基于PLC的模糊控制恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計答辯

論文題目： 基于PLC的模糊控制恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 一.論 文 工 作 簡 介 1 課題提出的背景和意義 近年來，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)不斷擴大，樓房的不斷加高，對城市供水系統(tǒng)的供水性要求越來越高，同時現(xiàn)代消防安全保障，對城市供水系統(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)閥門供水、高位水塔供水等 。居民區(qū)用水，不同時段的用水量不固定 晝夜負荷變化大，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)水壓可能會超過所需水壓，水壓高，既浪費電能源又易使水管爆裂，增加供水成本。同理，若供水系統(tǒng)用水量減少泵組，系統(tǒng)水壓可能會低于所需水壓，水壓低，用樓房高層供不上水，高層居民會出現(xiàn)用水難問題，給生活用水帶來極大不便，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、能源浪費等問題，如果單片機與變頻技術(shù)相結(jié)合，對傳統(tǒng)供水系統(tǒng)進行節(jié)能改造PID算法編程難度大，系統(tǒng)在軟件設(shè)計工作量較大（難以確定數(shù)學模型），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結(jié)合起來，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 參數(shù)，采用實用有效的模糊控制算法，通過控制變頻器的輸出頻率來自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速， 并根據(jù)用水量的大小，由PLC控制水泵數(shù)量及變頻器對水泵的調(diào)速，實現(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 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、故障報警（） PLC與上位機聯(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，且隨機性強的特點。因此，供水系統(tǒng)控制方案宜采用多臺泵組并聯(lián)傳動取代傳統(tǒng)的一臺或兩臺大泵組傳動，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。采用是三臺泵附帶一臺輔助小泵仿案。由于變頻調(diào)速裝置的成本一般要占整個調(diào)速系統(tǒng)成本的四分之三，若采用一臺變頻調(diào)速器(VVVF)順序拖動四臺水泵的電機，可減少投資。由PLC控制四臺拖動水泵的電機啟動和停止 以及在工頻電網(wǎng)與變頻器輸出之間進行切換運行，并通過程序控制自動實現(xiàn)（任意一臺泵連續(xù)運行超過規(guī)定時間）停機輪休，防止燒壞變頻器，從而延長泵組的使用壽命 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臺水泵機組、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組成一個完整的具有變頻調(diào)速和全自動閉環(huán)控制功能的機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、空氣開關(guān)和斷路器等系統(tǒng)保護電器，實現(xiàn)對變頻器、電機和PLC的有效保護，以及對電機的切換控制。為保證供水系統(tǒng)正常運行和便于系統(tǒng)調(diào)試和定期檢修，控制系統(tǒng)設(shè)有手自動切換開關(guān)。 4.系統(tǒng)硬件設(shè)計 （1）PLC 根據(jù)系統(tǒng)的要求，選用近幾年西門子公司推出的 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，其中輸入點 24點，輸出點 16點 CPU22X系列產(chǎn)品指令豐富、速度快、具有較強的通信能力?？蓭?7個擴展模塊；內(nèi)置高速計數(shù)器6個，具有PID控制器的功能；有2個高速脈沖輸出端；通訊中斷，硬件輸入中斷； 2個RS485通信口；運行速度快、功能強，適用于要求較高的中小型控制系統(tǒng)。 （2）變頻器 選取一臺西門子Mi-croMaster430 泵類專用變頻器， （3）壓力變送器 選用由金華自動化儀表設(shè)備廠生產(chǎn)的DBS316A系列壓力變送器。測量范圍在0MPa6MPa之間 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 編程軟件采用西門子公司開發(fā)的編程軟件-STEP 7MicroWIN32，它支持所有西門子生產(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)控界面等可同時以窗口形式相疊或平鋪顯示，可以通過快捷鍵在各個窗口之間進行移動和切換，這給調(diào)試程序和現(xiàn)場監(jiān)控帶來了便利。各種功能切換和指令的輸入既可用軟件上的鍵盤快捷操作鍵操作，也可用鼠標點擊圖標操作 用這個軟件來實現(xiàn)對PLC程序輸入及編輯；用戶程序檢查與調(diào)試；運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)的監(jiān)控及測試；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??；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)計主要涉及了16個數(shù)字量輸入和 2個模擬量輸入，16個數(shù)字量輸出。設(shè)置7個操作鍵、9個開關(guān)量傳感器和2個模擬量傳感器作輸入信號；這7個操作鍵是自動方式開關(guān)、手動方式開關(guān)、停止按鈕及4個在手動控制下控制水泵機運行按鈕開關(guān)，9個傳感器，4個反映水泵電機堵轉(zhuǎn)故障的熱繼電器開關(guān)信號，2個反映水位繼電器開關(guān)信號，2個反映變頻器電壓與頻率信號上下限開關(guān)信號，1個反映開關(guān)量壓力設(shè)定值信號；其中擴充了1個EM231的模擬量輸入模塊，主要是用于測量水壓值和流量值 。另外擴展了1個直流輸出摸塊（EM 222 8DC24V）的數(shù)字量輸出模塊，以提供更多的輸出點數(shù)。 （2） PLC軟件編程 整個系統(tǒng)PLC既有開關(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 定時中斷程序等， a 水泵起動運行子程序設(shè)計 水泵運行子程序流程圖如下圖 在主程序中，PLC上電初始化，檢測系統(tǒng)各部分狀態(tài)信息，若有報警信息則首先發(fā)出警告，若無報警信息，則開始從1號泵變頻起動，實時檢測出水壓力并進行PID運算，控制變頻器的輸出頻率，保持供水壓力恒定；若變頻器頻率達到50Hz延時后，出水壓力仍低于設(shè)定壓力，則將1號泵切換為工頻，變頻起動2號泵，以維持系統(tǒng)壓力恒定并依此類推。若出水壓力超過設(shè)定壓力，則變頻器降低輸出頻率來穩(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，延時一段時間后根據(jù)軟起/軟停的原 則，停止正在運行水泵中頻率最低的幾乎停止的變頻泵，在延時，判斷壓力，若壓力很高，則切換1號泵變頻運行，直到壓力恒定。如果用水量比較小，即流量小，若系統(tǒng)只有一臺水泵變頻運行，且連續(xù)一段時間頻率低于設(shè)定出水頻率，則切除變頻運行主泵，這時起動小流量富足輔助泵來維持壓力，直至出水壓力達到設(shè)定值。投入小流量泵，這樣既保護主泵電動機，又能節(jié)約能源。 b 參數(shù)自動調(diào)整修正因子Fuzzy-PID控制算法子程序設(shè)計 以水壓實際測量值與設(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，以提高動態(tài)響應(yīng)速度，增強自適應(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，為了防止控制策略造成系統(tǒng)的切換過于頻繁，在誤差的切換點，系統(tǒng)規(guī)定不做切換，維持上一次的動作。 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； 在大誤差范圍內(nèi)（|E|Eb），采用自調(diào)整修正因子Fuzzy控制 在誤差切換點（|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實現(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)實測水壓值 r系統(tǒng)設(shè)定值 e 誤差 e誤差變化率， u 系統(tǒng)的實時控制輸出修正量 Ke 誤差e的量化因子 Kec 誤差變化率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 確定選擇模糊語言變量并定義其論域 一個語言變量選用的語言值分檔越多，對事物的描述就越細膩、準確、生動，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。但是語言值分檔太多，反而有可能使控制規(guī)則變得很復雜，編制程序比較困難，占用內(nèi)存儲器空間也較多；選擇較少的分檔，控制規(guī)則相應(yīng)變少，規(guī)則的實現(xiàn)方便了，但過少的規(guī)則又會使控制作用變得粗糙而達不到預期效果。 模糊控制器的輸入語言變量為水壓給定值r與實際水壓y之間的誤差e及其誤差變化率e，輸出語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)控制過程中，控制周期為5s時，按系統(tǒng)實際控制經(jīng)驗，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)的實際情況適當調(diào)整）分別為：-20，+20、-12， +12、-6，+6，對應(yīng)的模糊變量分別記為E、EC和U。 B 確定輸入語言變量E、誤差變化率EC及控制量U的賦值表 根據(jù)系統(tǒng)精度要求以及系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度的綜合考慮，將誤差e、誤差變化率e、輸出控制量u所對應(yīng)的語言變量E、EC、U分成9檔，每一檔對應(yīng)一個模糊子集： 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個等級，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，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6 C 根據(jù)控制對象的實際情況以及實際操作經(jīng)驗，確定控制過程的控制規(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，求出其輸出語言變量論域上的模糊集合Ul。 模糊推理后，輸出的是一個模糊集合，還需要經(jīng)過模糊判決，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際控制量變化的精確量U。對模糊語言集合E、EC對應(yīng)的論域的全部元素的所有組合計算出相應(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算得到，在實際系統(tǒng)中，可在試驗中不斷調(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算機中。在控制過程中，計算機直接根據(jù)采樣和論域變換得來的以論域元素形式表現(xiàn)的E和EC，由控制表找到對應(yīng)的U，并以此去控制被控過程，以達到預期的控制目的。 敬 請 各 位 導 師 指 導