基于PLC的模糊控制恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)答辯

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1、論文題目： 基于PLC的模糊控制恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一.論 文 工 作 簡(jiǎn) 介 1 課題提出的背景和意義 近年來(lái)，隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，城市建設(shè)步伐的加快，城區(qū)不斷擴(kuò)大，樓房的不斷加高，對(duì)城市供水系統(tǒng)的供水性要求越來(lái)越高，同時(shí)現(xiàn)代消防安全保障，對(duì)城市供水系統(tǒng)也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的供水方式越來(lái)越不適應(yīng)城市發(fā)展要求。傳統(tǒng)的供水方式主要有切換恒速泵組加壓供水、調(diào)節(jié)閥門(mén)供水、高位水塔供水等 。居民區(qū)用水，不同時(shí)段的用水量不固定 晝夜負(fù)荷變化大，例如：采用切換恒速泵組加壓方式供水，若供水系統(tǒng)用水量大，增加泵組，系統(tǒng)水壓可能會(huì)超過(guò)所需水壓，水壓高，既浪費(fèi)電能源又易使水管爆裂，增加供水成本。同理

2、，若供水系統(tǒng)用水量減少泵組，系統(tǒng)水壓可能會(huì)低于所需水壓，水壓低，用樓房高層供不上水，高層居民會(huì)出現(xiàn)用水難問(wèn)題，給生活用水帶來(lái)極大不便，也不利于消防安全。 2 供水系統(tǒng)控制方案確定 針對(duì)傳統(tǒng)生活用水供水系統(tǒng)中存在的水壓不穩(wěn)定、能源浪費(fèi)等問(wèn)題，如果單片機(jī)與變頻技術(shù)相結(jié)合，對(duì)傳統(tǒng)供水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造PID算法編程難度大，系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)工作量較大（難以確定數(shù)學(xué)模型），程序調(diào)試難度大，系統(tǒng)抗干擾性能較差。因此，本文提出了基于可編程控制器（PLC）的模糊控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案, 該控制系統(tǒng)是以PLC為核心，與變頻器、壓力傳感器等器件有機(jī)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成了變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以管網(wǎng)水壓為設(shè)定

3、 參數(shù)，采用實(shí)用有效的模糊控制算法，通過(guò)控制變頻器的輸出頻率來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 并根據(jù)用水量的大小，由PLC控制水泵數(shù)量及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 2 課題應(yīng)用范例 此系統(tǒng)已成功應(yīng)用于我所在學(xué)校生活區(qū)供水改造和新鄉(xiāng)市三利股份有限公司的沖壓車間供水改造。 二. 供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 供水系統(tǒng)主要功能 （） 數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控 （）Fuzzy-PID調(diào)節(jié)控制（）泵組切換控制（） 變頻與工頻器切換控制（） 顯示、故障報(bào)警（） PLC與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng) 2 供水系統(tǒng)控制方案分析 根據(jù)供水系統(tǒng)是用水量變化較大，且隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，供水系統(tǒng)控制方案宜采用多臺(tái)泵組并聯(lián)傳動(dòng)取代傳統(tǒng)的一臺(tái)或兩臺(tái)大泵組傳

4、動(dòng)，可以根據(jù)不同用水情況，合理地增加或切掉水泵，從而提高水泵工作效率，增加靈活性。采用是三臺(tái)泵附帶一臺(tái)輔助小泵仿案。由于變頻調(diào)速裝置的成本一般要占整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)成本的四分之三，若采用一臺(tái)變頻調(diào)速器(VVVF)順序拖動(dòng)四臺(tái)水泵的電機(jī)，可減少投資。由PLC控制四臺(tái)拖動(dòng)水泵的電機(jī)啟動(dòng)和停止 以及在工頻電網(wǎng)與變頻器輸出之間進(jìn)行切換運(yùn)行，并通過(guò)程序控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)（任意一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行超過(guò)規(guī)定時(shí)間）停機(jī)輪休，防止燒壞變頻器，從而延長(zhǎng)泵組的使用壽命 3 供水控制系統(tǒng)的組成供水控制系統(tǒng)的原理框圖及系統(tǒng)主電路如圖所示。 供水控制系統(tǒng)主要由4臺(tái)水泵機(jī)組、可編程控制器（PLC）、泵類專用變頻器、壓力變送器和水位傳感器一起

5、組成一個(gè)完整的具有變頻調(diào)速和全自動(dòng)閉環(huán)控制功能的機(jī)電一體化智能控制系統(tǒng)。其中還包括接觸器、熱繼電器、中間繼電器、空氣開(kāi)關(guān)和斷路器等系統(tǒng)保護(hù)電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器、電機(jī)和PLC的有效保護(hù)，以及對(duì)電機(jī)的切換控制。為保證供水系統(tǒng)正常運(yùn)行和便于系統(tǒng)調(diào)試和定期檢修，控制系統(tǒng)設(shè)有手自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)。 4.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) （1）PLC 根據(jù)系統(tǒng)的要求，選用近幾年西門(mén)子公司推出的 S7200 22X系列產(chǎn)品CPU226模塊作為控制核心。CPU226模塊的 1O總數(shù)為 40點(diǎn)，其中輸入點(diǎn) 24點(diǎn)，輸出點(diǎn) 16點(diǎn) CPU22X系列產(chǎn)品指令豐富、速度快、具有較強(qiáng)的通信能力。可帶 7個(gè)擴(kuò)展模塊；內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器6個(gè)，具有PID控

6、制器的功能；有2個(gè)高速脈沖輸出端；通訊中斷，硬件輸入中斷； 2個(gè)RS485通信口；運(yùn)行速度快、功能強(qiáng)，適用于要求較高的中小型控制系統(tǒng)。 （2）變頻器 選取一臺(tái)西門(mén)子Mi-croMaster430 泵類專用變頻器， （3）壓力變送器 選用由金華自動(dòng)化儀表設(shè)備廠生產(chǎn)的DBS316A系列壓力變送器。測(cè)量范圍在0MPa6MPa之間 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 編程軟件采用西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的編程軟件-STEP 7MicroWIN32，它支持所有西門(mén)子生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品。 該編程軟件采用的是典型的Windows界面，菜單界面、編程界面、監(jiān)控界面等可同時(shí)以窗口形式相疊或平鋪顯示，可以通過(guò)快捷鍵在各個(gè)窗口之間進(jìn)行移動(dòng)和切換

7、，這給調(diào)試程序和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控帶來(lái)了便利。各種功能切換和指令的輸入既可用軟件上的鍵盤(pán)快捷操作鍵操作，也可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖標(biāo)操作 用這個(gè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC程序輸入及編輯；用戶程序檢查與調(diào)試；運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)的監(jiān)控及測(cè)試；系統(tǒng)寄存器、PLC和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置；系統(tǒng)組態(tài)；程序清單和監(jiān)控結(jié)果等文檔的打印；數(shù)據(jù)傳輸及文件管理等功能。 （1） PLC的IO地址分配 PLC的IO地址分配表表2所示。 根據(jù)系統(tǒng)的要求，恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及了16個(gè)數(shù)字量輸入和 2個(gè)模擬量輸入，16個(gè)數(shù)字量輸出。設(shè)置7個(gè)操作鍵、9個(gè)開(kāi)關(guān)量傳感器和2個(gè)模擬量傳感器作輸入信號(hào)；這7個(gè)操作鍵是自動(dòng)方式開(kāi)關(guān)、手動(dòng)方式開(kāi)關(guān)、停止按鈕及4個(gè)在手

8、動(dòng)控制下控制水泵機(jī)運(yùn)行按鈕開(kāi)關(guān)，9個(gè)傳感器，4個(gè)反映水泵電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障的熱繼電器開(kāi)關(guān)信號(hào)，2個(gè)反映水位繼電器開(kāi)關(guān)信號(hào)，2個(gè)反映變頻器電壓與頻率信號(hào)上下限開(kāi)關(guān)信號(hào)，1個(gè)反映開(kāi)關(guān)量壓力設(shè)定值信號(hào)；其中擴(kuò)充了1個(gè)EM231的模擬量輸入模塊，主要是用于測(cè)量水壓值和流量值 。另外擴(kuò)展了1個(gè)直流輸出摸塊（EM 222 8DC24V）的數(shù)字量輸出模塊，以提供更多的輸出點(diǎn)數(shù)。 （2） PLC軟件編程 整個(gè)系統(tǒng)PLC既有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出，又有與變頻器和PLC的通信，因此在PLC控制軟件編程上采用模塊式結(jié)構(gòu)。 主要程序有 主程序 事件處理子程序 硬件中斷程序 定時(shí)中斷程序等， a 水泵起動(dòng)運(yùn)行子程序設(shè)計(jì) 水泵運(yùn)行子

9、程序流程圖如下圖 在主程序中，PLC上電初始化，檢測(cè)系統(tǒng)各部分狀態(tài)信息，若有報(bào)警信息則首先發(fā)出警告，若無(wú)報(bào)警信息，則開(kāi)始從1號(hào)泵變頻起動(dòng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)出水壓力并進(jìn)行PID運(yùn)算，控制變頻器的輸出頻率，保持供水壓力恒定；若變頻器頻率達(dá)到50Hz延時(shí)后，出水壓力仍低于設(shè)定壓力，則將1號(hào)泵切換為工頻，變頻起動(dòng)2號(hào)泵，以維持系統(tǒng)壓力恒定并依此類推。若出水壓力超過(guò)設(shè)定壓力，則變頻器降低輸出頻率來(lái)穩(wěn)定出水壓力。若變頻器輸出頻率，低于設(shè)定水泵出水頻率，而出水壓壓力仍高于設(shè)定壓力值時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后根據(jù)軟起/軟停的原 則，停止正在運(yùn)行水泵中頻率最低的幾乎停止的變頻泵，在延時(shí)，判斷壓力，若壓力很高，則切換1號(hào)泵變頻運(yùn)

10、行，直到壓力恒定。如果用水量比較小，即流量小，若系統(tǒng)只有一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，且連續(xù)一段時(shí)間頻率低于設(shè)定出水頻率，則切除變頻運(yùn)行主泵，這時(shí)起動(dòng)小流量富足輔助泵來(lái)維持壓力，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定值。投入小流量泵，這樣既保護(hù)主泵電動(dòng)機(jī)，又能節(jié)約能源。 b 參數(shù)自動(dòng)調(diào)整修正因子Fuzzy-PID控制算法子程序設(shè)計(jì) 以水壓實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值的誤差大小作為選擇的條件，在大誤差范圍內(nèi)，采用自調(diào)整修正因子Fuzzy控制，以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，增強(qiáng)自適應(yīng)能力；在小誤差范圍內(nèi)，于用PID控制，以消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。同時(shí)，為了防止控制策略造成系統(tǒng)的切換過(guò)于頻繁，在誤差的切換點(diǎn)，系統(tǒng)規(guī)定不做切換，維持上一次的動(dòng)作。

11、 壓力閉環(huán)Fuzzy-PID控制子程序流程圖如下圖。 供水系統(tǒng)的水壓自調(diào)整修正因子Fuzzy控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能，能夠隨著誤差E的變化修改控制規(guī)則，有一定的自適應(yīng)能力，而不具備PID控制良好的靜態(tài)性能，為此，把PID控制引入自調(diào)整修正因子Fuzzy控制中，構(gòu)成自調(diào)整修正因于Fuzzy-PlD控制器 恒壓供水系統(tǒng)控制策略選擇是根據(jù)系統(tǒng)的信息，判斷是采用自調(diào)整修正因子Fuzzy控制，還是采用PID控制，控制策略選擇的基本原則是： 以誤差的大小作為自調(diào)整修正因子Fuzzy控制與PID控制的切換條件：|E|=Eb，為切換點(diǎn)； 在大誤差范圍內(nèi)（|E|Eb），采用自調(diào)整修正因子Fuzzy控制 在誤差切

12、換點(diǎn)（|E| = Eb）以及系統(tǒng)允許誤差范圍內(nèi)（|E| Ea）系統(tǒng)保持上一次的動(dòng)作。 在小誤差范圍內(nèi)（Ea |E|E b），采用PID控制，以消除靜態(tài)誤差，提高控制精度 三系統(tǒng)控制方法模糊控制1供水系統(tǒng)控制方式選擇 2 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成模糊控制器與常用的負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)相似，不同的是控制裝置由模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)中采用二維模糊控制器。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如如下圖所示。 3Fuzzy控制器的設(shè)計(jì)水壓閉環(huán)的基本Fuzzy控制器選用二維輸入單輸出模糊控制器，基本組成如圖所示。 y 管網(wǎng)實(shí)測(cè)水壓值 r系統(tǒng)設(shè)定值 e 誤差 e誤差變化率， u 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制輸出修正量 Ke 誤差e的量化因子 Kec 誤差

13、變化率e的量化因子 Ku 為控制量u的比例因子 Fuzzy控制器控制算法設(shè)計(jì)主要有以下內(nèi)容： (1) 模糊控制器的輸入、輸出變量的論域及模糊控制器參數(shù)的確定 (2) 模糊推理及其模糊量的非模糊方法 (3) 模糊控制查詢表 (1) 模糊控制器的輸入、輸出變量的論域及模糊控制器參數(shù)的確定 A 確定選擇模糊語(yǔ)言變量并定義其論域 一個(gè)語(yǔ)言變量選用的語(yǔ)言值分檔越多，對(duì)事物的描述就越細(xì)膩、準(zhǔn)確、生動(dòng)，制定的控制規(guī)則就比較靈活，控制規(guī)則本身也比較詳盡，因而控制效果就越好。但是語(yǔ)言值分檔太多，反而有可能使控制規(guī)則變得很復(fù)雜，編制程序比較困難，占用內(nèi)存儲(chǔ)器空間也較多；選擇較少的分檔，控制規(guī)則相應(yīng)變少，規(guī)則的實(shí)現(xiàn)

14、方便了，但過(guò)少的規(guī)則又會(huì)使控制作用變得粗糙而達(dá)不到預(yù)期效果。 模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量為水壓給定值r與實(shí)際水壓y之間的誤差e及其誤差變化率e，輸出語(yǔ)言變量為控制變頻器輸出頻率的變頻器電壓給定值變化量u。這就為供水系統(tǒng)確定了一個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制器。在模糊邏輯控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)控制過(guò)程中，控制周期為5s時(shí)，按系統(tǒng)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，選取誤差e、誤差變化率e、輸出控制量u的基本論域（基本論域的選取可依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整）分別為：-20，+20、-12， +12、-6，+6，對(duì)應(yīng)的模糊變量分別記為E、EC和U。 B 確定輸入語(yǔ)言變量E、誤差變化率EC及控制量U的賦值表 根據(jù)系統(tǒng)精度要求以及

15、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的綜合考慮，將誤差e、誤差變化率e、輸出控制量u所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量E、EC、U分成9檔，每一檔對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集： E = PL，PB，PM，PS，0，NS，NM，NB， NL EC =PL，PB，PM，PS，0，NS，NM，NB，NL U=PL，PB，PM， PS，0， NS，NM，NB， NL EEC和U的論域?qū)⒕_量離散化，劃分為13個(gè)等級(jí)，即 N=-n，-1，0，+1，n，取n=6，則 E =-6，-5，-4，-3，-2，-h 0，+1，+2，+3，+4，+5，+6 EC =-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+l，+2，+3，+4，+5，+6 U =-6，-5，-4，-

16、3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6 C 根據(jù)控制對(duì)象的實(shí)際情況以及實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，確定控制過(guò)程的控制規(guī)則 (2) 模糊推理及其模糊量的非模糊方法 可根據(jù)模糊推理合成規(guī)則，求出其輸出語(yǔ)言變量論域上的模糊集合Ul。 模糊推理后，輸出的是一個(gè)模糊集合，還需要經(jīng)過(guò)模糊判決，得到精確的控制量。本系統(tǒng)模糊判決采用加權(quán)平均法(重心法) (3) 模糊控制查詢表 由模糊判決得到的實(shí)際控制量變化的精確量U。對(duì)模糊語(yǔ)言集合E、EC對(duì)應(yīng)的論域的全部元素的所有組合計(jì)算出相應(yīng)的以U的論域元素表示的控制量變化值，并組成矩陣，形成模糊控制 查詢表模糊控制查詢，這張表為可根據(jù)模糊控制規(guī)則及模糊推理離線計(jì)算得到，在實(shí)際系統(tǒng)中，可在試驗(yàn)中不斷調(diào)整了控制表，使系統(tǒng)得到更好的控制效果。 將模糊控制表固存在計(jì)算機(jī)中。在控制過(guò)程中，計(jì)算機(jī)直接根據(jù)采樣和論域變換得來(lái)的以論域元素形式表現(xiàn)的E和EC，由控制表找到對(duì)應(yīng)的U，并以此去控制被控過(guò)程，以達(dá)到預(yù)期的控制目的。 敬 請(qǐng) 各 位 導(dǎo) 師 指 導(dǎo)