基于plc的音乐喷泉控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的音乐喷泉控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

一比较起来 , 优点在于放音效果好 , 能实现真人真唱 ,一直能唱出乐曲，且控制系统可靠性比方案一要高，因而，通过对比分析，并考虑到音乐喷泉控制系统需要可靠、稳定的运行要求，所以本次设计采用方案二作为音乐喷泉的控制方案， 采用三菱 1NFX 40MR 型号 PLC 作为喷泉的控制器。 本章小结 本章主要是对音乐喷泉控制系统作了整体 概述。 首先对音乐喷泉的整体结构进行了介绍。 然后分析了音乐喷泉的控制要求和现有的控制方式。 最后对现有的控制方式进行分析比较，选择了 PLC 作为控制核心的控制系统。 邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计 8 2020届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文） 9 第 3 章 音乐喷泉控制系统硬件设计 PLC 的选用 选择适当型号的 PLC 是应用设计中至关重要的一步，在功能满足要求的前提下，应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点： （ 1） I/O 点数的选择。 输入、输出点数是衡量 PLC 规模大小的重要指标。 选择时应在实际使用点数的基础上留出 15%～ 20%的备用量 [6]。 （ 2）存 储器容量的选择。 一般小型的 PLC 存储容量是固定的，无法随意扩充和调整，选购时一定要注意，是否满足要求。 （ 3） PLC功能的选择。 1）对于开关量控制的应用系统，对控制速度要求不高，选用一般的低档机就能满足要求。 2）对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用项目，应选用带有 A/D、 D/A 转换，四则运算功能的低档机。 3）对于控制比较复杂，功能要求较高的应用系统，低档机往往不能满足要求，这时可选用中型和大型的 PLC 组成一个分布式控制系统。 4） PLC运行速度的选择。 PLC 工作时，从输入信号到输出控制存在滞后现象，这对于一般的工业设备是允许的，但有些设备的实时要求较高，不能容忍这种滞后现象。 但一般滞后时间应控制在几十ms之内。 （ 4）特殊 I/O 模块的选择。 选择哪一种功能的输入 /输出模块和哪一种输出形式，取决与控制系统中输入 /输出系统的种类、参数要求和技术要求。 另外，如果控制系统要求进行温度控制、位置控制、 PID 控制或波形控制，那么选择合适的智能模块会使系统设计变简单 [7]。 （ 5）考虑对 PLC 通信联网功能的要求。 如果 PLC 需要与别的通信设备连接，需要考虑 PLC 的通信联网能力。 邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计 10 考虑到上述因素，结合“体积小、价 格实惠”的原则，本文选用三菱MRF N 40X1  型号的 PLC。 其特点如下 [8]： （ 1）一体式可编程控制器：电源、 CPU、存储器、输入输出组成一个单元的可编程控制器，同时在 AC 电源 DC 输入型中内置传感器用 DC24V 电源。 （ 2） 输入输出最大 128点：输入输出扩展设备最大可扩展至 128 点，扩展模块或扩展单元只可以使用 0NFX 系列和 2NFX 系列，另外也可和3AFX0N — 连接。 （ 3）不用编制复杂的程序，就能捕捉到最小 10μ s(X0， X1)或 50μs(X2～ X5)的短信号。 （ 4） 功能强大的 GX Works2 编程软件。 由三菱公司设计开发，适用于 MRF N 40X1  的编程，具有简单工程和结构化工程两种编程方式，支持梯形图、指令表、 SFC、 ST及结构化梯形图等编程语言，可实现程序编辑、参数设定、网络设定、程序监控、调试及在线更改、智能功能模块设置等功能。 变频器的选用 通用变频器的选择包 括通用变频器的型号选择和容量选择两个方面，选择的原则是：首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。 通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。 对于风机、泵类等平方转矩，低速转矩负载，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。 对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。 为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。 对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产 机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等），应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器 [16]。 表 为不同类型变频器的主2020届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文） 11 要性能、应用场合： 表 不同类型变频器的主要性能、应用场合 [9] 控 制 方 式 U / f 开 环 控 制 U / f 闭 环 控 制 电 压 向 量 电 流 向 量 直 接 转 矩速 度 控 制范 围 1 ： 4 0 1 ： 6 0 1 ： 1 0 0 1 ： 1 0 0 0 1 ： 1 0 0启 动 转 矩 1 5 0 % ， 在 3 H Z 1 5 0 % ， 在 3 H Z 1 5 0 % ， 在 3 H Z 2 5 0 % ， 在 3 H Z 1 5 0 % ， 在 0 H Z静 态 转 速精 度 （ % ）177。 （ 2 ～ 3 ） 177。 （ 0 . 2 ～ 0 . 3 ） 177。 0 . 2 177。 0 . 0 2 177。 0 . 2反 馈 装 置 不 要 P I D 调 节 不 要 编 码 器 不 要主 要 应 用场 合泵 类 、 风 机保 持 压 力 、 温度 、 流 量一 般 工 业 设 置高 精 度 工业 设 备起 重 电 机 、 电梯 、 轧 机 等 设 备 本次设计的音乐喷泉控制系统中，变频器所驱动的负载为水泵，即泵类负载，故选择 U/f 开环控制。 即选用三菱 FRF740 系列变频器， FRF740变频器是专为风机和水泵负载设计的。 其特点如下 [10]： （ 1）功率范围： ～ 630KW； （ 2）简易磁通控制方式，实现 3Hz 时输出转矩达 120%； （ 3）采用最佳励磁方式，实现更高节能运行； （ 4）内置 PID，变频器 /工频切换和可以实现多泵循环运行功能； （ 5）内置独立的 RS485 通讯口； （ 6）使用长寿命元件； （ 7）内置噪声滤波器（ 75K 以上）； （ 8）带有节能监控功能，节能效果一目了然。 变频调速原理 当向一台三相异步电动机的定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生一个以同步转速 1n 沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。 由于旋转磁场以 1n 转速顺时针旋转，转子导体开始是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势，由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计 12 一致的感应电流。 由于通电导体在磁场中要受电磁力的作用，所以有感应电流的转子导体在旋转磁场中也将受到电磁力的作用，作用于转子导体上的电磁力对转子的轴，产生电磁转矩与旋转磁场的旋转方向是一致的，从而驱动转子沿着旋转磁场的旋转方向旋转 [11]。 当将三相异步电动机绕组任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场方向将发生改变。 因此，电动机的转向也将发生改变。 异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机磁极对数和电源频率决定 [17]。 异步电动机的同步转速为： pf11 60n  式 () 式（ ）中 1n — 同步转矩，单位 min/r ； 1f — 定子电源频率，单位 HZ； p — 磁极对数。 异步电动机的转速为： )1(60)1( 11 spfsnn  式 () 式（ ）中 s — 异步电动机的转差率， 11 /)( nnns 。 由式（ ）可知，对于极对数固定的异步电动机，只需供电频率 1f 或电动机的转差率 s 中的任意一个改变就可以改变电动机的转速。 改变转差率 s 的方法更多用在绕线式异步电动机的调速中，故对鼠笼式异步电动机改变供电频率 1f 是最好的调速方法。 对鼠笼式异步电动机，一般情况下，转速率 s 很小，所以可近似地认为 n ∝ 1n ∝ 1f ，考虑到电机的运行性能，并使电动机得到充分利用，在变频的同时，电源 电压应根据负载性质的不同作相应的变化，通常希望气隙磁通 m 维持额定值不变，因为若 m 增大，将使电动机磁路过分饱和，引起励磁电流增加，功率因数降低；若 m 减小，电动机容量将得不到充分利用 [12]。 由电动机理论可知，三相异步电动机定子每项电动势的有效值为 2020届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文） 13 mN NfkE 1111  式 () 式 ()中 1E — 旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势，单位 V； m — 每极磁通量，单位 Wb； 1N — 定子相绕组有效匝数； 1NK — 基波绕组系数。 从电动势公式可知，因为 11U E ，若要 m 为定值，则 1U 必须随频率的变化作正比变化，即： 定值1111UU ff 式（ ） 式（ ）中 11U f， 表示变频后的量。 另一方面，为了保证电动机允许的稳定性，希望变频调速时，电机的过载能力不变，即 定值 NmTTm 式 () 由最大转矩公式，并略去定子电阻 1R ，可得到： NTXXfpUm )(4TT211211Nmm  式（ ） 在忽略铁芯饱和的影响时， )。