【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一比較起來 , 優(yōu)點(diǎn)在于放音效果好 , 能實(shí)現(xiàn)真人真唱 ,一直能唱出樂曲，且控制系統(tǒng)可靠性比方案一要高，因而，通過對(duì)比分析，并考慮到音樂噴泉控制系統(tǒng)需要可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行要求，所以本次設(shè)計(jì)采用方案二作為音樂噴泉的控制方案， 采用三菱 1NFX 40MR 型號(hào) PLC 作為噴泉的控制器。 本章小結(jié) 本章主要是對(duì)音樂噴泉控制系統(tǒng)作了整體 概述。首先對(duì)音樂噴泉的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。然后分析了音樂噴泉的控制要求和現(xiàn)有的控制方式。最后對(duì)現(xiàn)有的控制方式進(jìn)行分析比較，選擇了 PLC 作為控制核心的控制系統(tǒng)。 鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 2020屆電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PLC 的選用 選擇適當(dāng)型號(hào)的 PLC 是應(yīng)用設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步，在功能滿足要求的前提下，應(yīng)選擇最佳的性能價(jià)格比，具體考慮以下幾點(diǎn)： （ 1） I/O 點(diǎn)數(shù)的選擇。輸入、輸出點(diǎn)數(shù)是衡量 PLC 規(guī)模大小的重要指標(biāo)。選擇時(shí)應(yīng)在實(shí)際使用點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上留出 15%～ 20%的備用量 [6]。 （ 2）存 儲(chǔ)器容量的選擇。一般小型的 PLC 存儲(chǔ)容量是固定的，無法隨意擴(kuò)充和調(diào)整，選購時(shí)一定要注意，是否滿足要求。 （ 3） PLC功能的選擇。 1）對(duì)于開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)控制速度要求不高，選用一般的低檔機(jī)就能滿足要求。 2）對(duì)于以開關(guān)量控制為主，帶有部分模擬量控制的應(yīng)用項(xiàng)目，應(yīng)選用帶有 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換，四則運(yùn)算功能的低檔機(jī)。 3）對(duì)于控制比較復(fù)雜，功能要求較高的應(yīng)用系統(tǒng)，低檔機(jī)往往不能滿足要求，這時(shí)可選用中型和大型的 PLC 組成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。 4） PLC運(yùn)行速度的選擇。 PLC 工作時(shí)，從輸入信號(hào)到輸出控制存在滯后現(xiàn)象，這對(duì)于一般的工業(yè)設(shè)備是允許的，但有些設(shè)備的實(shí)時(shí)要求較高，不能容忍這種滯后現(xiàn)象。但一般滯后時(shí)間應(yīng)控制在幾十ms之內(nèi)。 （ 4）特殊 I/O 模塊的選擇。選擇哪一種功能的輸入 /輸出模塊和哪一種輸出形式，取決與控制系統(tǒng)中輸入 /輸出系統(tǒng)的種類、參數(shù)要求和技術(shù)要求。另外，如果控制系統(tǒng)要求進(jìn)行溫度控制、位置控制、 PID 控制或波形控制，那么選擇合適的智能模塊會(huì)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變簡(jiǎn)單 [7]。 （ 5）考慮對(duì) PLC 通信聯(lián)網(wǎng)功能的要求。如果 PLC 需要與別的通信設(shè)備連接，需要考慮 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng)能力。 鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 考慮到上述因素，結(jié)合“體積小、價(jià) 格實(shí)惠”的原則，本文選用三菱MRF N 40X1 ? 型號(hào)的 PLC。其特點(diǎn)如下 [8]： （ 1）一體式可編程控制器：電源、 CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出組成一個(gè)單元的可編程控制器，同時(shí)在 AC 電源 DC 輸入型中內(nèi)置傳感器用 DC24V 電源。 （ 2） 輸入輸出最大 128點(diǎn)：輸入輸出擴(kuò)展設(shè)備最大可擴(kuò)展至 128 點(diǎn)，擴(kuò)展模塊或擴(kuò)展單元只可以使用 0NFX 系列和 2NFX 系列，另外也可和3AFX0N — 連接。 （ 3）不用編制復(fù)雜的程序，就能捕捉到最小 10μ s(X0， X1)或 50μs(X2～ X5)的短信號(hào)。 （ 4） 功能強(qiáng)大的 GX Works2 編程軟件。由三菱公司設(shè)計(jì)開發(fā)，適用于 MRF N 40X1 ? 的編程，具有簡(jiǎn)單工程和結(jié)構(gòu)化工程兩種編程方式，支持梯形圖、指令表、 SFC、 ST及結(jié)構(gòu)化梯形圖等編程語言，可實(shí)現(xiàn)程序編輯、參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)絡(luò)設(shè)定、程序監(jiān)控、調(diào)試及在線更改、智能功能模塊設(shè)置等功能。 變頻器的選用 通用變頻器的選擇包 括通用變頻器的型號(hào)選擇和容量選擇兩個(gè)方面，選擇的原則是：首先其功能特性能保證可靠地事項(xiàng)工藝要求，其次是獲得較好的性能價(jià)格比。通用變頻器類型的選擇要根據(jù)負(fù)載特性進(jìn)行。對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速轉(zhuǎn)矩負(fù)載，通常可選擇專用或普通功能型通用變頻器。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求的機(jī)械應(yīng)選用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型通用變頻器，這種通用變頻器低速轉(zhuǎn)矩、靜態(tài)機(jī)械特性硬度大，不怕負(fù)載沖擊，具有挖土機(jī)特性。為了實(shí)現(xiàn)大調(diào)速比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，常采用加大通用變頻器容量的辦法。對(duì)于要求精度高、動(dòng)態(tài)性能好、速度響應(yīng)快的生產(chǎn) 機(jī)械（如造紙機(jī)械、注塑機(jī)、軋鋼機(jī)等），應(yīng)采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制型通用變頻器 [16]。表 為不同類型變頻器的主2020屆電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 要性能、應(yīng)用場(chǎng)合： 表 不同類型變頻器的主要性能、應(yīng)用場(chǎng)合 [9] 控 制 方 式 U / f 開 環(huán) 控 制 U / f 閉 環(huán) 控 制 電 壓 向 量 電 流 向 量 直 接 轉(zhuǎn) 矩速 度 控 制范 圍 1 ： 4 0 1 ： 6 0 1 ： 1 0 0 1 ： 1 0 0 0 1 ： 1 0 0啟 動(dòng) 轉(zhuǎn) 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靜 態(tài) 轉(zhuǎn) 速精 度 （ % ）177。 （ 2 ～ 3 ） 177。 （ 0 . 2 ～ 0 . 3 ） 177。 0 . 2 177。 0 . 0 2 177。 0 . 2反 饋 裝 置 不 要 P I D 調(diào) 節(jié) 不 要 編 碼 器 不 要主 要 應(yīng) 用場(chǎng) 合泵 類 、 風(fēng) 機(jī)保 持 壓 力 、 溫度 、 流 量一 般 工 業(yè) 設(shè) 置高 精 度 工業(yè) 設(shè) 備起 重 電 機(jī) 、 電梯 、 軋 機(jī) 等 設(shè) 備 本次設(shè)計(jì)的音樂噴泉控制系統(tǒng)中，變頻器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為水泵，即泵類負(fù)載，故選擇 U/f 開環(huán)控制。即選用三菱 FRF740 系列變頻器， FRF740變頻器是專為風(fēng)機(jī)和水泵負(fù)載設(shè)計(jì)的。其特點(diǎn)如下 [10]： （ 1）功率范圍： ～ 630KW； （ 2）簡(jiǎn)易磁通控制方式，實(shí)現(xiàn) 3Hz 時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá) 120%； （ 3）采用最佳勵(lì)磁方式，實(shí)現(xiàn)更高節(jié)能運(yùn)行； （ 4）內(nèi)置 PID，變頻器 /工頻切換和可以實(shí)現(xiàn)多泵循環(huán)運(yùn)行功能； （ 5）內(nèi)置獨(dú)立的 RS485 通訊口； （ 6）使用長壽命元件； （ 7）內(nèi)置噪聲濾波器（ 75K 以上）； （ 8）帶有節(jié)能監(jiān)控功能，節(jié)能效果一目了然。 變頻調(diào)速原理 當(dāng)向一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中通入對(duì)稱的三相交流電時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速 1n 沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以 1n 轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開始是靜止的，故轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向基本鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 一致的感應(yīng)電流。由于通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受電磁力的作用，所以有感應(yīng)電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中也將受到電磁力的作用，作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上的電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子的軸，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向是一致的，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn) [11]。 當(dāng)將三相異步電動(dòng)機(jī)繞組任意兩相進(jìn)行交換時(shí)，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)和電源頻率決定 [17]。 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為： pf11 60n ? 式 () 式（ ）中 1n — 同步轉(zhuǎn)矩，單位 min/r ； 1f — 定子電源頻率，單位 HZ； p — 磁極對(duì)數(shù)。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為： )1(60)1( 11 spfsnn ???? 式 () 式（ ）中 s — 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率， 11 /)( nnns ?? 。 由式（ ）可知，對(duì)于極對(duì)數(shù)固定的異步電動(dòng)機(jī)，只需供電頻率 1f 或電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率 s 中的任意一個(gè)改變就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變轉(zhuǎn)差率 s 的方法更多用在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速中，故對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)改變供電頻率 1f 是最好的調(diào)速方法。對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，一般情況下，轉(zhuǎn)速率 s 很小，所以可近似地認(rèn)為 n ∝ 1n ∝ 1f ，考慮到電機(jī)的運(yùn)行性能，并使電動(dòng)機(jī)得到充分利用，在變頻的同時(shí)，電源 電壓應(yīng)根據(jù)負(fù)載性質(zhì)的不同作相應(yīng)的變化，通常希望氣隙磁通 m? 維持額定值不變，因?yàn)槿?m? 增大，將使電動(dòng)機(jī)磁路過分飽和，引起勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)降低；若 m? 減小，電動(dòng)機(jī)容量將得不到充分利用 [12]。 由電動(dòng)機(jī)理論可知，三相異步電動(dòng)機(jī)定子每項(xiàng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為 2020屆電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 mN NfkE ?1111 ? 式 () 式 ()中 1E — 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位 V； m? — 每極磁通量，單位 Wb； 1N — 定子相繞組有效匝數(shù)； 1NK — 基波繞組系數(shù)。 從電動(dòng)勢(shì)公式可知，因?yàn)?11U E? ，若要 m? 為定值，則 1U 必須隨頻率的變化作正比變化，即： 定值????1111UU ff 式（ ） 式（ ）中 11U f??， 表示變頻后的量。 另一方面，為了保證電動(dòng)機(jī)允許的穩(wěn)定性，希望變頻調(diào)速時(shí)，電機(jī)的過載能力不變，即 定值?? NmTTm? 式 () 由最大轉(zhuǎn)矩公式，并略去定子電阻 1R ，可得到： NTXXfpUm )(4TT211211Nmm??? ???? 式（ ） 在忽略鐵芯飽和的影響時(shí)， )