应用PLC模糊控制实现变频调速恒压供水.pdf

第 3期 2 0 0 7年 6月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Au t oma t i o n N0 ． 3 J u n ．2 0 0 7 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 0 3 --0 1 1 8 一O 3 应用 P L C模糊控制实现变频调速恒压供水 乔 维德 常州市广播电视大学 ， 江苏 常州 2 1 3 0 0 1 摘要 文章介绍 了一种变频调速恒压供水系统。该 系统应用 P L C模糊控制技术编程设计 了在线 自调整 模糊 控 制 器 ， 通过模 糊 控 制 实现 了管 网压 力 的 闭环 自适 应 控 制 。 关 键词 恒压供 水 ； 模 糊控 制 ； 变频调速 ； P L C 中图分类号 T P 2 7 3 ． 4 文献标识码 B 0 引 言 在城市高楼快速发展 的今天 ， 如果仍采用传统 的市政供水组合泵供水 系统供水 ， 水泵 电控采用继 电器系统， 水压控制由值班员人工操作 ， 水压会 因白 天和晚上用水量相差较大而极不稳定 ， 而且 由于水 泵扬水较高， 致使水泵 电动机一直处于高速运行状 态 ， 会造成较大 的电能损耗。为 了保证 供水量波动 时水压恒定 ， 笔者采用 模糊控制技术 、 利用 P L C控 制系统编程设计 出在线 自调整模糊控制器 ， 实现了 全 自动恒压供水的控制。该控制方式能根据管网压 收稿 日期 2 O O 7 一O 1 1 7 作者 简介 乔维德 1 9 6 7 一 ， 男 ， 副教授 ， 毕业于东南大学 自动控 制系 ， 江 苏广 播 电视 大 学学 术 带 头人 ， 已公 开发 表 专业 学 术 论 文 四十 多篇 ， 著 书 2部 ， 完成科研项 目 9个 。 力 自动调节供水流量 ， 既保证供水压力的稳定性 ， 又 节约 了电能 。 1 恒压供水系统组成及硬件设计 变频调速恒压供水系统 由可编程控制器 P L C、 变频器 、 水泵 电机组、 压力传感 器、 文本显示器 以及 接触器控制柜等组成 。其原理如图 1 所示。系统采 用 1台变频器拖动 4台电动机启动、 停止、 运行和调 速。压力传感器采样 管网压力信号 ， 变频器输 出电 动机频率信号 ， 这 2个信号反馈 给 P L C， 通过 P L C 编程控制 4台水 泵按一定 的工 艺要求工作 。P L C 通过通信 口连接文本显示器 ， 可 以对恒压供水 系统 实时监测和控制 。 1 P L C选 型 采用 西 门子 S 7 3 0 0系列 的 C P U 3 1 5 ， 同 时选 用 E M2 3 5 模 拟 量 扩 展 模 块 ， 它 可 扰 。因此在这一区域设置陷阱， 就一定能捕获到弹 法 ， 就能设计出经济、 合理 、 高可靠性的控制系统 。 飞的程序。可 以利用“ L J MP 0 2 0 2 H” 指令 其 目 标 代 码 为 0 2 0 2 0 2 H ， 在 R OM 的 空 闲 区 全 用 参考文献 “ 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 ⋯” 填 满 ， 而在 程 序 区 的 0 2 0 2 H 地 址处 ， 用 1 条“ L J MP E R R” 转出错处理程序。这样 [ 1 ] 刘光斌． 单片机系统实用抗干扰技术t- M] ． 北京 人民 就能有效地捕获住弹飞 的程序 ， 而又不影响正常执 邮电出版社， 2 0 0 3 3 2 2 3 5 8 行 的程序流程 。 [ 2 ] 夏扬 计算机控制技术[ M] 北京 机械工业出版社， 2 0 04 1 22～ 1 35 ． 3 结语 [ 3 1 邴志刚． 计算机控制 [ M] ． 北京 清华大学 出版社， 2 00 5 】 2 6～ 】 31 ． 本文概述了提高嵌入式系统可靠性的一些常用 [ 4 ] 孔娟 ．单 片机 测控 系统 中 的抗 干扰技术 [ J ] ． 自动化 的软件技术 ， 每种方法都有其适用 范围。要提高嵌 ． 与仪器仪表 ， 2 0 0 3 3 3 1 ～3 2 ． 入式系统的抗干扰性能 必须改变传统的只重视硬 [ 5 ] 王富荣．提 高单 片机 系统 可靠性 的设 计方 法 [ J ] ． 电子 件可靠性设计的思路 ， 加强软件可靠性设计 ； 改变传 器件， 2 0 0 4 4 7 5 2 7 5 4 ． 统的电子产品结构设计观念 ， 实施集成化结构设计 ； [ 6 1 工业工程网络学会． 二十世纪留给二十一世纪可靠性 开拓质量 与可 靠性 管理新 思路 ， 推行 I P P D管理 。 工程热点问[ D B ／ O L ] ． [ 2 0 0 4 1 1 _ 1 8 1 h t t p ／ ／ w w w ． 把硬件和软件有机地 结合起来 ， 运用多种抗干扰方 m y - 0 g ／ Z H ／ l i s t ． h t m ‘ 维普资讯 2 0 0 7 年 第 3期 乔 维德 应 用 P L C模 糊控 制 实现 变频调 速恒 压供 水 1 l 9 位 检 测 信 号 三 竺 卜 工 频 ／ 它 开 关 量 输 入 E M 23 5 变 频 切 换 电路 鞋 CPU3l5 其它 开关量输 出 l 泵 2 泵 3 泵 4 泵 图 1 变 频 调 速 恒 压 供 水 系统 原 理 图 以将管网压力信号和电动机频率信号转换为对应 的 控制信号 。 2 变 频 器 选 用 西 门子 变 频 器 M4 4 0 ， 它 具 有 模拟量输入控制性 能， P L C模拟量输入模块检测 网 管压力 ， 并对输入 的水压进行变频控制 。 3 文本显示 器 本系统供水压力、 水位 、 工作 频率、 当前机组的运行状态等参数需实时显 示或设 定 ， 所以选用西门子 O P 2 7 0文本显示器作为人机交 互界 面。通 过 连 接 电缆 将 OP 2 7 0与 C P U3 1 5的 P P I 通信接 口相 连接， 该显示器可 以利用输入 键对 系统过程参数设定并修改 ， 同时还具有密码保 护功 能 。 杂 ， 其控制特性会受系统对象内部参数变化的影响 ， 因而用常规的 P I D算法控制时， 往往难 以得到较理 想的静动态特性 。采用模糊逻辑控制 的方法控制水 压 ， 可以达到良好 的控制性能。 模糊控制系统结构如图 2所示。以水压给定值 S P 和实 际水 压测 量 值 PV 的偏 差 e P S P～PV 和偏差变化率 e c e c d e ／ d t ， 通过量化 因子模糊化 后分别得到模糊量 E 和 E C， 并分别 用模 糊语 言加 以描述 。如果用 P L C进行在线模糊推理 ， 将花费大 量 的运算时间， 从 而影 响系统工作 。所以这里采用 查询模糊控制表的方法实现恒压供水控制 。 图 2 模糊控 制系统 结构图 模糊控制表是在脱 机状态下 ， 利用模糊控制规 则进行推理 ， 并经反模 糊化后得 到。对应于不 同 e 和 e c的组合 ， 都可以在模糊控制表 中找到与之对应 的输出量 U。 2恒压供 水原 理 4 模 糊控 制器 的设 计 P L C控制 4台水泵按“ 先开先停 、 先停先开” 的 原则循环工作 。系统开始工作时 ， 先在文本显示器 上设定水压值 ， 并按动开关启动系统。由变频器启 动 1 水泵 ， 水管水压逐渐增大 ， 变频器将水管 内反 馈压力 与给定压 力 比较 ， 经过 P I D运算 ， 调 节变频 器输出频率 。在用水量较大时 ， 变频器输 出频率接 近工频 即到达极 限输 出频率 ， 而水压仍达不到给 定压力值 ， P L C将当前工作的 1 变频泵切 换到工 频下工作 ， 关断变频器 ， 再通过接触器将变频器切换 到 2 泵 上 ， 实 现 1台工 频 、 1台 变频 双 泵 供 水 。随 着 2 水泵 的转 速增 加 ， 水压 继 续 加 大 ， 直 到 当 前 的 水压达到设定值。根据以上原理 ， 随着用水量增加 ， 依 次开启 1、 2、 3、 4水 泵 。反过 来 ， 当用 水 量减 少 、 水 压增 加 时 ， 变 频 器 使 水 泵 的转 速 下 降 ， 下 降至下限值时 ， 则又按照开启的顺序依次关闭水泵 ， 从而使压力稳定在设定值 。整个控制过程系统均以 水管压力与给定压力保持一致为原则， 时刻采样极 限频率信号和压力反馈信号 ， 通过 P L C进行逻辑判 断并输出相应的指令 ， 控制水泵的工作模式 ， 实现 自 调整变 频恒 压供 水 。 本系统采用查表法 ， 所 以设计模 糊控制器主要 是求取模糊控制表 ， 具体实现步骤 1 确定模糊控 制器的输入、 输 出量 。输入 变 量为上面的水压偏差 E和偏差变化率 E C， 输出控 制变量为 L ， 。 2 确定输 入 、 输 出量 对 应 语 言变 量 的论 域 元 素 。选定 E、 E C和 U 的论 域 为 { 一5 ， ～4 ， 一3 ， 一2 ， 一 1， 0 ， 1 ， 2 ， 3， 4， 5 } 。 3 在各输入和输出输出语言变量论域 中定义 模糊子集 ， 对应的模 糊子集为 { NB 负大 、 NM 负 中 、 NS 负 小 、 Z 0 零 、 PS 正 小 、 PM 正 中 、 ／ 一口、， PB 正大 } ， 隶属 函数采用 高斯基 函数 P J。 定 义 E、 E C、 U 的语 言变 量值 如表 1 所 示 。 4 确定模糊控制规则。定义模糊控制规则如 表 2所示 。表 中 代 表 不可 能 出现 的情 况 。 5 求取模糊控 制表。依据模糊控制规则 ， 采 用 rai n ma x重心法 总结推算 出如表 3所示 的模糊 控制 表 。 5 P L C软 件设计 3 模糊 控 制原 理 P L C采用梯形图编程语言编写子程序 ， 根据模 基 于恒 压供水系统 的数学模 型和运算 比较复 糊控制原理 ， 确定输出量 ， 实现顺序逻辑控制和压力 维普资讯 1 2 O 工矿 自动化 2 0 0 7年 6月 表 1 E、 E C和 u 的语言变量值 表 E、 E C和 u 的论域 元素 模糊量 一 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 NB 0． 7 0 ． 4 0 ．2 0 0 0 0 0 0 0 0 NM 0 ． 6 0 ． 9 0 ． 8 0 ．1 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 ． 3 0 ． 7 0 ．9 0 ． 8 0 0 0 0 0 0 z o 0 0 0 0． 4 0． 9 0． 5 0 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 0 ． 8 0 ． 9 0 ． 7 0 ． 3 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 0． 3 0 ． 7 0． 9 0． 6 0． 2 PB 0 0 0 0 0 0 0 0 ． 1 0． 3 0 ．7 0 ． 9 6 6 4 4 4 2 1 0 0 0 5 4 4 3 3 3 1 1 0 0 6 6 4 3 3 2 1 0 1 1 5 4 3 3 2 1 0 3 2 1 5 4 3 1 l 0 0 3 6 5 6 4 2 1 0 1 2 4 5 5 5 3 1 0 2 2 2 4 5 4 3 2 0 0 2 3 4 4 4 6 3 1 0 1 1 3 2 4 6 5 2 2 1 3 2 4 3 4 5 4 0 0 1 3 2 4 3 4 5 5 闭环 自调整控制功能。程序可 由主程序、 恒压控制 子程序 、 显示子程序 、 模糊控制子程序 、 通信子程序 以及故障报警子程序等部分组成。主程序主要实现 各种逻辑判断和控制 ， 如启 、 停 1 ～4 泵、 联锁控 制等 。恒压控制子程序主要是采集模拟量数据 如 水压等 ， 编写模糊控制算法 ， 总结 和建立模糊控制 器的控制规则和模 型。故障报警子程序主要对恒压 控制系统 中的变频器故障、 水泵的过载与损坏 、 P L C 故障等进行诊断和系统 自我保护。通信子程序主要 实现文本显示器与 P L C的 C P U3 1 5之 间的信 息传 送控制 ， 动态显示水位、 管网压 力、 泵运行状 态及报 警提示信息等 ， 便于工作人员进行实时监 测。其 中 恒压控制子程序流程如图 3 所示。 恒压控制 子程序入 口 调用显示子程序 采集管网压力， 求e 、 e c 调用模糊控制子程序 控制 l ～4 泵组 ‘ Y 调用故障报警子程序 l 图 3 恒压控制子程序 流程 图 6 结语 本文 将 自调 整模 糊 控 制 器 引 入 到基 于 P L C控 制的变频调速恒压供水系统 中， 模糊控制不依赖于 对象的精确模型 ， 能够很好地克服恒压供水系统中 非线性 、 时变等因素的干扰影响。 1 在用水量大的高峰期 ， P L C控制 1 ～2台工 频和 1台变频调速 ； 在用水量小的低谷时 ， 只用 1台 变频一般就可以满足用户用水需求 。 2 经 过 现 场 运行 和测 试 表 明 ， 采 用 模 糊 控 制 器的恒压供水 系统的动静态性能和抗干扰均优于传 统 的原 阀门控 制水 压 和数 字 P I D 变频 调 速 控 制 ， 具 有 很 强 的鲁 棒性 。 3 模糊 控制相当于 P D控制 ， 有稳 态精度低 的缺点 。但本系统采用的是 P L C的模糊控制系统 ， 当误差 l P l O ． 2时， 采用 P L C内置的 P I 指令功 能 消除 系统 稳态 误差 ； 当误 差 l l 大 于 0 ． 2时 ， 采 用模 糊控 制 。 因此本 系 统运 行 可 靠 ， 能较 好 地 解 决 用户水压不稳定的问题 ， 在恒压供水工程 中具有较 好 的推广应 用 价值 。 参 考文献 [ 1 ] 钟肇 新． 可 编程控制 器原 理及 应用 [ M] ． 广 州 华南 理 工大学 出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 2 ] 孙平． 可编程 控制器 原 理及应 用 [ M] ． 北 京 高 等教 育出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 刘法治 ， 赵明富． 模糊控制技 术在高楼恒压供水 系统 中 的应用[ J ] ． 微计算机信 息 ， 2 0 0 5 7 ～1 ． 维普资讯