基于PLC的变频恒压供水系统设计
摘要
本文设计了一种由PLC与变频器组成的替代传统水塔供水的变频恒压供水系统。它由一台变频泵、一台工频泵、一台备用泵组成，以PLC作为主控制器，实现系统的启动制动、供水模式选择、水泵电机监测、电机故障报警以及故障电机切换至备用电机等功能。该系统对供水管网压力信号进行实时检测，并根据压力值决定启动电机的台数和电机的运行工况，变频器实现变频工况下水泵电机的无级调速。变频恒压供水系统的可靠运行主要取决于对水压信号的稳定控制，当压力信号控制不稳定时，达不到恒压供水的目的，而且会出现水锤效应，损坏电机和供水管网，所以在该系统中对压力信号采用PID控制，即将采集的管网压力信号由模拟量输入口送入PLC，经PLC自带的PID运算模块进行PID控制，然后由PLC的模拟量输出口送给变频器，作为变频器的输出频率控制信号。PID控制可使水压信号快速稳定在预定值。系统还对水泵电机的转速和电流进行了监控，当电机发生故障时，报警信号灯和蜂鸣器动作，同时故障电机自动切换到备用电机，保证可靠供水。综上所述，本系统具有变频节能、安全可靠、实时优质供水等优点。
关键词：PLC，变频器，恒压供水，PID，电机监控
I
FREQUENCY CONVERSION CONSTANT PRESSURE WATER SUPPLY SYSTEM DESIGN BASED ON PLC
Abstract
A kind of constant pressure water supply system is designed in this paper. It was composed of PLC and transducer instead of the traditional water tower supplies water system. The system was constituted of a frequency conversion pump, a power frequency pump and a standby pump. PLC is made as the main controller. It realizes the functions of start-up and braking system, water supply mode selection, monitoring the water pump motor, pump motor breakdown alarm and switch breakdown motor to the standby electric motor and so on. The pressure signal of water supply pipe network is examined in real-time and the pressure value in accordance with the decision of the number of motors to start up and the motors’ operating conditions. The transducer is used for stepless speed regulation of motor. The frequency conversion constant pressure water supply system's reliability service is mainly decided to the stable control of pressure signal. Anticipated purpose cannot be achieved when the control of pressure signal is unstable. Water hammer effect will be generated. Motors and water supply pipe network may be damaged. Therefore, PID control is used in the system for pressure signal. It means that the pressure signal is operated by the PLC built-in PID module, and then output the result to the transducer as the transducer control signal. The PID control enables the pressure rapidly stabilized at predetermined values. The system also has carried on the monitoring to the water pump motor rotational speed and the electric current. Warning lights and buzzer are activated when the motor breakdown. At the same time the breakdown motor automatically switches to standby motor to ensure reliable water supply. In summary, the system has advantages of frequency conversion energy saving, safe and reliable, real-time and high-quality water supply and so on.
Key words:PLC，transducer，constant pressure water supply，PID，motor monitoring
II
目 录
1 绪论 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
1.1 供水现状 ------------------------------------------------------------------------------------- 2 1.2 变频恒压供水系统 ------------------------------------------------------------------------- 2 1.3 变频恒压供水原理 ------------------------------------------------------------------------- 3 1.4 变频恒压供水的优点 ---------------------------------------------------------------------- 3 2 可编程控制器和变频技术简介 ----------------------------------------------------------------- 5
2.1 可编程控制器概述 ------------------------------------------------------------------------- 5
2.1.1 PLC的由来 --------------------------------------------------------------------------- 5 2.1.2 PLC的定义 --------------------------------------------------------------------------- 5 2.1.3 PLC的发展历程 --------------------------------------------------------------------- 5 2.1.4 PLC的发展趋势 --------------------------------------------------------------------- 6 2.1.5 PLC的基本组成和工作原理 ------------------------------------------------------ 6 2.1.6 PLC的功能特点和分类 ------------------------------------------------------------ 9 2.2 变频技术概述 ------------------------------------------------------------------------------ 11
2.2.1 变频技术的发展 -------------------------------------------------------------------- 11 2.2.2 交流变频调速技术的优势-------------------------------------------------------- 12 2.2.3 变频器的基本原理 ----------------------------------------------------------------- 13 2.2.4 变频器的分类 ----------------------------------------------------------------------- 14 2.2.5 变频器的控制方式及特点-------------------------------------------------------- 14
3 变频恒压供水系统中PLC和变频器选型 --------------------------------------------------- 18
3.1 PLC的选型 ---------------------------------------------------------------------------------- 18 3.2 变频器的选型 ------------------------------------------------------------------------------ 20 3.3 压力传感器的选型 ------------------------------------------------------------------------ 22 4 系统电路设计 -------------------------------------------------------------------------------------- 24
4.1主电路设计 ---------------------------------------------------------------------------------- 24 4.2控制电路设计 ------------------------------------------------------------------------------- 25 5 系统的软件设计 ----------------------------------------------------------------------------------- 29
5.1系统硬件组态(HARDWARE CONFIGURATION) -------------------------------- 29 5.2 系统程序设计 ------------------------------------------------------------------------------ 30
III
5.3 变频器参数设置 --------------------------------------------------------------------------- 31 6 系统改进和优化 ----------------------------------------------------------------------------------- 33
6.1 PID控制改进 ------------------------------------------------------------------------------- 33 6.2 系统监控 ------------------------------------------------------------------------------------ 33 6.3 Fuzzy-PID控制 ----------------------------------------------------------------------------- 35 结论 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 40 致谢 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 41 参考文献 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 42 附录A系统总图 ------------------------------------------------------------------------------------ 43 附录B程序 ------------------------------------------------------------------------------------------ 44
IV
1. 绪论
随着人们生活质量的提高和工控技术的发展，人们对供水系统的可靠性、安全节能指标的要求都更高了。为了解决这一问题，控制工程师提出了无塔变频恒压供水系统的设想，并在具体的供水系统中得到了实现和应用。实践证明：变频调速恒压供水设备以其节能、安全及高品质的供水质量等优点，使供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，它比传统的水塔供水有更大的优越性，是当今最先进、合理的节能型供水系统，所以它逐渐取代了水塔供水，成为现代楼宇供水的主流。本文设计了一种基于SIEMENS S7-300 PLC的变频恒压供水系统，它由一组变频泵、一组工频泵、一组备用泵组成，以PLC作为主控制器，进行逻辑控制。实现管网压力的检测，系统的启动制动，供水模式的选择，不同供水模式下管网压力的调节，电机变频无级调速，电机监控，故障报警和故障电机自动切换至备用电机等功能。该系统通过实时检测供水管网的压力信号调节水泵电机的起停以及工频/变频切换。压力传感器时刻检测管网压力，将其转化为0~5V的电压信号，送PLC的AI口，经A/D转换为整数，后经过系统标准化转换功能FC105转化为浮点数，与设定的压力值对应的数值相比较，其偏差送至系统功能FC41，进行PID运算，运算所得浮点数结果经系统功能FC106转化为整数后送至AO口输出，作为变频器的控制信号，控制变频器的输出频率，实现电机的速度调节，改变水泵流量，保证供水管网压力始终稳定在给定值附近，实现了变频恒压供水系统的闭环控制。同时，PLC根据检测的压力信号控制电机启动台数以及工频/变频运行工况。由于用变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，有效的减小了水锤效应，保护电机和管网不被损坏，同时，变频器的使用使得电机的启动电压平稳的限定在一定的范围，不仅延长了电机的使用寿命，还减小了电机启动时对电网电压的冲击。该系统共有三种供水模式可供选择：消防供水模式、生活供水模式、管道检修时的低压供水模式，可以根据具体的用途进行选择。系统工作过程中还对拖动电机的电流及转速进行监测，当正在运行的电机出现堵转、过流等故障时发出报警信号，在操守人员进行故
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障确认后报警消除，同时故障水泵自动切换切换到备用电机，确保安全可靠不间断供水。在系统的改进优化中，使用了组态王软件，通过PLC的CP模块向上位机实时发送系统的监控信息，对供水系统的部分变量和主要参数进行实时监控。
1.1 供水现状
在人们正常的生活中，一天当中各个时段的用水量是极不稳定的，早、晚用水高峰常常是平时用量的二倍，而后半夜用水水量仅为平时用量的三分之一，而且用水流量变化快，稳压时间短。长期以来我国在城市供水、高层建筑供水领域，采用的传统供水方式是利用高位水箱、水塔和各种气压罐进行加压蓄水，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式占地面积大、设备投资高、电机启动频繁、浪费电能，不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵、电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难。因此急需一种新型的供水方式来优化供水系统。
1.2 变频恒压供水系统
用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。
变频恒压供水系统对于生活、工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或暂时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用供水站采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往的高位水箱和压力罐等供水设备[1]，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等设备的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。
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变频调速恒压供水控制装置能够极大地改善供水管网的供水条件，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节水泵电机的转速和水泵电机的投入及退出，使管网主干出口端压力值保持恒定，整个供水系统始终保持高效节能和运行在最佳状态。
1.3 变频恒压供水原理
恒压供水系统希望根据流量的变化调节水压，它们之间的关系式为[1]： H=H2+∑h=Hz+K1Q2 （1-1） 式中：H—水泵扬程，反映出管网压力；
Q—水网用户要求的用水量； Hz—水网中最低供水点要求扬程； ∑h—管道水头损失；
K1—流量系数，由管网本身决定。
由上可知，恒压供水系统主要是根据Q的变化来实时的调节H。 水泵电机的输出扬程和转速之间的关系如下式[1]：
H=Ka×N2 （1-2） 式中：Ka—转速系数；
N—电机转速。 联立（1-1）和（1-2）可得：
Q2=K×N2-Hz /K1 （1-3） 式中：K= Ka/K1 ，流量和转速之间的关系系数。
由式（1-3），可以得出在供水系统中转速的平方和流量的平方成线性关系。由于流量是用户控制的，在流量为零时，水网仍需维持一定的水压Hz，即水泵仍需保持一定的转速Nz ，速度的调节应该根据水压进行闭环自动控制。
变频恒压供水系统一般由PLC和变频器构成，以PLC作为核心控制单元，控制整个系统的运行。系统通过实时检测供水管网的压力信号决定启动电机的台数和运行工况，并将设定压力信号与实际压力信号进行比较，将所得偏差进行相应的控制运算，用所得结果来控制变频器的输出频率，实现变频电机的无级调速，使供水管网压力恒定，进而达到恒压供水的目的。所以，变频恒压供水系统是一个基于压力检测的闭环控制系统，它一般还具有系统监控和故障处理功能。
1.4 变频恒压供水的优点
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用变频调速来实现恒压供水，与用传统的调节阀门来实现恒压供水相比，其优点是：
(1) 节能节水效果明显。
(2) 起动平稳，起动电流可限制在额定电流内，避免了起动时对电网的冲击。 (3) 运行可靠，可以在很大程度上消除起动和停机时的水锤效应。 (4) 由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等设备的使用寿命。 (5) 控制灵活，多种供水模式，切换方便。
(6) 自我保护功能完善，具有故障报警和故障处理功能。
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2. 可编程控制器和变频技术简介
2.1 可编程控制器概述
2.1.1 PLC的由来
在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位。这种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不够高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差。如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并且要改变硬件结构，这不仅影响了产品更新换代的周期，而且对于比较复杂的控制系统来说，不仅设计制造困难，而且可靠性不高，查找和排除故障也往往是费时和困难的。1968年，美国通用汽车公司(GM，General Motors)根据市场形式与生产发展的需要，提出了：“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略[2]。为了尽可能地减少重新设计和重新接线的工作，从而降低成本、缩短周期，提出了研制新型逻辑顺序控制装置来取代继电器控制装置的设想。1969年，美国数字设备公司(DEC，Digital Equipment Corporation)研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，并将其应用于美国通用汽车自动装配生产线上[2]，这是首次采用程序化的手段实现电气控制，这台控制装置就是第一台PLC。 2.1.2 PLC的定义
可编程序控制器(Programmable Controller，PC)是近几年迅速发展并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置。早年的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此被称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。随着技术的进步和微处理器的广泛应用，一些PLC生产厂家开始采用微处理器作为PLC的中央处理器，大大加强了PLC的功能，它不仅具有逻辑控制功能，而且具有算术和模拟量的控制功能。因此，美国电气制造协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)于1980年将它正式命名为可编程控制器(PC)[2]。该名称已在工业界使用多年，但近几年来个人计算机也简称PC，为了区别，目前可编程控制器常称为PLC。
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1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义[3]：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储数据并执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”
近年来，PLC发展非常迅速，除了具有逻辑判断等功能，同时还具有数据处理、PID调节和数据通信功能，因此其功能已远远超出了上述定义范围。 2.1.3 PLC的发展历程
虽然PLC问世时间不长，但随着计算机技术、半导体集成技术、控制技术和通信网络技术等新技术的迅速发展，PLC也迅速发展。PLC的发展大致经历了以下四个阶段[3]：
第一阶段，从第一台PLC问世到20世纪70年代中期，是PLC的初创阶段。 第二阶段，从20世纪70年代末期到中期，是PLC实用化发展阶段。
第三阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是PLC通信功能的实现阶段。 第四阶段，从20世纪80年代中期开始，是PLC的开放阶段。 2.1.4 PLC的发展趋势
PLC从诞生至今，虽然只有近40年的历史，但其发展势头十分迅猛。如今在工业自动化领域中，PLC已经无处不在。随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能得到不断改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC产品，平均3~5年更新换代一次。今后，PLC的发展可归纳于以下几个方面[3]：
(1) 人机界面更加友好。 (2) 网络通讯能力不断增强。 (3) 开放性和互操作性逐渐发展。 (4) PLC的应用范围越来越广阔。 (5) 以太网的发展对PLC有重要影响。 2.1.5 PLC的基本组成和工作原理
传统的继电器控制系统通常由输入设备、继电器控制盘和输出设备三大部分组成，如图2-1所示。输入设备通常由被控对象的各种开关、按钮、传感器等构成。继
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电器控制盘等由中间继电器、时间继电器和将这些器件连接起来的导线等组成。复杂的继电控制系统，一般由一个或几个控制柜构成，系统构成比较庞大。输出设备由被控对象执行元件组成，如电磁阀、接触器。
输入设备 (按钮、限位开关等) 继电器控制盘 输出设备 (接触器、电磁阀等) 被控机械或生产过程 图2-1 继电器控制系统
PLC控制系统是从继电器控制系统发展而来的，其构成如图2-2所示。可以看出，这两种控制系统有很多相同之处，其中输入设备和输出设备基本相同，只是用PLC控制器取代了继电器控制盘。传统的继电器控制线路的作用是通过许多导线与继电器硬件连接实现的，而PLC控制系统的控制作用是通过软件编程实现的。后者可以通过修改程序来改变其控制作用，而前者则需要改变控制线路的硬件连接才能做到。
输入设备 PLC(硬件、软件) 输出设备 被控机械或生产过程 图2-2 PLC控制系统
(1) PLC的基本组成
PLC控制系统的硬件简化框图如图2-3所示。其中中间框部分为PLC的硬件组成，一般可以将其分为四部分：中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)模块和电源[3]。
① 中央处理器(CPU)
CPU由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路集成在一个芯片上。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU的各部分通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
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用户输入设备 输入模块中央处理器存储器电源模块输出模块用户输出设备 (CPU) 图2-3 PLC控制系统结构简化框图 外部设备 ② 存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路，是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。随机存取存储器(RAM)在使用过程中随时可以读取和存储；而只读存储器(ROM)在使用过程中只能读取，不能存储。RAM有静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)两种；ROM按其编程方式不同，可分为掩膜ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)和电可擦除可编程ROM(E2PROM)等。
由于PLC的软件由系统软件和用户软件构成，因此PLC的存储器可分为系统程序存储器和用户程序存储器。通常将存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。不同类型的PLC其存储容量各不相同。
③ 输入/输出(I/O)模块
I/O模块是CPU与现场I/O设备或其它设备通信的桥梁。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。PLC提供了具有各种操作电平与输出驱动能力的I/O模块和各种用途的功能模块供用户选用。
I/O模块分为开关量输入(DI)、开关量输出(DO)、模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)等模块。常用的I/O分类如下：
对于开关量I/O来说，按电压水平分，有AC 220V、AC110V、DC24V等；按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。对于模拟量I/O来说，按信号类型分，有电流型(4~20mA，0~20mA)、电压型(0~10V，0~5V，-10~10V)等；按精度分，有12bit、14bit、16bit等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲
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等模块。
④ 电源
PLC配有开关式稳压电源模块，用来给PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源(AC220V或AC110V)，直流电源(常用的为DC 24V)。
(2) PLC的工作原理
PLC虽然同微机有许多相同的地方，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。当按下键盘键或I/O动作后，计算机则转入相应的子程序和运行程序，无键按下或无I/O动作则继续扫描。PLC则采用循环扫描的工作方式，整个扫描过程可分为输入采样、内部处理、用户程序执行、输出刷新4个阶段。PLC周而复始地循环执行这4个阶段，这种工作方式称为扫描工作方式。PLC每重复一次4个阶段所用的时间称为一个扫描周期(或称循环周期、工作周期)。而内部处理实际上就是运行PLC内部系统的管理程序，它由下面4个过程组成：
① 系统自监测
PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，如果超时，复位监视计时器(看门狗，watchdog)则停止中央处理器工作，以及完成一些其它监测。
② 与编程器交换信息
这在使用编程器输入和调试程序时才执行。 ③ 与数据处理器交换信息
这只有在PLC中配置有专用数字处理器时执行。 ④ 外部通信
当PLC配置有通信接口或模块时，与外部通信对象(如磁带、其它PLC或计算机等)进行数据交换。
2.1.6 PLC的功能特点和分类
(1) PLC的功能
随着计算机技术、工业控制技术、电子技术和通信技术的发展，PLC已从小规模的单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域，能组成工厂自动化的PLC综合控制系统。如今的PLC一般都有如下丰富的功能[4]：
① 信号采集功能
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② 开关量逻辑控制功能 ③ 定时/计数控制功能 ④ 数据处理功能 ⑤ 监控、故障诊断功能 ⑥ 步进控制功能 ⑦ A/D、D/A转换功能 ⑧ 停电记忆功能 ⑨ 远程I/O功能 ⑩ 通信联网功能 (2) PLC的特点
PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观要求外，还因为它有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。它具有以下主要特点：
① 可靠性高，抗干扰能力强。
② 编程、操作简易方便、程序修改灵活。 ③ 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。 ④ 安装简单，调试和维修方便。 ⑤ 体积小、质量轻、功耗低、响应快。 (3) PLC的分类
PLC的种类很多，其功能、内存容量、控制规模、外形等方面均存在较大差异，且还没有一个权威的统一分类标准。通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类如下：
① 按结构形式分
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。 ② 按功能分类
按PLC功能强弱来分，可分为低档机、中档机和高档机三类。 ③ 按I/O点数分类[5]
为了适应不同工业生产过程的应用要求，PLC能够处理的输入/输出信号数是不一样的。一般将一路信号称为一个点。PLC按控制规模分类主要以开关量计数，模拟量的路数可折算成开关量的点数，一般一路相当于8点或16点。根据I/O点数的多少，可将PLC分为微型机、小型机、中性机、大型机、超大型机。
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微型机I/O点数小于100点，内存容量256B~1KB。 小型机I/O点数在100~500点左右，内存容量1~3.6KB。 中型机I/O点数在500~1000点左右，内存容量3.6~13KB。 大型机I/O点数在1000点以上，内存容量在13KB以上。
超大型机I/O点数可达几千点，甚至几万点，内存容量13KB以上。
2.2 变频技术概述
2.2.1 变频技术的发展
直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，至今已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术原因，在很长一段时间内，占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统中，采用的是交流电机，包括异步电动机和同步电动机，而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电机。
(1) 直流电机由于结构上的原因，存在以下缺点[6]
① 需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短。
② 由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境。 ③ 结构复杂，难以制造高转速、高电压和大容量的直流电动机。 (2)交流电动机和直流电动机相比，具有以下优点[6] ① 结构简单、坚固、工作可靠、易于维护和保养。
② 不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境。 ③ 容易制造出高转速、高电压和大容量的交流电动机。
因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究工作。但是，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到令人满意的成果，也因此限制了交流调速系统的推广应用。也正因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。
直至20世纪70年代，随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，变频驱动技术也得到了显著发展。随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断得到提高，而且应用范围也越来越广。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且已经扩
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展到了工业生产的所有领域，并且在家用电器产品中也得到了广泛应用。 2.2.2 交流变频调速技术的优势
与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气控制，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数高，所需电容量小，可以组成高性能的控制系统。
在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。由于以节能为目的的调速运转对电动机的调速范围和精度要求不高，所以通常采用在价格方面比较经济的通用性变频器。变频器调速控制系统具有以下优势[7]：
(1) 利用变频器实现交流电动机调速控制，可很方便地实现调速。
(2) 利用变频器实现交流电动机调速控制，可得到较宽的调速范围和较高的调速精度。
(3) 利用变频器实现交流电动机调速控制，很容易实现电动机的正反转切换。 (4) 利用变频器实现交流电动机调速控制，可减小电动机的启动电流。 (5) 利用变频器实现交流电动机调速控制，可减小电动机的功率损耗。 (6) 利用变频器实现交流电动机调速控制，运行可靠，维护简单。
(7) 利用变频器实现交流电动机调速控制，可实现高转矩、高电压大电流控制。 由于异步电动机的转速为：
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n(1s)p 式中：n—电动机转速r/min；
f—电源频率Hz； p—电动机磁极对数； s—转差率。
当用工频电源(50Hz)对异步电动机进行驱动时，电动机的最高速度只能达到3000r/min。为了得到更高转速，必须使用专用的高频电源或使用机械增速装置进行
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增速。
与此相比，目前高频变频器的输出频率已经可以达到3000kHz，所以当利用这种高速变频器对二极管异步电动机进行驱动时，可以得到高达180000r/min的高速[7]。而且随着变频技术的发展，高频变频器的输出频率也在不断提高，因此进行更高速度的驱动也将成为可能。此外，与采用机械增速装置的高速驱动系统相比，由于采用高频变频器的高速驱动系统中并不存在异步电动机以外的机械装置，其可靠性更好，而且保养和维修也更加简单。在高频调速控制系统中，变频器和电动机是可以分离设置的。因此，通过和各种不同的异步电动机的适当组合，可以得到适用于各种工作环境的交流调速系统，而且对变频器本身并没有特殊要求。
由于变频器本身对外部来说可以看作是一个可以进行调频调压的交流电源，可以用一台变频器同时驱动多台异步电动机或同步电动机，从而达到节约设备投资的目的。而对于直流调速系统而言，则很难做到这一点。因为绝大多数变频器是通过交流-直流-交流的电源变换后对异步电动机进行驱动的，所以电源的功率因数不受电动机功率因数的影响，几乎为定值。此外，当用电网电源对异步电动机进行驱动时，电动机的启动电流为额定电流的5~6倍[7]，而在采用变频器对异步电动机进行驱动时，由于可以将变频器的输出频率降至很低时启动，电动机的启动电流很小，因而变频器输入端电源的容量也可以比较小。一般来说，变频器输入端电源的容量只需为电动机输出容量的1.5倍左右即可。这也说明变频器也可以同时起到减压启动器的作用。
随着控制理论、交流调速理论和电力电子技术的发展，变频器技术也得到了充分地重视和发展，目前，由高性能变频器和专用的异步电动机组成的控制系统在性能上已经赶上并超过了直流电动机伺服系统。此外，由于异步电动机还具有对环境适应性强，维护简单等许多直流伺服电动机所不具备的优点，所以在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能的交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。而且由于高性能的变频器的外部接口功能也非常丰富，可以将其作为自动控系统中的一个部件使用，构成所需的自动控制系统。 2.2.3 变频器的基本原理
(1) 变频器的基本框图
从结构上看，变频器分为间接变频和直接变频两大类。间接变频器先将工频交流电源(整流)变换为直流，再经过逆变器将直流电变换为电压和频率可控的交流电，简称“交-直-交”变频器。直接变频器将工频交流电直接变换为电压和频率可控的交流
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电，不需要中间整流环节，简称“交-交”变频器。目前在中小容量的变频器中，“交-直-交”变频器应用最为广泛，它的基本结构如图2-4所示[7]。
整流电路 三相交流电源 直流中间电路 DC 逆变电路 AC 交流输出 (V/F控制) 主电路 控制电路和保护电路 图2-4“交-直-交”变频器的结构示意图
变频器通常由整流电路、直流中间电路、逆变电路、可控频率三相交流电源输出、控制电路和保护电路等构成。其中，整流电路用于将工频交流电变换为直流电。直流中间电路用于提供稳定的直流电源(恒压或恒流)，有的变频器还提供交流电动机反馈制动时的再生电流通路。逆变电路主要是将直流电源变换为频率和电压均可控的三相交流电源。交流输出电路，一般包括输出滤波电路、驱动电路以及反馈电路等。上述这些电路部分通常称为主电路。控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变器开关管的导通和关断，从而配合逆变电路完成逆变任务。在变频技术中控制电路和逆变电路同样重要，都是衡量变频器质量的重要指标。控制电路大多数采用计算机技术，以实现自动控制和增强变频器的功能。保护电路主要包括输入和输出过压保护、欠压保护、过载保护、过流保护、短路保护、过热保护等。在不少应用场合，变频器自身还有过速保护、失速保护、制动控制等辅助电路。 2.2.4 变频器的分类
变频器的分类方法很多，常见的有以下几种[7]: (1) 按变流环节：“交-直-交”和“交-交”。 (2) 按直流环节的储能方式：电压源型和电流源型。
(3) 按逆变环节的调制方式：脉冲宽度调制(PWM)和脉冲幅度调制(PAM)。 (4) 按控制方式：V/F(或称U/F)控制、转差频率控制和矢量控制。 (5) 按输入电流的相数：两相和三相。 2.2.5 变频器的控制方式及特点
变频器的控制方式是针对电动机的自身特性、负载特性及运转速度的要求，控制
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变频器的输出电压(电流)和频率。
(1) V/F控制方式
从异步电动机的特性：转速 n s ) n 0 1 (1 s ) （2-2） (1
60fp
U 磁通 m 1 （2-3）
4.44Nf1 转矩 T K m I 2 cos 2 （2-4）
可知，当改变电源频率f1时，可改变旋转磁场的转速n0，也就改变转子的转速n0。理论上n与f1成正比，则通过改变电源频率就可以实现电动机的调速。但在维持定子电压U1不变时，随着f1的升高，电动机的磁通Фm减小，导致T下降，最大转矩Tm也降低，严重时将使电动机堵转；当减少f1时，则使Фm增加，导致电动机的磁路过饱和，励磁电流增加，铁心过热。为此变频器在逆变过程中，在改变频率f1的同时必须按一定比例改变U1[8]。例如f1升高，则U1随之升高，以免出现上述问题。这种控制方式用VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)表示，简称V/F控制，其目的是维持Фm不变。
在基频fN以下调速时，由于U和f都小，定子绕组的感抗也小，使得定子内阻的压降相对增加，则电动机转矩不仅无法维持Tm，反而下降。为此必须通过检测定子电流来适当提高U，以补偿定子的电压损失来维持Tm，所以这种调速近似为恒转矩调速。
在基频fN以上调速时，由于电动机受到定子绕组绝缘强度的限制，U不允许超过UN(额定电压)，所以Фm (U/f=KФm,K为比例常数)随着f的升高(保持U=UN)反而下降，导致转矩T减小。同时，电动机的同步机械角速度Ω(Ω=2πf/Pd)随f升高而增加。由电动机的功率Pd=TΩ(T和Ω随f的变化方向相反)可知，这种调速近似为恒功率调速[8]。
V/F控制方式的基本特点是通过使U/ f的值保持一定而得到所需的转矩特性，属于开环控制。一般来说，若电动机需要低于额定转速运行时，可采用恒转矩调速。若电动机需要高于额定转速运行时。V/F控制方式的特性曲线如图2-5所示。
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Φm，U1 恒转矩调速 UN ФmN 恒功率调速 UN Φ O fN 图2-5 V/F控制方式的特性曲线 (2) 转差频率控制方式
转差频率控制方式是对V/F控制的一种改进。因为在V/F控制方式下，转速会随着负载的变化而改变，其变化量与转差率成正比。为了提高调速精度，就需要控制转差率。通常是用速度传感器检测电动机的运行速度，以求出转差角频率再把它与f设定值叠加以得到新的逆变器的设定值f2，实现转差补偿。其原理图如图2-6所示。
可控整流器 电源 —～ 逆变器 M 3～ 速 度V 检测器 f (设定值) Δf + - f2 U U f f2 U/f曲线发生器 控制脉冲发生器
图2-6 转差频率控制方式示意图
对应于频率设定值f，经过转差补偿后定子频率的实际值为f2=f+Δf，以此进行调速控制，同时在一定程度上对输出转矩进行控制，所以它与V/F控制方式相比，在负载发生较大变化时，仍能达到较高的速度精度和较好的转矩特性[8]。
(3) 矢量控制方式
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V/F控制和转差频率控制存在动态性能不高的问题，而且交流异步电动机是多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加(设定)信号来准确控制其电磁转矩。20世纪70年代，西德F.Blaschke等人首先提出了矢量控制理论，基本出发点是以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系的变换，将定子电流分为产生磁场的励磁电流和与其垂直所产生转矩的转矩电流，并分别加以控制。在这种控制方式中，必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流的矢量，故称为矢量控制。它通过坐标变换和重建方法，把交流电动机模型等效为直流电动机，以获得像直流电动机一样的动态性能[8]。
变换电路 M 3～ 信号 给定 iT* 控 制器 iM* 直/交 变换 iα* iA* 2/3 iB* 变换 8* iC* R S T VVVF VVVF U V W iβ* 反馈信号 图2-7 矢量控制方式示意图
图2-7所示为数量控制方式的基本框图，它在VVVF变频器的基础上增加了坐标变换及控制电路。控制器将给定信号分解成两个互相垂直且独立的直流信号iM*和iT*。然后通过“直/交变换”将iM*和iT*变换成两相交流电流信号iα*和iβ*(表示励磁电流和转矩电流)。再经过“2/3变换”，将两相交流系统变换为三相交流系统，以得到三相交流控制信号iA*、iB*、iC*，去控制逆变器。对于电动机在运行过程中的三相交流系统的数据，又可以等效变换成两个互相垂直的直流信号，反馈到控制器，用于修正基本控制信号iM*和iT*。反馈信号包括电流和速度等信息，所以它属于闭环控制。其中的电流反馈用于反映负载的状况，使直流信号中的转矩分量iT*能够跟随负载变化，从而模拟出类似于直流电动机的工作情况。速度反馈用于反映拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，并使之以最快的速度校正，从而提高系统的动态性能[8]。
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3. 变频恒压供水系统中PLC和变频器选型
3.1 PLC的选型
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，PLC选型是一个多目标综合优化的过程，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术和经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
针对本文设计的供水系统，在进行PLC选型时应考虑以下事项： (1) 价格便宜，体积较小，工作可靠，维护方便的中小型机。
(2) 以开关量控制为主，带少量模拟量控制，自带A/D和D/A转换单元。 (3) 具有定时计数功能。
(4) 具有PID闭环控制和通信联网功能。
综合以上因素，在本文设计的变频恒压供水系统中选用了德国SIEMENS公司的SIMATIC S7-300 PLC。它是模块化的中小型PLC系统，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，能满足中等性能要求的应用；大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务；由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活；方便用户和简易的无风扇设计；当任务增加时，可自由扩展；由于大范围的集成功能，使其功能非常强劲。
S7-300的系统组成[9]： (1) 负载电源模块(PS)
用于将SIMATIC S7-300连接到120/230V AC电源。 (2) 中央处理单元(CPU)
各种CPU有各种不同的性能，例如有的CPU上集成PROFI-BUS-DP通讯接口。 (3) 接口模块(IM)
用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架，可以操作多达32个模块。
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(4) 信号模块(SM)
用于数字量和模拟量的输入输出。 (5) 功能模块(FM)
用于高速计数，定位操作(开环或闭环控制)和闭环控制。 (6) 通讯处理器(CP)
用于连接网络和点对点连接。
以上模块都安装在导轨上，通过MPI(MultiPoint Interface多点接口)网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7 PLC相连。SIMATIC S7-300结构图如图3-1所示。
SIMATIC OP PC-PPI 编程器 PG PS CPU IM SM SM SM SM SM SM CP IM SM SM SM SM SM SM SM 24V DC 图3-1 S7-300结构图
电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块，接口模块放在CPU的右侧，然后是信号模块，最后为通讯模块。电源模块通过电源连接器或导线与CPU模块相连，为CPU提供DC24V电源。PS 307电源模块还有一些端子可以为信号模块提供24V电源。
简单的结构使得S7-300安装灵活而易于维护，导轨是一种专用的金属机架，只需简单地将模块钩在DIN标准安装导轨上，然后用螺栓锁紧即可。背板总线集成在模块上，模块通过总线连接器相连，总线连接器插在机壳的背后。更换模块时，只需松开安装螺钉，很简单地拨下已经接线的前连接器。在连接器上的编码防止将已接线的连接器插到其它的模块上[9]。
SIMATIC S7-300的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护，在编程过程中遇到问题时，选中遇到的问题，按快捷键F1即可获得帮助。SIEMENS公司提供的编程软件STEP 7功能强大，界面友好，支持各种快捷键，编程效率高，有编程语
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言STL、LAD、FBD可供选择，且不同语言之间可相互转换。STEP7还提供在线仿真工具PLCSIM，可对所编程序在线仿真，调试程序，验证结果，修改错误。
3.2 变频器的选型
变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。人们在实践中常将生产机械分为三种类型：恒转矩负载、恒功率负载和风机、泵类负载[8]。
(1) 恒转矩负载
负载转矩tl与转速n无关，任何转速下tl总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。
(2) 恒功率负载
机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，tl不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓匹配的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。
(3) 风机、泵类负载
在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。
所以，需根据负载特性选择变频器。 变频器选择之前要确定以下几点：
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① 采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。
② 变频器的负载类型：如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式和方法。
③ 变频器与负载的匹配问题。
电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
④ 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
⑤ 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对耦合电容的影响，避免变频器输出功率不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
⑥ 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一。
择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外应充分考虑变频器的输出含有高次谐波，会造成电动机的功率因数和效率都会变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流增加10％而温升增加约20％。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有裕量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。
当变频器用于控制并联的几台电机时，一定要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内。如果超过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。另外在此种情况下，变频器的控制方式只能为V/F控制方式，并且变频器无法保护电动机的过流、过载保护，此时需在每台电动机上加熔断器来实现保护。矢量控制的变频器性能好、精度高，但价格也比V/F控制的要贵很多。一般来说，用在有高精度的速度控制要求才用矢量控制型的。在一般的应用场合，如：节能用或普通的调速用只要V/F型的就可以了，V/F的用来做节能效果是最好的，而且便宜又实用。
综合考虑各部分的因素，最后选用了国产英威腾CHF100-7R5G/011P-4变频器。其综合技术指标如下所示[10]。
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(1) 输入输出接口参数： ① 输入电压范围：380/220V±15% ② 输入频率范围：47~63Hz ③ 输出电压范围：0~额定输出电压 ④ 输出频率范围：0~400Hz (2) 外围接口特性：
① 可编程数字量输入：4路开关量输入，1路高速脉冲输入
② 可编程模拟量输入：AI1：0~10V输入，AI2：0~10V或0~20mA输入 ③ 可编程开路集电极输出：1路输出(开路集电极输出或高速脉冲输出) ④ 继电器输出：2路输出
⑤ 模拟量输出：1路输出，分别可选0/4~20mA或0~10V (3) 技术性能特性： ① 控制方式：V/F控制
② 过载能力：150%额定电流60s，180%额定电流10s ③ 调速比：1：100 ④ 载波频率：0.5~15.0kHz (4) 功能特性：
① 频率设定方式：数字设定、模拟量设定、脉冲频率设定、串行通讯设定、多段速及简易PLC设定、PID设定等，可实现设定的组合和方式的切换。
② PID控制功能。
③ 简易PLC、多段速控制功能：16段速控制。 ④ 摆频控制功能。 ⑤ 长度、时间控制功能。 ⑥ 瞬时停电不停机功能。
⑦ 转速追踪再启动功能，实现对旋转中的电机的无冲击平滑启动。 ⑧ QUICK/JOG键功能，用户自由定义的多功能快捷键。
⑨ 自动电压调整功能，当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定。 ⑩ 提供多种故障保护功能，过流、过压、欠压、过温、过载等保护功能。
3.3 压力传感器的选型
本系统中管网压力检测传感器可选用上海铭动电子科技有限公司的MD-W型
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压力传感器。MD-W型恒压供水压力传感器，针对在供水系统中变频器的使用，采用抗变频干扰电路，保证输出信号的稳定性。同时，专用电路中对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行精密补偿，使之具有集成度高、体积小、精度高、一致性好、抗干扰能力强、响应速度快等特性。它具有多种压力接口，根据客户需要定制压力接口，可选复合压力量程，且其为9~32V宽电源供电。其输出为：4~20mA/0~5V标准信号，可直接送PLC或变频器。
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4. 系统电路设计
4.1主电路设计
本系统由三台水泵电机组成，一台工作在变频工况，一台工作在工频工况，还有一台作为备用电机，当前两台电机中的一台出现故障时，它开始运行，保证不间断供水。PLC的数字量输出信号直接控制中间继电器线圈，再由中间继电器的触点控制接触器线圈的通断电，然后由接触器的触点通断控制电机的启动制动，工频或变频接入，以及备用电机的接入。在水泵电机运行的同时，与之对应的电磁阀得电打开。
系统的主电路接线如图4-1所示。
NL1L2L3QS0KM0QS1QS2QS3QS4KM1RSTKM3KM4CHF 100UVWKM2FR1FR2KM5FR3SIEMENS M3S7-300M1~ M3YV1M2~ M3YV2M3~YV3 图4-1 变频恒压供水系统主电路图
三相电源输入端首先接入闸刀开关QS0。闸刀开关为手控开关，用于整个电路和电源的隔离，闸刀开关中的熔丝具有电路限流和短路保护作用。当QS0接通以后，S7-300 PLC得电，控制整个电路工作。
在系统主电路中闸刀开关的功能如表4-1所示。
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表4-1 闸刀开关功能表
闸刀开关
QS0 QS1 QS2 QS3 QS4
功能
电路和电源的隔离 变频器通断电
水泵电机M1工频通断电 水泵电机M2工频通断电 水泵电机M3工频通断电
在系统主电路中接触器的功能如表4-2所示。
表4-2 接触器功能表
接触器 KM0 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5
功能
变频器和水泵机组的接入和隔离
水泵电机M1工频接入 水泵电机M2变频接入 水泵电机M2工频接入 水泵电机M3工频接入 水泵电机M3变频接入
在系统主电路中热继电器的功能如表4-3所示。
表4-3 热继电器功能表
热继电器 FR1 FR2 FR3
功能
水泵电机M1的过载保护 水泵电机M2的过载保护 水泵电机M3的过载保护
在系统中，变频器为三相输入，三相输出型，它的三相输出经接触器常开触点和热继电器后接入水泵电机三相输入端。由于在该系统中任何时刻最多有一台电机处于变频运行状态，所以变频器容量的选择应与水泵电机的容量相近，但要有一定的裕量。
考虑到出现故障时，电机切换问题，三台电机的容量应一致，在本系统中都选用容量为1.3K的交流异步电机。
不同管网压力下供水电动机共有以下几种运行工况：M1、M2工频，M1变频、M2工频，M1变频，M1、M2停机。其中M1即可工频运行，也可以变频运行，M2只能工频运行，M3作为备用电机。
4.2控制电路设计
手动闭合闸刀开关，电源接入PLC，PLC开始工作，按下系统启动按钮，接触器KM0常开触点动作，变频器通电开始工作。PLC检测管网水压，并根据管网压力值决定启动电机台数和运行工况。PLC数字量输出口接中间继电器的线圈，中间继电
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器的触点控制接触器线圈的通断电，具体对应关系如表4-4所示。
表4-4 PLC AO口和中间继电器、接触器的对应关系
PLC数字量输出口
Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5
对应的中间继电器
KA0 KA1 KA2 KA3 KA4 KA5
对应的接触器
KM0 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5
PLC的外部接线如图4-2所示。
SB0I0.0SB1I0.1SB2I0.2Q4.0Q4.1Q4.2Q4.3Q4.4Q4.5Q4.6KA0KA1KA2KA3KA4KA5HL0RHL1RHL2RHL3RSB3I0.3SB4I0.4S7-300 PLCSB5I0.5SB6I0.6L+Q4.7Q5.0Q5.1Q5.2HL4RHL5RRLT0PIW288Q5.3LT1PIW290PIW292Q5.4LT2RLT3PIW294Q5.5MBUZZERLT4PIW296PQW304SC
图4-2 PLC外部接线图
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系统还设置有启动指示灯，制动指示灯，供水模式指示灯，电机故障指示灯，故障报警蜂鸣器等来显示系统运行信息，它们直接由PLC的数字量输出信号驱动而工作。检测到的管网水压信号经标准转换为4~20mA电流信号，送PLC进行PID运算后在模拟量输出口送至变频器，调节变频器的输出频率，从而达到变频调速的目的。电机转速和电流的检测信号实时经模拟量输入口送PLC，并在PLC内部对其进行监控，当检测到故障信号时，PLC的数字量输出口驱动相应的中间继电器和接触器，进行电机切换。在本系统中热继电器和电机检测装置协调工作，保护电机和电路的安全。系统的控制电路如图4-3所示，QS为控制电路供电的主控开关。
1QSKA1KA2KA3KA4KA4KA4KA4KA5KA5KA0FR1FR3FR1FR3FR2FR20KM1KM4KM2KM5KM3KM4KM0
图4-3 变频恒压供水系统控制电路图
(1) 供水启动系统正常启动运行时，电机运行工况为： ① M1、M2工频
M1工频运行：1-QS-KA1常开触点-KA4常闭触点-FR1常闭触点-KM1线圈-0 M2工频运行：1-QS-KA3常开触点-KA5常闭触点-FR2常闭触点-KM3线圈-0 ② M1变频、M2工频
M1变频运行：1-QS-KA2常开触点-KA4常闭触点-FR1常闭触点-KM2线圈-0 M2工频运行：1-QS-KA3常开触点-KA5常闭触点-FR2常闭触点-KM3线圈-0 ③ M1变频
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M1变频运行：1-QS-KA2常开触点-KA4常闭触点-FR1常闭触点-KM2线圈-0 ④ M1、M2停机
(2) 供水启动运行出现故障时，电机工况为： ① M1工频运行故障：
M3切换：1-QS-KA1常开触点-KA4常开触点-FR3常闭触点-KM4线圈-0 ② M1变频运行故障：
M3切换：1-QS-KA2常开触点-KA4常开触点-FR3常闭触点-KM5线圈-0 ③ M2工频运行故障：
M3切换：1-QS-KA3常开触点-KA5常开触点-FR3常闭触点-KM4线圈-0 KA0控制接触器KM0线圈的得电，当系统运行时KA0常开触点闭合，KM0线圈得电，其常开触点闭合。
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5. 系统的软件设计
在本文设计的变频恒压供水系统中，采用了SIEMENS公司的SIMATIC S7-300 PLC，该PLC采用的编程调试软件为STEP 7。STEP 7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。
STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等[11]。STEP 7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1可以得到该对象的在线帮助。
在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。PC/MPI适配器用于连接安装了STEP 7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI接口。计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一侧的通信速率为19.2kbit/s~1.5Mbit/s。除了PC适配器，还需要一根标准的RS-232C通信电缆[11]。
双击 SIMATIC Manager 菜单中File选项下“New Project”Wizard，新建一个名称为Water supply的工程，选择编程语言为梯形图，CPU为CPU314，并创建组织模块OB1和OB35。
5.1系统硬件组态(HARDWARE CONFIGURATION)
双击Water supply中HARDWARE图标，在STEP 7 中HW CONFIG-SIMATIC 300 STATION下进行系统硬件组态，组态过程如下：
在菜单中View选项下点击Catalog项，则在组态界面的右侧出现硬件元件库。在SIMATIC 300子目录下PS-300中选取PS 307 10A电源模块添加到0号机架(UR0)的1号槽位；在CPU-300中选取订货号为6ES7 314-1AF10-0AB0的CPU模块添加到2号槽位；在SM-300中选取DI-300 SM 321 DI16×DC24V数字量输入模块添加到4号槽位；在SM-300中选取DO-300 SM 322 DO16×
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DC24V/0.5A数字量输出模块添加到5号槽位；在SM-300中选取AI-300 SM 331 AI8×12Bit模拟量输入模块添加到6号槽位；在SM-300中选取AO-300 SM 332 AO2×12Bit模拟量输出模块添加到7号槽位，PLC I/O分配如表5-1。以上为硬件组态过程，保存后退出，进行程序设计。
表5-1 I/O地址分配
输入地址分配
代号 SB0 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 LT0 LT1 LT2 LT3 LT4
输入名称
系统制动按钮 系统制动按钮 故障排除按钮
第一种供水模式启动按钮 第二种供水模式启动按钮 第三种供水模式启动按钮 故障排除后系统电机切换 管网压力信号测量变送 电机1转速监测信号变送 电机1电流监测信号变送 电机2转速监测信号变送 电机2电流监测信号变送
输入地址 代号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 PIW288 PIW290 PIW292 PIW294 PIW296
JZ0 JZ1 JZ2 JZ3 JZ4 JZ5 HL0 HL1 HL2 HL3 HL4 HL5 HL6 BU SC
输出地址分配 输出名称 中间继电器0 中间继电器1 中间继电器2 中间继电器3 中间继电器4 中间继电器5 系统启动指示灯 系统制动指示灯 第一种供水模式指示灯 第二种供水模式指示灯 第三种供水模式指示灯 电机1故障指示灯 电机2故障指示灯 故障报警蜂鸣器 变频器控制信号
输出地址 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 Q4.6 Q4.7 Q5.0 Q5.1 Q5.2 Q5.3 Q5.4 Q5.5 PQW304
5.2 系统程序设计
在SIMATIC Manager中依次双击Water supply - SIMATIC 300 Station - CPU314 - S7 Program- Blocks，在Blocks中新建功能模块FB1、FB2、FB3、FB4、FB5。其中，FB1实现系统的启动制动、供水模式选择以及电机故障确认；FB2实现不同供水模式下参数设置；FB3实现不同管网水压下启动电机的台数及电机运行工况的选择；FB4实现模拟量输入输出数据格式的转换；FB5实现电机转速和电流监测，故障报警及故障电机自动切换。它们都在组织模块OB1中被调用，并生成各自的背景数据块。
在Blocks中还创建了组织块OB35，它以中断扫描的方式工作。在OB35中调用系统自带的连续量PID控制模块FB41，实现对管网压力信号的PID控制。OB35和OB1一样同为系统组织模块，但OB35周期扫描执行，而OB1连续扫描执行。功能模块FB41生成自己的背景数据块。
在FB4中还调用了系统功能FC105和FC106，FC105将模拟量输入口经A/D转换所得的整数转换为PID运算所需的浮点数，FC106将PID算法所得的浮点数结果
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转换为整数，送模拟量输出口输出。
在FB5中对电机的转速和电流进行了监控，当发生如下情况时，系统判断为电机故障，发出报警并切换故障电机到备用电机。
(1) 电机的实际电流反馈信号与额定电流信号的差值超过一定的阈值。 (2) 工频下电机的实际转速反馈信号与额定转速信号的偏差超过一定的阈值。 (3) 变频下电机的实际转速反馈信号与变频器的频率控制信号的偏差超出一定的阈值。
当有以上情况出现时，PLC会判断为其出现电机故障，自动切换电机。当电机变频启动时，在变频器内设置以S曲线启动，可以把电机的启动电流限制在额定电流之内。当电机工频启动时，一般会有较大的启动电流，为了防止启动电流较大时，电流和转速监控发生误动作，在系统启动之初用定时器将监控系统屏蔽，在系统完成启动后，再将其接入系统进行正常监控。系统程序流程图如图5-1所示，程序见附录B。
5.3 变频器参数设置
在本系统中，对英威腾CHF100变频器的参数设置如表5-2所示。
表5-2 CHF100变频器参数设置
功能码
名称
设定值 1
1 50.00 50.00 0.00 5.0 5.0 2 1 0.4 50.00 1400 380
功能 P型机 端子通道 50.00Hz 50.00Hz 0.00Hz 5.0s 5.0s 多次幂V/F 旋转自学习 0.4kW 50.00Hz 1400rpm 380V
功能码 P2.04 P3.00 P3.01 P5.01 P5.09 P5.11 P9.00 P9.02 P9.03 P9.04 P9.05 P9.06
名称
设定值
功能
P0.00 机型选择 P0.03 运行指令通道 P0.04 最大输出频率 P0.05 运行频率上限 P0.06 运行频率下限 P0.07 加速时间 P0.08 减速时间 P0.09 V/F曲线设定 P0.12 电机参数自学习 P2.00 电机额定功率 P2.01 电机额定频率 P2.02 电机额定转速 P2.03 电机额定电压
电机额定电流 键盘设定频率 A频率指令选择 S1端子功能选择 AI1下限值 AI2上限制 PID给定源选择 PID反馈源选择 PID特性选择 比例增益 积分时间 微分时间
1.0 1.0A 50.00 50.00Hz 6 PID控制设定 1 正转运行 0.00 0.00V 5.00 5.00V 2 AI2通道设定 0 AI1通道设定 8.00 正特性 0.1 Kp为8.00 0.1 Ti为0.1s 0.1 Td为0.1s
以上为需要在CHF100中设置的功能码,其它的功能码使用变频器的缺省值就可以满足在该系统中的控制要求。
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程序开始
系统启动 供水模式？ 消防供水 生活供水 参数装入 低压供水 参数装入 参数装入 供水管网压力检测
故障电机切换 电机及其工况选择 子程序 调用PID PID结果经AO 口送变频器 电机拖动水泵运行 电机监测 Y N 电机故障？ N Y 停机指令？ 程序结束 图5-1 供水系统程序流程图
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6. 系统改进和优化
6.1 PID控制改进
在该变频恒压供水系统中，对供水管网的压力信号进行了PID控制，PID功能是通过在S7-300 PLC的组织模块OB35中周期调用功能模块FB41来实现的，这增加了程序设计的复杂程度。而现在大多数的变频器自带PID功能，通过简单的参数设置就可实现PID控制功能。因此，在本系统中PID功能还可以在变频器中设置。通过这两种方法都可实现水压的PID控制，只是一种是基于PLC的，一种是基于变频器的。
6.2 系统监控
组态王监控系统是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下传信息、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为使用者提供了可视化监控画面，有利于使用者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。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。
(1) 使用组态王软件开发具有以下几个特点：
① 实验全部用软件来实现，只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验，从而大大减少购置仪器的经费。
② 该系统是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言，操作简单易学且编程简单，参数输入与修改灵活，具有多次或重复仿真运行的控制能力，可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线，能很直观地
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显示控制系统的实时趋势曲线，这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
(2) 在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面： ① 图形，用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 ② 数据，创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如水位、流量等。
③ 连接，画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
图6-1 组态王中系统监控界面
在本系统中采用组态王对系统的部分变量和主要参数进行了监控，监控界面如图6-1所示。
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6.3 Fuzzy-PID控制
由于供水系统模型具有纯滞后、时变性、非线性等特点，采用常规的PID控制方法，难以获得满意的动、静态性能。模糊控制作为智能控制领域的一个分支，由于其本质是非线性控制和自适应控制，对于参数时变，纯滞后和不精确模型等复杂控制系统，具有较强的鲁棒性。因此，本节对变频恒压供水系统进行模糊PID控制的探讨。
模糊控制是一种基于知识或基于规则的系统。它的核心就是所谓的IF-THEN规则组成的知识库。一个模糊的IF-THEN规则就是一个用隶属度函数对所描述的某些句子所做的IF-THEN形式进行陈述。
模糊控制器是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，利用计算机数字控制技术来实现的一种智能控制器。模糊控制器主要由4个基本部分组成，即模糊化、知识库、模糊推理、反模糊化。其控制系统基本结构如图6-2所示。
设定输入知识库 输出 A/D 模糊化 模糊推理 反模糊化 D/A – 传感器 图6-2 模糊控制原理框图
Fuzzy控制器具有以下特点：
(1) Fuzzy控制器不依赖于被控对象的精确数学模型，易于对不确定性系统进行控制。
(2) Fuzzy控制器是易于控制、易于掌握的较理想的非线性控制器，是一种语言控制器。
(3) Fuzzy控制器抗干扰能力强，响应速度快，对系统参数变化有较强的鲁棒性。 Fuzzy控制器经过多年的发展和应用，已逐步形成了一定的规范形式。 Fuzzy具有良好的动态性能，能够随着误差E的变化修改控制规则，有一定的自适应能力。但不具备PID控制的良好的静态性能。因此，把PID控制引入自调整修正因子Fuzzy控制中，构成自调整修正因子Fuzzy- PID控制器。将这种控制器用在供水系统中，构成自调整修正因子Fuzzy-PID控制恒压供水系统，其控制原理框图如图6-3所示。
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(1) 控制策略选择
控制策略选择是根据供水系统水压误差的大小，判断是采用自调整修正因子Fuzzy控制，还是采用PID控制。控制策略选择的基本原则是：以水压误差的大小作为选择的条件，在大误差范围内，采用自调整修正因子Fuzzy控制，以提高动态响应速度，增强自适应能力；在小误差范围内，采用PID控制，以消除静态误差，提高控 制精度。同时，为了防止控制切换过于频繁，在误差的切换点，系统规定控制策略不作切换，维持上一次动作。
水压设定 – 控制策略Fuzzy 控制 PID 控制 控制柜 控制策略的具体选择情况如下：
① 以误差E的大小作为Fuzzy控制与PID控制的切换条件，|E|=E0为切换点。 ② 在大误差范围内，即|E|>E0，采用Fuzzy控制，以提高系统的动态响应速度，同时随误差的变化自动调整Fuzzy控制器的修正因子，从而增强系统的自适应能力。
③ 在误差切换点，即|E|=E0，以及系统允许的误差范围内，即|E| (2) Fuzzy-PID控制变频调速恒压供水系统的组成 系统通过压力传感器将电气控制部分和泵组联系起来，形成压力反馈闭环控制系统。整个系统根据水压值以及管网水压的情况按照Fuzzy-PID控制算法自动控制水泵 - 36 - 水压测量 水泵 图6-3 Fuzzy-PID控制原理框图 的转速以及工频泵的投入与切出，达到恒压的目的。Fuzzy-PID控制变频恒压供水系统结构如图6-4所示。 其中微控制器一般采用易于编写Fuzzy-PID控制算法，接口功能强大的单片机或DSP芯片，微控制器作为整个系统的控制核心，其主要工作是采样管网水压并与设定值进行比较，然后根据压差大小采用Fuzzy-PID控制算法，控制调速泵的运行频率，输出水泵投切信号。系统采用变频器拖动水泵电机工作，通过选择合适的V/F曲线、转矩补偿曲线以及设定启动和制动时间，使泵能够平稳的起停，并根据给定的水压信号进行调整，变频水泵在一定的转速范围内工作，保证管网压力恒定，有效地消除了水锤效应。 工频电源设定水压– M微控制器变频器接触器MI/V变换器压力传感器 图6-4 Fuzzy-PID控制变频恒压供水系统结构框图 (3) Fuzzy控制算法设计 r为水压设定值，y为水压实际值，e为r与y之差，E、EC和U分别为压差e、压差变化率ec和控制量u的模糊语言变量。 ① 模糊语言变量的子集定义如下： E={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB} EC={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB} U={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB} 其含义为：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。 ② 模糊子集的隶属度 根据控制供水系统的实际特点，求出模糊变量E、EC、U的隶属度。 ③ 模糊控制规则的获取 模糊控制规则采用“if……then……”的形式表示[12]，如： if E=NB and EC=NB then U=PB 模糊控制规则也可以用表格的形式给出，形成控制规则表。 在确定模糊控制规则时采用两种方法。第一，通过试验和手动控制的经验来确定模糊控制规则，这种方法是Fuzzy控制器设计中确定模糊控制规则的一般方 - 37 - 法，它难以借鉴别人的成果，没有一定的规律可循，而且试验难以实现。第二，借鉴其它控制对象相似的模糊控制系统的控制规则，对其进行修改和校正之后在恒压供水系统中使用。 ④ 模糊控制表的建立 模糊控制规则表是根据输入量和输出量的隶属度函数和控制规则，应用模糊推理合成算法计算所得，Fuzzy控制器只需根据不同的E和EC从该表中查出相应的控制量。 (4) 带修正因子的Fuzzy-PID控制器 上面的模糊控制算法运算量大而且烦琐。为此，引入一个修正因子，用解释概括的表示规则[13]： U=- ① 带一个修正因子虽然可以方便的修改控制规则，但还存在其不足之处，即控制规则完全依赖a一个参数，而a值的大小则反映了对误差和误差变化率的加权程度，a一旦确定，这种加权程度也就随之固定了，也即控制规则再也无法改变。而在实际的控制系统中，在不同的状态下，对误差及误差变化率的加权程度有不同的要求。当误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，这时，误差在控制规则中的加权程度应该大一些；当误差较小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，避免产生较大的超调，这时，误差变化率在控制规则中的加权自然应该大一些才好。带一个修正因子的控制规则的方法无法满足这种要求，为此，可以在不同的误差等级引入不同的修正因子，当误差较小时，用修正因子a1来描述控制规则；当误差较大时，用修正因子a2来描述控制规则。因此，控制规则如下所示：