基于S7-300 PLC的Fuzzy-PID控制恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門順治，鄭 欣，徐保國(guó)

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，無(wú)錫 214122）

針對(duì)重慶某公司除鹽水系統(tǒng)的工藝恒壓供水系統(tǒng)，研究設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用Fuzzy-PID控制方法的恒壓供水系統(tǒng)，使其在供水過(guò)程中，供水壓力恒定，響應(yīng)速度更快，節(jié)省在供水過(guò)程中消耗的能源。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)對(duì)水壓的調(diào)節(jié)是建立在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)基礎(chǔ)之上的，管網(wǎng)水壓的變化相對(duì)于轉(zhuǎn)速改變有一個(gè)較長(zhǎng)的滯后時(shí)間，是一個(gè)典型的大時(shí)滯系統(tǒng)[1]。

對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中用水量相對(duì)不確定的情況下，單純依賴水泵供水，頻繁開停會(huì)使水泵使用壽命明顯下降，同時(shí)在用水量小時(shí)，較大的管網(wǎng)壓力會(huì)造成一定的安全隱患，故可采用恒壓供水系統(tǒng)控制策略在管網(wǎng)流量變化時(shí)能達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能目的[2]，但采用傳統(tǒng)的PID控制難以保證在任何工況下都有較好的控制效果。因此，針對(duì)以上分析，本系統(tǒng)采用基于變頻技術(shù)與可編程邏輯控制器（PLC），采用Fuzzy-PID控制策略[3]進(jìn)行恒壓供水控制?？朔藛为?dú)模糊控制適應(yīng)能力較差與傳統(tǒng)PID控制效果不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本系統(tǒng)采用二層結(jié)構(gòu)，分為監(jiān)控層與控制層。監(jiān)控層主要包括工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC），通過(guò)WINCC組態(tài)軟件對(duì)水泵運(yùn)行狀態(tài)、流量、管路壓力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和記錄?？刂茖又饕⊿7-300系列PLC[4]，控制層主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變頻器的調(diào)速控制和對(duì)儀表數(shù)據(jù)采集等功能。監(jiān)控層PC機(jī)與控制層PLC通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

PLC的CPU采用S7-315 2DP，以太網(wǎng)通信模塊采用CP343-1，PLC站包括2個(gè)AI模塊、1個(gè)AO模塊、一個(gè)DI和一個(gè)DO模塊?，F(xiàn)場(chǎng)水泵變頻器采用ABB公司的ASC系列變頻器。壓力變送器選用羅斯蒙特公司的3501系列壓力變送器。

2 控制方法

2.1 控制要求

由于工藝用水量變化，系統(tǒng)需要根據(jù)工藝用水量變化隨時(shí)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速與投用臺(tái)數(shù)，保證供水壓力恒定。系統(tǒng)的主要要求有：

（1）可實(shí)現(xiàn)多種變化的啟?？刂?，并保證出水壓力恒定；

（2）系統(tǒng)包括手動(dòng)、自動(dòng)、就地操作功能；

（3）應(yīng)用PLC對(duì)變頻器操作實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)軟停止，以減少泵在啟停過(guò)程中的磨損，并且要保證變頻器輸出大于最低安全頻率以保護(hù)變頻器的使用壽命；

（4）可以對(duì)供水過(guò)程參數(shù)進(jìn)行任意修改，需實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制輸出，壓力目標(biāo)值修改；

（5）具有完善的電器安全措施，對(duì)過(guò)壓，過(guò)流，過(guò)載等狀況進(jìn)行報(bào)警。

2.2 控制策略

由于恒壓供水中，用水量浮動(dòng)較大，隨機(jī)性較強(qiáng)，管路壓力不穩(wěn)定，若只采用常規(guī)PID控制達(dá)不到預(yù)期的效果，且整定參數(shù)比較困難。故本系統(tǒng)采用模糊控制與PID控制混合控制系統(tǒng)對(duì)變頻器進(jìn)行控制。因?yàn)槟：刂拼嬖诿^(qū)，故系統(tǒng)設(shè)定閾值，當(dāng)控制器輸入e（=SV-PV）大于閾值時(shí)，進(jìn)行模糊控制，使恒壓供水系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，當(dāng)控制器輸入e小于閾值時(shí)，進(jìn)行PID控制，使系統(tǒng)獲得較好的穩(wěn)態(tài)特性。當(dāng)設(shè)定值與采樣值差小于閾值時(shí)，利用S7-300PLC中集成的PID控制模塊進(jìn)行處理運(yùn)算；當(dāng)設(shè)定值與采樣值大于閾值時(shí)，通過(guò)對(duì)已經(jīng)建立的模糊控制表的讀取快速地調(diào)整控制器輸出。整個(gè)系統(tǒng)的控制回路如圖2所示。變頻器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，根據(jù)給定壓力與采集壓力之間的偏差來(lái)估算所需改變的泵的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)精確的壓力控制[5]。

圖2 控制回路圖Fig.2 Control circuit diagram

系統(tǒng)中包括4臺(tái)水泵、4臺(tái)變頻器，每臺(tái)變頻器分別控制相應(yīng)水泵轉(zhuǎn)速，水泵三臺(tái)投用一臺(tái)備用，通過(guò)PLC控制每臺(tái)水泵的投用與切換。當(dāng)所測(cè)管路壓力低于設(shè)定壓力值時(shí)，自動(dòng)加快水泵轉(zhuǎn)速，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，管路壓力仍小于設(shè)定值時(shí)，延時(shí)2 min，自動(dòng)啟動(dòng)下一臺(tái)水泵，當(dāng)前水泵轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行，下一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻運(yùn)行；當(dāng)所測(cè)管路壓力大于設(shè)定壓力時(shí)，自動(dòng)降低水泵轉(zhuǎn)速，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速低于最低安全轉(zhuǎn)速時(shí)，延時(shí)2 min，自動(dòng)停止當(dāng)前水泵，下一臺(tái)工頻運(yùn)行的水泵轉(zhuǎn)入變頻運(yùn)行，以保證工藝出水壓力恒定。整個(gè)投切過(guò)程采用先啟先停的原則，循環(huán)啟停水泵，使每個(gè)水泵的運(yùn)行時(shí)間基本相等，為了減少頻繁啟停對(duì)水泵造成影響，在切換過(guò)程中都有相應(yīng)延時(shí)，以保證水泵的壽命最長(zhǎng)。在整個(gè)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，可以更改任意水泵的運(yùn)行狀態(tài)為手動(dòng)，并手動(dòng)輸入所需要的轉(zhuǎn)速，對(duì)水泵進(jìn)行手動(dòng)控制。整個(gè)控制過(guò)程中，由于工藝要求，不能停泵，故當(dāng)只有一臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，即使管路壓力高于設(shè)定壓力，也不停泵，只控制變頻器輸出最低安全轉(zhuǎn)速，并同時(shí)發(fā)出報(bào)警音提示工作人員進(jìn)行下一步操作。當(dāng)水箱液位到達(dá)低限時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警音，當(dāng)水箱液位到達(dá)低限時(shí)，為保護(hù)水泵，系統(tǒng)將自動(dòng)停止所有水泵，并發(fā)出緊急報(bào)警音。

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用雙輸入單輸出型的模糊控制器形式，即控制器輸入是壓力的偏差e（設(shè)定壓力值SVPLC采集值PV）與偏差變化率ec，經(jīng)過(guò)模糊化轉(zhuǎn)化為模糊控制語(yǔ)言描述的模糊集合，建立模糊控制規(guī)則[6]，根據(jù)模糊控制規(guī)則將計(jì)算后的模糊控制值存入PLC的DB塊中，在控制過(guò)程中對(duì)控制器的輸出采用查表方式，可以大大提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，達(dá)到工業(yè)控制中實(shí)時(shí)性的要求。

將壓力偏差e，偏差變化率ec，輸出u轉(zhuǎn)化到模糊語(yǔ)言，分別記作E，EU和U，并分為7檔，分別為：負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大，簡(jiǎn)記為：NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB。 模糊論域?yàn)閧-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}。隸屬函數(shù)取三角形形狀。圖3為E，EC和U的隸屬函數(shù)曲線。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的模糊控制規(guī)則如表1所示，采用if E and EC then U的形式進(jìn)行描述，如：if E=PB and EC=PB then U=PB，根據(jù)這些規(guī)則總結(jié)出模糊控制關(guān)系：

圖3 隸屬函數(shù)曲線Fig.3 Membership function curve

離線計(jì)算Uij結(jié)果如表2所示，最后對(duì)Uij進(jìn)行加權(quán)平均法解模糊，最終得到精確輸出u。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule table

表2 模糊查詢表Tab.2 Fuzzy lookup table

4 軟件設(shè)計(jì)

PLC和變頻器是本系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵取決于PLC程序的合理性和可行性以及變頻器參數(shù)的設(shè)定[7]。程序部分主要分為Fuzzy-PID運(yùn)算部分、水泵的投用與切換部分和報(bào)警部分。

軟件依據(jù)控制要求與控制策略，利用梯形圖編寫程序，以達(dá)到控制泵啟停與調(diào)速的目的。梯形圖語(yǔ)言直觀，易于理解。

程序分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式。手動(dòng)方式只由PLC輸出啟停與所設(shè)定的轉(zhuǎn)速信號(hào)，泵的投切與轉(zhuǎn)速都由人工進(jìn)行設(shè)定。自動(dòng)控制是由PLC根據(jù)管路壓力自動(dòng)進(jìn)行泵的投切，在自動(dòng)控制過(guò)程中，也可以把某臺(tái)或某幾臺(tái)運(yùn)行的水泵切換成手動(dòng)模式，人工輸入想要控制的轉(zhuǎn)速。整個(gè)程序包括組織塊OB1，OB35。OB35中主要實(shí)現(xiàn)Fuzzy-PID控制運(yùn)算，在OB35中主要完成對(duì)系統(tǒng)偏差進(jìn)行量化取整，并進(jìn)行模糊控制表查詢輸出到PLC的PQW地址進(jìn)行控制變頻器的頻率，同時(shí)，OB35中調(diào)用系統(tǒng)庫(kù)功能塊FB41來(lái)進(jìn)行PID運(yùn)算處理。OB1中實(shí)現(xiàn)程序的主流程。在OB1中，分別調(diào)用了模擬量處理功能FC1，泵控制功能FC2，報(bào)警功能FC3，手動(dòng)控制功能FC6，在泵控制功能中調(diào)用了選泵功能FC4，整個(gè)程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 System program flow chart

5 仿真結(jié)果

依據(jù)以上模糊控制規(guī)則進(jìn)行仿真，利用Matlab Simulink中的Fuzzy Logic controller模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行搭建，將Fuzzy Logic Controller與PID模塊組合，模擬系統(tǒng)進(jìn)行的Fuzzy-PID控制，設(shè)定閾值為0.35，當(dāng)控制器輸入偏差大于設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)行模糊控制，當(dāng)控制器輸入偏差小于設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)行PID控制。在恒壓供水過(guò)程中，水泵把水從清水池送到管網(wǎng)中，壓力基本上可以認(rèn)為保持為零，是一個(gè)純滯后過(guò)程；壓力上升過(guò)程中，水泵把水充滿整個(gè)管路，壓力逐漸增加直至達(dá)到穩(wěn)定，可以認(rèn)為是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。因此，水泵管道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以等效為一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)[8]。即：

式中：Kw為系統(tǒng)放大倍數(shù)；Tw為供水系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)；τ為系統(tǒng)純滯后時(shí)間。

對(duì)系統(tǒng)用水高峰進(jìn)行觀察，令Kw=1，Tw=20，τ=1，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，為了與傳統(tǒng)PID進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID控制。

仿真進(jìn)行單獨(dú)模糊控制仿真，F(xiàn)uzzy-PID控制仿真與傳統(tǒng)PID控制曲線進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 仿真曲線Fig.5 Simulation curve

當(dāng)單獨(dú)進(jìn)行模糊控制時(shí)，由于模糊控制的盲區(qū)，存在穩(wěn)態(tài)誤差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的控制。加入模糊-PID混合控制后，明顯提高了穩(wěn)態(tài)精度。仿真曲線可以看出，F(xiàn)uzzy-PID控制與傳統(tǒng)PID控制相比，有著更快的響應(yīng)速度，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間更短，所以Fuzzy-PID具有更好的控制質(zhì)。

6 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)將Fuzzy-PID引入到PLC控制系統(tǒng)中，很好的克服了供水系統(tǒng)時(shí)變性，非線性的不利因素，通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，引入Fuzzy-PID控制的供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)單純用PID控制的控制系統(tǒng)相比，在控制特性上有很大的提高，在實(shí)際應(yīng)用中，采用Fuzzy-PID控制的供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)PID控制和傳統(tǒng)工頻水泵供水系統(tǒng)相比，有著很好的抗干擾與動(dòng)態(tài)特性。系統(tǒng)從試運(yùn)行至今，運(yùn)行狀況良好，供水壓力穩(wěn)定，節(jié)省電能與工頻供水相比達(dá)50%以上。

[1] 馮仰新，馮仰敏，李志鴻.基于PLC的Fuzzy-PID控制恒壓供水系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2009，36（2）：36-40.

[2] 張斌.PLC和變頻調(diào)速技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力學(xué)報(bào)，2006，21（4）：465-466.

[3] 康會(huì)峰，黃新春，王元.基于DSP的變頻恒壓供水模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37（5）：16-20.

[4] 弭洪濤，孫鐵軍，牛國(guó)成.PLC技術(shù)實(shí)用教程：基于西門子S7-300[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：155-166.

[5] Jiang LinJie，Chen Yan，F(xiàn)an GaoQi.The design of constant pressure water supply system based on ABB inverter[J].Procedia Engineering，2011，15：436-442.

[6] 左婷.模糊PID控制中模糊控制規(guī)則的獲取方法[D].長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)，2010.

[7] 路野，周朝暉.基于PLC和變頻調(diào)速的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009，37（1）：162-164.

[8] 黃良沛，黃昕，陽(yáng)小燕.參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2005（4）：28-30，55.