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基于Smart700配置的恒压供水系统
王春阳，丁国旭
- 长春科技大学，长春130022 邮箱：wangchunyang19@cust.edu.cn
- 长春科技大学，长春130022 邮箱：895360488@qq.com
摘要：介绍了一个恒压供水系统，它通过使用PLC S7-200来控制频率转换器切换工频工作方式和变频工作方式，然后驱动三相交流异步电动机。通过Wincc Flexible HMI 软件来配置上面的机器设备Smart700和PLC，实现实时监控。他解决了传统设计方法中实时性，稳定性和可靠性差的问题。这个实验仿真结果展示出这个设计方法有很好的表现，它可以被广泛应用。
关键词：恒压，PLC，转换器，配置
- 介绍
随着中国经济和城镇化快速发展，无论是在家庭水源消耗还是工业工厂方面人们对于水源的质量和稳定性有了更高的要求，保证水源的压力恒定是一个非常重要的问题。在传统的设计中，像恒速泵供水，高塔供水，气压罐供水，所有这些设计都或多或少有像水压太小，效率过低或者电能浪费这些问题。随着PLC和电力电子技术的快速发展，变频速度控制系统为恒压供水系统的设计提供了一个新的观点，我们用PLC控制频率转换器，同时在配置软件和触摸屏配合下实时监测系统，这个设计将会广泛的应用在日常生活和工业生产中。
- 系统可行性分析
三种基本的恒压供水系统的设计方法：
- 频率转换器（内部集成PID控制模块） 泵 压力传感器
随着频率转换器技术的广泛应用，这种方法越来越多的应用在了恒压供水系统中，他在一个独立面板上使用内部集成PID调节器和延迟设备，通过设置频率转换器的指令代码进行控制。这种方法简化了系统的结构和电路设计，但是他在数据展示上也有一些麻烦，比如压力设置和反馈值，它在负载容量上同样也有限制，为此仅仅能应用在小容量的情况下。
- 频率转换器 MCU 压力传感器
这种方法性价比很高，单个芯片MCU使用简便，但是很难进行调整，所以现场调试的灵活性比较差，而且在频率转换器运行时的干扰问题很难解决，所以这个系统仅适合于小容量的特殊领域。
- 频率转换器 PLC 压力传感器
这种控制系统有很好的通讯接口，可以很简单的和其他系统交换数据，而且PLC的现场调试能力被反映出来，由于有很强的抗干扰能力，高可靠性的PLC，系统，系统的可实现性大大的增加了。所以这种系统可以应用在所有不同的要求中。
在这篇文章中，我们基于三种方法设计了该系统，我们把人机接口接入到了系统中，配置了带有PLC的Smart700触摸屏。一方面确保了系统操作的稳定性，另一方面实时展示了系统的运行情况。PLC是一个逻辑控制器件，它可以快速地连续的得到压力传感器的数据，通过PID算数，持续的和设定值进行比较来控制频率转换器开关的的工作状态。我们是用西门子S7-200系列PLC，MM430频率转换器，Smart700触摸屏，MM430自己本身有RS485通讯端口。通过USS通讯协议和S7-200连接起来，放置在Smart700 PPI/PC电缆接口中，通过RS485/RS422端口可以简单地和S7-200连接起来，Smart700通过软件Wincc Flexible来编辑配置图片。
- 控制过程分析
这个系统主要包括压力传感器，频率采集模块，PLC，水泵单元和一些低压电器组成。控制过程可以被描述为那些频率转换器通过恒压供水单元控制一个泵或者循环控制很多个泵，管道网络的水压保持恒定，泵发动机开始软启动而且水泵工作在工频和变频之间，同时也完成数据传输的工作。频率转换供水系统的本质就是异步电机的变频调速控制。异步电机的速度公式如下：
（1）
其中：n代表异步电机的转子转速；s是转差率；f是异步电机定子的电源频率；p是异步电机的磁极对数的数量；
在供水系统中，通常把水流量作为控制目的，我们改变水泵电动机的转速来调整水流量，根据用户的水消耗量来自动的调整水泵电动机的转速，这也使管道网络的压力保持恒定，当水的消耗量增加时，电机会加速，相反水量减少时，电机会减速。
供水系统的主要参数如下：
流量（Q）：每个时间单位从管道里流过的量；
升高高度（H）：供水系统在水位变化时从一个位置到另一位置的上升量；
轴功率（N）：水泵轴上的输入功率；
效率（eta;）：有效功率和轴功率的比值，有效功率指的是每一时间单位使水流量通过水泵的能量；
转速（n）：泵的叶轮的旋转速度；
水泵理论有如下的公式：
（2）
其中：是真空计量读数（kg/cm）。是压力测量读数（kg/cm）。gamma;是每体积单元水的重量。 是指被额外的升力造成的出口处测量点和入口处测量点位置差。是水泵输入和输出转换高度的能量。
在电机学中，感应电机的机械功率是：
（3）
根据能量转换法则，我们知道
（4）
所以逆变器输出频率和供水系统压力的关系就如公式5。
（5）
这里，Q是每单位时间流过管道截面的量。eta;是有效功率和管道上泵的功率的比值。是压力表的值，是频率。
可以从类型上看出，假设当用户对水量的需求增加时转换器输出一个特定频率，为此Q增加，水压值读数会变小，供水系统的管道网络的压力会减小，为了保持水的压力，你必须增加频率转换器的输出频率来增加水泵装置的速度；当用户的水源消耗量减少时，Q也会降低，我们必须降低频率转换器的输出频率。
- 控制过程设计
4.1总体设计
系统总体设计结构图如图1所示。
图1.系统总体结构
系统一共由三部分组成：控制部分，反馈部分和比较部分。控制部分包括核心控制器PLC，频率转换器和泵装置。反馈部分包括水池液体水平反馈和压力值反馈。比较部分包括运行图，报警画面和趋势图。
4.2硬件设计
基于系统计算，做一个输入输出点统计需要一个控制系统，然后选择对应的控制模块，这里我们选择了西门子S7-200 PLC作为控制器，它整合了14位输入/10位输出并且有一个很高的运行速度，同时也扩大一个8位DC输入模块EM221和EM235作为输入和输出压力传感器延伸模块，选择西门子特殊泵频率转换器MM430等等。专业硬件连接图如图2所示。
图2.硬件设计
4.3软件设计
图3展示了系统软件设计的流程图，首先，系统进行初始化，然后，做了和系统相关联的一系列参数的比较，接着检测频率转换器确保转换器工作时正常运转，如果发生了任何失败都会报警。同时，系统将会得出水源供应管道压力的测试水库水位，证明水源充足，而且没有超过高位限制，否则系统必须给出相应的警报，每件事情都完善的话，循环供水系统就会开始工作。首先，基于用户在压力传感器的需求系统将会开启M1泵的变频，PLC通过MM430内部的PID模块操作来对压力传感器的实际值和用户的要求进行比较，如果不能满足需要，M1开关就会在工频运行，在这一点上，需要一段时间的延时再次检查压力值，同时如果仍然不能满足需要，系统将会开启M2变频操作，这个进程会一直运行直到满足要求，就如同软件设计流程图中一样，当用户的需求减少时，管道的压力会增加，切割泵将会成为泵运行中最后一个在变频工作状态的，如果压力仍然很高，泵在工业频率的开关就会切换到变频操作。
我们在设计中加入手工的系统，这能方便的进行调试和维护，当开始手动操作后，我们可以操纵泵工作在任意变频和工频状态下，它对于当系统出现故障时可以很方便找到损坏的泵。
图3.系统软件设计
4.4配置设计
Smart700作为小型人机接口可以实现PLC和客户的无缝衔接，相应的支持软件是Wince Flexible，在这篇文章中我们设计的配置屏幕主要分为三部分：主屏幕，警报屏幕，趋势屏幕，并且设置了系统登录和退出，还会根据操作者的不同需求进行具体设计。图4是主要屏幕：
图4系统配置图
按下运行图右边的“警报画面”按钮，然后进入系统相应的位置，如下图5所示。我们可以看见系统可以记录运行过程的数据，实现实时监控。警报可以被分为系统警报和用户警报，用户警报可以被分为模拟警报和离散量警报，在系统中，我们可以设置传感器错误警报，逆变器警报，贮水池液体水平警报等，正如图5所示，系统在正常运行，仅仅是贮水池液体水平警报，因为我们设置了错误的参数，所以上限警报需要被确认可以消除，下限警报我们设置为提醒，一旦水库低于限制，警报将会自动的被确认。
图5.系统配置警报图
图6.系统配置趋势图
配置设计的最后一部分是趋势图。通过这个设计我们可以得到实时运行曲线并且可以在图6所示的表格中列出压力值和水池液体量的值。我们可以看到系统能记录运行过程的数据，实现实时监控。在趋势图里我们可以设置我们关心的变量，实时观测它的值，为了确认系统在正常运行，我们将会把压力传感器的值作为我们相关的变量，如图6所示，我们把它加到趋势图中，你可以改变它的规则，当然我们也可以根据其他的变量设置需求。然而，因为Smart700没有数据记录功能，我们不能绘制历史趋势图。
- 结论
这篇文章以日常生活恒压供水系统为目标，展示了它的结构以及设计分析，设计了一套完整的方案，S7-200PLC控制MM430转换器作为系统的核心部分，闭环系统控制管道网络压力传感器反馈信号的连续采集，之后PID操作流程使输出频率驱动水泵工作，来平衡用户的要求，然后通过HMI器件Smart700完成配置设计，然后实现实时监控。这个系统主要有下面的特征：
- 使用PLC工业控制设备，编程很灵活，容易线上运行和修改系统。
- 系统用西门子特殊泵频率转换器，用更有效率的方法转换工频和变频。
- 使用PID流程的实用方法，系统反馈很快，超调量小。
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基于模糊-PID控制器的二次恒压供水系统研究
吴杰 上海大学 机械工程及自动化学院 中国，上海
卢明刚 上海大学 机械工程及自动化学院 中国，上海
摘要：供水系统有着非线性，时变参数，延时长的特点，所以它的数学模型时时刻刻都在变化。供水系统广泛使用PID控制器保持压力恒定并且PID控制器需要准确的数学模型。系统使用PID控制器常伴随着超调量大，调节时间长。模糊控制器不需要准确的数学模型。在这篇文章中，供水系统使用在线模糊控制器调整PID控制器参数。仿真在保持阶跃响应和脉冲干扰的情况下有 Matlab/Simulink完成。并进行了PID控制和模糊-PID控制的比较。结果显示模糊-PID控制器有更强的鲁棒性和更好的控制效果。
关键词：恒压；供水系统；仿真；模糊-PID控制器
- 介绍
如果城市供水网络直接供给给用户，就会有像压力不足或能量浪费的问题。大部分用户选择二次供水，使水增压进入城市水源网络供给用户。在居民区有三种通用的二次供水方法：贮水池供水，启动供水和恒压供水。因为结构简单，在过去贮水池供水称为了最受欢迎的方法。在长时间段的使用后，很多问题都在贮水池供水中出现，比如说水压不稳定和水源污染问题。为了给用户提供和水厂一样高品质的水，很多城市试图改变过时的供水方法。恒压供水系统直接给水源加压而不是通过贮水池，这种方法可以给用户提供干净和恒压的水。因为这种长处，恒压供水系统变成了水源供应的主要方法。
PID控制器有很好的静特性并且易于使用，所以传统恒压供水系统逐渐采用PID控制器，但是供水系统有非线性，时变参数，延时长问题，所以数学模
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