання абонентів;

дістало подальший розвиток метод формування технологічного завдання для НС на основі замовлень абонентів і статистичного аналізу відхилень водоспоживання від розрахункового, що дає можливість знизити втрати абонентів від невиконання заявлених вимог і СВ від перевитрати електроенергії;

вперше розроблено метод координації режимів роботи регульованих насосних агрегатів насосної станції, що дозволяє виконати технологічне завдання по заданому тиску на виході НС і мінімізувати витрати електроенергії в електроприводах регульованих насосних агрегатів.

До-стові-р-ність на-у-ко-вих результатів під-тве-р-джу-єть-ся коректним використанням математичного апарату, логічним аналізом і ре-зуль-та-та-ми імі-та-цій-ного моделювання на ЕОМ процедур прийняття рішень і процесів управління режимами роботи насосних станцій, апробацією роботи на наукових конференціях і підприємстві.

Прак-ти-ч-не значення одержаних ре-зуль-та-тів дисертаційної роботи полягає в тому, що:

розроблено алгоритм і програму побудови матричних моделей універсальної та реальної технологічних схем НС на основі їх топологічних моделей;

розроблено алгоритм і програмне забезпечення процедури прийняття рішення з оптимального вибору робочої технологічної схеми НС, що використовують розроблені матричні моделі технологічної схеми;

розроблено алгоритм і програму формування технологічного завдання для НС в умовах мінливого характеру водоспоживання абонентів, що базуються на пошуковій оптимізації з використанням відомої моделі сталого потокорозподілу в СВ, ітераційних процедурах гідравлічного розрахунку потокорозподілу і розробленій статистичній моделі функціонування СВ в попередній експлуатаційний період. Їх достоїнством є повноцінне врахування заявлених вимог абонентів і збитку СВ від перевитрати електроенергії;

розроблено функціональну структуру автоматизованої системи управління технологічним обладнанням НС, що складається з підсистем формування технологічного завдання для НС, прийняття рішення з оптимального вибору робочої технологічної схеми НС, регулювання тиску на виході НС і координації режимів роботи регульованих насосних агрегатів з метою максимізації поточного значення к.к.д. НС;

запропоновано метод вибору насосних агрегатів на діючих НС, обладнання яких регульованим електроприводом є вигідним, що базується на вирішенні задачі максимізації к.к.д. НС методом імітаційного моделювання.

Таким чином, одержані результати в їх сукупності дозволяють знизити енергоємність систем водопостачання засобами автоматизації. Алгоритми і програмне забезпечення процедур прийняття рішення з оптимального вибору робочої технологічної схеми, формування технологічного завдання для НС, координації режимів роботи регульованих насосних агрегатів з метою максимізації поточного значення к.к.д. НС, а також функціональна структура автоматизованої системи управління технологічним обладнанням НС можуть бути покладені в основу проектно-конструкторських розробок систем автоматизації НС.

Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Сумського державного університету. Це дало можливість підвищити рівень підготовки спеціалістів з вищою освітою в галузі енергозбереження. Одержані в роботі нові рішення прийнято до використання підприємством "Міськводоканал" м.Суми для управління насосними станціями.

Осо-би-с-тий вне-сок здо-бу-ва-ча. Всі результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно.

Ап-ро-ба-ція ре-зуль-та-тів ди-се-р-та-ці-ї. Основні ре-зуль-та-ти ди-се-р-та-цій-ної ро-бо-ти до-по-ві-да-лись і об-го-во-рю-ва-лись на 9 науково-технічних конференціях:

на 4-ій Між-на-ро-д-ній на-у-ко-во--те-х-ні-ч-ній кон-фе-ре-н-ції "Ко-н-т-роль і управ-лін-ня в тех-ні-ч-них си-с-те-мах", ВДТУ, м.Він-ни-ця, 1997р.;

на 6-ій Між-на-ро-д-ній на-у-ко-во--те-х-ні-ч-ній кон-фе-ре-н-ції "Про-бле-мы ав-то-ма-ти-зиро-ван-но-го эле-к-т-ро-п-ри-во-да. Те-о-рия и прак-ти-ка", ХДПУ, м.Харків, 1998р.;

на Між-на-ро-д-них кон-фе-ре-н-ціях з ма-те-ма-ти-ч-но-го мо-де-лю-ван-ня, ХДТУ, м.Хе-р-сон, 1998 і 2000р.;

на 4-му Між-на-ро-д-но-му мо-ло-ді-ж-но-му фо-ру-мі "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке", ХТУ-РЕ, м.Ха-р-ків, 2000р.;

на на-у-ко-во--те-х-ні-ч-них кон-фе-ре-н-ці-ях фі-зи-ко--те-х-ні-ч-но-го фа-ку-ль-те-ту Сум-сь-ко-го дер-жа-в-но-го уні-вер-си-те-ту, м.Су-ми, 1997, 1999-2001р.р.;

Доповідь на одній конференції опублікована в науковому журналі [5]. Доповіді на 4 конференціях опубліковано в збірках праць [6, 8-10]. Опубліковано також 5 тез доповідей [11-15].

Пу-б-лі-ка-ці-ї. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 15 наукових публікаціях, а саме: в 5 статтях у наукових журналах [1-5], 5 статтях в збірниках наукових праць [6-10] і 5 тезах доповідей [11-15]. Тези доповідей [12-15] не містять матеріалів, що відрізняються від наведених в статтях [1, 2, 4, 7, 9].

Стру-к-ту-ра та об-сяг ди-се-р-та-ці-ї. Ди-се-р-та-ція скла-да-єть-ся з всту-пу, чотирьох роз-ді-лів і ви-сно-в-ків, які включають 151 сто-рі-нку основного тексту, 28 ри-су-н-ків і 15 таб-лиць. Спи-со-к ви-ко-ри-с-та-них дже-рел із 117 на-ймену-вань і 9 до-да-т-ків становлять 60 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ до дисертації містить обгрунтування актуальності теми, характеристики об‘єкта, мети і предмета дослідження, опис основних наукових результатів дослідження, їх новизни, достовірності та практичної корисності, а також відомості про впровадження результатів і апробацію роботи.

В пер-шо-му роз-ді-лі на основі аналізу інформаційних джерел вводяться вихідні положення, обговорюються шляхи підвищення економічної ефективності функціонування систем водопостачання, обгрунтовується вибір предмету дослідження і формулюються задачі дослідження.

До числа вихідних положень відносяться наступні. Технологічна структура будь-якої СВ формується з трьох основних складових: насосні станції, магістральна гідромережа і абонентські гідромережі. Аналіз роботи систем комунального водопостачання дозволяє зробити висновок про те, що процеси управління в цих системах носять не тільки технологічний, але і організаційно-економічний характер. Розглянуто призначення, обладнання і технологічні задачі насосних станцій, які характеризують їх як технологічний об‘єкт управління. Задачі виконання замовлень абонентів і зниження енергоємності процесу водопостачання вирішуються диспетчерською службою СВ і СУ насосної станції. Отже вказані дві СУ можна розглядати як підсистеми в складі СУ технологічним обладнанням насосної станції, задачею якої є енергозберігаюче управління процесом водопостачання. Задача розробки такої СУ з очевидністю є актуальною.

В дійсний час сформувалося два незалежних напрямки в побудові систем автоматизації технологічного процесу водопостачання. Перший напрямок пов‘язаний з вирішенням задачі оптимального диспетчерського управління процесом водопостачання абонентських гідромереж населеного пункту в умовах детермінованого або стохастичного потокорозподілу. Цей напрямок відображений в публікаціях Григоровського Є.П., Євдокимова А.Г., Кулика Ю.В., Меренкова О.П., Михайленка В.М., Тевяшева А.Д. Другий напрямок пов‘язаний з вирішенням задач побудови автоматизованих СУ насосним обладнанням систем водопостачання. Він відображений в публікаціях Гінзбурга Я.М., Іл‘їнського М.Ф., Лезнова Б.С., Онищенка Г.Б., Хоружего П.Д., Чебанова В.Б.

З точки зору задач управління СВ відносяться до складних технічних систем, бо мають розгалужену технологічну структуру, зворотні зв‘язки з матеріального потоку та інформації, пов‘язані перехідні процеси, характеризуються великої розмірності векторами вхідних та вихідних змінних. За-га-ль-на за-да-ча енерго-збе-ре-жен-ня в СВ природним чином поділяється на дві са-мо-стій-ні за-да-чі: зна-хо-джен-ня оп-ти-ма-ль-ної кон-фі-гу-ра-ції ма-гі-с-т-ра-ль-ної та або-не-нт-сь-ких гі-д-ро-ме-реж в но-р-ма-ль-них ре-жи-мах ро-бо-ти СВ і в ава-рій-них си-ту-а-ці-ях та енергозберігаюче управління технологічним обладнанням НС. Аналіз відомих теоретичних положень і технічних рішень за публікаціями вищезгаданих авторів показує, що в дійсний час перша задача успішно вирішена. У зв‘язку з цим особливий на-у-ко-вий ін-те-рес ста-но-в-ить друга задача, яка в дійсний час недостатньо досліджена, існуючі рішення цієї задачі, застосовувані на практиці, не можуть вважатися задовільними. В задачі енергозберігаючого управління технологічним обладнанням НС виділено три самостійні задачі: формування технологічного завдання для НС за критерієм мінімізації втрат абонентів і СВ, відповідно від невиконання заявлених вимог і перевитрати електроенергії; прийняття рішення з оптимального вибору робочої технологічної схеми НС в умовах мінливого характеру водоспоживання абонентів; координація режимів роботи регульованих насосних агрегатів з метою максимізації поточного значення к.к.д НС.

Викладене вище визначило зміст досліджень, указаний в задачах досліджень.

Дру-гий роз-діл при-свя-че-ний про-бле-мам роз-ро-б-ки ком-п‘ю-те-р-ної тех-но-ло-гії енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання НС на основі спеціальних топологічної та матричних моделей технологічної схеми НС в умовах нестабільності водоспоживання абонентів, з врахуванням роботоспроможності елементів технологічного обладнання і їх технічних характеристик.

Для ефективного вирішення задач енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання НС засобами комп‘ютерної техніки необхідна наявність математичної мо-делі технологічної схеми, універсальної для будь-яких НС. Ана-ліз технологічних схем іс-ну-ю-чих НС (ри-с-а) дозво-ляє по-ба-чи-ти в них пе-в-ну ре-гу-ля-р-ність стру-к-ту-ри (мо-ж-ли-вість по-ді-лу технологічної

Рис.1. Технологічна схема Тополянської насосної станції другого

підйому комунального водопостачання м.Суми

схеми будь--якої НС на ста-н-да-р-т-ні бло-ки за кі-ль-кі-с-тю насосних агрегатів). То-му в яко-с-ті мо-де-лі технологічної схеми НС до-ці-ль-но ви-ко-ри-с-то-ву-ва-ти розроблену ре-гу-ля-р-ну технологічну схему [1]. Вона створює зручності при розробці алгоритмічного і програмного забезпечення, орієнтованого на цю модельну технологічну схему, бо поглинає існуючі технологічні схеми НС, як кільцеві так і розімкнені. Реальна технологічна схема будь-якої насосної станції утворюється з універсальної технологічної схеми шляхом видалення надлишкових елементів [2].

Топологічна мо-дель технологічної схеми НС представляється в ви-гля-ді зв‘я-з-но-го орі-є-н-то-ва-но-го гра-фа (рис.1б). Ду-ги орі-є-н-то-ва-но-го гра-фа (орг-ра-фа) орі-є-н-то-ва-ні за на-пря-м-ком ру-ху по-то-ків во-ди. Во-ни від-по-ві-да-ють тру-бо-про-во-дам, з'єд-ну-ю-чим клю-чо-ві то-ч-ки технологічної схеми, до яких від-но-сять-ся дже-ре-ла і при-йма-чі во-ди, на-со-с-ні аг-ре-га-ти (НА) і мі-с-ця роз-га-лу-жен-ня тру-бо-про-во-дів. Зу-стрі-ч-но--па-ра-ле-ль-ні ду-ги орг-ра-фа (рис.1б) по-ка-за-ні в ви-гля-ді не-орі-є-н-то-ва-них ре-бер. Орг-раф регулярної технологічної схеми (регулярний орграф) пред-ста-в-ля-єть-ся бло-ко-вою ма-т-ри-цею су-мі-ж-но-с-ті роз-мі-ру nn, де n — кі-ль-кість ста-н-да-р-т-них на-со-с-них бло-ків. Блокова матриця суміжності орграфа реально існуючої технологічної схеми утворюється після модифікації блокової матриці суміжності регулярного орграфа, що відповідає відсіканню надлишкових вершин і дуг регулярного орграфа. Складання топологічної моделі реальної технологічної схеми необхідно для побудови матричних моделей, а останні використовуються в комп‘ютерних технологіях прийняття оптимальних рішень. Розроблено метод побудови матричних моделей регулярної та реальної технологічних схем НС на основі їх топологічних моделей [8].

На НС си-с-тем во-до-по-ста-чан-ня насосні агрегати пра-цю-ють па-ра-ле-ль-но на спі-ль-ний ко-ле-к-тор, причо-му за-га-ль-на по-да-ча НС до-рі-в-нює су-мі по-дач окре-мих насосних агрегатів. Показано, що для мінімізації енерговитрат в робочу технологічну схему потрібно включати як регульовані так і нерегульовані насосні агрегати, бо відсутність регульованих насосних агрегатів не дозволяє виконати технологічне завдання з мінімальними енерговитратами при відхиленнях водоспоживання абонентів від заявленого, а застосування тільки регульованих насосних агрегатів, з порушенням принципу достатності, призводить до невиправдано високих капітальних витрат.

СУ верхнього рівня ієрархії (ди-с-пе-т-чер-сь-ка слу-ж-ба СВ) об-чи-с-лює зна-чен-ня тех-но-ло-гі-ч-них па-ра-ме-т-рів, які по-ви-нна за-без-пе-чи-ти НС. До них доцільно від-нести зна-чен-ня ти-с-ку на виході НС Hз і по-да-чі НС Qз , а та-кож мо-ж-ли-ві від-хи-лен-ня Q— и Q+ по-да-чі НС, від-по-ві-д-но вниз и вверх від зна-чен-ня Qз. Ці від-хи-лен-ня ха-ра-к-те-ри-зу-ють ко-ли-ван-ня ви-тра-ти у спо-жи-ва-чів. Для їх обчислення в базі даних диспетчерської служби повинна утримуватись статистична модель функціонування СВ у попередній експлуатаційний період у вигляді інформації про відхилення фактичної подачі НС від заданої [3]. Це дозволяє НС своєчасно і з мінімальними енерговитратами реагувати на зміни режиму роботи СВ за рахунок правильного вибору робочої технологічної схеми НС.

Відомий критерій максимізації поточного значення к.к.д. НС дозволяє виконувати оптимальний вибір робочої технологічної схеми НС тільки для заданих фіксованих значень як тиску так і подачі в вихідному колекторі НС, тому має обмежене використання. Розроблено новий критерій оптимальності вибору робочої технологічної схеми, що враховує нестабільний характер водоспоживання абонентів і більш придатний для енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання в умовах коливань потрібного значення подачі НС [5]. Підсистема прийняття рішення з оптимального вибору робочої технологічної схеми при змі-ні технологічного завдання приймає рішення за розробленим критерієм мі-ні-мі-за-ції ви-ко-ри-с-то-ву-ва-ної в про-це-сі водопостачання вста-но-в-ле-ної по-ту-ж-но-с-ті на-со-с-но-го обла-д-нан-ня

, (1)

де

при дотриманні технологічних обмежень

(2)

(3)

де і —-р-озр-ах-ункові з-н-ач-ен-ня-відп-ов-і-дно не-ре-гул-ьо-ваної -і максималь-но--до-сяжної рег-ул-ьо-в-ан-ої-подач-і Н-С; Qi — подача i-го насоса; , — відповідно номінальне і фактичне значення швидкості обертання i-го насоса; — к.к.д. відповідно електродвигуна і перетворювального пристрою i-го насосного агрегата; Pi — споживана i-м насосним агрегатом потужність. B0i , B1i та B2i — коефіцієнти Q-N характеристики i-го насоса (N — споживана насосом потужність). Вони періодично оцінюються за методом найменших квадратів, бо відцентрові насоси для уточнення їх характеристик необхідно випробовувати в експлуатаційних умовах не менш ніж один раз на рік. Обмеженням )-регла-ме-нт-ує-ть-ся сп-ром-ожніс-ть- Н-С п-овн-істю з-ад-ово-льнит-и -пот-реби водо-пос-та-чання.-Ви-конання -о-бм-еж-ен-ня (3) -за-безпечу-є--мо-жли-вість мак-симальної-е-ко-ном-ії ел-ек-троенергії- при -ре-г-улюванні-п-о-дачі НС. Формули (1)-(3) справедливі як для детермінованого, так і для мінливого характеру водоспоживання абонентів, що дозволяє вважати запропонований критерій оптимальності універсальним.

Розроблено алгоритм енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання НС за розглянутим критерієм оптимальності з використанням розроблених математичних моделей технологічної схеми НС і методів нелінійного програмування [3]. На цій основі створено програму-порадника для підтримки прийняття рішень з енергозберігаючого управління режимами роботи технологічного обладнання діючих НС [5].

В тр-еть-ому ро-зд-ілі ро-згл-ян-уто п-ита-ння розробки раціональної стратегії управління режимом роботи насосної станції на основі узагальненого критерію ефективності, що враховує втрати абонентів від недотримання заявлених вимог і збиток СВ від перевитрати електроенергії внаслідок надлишкових тисків в контрольних точках, координації режимів роботи регульованих насосних агрегатів з метою максимізації поточного значення к.к.д. НС, побудови функціональної структури автоматизованої СУ насосної станції, яка здійснює процес енергозберігаючого управління технологічним обладнанням.

Ефективність управління НС можна охарактеризувати одним із основних показників оцінки діяльності підприємства, що експлуатує НС, — прибутком. Максимальне зростання прибутку, пов‘язане з ефективністю процесу управління водопостачанням, відповідає такій стратегії управління, при якій виконуються вимоги абонентів і є мінімальними сумарні затрати СВ. Тому управляти НС необхідно за узагальненим критерієм ефективності [4], який враховує як втрати абонентів від зниження тиску в контрольних точках, так і збиток СВ, викликаний перевитратою електроенергії внаслідок надмірних тисків в контрольних точках:

, (4)

де Ci — договірна вартість води для i-го абонента; Qi і Qзi — відповідно фактична і заявлена витрата води у i-го абонента; Qв — втрати води через нещільності в з‘єднаннях трубопровідної арматури (10-15% від загальної подачі НС); E — додаткові витрати електроенергії, які мають місце при нескоординованому управлінні регульованими насосними агрегатами, внаслідок чого знижується к.к.д. НС; і — відповідно фактичне і замовлене значення тиску в контрольній точці i-го абонента. Штрафний коефіцієнт i визначається наступним чином

де — договірний штраф за зниження тиску в контрольній точці i-го абонента; — коефіцієнт збитку, який наноситься СВ перевитратою електроенергії і втратами води, а також додатковими витратами на ремонт трубопроводів.

Значення функції (4) характеризує якість управління режимом роботи НС в кожний момент часу. Ця функція максимально враховує всі сторони ефективності функціонування СВ. Аналіз функції (4) показує, що реально вплинути на величину F1 можна лише за рахунок зміни другої та останньої складової, які в першу чергу залежать від правильного вибору робочої технологічної схеми НС. Таким чином, задача енергозберігаючого управління режимом роботи НС полягає в мінімізації функції якості

(5)

при дотриманні системи обмежень на технологічні параметри, що характеризують стан елементів СВ,

(6)

де і — границі припустимих значень тиску в контрольній точці i-го абонента, установлені на договірних умовах; , — границі припустимих значень подачі j-ої НС; , — границі припустимих значень тиску j-ої НС; N і N1 — відповідно, кількість абонентів і насосних станцій в системі водопостачання.

Врахувавши обмеження (6) за допомогою метода штрафних функцій, отримуємо такий вигляд цільової функції

, (7)

де і — вагові коефіцієнти; і — накладені за формулою (6) обмеження. Задача мінімізації функції (7) еквівалентна задачі мінімізації функції (5) при дотриманні обмежень (6). Значення вагових коефіцієнтів приймаються достатньо великими, тому значення цільової функції (7) сильно залежать від порушення обмежень (6). Мінімізація функції (7) насамперед призводить до мінімізації штрафу, тобто до виконання обмежень (6), а потім до мінімізації початкової функції (5).

Управляючим впливом є тиск на виході НС. Аналіз функції якості (7) показує, що вона не є гладкою і має один екстремум. Тому в процедурі формування оптимального технологічного завдання для НС застосовано метод пошукової оптимізації на базі гідравлічного розрахунку, що дозволяє визначати параметри потокорозподілу в СВ і є основою ітераційного процесу оптимізації. Наведено модель сталого потокорозподілу в гідромережі з зосередженими параметрами і алгоритм формування технологічного завдання для НС.

Для ефективного вирішення задачі мінімізації останньої складової в формулі (4) розроблена комп‘ютеризована підсистема координації режимів роботи регульованих насосних агрегатів, метою якої є максимізація поточного значення к.к.д. НС [11]. Поточне значення к.к.д. НС з паралельно працюючими насосними агрегатами обчислюється за такою формулою:

,

де — щільність рідини; g — прискорення вільного падіння; H=Hнс і — відповідно, тиск і подача НС (при паралельній роботі насосні агрегати розвивають однаковий тиск); m — кількість працюючих в поточний час регульованих насосних агрегатів; n — загальна кількість працюючих в поточний час насосних агрегатів; , , та ,,— подача, споживана потужність і к.к.д., відповідно i-го регульованого та j-го нерегульованого насосного агрегата; — швидкість обертання i-го регульованого насосного агрегата. Загальна подача НС дорівнює сумарній подачі груп регульованих і нерегульованих насосних агрегатів.

У відповідності з технологічним завданням в кожний момент часу НС повинна забезпечувати задану величину тиску Hнс і подачу , що визначається водоспоживанням. В групі працюючих в поточний час регульованих насосних агрегатів можна виділити насосні агрегати з однаковими і різними робочими характеристиками. Задану величину тиску Hнс на виході НС технологічно доцільно підтримувати за рахунок безупинної синхронної зміни швидкості обертання регульованих насосних агрегатів з однаковими робочими характеристиками згідно ПІ- чи ПІД-закону регулювання. Внаслідок цього робочі характеристики цих насосних агрегатів (подача, тиск, к.к.д. і споживана потужність) змінюються однаково. Дискретно в часі (при зміні подачі НС на задану величину) необхідно координувати швидкості обертання інших регульованих насосних агрегатів з метою оптимізації . Доказано, що ця задача зводиться до задачі мінімізації цільової функції наступного вигляду:

, (8)

де

при обмеженнях ; ,

де — к.к.д. i-го регульованого насосного агрегату; та — границі припустимих значень швидкості обертання i-го регульованого насосного агрегату; Qнс — поточна подача НС; Hi — тиск i-го насосного агрегата; A0i , A1i та A2i — коефіцієнти Q-H характеристики i-го насоса. В результаті вирішення цієї задачі, яка є задачею нелінійного програмування, стають відомими оптимальні значення швидкості обертання регульованих насосних агрегатів з різними характеристиками. Експериментальні дослідження на ЕОМ шляхом повного перебору на сітці для двох і більше насосних агрегатів в межах області обмежень показали, що функція (8) має один екстремум, а швидкості однотипних регульованих насосних агрегатів доцільно змінювати синхронно. Групу однотипних насосних агрегатів можна представити в вигляді еквівалентного регульованого насосного агрегату. Показано, що для двох груп однотипних насосних агрегатів мінімізація функції (8) легко здійснюється методом золотого перерізу.

Розроблено функціональну структуру автоматизованої системи управління технологічним обладнанням НС, що включає три рівня, які утворені комп‘ютеризованими підсистемами формування технологічного завдання для НС, енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання НС і управління регульованими насосними агрегатами. Перша підсистема входить до складу диспетчерської служби СВ, а останні — комп‘ютеризованої СУ насосної станції [6]. Раціональна стратегія управління процесом водопостачання полягає в наступному [10]. Комп‘ютеризована підсистема формування технологічного завдання для НС дискретно в часі (при істотній зміні водоспоживання) вирішує задачу мінімізації функції (7) на базі гідравлічного розрахунку потокорозподілу в СВ. В результаті стають відомими значення ти-с-ку Hз і по-да-чі Qз , які доповнюються статистичними даними про мо-ж-ли-ві від-хи-лен-ня Q— і Q+ по-да-чі НС від значення Qз . Комп‘ютеризована СУ насосної станції, а саме підсистема енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання НС, до складу якої входить підсистема прийняття рішення з оптимального вибору робочої технологічної схеми НС, отримує технологічне завдання і виконує вибір та включення в роботу технологічного обладнання. При цьому мінімізується потужність насосного обладнання, яка використовується для виконання поточного технологічного завдання. Технологічну задачу регулювання тиску на виході НС при коливаннях водоспоживання здійснює ПІ-регулятор тиску, що синхронно змінює швидкість обертання регульованих насосних агрегатів з однаковими характеристиками. Плавний розгін забезпечує задавач інтенсивності. Підсистема координації режимів роботи регульованих насосних агрегатів періодично (при зміні подачі НС на задану величину) виконує задачу мінімізації функції (8) і коректує швидкості обертання регульованих насосних агрегатів з різними характеристиками. Таким чином здійснюється оптимальний розподіл продуктивності між насосними агрегатами і стабілізується тиск на виході НС у відповідності з технологічним завданням.

На ос-но-ві ана-лі-зу та уза-галь-нен-ня тех-но-ло-гі-ч-них фу-н-к-цій, ви-ко-ну-ва-них НС во-до-по-ста-чан-ня, і про-це-дур управ-лін-ня ци-ми НС на вер-х-ньо-му і під-по-ряд-ко-ва-них йо-му рі-в-нях іє-ра-р-хії розроблено методологічну базу, на основі якої доцільно виконувати проектно-конструкторські розробки комп‘ютеризованих СУ для нових і реконструйованих НС, за-до-во-ль-ня-ю-чих сучасним тех-ні-ч-ним ви-мо-гам у від-но-шен-ні рі-в-ня ав-то-ма-ти-за-ції НС [9]. Методологічна база представляється структурною схемою комп‘ютеризованої СУ насосної станції (рис.2),

Рис.2. Структурна схема комп‘ютеризованої СУ насосної станції

що узгоджена за принципами трьохрівневого управління технологічним обладнанням і придатна для реалізації в будь-яких НС систем водопостачання, та алгоритмічним забезпеченням цієї СУ. В роботі наведена структура алгоритмічного забезпечення комп‘ютеризованої СУ і правила координації окремих його модулів.

В четвертому роз-ді-лі роз-гля-ну-то питання, пов‘язані з доказом практичної застосовності і ефективності запропонованих в розділах 2 і 3 розробок.

В дійсний час задачі автоматизованого управління технологічним обладнанням НС в світі вирішуються засобами промислових комп‘ютерів і програмованих контролерів. Для практичної реалізації автоматизованої СУ технологічним обладнанням НС вироблено рекомендації з вибору сучасних технічних засобів автоматизації світового виробника “Groupe Schneider”, що добре зарекомендував себе в умовах України.

Розглянуто приклади побудови топологічних та матричних моделей технологічних схем і практичного застосування програми-порадника для підтримки прийняття рішень з енергозберігаючого управління режимами роботи технологічного обладнання діючих НС, які підтверджують роботоспроможність цієї програми в реальних умовах. Отримано супутній результат в вигляді методу вирішення задач вибору нерегульованих насосних агрегатів діючих НС, обладнання яких регульованим електроприводом є вигідним, і складання графіку включення насосних агрегатів на діючих НС у відповідності з графіком водоспоживання [7]. Метод заснований на проведенні та обробці результатів імітаційних експериментів на ЕОМ. Приведено приклади вирішення цих задач для реальних діючих НС.

Показано, що аналіз ефективності та практичного застосування розроблених процедур формування технологічного завдання для НС і оптимального вибору робочої технологічної схеми НС може бути проведений шляхом імітаційного моделювання на ЕОМ. Розроблено методику проведення імітаційних експериментів [5]. Наведено приклад імітаційного моделювання процесу послідовного виконання вказаних процедур. Результати імітаційного моделювання підтверджують, що енергоємність процесу водопостачання при використанні запропонованих методів формування технологічного завдання для НС і управління режимом роботи технологічного обладнанння НС нижче, чим при традиційних способах управління технологічним обладнанням НС.

В додатках наведено характеристики насосно-силового обладнання діючих НС, листинги розроблених програм, довідки про впровадження результатів роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної наукової задачі, що виявляється в розробці методів і алгоритмів автоматизованого енергозберігаючого управління режимом роботи насосної станції. Аналіз отриманих результатів дає підстави зробити такі висновки.

1. На підставі аналізу існуючих розробок у галузі автоматизованого управління насосними станціями систем водопостачання визначено необхідність розробки нових принципів формування технологічного завдання для НС, прийняття рішення з вибору робочої технологічної схеми НС в виробничих умовах і управління регульованими насосними агрегатами.

2. Вперше розроблено топологічну і матричні моделі технологічної схеми НС, що дозволяють закласти в програмне забезпечення, створене з орієнтацією на універсальну технологічну схему НС, процедури оптимізації шляхів помпування і раціонального використання технологічного обладнання НС.

3. Вперше розроблено метод енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання НС, його алгоритмічне та програмне забезпечення, що дозволяє виконати з мінімальними енерговитратами технологічне завдання по тиску і подачі на виході НС в умовах коливань водоспоживання абонентів і може використовуватися операторами НС або безпосередньо в СУ автоматичних НС.

4. Розроблено метод формування технологічного завдання для НС за узагальненим критерієм ефективності, що максимально враховує втрати абонентів від недотримання заявлених вимог та СВ від перевитрати електроенергії і є одним із шляхів вирішення задачі енергозбереження в процесі управління технологічним обладнанням НС.

5. Вперше розроблена комп‘ютерна технологія управління регульованими насосними агрегатами насосної станції, яка забезпечує оптимальний розподіл продуктивності між ними за рахунок координації режимів роботи регульованих насосних агрегатів при коливаннях водоспоживання.

6. Достовірність наукових положень і результатів дослідження обгрунтована імітаційним моделюванням на ЕОМ процедур прийняття рішень і процесів управління режимами роботи насосних станцій.

7. Перспективність практичного застосування розроблених математичних моделей, процедур прийняття рішень і методів автоматизованого енергозберігаючого управління режимом роботи НС, функціональної структури автоматизованої СУ технологічним обладнанням НС підтверджена результатами імітаційного моделювання діючих НС. Одержані в роботі нові рішення прийнято до використання підприємством "Міськводоканал" м.Суми для управління насосними станціями.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Червяков В.Д., Гриценко К.Г., Клищенко В.А. Использование регулярной технологической схемы при построении универсальной системы энергосберегающего управления коммунальными насосными станциями // Вісник Сумського державного університету. — 1997. — № 2. — С.121-124.

2. Гриценко К.Г., Толбатов В.А., Червяков В.Д. Универсальная модель технологической схемы насосной станции // Проблемы управления и информатики. — 1998. — № 4. — С.106-111.

3. Червяков В.Д., Гриценко К.Г. Алгоритмизация процедуры оптимальной компоновки технологической схемы насосной станции // Вісник Сумського державного університету. — 1998. — №1. — С.106-110.

4. Гриценко К.Г. О выборе экономического критерия управления системой водоснабжения // Вісник Сумського державного університету. - 1999. - № 1. - С.94-96.

5. Гриценко К.Г. Имитационная модель системы ресурсосберегающего управления водоснабжением территориальной зоны // Вестник Херсонского государственного технического университета. — 2000. — №2. — С.91-94.

6. Тысивский И.В., Гриценко К.Г., Червяков В.Д. Ресурсосберегающее управление электроприводами насосов системы коммунального водоснабжения // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Вестник ХГПУ. Специальный выпуск. - Харьков: ХГПУ, 1998. - C.237-238.

7. Гриценко К.Г. Способ решения задачи реконструкции электроприводов насосов насосной станции с использованием имитационной модели // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. — Кременчуг: КГПУ, 2000. — Вып. 2. — С.10-16.

8. Гриценко К.Г., Червяков В.Д. Структурно-матричная модель технологической схемы насосной станции и ее применение в задачах оптимальной компоновки // Физико-технические и технологические приложения математического моделирования. Сб. науч. тр. / НАН Украины. Ин-т математики. — Киев, 1998. — C.71-74.

9. Гриценко К.Г., Червяков В.Д. Структурно-алгоритмический базис мультипроцессорной системы управления насосной станцией коммунального водоснабжения // Контроль і управління в технічних системах (КУТС-97). Том 3: [Праці конф.]. - Вiнниця: "УНIВЕРСУМ-Вiнниця", 1997. - С.123-129.

10. Гриценко К.Г. Ресурсосберегающее управление в системе территориально-зонированного водоснабжения // 4-й Международный молодежный форум "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке"; научные труды. — Харьков: ХТУРЭ, 2000. — С.18-19.

11. Гриценко К.Г. Оптимальная стратегия управления группой регулируемых насосных агрегатов насосной станции // Тезисы докладов научно-техни-ческой конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов физико-технического факультета СумГУ. - Сумы: СумГУ, 2001. - С.111-112.

12. Гриценко К.Г., Червяков В.Д., Клищенко В.А. Концептуальная структура объектно-ориентированной системы управления автоматической насосной станцией // Тезисы докладов научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов физико-технического факультета СумГУ. — Сумы: СумГУ, 1997. — С.69.

13. Гриценко К.Г., Червяков В.Д., Клищенко В.А. Программные возможности построения универсальной модели технологической схемы коммунальной насосной станции // Тезисы докладов научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов физико-технического факультета СумГУ. — Сумы: СумГУ, 1997. — С.70.

14. Гриценко К.Г. Организация процессов адаптивного управления системой водоснабжения по экономическому критерию оптимальности // Тезисы докладов научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов физико-технического факультета СумГУ. Сумы: СумГУ, 1999. — С.90-91.

15. Гриценко К.Г. Имитационная модель системы адаптивной компоновки технологической схемы насосной станции // Тезисы докладов научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов физико-технического факультета СумГУ. — Сумы: СумГУ, 2000. — С.116.

В публікаціях, написаних у співавторстві, автором: [1] — розроблена універсальна модель технологічної схеми НС; [2] — розроблено топологічний та матричний описи універсальної моделі технологічної схеми НС; [3] — розроблено алгоритм оптимального за енергоємністю вибору робочої технологічної схеми НС; [6] — розроблено функціональну схему автоматизованої системи управління технологічним обладнанням НС; [8] — розроблено методи побудови матричних моделей регулярної та реальної технологічних схем НС на основі їх топологічних моделей і метод вибору оптимальних шляхів помпування; [9] — приведено опис принципів функціонування комп‘ютеризованої СУ насосної станції і алгоритм управління НС, що являється в сукупності зі структурною схемою СУ насосної станції методологічною основою для розробки комп‘ютеризованих СУ, які задовольняють сучасним технічним вимогам у відношенні рівня автоматизації НС; [12] — запропоновано структурну схему СУ насосної станції; [13] — запропоновано топологічний опис універсальної моделі технологічної схеми НС.

АНО-ТА-ЦІЯ

Гри-це-н-ко К.Г. Автоматизоване енерго-збе-рі-га-ю-че управ-лін-ня насосною станцією системи водопостачання. — Ру-ко-пис.

Ди-се-р-та-ція на здо-бут-тя на-у-ко-во-го сту-пе-ня ка-н-ди-да-та тех-ні-ч-них на-ук за спе-ці-а-ль-ні-с-тю 05.13.07 - ав-то-ма-ти-за-ція тех-но-ло-гі-ч-них про-це-сів. — До-не-ць-кий національний тех-ні-ч-ний уні-вер-си-тет, До-нецьк, 2002.

Ди-се-р-та-цію при-свя-че-но розробці методів і алгоритмів автоматизованого енегозберігаючого управління режимом роботи насосної станції. За-да-чу енергозберігаючого управ-лін-ня режимом роботи насосної станції в системі водопостачання вирішено за техніко-еко-но-мі-ч-ни-м кри-те-рієм ефективності, що повноцінно враховує економічні інтереси як абонентів так і системи водопостачання. Роз-ро-б-ле-но методи формування оптимального технологічного завдання для насосної станції, енергозберігаючого управління режимом роботи технологічного обладнання, координації режимів роботи регульованих насосних агрегатів насосної станції, їх алгоритмічне і програмне забезпечення, функціональну структуру автоматизованої системи управління насосної станції.

Клю-чо-ві сло-ва: на-со-с-на ста-н-ція, режим роботи, ефективність, енергозберігаюче управління, автоматизована система управління.

АННОТАЦИЯ

Гриценко К.Г. Автоматизированное энергосберегающее управление насосной станцией системы водоснабжения. — Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация технологических процессов. — Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2002.

Диссертация посвящена разработке методов и алгоритмов автоматизированного энергосберегающего управления режимом работы насосной станции (НС). Определены такие три взаимосвязанные задачи энергосберегающего управления технологическим оборудованием НС: формирование оптимального технологического задания для НС, принятие решения по оптимальному выбору рабочей технологической схемы НС в условиях изменяющегося характера водопотребления абонентов и координация режимов работы регулируемых насосных агрегатов с целью максимизации текущего значения к.п.д. НС. Указанные задачи решаются компьютеризованными подсистемами, входящими в состав автоматизированной системы управления (СУ) насосной станции. Определены критерии оптимальности управления для этих подсистем и ограничения задач оптимизации на технологические параметры.

Разработаны универсальная технологическая схема НС, ее топологическое и матричное описания, обеспечивающие представление технологической схемы любой НС в виде, удобном для решения средствами компьютерной техники задач оптимизации путей перекачки воды с позиций рационального использования технологического оборудования НС.

Показано, что энергосберегающий режим работы НС в целом достигается включением в ее технологическую схему насосных агрегатов, оснащенных регулируемым электроприводом. Разработана процедура принятия решения по оптимальному выбору рабочей технологической схемы в условиях нестабильности водопотребления абонентов, представленная соответствующим алгоритмом и его программным обеспечением.

Сформулированы обобщенный критерий эффективности управления насосной станцией, максимально учитывающий потери абонентов от несоблюдения заявленных требований и системы водоснабжения от перерасхода электроэнергии, задача энергосберегающего управления НС в системе водоснабжения и система ограничений на технологические параметры. На основе модели установившегося потокораспределения в гидросети, итерационных процедур гидравлического