Минимизация энергозатрат на управление насосными станциями путем использования регуляторов с нечеткой логикой

Есилевский В. С., Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, Украина
Кузнецов В. Н., Уварова Л. В., Старооскольский технологический институт (филиал Московского института стали и сплавов, Старый Оскол, Белгородская обл., Россия

Насосные станции систем водоотведения относятся к числу наиболее ресурсоемких технологических объектов. Основные затраты электроэнергии приходятся на транспортировку жидкости и сильно зависят от режима работы, т. е. состава работающих насосных агрегатов (НА) и способа управления ими.

Для определения наиболее экономичных режимов работы на канализационной насосной станции (КНС) № 1 МУП «ОЖКХ» (г. Старый Оскол, Россия) проведен расчет энергопотребления насосных установок в различных режимах. Наименее эффективным оказался пассивный параметрический режим управления, реализуемый путем изменения параметров регулируемых задвижек (режим дросселирования). Внедрение частотно-регулируемого электропривода позволяет снизить энергопотребление на 39,5 %. Применение режима включения—выключения двигателей (стартстопного) обеспечивает экономию на 32,1 %.

Для КНС в качестве нагрузок выступают ее входы — приемные резервуары. Приток (расход) сточных вод значительно изменяется во времени. Следовательно, для стабилизации уровня жидкости в приемном резервуаре режим работы КНС также должен меняться во времени. При этом необходимо минимизировать затраты электроэнергии на перекачивание. В результате возникает задача выбора оптимального, с точки зрения энергозатрат, режима работы КНС, обеспечивающего удержание в безопасной зоне уровня сточных вод в приемном резервуаре.

Приток сточных вод зависит от огромного количества случайных факторов: хронологических (времени года, дней недели, сменности и режима работы предприятий и т. д.), метеорологических (осадков в виде снега и дождя, температуры), организационных (мероприятий, проводимых в системах водоснабжения и водоотведения и т. п.).

При классическом регулировании необходимо учитывать модель входного сигнала — потока сточных вод. При построении модели потока, в состав которого входят бытовые, производственные и ливневые сточные воды, возникает множество проблем, не позволяющих использовать подходы классического детерминированного управления.

В данной работе для управления насосными станциями предлагается использовать методы интеллектуальных систем. Среди множества применяемых подходов для решения поставленной задачи можно выделить следующие системы: основанные на знаниях (экспертные); самообучающиеся (нейронные сети); на основе нечеткой логики.

Системы на основе нечеткой логики обладают рядом преимуществ: в отличие от нейронных сетей для них не требуется большой объем статистических данных; их быстродействие выше, чем экспертных систем.

В данной работе проводили моделирование различных режимов управления НА: стартстопного и частотного регулирования с использованием классического регулятора и регулятора с нечеткой логикой.

Для всех способов управления была задана цель — поддерживать уровень воды в приемном резервуаре около 7 м и не выйти за пределы 1,6 и 8 м.

При исследовании использовали одинаковые модели входного потока:
—  объем сточных вод изменяется от 500 до 1 800 м³ по синусоидальному закону;
—  ошибка измерения уровня — равномерно распределенная величина в диапазоне от 0,1 до –0,1;
—  время наблюдения 1 440 мин (1 сут);
—  в результате влияния случайных факторов в интервале времени от 700 до 900 мин происходит резкое увеличение (на 200 м³) объема сточных вод.

В ходе исследования была построена имитационная модель системы управления НА для поддержания уровня воды в приемном резервуаре в заданных пределах в стартстопном режиме. Для устранения гидравлических ударов в напорных трубопроводах используются устройства плавного пуска, которые позволяют уменьшить энергопотребление мощных двигателей, а также износ основного и вспомогательного оборудования.

Исследована также модель системы управления с использованием регулятора с нечеткой логикой. Система содержит 3 входные переменные: ошибку по уровню; скорость изменения уровня; величину осадков, которая задается оператором насосной станции на основании запроса в центр прогнозирования погоды. В качестве выходных переменных выбраны вероятности включения НА № 1 и НА № 2.

Для реализации управления разработана база правил продукционного типа, основанная на знаниях, полученных от экспертов. Дефаззификация производится по методу центра тяжести с использованием известного алгоритма Мамдани.

Смоделирована ситуация, когда система управления с классическим регулятором при больших объемах сточных вод не справляется с поддержанием уровня жидкости в пределах 1,6—8 м. Это может привести к затоплению насосной станции, что недопустимо.

Эксперименты с моделью на основе системы управления с нечеткой логикой показали, что такая система не допускает затопления насосной станции, обеспечивая при этом наименьшее энергопотребление (таблица).

Для проведения моделирования выбраны насосы WILO ЕМU FА 30.78 D с мотором Т 49-6/58G, частотный преобразователь FR—F740-04810 ЕС и устройство плавного пуска ДМС-400Н.

Таким образом, исследования различных режимов эксплуатации КНС при автоматизированном управлении показывают, что для уменьшения энергозатрат перспективно использование регуляторов на основе нечеткой логики.

Сведения об авторах

Есилевский Валентин Семенович, канд. техн. наук, доц., Харьковский национальный университет радиоэлектроники, пр-т Ленина, 14, Харьков, 61166, Украина. Тел. (057) 702-14-36. E-mail
 

© Последние изменения внесены 09.10.09

© EcoInform