基于plc的音乐喷泉系统设计学士学位论文(编辑修改稿)

基于plc的音乐喷泉系统设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

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] 北方民族大学学士学位论 文 基于 PLC 的音乐喷泉控制系统 软件设计 9 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开关变为交流电。 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 21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 21 变频器的基本构成 [9] 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。 北方民族大学学士学位论 文 基于 PLC 的音乐喷泉控制系统 软件设计 10 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 [10]。 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，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[9]。 MICROMASTER 420 概述 MICROMASTER420 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。 本系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率 120W 到三相电源电压，额定功率11KW 可供用户选用。 该变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶北方民族大学学士学位论 文 基于 PLC 的音乐喷泉控制系统 软件设计 11 体管（ IGBT）作为功率输出器件。 因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。 其脉冲宽度调 制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。 全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 MICROMASTER420 具有缺省的工厂设置参数，它是 数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。 由于 MICROMASTER420 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。 MICROMASTER 420 既可用于单机驱动系统，也可集成到‘自动化系统’中。 [11] 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。 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 [12]。 北方民族大学学士学位论 文 基于 PLC 的音乐喷泉控制系统 软件设计 12 图 22 变频器电路图 [11] 北方民族大学学士学位论 文 基于 PLC 的音乐喷泉控制系统 软件设计 13 第 3 章 系统总体介绍 音乐喷泉的控制主要由 PLC 和变频器完成，通过音乐的频率信号控制 PLC。 通过改变水泵电机的控制频率可以实现水泵转速变化，进而通过水泵的转速变化来控制音乐喷泉的水柱高度变化，实现音乐变化对喷泉的控制。 变频器接受来自经 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。 同时通过 PLC 控制彩灯，实现彩灯组与音乐节奏的同步变换。 音乐喷泉组成 音乐喷泉水池设计 此小型音乐喷泉喷头分三组。 外圈九个喷头，中圈六个喷头，喷水口直径，中心主喷头用集流直上喷头，它比一般直流喷头喷水流量大，当水泵大功率运行时，有壮观的喷水直径和高度。 本设计采用两组单相潜水泵，外两圈喷头由一个 12W 的潜水泵提供压力，主喷头由一个 55W 的潜水泵提供水压。 两组彩灯分两圈，分别安装在外圈和中圈喷头下，工作是成交替闪烁。 这样音乐喷泉工作时喷水层次感明显，视觉效果良好。 喷泉水池直径约 ，喷头组最大直径 ，在外圈和中圈喷头向内倾斜的情况下很好的防止了水池喷 水造成的向外溅水。 控制系统组成 音乐喷泉的控制系统由音乐信号处理电路（包括 F/V 转换电路、模 /数转换电路、信号隔离电路）， PLC 及变频控制电路，潜水泵和彩灯控制电路，稳压电源电路和音响设备组成。 其中 PLC 及变频控制电路为设计重点。 北方民族大学学士学位论 文 基于 PLC 的音乐喷泉控制系统 软件设计 14 变频器设计 变频器选型 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，适用于各种变频驱动装置。 MICROMASTER420 具有缺省的工厂设置参数，它是 数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。 变频器控制接线图 硬件连接图如图 31 所示， PLC 的输出口 连接到 MM420 变频器的 AIN+端子上，用来控制变频器的起停。 PLC 输出口 — 连接到变频器 DIN1—DIN3 端子上，通过 PLC 输出地开关量控制变频器 输出 预置的固定频率，变频器输出地预置频率由设置参数决定。 西 门 子M M 4 2 0变 频 器A I N A I N +D I N 1D I N 2D I N 3P EQ 1 . 5Q 1 . 0Q 1 . 1Q 1 . 2K A 1K A 2K A 1 K A 2MMK M 1 K M 2UVV IU IL N0 VP L CQ F 图 31 变频器设计连接图 北方民族大学学士学位论 文 基于 PLC 的音乐喷泉控制系统 软件设计 15 PLC 设计 PLC 选型 S7200 是西门子推出的小型 PLC， S7200 系列 PLC 为单体式结构，配有RS485 通讯接口、内置电源系统和部分 I/O 接口。 它体积小、运算速度块、可靠性高，具有丰富的指令，系统操作简便、便于掌握，可方便地实现系统的 I/O扩展，性能价格比高，是目前中小规模控制系统的理想控制设备。 S7200 PLC 有 5 种 CPU 模块。 CPU 226 的本机数字量 I/O 为 24 入 /16 出，最多可扩展 7 个扩展模块，根据 PLC 数字量输出模块的驱动方式不同，它又分为晶体管输出（ DC/DC/DC）方式和继电器输出（ AC/DC/继电器）方式。 根据本设计的控制要求，选择 CPU 226 DC/DC/DC 型 PLC 作为控制核心。 PLC 输入 /输出点分配 根据系统控制要求， 使用 PLC 的数字量输入模块接收来自音乐信号处理模块转换的 8 路开关量信号，经 PLC 内部 CPU 处理，通过输出模块控制彩灯和变频器，实现对变频器的数字控制。 控制系统 PLC 的输入 /输出点分配如表 32 和表 33。 序号 点号 符合 意义 1 Bit0 音频信号输入 2 Bit1 音频信号输入 3 Bit2 音频信号输入 4 Bit3 音频信号输入 5 Bit4 音频信号输入 6 Bit5 音频信号输入 7 Bit6 音频信号输入 8 Bit7 音频信号输入 9 K0 启动按钮 10 K1 停止按钮 表 32 PLC 输入点分配表 北方民族大学学士学位论 文 基于 PLC 的音乐喷泉控制系统 软件设计 16 序号 点号 符合 意义 1 KM1 1水泵工作 2 KM2 2水泵工作 3 KA1 1彩灯工作 4 KA2 2彩灯工作 5 DIN1 变频器速度一 6 DIN2 变频器速度二 7 DIN3 变频器速度三 8 AIN+ 变频器运行 表 33 PLC 输出点分配表 PLC 控制接线图 启动按钮接入 PLC 的 端子，停止按钮接入 端子， — 接收开关量信号， 和 端子直接控制两个 LED 灯组的变换。 和 用来控制水泵的起停， — 用于控制 变频器的输出频率选择。 PLC 硬件连接图如图 34 所示。 S 7 2 0 0P L CC P U 2 2 6。