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产品描述
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概述
在我国电网中存在着一大批建设多年的大中型火电机组，它们设备落后，仍常年累月地运行，承担着艰巨的发电任务。
这些发电机组原有的热工保护装置较落后且投运时间较长，热工保护系统仍然是由继电器回路构成，占用控制盘多。保护系统回路硬接线多，很多继电器都是长期带电工作，继电器触点易老化。因此，机组大修期间需对继电器进行测试，以确保继电器工作正常，从而大大增加了热工人员的维护工作量。而且随着机组运行时间的越来越长，故障点相应增多，维护工作量越来越大，严重影响机组的运行。为了机组的稳定运行，亟待对原保护系统进行改造。
针对这种现状，一些大型的新建机组及部分老机组中热工保护系统（汽机保护）采用了PLC控制器进行程序控制，在提高机组的、经济运行方面了非常明显的效果，但这些控制只是简单地采用了PLC控制功能，实现了保护控制逻辑的目的。而没有充分利用PLC本身所具有的丰富的信息处理功能和通讯功能，使该系统的功能受到很大的限制。
由江西省电力试验研究院热工室研制的热工微机保护系统于1999年11月在南昌电厂顺利地交付使用，并获得了华中网局科学技术进步二等奖、江西省电力公司科学技术进步二等奖、2002年度江西省科技进步三等奖。
2 系统构成
热工微机保护系统主要由多PLC控制器和上位计算机两部分组成，两者通过RS－422电缆通讯，形成了一套紧密结合、功能丰富的热工保护监控系统。其中主机保护采用双PLC热备冗余，辅机保护单采用一台PLC。
下面以主机保护为例，介绍热工微机保护系统配置：
PLC控制器配置包括CPU机架和网络适配器（NTAL001），CPU机架由4部分组成：CPU底板、C200HGCPU、电源单元（1个）、I／O单元（10个）。CPU机架共两套，通过网络适配器连接并与上位计算机通讯。
上位计算机配置为一体化液晶显示工控机1台，打印机1台。
图2-1为热工微机保护系统（主机保护）结构示意图。
3 软件设计
3．1 下位机软件设计
参照电厂提供的热工保护原理图，进行下位机梯形图的编制，满足所有的热工保护联锁，并增加实现主汽门屏蔽功能逻辑，开辟存储区，存储所有热工保护输入信号跳变时间，到1 ms。
3．2 上位机软件设计
上位机软件在bbbbbbs98操作系统平台下开发，采用Visual Basic 6．0语言编写。Visual Basic 6．0中文企业版是一种面向对象的32位编程工具，它简单易用、适用面广，无论是通信、数据库还是其它普通应用程序都可以用VB进行开发，而且方便快捷。它的可视化用户界面设计功能、数据库管理功能、控件技术和ActiveX技术可以充分满足上位机软件开发的需要。
控件在VB程序设计过程中占据重要地位，因为它不仅提供了一些事件过程供用户编写程序代码，完成程序各个流程应运行的工作，而且通过其本身的属性设置可直接影响界面外观等。通过采用VB控件技术，设计出的操作界面友好方便、功能强大。
ActiveX控件是Visual Basic的扩充部分，使用方法与使用其它标准内装的控件一样。在程序中加入ActiveX控件后，它成为开发和运行环境的一部分，并为应用程序提供新的功能，其特有的方法和属性大大增强了程序的能力和灵活性。上位机软件通过使用通讯接口ActiveX控件，以PLC网络通讯协议为基础，实现了与PLC网络的互相通信及交换数据；通过使用报表ActiveX控件，实现了标准格式的保护联锁试验报表的编制。
3．2．1 通信软件设计
Ms Comm控件是微软开发，主要用于实现微机与其它控制器之间通信的ActiveX控件。作为UB程序员对于串行通信，只需要关心Ms Comm控件提供的对bbbbbbs通信驱动程序的API函数接口，也就是说只需要熟悉Ms Comm控件提供的属性及事件的使用方法。
Ms Comm控件有大约30个属性，常用的属性见表3—1，其设置与监测在软件编程中扮演着举足轻重的角色。
上位机系统通信部分软件设计包括：打开串行端口，并设置通信格式；用查询方式向下位机发送命令；接收下位机传回的数据并转换成需要的数据；实时显示及处理等。其程序流程图见图3—1。
3．2．2 数据库设计
热工微机保护系统需要实时处理大量的数据，如实时画面的新显示、保护动作的记录及处理等。因此，数据库是应用系统的心脏，是信息资源再开发利用的基础。数据库设计的主要内容是确定整个数据库是由哪些相关的数据模型组成，每个模型由哪些属性构成，各模型的相互关系如何，以及对数据模型结构进行合理组织，以便满足用户的功能需求，实现信息的快速检索，又可大限度地节约空间。数据库的结构和性能直接影响着系统的、、连续运行。
上位机软件采用的数据库平台是性能强大的Ms Access数据库系统。Access数据库是一种桌面数据库管理系统，是Visual Basic的内部数据库，其文件结构是以Microsoft SQLServer数据库文件结构为基础，可以通过编程充分利用SQLServer内部提供的功能进行各种数据库管理。通过采用SQL数据库事务处理技术，保证了数据库的性、完整性和一致性，提高了数据的存取速度。热工微机保护系统对两个PLC分别建立相应的数据库，存储热工保护输入信号工作信息。
4 应用情况
2000年9月至2001年5月，热工微机保护系统先后在分宜电厂、贵溪电厂、南昌电厂、萍乡电厂进行推广应用。针对主机保护的重要性及性，系统采用双PLC控制器热备冗余，并实现PLC故障自诊断、自切换。辅机保护则单采用一台PLC控制器进行控制。系统还采用24V直流电源冗余设计，确保电源的。现场应用发现电气来的信号受操作的影响，导致保护误动，后对所有电气进出信号采用继电器隔离，解决了现场信号干扰的问题。
在原有的主机保护试验中，由于机组停机时主汽门关闭信号已经存在，因此，在做主机保护静态试验时，试验人员只有解线才能完成试验，步骤繁琐，而且有时还常常需要打开主汽门，现场设备易老化、损坏。因此，热工微机保护系统精心设计了一项主汽门关闭屏蔽功能。试验人员做主机保护试验时简单方便，不用改变外围接线。系统在特定步骤屏蔽主汽门关闭信号（PLC一定要在监控状态），当短接跳机信号时主汽门电磁阀立即动作，发出声光报警信号，试验过程结果与动态试验一致。
2001年6月，景德镇电厂采用了热工微机保护系统。针对景德镇电厂DCS改造时改为高压抗燃油机组的情况，系统增加了AST电磁阀在线试验的功能。运行人员可以在机组运行过程中，对AST电磁阀进行在线试验，实现对电磁阀及动作回路是否正常的确认。系统同时将在线试验的时间记录到数据库中。
2001年7月，九江电厂采用了热工微机保护系统。根据电厂的需求，系统引入了灭火保护，实现了BMS系统的基本功能。并且对火焰检测信号和MFT动作接触器信号进行毫秒级事故追忆，可正确判断是由于保护动作灭火还是由于运行原因引起灭火。 2002年以来，热工微机保护系统分别在景德镇电厂、南昌电厂、贵溪电厂及九江电厂的机组上使用，由此可见该系统已经获得了各大电厂的认同。
5 结束语
总之，经过一年多的发展与完善，热工微机保护系统逐渐走向成熟，功能加完备。为了方便用户的接线与维护，系统采用了的控制柜。PLC控制器的体积小，性高，降低了硬件维护成本和维护人员的工作量。热工微机保护系统还为今后其它系统的改造提供了通讯接口，方便了系统的扩展与升级。
热工微机保护系统的毫秒级保护动作顺序分辨功能给热工分析、查找保护动作原因提供了的事实依据。并大大提高保护动作正确率，减少误动次数，防止拒动。既节约了资金和人员投入又提高了电厂的自动化水平，其经济效益非常。
1 引言
电容器元件绕制设备是高压电容器制造的关键设备，工作性能稳定与否，直接决定了电容器的质量和电容器报废率的高低。某厂从20世纪80年代引进美国GE公司的绕制机，鉴于电器控制系统使用时间较长，原厂配件无法购置，致使设备处于长期故障状态。该设备的控制系统由当时GE公司的PLC控制，各种元件及程序由于时间久远，目前无法运用。根据目前计算机技术和PLC控制技术的应用情况，我们应用三菱公司的PLC控制系统来实现电容器元件的工艺绕制。本文提出的PLC控制方法满足绕制工艺的需要。
2 系统控制要求和硬件组成
系统工作流程：接好气、电源，按控制柜上的复位按钮，设备处于等待状态。按运行按钮，启动伺服系统，主轴转动，同时接触滚轮和夹紧轮动作，接触滚轮压住芯轴，夹紧轮夹紧铝膜，电容器元件开始起头。起头后接触滚轮和夹紧轮离开，芯轴速度梯度加速到的转速后保持高速，在完成一个电容器元件的绕制后，芯轴速度梯度降速，芯轴转动到设计要求的圈数时，打孔气缸打两排孔，同时铝箔夹紧气缸压紧铝箔，芯轴继续转动以撕断铝箔。再绕适当的圈数，芯轴停转，拔出原绕好的元件。芯轴换位离合器动作，芯轴换位，刚卷好的元件的芯轴换到另一面，刚拔出元件的芯轴伸出自动继续完成下一个元件的绕制。如出现故障时紧急停车，故障排除后，取消锁定。可继续运行未完成的步骤。也可取消运行，锁定后，按复位按钮，卷制机按复位的步骤完成收尾工作，并自动继续下一个元件绕制。芯轴电机的速度要求无级调节，并分成三挡，以实现不同元件的绕制要求和设备的调试、人工手动绕制的需要。
根据以上控制系统的要求，设计了整机控制系统和具体的软件。控制系统的原理如图1所示。
由图知控制系统由PLC完成对整机的全过程控制，具体有FX2N-80M、FX2N-4AD、FX2N-4DA、FX2N-1C 、FX2N-伺服系统、气动控制系统、电源控制系统和测量、故障报警和上位机设定系统等部分组成。FX2N-80M［1］负责设备的整机控制和接受上位机发送的工艺参数。FX2N-4AD［2］把设定芯轴速度的模拟信号转变为数字信号，PLC经运算后存储在数据寄存器。FX2N-4DA［3］把PLC运算后的数字信号转化为模拟信号，作为伺服系统的速度，用以调节芯轴的转速。FX2N-1C［4］为高速计数模块，负责对芯轴转速的脉冲计数，数据实时地传送到PLC，PLC根据不同时期的计数值控制芯轴转速和有关气缸的动作，保证元件工艺符合设计要求。伺服系统控制芯轴电机的速度，是带有编码器的闭环速度控制系统，稳定度高，参数设定可由软件设定，并能与计算机通信，打印有关参数。通信模块FX2N-232-BD［5］连接PLC和上位机，上位机把元件的工艺参数传送到PLC，PLC根据工艺参数完成对设备的控制，同时元件绕制的实际参数PLC也通过通信模块传送到上位机，上位机可以实时显示工艺参数、历史和有关报表。另外还配备了FX-10DU-E［6］数据设定单元和手持编程器。设定单元对设备运行的参数、工艺参数等的修改，手持编程器FX-20P-E［7］能够修改程序和改变设定参数，这两项操作设备是为了防止上位机故障而确保设备正常运转设置的。
3 控制软件
系统的控制软件流程图见图2所示。整个系统的软件由以下程序组成。
初始化程序：对工艺参数及控制要求数据的寄存器置位和相关设定值，通过PLC初始化脉冲和数据传送指令来完成.
A/D转换程序：把速度给定信号转换成数字信号，PLC内部运算后，存储到的存储单元。
D/A转换程序：把经PLC运算后的速度数字值转化为模拟信号，作为伺服系统的速度给定，以控制芯轴电机的速度。
高速计数程序：PLC的计数模块对编码器输出的脉冲进行高速计数，确定芯轴转速。本程序采用A、B双相正交上升沿计数，具体对铝箔长度计数、控制参数的计数设定等。
通信程序：串行口通信程序负责上位机和PLC之间的数据通信，包括数据传送协议设定，工艺参数设定和有关指令等的传送等。
手动调试程序：系统在手动调试工作时，对设备各部件单动作，确保各器件的正确动作，此时各器件之间没有联锁，谨对人员开放。
手动控制系统程序：负责手动时，人工操作电容器元件的绕制。
自动控制系统程序：负责完成整机的全过程自动绕制电容器元件的控制。
故障检查程序：故障时，PLC保持原状态，以便使当前的工艺参数有效，并通知上位机记录设备和元件的实际状况，同时等待用户下一步动作。
伺服控制程序：控制伺服电机的工艺参数，包括方向、转速设定、工作方式等。
梯度给定程序：上升梯度与下降梯度设定伺服启动速度与停止速度。
停机程序：按停机按钮时，设备按照有关停机程序自动关停电机、阀门、气缸、电磁阀等机构。
结束程序：END。
4 结论
FX2N型PLC对电容器元件绕制设备的整机控制系统的设计方案符合原厂设备的技术要求，设备经过运行表明：文中提出的设计方法是正确的，设计的硬件电路和控制软件工作，满足电容器生产工艺需要。
关键词：FCS （现场总线控制系统）、DCS （集散控制系统）、PCS（过程控制系统）、 PLC（可编程逻辑控制器）
1．集散控制系统DCS与现场总线控制系统FCS的比较
1、1 概述FCS、DCS
FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS。这已是业内人士的基本共识。然而，任何新事物的发生，发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必然也不例外。FCS代表潮流与发展方向，而DCS则代表传统与成熟，也是具优势的事物。特别是现阶段，FCS尚没有统一的标准而呈群雄逐鹿之势，DCS则以其成熟的发展，完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚的地位。本人认为：现场总线控制系统FCS应该与集散式控制系统DCS相互兼容。
无论是FCS或者是DCS，它们终是为了满足整个生产过程而进行的系统控制（PCS）。
以工程成本与效益看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，从而布线；控制功能分散，灵活，以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在 FCS系统初装的前提下，倘诺企业建立有完善的DCS，现在要向FCS过渡，则仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施，现有DCS的布线以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是我们应选之途。
虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言，但向其过渡的代价与风险是分析清楚的。再者，从技术的继承及控制手段上，也要求FCS与DCS应相兼容。FCS实现控制功能下移至现场层，使DCS的 多层网络被扁平化，各个现场设备节点的立功能得以加强，因此，在FCS中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。
由于历史的原因，DCS通常拥有大型控制柜用以协调各个设备，同时强调层与层的。可见，两种控制在策略上各具优势。DCS适用于较慢的速率；FCS则适用于较快的速率，以及灵活的处理数据。然而，当数据量过一定值过于偏大时，如果同层的设备过于立，则很容易导致数据网络的堵塞。要解决这个问题，拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，必然是有益的，DCS就能轻松地胜任这一工作。可见，为使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鉴DCS的一些控制思想的。
要把握新世纪工业过程控制的发展趋势，无论在学术研究或是工程应用方面都有必要使FCS综合与继承DCS的成熟控制策略；与此同时，DCS的发展也应追寻FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS应能动地将底层控制权交付给FCS系统，将较高层的系统协调管理功能发扬光大，完成对新时代，新形势的工业控制系统的智能设备集成。
1、2现场总线传输特点
现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4－20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场的。控制们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。
．接地系统的基本要求
设备、控制系统良好的接地，不仅是保证人身所需的“电击防护”措施，而且也是抑制干扰、减小电磁干扰、提高系统性的重要手段，在设计、施工阶段予以重视。
PLC控制系统对接地的一般要求如下：
①系统接地良好，对于PLC控制系统，接地电阻应小于4Q。
②接地线有足够大的线径，立安装的PLC基本单元，应使用截面积在2.5nim2以上的黄／绿线与系统保护接地线(PE)连接。
③模块化结构的PLC，各模块与机架间一般可以通过模块本身的接地连接端，使得各模块与叽架间保持良好的接地，但机架与系统保护地之间应保证接地良好，应使用截面积在2.5mm2以上的黄／绿线与系统保护接地线(PE)连接。
④系统中的其他控制装置（如驱动器、变频器等）的接地同样符合规范，并立接地。
按照DIN EN标准规定，各控制装置的接地线的线径如表7-4.1所示。表中“通过固定的连接”是指控制装置通过导电基座与良好接地的电气柜（元件安装板）进行接地连接时的要求。
⑤系统中的各类屏蔽电缆的屏蔽层、金属软管、走线槽（管）、分线盒等均保证接地良好。
2．各类不同接地的处理
在PLC系统中，主要有以下几种与接地有关的常用“地”，需要根据不同的情况进行分别处理。
(l)数字信号地
数字信号地是指系统中各种开关量（数字量）的OV端，如接近开关的OV线、PLC输入的公共OV、晶体管输出的公共OV等。
数字信号地在PLC控制系统中，原则上只需要按照PLC规定的输入／输出连接方式进行连接即可，无须另外考虑专门的地线，也不需要与PE线进行连接，详见本书7.3节“I/O接口设计”部分。
(2)模拟信号地
模拟信号地是指系统中各类模拟量的OV端，如用于驱动器（变频器）的速度给定电压输出、测速反馈输入、传感器输入等。
模拟信号通常采用差动输出／输入，各信号间的OV各自立，因此，模拟信号地一般不允许进行相互间的连接，也不允许与系统的PE线进行连接。
用于模拟量输入／输出的连接线，原则上应使用带有屏蔽的“双绞”电缆，屏蔽电缆的屏蔽层根据不同的要求与系统的PE线连接。
(3)保护地
保护地是指系统中各控制装置、用电设备的外壳接地，如电动机、驱动器的保护接地等。这些保护地直接与电柜内的接地母线（PE母线）连接，不允许控制装置、用电设备的PE线进行“互连”。
(4)直流电源地
系统直流电源地是指除PLC内部电源以外的外部直流电源的OV端（PLC内部直流电源的OV端，一般与PLC的数字信号地共用）。可以分以下几种情况进行处理：
①当PLC输入／输出直流电源分离时，用于PLC输入的直流电源的OV，按本章7.3节“I/O接口设计”部分的要求，与PLC的OV公共线进行连接。用于PLC输出的直流电源，根据需要，可以不与PLC的OV公共端连接或与PLC的OV公共端连接。
②当PLC输入／输出直流电源共用时，直流电源的OV与PLC的OV公共线连接。用于PLC输入／输出的直流电源OV与系统接地(PE)线之间，根据系统的实际需要，可以连接也可以不连接。
③单用于PLC系统执行元件的直流电源OV，原则上不与PLC的OV连接，但一般需要与系统的接地(PE)线进行连接。
(5)交流电源地
交流电源地是指系统中使用的交流电源的OV端（或N线），如220V控制回路的OV端、交流照明电路、交流指示灯的OV端等。
在交流控制回路使用隔离变压器时，出于“电击防护”等方面的考虑，为了让变压器起到“隔离”作用，原则上不应将交流电源的OV端与系统接地(PE)线相连。
从抗干扰的角度考虑，控制系统的PE线原则上也不应与电网的N线相连。但在某些进口机床上，也有使用特殊的“短接端”，将交流电源的OV端、N线、接地(PE)线进行相互连接的情况。
PLC控制系统通常属于1MHz以下的低频电路的范畴，因此，一般应采用“单点接地”的接地方
1．硬件设计的重要性
PLC控制系统的设计包括了硬件与软件两方面的内容。在控制系统的总体规划（方案设计）完茂，并且选定了对应的PLC型号与规格后，从工程设计的角度，应进入控制系统的技术设计阶段，进行系统的硬件与软件设计。
PLC控制系统的硬件设计，并非像部分入主观想象的那样，因为PLC具有灵活、通用的特点，全部控制要求均可以通过软件解决，因此设计时只要进行PLC与输入／输出信号间的简单连接即可。而是直接关系到控制系统的性、性与生产制造成本等诸多重要问题。而且，硬件设计一旦完成，它不可以像软件设计那样可以随时随地进行修改，因此，它是决定控制系统设计成败的关键司题，引起设计者的高度重视。
虽然，PLC是专门为工业环境设计的控制装置，其本身的性、性已经得到了良好的保证，但如果外部条件不能满足PLc的基本要求，同样可能影响系统的正常运行，造成设备运行的不隐定，甚至危及设备与人身。因此，在系统硬件设计阶段，就考虑到系统的性与性，并始终将其放在为重要的位置。
硬件设计是对系统进行的原理、安装、施工、调试、维修等方面的具体技术设计，设计认真、仔细；确保全部图样与技术文件的完整、准确、齐全、系统、统一，并贯彻、国内有关标准。
2．硬件设计的基本内容
一般来说，PLC系统硬件设计应包括如下内容：
①控制系统主回路设计、控制回路设计、电路、PLC输入／输出回路等方面的设计；
②控制柜、操纵台的机械结构设计：
③控制柜、操纵台的电器元件安装设计；
④电气连接设计等。
以上内容中的主回路、控制回路、PLC输入／输出回路的设计是硬件设计的主要内容，属于电气控制原理设计的范畴，统一以“电气原理图”的形式体现设计思想与要求。
电气原理图是系统软件设计、安装与连接设计、系统调试与维修的基础，它完整地体现了系统的设计思想与要求，系统中所使用的任何电器元件以及它们之间的连接要求、主要规格参数等，均在电气原理图上得到了、准确、系统的反映，因此，它 电气控制系统为重要的技术资料。
电气原理图设计应遵循、国家或行业的标准与规范在国外，一般来说，除涉及性、性的准则决不可违背外，对其他方面的要求（如图形符号、元器件代号等的表示方法）通常较灵活，因此，在阅读进口设备图纸（包括本书）时应注意。
在PLC电气原理图设计中，PLC的I/O连接设计相对来说是系统中为简单的部分，只需要根据PLC输入／输出的类型，按照PLC的连接要求进行连接即可。然而，控制系统的PLC外围电路设计，往往是影响系统运行性、性，决定系统成败的关键，尤其应引起设计者的重视。
控制柜、操纵台的机械结构设计，控制柜、操纵台的电器元件安装设计，电气连接设计等属于安装与连接设计的范畴。设计的目的是用于指导、规范现场生产与施工，为系统安装、调试、维修提供帮助，并提高系统的性与标准化程度。
水泵是通用的机械设备，它的年耗电量约占全国发电量的31%[5]，实际运行中的不均匀负荷占70%[5]。由于水泵带负荷启动对电动机转矩要求较高，因此往往要求电动机有较大的余量，结果导致其容量配置过大，造成“大马拉小车”的现象。另外，从电力供应和电能使用角度来说，研究电动机的节能问题有着重要意义。针对现在各种水压调节系统的不足，本文提出了一种新的关于泵类负载电动机节能问题的设计方案，使用高性的可编程逻辑控制器（PLC），对调速系统进行自动化控制。在系统硬件的设计上，采用恒流恒压控制模块和PLC控制技术对硬件电路进行优化;在软件设计上，提出了双闭环综合控制、转速内环双模糊控制算法、水压外环模糊PID控制算法，提高了系统的控制精度和性。
1. 硬件设计方案
针对目前各种水压调节系统的不足，本次设计采用了双闭环控制电路，分别是转速闭环和水压控制闭环。其中设置水泵转速控制为内环，转速反馈信号取自于异步电动机机械连接的光电编码器，设置水压控制为外环，出水压力信号取自水泵出水口处压力传感器的输出信号。
本设计的主要控制器件选取如下：
可编程逻辑控制器（PLC）：已广泛用于工业生产中，它以短的扫描周期，丰富的性能，大地提高了生产效率。并且具有很强的联网和监控功能。本系统选用了OMRONcx-400系列。
晶闸管智能控制模块：高度集成了晶闸管主电路和移相控制电路，具有电力调控功能。另为还具有过热、过流、缺相等保护功能。
光电编码器：它实现了对转速的采样。
1.1 转速闭环设计
转速闭环如图1所示，由光电编码器对转速进行采样，得到反馈信号en , en与给定信号e0进行比较得到控制信号e,通过AD/DA转换模块输入到PLC的输入侧，PLC通过一定的控制算法，根据负载的大小自动调节电机的输入电压，使定子功率因cosφ始终保持在较高值，从而提高电动机的效率，达到节能的目的。
1.2 水压控制闭环设计
水泵是一种减转矩负载，随着转速的降低，负载转矩与转速的平方成比例地减小。设水泵当电机转速为n时流量为Q，杨程为H，轴功率为P，需要时将电机转速调至n2，则这时的流量变为Q2，扬程变为H2，轴功率变为P2，由物理学知识可知：水泵轴功率P与转速n的立方成正比，即：;杨程H与转速n的平方成正比，即：;流量Q与转速n成正比，即：。
显然，采用转速调节时，若要求流量Q由1减为1/2，只需使转速由1降为1/2即可，而轴功率P则由1减为（1/2）3，即节约7/8的电功率，因此，基于转速控制如降低水泵的运行速度，进行系统控制，可以大幅度降低电动机轴功率损耗，节能效果非常显著。
另外，当出水口的水压受外部干扰时，水泵的转速越高，出水口的水压对水泵转速的变化率越小，即水泵高速运行时转速的变化对水压的影响越小。因而对水压自动调节系统来说，为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，本次设计采用水压外环的闭环设计。
水压控制闭环如图1所示，通过压力传感器对对朱水泵的出口压力信号进行采样，即输出实际水压值P，PLC将泵出口压力值P与其内部设定的压力值进行比较，得到偏差信号，再通过模糊PID算法输出控制信号，并将此控制信号传递给执行器，通过执行器来调节三相自耦变压器的抽头以改变电机定子端的输入电压，从而电机的转速和注水泵的转速也随之改变，泵的出口压力改变，再经过压力传感器反馈给PLC，从而达到水压P的在线调整。
2. 软件设计方案
实际中被控系统具有非线性、时变性、时滞性，且由于噪声、负载扰动等因数的干扰，难以建立的数学模型或引起对象数学模型的改变，造成控制精度达不到要求。模糊PID算法正是避免了对象的数学模型建立，就能达到快速、的控制效果。实验中证实，对于被控量大起大落的情况需要模糊PID算法，它能使被控量在线实时调整到，从而起到快速调节的作用。
2.1 转速闭环软件设计
由于水泵在运行中波动较大，特别是启动过程，这就要求使用模糊算法。为了避免复杂的计算与实验，本设计提出了一种双模糊控制算法。
将偏差E，偏差变化率EC和控制量U的论域都取为：
E=EC=U=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝
双模糊控制算法在本实验系统中有着良好的控制效果。它具有非常短的过渡过程，转速只有±3‰的偏差，并且PLC的运算，对PLC的性能要求要低很多，这在实际中会节省一大部分硬件投资。这在实际中也是需要的简单、快速和的控制算法。
2.2 水压控制闭环设计
为了提高控制精度，加快系统的响应能力，水压外环采用模糊控制PID控制策略，根据模糊推理和模糊逻辑运算规则去修改各种控制参数。具体实现如下:
根据水压检测值和实际值的偏差，包括正偏差和负偏差，根据偏差的大小化分为负大、负中、负较小、负小、零、正小、正较小、正中、正大9个模糊子集。同样根据转速大小将转速分为6个模糊子集。再分别以水压偏差和转速大小为行和列形成模糊控制量表。
其中，U（n）—PID控制器的控制量输出;e（n）—系统给定值与采样值之偏差 —比例因子;T—采样周期; —积分时间常数; —间常数:△—差分算子。
所以一共有三张模糊量控制表，分别对 、 和 进行控制。
模糊推理规则如下:
（1）当水压偏差较大（正大和负大）时，取 为 ，使得积分环节 失效，加快系统响应速度;
（2）当水压偏差相当小（零）的时候，使调节器输出为零:
（3）当水压偏差较小时， 取小些，反之取大些，这样可以兼顾系统的动静态性能，同时考虑当前转速，速度较大， 取大些，以加快系统响应速度。
（4）PID积分的作用在于静态误差，但它具有滞后特性，因此，当水压偏差较大时， 取大些，减小积分作用，而且综合考虑电机的转速，转速低时 取小些，增强积分作用。
（5）PID微分的作用在于加快系统响应，减小调量，增强系统稳定性，但不利于抑制外界干扰。因而水压偏差大时适当提高 ，增强微分作用。同样在转速高时提高 有利于系统性能的改善。
3. 结束语
基于模糊控制的泵类负载电动机节能装置对于负载变化小，调速范围较小的系统有非常好的适用性等特点，非常适用于高压水泵风机类负载，特别是配置为绕线式异步电机系统。推广和使用该系统，是一种具有特色的较好的节能项目，社会效益和经济效益将非常。
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