大连海洋大学-基于PLC的音乐喷泉系统设计

大连海洋大学 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1.1 音乐喷泉的现状及发展趋势音乐喷泉的现状及发展趋势 1.2 控制系统的方案论证控制系统的方案论证 1.3 对选定方案的分析对选定方案的分析 1.4 课题研究的内容及意义课题研究的内容及意义 第二章第二章 关于课题的基础知识关于课题的基础知识 2.1 音乐的特征分析音乐的特征分析 2.11音的基本性质 2.12 音乐的基本乐理 2.13 音乐信号的采集 2.14 采样定理 2.2 喷头的选择喷头的选择 2.3 灯光的选择灯光的选择 第三章第三章 P PLCLC 的选用的选用 3.1PLC3.1PLC 的应用领域的应用领域 3.23.2 PLCPLC 的应用特点的应用特点 3.13.1 PLCPLC 型号的选择型号的选择 3.23.2 PLCPLC 的网络设计的网络设计 3.33.3 软件编制软件编制 3.43.4 确定所选确定所选 PLCPLC 3.53.5 喷泉喷泉 I/OI/O 分配分配 3.5.13.5.1 PLCI/OPLCI/O 分配简介分配简介 3.5.23.5.2 开关量输出模块的选择开关量输出模块的选择 3.5.33.5.3模拟量模拟量 I IO O 模块的选择模块的选择 3.5.43.5.4特殊功能模块的选择特殊功能模块的选择 3.5.53.5.5系统系统 I/OI/O 分配表分配表 3 3PLCPLC 基础知识简介基础知识简介 3.13.1PLCPLC 的产生和发展的产生和发展 3.23.2PLCPLC 的特点与应用的特点与应用 3.33.3PLCPLC 的工作原理及工作过程的工作原理及工作过程 3.13.1 PLCPLC 控制系统控制系统 I/OI/O 口的估算口的估算 3.23.2 PLCPLC 的选型的选型 3.33.3 PLCPLC 输入输入/ /输出点分配输出点分配 3.43.4PLCPLC 控制接线图控制接线图 第四章第四章 变频器的选用变频器的选用 大连海洋大学 4 4变频器基础变频器基础 4.14.1 变频器概述变频器概述 4.24.2 变频器技术的发展变频器技术的发展 4.2.14.2.1 变频器的分类变频器的分类 4.34.3变频器的工作原理以及控制方式变频器的工作原理以及控制方式 4.3.14.3.1变频器的工作原理变频器的工作原理 4.3.24.3.2变频器的控制方式变频器的控制方式 4.44.4MICROMASTERMICROMASTER 420420 概述概述 4.54.5MM420MM420 变频器的电路结构变频器的电路结构 4 4变频器及控制参数设计变频器及控制参数设计 4.14.1变频器设计变频器设计 4.1.14.1.1变频器选型变频器选型 4.2.24.2.2变频器控制接线图变频器控制接线图 4.24.2MM420MM420 变频器操作面板变频器操作面板 4.34.3变频器参数设置方法变频器参数设置方法 4.44.4变频器参数设置变频器参数设置 4.54.5变频器控制说明变频器控制说明 4.5.14.5.1系统参数设计说明系统参数设计说明 4.5.24.5.2相关参数的说明相关参数的说明 第五章第五章 水泵的选用水泵的选用 5,15,1 水泵的主要性能参数及运行特点水泵的主要性能参数及运行特点 5.25.2 水泵的分类及工作原理水泵的分类及工作原理 5.35.3喷泉专用泵的特点与应用喷泉专用泵的特点与应用 第六章第六章 结论与展望结论与展望 大连海洋大学 第一章第一章 引言引言 1、1 音乐喷泉的现状及发展趋势 音乐喷泉作为一种独特的人工景观，具有很大的观赏价值，国内各大城市或在广场或在公园 都有它的身影。可以说，音乐喷泉已经成为一种娱乐产业，具有很高的经济效益和社会效益。为 了适应喷泉工程建设的需要，国内出现了众多的喷泉设备厂和喷泉设计专业公司。根据中国水景 喷泉委员会企业资质等级名单，国内比较著名的喷泉公司有：天津市大德喷泉科技有限公司、北 京东方光大安装工程集团有限公司、深圳市水体艺术设计有限公司等十几家专业公司。决定音乐 喷泉艺术效果的一般有下面几个因素，控制水平、喷头设计和喷泉的空间布局等。因此可以说音 乐喷泉涉及到众多的学科，一个大型音乐喷泉项目的完成需要机械、给水排水、自动控制等各种 专业人才的通力合作才能完成。其中音乐喷泉的控制是一个关键技术，音乐喷泉之所以能够千变 万化，随着音乐翩翩起舞，起决定作用的就是它的控制部分，否则喷泉的造型将只能是静态的、 缺乏生气与活力。因此，本课题主要对音乐喷泉的控制系统部分进行研究。 1、2 音乐喷泉控制系统介绍 该音乐喷泉建立在广场中央，整个音乐喷泉的平面示意图如图 1-1 所示。 图 1 音乐喷泉平面示意图 该音乐喷泉由中心区和围绕中心区的 2 个环构成。中心区由两部分组成：一是由 6 个喷头控 制的最大高度为 15M 高的主水柱，由一台 75 kw 的水泵和西门子 MM430 变频器控制；二是在主 水柱两旁各有一个由 3 个喷头控制的副水柱，由两台 4kw 的水泵和西门子 MM430 变频器控制。中 心区外有 2 层跑泉，里面一层有 72 个喷头，由一台 4kw 的水泵和西门子 MM430 变频器控制。外 面一层有 120 个喷头，由一台 4kw 的水泵和西门子 MM430 变频器控制。另外主水柱旁有红、黄、 大连海洋大学 绿、白 4 种颜色的彩灯 4 盏，副水柱里各有 1 盏红色的彩灯，里层和中心区之间有红黄、绿 3 种 颜色的彩灯共 12 盏，里层和外层之间有红、黄、绿 3 种颜色的彩灯共 14 盏。 第二章第二章 控制系统论证及控制系统整体设计控制系统论证及控制系统整体设计 2.1 控制系统的方案论证控制系统的方案论证 音乐喷泉的控制系统，要求具备如下功能： 1、乐曲播放； 2、水型与乐曲同步； 3、水型的演示的控制； 4、彩色灯光的控制； 5、强制停止功能。 现在音乐喷泉的控制系统主要有 4 种，这 4 种控制系统是继电器-接触器控制系统、单片 机控制系统、计算机音乐喷泉控制系统、PLC 控制系统。因为本课题选择用 PLC，下面我们就论 证 PLC 控制系统如何能方便、简单地实现音乐喷泉的以上功能。 经过数十年的发展，PLC 技术已越来越成熟，应用的范围也越来越广泛，几乎渗透到了各 行各业。而在很多的控制应用系统中，以 PLC 为核心的控制系统逐渐成为理想的控制系统，其 主要特点主要有： 1、硬件的可靠性 PLC 是为了在恶劣的工业环境条件下应用而设计的，一个设计良好的 PLC 能置于有很强的 电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。 在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装， 使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且 在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措 施，做到电浮空，既方便接地，又提高了其抗干扰性能；各个 I/O 端口都除采用了常规模拟器 滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电 源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障， 进行在线插拔、调试时不会影响其他各机的正常运行。 由于 PLC 本身具有很高的可靠性， 所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上， 以 及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上，这样便易于检修和维护。 2、编程简单，使用方便 用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算 机硬件和软件知识。 PLC 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前大多数 PLC 大连海洋大学 均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技 术人员的读图习惯及应用微机的水平，很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时 也容易修改，很灵活方便。 这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在 PLC 内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这些时间 是可以忽略的。 3、接线简单，通用性好 PLC 的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与 PLC 输入端子连接，将接受输出信 号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与 PLC 输出端子连接。接线简单、工作最少， 省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC 的编程逻辑提供了能随要求而改变的 “接线网络”， 这样生产线的自动化过程就能随意改变。 这种性能使 PLC 具有很高的经济效益。 用于连接现场设备的硬件接口实际上是 PLC 的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出 故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于 使用。 4、可连接为控制网络系统 PLC 可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从方式通信， 传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为 5002500m；另一类为高速网络，采用令牌传送 方式通信，传输速率为 1M10Mbps，传输距离为 5001000m，网上结点可达 1024 个。这两类 网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部 网络。 5、易于安装，便于维护 PLC 安装简单而且功能强大，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的 一半的地方，在从继电器系统改换到 PLC 系统的情况下，PLC 小的模块结构使之能安装在继电 器附近，并将连向已有接线端，其改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。 在大型安装中， 长距离输入/输出站点安放在最优地点。 长距离站通过同轴电缆获双扭线连 向 CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达 安装场地前由 PLC 制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。 从一开始，PLC 便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更 换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示是否正常工作， 借助于编程设备可见输入/输出是 ON 还是 OFF，还可写编程指令来报告故障。 PLC 的这些及其他一些特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后，其作用 立即显现， 其收益也马上实现， 像其他智能设备一样,PLC 的潜在优点还取决于应用时的创造性。 2.22.2 对选定方案的分析对选定方案的分析 1、可行性分析 （1） 功能可行性分析： 由于系统各主要部分所需要满足的功能步骤及要求大多是开关量信 大连海洋大学 号，所以选择可编程序逻辑控制器是完全能够满足其功能要求的。 （2）系统可靠性分析：系统主要靠 PLC 内部程序运行，从而达到实时性、准确性得到很大 改善，使系统可靠性得到了进一步的保证。 （3）系统扩展性分析：系统采用 PLC 作为控制器，其本身就具有极强的功能扩展性，加之 PLC 产品的完整性，使得系统功能扩展极其方便。 （4）系统可维护性分析：系统采用先进控制方式，大大降低了工程成本，并由于系统组态 及结构简单，这使得可维护性增强。 2、技术性能 （1）PLC 选型：PLC 的选择是否能让功能与任务相适应；PLC 的处理速度是否满足实时控 制的要求； （2） 扩展模块的选择： 开关量输入模块工作电压的选择； 开关量输出模块输出方式的选择； 模拟量输入模块的模拟量值的输入范围考虑。 从与其它喷泉控制系统对比中可以看出，本次设计的控制系统中主要控制器必须满足系统 的可行性、可靠性、可扩展性、可维护性等要求。而综合上述方案论证，大型广场音乐喷泉采 用 PLC 控制系统既能很好地满足其性能要求，并能很好的实现音乐喷泉的各种功能，又经济、 安全、方便实用。本文就是基于以上所介绍的 PLC 的诸多优点而设计的。同时，在后续的设计 中将综合考虑控制系统的技术性能。 2.32.3 控制系统整体设计控制系统整体设计 音乐喷泉控制系统具有控制点数多，实时性要求高的特点。根据其特点，其硬件采用 PLC 模块+模拟量输入模块+模拟量输出模块+变频器组成。 这种组成可以很好的满足音乐喷泉控制的 要求。还具有硬件和备件投资省，易于调试和维护的优点。喷泉控制系统的结构框图如所示。 图 2.1 喷泉控制系统的结构框图 . 灯光灯光变频器变频器 水泵水泵 模拟量输出模拟量输出音乐音乐 模拟量输入模拟量输入 喷泉喷泉 I / OI / O 扩 展扩 展 PLC 放大放大 大连海洋大学 1.4 课题研究的内容及意义课题研究的内容及意义 第二章第二章 关于课题的基础知识关于课题的基础知识 2.1 音乐的特征分析音乐的特征分析 2.11音的基本性质 自然界中的声音是由各种各样的发声体振动产生的。按照发声体振动方式的不同可以把声 音分为乐音和噪音两大类，乐音是发声体有规则的振动产生的，它是组成音乐的主要材料。噪 音则是由发声体无规则的振动产生的，噪音没有固定的音高；声音按照物理特性的区别又可以 分为纯音和复合音(复音)。纯音是单一频率成分的音，如音叉发出的声音；复合音则是由两种 以上频率成分构成的音，在听觉上是多于一个音调的声音。自然界绝大多数发声体发出的声音 都是复合音，如语音、乐音或噪音。 音有音高、音长、音强和音色四种特征，它们分别与发声体振动的频率、持续时间、振幅 和频谱分布等物理量相对应。音的高低是由物体在一定时间内的振动次数(即频率)决定的，振 动次数多，音则高；振动次数少，音则低。音的长短是由振动的延续时间的不同而决定的。振 动的延续时间长，音则长；振动的延续时间短，音则短。音的强弱是由于振幅的大小而决定的。 振幅大，音则强；振幅小，音则弱。音色则由于发声体的性质、形状及其泛音的多少等不同而 不同。 自然界中能为人的听觉所感受的音是非常多的，然而并不是所有的音都可以作为音乐的基 本材料。在音乐中所使用的音，是能够表达人类的生活和思想感情的，这些音被组成为一个固 定的体系，用来表现音乐思想和塑造音乐形象。一个个孤立的音，是无法塑造音乐形象的。在 音乐中使用的音总是按照一定的关系连结在一起，表达一定的音乐思想。组成一首乐曲的三个 大连海洋大学 基本要素为旋律、节奏和和声。而在这三种要素中，旋律和节奏是不可缺少的，因此对一首乐 曲的旋律和节奏的认知是必要且必须准确的。 同时乐曲的调式调性也很好的表征了乐曲的特点， 如果能很好的提取出音乐的调式特性， 在一定程度上可以辅助演奏者对乐曲特征的感知与表现。 2.12 音乐的基本乐理 理解基本乐理是进行音乐信号识别和深入研究的第一步，下面介绍一些基本乐理概念 音符，音乐的最基本要素，是记录乐音及其时值长短的符号，基本音符代表一个四分音符的长 度。 音长，指音的长短，它是由发音体振动持续的时值来决定的。振动持续的时间越长，音越长； 反之，持续的时值越短，音则越短。 音高，指音的高低，它是由发音体振动的频率(每秒振动的次数)来决定的，振动的频率高，音 则高；反之，频率低，音则低。在音乐上，音高是与具体的音符一一对应的，即每个音符的基 频是有严格规定的，这就是音乐的“律制” 。如大字组的 C 为 654Hz，小字组的 c 为 1308Hz。 通常，在音乐上使用的音高在 16Hz-7000Hz 的范围内。 音量(力度)，指音的强弱，它是由发音体振动的幅度大小来决定的。振幅大，音则强：反之， 振幅小，音则弱。 音色，指音的色彩，它是由发音体振动的方式、形状、成分及发音体的品质等因素来决定的。 2.13 音乐信号的采集 本文的研究针对的是采用外部音源的喷泉系统，因此在对音乐信号进行特征识别前首先要 完成对模拟音乐信号的采集。 音乐信号的采集主要包括音频放大和 AD 转换两个过程， 下面分 别进行分析。 外部音源信号的幅度一般较弱， 因此必须要对原信号进行放大处理后才能送入 A/D 转换器。本文选择了 LM386 芯片设计音频放大电路。LM386 是美国国家半导体公司(NS)推出的 系列功率放大集成电路的一种，LM386 具有功耗低、工作电压范围宽、所需外围元件少等特点， 在电子设备的音频放大电路设计中应用非常广泛， 它使用了 lO 只晶体管构成了输入级、 电压增 益和电流驱动级。其中 TIT6 组成 PNP 型复合差分放大器，T5、T6 为镜像恒流源，作为 T3、 T4 的有源负载，使输入级有稳定的增益。电压增益级由接成共发射极状态的 T7 承担，其负载 也使用了恒流源， 整个集成功放的开环增益主要由该级决定。 T8、 T9 复合为一个 PNP 管， 和 T10 共同组成互补对称射极输出电路，以供给负载以足够的电流。Dl、132 提供了 T8、T9、T10 所 需的偏置，使末级偏置在甲乙类状态。RS-R7 构成内部反馈环路闭。从图 21 可以看出，LM386 采用双列 8 脚封装结构，它的工作电压范围为 412v，静态电流 4mA，最大输出功率 660mw，最 大连海洋大学 大电压增益 46dB，增益带宽 300kHz，谐波失真 02。 图 21 LM386 封装形式及引脚定义 LM386 提供了两种典型放大电路的设计方案。 一种是在 LM386 的 1 脚和 8 脚之间不接其他 元件，此时放大电路的增益仅由内部电阻 R5、R7 决定，为 20 倍数(26dB)，这种方式外部电路 元件最少，也最为经济。另一种通过在 l 脚和 8 脚之间串接不同的阻容元件，改变放大电路的 交流反馈量，从而改变放大电路的闭环增益。 音乐信号的放大采集如图 22 所示。外部音源(声卡、CD 机等)的模拟音乐信号分左、右 声道分别进入放大电路，经过信号放大后，得到幅值放大后的音频信号。从图 42 可以看出 放大电路的具体设计。在 LM386 的 l 脚和 8 脚之问串接一个 lO 微法的电容 CA，使内部电阻 R6 被交流旁路，放大电路的增益能达到最大值，200 倍数(46dB)。再对音频放大电路的外围电路进 行设计，电路中电容 C1、C6 作为隔直电容，电位器 Pl 用于调节音量的大小，元件 R2、c5 有助 于旁路高频噪音和改善输出的音质。电容 C3 作为去耦电容，一方面是本集成电路的蓄能电容， 另一方面旁路掉该器件的高频噪声。电容 C2 则是作为旁路电容，将信号的中高频噪音旁路到 地网。经过放大电路的音频信号就送入 AD 转换器进行采样，这里 AD 转换器要设置为双极 性，即能接收负信号。 大连海洋大学 图 22 音乐信号放大 2.14 采样定理 采样是指用一较高频率的开关脉冲对模拟信号进行取样，取出脉冲到来时刻所对应的模拟信号 的幅度，这样就可以得到一连串幅度变化的离散脉冲。用这些离散脉冲序列代替原来时间上连 续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化踟如图 22 所示，在对音乐信号进行放大处 理后，就要通过 A/D 转换将模拟信号采集进计算机，这就是音乐信号的采样我们在对一个连 续的音乐信号进行采样时，为了使采样后的样本序列能够包含足够的信息以使其能够较正确地 重现原来的模拟信号，在采样时应当使采样频率满足采样定理的要求。采样定理的描述为“对 一个模拟信号进行离散化时，只要满足采样频率正大于或等于被采样信号的最高频率 fm 的 2 倍，就可以通过理想的低通滤波器，从样本值序列信号中无失真地恢复出原始模拟信号” ，这里 的 fm 称为香农频率，这个采样定理又称为香农采样定理。实际应用中为了较好的防止频谱混 叠失真， 采样频率一般要稍大于信号最高频率的 2 倍。 比如乐曲的音域频段如果在 50Hz-4000Hz 内，就要将 AD 转换器的采样频率选定为 10kHz，才能满足香农采样定理的要求。 2.2 喷头的选择喷头的选择 A 组喷头的选择 A 组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以 A 组喷头选择直上喷头。 直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔 直、粗狂美观；这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次 分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。该喷头也叫中心喷头。可调节射流的方向。 喷头材质：铸铜、不锈钢，如图 2-3 所示。 大连海洋大学 图 2-3直上喷头实物图及安装简图 B 组喷头的选择 B 组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比 A 组所喷出的水柱稍细比 A 组所喷的水柱要低。 所以我 B 组选择可调直流喷头。 可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球 形接头， 可沿垂直方向向 15 度进行调节。 可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果，射 流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小决定。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图 2-4 所示。 图 2-4可调直流喷头实物图及安装简图 C 组喷头的选择 C 组喷头应该比 B 组喷头喷射高度略低比 D 组略高，所喷水柱比 B 组水柱略粗壮、挺拔。所 以 C 组喷头选择树冰形喷头。 树冰形喷头喷水时外观效果庞大丰满，粗壮挺拔，抗风力较强。喷头安装在导流筒上端与水 面齐平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图 2-5 所 示。 大连海洋大学 图 2-5树冰形喷头实物图及安装简图 D 组喷头的选择 D 组位于该喷泉的最外侧，水柱所喷高度应该最低，水量应该较大，择所喷水柱比较灵动。 所以选择涌泉喷头。 涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。喷水时能将气吸入， 使水姿形成充满空气的白色水丘，水沫轻溅，古朴灵动。 加气喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流， 喷出的水柱呈白色不透明状，反光效果好。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图 2-6 所 示。 图 2-6涌泉喷头实物图及安装简图 2.3 灯光的选择灯光的选择 该喷泉用四组彩灯分别为红，绿，黄，蓝。从里到外分别对应 A 处用红色的彩灯，B 处为绿 色的彩灯，C 处为黄色彩灯，D 处为蓝色彩灯。每一个喷头处对应一个相应颜色的彩灯。 因为喷泉用彩灯都是安装在水下所以对光线的要求高，对安全性能的要求也要很高，同时 对使用寿命要求要长。LED 水下灯能够达到上述的要求，所以本设计选择 AC 220V LED 水下灯， 大连海洋大学 如图 2-8 所示 图 2-8LED 水下灯 大连海洋大学 第三章第三章 水泵的选用水泵的选用 5,15,1 水泵的主要性能参数及运行特点水泵的主要性能参数及运行特点 泵的主要性能参数有流量 Q、扬程、功率、效率，转速，泵还有表示汽蚀性能的参数，即汽 蚀余量或吸上真空高度。这些参数反映了泵的整体性能，现分别介绍如下： 1、流量 流量是指单位时间内所输送的流体数量。 它可以用体积流量 Qv 表示， 也可以用质量流量 Qm 表示。体积流量的常用单位为 m3s 或 m3h，质量流量的常用单位为 kgs 或 th。 2、扬程 扬程系指单位重量液体通过泵后所获得的能量， 即流体从泵进口到泵出口所获得的能量增加 值，为水泵的扬程。用 H 表示。单位为 kgf.m/kgf 3、功率与效率 泵的功率可分为有效功率、 轴功率和原动机功率。 有效功率是指单位时间内通过泵的流体所 获得的功率，即泵的输出功率，轴功率即原动机传到泵轴上的功率，又称输入功率。轴功率与 有效功率之差是泵与风机内的损失功率。泵与风机的效率为有效功率与轴功率之比。由于原动 机轴与泵或风机轴的连接存在机械损失，所以，原动机功率通常要比轴功率大。考虑泵与风机 运转时可能出现超负荷情况，所以原动机的配套功率通常要大些， 4、转速 转速系指泵轴每分钟的转数，用符号 n 表示，单位为 rmin。 5、水泵的并、串运行特点： 并、串运行条件： 水泵的并联：要求是水泵的扬程一样。这样的效果是提高流量。并联增加流量，扬程是一 只水泵的扬程。 水泵的串联：要求是水泵的流量类似。这样可以提高总扬程，同时推荐在串联过程中增加 小压力罐。串联增加扬程，流量是一台水泵的流量。 5.25.2 水泵的分类及工作原理水泵的分类及工作原理 5.215.21 水泵的分类水泵的分类 水泵的标准及所牵涉的产品种类非常多，有离心泵、计量泵、螺杆泵、往复泵、 水轮泵、潜水泵、油泵、清水泵、试压泵、旋涡泵、低温泵、真空泵、罗茨泵、消 防泵等等。泵名称有些是按泵的常规分类方法划分的如叶片泵、容积泵等，有些则 是按用途划分的如污水泵、卫生泵等，有些名称则比较随意如扩散泵、液氮泵等。 只要有此类产品的生产，有制定标准的需求，通过一定的申请、批准手续就可能产 大连海洋大学 生一个新的标准，但有时内容也有相当的交叉、重复。就国内和国外的标准而言， 则国内的标准数量多于国外的标准。现着重介绍泵按结构的分类 1、容积式 借活塞在汽缸内的往复作用使缸内容积反复变化，以吸入和排出流体 机壳内 的转子或转动部件旋转时，转子与机壳之间的工作容积发生变化，借以吸入和排出 流体 ，如：活塞泵 齿轮泵，螺杆泵 2、叶片式 叶片式泵与风机的主要结构是可旋转、带叶片的叶轮和固定的机壳。通过叶轮 旋转对流体作功，从而使流体获得能量。 还可以根据流体的流动情况，可将它们分为离心式水泵、轴流式水泵、混流式 水泵、贯流式水泵。 5.225.22水泵的工作原理水泵的工作原理 一、离心式泵与风机的工作原理 叶轮高速旋转时产生的离心力使流体获得能量，即流体通过叶轮后，压能和动 能都得到提高，从而能够被输送到高处或远处。叶轮装在一个螺旋形的外壳内，当 叶轮旋转时， 流体轴向流入， 然后转90度进入叶轮流道并径向流出。叶轮连续旋转， 在叶轮入口处不断形成真空，从而使流体连续不断地被泵吸入和排出。 二、轴流式泵与风机工作原理 旋转叶片的挤压推进力使流体获得能量，升高其压能和动能，叶轮安装在圆筒 形(风机为圆锥形)泵壳内,当叶轮旋转时，流体轴向流入，在叶片叶道内获得能量 后，沿轴向流出。轴流式泵与风机适用于大流量、低压力，制冷系统中常用作循环 水泵及送引风机。 三、往复泵的工作原理 利用偏心轴的转动通过连杆装置带动活塞的运动，将轴的圆周转动转化为活塞 的往复运动。活塞不断往复运动，泵的吸水与压水过程就连续不断地交替进行。 四、水环式真空泵的工作原理 水环式真空泵叶片的叶轮偏心地装在圆柱形泵壳内。泵内注入一定量的水。叶 轮旋转时，将水甩至泵壳形成一个水环，环的内表面与叶轮轮毂相切。由于泵壳与 叶轮不同心，右半轮毂与水环间的进气空间4逐渐扩大，从而形成真空，使气体经 进气管进入泵内进气空间。随后气体进入左半部，由于毂环之间容积被逐渐压缩而 增高了压强，于是气体经排气空间及排气管被排至泵外。 五、罗茨真空泵工作原理 罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气 口吸入到转子与泵壳之间的空间 V 内，再经排气口排出。由于吸气后 V 空间是全封 闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。 但当转子顶部转过排气口边缘，V 空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间 V 中 去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。 一般来说，罗茨泵具有以下特点： 在较宽的压强范围内有较大的抽速； 1、起动快，能立即工作； 大连海洋大学 2、对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感； 3、转子不必润滑，泵腔内无油； 4、振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀； 5、驱动功率小，机械摩擦损失小； 6、结构紧凑，占地面积小； 7、运转维护费用低。 因此，罗茨泵在冶金、石油化工、造纸、食品、电子工业部门得到广泛的应用。 六、齿轮泵工作原理 齿轮泵具有一对互相啮合的齿轮，如图所示，齿轮主动轮固定在主动轴上，轴 的一端伸出壳外由原动机驱动，另一个齿轮从动轮装在另一个轴上，齿轮旋转时， 液体沿吸油管进入到吸入空间，沿上下壳壁被两个齿轮分别挤压到排出空间汇合 (齿与齿啮合前)，然后进入压油管排出。 七、螺杆泵工作原理 螺杆泵乃是一种利用螺杆相互啮合来吸入和排出液体的回转式泵。螺杆泵的转 子由主动螺杆(可以是一根，也可有两根或三根)和从动螺杆组成。主动螺杆与从动 螺杆做相反方向转动，螺纹相互啮合，流体从吸入口进入，被螺旋轴向前推进增压 至排出口。此泵适用于高压力、小流量。制冷系统中常用作输送轴承润滑油及调速 器用油的油泵。 八、喷射泵工作原理 将高压的工作流体，由压力管送入工作喷嘴，经喷嘴后压能变成高速动能，将 喷嘴外围的液体(或气体)带走。此时因喷嘴出口形成高速使扩散室的喉部吸入室造 成真空，从而使被抽吸流体不断进入与工作流体混合，然后通过扩散室将压力稍升 高输送出去。由于工作流体连续喷射，吸入室继续保持真空，于是得以不断地抽吸 和排出流体。工作流体可以为高压蒸汽，也可为高压水，前者称为蒸汽喷射泵，后 者称为射水抽气器。这种泵在制冷系统中较为少见。 5.35.3喷泉专用泵喷泉专用泵 5.315.31喷泉专用泵的工作原理喷泉专用泵的工作原理 在开水泵前，吸入管和水泵内必须充满水。开水泵后，叶轮高速旋转，里边的水随着叶 片一起旋转，在离心力的作用下，飞离叶轮向外射出，射出的水在水泵壳扩散室内速度逐渐变 慢，压力逐渐增加，然后从水泵的排出管流出。此时，在叶片中心处由于水被甩向周围而形成 既没有空气又没有水的真空低压区，池中的水在池面大气压的作用下，经吸入管流入水泵内， 水就是这样连续不断地从池中被抽吸上来又连续不断地从排出管流出。 喷泉专用泵如图5-1所示。 大连海洋大学 图 5-1喷泉专用泵 5.325.32喷泉专用泵的特点喷泉专用泵的特点 1、喷泉专用泵其外壳、过流部件及外部零件材质均采用铸铁或者不锈钢）制成的，提高泵的耐 腐蚀性。 2、叶轮采用专用材料防止叶轮时叶轮松动。 3、漏电保护措施：采用定电位接地装置。 4、 水泵采用不锈钢滤网护罩，三相四线电缆。 5、 不锈钢喷泉泵为自动注水功能。 6、该电机为自循环充水式冷却。 5.335.33喷泉专用泵的使用条件喷泉专用泵的使用条件 1、电泵应完全浸入水中运行,潜水深度不小于 0.5 米,不大于 5 米。 2、环境水温度应不高于 40。 3、工作介质为无腐蚀性清水,含沙量不大于 0.1%,PH 值为 6.58.5。 4、电源应为三相 50 赫兹,额定电压为 380 伏,其供电电压必须保证在 342420 伏范围内。 5、电泵应在额定扬程附近的适用范围内使用。 6、电泵应配置相应的启动保护器，可靠接地 大连海洋大学 第四章第四章 变频器的选用变频器的选用 4.14.1变频器概述变频器概述 实现把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电功能装置称为“变频 器” 。 变换器是电力电子装置的电源转换成各种频率的交流电源来实现变频调速电机的使用， 运 动控制系统的功率变换器。变频技术是一种高新技术集自动控制，电力电子技术，微电子 技术，通讯技术于一体。变频器具有速度快，省电，节能，可靠，高效，广泛应用在各种领域。 4.2.2 变频器技术的发展变频器技术的发展 有交流异步电动机调速功能的变频器，其性能远远超过交流、直流调速控制方式，拥有结 构简单、宽调速范围、高调速精度、安装调试简便、使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、 节能效果显著等优点，是交流电动机调速的主导技术。运动控制系统中，起功率变换作用的是 器变频器，运动控制技术是多学科综合的高新技术，是自动化技术的“前沿” 。 4.3变频器的分类变频器的分类 （1） 按输出电压调节方式分类：PAM 方式；PWM 方式；高载波变频率的 PWM 方式。 （2） 按控制方式分类：电压/频率控制； 转差频率控制；矢量控制。 （3） 按用途分类：通用变频器；高性能专用变频器；高频变频器；小型变频器 7。 4.4变频器的工作原理变频器的工作原理 变频器是把工频电转换为其它频率的交流电，来适应交流电动机变频调速的需求。变频器 目前主要应用的变频方式是交-直-交方式，直流电是工频电流经过整流器转换来的，再把由直 流电转换的频率、电压均可控制的交流电供给电动机。变频器的电路有整流器、直流环节、逆 变器和控制电路 4 个部分组成 8。 交流电动机同步转速表达式为：n = 60 f (1 s) / p（公式 1） 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电动机磁极 对数。 由公式 1 知，异步电动机的转速与频率成正比，因此改变频率 f 即可改变电动机的转速。 变频器就是利用改变电源频率来实现速度调节，是一种理想调速方式 8。 变频器的工作过程：一是将交流电转换为直流电，然后再利用电子元件使直流电变为交流电。 变频器一般用可控硅组装成频率可调的装置，使频率可调，从而调控电机的转数，使转数产生 变化。一般整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等部分组成了其变换电路。变频器的基 本结构如图 2 所示。 大连海洋大学 交流电整流电路直流中间电路逆变电路频率电 压可调 交流电 控制电路 图图 2 2变频器的基本结构变频器的基本结构 4 4、5 5变频器的控制方式变频器的控制方式 开环控制和闭环控制是变频器两种控制方式，闭环控制进行电动机速度的反馈。开环控制 有电压/频率控制方式，闭环控制分为转差频率控制和矢量控制。 (1) 电压/频率控制 要在改变电源频率进行调速的同时， 有必要的措施来保障电动机的气隙磁通处于高效状态， 以便获得理想的转矩速度特性。这是电压/频率控制的目的。这种类型的变频器结构简单，开环 控制是其采用的控制方法，固其精度和动态特性不是很好的，因此，若要在低电压区得到较大 的调速范围是比较困难的。因此，一般是对控制性能要求不高的场合采用这种控制方式的变频 器。 转差频率控制方式： 其适用于自动控制系统是因为具有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的 静差小。单机运转是转差频率控制方式之一。采用此方式的变频器具有良好的稳定性，急速的 加减速特性，负载变动，响应特性，其原因是采用了此种方式的变频器中有电流负反馈环节， 对频率和电流进行调控。 矢量控制方式： 异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理是矢量控制的基本核心思想，即磁场和 与其相垂直的电流的积是电动机的转矩，异步电动机的定子电流是可以分为产生磁场的电流分 量和产生转矩的电流分量。若要达到控制电动机转矩的目的，可以通过控制电动机定子电流的 大小和相位，即可对电动机的励磁电流和转矩电流进行分别控制。 4 4、6 6 西门子西门子 MM430MM430 变频器性能介绍变频器性能介绍 4、61西门子MM 430变频器介绍 大连海洋大学 (1)MICROMASTER430系列变频器：MICROMASTEIH30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，额定功率从75kw到250kw可供用户选用。在采用变频器的出厂设定功能和 缺省设定值时。 MICROMASTEIH30变频器特别适合于水泵和风机的驱动。 本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性晶体管(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 行的噪音，全面而完善保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 (2)MM430变频器的特点： 1、易于安装，参数设置和调试。 2、牢固的EMC设计。 3、可由IT(中性点不接地)电源供电。 4、对控制信号的响应是快速和可重复的。 5、参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置。 6、电缆连接简便。 7、具有多个继电器输出。 8、具有多个模拟量输出(020mA)。 9、6个带隔离的数字输入，并可切换为NPNPNP接线。 10、2个模拟输入：AINl：0-10V，020mA和10+10V：AIN2：0-10V，020mA。 11、2个模拟输入可作为第7和第8个数字输入。 12、BiCo(二进制互联连接)技术。 13、模块化设计，配置非常灵活。 14、脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低。 15、 有多种元件可供用户选用， 用于PC通讯的通讯模块， 基本操作面板和用于进行现场总线通讯的PROFIBUS模块。 3)性能特性： 1)VF控制； 一磁通电流控制(FCC)，改善了动态响应和电动机的控制特性： 多点vF特性。 2)快速电流限制(FCL)功能，避免运行中不应有的跳闸； 3)内置的直流注入制动； 4)复合制动功能改善了制动特性； 5)加速减速斜坡特性具有可编程的平滑功能： 起始和结束段带平滑圆弧； 起始和结束段不带平滑圆弧。 6)具有比例、积分和微分(PID)控制功能的闭环控制。 7)各组参数的设定值可以相互切换： 电动机驱动数据组(DDS)； 命令数据组和设定值信号源(CDS)。 8)自由功能块。 9)动力制动的缓冲功能。 大连海洋大学 (4)：保护特性： 1)过电压欠电压保护。 2)变频器过热保护。 3)接地故障保护。 4)短路保护。 5)12T电动机过热保护。 6)PTC 依 TY 电动机保护。 (5)西门子变频器的外形图如 35 所示。 图 3-5 西门子 MM420、MM430、MM440 外形图 (6)MM430变频器控制端子接线说明。 1)端子 1、2：变频器自身提供的 IOV 直流电源，端子 1 为正，端子 2 为负。 2)端子3、4，10、11：两对模拟量输入端子，由DIP开关控制。 3)端子5、6、7、8、16、17-数字信号输入端子。 4)端子9、28：公共端子。 5)端子12、13，26、27：两对模拟量输出端子，0-20mA。 6)端子14、15：电动机热保护端子。 7)端子18、19、20：继电器触点端子。其中20为公共端，18、20是常闭触点，19、20是常开触点。 外加电压：直流30V5A(电阻负载)，交流250V2A(感性负载)。 8)端子21、22：继电器触点端子。其中22为公共端，是一对常开触点。外加电压：直流30V5A(电 阻负载)，交流250V2A(感性负载)。 9)端子23、24、25：继电器触点端子。其中25为公共端，23、25是常闭触点，24、25是常开触点。 外加电压：直流30V5A(电阻负载)，交流250V2A(感性负载)。 10)端子 29、30：RS485 电源端子。 4 4、6262 MM430MM430变频器使用注意事项变频器使用注意事项 1、主电路电源端子L1、L2、L3，经接触器和空气开关与电源连接，不需要考虑相序。 2、不应以主电路的通断来进行变频器的运行、停止操作，而需要用控制面板上的运行键和停止键或用控制端子 来操作。 3、变频器输出端子(u、V、w)最好经热继电器再接至三相电动机上，当旋转方向与设定不一致时，可更改参数设 置或调换U、V、W三相中的任意两相。 大连海洋大学 4、变频器的输出端子不要连接到电力电容器或浪涌吸收器上。 5、不能将输出端子U、V、W接到三相电源上，否则将损坏变频器。 (2)控制电路接线注意事项： 1、模拟量控制线：模拟量信号的抗干扰能力较低。应使用屏蔽线，屏蔽层靠近变频器的一端， 应接控制电路的公共端，不要接到变频器的地端，屏蔽层的另一端应该悬空。 2、开关量控制线：启动、点动、多挡转速控制等的控制线，都是开关量控制线。一般来说，模 拟量控制线的接线原则也都适用于开关量控制线。 但开关量的抗干扰能力较强， 故在距离不远时， 允许不使用屏蔽线，但同一信号的两根线必须相互绞在一起。如果操作台离变频器较远，应该先 将控制信号转换成能远距离传送的信号，再将能远距离传送的信号转换成变频器所需要的信号。 开关量接线时，不能外加电源，否则将烧坏变频器的控制板。 3、变频器的接地：从安全及降低噪声的需要出发，为防止漏电和干扰侵入或辐射，变频器必须 接地。根据电气设备技术标准规定，接地电阻应小于或等于国家标准规定值，且用较粗的短线接 到变频器的专用接地端子上。当变频器和其他设备，或有多台变频器一起接地时，每台设备应分 别和地相接，而不允许将一台设备的接地端和另一台设备的接地端相接后再接地。 343MM430变频器常用参数简介 (1)基本操作面板(BOP2)介绍：变频器的参数只能用基本操作面板或者通过串行通讯接口进行修改。基本操作 面板(BOP2)如图3-9所示。 图3-9变频器的基本操作面板(BOP2) 设置变频器的运行方式：面板操作方式，通过端子控制的外部方式。还可设定各种参数，显示变频器的输出 电压、电流、频率。例如，设定电动机的各种参数，变频器的控制方式，PID控制等等，选择的参数号和设定的 参数值在LED液晶显示器上显示。其中显示参数r XXXX表示是一个不能修改的只读参数；显示参数P XXXX是一个 可修改的设定参数。基本操作面板显示屏按扭的功能表如图31所示。 大连海洋大学 表31操作面板按扭功能表 (2)变频器常用参数介绍： 1)P0003： 用户的参数访问级别。 缺省值为1。 当P0003=l， 标准级； 当P0003=2， 扩展级； 当P0003=3， 专家级。 2)P0004：参数过滤器。P0004取值不同，基本操作面板(BOP2)显示的参数值将不一样。P0004=O 时，无参数过滤功能，可直接访问参数；P0004=2，可访问变频器参数；P0004=3，可访问电动机 参数；P0004=4，可访问速度传感器参数；P0004=7，可访问命令和数字IO参数；P0004=8，可 大连海洋大学 访问模拟I0参数；P0004=10，可访问设定值通道和斜坡发生器参数；P0004=13，可访问电动机 的控制参数；P0004=20，可访问通讯参数；P0004=22，可访问PI控制器参数。 3)P0010：调试用的参数过滤器。P0010=O表示准备调试，如果P0010被访问以后没有设定为0，变 频器将不运行；P0010=I表示快速调试变频器参数；POOl0=30表示恢复变频器的缺省值。 4)P0100：确定使用地区的参数，P0100=0，适用于欧洲和中国，频率为50HZ；P0100-2，适用于 北美，频率为60HZ。 5)P0300-选择电动机的类型。调试期间，在选择电动机的类型和优化变频器的特性时需要选定 这一参数。实际使用的电动机大多是异步电动机。P0300=l，选定为异步电动机：P0300-2，选 定为同步电动机。 6)P0304：电动机的额定电压。本参数只能在P0010=I(快速调试)时进行修改。输入变频器的电动 机铭牌数据必须与电动机的接线(星形或三角形)相一致。如果电动机采取三角形接线，就必须输 入三角形接线的铭牌数据。 7)P0305电动机的额定电流。本参数只能在POOl0-1(快速调试)时进行修改。 8)P0307电动机的额定功率。本参数只能在P0010=I(快速调试)时进行修改。 9)P0308：电动机的额定功率因数。本参数