基于模糊控制的自动供水教学系统的设计*

赵彦威，王东岳，朱燕丛

(北京工业大学耿丹学院，北京 101301)

自动控制、电机拖动、变频器等课程教学中，会列举典型的变频调速实例、控制系统实例，恒压供水系统具有代表性。随着变频调速技术，控制技术，计算机技术的发展，供水系统种类丰富，为教学设计的实验平台陆续推出。为了节约能源，利用模糊控制进行变频调速，设计一套恒压供水教学系统［1］。

1 系统组成与工作原理概述

供水教学系统主要有实验台，控制柜，模拟水井，模拟蓄水池，工控机，检测元件组成。系统结构如图1 所示。

图1 系统结构图

抽水泵从深水井(教学系统中未模拟水井)抽水，注入蓄水池，蓄水池的水经加压泵向用户供水，为得到恒定的水压，PLC 根据水压给定值与水压实际值比较，运用模糊控制算法，计算得到输出量，作用于变频器，变频器调节水泵速度，从而保证用户得到恒定的水压［2］。

2 系统设计

2.1 元件选型与PLC 控制设计

根据输入输出点数，编程复杂程度，以及模拟量的数量，系统选用PLC 为西门子的S7-200 CPU 224 XP CN;变频器为紫日电气的ZVF9-G0015T4/P0015T4;压力传感器为北崎电气的PG-801E 数显压力表;选择的加压泵为西山牌的微型水泵MP-55RM。系统的操作回路如图2 所示。

蓄水池装有两个浮子，分别标为FZ 上、FZ 下，FZ 上安装在上限水位、FZ 下安装在下限水位处，当水位达到相应位置时浮子的开关状态改变，PLC 进行相应的逻辑运算和信号输出，控制接触器KM1、绿色信号灯HL1 和红色信号灯HL2，从而自动控制抽水泵M1 的启停和信号灯的亮灭，使蓄水箱的水位始终保持在一定的范围内。我们能通过控制面板的红绿信号灯了解系统的抽水泵的启停状态［3］。抽水泵动作PLC 梯形图程序如图3 所示。

当空气开关QS1 闭合时，抽水泵、变频器、压力传感器都处于通电状态，用户管网的主管道上接的数显压力表测得用户管网的水压数据传到PLC，PLC 根据模糊控制算法进行运算，根据给定值与实际值的差值，将输出量分为5 个等级，即++，+，0，－，－－。如果水压值远小于设定值，则PLC 控制输出最大量(++)使加压泵提高供水压力，输送给用户管网，直到用户管网的水压达到设定值。如果水压值稍小于设定值，则PLC 控制输出次大量(+)使加压泵提高供水压力，输送给用户管网，直到用户管网的水压达到设定值。如果水压值接近设定值，则PLC 控制输出量为0，使加压泵保持现状。如果水压值远大于设定值，则PLC 控制输出最大量(－－)使加压泵减小供水压力，输送给用户管网，直到用户管网的水压达到设定值。如果水压值稍小于设定值，则PLC 控制输出最大量(－)使加压泵减少供水压力，输送给用户管网，直到用户管网的水压达到设定值。教学系统中，用户管网的水流直接流回井水箱，完成一个水流循环。不同试验台模糊控制的输出等级不同，有9 级或更多级别，以供同学们对比学习。

此部分是设计的核心技术点，即利用模糊控制算法，由PLC 输出控制量，通过变频器对加压泵调速，从而使得用户管网的水压稳定地保持在某一设定值。

图2 系统操作回路图

图3 抽水泵动作PLC 梯形图程序

2.2 组态界面设计

监控中心是利用计算机的组态软件以及互联网发布信息监控整个恒压供水系统的运行情况。教学系统中不同试验台选择不同的组态软件，这样同学们可以接触工控领域常用的各大组态软件。有组态王界面，有易控界面，有WinCC界面，还有MCGS 界面。通过组态软件提供可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

组态软件直接与PLC 进行通讯，在组态界面中，设备现状直观展示，使学生更易理解，直观操作。还可通过互联网发布监控画面，输入对应站点的网点即可实现全球监控。

3 系统功能说明

恒压供水教学系统涵盖了多门机电类课程的教学内容。

1)低压电器课程学习

去掉变频器与PLC，可以作为继电—接触器系统进行低压电器课程的学习，设计，接线，调试实验。

2)传感器课程学习

学习流量传感器、压力传感器的具体运用，选型，以及与其他部分的电气连接。

3)自动控制电气实训功能

典型的工业控制实例，稍加改进还能实现液位控制等典型闭环控制系统。

4)PLC 编程实训功能

学生们在工控机上进行PLC 的程序设计。在真实的系统中进行验证，观察控制效果，分析控制结果。

5)组态界面设计实训功能

学生直观进行组态界面设计，与PLC 进行通信，实战操作，调试。

4 结束语

供水教学系统在某独立学院教学过程中应用，能有效调动学生的积极性，培养学生的自动化知识、工控知识，运用该设计思想进行改造，即可设计出典型的温度，位置控制系统，有一定的参考价值。

［1］韦瑞录.节能型恒压供水实验系统的设计与实现［J］.Equipment Manufacturing Technology，2006，5：38－39.

［2］郎朗，崔祎，陈跃东.用模糊控制和变频技术实现恒压供水［J］.电子科技大学学报，2004，33(1) ：80.

［3］西门子(中国) 有限公司.SIEMENS S7-200 可编程序控制器系统手册［Z］.2008：10－15.