【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造。（ 5）體積小，重量輕，能耗低。 此方案采用西門子 S7300系列 PLC作為主控制器。 S7300PLC是中型的 PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。 S7300PLC 的強(qiáng)大功能使其無(wú)論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 S7300PLC 可提多種 CPU 可供選擇使用，并且體積小，功能強(qiáng)、可靠性高，靈活性強(qiáng)和可擴(kuò)展性 6 的特點(diǎn)通過(guò)改變噴泉的控制程序或 改變方式選擇開關(guān)，就可以改變花式噴泉的噴水規(guī)律，從而變化出很多花樣，同時(shí)， PLC 具有很強(qiáng)的自診斷功能，迅速方便的檢查出故障，縮短檢修時(shí)間，因而確保控制系統(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定性。 基于本設(shè)計(jì)的控制要求，可采用 S7300 系列的 PLC 來(lái)控制 MicroMaster420變頻器，變頻器控制水泵的輸出功率， 從而達(dá)到對(duì)水泵流量的控制，產(chǎn)生各種方式的噴水花樣。 采用 PLC 控制后，由于 PLC 是采用程序控制，是軟接線，因此可靠性大大提高了。音樂(lè)噴泉的核心控制是由可編程控制器實(shí)現(xiàn)的，可編程控制器是整個(gè)系統(tǒng)的?大腦?，用程序控制變頻 器輸出頻率，從而控制水泵輸入功率。其中中央音樂(lè)噴泉水泵由程序?qū)崿F(xiàn)用音樂(lè)頻率轉(zhuǎn)換的開關(guān)量去控制噴泉水柱的變化?？删幊炭刂破骱?jiǎn)化了控制線路，提高了工作的速度和可靠性以及系統(tǒng)操作的靈活性，也提升了噴泉工程的智能化性能。 方案 3：使用 S7200PLC 控制花式噴泉 假設(shè)設(shè)計(jì)采用 S7200PLC 作為噴泉的主控制器來(lái)控制水泵的運(yùn)行。S7200PLC 是一種小型的 PLC，它有 5 種 CPU 模塊，最多可以擴(kuò)展 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到 248 點(diǎn)數(shù)字量 I/O 或者 38 路模擬量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。集成了 6 個(gè)有 12種工作模式的高速計(jì)數(shù)器和兩點(diǎn)高速脈沖發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)制器。本設(shè)計(jì)方案可以選擇 S7200CPU226 的 PLC 作為主控制器，該型號(hào)的 PLC 共 14 入 10 出 24 個(gè) I/O 點(diǎn)。從 I/O 點(diǎn)分配方面來(lái)說(shuō)很適合本設(shè)計(jì)的控制要求。但是這也限制了它以后的發(fā)展，對(duì)于較大的噴泉控制系統(tǒng)，S7200PLC 在沒(méi)有實(shí)物的情況下，不能仿真，這對(duì)于一個(gè)較大型的控制系統(tǒng)，在運(yùn)行前，不仿真是不可靠的。而且 S7200PLC 由于 I/0 點(diǎn)數(shù)的限制， 在改變噴水方式的時(shí)候很不方便，因此不利于調(diào)整。 噴泉水柱控制方案分析 方案 1：采用 電磁閥控制 噴泉可以采用電磁閥控制，通過(guò)控制電磁閥的通斷，控制噴頭的通斷，從而切換噴頭。水泵的輸出功率不變，所以水泵的流量是固定的，當(dāng)噴頭切換到粗口徑噴頭時(shí)，水柱輸出高度變低；同理，當(dāng)切換到細(xì)口徑噴頭時(shí)，由于水壓作用，噴泉水柱高度上升。噴泉常用的閥門有球閥、蝶閥、閘閥、止回閥、水下液壓閥、 7 水下電磁閥、水下數(shù)控閥等。 如果采用電磁閥控制，通過(guò)控制電磁閥的通斷，從而切換噴頭，達(dá)到改變水柱高度和噴水形態(tài)的效果。在這種控制中，每個(gè)水泵的輸出功率是不變的，只能以工頻運(yùn)行，當(dāng)噴泉水柱降低時(shí)，水泵不需要以工頻運(yùn)行，造成了 能源的浪費(fèi)。 方案 2：采用變頻器控制 變頻器的主要任務(wù)是把工頻電源變換為另一頻率的交流電，以滿足交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速的需要?，F(xiàn)在使用的變頻器主要采用交 直 交方式（ VVVF，變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電，然后再把直流電轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電，以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路 4個(gè)部分組成。 交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為 n = 60 f (1? s) / p 式中： n— 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； f— 異步電動(dòng)機(jī)的頻率； s— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； p— 電 動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 由上式可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0～ 50 Hz 的 范圍 內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 若采用變頻器控制，由于本設(shè)計(jì)并不需要連續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，只要切換若干段固定的轉(zhuǎn)速就可以了。所以只需要用到變頻器的 3點(diǎn)數(shù)字量輸入信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)八段轉(zhuǎn)速控制 (15Hz50Hz)，而且可以避免使用昂貴的 PLC 模擬量輸出模塊來(lái)連續(xù)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率。通過(guò) PLC 輸 出的數(shù)字量控制變頻器的輸出頻率，從而改變水泵的輸出功率，達(dá)到控制噴泉水柱高地的目的。 采用變頻器控制水泵，較其他控制方法而言，可以改變水泵的輸出功率，當(dāng)噴泉水柱降低時(shí)，電機(jī)的輸出功率降低，節(jié)約了電能。對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)行的噴泉系統(tǒng)而言，其產(chǎn)生的效益是隨時(shí)間而積累的。因此，本設(shè)計(jì)采用變頻器控制。 噴泉的控制要求 （ 1）按下啟動(dòng)按鈕，中間音樂(lè)噴泉無(wú)音頻信號(hào)輸入時(shí)，進(jìn)入預(yù)置狀態(tài)。當(dāng)有音頻開關(guān)信號(hào)輸入時(shí)，噴泉水柱隨音頻信號(hào)進(jìn)行變化。周圍程控噴泉裝置進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)，按下手動(dòng)按鈕后，按下花樣 1 按鈕，噴泉按照花樣 1 循環(huán) 運(yùn)行；斷開 8 花樣 1按鈕，按下花樣 2按鈕，噴泉按照花樣 2循環(huán)運(yùn)行；斷開花樣 2 按鈕，按下花樣 3按鈕，噴泉按照花樣 3循環(huán)運(yùn)行；按下停止按鈕，噴泉控制裝置停止工作；按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕，噴泉進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)。 （ 2）噴泉噴水方式由花樣選擇開關(guān)決定，現(xiàn)考慮 3 種噴水花樣。 （ 3）按下啟動(dòng)按鈕和手動(dòng)按鈕后，選擇花樣 1后， 1s后，變頻 1輸出頻率變?yōu)?20Hz； 2s 后，變頻器 2 輸出頻率變?yōu)?25Hz； 3s 后，變頻器輸出頻率變?yōu)?0Hz，依次類推。直到 7s 后，所有變頻器保持其設(shè)定頻率 5s 后，變頻器輸出頻率變回基本狀態(tài)，循環(huán)運(yùn)行。變頻器直 接影響水泵的輸出功率，從而影響噴泉水柱高度?；訃娙卜?7個(gè)水泵，通電后，在 PLC 的控制下，按 1234567的順序改變噴水高度，最后保持梯形 5s,然后恢復(fù) 0s 時(shí)的高度，再循環(huán)上次的改變。具體情況見圖 所示。 01020304050601s 2s 3s 4s 5s 6s花樣1 示意圖時(shí)間噴水高度水泵1水泵2水泵3水泵4水泵5水泵6水泵7圖 花樣 1 示意圖 按下啟動(dòng)按鈕后，按下手動(dòng)開關(guān)，選擇花樣 2后，所有變頻器的輸出頻率變?yōu)?25Hz,此時(shí)噴泉的水柱位于最高水柱與最低水柱的中間狀態(tài)。 1s后，變頻器輸出頻率變?yōu)?50Hz，所有水泵的輸出功率變?yōu)樽畲?，此時(shí)噴泉水柱向上沖擊， 3s后變?yōu)?25Hz 水柱高度。如此循環(huán)，形成升降噴泉的效果，直到按下停止按鈕。具體情況見圖 所示。 9 01020304050600s 1s 3s花樣2時(shí)間噴水高度水泵1水泵2水泵3水泵4水泵5水泵6水泵7圖 花樣 2 示意圖 按下啟動(dòng)按鈕后，按下手動(dòng)選擇開關(guān)，按下花樣 3選擇開關(guān)， 1s 后水泵 1,3，5， 7按照 50Hz 的頻率運(yùn)行；水泵 2， 4， 6按照 25Hz 的頻率運(yùn)行。 2s后，泵 2，4,6 按照 50Hz 的頻率運(yùn)行；水泵 1， 3， 5,7 按照 25Hz 的頻率運(yùn)行。然后按照上述規(guī)律進(jìn)行循環(huán)，形成波浪的效果，直到按下停止按鈕。 具體情況見圖 所示。 01020304050600s 2s 4s花樣3時(shí)間噴水高度水泵1水泵2水泵3水泵4水泵5水泵6水泵7 圖 花樣 3 示意圖 按下啟動(dòng)按鈕后，按下自動(dòng)開關(guān)，花樣 1 子程序被調(diào)用，噴泉按照花樣 1運(yùn)行；花樣 1運(yùn)行 12s 后調(diào)用花樣 2子程序，按照花樣 2 程序運(yùn)行，同時(shí)花樣 1 10 停止；花樣 2持續(xù) 12s 后運(yùn)行花樣 3，同時(shí)斷開花樣 2；花樣 3 運(yùn)行 12s 后，運(yùn)行花樣 1，如此循環(huán)，直到按下 停止按鈕。 對(duì)于中間的音樂(lè)噴泉，則主要有音頻信號(hào)控制。當(dāng)無(wú)音頻信號(hào)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，變頻器控制其輸出功率為 50Hz 時(shí)的最大功率。當(dāng)有任 何音頻開關(guān)信號(hào)輸入時(shí)，其輸出改為由音頻開關(guān)信號(hào)控制，且高位開關(guān)信號(hào)優(yōu)先于低位開關(guān)信號(hào)，隨音頻信號(hào)變化而變化，直到按下停止按鈕，停止運(yùn)行。 11 第二章 花式噴泉的硬件設(shè)計(jì) 硬件的選擇 PLC 的選擇方案 （ 1）對(duì)輸入 /輸出點(diǎn)的選擇 盲目選擇點(diǎn)數(shù)多的機(jī)型會(huì)造成一定浪費(fèi)。要先弄清除控制系統(tǒng)的 I/O 總點(diǎn)數(shù)，通常情況下，在得出總數(shù)的基礎(chǔ)上增加 10%～ 15%冗余，如果考慮今后調(diào)整擴(kuò)充，則留有 30%左右的冗余。 （ 2）對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇 對(duì)用戶存儲(chǔ)容量作粗略的估算。存儲(chǔ)器 內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（ 16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 （ 3）對(duì) I/O 響應(yīng)時(shí)間的選擇 PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時(shí)間延遲（一般在 2～ 3 個(gè)掃描周期）等。對(duì)開關(guān)量控制的系統(tǒng)， PLC 和 I/O響應(yīng)時(shí)間一般都能滿足實(shí)際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應(yīng)問(wèn)題。但對(duì)模擬量控制的系統(tǒng)、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個(gè)問(wèn)題。 （ 4）對(duì) PLC 結(jié)構(gòu)形式的選擇 在相同功能和相同 I/O 點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，整體式比模塊式價(jià)格低。但模塊式具有功能擴(kuò)展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，要按實(shí)際需要選擇 PLC 的結(jié)構(gòu)形式。 本設(shè)計(jì)采用 S7300 CPU3132DP 的 PLC。該 PLC 屬于中型 PLC，功能強(qiáng)大 ，控制能力好，性價(jià)比高，具體配置見圖 所示。 12 圖 PLC 硬件配置 變頻器選擇方案 變頻器用于交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以往任何交、直流調(diào)速方式，而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、安裝調(diào)試、使用方 便、保護(hù)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著，是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主流技術(shù)。變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器，當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是綜合了多種學(xué)科的高新技術(shù)領(lǐng)域，是自動(dòng)化技術(shù)的?前沿?，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率交換的高頻化，控制技術(shù)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻交流電源，必然會(huì)伴著系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,變頻器可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性對(duì)供電電壓、電流、頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?,不同的控制方式所得到的調(diào)速性能、特性以及用途也不同。變頻 器的基本原理如圖 所示。 13 整 流 電 路 直 流 中 間 電 路 逆 變 電 路控 制 電 路 交 流 電 商 用 電 源交 流 電頻 率 和 電 壓 可調(diào) 的 交 流 電 圖 變頻器的基本構(gòu)成 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,變頻器可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性對(duì)供電電壓、電流、頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?,不同的控制方式所得到的調(diào)速性能、特性以及用途也不同 . 變頻器控制方式大致大體可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種，后者進(jìn)行電動(dòng)機(jī)速度反饋。開環(huán)控制有 fU/ 控制方式，閉環(huán)控制有轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制等方式。 (1) fU/ 控制： 對(duì)于異步電 動(dòng)機(jī)，只要改變其供電電源的頻率，即可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。但是，對(duì)于一個(gè)實(shí)際的交流調(diào)速控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是那么簡(jiǎn)單。這是因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)電源的頻率被改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部阻抗也將隨之改變，從而引起勵(lì)磁電流的變化，使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁過(guò)強(qiáng)的情況。在勵(lì)磁不足的情況下電動(dòng)機(jī)將難以給出足夠的轉(zhuǎn)矩，而在勵(lì)磁過(guò)強(qiáng)時(shí)電動(dòng)機(jī)又將出現(xiàn)磁飽和，造成電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和效率的下降。因此，為了得到理想的轉(zhuǎn)矩速度特性，在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，必須采取必要的措施來(lái)保證電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通處于高效狀態(tài)（即保持磁 通不變）。這就是 fU/ 控制的出發(fā)點(diǎn)。 這種變頻器雖然結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是，由于這種變頻器采用的是開環(huán)控制方式，其精度和動(dòng)態(tài)特性并不是十分理想，尤其是在低速區(qū)電壓調(diào)整比較困難，難以得到較大的調(diào)速范圍。所以采用這種控制方式的變頻器一般是對(duì)控制性能要求不太高的通用變頻器。 ⑵ 轉(zhuǎn)差頻率控制： 轉(zhuǎn)差頻率控制需要檢出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差頻率之和作為變頻器的給定輸出頻率。由于 14 通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率來(lái)控制 轉(zhuǎn)矩和電流，與 fU/ 控制相比其