基于S7-300 PLC的Fuzzy-PID控制恒壓供水系統設計

門順治，鄭 欣，徐保國

（江南大學 物聯網工程學院，無錫 214122）

針對重慶某公司除鹽水系統的工藝恒壓供水系統，研究設計了一套應用Fuzzy-PID控制方法的恒壓供水系統，使其在供水過程中，供水壓力恒定，響應速度更快，節省在供水過程中消耗的能源。變頻調速恒壓供水系統對水壓的調節是建立在轉速調節基礎之上的，管網水壓的變化相對于轉速改變有一個較長的滯后時間，是一個典型的大時滯系統[1]。

對于這樣一個復雜系統，在實際應用中用水量相對不確定的情況下，單純依賴水泵供水，頻繁開停會使水泵使用壽命明顯下降，同時在用水量小時，較大的管網壓力會造成一定的安全隱患，故可采用恒壓供水系統控制策略在管網流量變化時能達到穩定供水壓力和節約電能目的[2]，但采用傳統的PID控制難以保證在任何工況下都有較好的控制效果。因此，針對以上分析，本系統采用基于變頻技術與可編程邏輯控制器（PLC），采用Fuzzy-PID控制策略[3]進行恒壓供水控制?？朔藛为毮：刂七m應能力較差與傳統PID控制效果不穩定的缺點。

1 系統總體構成

本系統采用二層結構，分為監控層與控制層。監控層主要包括工業計算機（IPC），通過WINCC組態軟件對水泵運行狀態、流量、管路壓力等參數進行監控和記錄。控制層主要包括S7-300系列PLC[4]，控制層主要完成對現場變頻器的調速控制和對儀表數據采集等功能。監控層PC機與控制層PLC通過以太網進行通信，以實現整個監控過程。整個系統的結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

PLC的CPU采用S7-315 2DP，以太網通信模塊采用CP343-1，PLC站包括2個AI模塊、1個AO模塊、一個DI和一個DO模塊?，F場水泵變頻器采用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，系統需要根據工藝用水量變化隨時調整水泵轉速與投用臺數，保證供水壓力恒定。系統的主要要求有：

（1）可實現多種變化的啟?？刂?，并保證出水壓力恒定；

（2）系統包括手動、自動、就地操作功能；

（3）應用PLC對變頻器操作實現軟起動軟停止，以減少泵在啟停過程中的磨損，并且要保證變頻器輸出大于最低安全頻率以保護變頻器的使用壽命；

（4）可以對供水過程參數進行任意修改，需實現手動控制輸出，壓力目標值修改；

（5）具有完善的電器安全措施，對過壓，過流，過載等狀況進行報警。

2.2 控制策略

由于恒壓供水中，用水量浮動較大，隨機性較強，管路壓力不穩定，若只采用常規PID控制達不到預期的效果，且整定參數比較困難。故本系統采用模糊控制與PID控制混合控制系統對變頻器進行控制。因為模糊控制存在盲區，故系統設定閾值，當控制器輸入e（=SV-PV）大于閾值時，進行模糊控制，使恒壓供水系統具有較好的動態性能，當控制器輸入e小于閾值時，進行PID控制，使系統獲得較好的穩態特性。當設定值與采樣值差小于閾值時，利用S7-300PLC中集成的PID控制模塊進行處理運算；當設定值與采樣值大于閾值時，通過對已經建立的模糊控制表的讀取快速地調整控制器輸出。整個系統的控制回路如圖2所示。變頻器是整個系統的核心，根據給定壓力與采集壓力之間的偏差來估算所需改變的泵的轉速，以實現精確的壓力控制[5]。

圖2 控制回路圖Fig.2 Control circuit diagram

系統中包括4臺水泵、4臺變頻器，每臺變頻器分別控制相應水泵轉速，水泵三臺投用一臺備用，通過PLC控制每臺水泵的投用與切換。當所測管路壓力低于設定壓力值時，自動加快水泵轉速，當水泵轉速達到最大值，管路壓力仍小于設定值時，延時2 min，自動啟動下一臺水泵，當前水泵轉入工頻運行，下一臺水泵進行變頻運行；當所測管路壓力大于設定壓力時，自動降低水泵轉速，當水泵轉速低于最低安全轉速時，延時2 min，自動停止當前水泵，下一臺工頻運行的水泵轉入變頻運行，以保證工藝出水壓力恒定。整個投切過程采用先啟先停的原則，循環啟停水泵，使每個水泵的運行時間基本相等，為了減少頻繁啟停對水泵造成影響，在切換過程中都有相應延時，以保證水泵的壽命最長。在整個自動運行過程中，可以更改任意水泵的運行狀態為手動，并手動輸入所需要的轉速，對水泵進行手動控制。整個控制過程中，由于工藝要求，不能停泵，故當只有一臺水泵運行時，即使管路壓力高于設定壓力，也不停泵，只控制變頻器輸出最低安全轉速，并同時發出報警音提示工作人員進行下一步操作。當水箱液位到達低限時，自動發出報警音，當水箱液位到達低限時，為保護水泵，系統將自動停止所有水泵，并發出緊急報警音。

3 模糊控制器設計

本系統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（設定壓力值SVPLC采集值PV）與偏差變化率ec，經過模糊化轉化為模糊控制語言描述的模糊集合，建立模糊控制規則[6]，根據模糊控制規則將計算后的模糊控制值存入PLC的DB塊中，在控制過程中對控制器的輸出采用查表方式，可以大大提高系統響應速度，達到工業控制中實時性的要求。

將壓力偏差e，偏差變化率ec，輸出u轉化到模糊語言，分別記作E，EU和U，并分為7檔，分別為：負大，負中，負小，零，正小，正中，正大，簡記為：NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB。 模糊論域為{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}。隸屬函數取三角形形狀。圖3為E，EC和U的隸屬函數曲線。

根據現場經驗總結的模糊控制規則如表1所示，采用if E and EC then U的形式進行描述，如：if E=PB and EC=PB then U=PB，根據這些規則總結出模糊控制關系：

圖3 隸屬函數曲線Fig.3 Membership function curve

離線計算Uij結果如表2所示，最后對Uij進行加權平均法解模糊，最終得到精確輸出u。

表1 模糊控制規則表Tab.1 Fuzzy control rule table

表2 模糊查詢表Tab.2 Fuzzy lookup table

4 軟件設計

PLC和變頻器是本系統的核心部分，系統穩定運行的關鍵取決于PLC程序的合理性和可行性以及變頻器參數的設定[7]。程序部分主要分為Fuzzy-PID運算部分、水泵的投用與切換部分和報警部分。

軟件依據控制要求與控制策略，利用梯形圖編寫程序，以達到控制泵啟停與調速的目的。梯形圖語言直觀，易于理解。

程序分為手動和自動兩種控制方式。手動方式只由PLC輸出啟停與所設定的轉速信號，泵的投切與轉速都由人工進行設定。自動控制是由PLC根據管路壓力自動進行泵的投切，在自動控制過程中，也可以把某臺或某幾臺運行的水泵切換成手動模式，人工輸入想要控制的轉速。整個程序包括組織塊OB1，OB35。OB35中主要實現Fuzzy-PID控制運算，在OB35中主要完成對系統偏差進行量化取整，并進行模糊控制表查詢輸出到PLC的PQW地址進行控制變頻器的頻率，同時，OB35中調用系統庫功能塊FB41來進行PID運算處理。OB1中實現程序的主流程。在OB1中，分別調用了模擬量處理功能FC1，泵控制功能FC2，報警功能FC3，手動控制功能FC6，在泵控制功能中調用了選泵功能FC4，整個程序流程如圖4所示。

圖4 系統程序流程圖Fig.4 System program flow chart

5 仿真結果

依據以上模糊控制規則進行仿真，利用Matlab Simulink中的Fuzzy Logic controller模塊對系統進行搭建，將Fuzzy Logic Controller與PID模塊組合，模擬系統進行的Fuzzy-PID控制，設定閾值為0.35，當控制器輸入偏差大于設定閾值時，進行模糊控制，當控制器輸入偏差小于設定閾值時，進行PID控制。在恒壓供水過程中，水泵把水從清水池送到管網中，壓力基本上可以認為保持為零，是一個純滯后過程；壓力上升過程中，水泵把水充滿整個管路，壓力逐漸增加直至達到穩定，可以認為是一個一階慣性環節。因此，水泵管道系統的數學模型可以等效為一個帶純滯后的一階慣性環節[8]。即：

式中：Kw為系統放大倍數；Tw為供水系統慣性時間常數；τ為系統純滯后時間。

對系統用水高峰進行觀察，令Kw=1，Tw=20，τ=1，對系統進行仿真，為了與傳統PID進行比較，同時對系統進行PID控制。

仿真進行單獨模糊控制仿真，Fuzzy-PID控制仿真與傳統PID控制曲線進行比較，如圖5所示。

圖5 仿真曲線Fig.5 Simulation curve

當單獨進行模糊控制時，由于模糊控制的盲區，存在穩態誤差，無法實現精確的控制。加入模糊-PID混合控制后，明顯提高了穩態精度。仿真曲線可以看出，Fuzzy-PID控制與傳統PID控制相比，有著更快的響應速度，達到穩態的時間更短，所以Fuzzy-PID具有更好的控制質。

6 結語

系統將Fuzzy-PID引入到PLC控制系統中，很好的克服了供水系統時變性，非線性的不利因素，通過仿真結果可以看出，引入Fuzzy-PID控制的供水系統與傳統單純用PID控制的控制系統相比，在控制特性上有很大的提高，在實際應用中，采用Fuzzy-PID控制的供水系統與傳統PID控制和傳統工頻水泵供水系統相比，有著很好的抗干擾與動態特性。系統從試運行至今，運行狀況良好，供水壓力穩定，節省電能與工頻供水相比達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[J].電機與控制應用，2009，36（2）：36-40.

[2] 張斌.PLC和變頻調速技術在恒壓供水系統中的應用[J].電力學報，2006，21（4）：465-466.

[3] 康會峰，黃新春，王元.基于DSP的變頻恒壓供水模糊控制系統應用[J].電機與控制應用，2010，37（5）：16-20.

[4] 弭洪濤，孫鐵軍，牛國成.PLC技術實用教程：基于西門子S7-300[M].北京：電子工業出版社，2011：155-166.

[5] Jiang LinJie，Chen Yan，Fan 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控制中模糊控制規則的獲取方法[D].長春：東北師范大學，2010.

[7] 路野，周朝暉.基于PLC和變頻調速的恒壓供水系統設計[J].計算機與數字工程，2009，37（1）：162-164.

[8] 黃良沛，黃昕，陽小燕.參數自適應模糊PID控制在恒壓供水系統中的應用[J].自動化與儀器儀表，2005（4）：28-30，55.