基于PLC和模糊控制的变频调速恒压调节供水系统

基于PLC和模糊控制的变频调速恒压调节供水系统彭晓红肖来生Coll.广东海洋大学信息职业技术学院湛江，中国电子邮件:莫智 技术部 湛江市新中煤化工实业有限公司 湛江，中国刘国栋 茂名分公司 中国建设银行 茂名，中国摘要为解决高的水塔和直接水泵的水供应模式的项目电能质量差，浪费的问题，介绍其恒压供水系统，采用嵌入式模糊控制技术，采用可编程序控制器和变频器为核心。 When the system runs, water pressure of the pipe is inputted into the PLC from terminal X0 through pressure transmitter.当系统运行时，水压力管道输入到PLC从X0的终端通过压力变送器。 Comparing the value of measured pressure with its set value, PLC controls the work frequency of the frequency converter by the output signal on fuzzy calculation in order to control rotation speed of water pump and adjust water pressure of the pipe.比较其设定值与测量的压力值，PLC控制变频器的工作频率，通过模糊计算的输出信号，以控制水泵的转速和调节水管道压力。 The real time control performance to the water pressure of water supply system designed in this paper was proved to be all-right according to the experimentation validated.本文设计供水系统的水压力的实时控制性能被试验证明是可行的。 The hard ware module is steady-going and reliable, and the fuzzy controller is proper and valid and can guarantee the better stability of water pressure.硬件模块是稳重的和可靠的，模糊控制器是正确的和有效的，这样水的压力才能保证有更好的稳定性。关键词：模糊控制；PL；变频调速I. 引言随着经济和社会的高速发展，能源短缺正在越来越明显，人们对供水的质量和可靠的要求也越来越高。因此，使用先进的自动化技术与高节能和高可靠性设计的恒压供水系统已成为一个必然的趋势。因为供水用户的要求往往是不稳定的，需要一个闭环调节外变频器的使用，以保持恒定的水压，它通常是由过去的PID实现。然而，供水系统具有巨大的滞后惯性而用户的供水要求具有较大的随机性，有可能导致水压力管道没有变化的规律，所以难以用精确的数学模型来描述这个问题。因此，采用传统的PID控制很难达到满意的控制效果。模糊控制技术是一个很好的方法，使用模糊推理实现系统控制，它不需要建立数学模型1。近年来，许多研究人员增加了各种模糊控制策略控制计划，并取得了令人满意的结果。李忠和其他人设计了一种通过PLC来控制的模糊控制供水系统，可以克服在传统的PID调节参数控制2中的问题。赵保勇设计了一种基于一个单一的芯片上的模糊PID与自我调节因子控制器，这在控制水的非线性和滞后的特点上发挥了重要作用，也解决了在传统的PID控制3调整参数困难的问题。李新春设计基于AT89C51的恒压供水控制器并且在其中应用了模糊自整定PID算法4。乔威德提出了自适应闭环控制功能，通过神经网络和模糊逻辑相结合的压力管道的设计，它强大并且可靠5。王彩霞已经设计了一个模糊的水提供一个变频器控制三个系统泵，大大降低了设计和成本操作6在上述方案中，大部分是基于PID控制，他们具有更大的频率波动，容易导致水在管道中的压力不稳定。为了解决这些问题，基于系统分析工作的特点和工艺供水控制系统的要求，我们采取模糊控制的方法来建立一个基于PLC和变频器的恒压供水系统。我们利用模糊逻辑控制理论，使压力传感器信号输入和输出的模糊控制变量并根据操作经验规则表实现模糊推理模糊逻辑控制表。在实时控制过程中，输入系统转换在实时检测到输出信号压力求模糊逻辑控制表，然后我们得到一个模糊决策的精确输出。最后，系统完成了模糊逻辑控制的全过程通过控制频率恒定的水压 电机根据精确的输出。经过大量试验，我们已经证明，恒压供水系统在本文设计中具有良好的实时性能，控制和硬件模块工作稳定可靠。自适应模糊控制器的设计在这里也是正确的，有效的保证稳定的水压力管道，它实际上是一个更好的控制系统。II. 系统控制方案A.系统控制原理三泵并联运行系统。PLC具有定期对一个给定的压力和管网的实际压力的实时检测，并把它们的值输到PLC。模糊控制器计算偏差E和在偏差率E的变化。获得了从模糊控制算法的输出控制信号，通过模拟量输出模块发送转换器来调整水泵电机的电源电压和频率。当有少量的水，一台泵在变频器的控制下可以稳定运行。当水多到连水泵全速运行都不能保证管网的压力稳定的时候，在同一时间由PLC检测下限压力信号和对转换器的高速信号。 PLC从第一次泵变频状态转换到工作频率状态，以保持压力的连续性，而另一种是由变频器启动泵开始运行，以保持稳定的压力增加量的供水网络。如果两个泵的操作不能满足压力要求，泵从变频状态转化为工作频率状态，另一台泵将启动。当用水量减少，这表明变频器工作在最低转速信号是有效的。此时如果仍然有压力上限信号，PLC将停止原本工作在工频状态的第一台泵，以减少水量。当两个信号仍在，PLC停止原本工作在工频状态的第二台泵，直到最后一泵由变频器提供水。B.系统硬件系统选用西门子S7-214PLC7，与I / O扩展模块。主要检测元件光开关，压力检测开关，共计12输入信号。实现部件是电机，变频调速器，声光报警，依此类推，总共3个输出点。控制系统原理图如图1。图1。控制系统原理图PLC主要完成现场数据采集，转换，存储，报警，控制变频器从而实现压力调整。三泵驱动直接由变频器保持恒定压力，启动和停止逆变器分为手动控制和PLC控制。在控制面板上有一个手动/自动转换开关，PLC具有实时检测状态功能。当手动功能选中，开始和停止泵开关通过面板按钮手动控制操作和交换机。当自动功能被选中，由PLC完成控制和报警。III. 模糊控制器的设计系统采用二维模糊控制器。输入给定的水压力之间的偏差E来测量水在自来水管网的压力和偏差率的计算偏差和以前差的变化。模糊控制器的输出是控制系统增量U。模糊控制规则是根据在居民区供水的实际情况和实践经验的运营商总结出来的。基于模糊控制规则和模糊推理合成规则和相应的控制量，根据最大隶属原则，可以得到相应的控制决策。经过电脑多次的离线调试和修正，将得到模糊控制表，它可以在实践中应用，也可在PLC中应用。当系统运行时，它从输入数据和计算域的模糊量的价值计算E, E。然后，它搜索模糊控制表，以获得控制量，控制变频器的输出将得到控制数量乘以比例系数8,9。A.使输入和输出变量的模糊化输入变量E和E的论域为-3,-2,-1,0,1,2,3。其模糊语言值NB(负大) NM(负中), NS(负小), ZO（零），PS（正小），PM（正中）和PB（正大）。隶属三角函数，如图2所示。输出的变量U的论域-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4。其模糊语言值NB（负大），NM（负中），NS（负小），ZO（零），PS（正小），PM（正中）和PB（正大）。隶属三角函数，如图3所示。B.模糊规则表模糊规则表见表1,这是在使用中对现场操作者手动调整水的压力的经验总结。C.求模糊关系矩阵和模糊控制查询表在表1中所示的双输入单输出语言控制策略由49模糊条件语句组成。我们按照最大隶属度法消除模糊变量U，从而得到确切数额10，对于所有的组合为E和E域的元素，我们可以计算出确切数额U对应每个组合的紧急程度。因此，我们可以得到模糊控制查询表。图2。输入变量E和E的隶属度图3。输出变量U的隶属度表1。模糊控制规则表IV.系统软件为方便编程和调试，系统控制器采用模块化编程。主要模块由手动操作模块，自动操作模块，故障诊断和报警模块。A. 手动操作模块当系统处于手动状态运行，PLC只接收保护电路和传感器信号并判断泵的运行状态。在发生故障时，输出报警信号。通过面板上的开关按钮和手的启动，停止泵的开关运作。B. 自动操作模块自动操作模块包括系统初始化，启动顺序测试，数据采集子程序，模糊控制子程序，初始值的子程序，电机控制子程序等。模块的流程图如图4。数据采集子程序：从主水管压力完成数据采集。电机控制子程序：3个水泵的运行和停止控制。变频器的输出频率与泵的速度。它的结果是，用水量越多，变频器的输出频率越高，泵的速度越大。而对于小的用水量，变频器的输出频率越低，泵的速度越小。当频率是为50Hz，即水泵全速运行，以及它没有满足供水的要求，PLC的自动地把第一泵由可变频率状态转换为工作频率状态，而由工作频率状态启动的第二台泵这时开始运行。如果供水不能满足要求，虽然第二个泵全速运行，PLC会自动切换第二泵的工作频率操作这时第三泵由变频器启动运行。根据低水位，泵将一个接一个地投入运行。当两台水泵全速运行，并在工作频率状态且第三泵工作在变频状态，水耗降低并且输出频率下降。如果频率达到最低限度，供水也大于用水量，系统会自动停止第三泵。同样，如果水供应仍然大于之后的第三个水泵站的水消耗，系统会自动停止第二泵，等等.模糊控制子程序：它被称为一个中断时间。其功能是通过调节泵的速度保持恒定输出水压。当主程序初始化系统时，我们首先得到目前的实际水压力。我们也可以利用这种压力，减去压力设置和误差的变化，将由目前的错误量减去以前的错误量得到目前的错误量。然后，我们可以通过模糊量化误差量及其变化得到模糊控制量，并寻求模糊控制表。最后，实际控制量乘以比例因子的模糊控制量控制PLC及其通信转换器的频率，以保持恒压供水。其流程图如图。5。C. 故障诊断和报警模块转换器具有避免短路和过载保护的功能。有短路，过载水泵电机故障时，转换器会自动切断电源电路，进入保护状态，并输出报警信号。系统链接接触器的辅助节点，相应的断路器故障点的PLC与PLC扫描这些接触的状态。这些状态数据存储在通过PLC程序的存储区域。根据逻辑分析控制程序和设置的状态，该系统可以判断是否有故障的设备或部件。如果出现故障，水泵的接触将被切断，逆变器将重置。后备泵的接触，然后打开，将启动备用泵。同时，该系统输出故障泵的报警信号，如照明指标。图4。自动操作模块流程图 图5。模糊控制子程序为了丰富了人们的经验在手动控制的过程中采用模糊控制理论讲系统的输入转化为输出，这反映在自动控制过程中，为系统的可靠运行提供了保障， PLC作为控制器。其硬件结构简单，成本低。水系统水泵电机无级调速。它的运行参数自动调整，可以保持恒定的水压，以满足需求和用水量的变化。此外，还有一个RS-485接口在S7-214 PLC基本单元，通过它可以沟通建立监控中心，实现无人值守的远程控制。经过6个月的测试，该系统具有性能稳定，运行可靠，节能的效果。参考文献1 Zadeh L.A, “Fuzzy sets information and control”,1965,(8),pp.338-353.2 Zhong Li, Yan Li, Pingliang Yu, “Constant pressure water supply system with PLC and inverter”, Huadong Chuanbo Gongye Xueyuan Xuebao/Journal of East China Shipbuilding Institute,1998,(12),pp.69-73.3 Baoyong Zhao, “Application research of the fuzzy control technology in the variable-frequency speed-governing constant-pressure water supply system”, Electric Drive Automation, 2003,25(6),pp.16-17.4 Xinchun Li, Fengshu Li, Shun Yang, “The application of single-chip computer in the fuzzy control of water-supply system with variable frequency and constant pressure” , Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2002,03,pp.354-355.5 Weide Qiao, “Application of fuzzy neural network in PLC water supplycontrol system with constant voltage”, Electric Drive 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