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摘 要

近年来，随着人们物质生活水平的提高，城市居民区改造和扩建不断加快，楼房层数的不断加高，原有的供水管网的压力不稳定问题越来越突出，居民用水困难给生活带来极大不便，也不利于消防安全。针对传统生活用水供水系统中存在的水压不稳定、电能浪费等问题，本文提出了基于可编程控制器（PLC）的模糊控制恒压供水系统的设计方案, 该控制系统是以PLC为核心，并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，采用实用有效的模糊控制算法，通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由PLC控制水泵数量及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。有效地解决了管网压力不稳定、传统供水方式中的水电浪费的问题，为现代生活供水系统提供了一种更加合理的实现方法。

关键词: 恒压供水系统，变频调速，模糊控制

Constant Pressure Water Supply System Based on Fuzzy Control

ABSTRACT

In the recent years, with the development of the living standard of the people, the continuous acceleration of reconstruction and extension of residential areas, and the continuous increment of the building layer, the problem of unstable pressure of the old water supply pipe network is becoming more and more serious, the difficulty of using water brings quite a lot inconvenience to the inhabitant’s daily life, fire prevention and control is anything but safe. Direct towards the problems of traditional water supply system, such as unstable water pressure and wasting of electric energy, this paper proposes a design scheme of constant pressure water supply using fuzzy control based on PLC. The control system takes PLC as the center, combined with the inverters and the pressure sensors and forms a constant pressure water supply system with variable frequency. The system adopts the water pressure of the pipe network as the setup parameter, and uses the practical and effective fuzzy control algorithm. The rotary speeds of the water pump motors are automatically regulated by controlling the output frequency of the inverter, PLC controls the water pump numbers and the inverter to regulate the rotary speeds of the water pump motors according to the practical water amount, and the constant pressure water supply is realized, the problems of unstable pressure in the pipe network and wasting of water and electricity in the traditional water supply method are solved effectively, and a reasonable implementation method is provided for the modern water supply system.

KEY WORDS: Constant pressure water supply system, Speed control by frequency variation, Fuzzy control

目　　录

第1章 绪论 1

1.1 课题提出的背景和意义 1

1.2 变频调速技术的发展及在恒压供水中的应用 2

1.3 供水系统变频调速与节能 5

1.3.1 供水系统变频调速运行的工作原理 5

1.3.2 供水系统调速运行的节能原理 6

1.4 模糊逻辑控制技术及其在恒压供水控制系统中的应用 9

1.4.1 控糊逻辑控制技术的产生和发展 9

1.4.2 模糊逻辑控制技术在变频调速恒压供水系统中的应用 11

1.5 本课题的主要工作 11

第2章 变频调速恒压供水控制系统的设计 12

2.1 供水控制系统的组成及工作原理 12

2.2 变频恒压供水系统控制流程 15

2.3 供水控制系统设备选型 16

2.3.1 PLC及其扩展模块的选型 16

2.3.2 变频器的选型 17

2.3.3 水泵机组的选型 18

2.3.4 压力变送器的选型 19

2.3.5 液位变送器选型 19

2.4 系统主电路分析及其设计 20

2.5 系统控制电路分析及其设计 22

第3章 PLC程序和模糊控制器的设计 25

3.1 PLC的I/O端口分配及外围接线图 25

3.2 系统的软件设计 28

3.2.1 系统软件设计分析 28

3.2.2 PLC程序设计 31

3.2.3 控制系统主程序设计 31

3.2.4 主程序梯形图 35

3.3 模糊控制原理 41

3.3.1 模糊控制系统构成 41

3.3.2 模糊控制基本原理 42

3.4 Fuzzy控制器的设计 43

第4章 总结与展望 52

参考文献 54

第1章 绪论

1.1 课题提出的背景和意义

城镇供水系统是给水排水工程的重要组成部分，居民生活区能否正常供水与居民生活、娱乐及保障消防用水密切相关。近年来，随着人们物质生活水平的不断提高，居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，高楼供水系统的应用越来越多，对供水系统的供水稳定性要求越来越高。但供水系统的供水水压会随着管路的加长而逐渐减弱，生活区用水，一天内不同时段的用水量具有明显的差异，昼夜负荷变化大，供水量不固定，不能满足用户需要，尤其是高层建筑居民生活用水及消防安全保障的需要。大部分地区普遍存在着用水高峰期，高层供不上水，高层居民经常出现用水难问题，给生活用水带来极大不便，也不利于消防安全；同时传统供水系统严重浪费能源，供水成本高；这些问题在大城市表现尤为突出。

针对上述问题，出现了应用单片机或PLC与变频技术相结合，对传统供水系统进行节能改造的变频恒压供水系统。这种系统已逐渐取代原有的恒速泵组切换加压供水、调节阀门供水、高位水塔供水等供水系统，较多地应用于多层住宅小区和高层建筑生活及消防供水系统。然而，在对原有供水系统进行变频改造的实践中，又出现一些急需解决的问题。如采用单片机与变频器组成供水系统时，系统在软件设计工作量较大（难以确定数学模型），程序调试难度大，系统抗干扰性能较差；而采用变频器与带有模拟输入／模拟输出的PLC组成供水系统时，PID算法编程难度大，恒压供水稳定性不理想，设备成本高，且要求现场调试的人员专业技术素质要求比较高等。而供水系统中，由于供水管网铺设复杂、弯管多，相互之间交叉耦合，使其参数变化较大，造成水压波动，水泵特性又存在着非线性，因此很难建立精确的数学模型；若采用工程上PID算法，但整定参数较难；同时变频器循环控制多台水泵并联运行，水泵电机由变频向工频切换和工频向变频切换时，易产生很强的过电压过电流，相当于系统加入严重干扰。所以，对于难以确定数学模型、非线性、强耦合、多变量、参数变化大和强干扰，而水压精度要求不很高的供水系统，研究将现代模糊控制理论与变频调速技术技术相结合，应用于恒压供水系统，开发出现场比较容易调试、供水参数的调节方便、可靠性高、控制性能好的经济型恒压供水模糊控制系统，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重要的现实意义。

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