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第3章 音乐喷泉控制系统硬件设计
3.1 PLC的选用
选择适当型号的PLC是应用设计中至关重要的一步，在功能满足要求的前提下，应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点：
（1）I/O点数的选择。输入、输出点数是衡量PLC规模大小的重要指标。选择时应在实际使用点数的基础上留出15%～20%的备用量[6]。
（2）存储器容量的选择。一般小型的PLC存储容量是固定的，无法随意扩充和调整，选购时一定要注意，是否满足要求。 （3）PLC功能的选择。
1）对于开关量控制的应用系统，对控制速度要求不高，选用一般的低档机就能满足要求。
2）对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用项目，应选用带有A/D、D/A转换，四则运算功能的低档机。
3）对于控制比较复杂，功能要求较高的应用系统，低档机往往不能满足要求，这时可选用中型和大型的PLC组成一个分布式控制系统。
4）PLC运行速度的选择。PLC工作时，从输入信号到输出控制存在滞后现象，这对于一般的工业设备是允许的，但有些设备的实时要求较高，不能容忍这种滞后现象。但一般滞后时间应控制在几十ms之内。
（4）特殊I/O模块的选择。选择哪一种功能的输入/输出模块和哪一种输出形式，取决与控制系统中输入/输出系统的种类、参数要求和技术要求。另外，如果控制系统要求进行温度控制、位置控制、PID控制或波形控制，那么选择合适的智能模块会使系统设计变简单[7]。
（5）考虑对PLC通信联网功能的要求。如果PLC需要与别的通信设备连接，需要考虑PLC的通信联网能力。
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考虑到上述因素，结合“体积小、价格实惠”的原则，本文选用三菱
FX1N?40MR型号的PLC。其特点如下[8]：
（1）一体式可编程控制器：电源、 CPU、存储器、输入输出组成一个单元的可编程控制器，同时在 AC 电源 DC 输入型中内置传感器用 DC24V 电源。
（2） 输入输出最大128点：输入输出扩展设备最大可扩展至 128 点，扩展模块或扩展单元只可以使用FX0N系列和FX2N系列，另外也可和
FX0N—3A连接。
（3）不用编制复杂的程序，就能捕捉到最小10μs(X0， X1)或50μs(X2～X5)的短信号。
（4）功能强大的GX Works2 V1.31H 编程软件。由三菱公司设计开发，
适用于FX1N?40MR的编程，具有简单工程和结构化工程两种编程方式，支持梯形图、指令表、SFC、ST及结构化梯形图等编程语言，可实现程序编辑、参数设定、网络设定、程序监控、调试及在线更改、智能功能模块设置等功能。
3.2 变频器的选用
通用变频器的选择包括通用变频器的型号选择和容量选择两个方面，选择的原则是：首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速转矩负载，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等），应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器[16]。表3.1为不同类型变频器的主
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要性能、应用场合：
表3.1 不同类型变频器的主要性能、应用场合
控制方式速度控制范围启动转矩静态转速精度（%）反馈装置主要应用场合U/f开环控制U/f闭环控制电压向量电流向量[9]
直接转矩<1：40150%，在3HZ±（2～3）不要泵类、风机<1：60150%，在3HZ±（0.2～0.3）PID调节保持压力、温度、流量<1：100150%，在3HZ±0.2不要一般工业设置<1：1000250%，在3HZ±0.02编码器高精度工业设备<1：100150%，在0HZ±0.2不要起重电机、电梯、轧机等设备
本次设计的音乐喷泉控制系统中，变频器所驱动的负载为水泵，即泵类负载，故选择U/f开环控制。即选用三菱FR-F740系列变频器，FR-F740变频器是专为风机和水泵负载设计的。其特点如下[10]：
（1）功率范围：0.75～630KW；
（2）简易磁通控制方式，实现3Hz时输出转矩达120%； （3）采用最佳励磁方式，实现更高节能运行；
（4）内置PID，变频器/工频切换和可以实现多泵循环运行功能； （5）内置独立的RS485通讯口； （6）使用长寿命元件；
（7）内置噪声滤波器（75K以上）；
（8）带有节能监控功能，节能效果一目了然。
3.2.1 变频调速原理
当向一台三相异步电动机的定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速顺时针旋转，转子导体开始是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势，由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本
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一致的感应电流。由于通电导体在磁场中要受电磁力的作用，所以有感应电流的转子导体在旋转磁场中也将受到电磁力的作用，作用于转子导体上的电磁力对转子的轴，产生电磁转矩与旋转磁场的旋转方向是一致的，从而驱动转子沿着旋转磁场的旋转方向旋转[11]。
当将三相异步电动机绕组任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机磁极对数和电源频率决定[17]。
异步电动机的同步转速为：
60f1n1? 式(3.1)
p式（3.1）中 n1— 同步转矩，单位r/min； f1— 定子电源频率，单位HZ； p— 磁极对数。 异步电动机的转速为：
60f1(1?s) 式(3.2) p式（3.2）中 s— 异步电动机的转差率，s?(n1?n)/n1。
n?n1(1?s)?由式（3.2）可知，对于极对数固定的异步电动机，只需供电频率f1或电动机的转差率s中的任意一个改变就可以改变电动机的转速。改变转差率s的方法更多用在绕线式异步电动机的调速中，故对鼠笼式异步电动机改变供电频率f1是最好的调速方法。对鼠笼式异步电动机，一般情况下，转速率s很小，所以可近似地认为n∝n1∝f1，考虑到电机的运行性能，并使电动机得到充分利用，在变频的同时，电源电压应根据负载性质的不同作相应的变化，通常希望气隙磁通?m维持额定值不变，因为若?m增大，将使电动机磁路过分饱和，引起励磁电流增加，功率因数降低；若?m减小，电动机容量将得不到充分利用[12]。
由电动机理论可知，三相异步电动机定子每项电动势的有效值为
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