基于PLC的恒压供水监控系统设计毕业设计论文.doc-武汉理工大学-自动化与电气工程-2022

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将夜间休眠期间水泵自检，白天水泵自检通过压力变送器检测系统压力值，实现自动循环运行；夜间运行模式为低频运行，白天运行模式为高频运行。通过实验验证，该系统能够实现恒压供水，提高了供水系统的稳定性和可靠性，符合实际工程需求。同时，可以实现自动开启和关闭系统，减少了人为操作，提高了供水系统的经济性和便捷性。本论文对恒压供水系统具有一定的参考价值。

武汉理工大学毕业设计（论文）

第 2 章恒压供水系统总体设计

2.1 电机的调速原理

目前市场上的水泵一般为三相异步电机，我们学习的异步电机用作电动机，来拖动

各种机械组合。异步电动机的优点很明显，有结构简单、价格适宜、可靠性高、坚固耐磨、

适用性强，而缺点是功率因数较差。大家都知道，异步电机运行时，必须从电网里吸收滞

后性的无功功率，所以它的功率因素总是小于 1，不过电网的功率因数可以用别的办法进

行补偿。异步电机运行的时候，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，又由于电

磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，因此产生电磁转矩，异步电机又有感应

电机一说

[6]

。

三相异步电机有启动、运行、制动等状态，在本次毕业设计中，我们是控制水泵的

转速，所以我们对三相交流电机的调速进行分析。交流电机包括同步电动机和异步电动机。

同步电动机的调速靠改变供电电压的频率来改变同步转速。在电机学中，由同步电动机、

变频器和检测磁极位置的检测器组成的电机系统，普遍称之自控式同步电机，改变定子电

压就可以调节速度，并具有类似直流电机的调速特性。

我们水泵采用的三相异步电动机的转速为：

(1 )

n s

= -

(2.1)

f 表示电源频率，p 表示电动机极对数，s 表示转差率。三相异步电动机的调速方法很多，

主要方法分为以下几种：

（1）改变电源频率

（2）改变电机极对数

（3）改变转差率。

改变电机极对数的调速方式控制简单，节能效果明显，效率高，不过需要专门的变极

电机,而且是有极调速，由于极差导致的转速变化大，运用范围有限，只能用于特定转速的

生产机器。

改变转差率在鼠笼式电机中采用降压在绕线式电机中采用回路串电阻都可以达到调

速的目的。为了保证有较大的调速范围一般采用的是串极调速，这种方式可以回收转差功

率，节能效果非常好，不过这种调速方法线路过于复杂，中间环节的电能损耗成本太高会

影响它的推广价值。

改变电源频率。改变三相异步电动机电源频率 f 可以改变旋转磁通势达到改变转速的

目的。随着电力电子技术的发展，变频调速得到广泛运用，变频调速在本次毕业设计中得

到充分运用。

武汉理工大学毕业设计（论文）

环控制电路和 A/D 转换后，得到 PLC 或变频器能够识别的信号

[13]

。

第二，系统主电路的设计。本系统采用三泵循环变频运行方式，即只有 1 台水泵在变

频器控制下作变速运行，变频和工频良好转换，实现短路保护、过载保护。本系统采用软

启动器。

第三，控制电路的设计。系统实现恒压供水的主体控制设备是 PLC，控制电路的合理

性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能，系统要有完善的报警功能并能显示运

行状况。

第四，PLC 的 I/O 端口分配及外围接线。本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，

具有“倒泵功能”，启动要有软启动。压力变送器将测得的管网压力输出 PLC 扩展模块

EM235 的模拟量输入端口作为模拟量输入

[14]

。

第五，PLC 的梯形图编程。PLC 主程序主要由系统初始化程序、水泵电机启动程序、

水泵电机变频/工频切换程序、模拟量比较计算程序和报警程序

[15]

。

系统总体设计方案如图 2.2 所示。

PID D/A

变频器

接触

器

水泵

机组

管道

压力变送器

A/D

给定

－

管网压力

PLC

图 2.2 变频恒压供水系统框图

从上图 2.1 可以看出，系统可以分为：控制机构、执行机构、和信号检测机构大哥部

分组成。

（1）控制机构。控制系统由可编程控制器、变频器和电控设备组成。可编程控制器

（PLC）是该系统的核心，对系统中的压力、液位、故障等信号进行采集、对检测到的信

号进行分析和计算，并得到相应的输出结果。而变频器是在 PLC 的控制下再对水泵机组进

行直接控制，由于水泵机组在变频和工频运转之间转换，而变频器则控制的是水泵在变频

运转时转速。

本次设计有三台水泵机组，只有一台变频器。变频器控制有两种工作方式即变频循环

式和变频固定式。变频固定式就是有一台水泵始终在一台变频器控制下运转，当该水泵运

行在 50Hz 时还不能满足供水要求时直接启动另一台水泵工频运转，变频器不需要切换。

变频循环式就是一台变频器分布式控制三台水泵，首先一台水泵在变频器控制下变频运转，

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