基于PLC和模糊控制的变频调速恒压供水系统毕业设计

基于基于PLCPLC和模糊控制的变频调速恒压供水系统和模糊控制的变频调速恒压供水系统 摘要摘要 为了解决由高塔供水和水泵直接供水模式造成的水质低劣和浪 费电力问题，我们引入了恒压供水系统， 它采用嵌入式的模糊控制技 术，使PLC及变频器作为其核心。当系统运行，水管的压力通过压力 传感器从终端X0输入到PLC。通过比较实测值与设定压力值，由模 糊计算器输出信号，PLC控制着变频器工作频率，从而控制水泵的旋 转速度和调节水管的压力。本文设计的供水系统的实时控制性能， 是 根据实验验证被全权证明了的。 硬件模块是稳定且可靠的， 模糊控制 器是合适且有效的，它能够保证更稳定的水压。 关键词：关键词：模糊控制；PLC；变频调速控制 一一引言引言 随着高经济和社会的高速发展， ， 能源紧缺正变得越来越明显别 且人们对饮用水的水质和可靠性的要求也越来越高。 因此应用先进的 自动化技术来设计恒定的供水系统从而实现水资源的高节能型和高 可靠性变成了一种不可避免的趋势。 由于用户对供水的需求往往不稳定， 为了保持恒定水压力闭环监 管系统需要使用外围变频器， 这在过去已广泛地由PID实现了。 然而， 供水系统是一个具有巨大惯性且极为落后的系统同时用户对供水需 求已变得非常有随机性， 这可能会导致这条管道的水压的改变没有任 何规律， 因此使得用精确的数学模型来描述这个过程变成了一个艰苦 的工作。由此得出，利用传统的PID控制技术很难得到满意的控制效 果。 模糊控制技术在使用模糊推理来实现系统的控制中是一个很好 的方法，它不需要建立数学模型1。近年来，许多研究人员将模糊 控制策略应用于多种控制方案，并取得了令人满意的结果。 Li Zhong 和其他人设计了一种由 PLC 控制得模糊控制供水系统，它可以克服 上述问题能够调整传统 PID 控制很难修改的系统参数2。Zhao Bao-yong 设计出的模糊 PID 控制器，在单个芯片上具有自我调节的 要素， 它在供水控制系统的非线性和滞后特点的控制中发挥了重要作 用， 也解决在传统的PID控制中调整参数困难的问题 3。 LI Xin-chun 设计了一个基于 AT89C51和应用模糊自适应的 PID 算法的恒压供水 控制器 4。 Qiao Weide 提出了对管道压力的自适应闭环控制设计功 能，它通过组合管道网络和模糊逻辑， 现在此技术已经很耐用和可靠 了5。Wang Cai-xia 设计了一个模糊的水供应一变频系统控制三个 水泵，此设计已大大降低了设计和操作成本6。 在上述计划中，大部分是基于 PID 控制，它们有更大的频率波 动并且容易导致管道中的水压不稳定。为了解决这些问题，在全面 系统得分析了供水的工作特点和为实现供水系统控制要求的技术 后， 我们已在 PLC 和变频器的基础上采取了模糊控制的方法来建立 一个恒压供水系统。我们利用模糊逻辑控制理论，来制造压力传感 器输出信号的输入和控制变量模糊根据操作经验实现模糊逻辑推理 的模糊控制表。在实时控制过程中，系统转换的输入信号检测到输 出实时的压力寻求模糊逻辑控制表，然后我们就得到了精确的输出 模糊决策。最后，系统根据精确的输出来控制电机的频率完成模糊 逻辑控制的全过程以恒定水压。经过大量的测试，我们已经证明， 本文设计的恒压供水系统具有良好的实时控制性能并且其硬件模块 工作稳定可靠。 在本文设计得自适应模糊控制器也是正确和有效的， 能够保证水管里的水压稳定，确实是一个很好的控制系统。 二二系统控制计划系统控制计划 A.A.系统控制原理系统控制原理 同时在系统中运行 3 个水泵。 PLC 周期实时检测给定的压力和 实际检测到的管道网压力，它们的值都被输入到PLC。 模糊控制器 计算它们的偏差 E 和变化 偏离率 E。 从而就得到了模糊控制模拟器 的输出控制信号。 这是通过模拟转换器发送到输出模块来调整泵的电 机电源电压和频率。当需要少量的水时，一个泵在变频器控制下稳定 运行。 当需要大量的水以致于水泵全速运行还不能保证在管道网的压 力稳定时， 下限 PLC 的压力信号和变频器的高速信号被 PLC 在同 一时间检测。PLC 使第一个泵从多种频率状态转换到工作频率状态， 以保持压力的连续性， 而另一个泵是由变频器启动开始运行，以增 加管道网的水量来保持稳定的压力。如果运行的 两个水泵还不能满 足压力要求，在变化频率状态的泵就转化为在工作频率的状态， 而另 一个泵将启动。当用水量减少，信号显示变频器工作在 最低速度就 是有效的。此时如果压力 上限信号仍然存在，PLC 将停止第一个运 行在工作频率状态的泵以减少水量供应。 当两个信号仍在存在时，只 要最后的泵由变频器启动供水，PLC 就会终止第二个运行在工作频 率状态的泵。 B.B.系统硬件系统硬件 系统选用西门子 S7 - 214PLC 7，配有 I / O 扩展模块。主要检 测元件是光控开关，压力检测开关，总共有12 个输入信号。执行元 件是电机，变频器，声光报警器等等，总共3 个输出点。控制系统原 理图所示图。 1。 PLC 主要完成现场数据采集，转换，存储，报警，控制变频器 完成调整压力。三个泵的驱动由变频器直接驱动以保持压力恒定。 变 频器的启动和停止分为手动控制和 PLC 控制。在控制面板上有一个 手动/自动转换开关，自动时PLC 有实时检测状态。当选定手动功能 时， 水泵的启动和停止以及对水泵开关操作是通过面板上的按钮和开 关手动控制的。当自动功能被选择时，所有控制和报警由 PLC 完成。 三模糊控制器设计三模糊控制器设计 系统采用二维模糊控制器。 输入量是给定的水压力同测量的自来水管网的水压力的偏差E， 并且 这个偏差的变化率是两个偏差计算得到的。 模糊控制器的输出是控制 系统的增量 U。模糊控制的规则是根据供水住宅区的实际情况和操 作者的实践经验总结而成的。 相应的控制决策可以由基于模糊控制规 则和模糊推理合成规则获得， 同时相应的水量控制可以从最大用户原 则下得到。当电脑计算完成，并已反复调试和修正后，模糊控制表将 可以在实践中应用，这时就可以输入到PLC 内。当系统运行时，它 开始从输入数据里计算 E， E 同时计算模糊域值。然后搜索模糊控 制表以获得控制数量， 而后频率转换器的输出由控制数量乘以比例系 数得到8,9。 A.A.输入输出模糊变量输入输出模糊变量 The universes of discourse of input variable E andE are -3,-2,-1,0,1,2,3. Its Fuzzy language values are NB(negative big), NM(negative middle), NS(negative small), 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 variableU are - 4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4. Its Fuzzy language values are NB(negative big), NM(negative middle), NS (negative small), ZO(zero), PS(positive small), PM (positive middle) and PB(positive big). Membership function uses triangle , shows in Fig. 3. B,B,模糊规则表模糊规则表 模糊规则表的表一显示， 这是从一线操作者手动调节水的压力的 经验中总结而成。 C.C.模糊关系矩阵和模糊控制查询表模糊关系矩阵和模糊控制查询表 表一显示的双输入和单输出语言控制策略是由49个模糊的条件 组成。我们通过同最大用户法则一致来消除模糊值 U来获得的精确 的数值。因为 所有的组合元素都在E和 E内，我们能够计算出与 相应于每个组合得确切数值。因此，我们可以得到模糊控制查询表。 四。系统软件四。系统软件 为了编程和调试的方便， 系统控制器采用模块化编程。主要模 块包括手工操作模块，自动 操作模块，故障诊断和报警模块。 A A：手动运行模块：手动运行模块 当系统处于手动状态运行时，PLC 的只接收 保护电路和传感器 的信号并且检测 水泵的运行状态。 在发生故障时， 报警器 信号输出。 通过控制板上的按钮和开关可以手动控制启动， 停止，以及水泵的开 关 。 B.B.自动运行模块自动运行模块 自动操作模块包括系统初始化，测试的启动顺序，数据采集 子 程序， 模糊控制子程序， 初始值 子程序， 电机控制子程序等。 模块 流 程图如图。 4。 数据采集子程序数据采集子程序：完成从主管道获得压力数据。 电机控制子程序电机控制子程序： 操作和控制 三个水泵。频率器的输出频率与水泵的速度相关。 结果是，耗水量越大，转换器的输出频率越大，从而水泵的速度变得 更大。然而小的用水量时，变频器的输出频率就低了，于是泵的速度 降低了。当频率达到 50 赫兹，即泵全速运行，但是它不能满足 供水 要求时，PLC 会自动转换第一个泵从可变频率到工作频率状态。 同 时由变频器启动的第二个泵就会运转。如果第二泵已全速运行 ，但 还是不能满足供水需求时， PLC 会自动切换第二泵到工作 频率操作， 由变频器启动的第三个泵就开始运行。根据从低到高， 水泵将逐一 投入运行。当有两个 全速运行的水泵并工作在工作频率状态而第三 泵工作在变频状态，水 需求量减少同时输出频率就会下降。 如果频 率达到了最低的限度，而供水也 大于用水量时，系统 会自动停止第 三个水泵。同理，如果在第三个 泵停止后供水 仍大于用水量，系统 会自动停止第二个泵， 等等以此类推。. 模糊控制子程序模糊控制子程序： 它被称作是时间中断。 它的功能是通过调节泵的速度来保持恒定 的输出水 压力。当主程序将系统初始化， 我们首先得到 目前的实际 水压。 我们还可以得到本 错误数量减去使用这种压力的压力 设置和 误差的变化将变得目前使用 错误数量减去以前的错误数量。和那么 我们可以透过模糊的模糊控制音量量变到错误的数量及其变化和寻 求模糊控制表。最后，真正的控制量，来自模糊控制量的规模乘以因 子控制由 PLC 和变频器频率的沟通，以保持恒压供水供应。其流程 图如图。 5。 C.C.故障诊断和报警模块故障诊断和报警模块 变频器具有避免短路和超载的功能。 当水水泵电机有短路，过载 故障时，变频器将自动切断电源供电线路， 进入保护状态并且输出报 警信号。 系统连接辅助节点接触器， 断路器对应点没有 PLC 同时 PLC 会扫描这些接触点的状态。 这些状态数据通过 PLC 存储在存储区域。 根据逻辑分析控制程序和状态的设置， 系统可以判断是否有设备或部 件故障。如果有故障，水泵的接触将被切断，变频器将重置。然后是 后备泵的接触将闭合，这时备份泵将启动。在同时，系统将输出泵的 故障报警信号，如照明指标。 五，结论五，结论 模糊控制理论是用来转换系统的输入到输出， 在人工控制时以丰 富人们的经验，当然，这反映在自动控制过程，并为系统可靠运行提 供一个保证。 PLC 是作为控制器，其硬件结构简单，价格低廉。水 泵系统的电机可以无级变速调速。 它的运行参数可以自动调整以保持 恒定水压来满足当用水量变化时的要求。此外，在的 S7-214 PLC 基 本单元内有一个 RS - 485 接口，通过它可以同楼宇监测中心保持通 讯从而实现无人值守的远程控制。 经过 6 个月的测试， 这个系统具有 性能稳定，操作可靠和节能效果。 参考书目参考书目 1 Zadeh L.A, “Fuzzy sets information and control”,1965,(8),pp.338- 353. 2 Zhong Li, Yan Li, Pingliang Yu, “Constant pressure water 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 Automation, 2007,29(2),pp.48-51. 6 Caixia Wang, “Study of fuzzy variabl