(毕业论文)基于plc的花样喷泉控制系统设计

(毕业论文)基于plc的花样喷泉控制系统设计内容摘要：

建造工作量小，维护方便，容易改造。 （ 5）体积小，重量轻，能耗低。 此方案采用西门子 S7300系列 PLC作为主控制器。 S7300PLC是中型的 PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。 S7300PLC 的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7300PLC 可提多种 CPU 可供选择使用，并且体积小，功能强、可靠性高，灵活性强和可扩展性 6 的特点通过改变喷泉的控制程序或 改变方式选择开关，就可以改变花式喷泉的喷水规律，从而变化出很多花样，同时， PLC 具有很强的自诊断功能，迅速方便的检查出故障，缩短检修时间，因而确保控制系统的可靠性，稳定性。 基于本设计的控制要求，可采用 S7300 系列的 PLC 来控制 MicroMaster420变频器，变频器控制水泵的输出功率， 从而达到对水泵流量的控制，产生各种方式的喷水花样。 采用 PLC 控制后，由于 PLC 是采用程序控制，是软接线，因此可靠性大大提高了。 音乐喷泉的核心控制是由可编程控制器实现的，可编程控制器是整个系统的‚大脑‛，用程序控制变频 器输出频率，从而控制水泵输入功率。 其中中央音乐喷泉水泵由程序实现用音乐频率转换的开关量去控制喷泉水柱的变化。 可编程控制器简化了控制线路，提高了工作的速度和可靠性以及系统操作的灵活性，也提升了喷泉工程的智能化性能。 方案 3：使用 S7200PLC 控制花式喷泉 假设设计采用 S7200PLC 作为喷泉的主控制器来控制水泵的运行。 S7200PLC 是一种小型的 PLC，它有 5 种 CPU 模块，最多可以扩展 7 个扩展模块，扩展到 248 点数字量 I/O 或者 38 路模拟量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存储空间和数据存储空间。 集成了 6 个有 12种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器、脉冲宽度调制器。 本设计方案可以选择 S7200CPU226 的 PLC 作为主控制器，该型号的 PLC 共 14 入 10 出 24 个 I/O 点。 从 I/O 点分配方面来说很适合本设计的控制要求。 但是这也限制了它以后的发展，对于较大的喷泉控制系统，S7200PLC 在没有实物的情况下，不能仿真，这对于一个较大型的控制系统，在运行前，不仿真是不可靠的。 而且 S7200PLC 由于 I/0 点数的限制， 在改变喷水方式的时候很不方便，因此不利于调整。 喷泉水柱控制方案分析 方案 1：采用 电磁阀控制 喷泉可以采用电磁阀控制，通过控制电磁阀的通断，控制喷头的通断，从而切换喷头。 水泵的输出功率不变，所以水泵的流量是固定的，当喷头切换到粗口径喷头时，水柱输出高度变低；同理，当切换到细口径喷头时，由于水压作用，喷泉水柱高度上升。 喷泉常用的阀门有球阀、蝶阀、闸阀、止回阀、水下液压阀、 7 水下电磁阀、水下数控阀等。 如果采用电磁阀控制，通过控制电磁阀的通断，从而切换喷头，达到改变水柱高度和喷水形态的效果。 在这种控制中，每个水泵的输出功率是不变的，只能以工频运行，当喷泉水柱降低时，水泵不需要以工频运行，造成了 能源的浪费。 方案 2：采用变频器控制 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。 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。 若采用变频器控制，由于本设计并不需要连续调节转速，只要切换若干段固定的转速就可以了。 所以只需要用到变频器的 3点数字量输入信号，就可以实现八段转速控制 (15Hz50Hz)，而且可以避免使用昂贵的 PLC 模拟量输出模块来连续调节变频器的输出频率。 通过 PLC 输 出的数字量控制变频器的输出频率，从而改变水泵的输出功率，达到控制喷泉水柱高地的目的。 采用变频器控制水泵，较其他控制方法而言，可以改变水泵的输出功率，当喷泉水柱降低时，电机的输出功率降低，节约了电能。 对于一个长期运行的喷泉系统而言，其产生的效益是随时间而积累的。 因此，本设计采用变频器控制。 喷泉的控制要求 （ 1）按下启动按钮，中间音乐喷泉无音频信号输入时，进入预置状态。 当有音频开关信号输入时，喷泉水柱随音频信号进行变化。 周围程控喷泉装置进入预备状态，按下手动按钮后，按下花样 1 按钮，喷泉按照花样 1 循环 运行；断开 8 花样 1按钮，按下花样 2按钮，喷泉按照花样 2循环运行；断开花样 2 按钮，按下花样 3按钮，喷泉按照花样 3循环运行；按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作；按下自动运行按钮，喷泉进入自动工作状态。 （ 2）喷泉喷水方式由花样选择开关决定，现考虑 3 种喷水花样。 （ 3）按下启动按钮和手动按钮后，选择花样 1后， 1s后，变频 1输出频率变为 20Hz； 2s 后，变频器 2 输出频率变为 25Hz； 3s 后，变频器输出频率变为30Hz，依次类推。 直到 7s 后，所有变频器保持其设定频率 5s 后，变频器输出频率变回基本状态，循环运行。 变频器直 接影响水泵的输出功率，从而影响喷泉水柱高度。 花样喷泉共分 7个水泵，通电后，在 PLC 的控制下，按 1234567的顺序改变喷水高度，最后保持梯形 5s,然后恢复 0s 时的高度，再循环上次的改变。 具体情况见图 所示。 01020304050601s 2s 3s 4s 5s 6s花样1 示意图时间喷水高度水泵1水泵2水泵3水泵4水泵5水泵6水泵7图 花样 1 示意图 按下启动按钮后，按下手动开关，选择花样 2后，所有变频器的输出频率变为 25Hz,此时喷泉的水柱位于最高水柱与最低水柱的中间状态。 1s后，变频器输出频率变为 50Hz，所有水泵的输出功率变为最大 ，此时喷泉水柱向上冲击， 3s后变为 25Hz 水柱高度。 如此循环，形成升降喷泉的效果，直到按下停止按钮。 具体情况见图 所示。 9 01020304050600s 1s 3s花样2时间喷水高度水泵1水泵2水泵3水泵4水泵5水泵6水泵7图 花样 2 示意图 按下启动按钮后，按下手动选择开关，按下花样 3选择开关， 1s 后水泵 1,3，5， 7按照 50Hz 的频率运行；水泵 2， 4， 6按照 25Hz 的频率运行。 2s后，泵 2，4,6 按照 50Hz 的频率运行；水泵 1， 3， 5,7 按照 25Hz 的频率运行。 然后按照上述规律进行循环，形成波浪的效果，直到按下停止按钮。 具体情况见图 所示。 01020304050600s 2s 4s花样3时间喷水高度水泵1水泵2水泵3水泵4水泵5水泵6水泵7 图 花样 3 示意图 按下启动按钮后，按下自动开关，花样 1 子程序被调用，喷泉按照花样 1运行；花样 1运行 12s 后调用花样 2子程序，按照花样 2 程序运行，同时花样 1 10 停止；花样 2持续 12s 后运行花样 3，同时断开花样 2；花样 3 运行 12s 后，运行花样 1，如此循环，直到按下 停止按钮。 对于中间的音乐喷泉，则主要有音频信号控制。 当无音频信号时，按下启动按钮，变频器控制其输出功率为 50Hz 时的最大功率。 当有任 何音频开关信号输入时，其输出改为由音频开关信号控制，且高位开关信号优先于低位开关信号，随音频信号变化而变化，直到按下停止按钮，停止运行。 11 第二章 花式喷泉的硬件设计 硬件的选择 PLC 的选择方案 （ 1）对输入 /输出点的选择 盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。 要先弄清除控制系统的 I/O 总点数，通常情况下，在得出总数的基础上增加 10%～ 15%冗余，如果考虑今后调整扩充，则留有 30%左右的冗余。 （ 2）对存储容量的选择 对用户存储容量作粗略的估算。 存储器 内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 10～ 15 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（ 16位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。 （ 3）对 I/O 响应时间的选择 PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 2～ 3 个扫描周期）等。 对开关量控制的系统， PLC 和 I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。 但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。 （ 4）对 PLC 结构形式的选择 在相同功能和相同 I/O 点数据的情况下，整体式比模块式价格低。 但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择 PLC 的结构形式。 本设计采用 S7300 CPU3132DP 的 PLC。 该 PLC 属于中型 PLC，功能强大 ，控制能力好，性价比高，具体配置见图 所示。 12 图 PLC 硬件配置 变频器选择方案 变频器用于交流异步电动机调速，其性能远远超过以往任何交、直流调速方式，而且其结构简单、调速范围宽、调速精度高、安装调试、使用方 便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著，是交流电动机调速的主流技术。 变频器是运动控制系统中的功率变换器，当今的运动控制系统是综合了多种学科的高新技术领域，是自动化技术的‚前沿‛，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率交换的高频化，控制技术的数字化、智能化和网络化。 因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频交流电源，必然会伴着系统技术发展而发展。 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 器的基本原理如图 所示。 13 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 变频器的基本构成 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和闭环控制两种，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 14 通过控制转差频率来控制 转矩和电流，与 fU/ 控制相比其。