基于plc的小型音乐喷泉设计最终版

基于plc的小型音乐喷泉设计最终版内容摘要：

每次对音频信号的采样时间为。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 6 控制系统 主要由 PLC、 A/D 转换模块、变频器、潜水泵和灯光组成。 通过 PLC 对外 部音频信号的采样、 转换来控制变频器和故态继电器的动作， 从而达到控制系统的要求， 并能够实现对音乐和喷泉的实时的完美结合。 音乐喷泉控制系 统硬件组成部分如图 所示。 图 21 音乐喷泉控制系统 结果图 （ 1） 系统的控制过程 在这里，输入转换电路是指能对乐曲启停、乐曲节奏和声音强弱等进行检测并将检测到的信号以电平、脉冲 或数字形式送至 PLC 的电路。 在此控制系统中，利用 A/D 模块对音乐信号的采样，根据控制精度的需要 ,人耳的听 觉 ,音乐信号的特点。 由于人耳听到的是广场上播放乐曲的声音 ,而人眼看到的是喷头的 本章小结 通过相关资料，确定方案： 设计采用 S7200PLC 和 MICROMASTER420 变频器 作为主控制 硬件， 由于控制系统较简单 ，本次设计选择 MM420 变频器来控制水泵转速。 MM420 是通用变频器，是用于控制三相交流电动机速度的变频器。 设计了以S7200PLC 基本系统为核心的一 台音乐喷泉 ，其中包 PLC、 变频器 、 水泵 、 电机驱动 、系统软件等部分的设计。 第三章 系统硬件设计 7 第 三 章 系统硬件设计 变频器的工作原理以及控制方式 变频器的工作原理 变频器的主要任务是把工频电源变换为另一频率的交流电，以满足交流电动机的变频调速的需要。 现在使用的变频器主要采用交 直 交方式（ VVVF，变频或矢量控制变频），先把工频交流电通过整流 器转换成直流电，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电，以供给电动机。 变频器的电路一般由整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路 4 个部分组成。 [8] 交流电动机的同步转速表达式为 n = 60 f (1− s) / p 式中： n—异步电动机的转速； f—异步电动机的频率； s—电动机转差率； p—电动机极对数。 由上式可知，异步电动机的转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在 0～ 50 Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。 变频器就是通过改变电动机电源频率实现速 度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 [8] 变频器 首先是将交流电变为直流电 ， 然后用电子元件对直流电进行 控制 变为交流电。 一般功率较大的变频器用可控硅 ， 并设一个可调频率的装置 ， 使频率在一定范围内可调 .用来控制电机的转数。 使转数在一定的范围内可调 ， 一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。 变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图 31 所示的基本结构。 整 流 电 路 直 流 中 间 电 路 逆 变 电 路控 制 电 路 交 流 电 商 用 电 源交 流 电频 率 和 电 压 可调 的 交 流 电 图 31 变频器的基本构成华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 8 变频器的控制方式与性能 异步电动机调速转动时 ,变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制 ,不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途也不同。 变频器控制方式大致大体可分为开环控制盒闭环控制两种，后者进行电动机速度反馈。 开环控制有 fU/ 控制方式，闭环控制有转差频率控制和矢量控制等方式。 (1) fU/ 控制 对于异步电动机，只要改变其供电电源的频率，即可以改变电动机的转速，达到进行调速运转的目的。 但是，对于一个实际的交流调速控制系统来说，事情远远不是那么简单。 这是因为当电动机电源的频率被改变时，电动机的内部阻抗也将随之改变，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强的情况。 在励磁不足的情况下电动机将难以给出足够的转矩，而在励磁过强时电动机又将出现磁饱和，造成电动机功率因数和效率的下降。 因此，为了得到理想的转矩速度特性，在改变电源频率进行调速的同时，必须采取必要的措施来保证电动机的气隙磁通处于高 效状态（即保持磁通不变）。 这就是 fU/ 控制的出发点。 这种 变频器虽然结构比较简单，但是，由于这种变频器采用的是开环控制方式，其精度和动态特性并不是十分理想，尤其是在低速区电压调整比较困难，难以得到较大的调速范围。 所以采用这种控制方式的变频器一般是对控制性能要求不太高的通用变频器。 ⑵ 转差频率控制： 转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机转速与转差频率之和作 为变频器的给定输出频率。 由于通过控 制转差频率来控制转矩和电流， 与 fU/ 控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。 另外它有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的静差小，适用于自动控制系统。 转差频率控制方式通常用于单机运转。 因为在采用转差频率控制方式时需要检测电动机的实际转速，所以需要在异步电动机轴上安装速度传感器。 而电动机的转速检测则由速度传感器和变频器控制电路中的运算电路完成。 控制电路还将通过适当的算法根据检测到的电动机速度产生转差频率和其他的控制信号。 此外，在采用了转差频率控制方式的 变频器中往往还加有电流负反馈，对频率和电流进行控制，所以这种变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 ⑶ 矢量控制： 矢量控制的基本思想是认为异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理，第三章 系统的硬件设计 9 即电动机的转矩为磁场和与其相垂直的电流的积，而异步电动机的定子电流则可以分为产生磁场的电流分量（磁场电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）。 因此，通过控制电动机定子电流的大小和相位（即定子电流矢量），即可以分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电 动机转矩的目的。 变频器 控制参数设计 根据播放的音乐来控 制水柱，达到水柱与音乐同步的效果，而水柱是由水泵来控制的，水泵是由异步电动机组成的， 异步电动机的转速如果通入工频电源，转速是不变化的，变频器是专门针对电机调速的装置。 由变频器控制电机的转速，使水柱发生变化。 变频器的主要任务是把工频电源变换为另一频率的交流电，以满足交流电动机的变频调速的需要，本系统中变频器主要用来接受来自经 PLC 处理的音乐控制信号，输出频率不同的交流电，从而使水泵的喷水状态不断变化，实现了喷泉喷水随音乐高低呈现不同的形态 [7]。 MM420 变频器的电路结构 MM420 变频器电路图如图 22 所示，包括主电路和控制电路两部分，主电路完成电能转换（整流和逆变），控制电路处理信息的收集、变换和传输。 在主电路中，由电源输入单相或三相恒压恒频的交流电，经整流电路转换成恒定的直流电，供给逆变电路。 逆变电路在 CPU 控制下，将恒定的直流电你变成电压和频率均可调的三相交流电供给电动机负载。 由图 31 可知， MM420 变频器直流换届是通过电容进行滤波的，因此属于电压型交 直 交变频器。 MM420 变频器的控制电路由 CPU、模拟输入（ AIN+、 AIN— ）、模拟输出（ AOUT+、AOUT— ）、数字输出（ DIN1~DIN3）、输出继电器触头（ RL1B、 RL1C）、操作板（ BOP）等组成。 端子 2 是为用户提供的 10V 直流电源。 当采取模拟电压信号输入方式输入给定频率时，为了提高交流变频调速系统的控制精度，必须配备一个高精度的直流电源。 模拟输入 4 端，为用户提供了两对模拟电压给定输入端，作为频率给定信号，经变频器内的模 /数转换器，将模拟量转换为数字量，提供给 CPU 来控制系统。 数字输入端 7 为用户提供了 3 个完全可编程的数字输入端，数 字信号经光电隔离输入 CPU，对电动机进行控制 [8]。 端子 8 和 9 是 24V 直流电源端，为变频器的控制电路提供 24V 直流电源。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 10 图 32 变频器电路图 [11]第三章 系统的硬件设计 11 MM420 变频器操作面板 利用 BOP 可以更改 MM 420 变频器的各个设置参数。 BOP 具有 5 位数字的 7 段现实，用于显示参数的序号和数值、报警和故障信息以及该参数的设定值和实际值，BOP 不能存储参数的信息。 BOP 上的按钮以及功能说明见表 41 表 31 基本操作面板（ BOP）上的按钮 及其功能 状态显示 LCD 显示变频器当前的设定值。 起动变频器 按此键起动变频器。 缺省值运行时此键是被封锁的。 为了使此键的操作有效，应设定 P0700 = 1。 停止变频器 OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车 .缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作，应设定 P0700 = 1。 OFF2：按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车。 此功能总是“使能”的。 改变电动机 的转动方向 按此键可以改变电动机的转动方向。 电动机的反向用负号（－）表示或用闪烁的小数点表示。 缺省值 运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定 P0700 = 1。 电动机点动 在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。 释放此键时，变频器停车。 如果变频器 /电动机正在运行，按此键将不起作用。 功能 此键用于浏览辅助信息。 变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动 2 秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中，从任何一个参数开始）： 1. 直流回路电压（用 d 表示 – 单位： V） 2. 输出电流（ A） 3. 输出 频率（ Hz） 4. 输出电压（用 o 表示 – 单位： V）。 5. 由 P0005 选定的数值（如果 P0005 选择显示上述参数中的任何一个（ 3， 4，或 5），这里将不再显示）。 连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。 跳转功能 在显示任何一个参数（ rXXXX 或 PXXXX）时短时间按下此键，将立即跳转到 r0000,如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。 跳转到 r0000 后，按此键将返回原来的显示点。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 12 访问参数 按此键即可访问参数。 增加数值 按此键即可增加面板上显示的参数数值。 减少数值 按此键即可减少面板上显示的参数数值 . 变频器参数设置方法 用 BOP 可以更改参数的数值，下面以更改过滤功能参数 P0004 为例介绍数值的更改步骤， 见表 42；并以选择命令 /设定值源 P0719 为例说明如何修改参数的数值，见 表 43。 按照表 42 和 表 43 中说明的类似方法，可以用 BOP 修改任何一个参数 [5]。 表 32 改变过滤功能参数 P0004 第三章 系统的硬件设计 13 表 33 修改选择命令 /设定值源下标参数 P0179 （ 1） 变频 器参数设置 一般涉及到的参数有：①电机参数，可参考电机铭牌，如电机额定的电压、功率、电流、转速等。 ②选择控制电机启动、停止方式，如通过变频器面板还是端子。 ③选择变频器运行频率控制方式，如变频器面板、电位器（ 需设置对应频率范围） 还是若干个固定频率（ 通过变频器端子选择对应频率）。 ④变频器运行最小、最大频率，加、减速时间等。 ⑤变频器控制方式。 在本系统中需要是设置的参数有： （ 1） P0010 参数为“ 30”， P0970 参数设定为“ 1”， —— 变频器复位到工厂设定值 （ 2） P0003 参数为“ 2” —— 扩展用户的参数访问范围 （ 3） P0700 参数为“ 2” —— 由模拟端子 /数字输入控制变频器 （ 4） P0701 参数为“ 17” —— BCD 码选择 +ON 命令 （ 5） P0702 参数为“ 17” —— BCD 码选择 +ON 命令 （ 6） P0703 参数为“ 17” —— BCD 码选择 +ON 命令 （ 7） P0704 参数为“ 1” —— 正转启动华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 14 （ 8） P1000 参数为“ 3” —— 固定频率设定值 （ 9） P1001 参数为“ 20” —— 固定频率 1 为 20Hz （ 10） P1002 参数为“ 25” —— 固定频率 2 为 25Hz （ 1。