摘要：本文利用模糊控制原理，對變頻調速變壓供水系統進行了研究，介紹了模糊控制策略的設計思想，采用PLC控制和變頻調速技術使系統得以實現。實踐證明系統實時性強，可靠性高，對于單泵站供水具有明顯的推廣應用價值。
　　關鍵詞:變頻調速；變壓；模糊控制
　　中圖分類號：TU991.41文獻標識碼：A
　　
　　
　　前言：
　　筆者結合單泵站供水的特點，根據對管網系統的分析，確定最不利點位置作為控制點。并且結合供水系統難以建立準確數學模型的特點，采用模糊推理和PLC控制相結合的方式，以模糊控制為核心，加入簡單的適應性環節和積分環節，組成結構簡單，控制穩定，適應性好的控制器，實現了一種新的變壓變量供水系統，通過理論上和實際應用上的比較，證明了該系統更加節能，具有更高的可靠性。
　　1.變頻調速供水節能效果分析
　　恒壓變流量供水系統是目前主要的控制方式。不管流量如何變化，通過控制系統，都使水泵運行揚程保持不變。為此在水泵出口設定一個壓力控制值，并將壓差傳感器設在水泵機組的出口干管上，時刻監控出水口壓力的變化，再通過DDC控制器或PLC控制變頻器和水泵電機轉速，來維持揚程（水壓）的恒定【1】。變壓供水方式控制原理和恒壓供水相同，只是壓力設置不同。它使水泵揚程不確定，而是沿管路特性曲線移動，但變壓供水本質上也是一種恒壓，不過將水泵出口壓力恒定變成了控制點壓力恒定．
　　變頻供水的運行工況如圖1所示，A0是水泵的特性曲線，H0是管網的特性曲線。B點是恒壓供水設計工況下水泵的工作點，流量為Q2，揚程為H2,轉速為n0，由于采用了恒壓供水，水泵的揚程不變，當系統流量由Q2變為Q1時，水泵的工作點移至b點,水泵的轉速由n0下降至n1，點b成為新的工作點，顯然恒壓供水節省了揚程Δh1，而沒有考慮Δh2，因此它不是最節能的供水方式。如果采用變壓供水，使水泵的揚程沿管路特性曲線移動，當流量由Q2變為Q1時，自動將轉速調至n2，工況點處于c點，相比恒壓供水,進一步節省了揚程Δh2,理論上避免了流量減少時揚程的浪費，顯然優于恒壓供水.
　　            
　　2．系統的工作原理和組成：
　　2.1系統的工作原理【2】
　　本系統通過壓力傳感器采集管網的壓力，將測到的值與給定壓力比較之后，將壓差送入模糊控制器，并很快求出壓力誤差變化；經過模糊控制器的控制規則推理合成，輸出一個模糊控制量增量，積分后經反模糊化處理給出控制量的確切，送給變頻器去控制水泵的轉速，并通過PLC控制系統實現變頻泵和工頻泵的切換，直到水壓滿足要求。
　　              
　　
　　
　　2.2系統組成
　　如圖2所示，系統控制以西門子公司的S7－200型PLC為核心,它包括模擬量輸入輸出通道的實現、壓力的檢測、變頻器的輸出頻率控制、開關量的I/O實現以及泵的變頻與工頻的轉換、以及通過軟啟動器對工頻泵的啟停。主水泵組有3臺水泵組成，利用變頻與工頻的轉換，以及泵的啟停來調節系統的水壓；附屬泵供夜間或用水量很小時用，容量約為主泵的1/3，這樣可以避免調速泵長期在低頻下工作對電機的傷害。
　　3．控制算法及實現
　　由于供水管網一般很長，流量變化緩慢，水壓的調節又很大的滯后性，難以建立精確的數學模型；通過對變頻調速供水系統各種控制策略的分析，確定這樣的控制策略：以模糊控制為核心，加入簡單的適應性環節和積分環節，組成結構簡單，控制穩定，適應性好的控制器。
　　3.1模糊控制器
　　控制器結構如圖3所示：中間部分為普通的模糊控制器，在它的前端加入了變量變換部分，在輸出端加了積分器，組成了變頻變壓供水系統控制器。
　　它以相對壓力偏差δ和偏差變化率δ為輸入，進行模糊化和模糊推理，而非模糊化的輸出Δ為增量形式的頻率輸出，經由輸出積分器累加后作為頻率給定真正的輸出。
　　                         
　　
　　壓力偏差Δ＝實測壓力Pf－給定壓力Pg
　　相對偏差δ＝Δ/pg
　　壓力偏差變化率Δ＝ΔI+1－Δi
　　相對偏差變化率δ=Δ/pg
　　3.2模糊控制規則的建立
　　模糊控制規則是模糊控制的核心，為了使模糊控制能夠在單片機或計算機上實現，必須對控制規則進行形式化的處理，然后模仿人的模糊邏輯推理過程確定推理方法。模糊控制器根據經驗制定的模糊控制規則和事先確定好的模糊推理方法，進行模糊推理運算，得到模糊輸出盆即模糊輸出隸屬函數，其目的是用模糊輸入值去適配控制規則，為每個控制規則確定其適配的程度，并通過加權計算合并規則的輸出。本系統確定模糊控制表如表1所示：
　　                 
　　考慮到供水系統的實時控制，根據系統輸入可能的不同組合離線計算出控制量，制成一張表格，并將控制表存入ROM中.根據Δ和Δ的變化方向和大小，模糊控制器就能很方便地從該控制表中查詢所需要采取的控制策略，從而實現模糊控制；同時還可以對表中的單元數據根據實際情況進行適當的改動，從而提高控制性能。
　　4．系統設計要點
　　該系統設計主要包括軟件的設計和硬件的選擇，以及控制過程的實現，在實際設計過程中，應注意以下幾點：
　　1）模糊控制規則以及模糊控制表的求解
　　確定模糊輸入變量δ、Δ和輸出變量Δ的隸屬度函數，根據特定的控制規則，離線計算出模糊控制表，并存于ROM中，利用PLC的查表功能設計程序，實現控制要求【3】。
　　2）主要功能設定
　　系統運行方式分為手動、全自動兩種方式，配備外圍輔助電路，以保障自動控制系統出現故障時可通過人工調節方式維持系統運行，保證連續生產；變頻器運行時，要對變頻器當前控制的水泵進行監控，出現過載、失速、電壓不正常等情況進行保護；還要對水位、水泵的轉速、管網壓力實施監控，對于危險情況要設置報警信號，并能自動做出反應，防止危險擴大。
　　3）硬件選擇
　　設備硬件選擇留有余地，特別是PLC的I/O點數和內部繼電器數，為以后的擴容和系統升級做好準備。本系統選用西門子公司的S7－200型PLC,變頻器選用ABBACS600系列變頻器，其獨特的直接轉矩控制（DTC）功能是目前最佳的電機控制方式。根據預計流量設計泵站的揚程，合理的選擇水泵的容量及臺數。
　　4)參數設定
　　主要包括：末端用戶要求的出口水壓H和管網水力特性系數k值；為防止水泵在低轉速運行時效率下降過多，變頻泵單獨運行時對應的頻率下限fmin=25-30Hz；水泵在工頻運行下可能達到的最大流量Qk和對應的揚程Hk；壓力變送器將采集到的壓力信號轉變為4～20mA的電流。
　　5)水泵的切換以及工頻與變頻的轉換
　　變頻泵啟動后，根據流量變化改變頻率和電機轉速，使檢測的水泵出口壓力和管網的水力損失保持一致。當Q>Qk時變頻泵投入，變頻泵和工頻泵并聯運行。為避免工頻泵頻繁啟動和停止，當Q<0.9Qk;時，工頻泵停止運行，由變頻泵單獨工作。為防止水錘現象的產生，泵的啟停將聯動其出口閥門。當該泵達到最高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時，先停止最先啟動的泵。
　　6）設計參數的調節
　　根據系統設計參數及調節要求選用合適的壓差傳感器、變送器和流量傳感器、變送器。選擇恰當的安裝位置，以滿足系統的控制精度要求。由于引入模糊控制思想，壓差傳感器可直接設在水泵出口干管上，解決了在用戶末端裝設壓差傳感器位置難以確定的難題。
　　5．結論
　　針對供水系統具有時變、慣性及滯后性的特點，并且難以對系統建立精確的數學模型，本系統采用模糊控制的方式，大大的提高了系統的性能。并且由于采用了變壓變流量的控制要求，使系統節能效果比恒壓供水有了很大的提高。本系統經過幾個生活小區的使用，節能效果明顯，實踐證明是實現供水系統智能化，節能化的一種新途徑，具有廣闊的應用前景。
　　
　　
　　參考文獻:
　　【1】 王占奎。變頻調速應用百例【M】。北京科學出版社，2005。
　　【2】 竇振中。模糊邏輯控制技術及其應用【M】。北京航空航天大學出版社，2006。
　　【3】SIEMENSAD.SiemensPLCSystemManual【M】。Beijing:SiemensHouse,2000
　　
　　
　　
　　ResearchofAVariable-PressureWater-supplysystemBasedonFuzzyControlTechnology