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1、答辩报告,论文题目： 基于PLC的模糊控制恒压供水系统设计,一.论文工作简介 1 课题提出的背景和意义 近年来，随着人们物质生活水平的不断提高，城市建设步伐的加快，城区不断扩大，楼房的不断加高，对城市供水系统的供水性要求越来越高，同时现代消防安全保障，对城市供水系统也提出了更高的要求，传统的供水方式越来越不适应城市发展要求。传统的供水方式主要有切换恒速泵组加压供水、调节阀门供水、高位水塔供水等 。居民区用水，不同时段的用水量不固定,昼夜负荷变化大，例如：采用切换恒速泵组加压方式供水，若供水系统用水量大，增加泵组，系统水压可能会超过所需水压，水压高，既浪费电能源又易使水管爆裂，增加供水成本。同理
2、，若供水系统用水量减少泵组，系统水压可能会低于所需水压，水压低，用楼房高层供不上水，高层居民会出现用水难问题，给生活用水带来极大不便，也不利于消防安全。,2 供水系统控制方案确定 针对传统生活用水供水系统中存在的水压不稳定、能源浪费等问题，如果单片机与变频技术相结合，对传统供水系统进行节能改造PID算法编程难度大，系统在软件设计工作量较大（难以确定数学模型），程序调试难度大，系统抗干扰性能较差。因此，本文提出了基于可编程控制器（PLC）的模糊控制变频调速恒压供水系统的设计方案, 该控制系统是以PLC为核心，与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定
3、,参数，采用实用有效的模糊控制算法，通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速， 并根据用水量的大小，由PLC控制水泵数量及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。 2 课题应用范例 此系统已成功应用于我所在学校生活区供水改造和新乡市三利股份有限公司的冲压车间供水改造。,二. 供水系统设计 1 供水系统主要功能 （） 数据采集、监控 （）Fuzzy-PID调节控制 （）泵组切换控制 （） 变频与工频器切换控制 （） 显示、故障报警 （） PLC与上位机联网,2 供水系统控制方案分析 根据供水系统是用水量变化较大，且随机性强的特点。因此，供水系统控制方案宜采用多台泵组并联传动取代传统的一台或两台
4、大泵组传动，可以根据不同用水情况，合理地增加或切掉水泵，从而提高水泵工作效率，增加灵活性。采用是三台泵附带一台辅助小泵仿案。 由于变频调速装置的成本一般要占整个调速系统成本的四分之三，若采用一台变频调速器(VVVF)顺序拖动四台水泵的电机，可减少投资。由PLC控制四台拖动水泵的电机启动和停止,以及在工频电网与变频器输出之间进行切换运行，并通过程序控制自动实现（任意一台泵连续运行超过规定时间）停机轮休，防止烧坏变频器，从而延长泵组的使用寿命 3 供水控制系统的组成 供水控制系统的原理框图及系统主电路如图所示。,供水控制系统主要由4台水泵机组、可编程控制器（PLC）、泵类专用变频器、压力变送器 和
5、水位传感器一起组成一个完整的具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能控制系统。其中还包括接触器、热继电器、中间继电器、空气开关和断路器等系统保护电器，实现对变频器、电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。为保证供水系统正常运行和便于系统调试和定期检修，控制系统设有手自动切换开关。,4.系统硬件设计 （1）PLC 根据系统的要求，选用近几年西门子公司推出的 S7200 22X系列产品CPU226模块作为控制核心。CPU226模块的 1O总数为 40点，其中输入点 24点，输出点 16点 CPU22X系列产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。可带 7个扩展模块；内置高速计数器6个
6、，具有PID控制器的功能；有2个高速脉冲输出端；通讯中断，硬件输入中断；,2个RS485通信口；运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。 （2）变频器 选取一台西门子Mi-croMaster430 泵类专用变频器， （3）压力变送器 选用由金华自动化仪表设备厂生产的DBS316A系列压力变送器。测量范围在0MPa6MPa之间,5 系统软件设计 编程软件采用西门子公司开发的编程软件-STEP 7MicroWIN32，它支持所有西门子生产的PLC产品。 该编程软件采用的是典型的Windows界面，菜单界面、编程界面、监控界面等可同时以窗口形式相叠或平铺显示，可以通过快捷键在各个窗口之间
7、进行移动和切换，这给调试程序和现场监控带来了便利。各种功能切换和指令的输入既可用软件上的键盘快捷操作键操作，也可用鼠标点击图标操作,用这个软件来实现对PLC程序输入及编辑；用户程序检查与调试；运行状态、数据的监控及测试；系统寄存器、PLC和系统参数的设置；系统组态；程序清单和监控结果等文档的打印；数据传输及文件管理等功能。 （1） PLC的IO地址分配 PLC的IO地址分配表表2所示。,根据系统的要求，恒压供水控制系统的设计主要涉及了16个数字量输入和 2个模拟量输入，16个数字量输出。设置7个操作键、9个开关量传感器和2个模拟量传感器作输入信号；这7个操作键是自动方式开关、手动方式开关、停止
8、按钮及4个在手动控制下控制水泵机运行按钮开关，9个传感器，4个反映水泵电机堵转故障的热继电器开关信号，2个反映水位继电器开关信号，2个反映变频器电压与频率信号上下限开关信号，1个反映开关量压力设定值信号；其中扩充了1个EM231的模拟量输入模块，主要是用于测量水压值和流量值 。另外扩展了1个直流输出摸块（EM 222 8DC24V）的数字量输出模块，以提供更多的输出点数。,（2） PLC软件编程 整个系统PLC既有开关量输入/输出，又有与变频器和PLC的通信，因此在PLC控制软件编程上采用模块式结构。 主要程序有 主程序 事件处理子程序 硬件中断程序 定时中断程序等，,a 水泵起动运行子程序设
9、计 水泵运行子程序流程图如下图,在主程序中，PLC上电初始化，检测系统各部分状态信息，若有报警信息则首先发出警告，若无报警信息，则开始从1号泵变频起动，实时检测出水压力并进行PID运算，控制变频器的输出频率，保持供水压力恒定；若变频器频率达到50Hz延时后，出水压力仍低于设定压力，则将1号泵切换为工频，变频起动2号泵，以维持系统压力恒定并依此类推。若出水压力超过设定压力，则变频器降低输出频率来稳定出水压力。若变频器输出频率，低于设定水泵出水频率，而出水压压力仍高于设定压力值时，延时一段时间后根据软起/软停的原,则，停止正在运行水泵中频率最低的几乎停止的变频泵，在延时，判断压力，若压力很高，则切
10、换1号泵变频运行，直到压力恒定。如果用水量比较小，即流量小，若系统只有一台水泵变频运行，且连续一段时间频率低于设定出水频率，则切除变频运行主泵，这时起动小流量富足辅助泵来维持压力，直至出水压力达到设定值。投入小流量泵，这样既保护主泵电动机，又能节约能源。,b 参数自动调整修正因子Fuzzy-PID控制算法子程序设计 以水压实际测量值与设定值的误差大小作为选择的条件，在大误差范围内，采用自调整修正因子Fuzzy控制，以提高动态响应速度，增强自适应能力；在小误差范围内，于用PID控制，以消除静态误差，提高控制精度。同时，为了防止控制策略造成系统的切换过于频繁，在误差的切换点，系统规定不做切换，维持
11、上一次的动作。 压力闭环Fuzzy-PID控制子程序流程图如下图。,供水系统的水压自调整修正因子Fuzzy控制器具有良好的动态性能，能够随着误差E的变化修改控制规则，有一定的自适应能力，而不具备PID控制良好的静态性能，为此，把PID控制引入自调整修正因子Fuzzy控制中，构成自调整修正因于Fuzzy-PlD控制器 恒压供水系统控制策略选择是根据系统的信息，判断是采用自调整修正因子Fuzzy控制，还是采用PID控制，控制策略选择的基本原则是：,以误差的大小作为自调整修正因子Fuzzy控制与PID控制的切换条件：|E|=Eb，为切换点； 在大误差范围内（|E|Eb），采用自调整修正因子Fuzzy
12、控制 在误差切换点（|E| = Eb）以及系统允许误差范围内（|E| Ea）系统保持上一次的动作。 在小误差范围内（Ea |E|E b），采用PID控制，以消除静态误差，提高控制精度,三系统控制方法模糊控制 供水系统控制方式选择,2 模糊控制系统构成 模糊控制器与常用的负反馈闭环系统相似，不同的是控制装置由模糊控制器来实现，本系统中采用二维模糊控制器。模糊控制系统结构如如下图所示。,3Fuzzy控制器的设计 水压闭环的基本Fuzzy控制器选用二维输入单输出模糊控制器，基本组成如图所示。 y 管网实测水压值 r系统设定值 e 误差 e误差变化率 ， u 系统的实时控制输出修正量 Ke 误差e的量
13、化因子 Kec 误差变化率e的量化因子 Ku 为控制量u的比例因子,Fuzzy控制器控制算法设计主要有以下内容： (1) 模糊控制器的输入、输出变量的论域及模糊控制器参数的确定 (2) 模糊推理及其模糊量的非模糊方法 (3) 模糊控制查询表,(1) 模糊控制器的输入、输出变量的论域及模糊控制器参数的确定 A 确定选择模糊语言变量并定义其论域 一个语言变量选用的语言值分档越多，对事物的描述就越细腻、准确、生动，制定的控制规则就比较灵活，控制规则本身也比较详尽，因而控制效果就越好。但是语言值分档太多，反而有可能使控制规则变得很复杂，编制程序比较困难，占用内存储器空间也较多；选择较少的分档，控制规则
14、相应变少，规则的实现方便了，但过少的规则又会使控制作用变得粗糙而达不到预期效果。,模糊控制器的输入语言变量为水压给定值r与实际水压y之间的误差e及其误差变化率e，输出语言变量为控制变频器输出频率的变频器电压给定值变化量u。这就为供水系统确定了一个双输入单输出的模糊控制器。在模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统控制过程中，控制周期为5s时，按系统实际控制经验，选取误差e、误差变化率e、输出控制量u的基本论域（基本论域的选取可依据系统的实际情况适当调整）分别为：-20，+20、-12， +12、-6，+6，对应的模糊变量分别记为E、EC和U。,B 确定输入语言变量E、误差变化率EC及控制量U的赋值表
15、根据系统精度要求以及系统实现复杂度的综合考虑，将误差e、误差变化率e、输出控制量u所对应的语言变量E、EC、U分成9档，每一档对应一个模糊子集： 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的论域将精确量离散化，划分为13个等级，即 N=-n，-1，0，+1，n，取n=6，则 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 =
16、-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6 C 根据控制对象的实际情况以及实际操作经验，确定控制过程的控制规则,(2) 模糊推理及其模糊量的非模糊方法 可根据模糊推理合成规则，求出其输出语言变量论域上的模糊集合Ul。 模糊推理后，输出的是一个模糊集合，还需要经过模糊判决，得到精确的控制量。本系统模糊判决采用加权平均法(重心法) (3) 模糊控制查询表 由模糊判决得到的实际控制量变化的精确量U。对模糊语言集合E、EC对应的论域的全部元素的所有组合计算出相应的以U的论域元素表示的控制量变化值，并组成矩阵，形成模糊控制,查询表模糊控制查询，这张表为可根据模糊控制规则及模糊推理离线计算得到，在实际系统中，可在试验中不断调整了控制表，使系统得到更好的控制效果。 将模糊控制表固存在计算机中。在控制过程中，计算机直接根据采样和论域变换得来的以论域元素形式表现的E和EC，由控制表找到对应的U，并以此去控制被控过程，以达到预期的控制目的。,敬 请 各 位 导 师 指 导,