基于PLC和模糊控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文.doc

基于PLC和模糊控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)摘要為了解決由高塔供水和水泵直接供水模式造成的水質(zhì)低劣和浪費(fèi)電力問題，我們引入了恒壓供水系統(tǒng)，它采用嵌入式的模糊控制技術(shù)，使PLC及變頻器作為其核心。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行，水管的壓力通過壓力傳感器從終端X0輸入到PLC。通過比較實(shí)測值與設(shè)定壓力值，由模糊計(jì)算器輸出信號，PLC控制著變頻器工作頻率，從而控制水泵的旋轉(zhuǎn)速度和調(diào)節(jié)水管的壓力。本文設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制性能，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證被全權(quán)證明了的。硬件模塊是穩(wěn)定且可靠的，模糊控制器是合適且有效的，它能夠保證更穩(wěn)定的水壓。關(guān)鍵詞：模糊控制；PLC；變頻調(diào)速控制一 引言 隨著高經(jīng)濟(jì)和社會的高速發(fā)展，能源緊缺正變得越來越明顯別且人們對飲用水的水質(zhì)和可靠性的要求也越來越高。因此應(yīng)用先進(jìn)的自動化技術(shù)來設(shè)計(jì)恒定的供水系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)水資源的高節(jié)能型和高可靠性變成了一種不可避免的趨勢。由于用戶對供水的需求往往不穩(wěn)定，為了保持恒定水壓力閉環(huán)監(jiān)管系統(tǒng)需要使用外圍變頻器，這在過去已廣泛地由PID實(shí)現(xiàn)了。然而，供水系統(tǒng)是一個具有巨大慣性且極為落后的系統(tǒng)同時(shí)用戶對供水需求已變得非常有隨機(jī)性，這可能會導(dǎo)致這條管道的水壓的改變沒有任何規(guī)律，因此使得用精確的數(shù)學(xué)模型來描述這個過程變成了一個艱苦的工作。由此得出，利用傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)很難得到滿意的控制效果。模糊控制技術(shù)在使用模糊推理來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制中是一個很好的方法，它不需要建立數(shù)學(xué)模型1。近年來，許多研究人員將模糊控制策略應(yīng)用于多種控制方案，并取得了令人滿意的結(jié)果。Li Zhong和其他人設(shè)計(jì)了一種由PLC控制得模糊控制供水系統(tǒng)，它可以克服上述問題能夠調(diào)整傳統(tǒng)PID控制很難修改的系統(tǒng)參數(shù)2。Zhao Bao-yong設(shè)計(jì)出的模糊PID控制器，在單個芯片上具有自我調(diào)節(jié)的要素，它在供水控制系統(tǒng)的非線性和滯后特點(diǎn)的控制中發(fā)揮了重要作用，也解決在傳統(tǒng)的PID控制中調(diào)整參數(shù)困難的問題 3。LI Xin-chun設(shè)計(jì)了一個基于AT89C51和應(yīng)用模糊自適應(yīng)的PID算法的恒壓供水控制器 4。Qiao Weide提出了對管道壓力的自適應(yīng)閉環(huán)控制設(shè)計(jì)功能，它通過組合管道網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯，現(xiàn)在此技術(shù)已經(jīng)很耐用和可靠了5。Wang Cai-xia設(shè)計(jì)了一個模糊的水供應(yīng)一變頻系統(tǒng)控制三個水泵，此設(shè)計(jì)已大大降低了設(shè)計(jì)和操作成本6。在上述計(jì)劃中，大部分是基于PID控制，它們有更大的頻率波動并且容易導(dǎo)致管道中的水壓不穩(wěn)定。為了解決這些問題，在全面系統(tǒng)得分析了供水的工作特點(diǎn)和為實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)控制要求的技術(shù)后，我們已在PLC和變頻器的基礎(chǔ)上采取了模糊控制的方法來建立一個恒壓供水系統(tǒng)。我們利用模糊邏輯控制理論，來制造壓力傳感器輸出信號的輸入和控制變量模糊根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)模糊邏輯推理的模糊控制表。在實(shí)時(shí)控制過程中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的輸入信號檢測到輸出實(shí)時(shí)的壓力尋求模糊邏輯控制表，然后我們就得到了精確的輸出模糊決策。最后，系統(tǒng)根據(jù)精確的輸出來控制電機(jī)的頻率完成模糊邏輯控制的全過程以恒定水壓。經(jīng)過大量的測試，我們已經(jīng)證明，本文設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)控制性能并且其硬件模塊工作穩(wěn)定可靠。在本文設(shè)計(jì)得自適應(yīng)模糊控制器也是正確和有效的，能夠保證水管里的水壓穩(wěn)定，確實(shí)是一個很好的控制系統(tǒng)。二 系統(tǒng)控制計(jì)劃 A. 系統(tǒng)控制原理同時(shí)在系統(tǒng)中運(yùn)行3個水泵。 PLC周期實(shí)時(shí)檢測給定的壓力和實(shí)際檢測到的管道網(wǎng)壓力，它們的值都被輸入到PLC。 模糊控制器計(jì)算它們的偏差E和變化 偏離率E。從而就得到了模糊控制模擬器的輸出控制信號。這是通過模擬轉(zhuǎn)換器發(fā)送到輸出模塊來調(diào)整泵的電機(jī)電源電壓和頻率。當(dāng)需要少量的水時(shí)，一個泵在變頻器控制下穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)需要大量的水以致于水泵全速運(yùn)行還不能保證在管道網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時(shí)， 下限PLC的壓力信號和變頻器的高速信號被PLC在同一時(shí)間檢測。 PLC使第一個泵從多種頻率狀態(tài)轉(zhuǎn)換到工作頻率狀態(tài)，以保持壓力的連續(xù)性， 而另一個泵是由變頻器啟動開始運(yùn)行，以增加管道網(wǎng)的水量來保持穩(wěn)定的壓力。如果運(yùn)行的 兩個水泵還不能滿足壓力要求，在變化頻率狀態(tài)的泵就轉(zhuǎn)化為在工作頻率的狀態(tài)，而另一個泵將啟動。當(dāng)用水量減少，信號顯示變頻器工作在 最低速度就是有效的。此時(shí)如果壓力 上限信號仍然存在，PLC將停止第一個運(yùn)行在工作頻率狀態(tài)的泵以減少水量供應(yīng)。當(dāng)兩個信號仍在存在時(shí)，只要最后的泵由變頻器啟動供水，PLC就會終止第二個運(yùn)行在工作頻率狀態(tài)的泵。B. 系統(tǒng)硬件 系統(tǒng)選用西門子S7 - 214PLC 7，配有I / O擴(kuò)展模塊。主要檢測元件是光控開關(guān)，壓力檢測開關(guān)，總共有12個輸入信號。執(zhí)行元件是電機(jī)，變頻器，聲光報(bào)警器等等，總共3個輸出點(diǎn)。控制系統(tǒng)原理圖所示圖。 1。PLC主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換，存儲，報(bào)警，控制變頻器完成調(diào)整壓力。三個泵的驅(qū)動由變頻器直接驅(qū)動以保持壓力恒定。變頻器的啟動和停止分為手動控制和PLC控制。在控制面板上有一個手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，自動時(shí)PLC有實(shí)時(shí)檢測狀態(tài)。當(dāng)選定手動功能時(shí)，水泵的啟動和停止以及對水泵開關(guān)操作是通過面板上的按鈕和開關(guān)手動控制的。當(dāng)自動功能被選擇時(shí)，所有控制和報(bào)警由PLC完成。三模糊控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用二維模糊控制器。 輸入量是給定的水壓力同測量的自來水管網(wǎng)的水壓力的偏差E，并且這個偏差的變化率是兩個偏差計(jì)算得到的。模糊控制器的輸出是控制系統(tǒng)的增量U。模糊控制的規(guī)則是根據(jù)供水住宅區(qū)的實(shí)際情況和操作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而成的。相應(yīng)的控制決策可以由基于模糊控制規(guī)則和模糊推理合成規(guī)則獲得，同時(shí)相應(yīng)的水量控制可以從最大用戶原則下得到。當(dāng)電腦計(jì)算完成，并已反復(fù)調(diào)試和修正后，模糊控制表將可以在實(shí)踐中應(yīng)用，這時(shí)就可以輸入到PLC內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，它開始從輸入數(shù)據(jù)里計(jì)算E，E同時(shí)計(jì)算模糊域值。然后搜索模糊控制表以獲得控制數(shù)量，而后頻率轉(zhuǎn)換器的輸出由控制數(shù)量乘以比例系數(shù)得到8,9。A.輸入輸出模糊變量The universes of discourse of input variable E and Eare -3,-2,-1,0,1,2,3. Its Fuzzy language values areNB(negative big), NM(negative middle), NS(negativesmall), ZO(zero), PS(positive small), PM (positive middle)and PB(positive big). Membership function uses triangle ,shows in Fig. 2.The universes of discourse of output variable U are -4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4. Its Fuzzy language values are NB(negative big), NM(negative middle), NS (negativesmall), ZO(zero), PS(positive small), PM (positive middle)and PB(positive big). Membership function uses triangle ,shows in Fig. 3.B,模糊規(guī)則表 模糊規(guī)則表的表一顯示，這是從一線操作者手動調(diào)節(jié)水的壓力的經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)而成。C.模糊關(guān)系矩陣和模糊控制查詢表表一顯示的雙輸入和單輸出語言控制策略是由49個模糊的條件組成。我們通過同最大用戶法則一致來消除模糊值U來獲得的精確的數(shù)值。因?yàn)?所有的組合元素都在E和E內(nèi)，我們能夠計(jì)算出與相應(yīng)于每個組合得確切數(shù)值。因此，我們可以得到模糊控制查詢表。 四。系統(tǒng)軟件 為了編程和調(diào)試的方便， 系統(tǒng)控制器采用模塊化編程。主要模塊包括手工操作模塊，自動 操作模塊，故障診斷和報(bào)警模塊。A：手動運(yùn)行模塊 當(dāng)系統(tǒng)處于手動狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，PLC的只接收 保護(hù)電路和傳感器的信號并且檢測 水泵的運(yùn)行狀態(tài)。在發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警器 信號輸出。通過控制板上的按鈕和開關(guān)可以手動控制啟動，停止，以及水泵的開關(guān) 。B.自動運(yùn)行模塊 自動操作模塊包括系統(tǒng)初始化，測試的啟動順序，數(shù)據(jù)采集 子程序，模糊控制子程序，初始值 子程序，電機(jī)控制子程序等。模塊 流程圖如圖。 4。 數(shù)據(jù)采集子程序：完成從主管道獲得壓力數(shù)據(jù)。 電機(jī)控制子程序：操作和控制 三個水泵。頻率器的輸出頻率與水泵的速度相關(guān)。結(jié)果是，耗水量越大，轉(zhuǎn)換器的輸出頻率越大，從而水泵的速度變得更大。然而小的用水量時(shí)，變頻器的輸出頻率就低了，于是泵的速度降低了。當(dāng)頻率達(dá)到50赫茲，即泵全速運(yùn)行，但是它不能滿足 供水要求時(shí)，PLC會自動轉(zhuǎn)換第一個泵從可變頻率到工作頻率狀態(tài)。 同時(shí)由變頻器啟動的第二個泵就會運(yùn)轉(zhuǎn)。如果第二泵已全速運(yùn)行 ，但還是不能滿足供水需求時(shí)，PLC會自動切換第二泵到工作 頻率操作，由變頻器啟動的第三個泵就開始運(yùn)行。根據(jù)從低到高， 水泵將逐一投入運(yùn)行。當(dāng)有兩個 全速運(yùn)行的水泵并工作在工作頻率狀態(tài)而第三泵工作在變頻狀態(tài)，水 需求量減少同時(shí)輸出頻率就會下降。 如果頻率達(dá)到了最低的限度，而供水也 大于用水量時(shí)，系統(tǒng) 會自動停止第三個水泵。同理，如果在第三個 泵停止后供水 仍大于用水量，系統(tǒng)會自動停止第二個泵， 等等以此類推。.模糊控制子程序：它被稱作是時(shí)間中斷。它的功能是通過調(diào)節(jié)泵的速度來保持恒定的輸出水 壓力。當(dāng)主程序?qū)⑾到y(tǒng)初始化，我們首先得到 目前的實(shí)際水壓。我們還可以得到本 錯誤數(shù)量減去使用這種壓力的壓力 設(shè)置和誤差的變化將變得目前使用 錯誤數(shù)量減去以前的錯誤數(shù)量。和那么我們可以透過模糊的模糊控制音量量變到錯誤的數(shù)量及其變化和尋求模糊控制表。最后，真正的控制量，來自模糊控制量的規(guī)模乘以因子控制由PLC和變頻器頻率的溝通，以保持恒壓供水供應(yīng)。其流程圖如圖。 5。C.故障診斷和報(bào)警模塊變頻器具有避免短路和超載的功能。當(dāng)水水泵電機(jī)有短路，過載故障時(shí)，變頻器將自動切斷電源供電線路，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并且輸出報(bào)警信號。系統(tǒng)連接輔助節(jié)點(diǎn)接觸器，斷路器對應(yīng)點(diǎn)沒有PLC同時(shí)PLC會掃描這些接觸點(diǎn)的狀態(tài)。這些狀態(tài)數(shù)據(jù)通過PLC存儲在存儲區(qū)域。根據(jù)邏輯分析控制程序和狀態(tài)的設(shè)置，系統(tǒng)可以判斷是否有設(shè)備或部件故障。如果有故障，水泵的接觸將被切斷，變頻器將重置。然后是后備泵的接觸將閉合，這時(shí)備份泵將啟動。在同時(shí)，系統(tǒng)將輸出泵的故障報(bào)警信號，如照明指標(biāo)。五，結(jié)論 模糊控制理論是用來轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸入到輸出，在人工控制時(shí)以豐富人們的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)然，這反映在自動控制過程，并為系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供一個保證。 PLC是作為控制器，其硬件結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉。水泵系統(tǒng)的電機(jī)可以無級變速調(diào)速。它的運(yùn)行參數(shù)可以自動調(diào)整以保持恒定水壓來滿足當(dāng)用水量變化時(shí)的要求。此外，在的S7-214 PLC基本單元內(nèi)有一個RS - 485接口，通過它可以同樓宇監(jiān)測中心保持通訊從而實(shí)現(xiàn)無人值守的遠(yuǎn)程控制。經(jīng)過6個月的測試，這個系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定，操作可靠和節(jié)能效果。參考書目1 Zadeh L.A, “Fuzzy sets information and control”,1965,(8),pp.338-353.2 Zhong Li, Yan Li, Pingliang Yu, “Constant pressure water supplysystem with PLC and inverter”, Huadong Chuanbo Gongye XueyuanXuebao/Journal of East China Shipbuilding Institute,1998,(12),pp.69-73.3 Baoyong Zhao, “Application research of the fuzzy control technologyin the variable-frequency speed-governing constant-pressure watersupply system”, Electric Drive Automation, 2003,25(6),pp.16-17.4 Xinchun Li, Fengshu Li, Shun Yang, “The application of single-chipcomputer in the fuzzy control of water-supply system with variablefrequency and constant pressure” , Journal of Liaoning TechnicalUniversity(Natural Science),2002,03,pp.354-355.5 Weide Qiao, “Application of fuzzy neural network in PLC watersupplycontrol system with constant voltage”, Electric DriveAutomation, 2007,29(2),pp.48-51.6 Caixia Wang, “Study of fuzzy variable frequency control system forconstant pressure”,Journal of Changchun University of Science andTechnology, Vol.26,No.3,2003, pp.53-54.7 Zhaofang Wen, SIMATIC S7-214 Programmable Controller Tutorial,Beijing institue of technology publisher, 2002. 9.8 Qishou Peng, Weiling Huang, “single_chip fuzzy control of aconstant pressure water supply”, Techniques of Automation &Applications,2006,pp.77-78.9 Guozhong Xu, Jing Zhu, “Single-chip fuzzy control constant pressurewater supply system”, Microelectronics and Computer, 1998,pp. 8-12.10 Junpu Wang, “Intelligent control”, Press of University of Scienceand Technology of China ,1996,pp.90-135.