【正文】 ，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中一個(gè)重要問(wèn)題。 矢量控制 矢量控制是在交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應(yīng)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流的量和勵(lì)磁電流的量，并分別進(jìn)行任意控制。 3．系統(tǒng)硬 件設(shè)計(jì)（主電路、控制電路）； P LC 接線圖設(shè)計(jì)，包括輸出輸入上元件的分配及編號(hào)， PLC 模塊由 CPU226，兩塊數(shù)字?jǐn)U展模塊，一塊擴(kuò)展模塊所構(gòu)成。 由于采用模 4 塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過(guò)更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。 3．采用模塊化結(jié)構(gòu)。而且，為 了進(jìn)一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還研制開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用邏輯處理芯片 ，大大提高了 PLC 軟、硬件功能。 可編程序控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用 早期的可編 程序控制器 (Programmable Logic Controller， PLC)，主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來(lái)越強(qiáng)?，F(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運(yùn)行方式是可節(jié)電40％～ 60％，節(jié)水 15％～ 30％ [1]。使異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)性能好的調(diào)速一直是人們的理想。由于 水廠原有的供水控制系統(tǒng)是一個(gè)完全依靠值班人員手動(dòng)控制的系統(tǒng)，所以對(duì)該系統(tǒng)技術(shù)改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)進(jìn)行，設(shè)計(jì)一套取水和供水的自動(dòng)控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制帶來(lái)的控制不方便、控制系統(tǒng)對(duì)供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應(yīng)遲鈍的問(wèn)題，降低能源消耗和資源浪費(fèi)，提高設(shè)備的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，以達(dá)到降低自來(lái)水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn) 管理水平的目的。在用水高峰期時(shí)，清水池的水位達(dá)不到要求高度 ,管網(wǎng)壓力達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力，造成高層建筑斷水。 在用水量高峰期時(shí)供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動(dòng)較大。由于每天不同時(shí)段用水對(duì)供水的水位要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)很難及時(shí)有效的 達(dá)到目的。用水低峰期時(shí)，管 網(wǎng)壓力經(jīng)常超過(guò)規(guī)定的壓力上限，極易造成爆管事故并且能源損耗嚴(yán)重。 依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制和管理，提高設(shè)備運(yùn)行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。異步電機(jī)的調(diào)速方法很多，例如無(wú)極調(diào)速、有極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速等。 由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機(jī)械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平滑，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、自動(dòng)化水平高等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的青睞。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展 ，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、編程簡(jiǎn)單、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動(dòng)控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中 得到了廣泛的應(yīng)用。 在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家， PLC 已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門(mén)。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 由于 PLC強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn)，使得 PLC在我國(guó)的水工業(yè)自動(dòng)化中得到廣泛的應(yīng)用。 4．應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)（ PLC 程序設(shè)計(jì)） 主要介紹了編程軟件的特點(diǎn)、語(yǔ)言和梯形圖其本繪制規(guī)則；控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括七大程序，分別是初始化程序、停機(jī)程序、閥門(mén)開(kāi)關(guān)程序、水泵電機(jī)啟動(dòng)程序、小功率電機(jī)變頻 /工頻切換程序、報(bào)警程序；整個(gè)系統(tǒng)程序的工作過(guò)程以及編程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，獲得和直流電動(dòng)機(jī)一樣的優(yōu)良的調(diào)速性能。 在變頻調(diào)速恒水位供水過(guò)程中，水泵工況點(diǎn)的變化如圖 2— 3所 曲線 圖 2— 3 水泵工況點(diǎn)的變化 當(dāng) P P2 高于 P0 時(shí)，說(shuō)明管網(wǎng)系統(tǒng)用水量減少，管路阻力特性曲線 A A2 向 A0 方向變化，此時(shí)水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低，管網(wǎng)口壓力也由 P P1 逐漸下降，當(dāng) P’低于 P0 時(shí)，其工況點(diǎn)變化與上述相反即由 A1’逐漸向 A0 移動(dòng)，使管網(wǎng)系統(tǒng)供水始終保持恒定。 在變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)中，單臺(tái)水泵工況的 調(diào)節(jié)是通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率f 來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。 系統(tǒng)的方案設(shè) 變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、水位傳感器、工控機(jī)以及接觸器控制柜等構(gòu)成。一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)之中，當(dāng)源水的水位發(fā)生變化時(shí)，管網(wǎng)壓力也就隨之變化，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著三個(gè)切換過(guò)程。 Ⅲ 由 2電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?2電機(jī)變頻停止， 1電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動(dòng)機(jī)的容量適當(dāng)選擇。 水泵閥門(mén)主電路用兩個(gè)交流接觸器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí) 現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。 控制電路之中存在電路之間互鎖的問(wèn)題，由于控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)分組的組內(nèi)自動(dòng)循環(huán)，所以電 路的自鎖包括組內(nèi)互鎖和組間互鎖。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高 ，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。 （ 1）輸入端口 自動(dòng)控制系統(tǒng) PLC 的輸入端口包括機(jī)組Ⅰ啟動(dòng)按鈕，閥門(mén)關(guān)閉按鈕，電機(jī)停止按鈕， 13 以及機(jī)組Ⅱ啟動(dòng)按鈕 ，閥門(mén)關(guān)閉按鈕，電機(jī)停止按鈕。 4． PLC 的選型 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，為以后新設(shè)備的介入或設(shè)備調(diào)整留有余地，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU266，其開(kāi)關(guān)量輸出（ DQ）為 16 點(diǎn)，輸出形式為 AC220V繼電器輸出；開(kāi)關(guān)量輸入 CPU266 為 24點(diǎn)，輸入形式為＋ 24V直流輸入。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴(kuò)充的要求。梯形圖 (LAD)語(yǔ)言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣 控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語(yǔ)言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比 ，梯形圖可以看作是 PLC 的高級(jí)語(yǔ)言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯 ，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程 工具。變頻器輸入電源前面接入一個(gè)自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過(guò)流過(guò)載保護(hù)接通，空氣開(kāi)關(guān)的容量依據(jù)大機(jī)的額定電流來(lái)確定。 在系統(tǒng)開(kāi)始 工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出錯(cuò)則報(bào)警，接著對(duì)模擬量（管網(wǎng)壓力、電機(jī)頻率）數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值。 水泵電機(jī)換機(jī)程序設(shè)計(jì)包括組內(nèi)切換和組間切換。 閥門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉程序既包含水泵機(jī)組起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的閥門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉，也包含水泵機(jī)組在自動(dòng)切換過(guò)程中的閥門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉。 模擬量初始化子程序是將模擬量（管網(wǎng)壓力、電機(jī)頻率）數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值。定時(shí) 1 秒后， YSJ111 工作，在 1變頻處， YSJ111 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使 YVF 斷電，即 1變頻停止，同時(shí)，在變頻器 FWD 處， YSJ111 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使 YFWD 斷電，即變頻器 FWD— CM 斷電；延時(shí) 3 秒后， YSF112 工作，常開(kāi)觸點(diǎn) YSF112 合上，從而 YWF11 通電，實(shí)現(xiàn) 1電機(jī)工頻運(yùn)行，同時(shí)， MAR11 通電， YSJWF11 延時(shí) 5 秒開(kāi)始工作，進(jìn)行開(kāi)閥，YKF 置 1，延時(shí) 2 秒后，由中間繼電器 復(fù)位，接著， YGF11 置 1，實(shí)現(xiàn)關(guān)閥，延時(shí)1 秒后關(guān)閥復(fù)位，這樣，開(kāi)閥、關(guān)閥就完成； YSF113 延時(shí) 10 秒后工作， YSJ113 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使 YVF12 通電，同時(shí)， MAR13 通電，實(shí)現(xiàn) 2機(jī)變頻運(yùn)行機(jī)，當(dāng) 2機(jī)變頻運(yùn)行 18 時(shí)， YSJVF12 延時(shí) 50 秒后， 2機(jī)變頻開(kāi)閥延時(shí)， YSJVK12 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，中間繼電器 置 1，接著 YKF12 工作，延時(shí) 3 秒后， 復(fù)位；再延時(shí) 秒后， YSJ114動(dòng)作，在變頻器 FWD— CM端子處，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合， YFWD 通電工作，閉合 FWD— CM端子，同時(shí)， YSJ114 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi) ,YBX 斷電 ,這樣實(shí)現(xiàn)了 FWD— CM 端子接通， BX—CM 端子斷開(kāi)，這樣將實(shí)現(xiàn) 1變頻轉(zhuǎn)換為 1工頻和 2變頻運(yùn)行。 編程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問(wèn)題 1．變頻運(yùn)行時(shí)，變頻接觸器接通 FWD— CM 端子閉合 —— BX— CM 端子斷開(kāi)。電機(jī)頻率 f、管網(wǎng)壓力 P、相位比較是否相同值在 EM235 接口上，其接口地址為AIW0、 AIW AIW6。 9．切換過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題 當(dāng)進(jìn)行小功率電機(jī)變頻工作狀態(tài)到工頻工作和大功率電機(jī)變頻工作的工作狀態(tài)切換的時(shí)候，需要先關(guān)斷變頻器的輸出電流，然后再將小功率電機(jī)從變頻電源電路上斷開(kāi)，然后再將小功率電機(jī)接入工頻電路上運(yùn)行，同時(shí)將大功率電機(jī)接入變頻電源電路，再通過(guò)變頻器輸出電流完成切換。 1974 年，英國(guó)的 運(yùn)用模糊邏輯和模糊推理成功的實(shí)現(xiàn)了蒸氣機(jī)控制，他的成功標(biāo)志著模糊控制應(yīng)用于工業(yè)控制的開(kāi)始。 模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上的。 模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。 (Fuzzification Interface) 由于推理機(jī)運(yùn)用輸入量的模糊值 (模糊子集 )和輸入輸出間的模糊關(guān)系進(jìn)行模糊推理，因此需要把輸入量由精確量轉(zhuǎn)化為模糊子集，這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程稱(chēng)為模糊化。模糊控制規(guī)則是基于手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的控制經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜业挠嘘P(guān)知識(shí)，它是被控對(duì)象進(jìn)行控制的一個(gè) 知識(shí)模型。 模糊控制器的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的控制理論是 建立在一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的，因而控制理論給人們的印象是越精確越好，容不得半點(diǎn)含糊。因模糊控制規(guī)則是操作者經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，因而如模糊控制實(shí)際得合理，控制效果可以像由操作者控制一樣。 圖 52 所示的模糊控制系統(tǒng)方框圖中，虛線內(nèi)為模糊控制器， E 和 E 為誤差及誤差的變化率 e 和 e1 的模糊化量。假如一個(gè)水位控制系統(tǒng)輸入的變化范圍為 200cm～ 200cm 分為 n 檔， n取 4～ 8，這時(shí)量化因子 K 定義為 K=n/e 如 n=4 則 K=4/400=。 確定隸屬函數(shù)應(yīng)注意幾個(gè)方面。 （一） 單輸入單輸出模糊控制器 如圖 53 所示。變頻器中的模糊參數(shù)都有它的設(shè)定范圍 .。 2)若 e*ec 0，說(shuō)明誤差在向絕對(duì)值增大的方向變化。 若 偏差 |e|較大，則應(yīng)實(shí)施較強(qiáng)的控制，以改變誤差的變化趨勢(shì)，并迅速減小誤差絕對(duì)值，可取較大的 KP值 ，同時(shí)可取較小的 KI 和中等的 KD 值 ，以提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn) 態(tài)性能。建立數(shù)輸出變量的隸 屬度函數(shù)后，輸出變量 KP、 KI和 KD的 隸屬函數(shù)曲線分別如圖所示。 (1)輸入輸出變量的確立 由以上分析，本系統(tǒng)將 偏差 e 和偏差變化率 ec作為模糊控制器的輸入。二是 PB， PM， PS， … 對(duì)論域的覆蓋程度。對(duì)輸出而言基于量化因子的概念定義一個(gè)比例因子，如輸出確定量 u的范圍為 0～ 5，取n=10，則 K=u/n=5/10=,說(shuō)明 u 變化分 5 檔。模糊控制算法為根據(jù)輸入和控制規(guī)則 的模糊推理過(guò)程。 設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器要解決以下三個(gè)問(wèn)題： （ 1） 精確量的模糊化。由于無(wú)適當(dāng)?shù)臏y(cè)試手段或測(cè)試儀器，或無(wú)法進(jìn)入被測(cè)區(qū)來(lái)檢測(cè)所需要的參數(shù)，以至于難以建立準(zhǔn)確的學(xué)模型；還有一些復(fù)雜的系統(tǒng)，由于存在嚴(yán)重的非線性，或參數(shù)間的強(qiáng)耦合，要想得到其數(shù)學(xué)模型必須做一些忽略或近似；還有一些系統(tǒng)本身就是非線性系統(tǒng)。 (Inference Mechanism) 推理機(jī)采用某種模糊推理方法，由采樣時(shí)刻的輸入和模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出模糊控制器的控制輸出。 (Knowledge Base) 知識(shí)庫(kù)包含應(yīng)用領(lǐng)域方面 的知識(shí)，主要有數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊規(guī)則庫(kù)組成。 模糊系統(tǒng)的主要部件是模糊化過(guò)程、知識(shí)庫(kù)（含數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)）、推理決策和精確化計(jì)算。 2)具有良好的適應(yīng)性和較 強(qiáng)的魯棒性。事實(shí)上，模糊邏輯應(yīng)用最有效、最廣泛的領(lǐng)域就是模糊控制，模糊控制在各種領(lǐng)域出人意料的解決了傳統(tǒng)控制理論無(wú)法解決或難以解決的問(wèn)題，并取得了一些令人信服的成效。 第五章 恒水位供水系統(tǒng)的 Fuzzy 控制器的設(shè)計(jì) 及 Simulink 仿真研究 [18,20] 由于傳統(tǒng)的控制方法是建立在被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型之上的，隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，而且很難滿足實(shí)時(shí)控制的要求。 定時(shí)器時(shí)間的計(jì)算， T=PT*S （ T 為實(shí)際定時(shí)時(shí)間， PT 為設(shè)定值， S 為精度等級(jí)）如：T33 設(shè)定值為 125 實(shí)際時(shí)間 T=125*10=1250 毫秒。 3．停機(jī)時(shí)， BX— CM端子閉合， FWD— CM 端子斷開(kāi)，變頻工頻接觸器斷開(kāi)即可。如果在這種狀態(tài)下， AIW0 和 AIW2 滿足頻率大與 50HZ，壓力小于 這個(gè)條件時(shí)，將進(jìn)行第 3 次轉(zhuǎn)換，即 通電，同時(shí)， MSR13 帶電并自保， YSJ131 延時(shí) 35 秒后，YSJ131 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合， YBX 通電，實(shí)現(xiàn)閉合 BX— CM端子，接著 YSJ132 延時(shí) 秒后開(kāi)始工作， YSJ132 常閉觸