基于PLC音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

泰 山 學(xué) 院 本科 畢業(yè)論文 基于 樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 所 在 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 申請(qǐng)學(xué)士學(xué)位所屬學(xué)科 工 學(xué) 年 級(jí) 二一 一 級(jí)（ 3+2） 學(xué) 生 姓 名 、 學(xué) 號(hào) 王魯靜 2011170294 指導(dǎo)教師姓名 、 職稱 陳宏圣 副教授 完 成 日 期 二一 三 年五月 摘要 I 摘要音樂(lè)噴泉作為一種人造環(huán)境工程項(xiàng)目，將音樂(lè)的美和噴泉有機(jī)的結(jié)合在一起，給人以賞心悅目的感受。 隨著可編程控制器在我國(guó)的迅速發(fā)展，對(duì)音樂(lè)噴泉的控制要求也越來(lái)越高，使得越來(lái)越多的控制部分 由 可編程控 制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 使用 有使用方便，運(yùn)行可靠，控制程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 此論文是制作 一個(gè)以小型 頻器控制水柱高度，以音頻采集為基礎(chǔ)的小型音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制核心選用 7泵的控制選用 20變頻器 。 主要包括控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及變頻器參數(shù)設(shè)置。 關(guān)鍵詞 ： 音樂(lè)噴泉，可編程控制器，變頻器 I he as an be of a s of by LC to is to of a LC as to of on of by s 20 of LC 錄 錄 引 言 1 2 變頻器基礎(chǔ) 頻器概述 頻器技術(shù)的發(fā)展 頻器的分類 變頻器的工作原理以及控制方式 變頻器的工作原理 變頻器的控制方式 20概述 3 系統(tǒng)總體介紹 0 音樂(lè)噴泉組成 0 音樂(lè)噴泉水池設(shè)計(jì) 0 控制系統(tǒng)組成 0 4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3 （頻率，振幅，音調(diào)和節(jié)奏） 與 花型組合控制噴泉，水柱高度，距離變換和光的顏色組合 與 亮度變化。音樂(lè)噴泉是人工噴泉現(xiàn)代控制技術(shù)的使用，是 融合了 基于程序控制的音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)，通過(guò)水和輕音樂(lè)噴泉控制相結(jié)合的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)光與色的組合、音樂(lè)的情緒、噴泉的生動(dòng)豐富的表演內(nèi)涵。 隨著可編程控制技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器和變頻器技術(shù)在噴泉控制領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。 即 使用一個(gè)小型 音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)控制噴泉燈，水泵，接線簡(jiǎn)單、編程與音樂(lè)節(jié) 奏和情感以及流水燈的多點(diǎn)結(jié)合，便于適合追求時(shí)尚家居生活和娛樂(lè)。 目前， 音樂(lè)噴泉的控制中最常出現(xiàn)的是實(shí)時(shí)控制 。 小型 得推廣。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)音樂(lè)噴泉的控制。尤其是在現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的控制網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)辟了一個(gè)新的發(fā)展空間。 設(shè)計(jì)是依據(jù) 易于 形成一個(gè) 整體 的 工業(yè)控制系統(tǒng) ， 便 于擴(kuò)充功能的原則。 考慮到 音樂(lè)噴泉系統(tǒng)的 控制 復(fù)雜性， 若 采用繼電器控制， 其 控制可靠性 較 差。若采取 由程序控制，是一種軟連接，大大的提高了可靠性 ?？删幊炭刂破魇且魳?lè)噴泉的控制核心，可編程控制器是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換音樂(lè)頻率來(lái)控制噴泉的變化和閃爍的燈光都是通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)的?？删幊炭刂破鳎?jiǎn)化了控制電路，提高工作速度和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性，而且還增強(qiáng)了噴泉工程的自動(dòng)化及智能化。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 2 1 礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介 在繼電器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的技術(shù) 借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)。 然只有 30年，但今天已在該行業(yè)快速發(fā)展 。 現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱產(chǎn)業(yè) 為 用時(shí)間，計(jì)算 、 算術(shù) 、 邏輯 程序控制 ，并通過(guò)數(shù)字和模擬 I/O 實(shí)現(xiàn)各種具體的生產(chǎn)工藝 的控制 。目前廣泛使用的 為 機(jī)械和電氣控制，電氣控制，數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)通信和運(yùn)輸 等領(lǐng)域 。 產(chǎn)生和發(fā)展 頒布 了 可編程控制器 （ 含義 ：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用一類可編程序的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種 類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)” 3 。 速 ， 故 其實(shí)現(xiàn)的 功能 豐富 ，應(yīng)用范圍 廣 ， 開(kāi)發(fā) 了 實(shí)現(xiàn) 各種 功能需求 的 未來(lái) 發(fā)展趨勢(shì) 為 ：小型化、 專用化 、 易用化 ； 大容量、高速度、信息化 ；智能 I/發(fā)展 ； 人機(jī)界面研發(fā)與發(fā)展 ； 開(kāi)放性和 程序語(yǔ)言的 標(biāo)準(zhǔn)化 ； 過(guò)程控制領(lǐng)域 應(yīng)用； 增強(qiáng) 通信聯(lián)網(wǎng)功能 。 特點(diǎn)與應(yīng)用 1 能夠 高速發(fā)展， 除 工業(yè)自動(dòng)化的客觀 需求 之 外，主要是由于它自身 還有 很多獨(dú)特 的 優(yōu)點(diǎn)。 具有特殊結(jié)構(gòu)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 與 普通 計(jì)算機(jī)相比具有更強(qiáng)的 能夠與 工業(yè)過(guò)程 相接 的接口，同時(shí) 具備 適用于控制要求的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 是可編程控制器實(shí)質(zhì) ?？删幊炭刂破魇菍⒂?jì)算機(jī)技術(shù)和電器控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起 的技術(shù) 。其特點(diǎn)主要 體現(xiàn)在： 可靠性高，抗干擾性強(qiáng) ； 編程簡(jiǎn)單、使用方便 ； 易于安裝、調(diào)試、維修 ； 功能完善，通用性強(qiáng) ； 體積小， 能耗低 2。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 3 2. 基于 勢(shì) ，在工業(yè)控制中 倍受青睞 。 蓋了幾個(gè) 方面 ： 開(kāi)關(guān) 量的 邏輯和順序控制；模擬 量 控制； 運(yùn)動(dòng)控制；過(guò)程 控制；數(shù)據(jù)處理；信號(hào)連鎖系統(tǒng)；通信 及聯(lián)網(wǎng) ； 時(shí)間控制 。 工作原理及工作過(guò)程 與普通微機(jī)類似， 由 硬件和軟件組成 。 常地 運(yùn)行 只能依靠于軟件的控制 。 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件 為 軟件 系統(tǒng)的兩個(gè)部分 。 基本 運(yùn)行過(guò)程如下 ： 1） 輸入 處理階段 ： 2）程序執(zhí)行 ： 用戶程序中的指令 按次序被 掃描 ， 然后依據(jù) 輸入狀態(tài)和指令內(nèi)容 執(zhí)行 邏輯運(yùn)算； 3） 輸出 處理階段 ：根據(jù) 程序執(zhí)行 的結(jié)果，各輸出點(diǎn) 相應(yīng)的控 制信號(hào) 由 輸出狀態(tài)寄存器并行發(fā) 出，實(shí)現(xiàn) 控制系統(tǒng) 的邏輯控制功能。掃描周期 即 每執(zhí)行一遍 程序 所需的時(shí)間。 掃描周期 通常 只有 零點(diǎn)零幾 秒。 然而事實(shí)上， 一系列不斷重復(fù)的順序操作 是很多 機(jī)械設(shè)備的工作過(guò)程， 而這與 工作 原理類似 。 所以 ，程序 可以和 機(jī)器的 操作步驟相 對(duì)應(yīng)， 而且 制 過(guò)程簡(jiǎn)單易懂 ， 正確率高 ，修改 簡(jiǎn)便 ， 因而 軟件的開(kāi)發(fā)費(fèi)用 及 開(kāi)發(fā)周期 都有可觀的改變 。 行 故障自診斷 以及 與編程器的通信 ， 此過(guò)程的意義在于 提高工作的 準(zhǔn)確 性，及時(shí)接收 外部 控制 指令 。 所 示。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 4 電 源 開(kāi) 啟內(nèi) 部 處 理輸 入 處 理 （ 輸 入 刷 新 、 遠(yuǎn) 程 I / O ）通 信 服 務(wù) （ 外 設(shè) 、 C P U 、 總 線 ）更 新 時(shí) 鐘 、 系 統(tǒng) 內(nèi) 部 寄 存 器C P U 運(yùn) 行 方 式 為 R U N ？執(zhí) 行 用 戶 程 序執(zhí) 行 輸 出 刷 新 過(guò) 程執(zhí) 行 自 診 斷 過(guò) 程存 放 自 診 斷 錯(cuò) 誤 結(jié) 果C P U 強(qiáng) 制 為 S T O P 方 式自 診 斷 錯(cuò) 誤 為 致 命 錯(cuò) 誤P L C 正 常 ？ O P 圖 1 掃描工作流程 4 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 5 2 變頻器基礎(chǔ) 變頻器概述 實(shí)現(xiàn)把 電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電 功能 裝置稱 為 “變頻器”。 變換器是電力電子裝置的電源轉(zhuǎn)換成各種頻率的交流電源來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速電機(jī)的使用，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的 功率變 換器。變頻技術(shù)是一種高新技術(shù) 集 自動(dòng)控制， 電力電子技術(shù) ，微電子技術(shù)，通訊技術(shù) 于一體 。變頻器具有速度快，省電，節(jié)能，可靠，高效，廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域 。 頻器技術(shù)的發(fā)展 有 交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速 功能的 變頻器 ，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)交 流 、直流調(diào)速 控制方式， 擁有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 寬 調(diào)速范圍、 高 調(diào)速精度、安裝調(diào)試 簡(jiǎn)便 、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 等優(yōu)點(diǎn) ，是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的 主導(dǎo) 技術(shù)。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 中 ，起 功率 變換 作用的 是 器 變頻器 ，運(yùn)動(dòng)控制 技術(shù) 是多學(xué)科 綜合 的高新技術(shù)，是自動(dòng)化技術(shù)的“前沿” 。 變頻器的分類 （ 1） 按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類： 式； 高載波變頻率的 7。 （ 2） 按控制方式分類： 電壓 /頻率 控制； 轉(zhuǎn)差頻率控制； 矢量控制。 （ 3） 按用途分類： 通用變頻器； 高性能專用變頻器； 高頻變頻器； 小型變頻器 7。 變頻器的工作原理以及控制方式 變頻器的工作原理 變頻器是把工頻電 轉(zhuǎn) 換為 其它 頻率 的交流電， 來(lái)適應(yīng) 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的需求 。 變頻器 目前主要應(yīng)用的 變頻方式 是交 交方式 ，直流電 是工頻電流經(jīng)過(guò)整流器轉(zhuǎn)換來(lái)的 ， 再 把 由直流電轉(zhuǎn)換的頻率、電壓均可控制的交流電 供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路 有 整流器、直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路 4個(gè)部分組成 8。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 6 交流電動(dòng)機(jī) 同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式 為 ： n = 60 f (1 s) / p （ 公式 1） 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) 磁 極對(duì)數(shù)。 由 公式 1知 ，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率成正比， 因此 改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速 。 變頻器就是利用改變電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié) ，是一種理想調(diào)速 方式 8。 變頻器 的工作過(guò)程：一 是將交流電 轉(zhuǎn)換為 直流電 ， 然后 再利 用電子元件 使 直流電 變?yōu)榻涣麟?。 變頻器 一般 用可控硅 組裝成 頻率 可調(diào) 的裝置 ， 使頻率 可調(diào) ， 從而調(diào)控 電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù) ， 使轉(zhuǎn)數(shù) 產(chǎn)生 變化。 一般整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等部分 組成 了 其變換電路 。 變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖 2所示 。 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 2 變頻器的基本構(gòu)成 9 變頻器的控制方式 開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制是 變頻器 兩種 控制方式， 閉環(huán)控 制 進(jìn)行電動(dòng)機(jī)速度 的 反饋。開(kāi)環(huán)控制有 電壓 /頻率 控制方式，閉環(huán)控制 分為 轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制。 (1) 電壓 /頻率 控制 要在 改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)， 有必要 的 措施 來(lái)保 障 電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通處于高效狀態(tài) ， 以便獲得理想的轉(zhuǎn)矩速度特性 。這 是 電壓 /頻率 控制的 目的 。這種類型的 變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)環(huán)控制 是其采用的控制方 法 ， 固其 精度和動(dòng)態(tài)特性 不是 很 好的 ， 因此，若要在低電壓區(qū)得到較大的調(diào)速范圍是比較困難的 。 因此， 一般是對(duì)控制性能要求不高的 場(chǎng)合采用這種控制方式的 變頻器。 轉(zhuǎn)差頻率控制 方式 ： 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 7 其 適用于自動(dòng)控制系統(tǒng) 是因?yàn)榫哂兴俣日{(diào)節(jié)器，利用速度反饋進(jìn)行速度閉環(huán)控制，速度的靜差小 。單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 是轉(zhuǎn)差頻率控制方式之一 。 采用此方式 的變頻器具有良好的穩(wěn)定性 ， 急速的加減速 特性， 負(fù)載變動(dòng) ， 響應(yīng)特性 ，其原因是 采用了此種方式 的 變頻器中有電流負(fù)反饋 環(huán)節(jié)，對(duì)頻率和電流進(jìn)行 調(diào)控 10 。 矢量控制 方式 ： 異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理 是矢量控制的基本核心思想 ，即磁場(chǎng)和與其相垂直的電流的積 是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 ， 異步電動(dòng)機(jī)的定子電流 是可以分為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 。 若 要 達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的 ，可以通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，即可對(duì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行 分別 控制 9。 20 概述 適用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器 。此 系列 型號(hào) 種類 繁多 ，電源電壓 可有單相 到三相 ，額定功率 由 120W 到 11用。微處理器控制 此 變頻器 ， 其功率輸出器件 采用絕緣柵雙極型晶體管（ 。因此， 運(yùn)行可靠性 較高 以及 實(shí)現(xiàn)多 功能 是 其 特性 。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲 之所以降低是因?yàn)?以選擇 。 能 同時(shí)為 變頻器和電 動(dòng)機(jī)提供良好的保護(hù) 是其 完備 的保護(hù)功能 。 有可調(diào) 的工廠設(shè)置參數(shù) ，并且是為 眾多 且 簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) 提供動(dòng)力的較好 驅(qū)動(dòng)裝置。由于 其 全面而完備的控制功能，故在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后， 用于更 優(yōu) 的 控制系統(tǒng)。 20 用于單機(jī)驅(qū)動(dòng) 的 控制 系統(tǒng)， 還 應(yīng)用 與 集成 自動(dòng) 控制 系統(tǒng) 中11。 頻器的電路結(jié)構(gòu) 電路 功能是完成電能轉(zhuǎn)換； 控制電路 則是 處理信息的收集、變換和傳輸 。 其 電路圖如圖 3所示 。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 8 電源輸入單相或三 相的交流電，整流電路將 恒壓恒頻的 交流電轉(zhuǎn)換成恒定的直流電，供給逆變電路 的 是 主電路 的功能。 制 逆變電路 ， 使恒定的直流電轉(zhuǎn)換 成 U和 供給電動(dòng)機(jī)負(fù)載。由圖 3可知， 頻器直流 與交流轉(zhuǎn)換 是通過(guò)電容進(jìn)行濾波的，因此 此變頻器 屬于電壓型交 交變頻器。 擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸出、輸出繼電器觸頭、操作板 等 組成 了 為用戶提供的 10V 直流電源 的 是端子 1、 2。當(dāng)采取模擬電壓信號(hào)輸入方式輸入給定頻率時(shí)， 配備一個(gè)高精度的直流電源 是為 提高交流 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制精度 。 為用戶提供了兩對(duì)模擬電壓給定輸入端 的是 模擬輸入 3、 4端， 其 作為頻率給定信號(hào)，經(jīng)變頻器內(nèi)的 A/將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 )， 供給 控制系統(tǒng)。 為用戶提供了 3個(gè)完全可編程的數(shù)字輸入端 是 數(shù)字輸入端 5、 6、 7，數(shù)字信號(hào)經(jīng)光電隔離輸入 到 電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。 24端子 8和 9，為變頻器的控制電路提供 2412。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 9 圖 3 變頻器電路圖 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 10 3 系統(tǒng)總體介紹 要 完成 了音樂(lè)噴泉的控制過(guò)程 音樂(lè)的頻率信號(hào)控制 現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速變化 依靠改 變水泵電機(jī)的控制頻率，進(jìn)而利用水泵的轉(zhuǎn)速變化 控制音樂(lè)噴泉的水柱高度變化， 以上過(guò)程 實(shí)現(xiàn) 了 音樂(lè)變化對(duì)噴泉的控制 的過(guò)程 。變頻器接受來(lái)自 出頻率不同的交流電， 使 水泵的噴水狀態(tài) 發(fā)生 變化，實(shí)現(xiàn)了噴泉噴水隨音樂(lè)高低呈現(xiàn)不同的形態(tài)。同時(shí)通過(guò) 制彩燈，實(shí)現(xiàn)彩燈組與音樂(lè)節(jié)奏的同步變換。 音樂(lè)噴泉組成 音樂(lè)噴泉水池設(shè)計(jì) 此 小型音樂(lè)噴泉 的設(shè)計(jì)為： 噴頭分三組 ， 外圈 設(shè)有 九個(gè)噴頭，中圈 設(shè)有 六個(gè)噴頭， 這兩圈的 噴水口直徑 兩圈噴頭由一個(gè) 12力 ；內(nèi)圈只有一個(gè) 中心主 噴頭 ，采 用集流直上噴頭， 此 噴頭噴水流量 較 大 。在 水泵大功率 工作 時(shí)，有壯觀的噴水直徑和高度 ，此 直流 噴頭由一個(gè) 55組彩燈分別安裝在外圈和中圈噴頭下，成交替閃爍 的工作狀態(tài) 。 使 音樂(lè)噴泉工作時(shí)噴水層次感明顯，視覺(jué)效果良好。噴泉水池直徑約 頭組最大直徑 外圈和中圈噴頭向內(nèi)傾斜的情況下很好的防止了水池噴水造成的向外濺水。 控制系統(tǒng)組成 音樂(lè)噴泉的控制系統(tǒng)由音樂(lè)信號(hào)處理電路（包括 F/ /數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)隔離電路）， 水泵和彩燈控制電路， 穩(wěn)壓電源電路和音響設(shè)備組成。 音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)硬件組成部分如圖 4所示。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 11 圖 4 音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 1、 音樂(lè)信號(hào)的處理 音樂(lè)噴泉的樂(lè)曲 從 過(guò)功率放大器， 樂(lè) 曲 一路輸出到音箱設(shè)備， 一路 由 A/理 兩路輸出方式 。 2、水型與樂(lè)曲同步 的 控制 水型會(huì)同 樂(lè)曲播放 同時(shí) 演示。 在樂(lè)曲之間轉(zhuǎn)換 期間，水型也 保持同步停止 或繼續(xù)演示。 為 使水型與樂(lè)曲達(dá)到同步的效果 ，此音樂(lè)噴泉 控制系統(tǒng)提供 了 可調(diào)整的 噴泉 延時(shí) 程序 。 3、 潛水泵 電動(dòng)機(jī) 的控 制 控制器內(nèi)部 的程序 來(lái)控制潛 水泵電動(dòng)機(jī) ， 使 每一 首 樂(lè)曲 可從控制器中相應(yīng)的找到對(duì)應(yīng)的固定程序數(shù)據(jù)，并可以將其對(duì)應(yīng)輸出 。 4、彩色燈光 的控制 彩色燈光 由 控制器 系統(tǒng)程序控制。 彩色燈光會(huì) 通過(guò)控制程序隨 音樂(lè) 的變化相應(yīng)的水下 產(chǎn)生變化與 動(dòng)作 ，達(dá)到視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)的完美統(tǒng)一，給人以精神的完美享受 。 5、水型的節(jié)奏隨動(dòng)控制 不同的音樂(lè) 節(jié)奏同步 變化呈現(xiàn) 出 水型的跳躍和搖擺， 表現(xiàn) 出音樂(lè)噴泉的 視 調(diào)速端 調(diào)速端 組水下燈 兩組潛水泵 編程序控制器 外部音箱 （左） 變頻器1# 頻器3# M 外部音箱 （右） 功率放大器 A/D 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 12 覺(jué)沖擊力 。這種水型 變化 是 通過(guò) A/ 通過(guò)對(duì)應(yīng)的程序 控制， 經(jīng)過(guò) 變頻器對(duì)潛水泵實(shí)現(xiàn)加速 和 減速控制， 實(shí)現(xiàn) 對(duì)不同音樂(lè)信號(hào) 的直觀感受 。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 13 4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 音樂(lè)噴泉邏輯控制系統(tǒng)的控制核心是 在建立一個(gè) 哪些信號(hào)需要輸入至 以及采用何種編程方式，都會(huì)影響到其內(nèi)部 I/首先 需要 把系統(tǒng) 所需 的輸入 /輸出數(shù)量 明確 ， 其次 按需要確定各控制動(dòng)作的順序和各控制裝置彼此間的關(guān)系。在確定控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的關(guān)系后，進(jìn)行分配輸入 /輸出設(shè)備 點(diǎn) 。 因此 ， 設(shè)計(jì) 首先 要解決的問(wèn)題 是 I/它不僅決定著系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，也是 系統(tǒng)軟件編寫(xiě)的前提。 在 估算 輸出點(diǎn)、內(nèi)部 繼電器、定時(shí)器、 計(jì) 數(shù)器之后，就可以 對(duì) 進(jìn)一步進(jìn)行輸入 /輸出量的確定 。 制系統(tǒng) I/O 口的估算 小型 音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) I/依據(jù) I/應(yīng) 預(yù)留出一定的 I/展時(shí)使用。 可以 根據(jù) 系統(tǒng)的控制要求 大 體 確定 控制 系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)。 1、 估算 系統(tǒng) 數(shù)字量 輸入點(diǎn)數(shù) 根據(jù)音樂(lè)的旋律 和 音頻信號(hào)的大小來(lái)控制噴泉水柱 的 高低，所以其數(shù)字量輸入只需要滿足系統(tǒng)啟動(dòng)、停止兩個(gè)功能。 如表 1所示 表 1 系統(tǒng)數(shù)字量輸入各元器 件功能及所占 項(xiàng)目名稱 輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 啟動(dòng)按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)啟動(dòng) 輸入點(diǎn)數(shù)： 2 停止按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng) 停止 2、 估算 系統(tǒng) 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 將 音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成 字量信號(hào) 的過(guò)程中 需采用一個(gè) A/此 模擬量輸入點(diǎn)為 1個(gè)。 如表 2所示 表 2 系統(tǒng)模擬量輸入各元器件功能及所占 項(xiàng)目名稱 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 14 音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊 1 音頻信號(hào)大小 輸入點(diǎn)數(shù) ： 1 3、 估算 系統(tǒng) 數(shù)字量 輸出 點(diǎn)數(shù) 系統(tǒng)數(shù)字量輸出 由 變頻器開(kāi)關(guān)量 控制和 燈光開(kāi) 關(guān)量 控制 兩個(gè)部分，變頻器 包括 啟動(dòng)和調(diào)速兩種控制量。 如 表 3所示 表 3 系統(tǒng)數(shù)字量輸出各元器件功能及所占 項(xiàng)目名稱 輸 出 點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 啟動(dòng)變頻器開(kāi)關(guān)量 8 控制變頻器運(yùn)行 輸出總點(diǎn)數(shù)： 16 變頻器速度開(kāi)關(guān)量 4 選擇變頻器頻率 水泵控制輸出 2 水泵的控制 水下 燈 光控制輸出 2 水下燈光的控制 選型 由對(duì) 音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的組成、工作過(guò)程、 I/系統(tǒng)中實(shí)際需要數(shù)字量輸入點(diǎn) 2點(diǎn) ,模擬量輸入模塊 1個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn) 16 點(diǎn)，輸出擴(kuò)展模塊 1個(gè) 。 同時(shí)，該 控制 系統(tǒng)是單機(jī)系統(tǒng)， 故 可選擇整體式結(jié)構(gòu)的 1、 7 豐富的指令 、 內(nèi)置集成功能 、 擴(kuò)展模塊；實(shí)時(shí)特性 強(qiáng) ；通訊 功能良好 ；可靠性好，適應(yīng)性強(qiáng) ， 性價(jià)比高。 2、 硬件系統(tǒng) 展模塊和總線連接電纜 集成的模塊化的 （ 1） 該模塊主要包括 源和 I/ 部分。 及 與 塊相連的其他模塊的用電需求 都由此電源模塊部分提供 ；該模塊自 身 帶 的 一定數(shù)量的開(kāi) 關(guān)量 I/若足以達(dá)到 控制 系統(tǒng)的 要求，則可以不需要 擴(kuò)展 開(kāi)關(guān)量 I/O 模塊。 （ 2）擴(kuò)展模塊 因?yàn)橥ǔ?、 且無(wú)模擬量 I/以需要 一些特殊功能 擴(kuò)展 模塊 ： 數(shù)字量 I/擬量 I/ 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 15 （ 3）總線連接電纜 總線連接電纜用來(lái)把 I/其他的擴(kuò)展模塊連接在一起。 3、 兩種系統(tǒng)配置方式 ： 一是在面板 上進(jìn)行 配置 ； 另一是在 置。圖 5和 圖 6分別 表 示 了以上 兩種系統(tǒng)配置方式 。 圖 5 第 1種系統(tǒng)配 置圖 圖 6 第 2種系統(tǒng)配置圖 所以， 本設(shè)計(jì)選用西門子 的 具有如下配置： 24輸入 ， 6輸出 共 40個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)， 還可 連接 7個(gè)擴(kuò)展摸 快 單元，包括模擬量擴(kuò)展摸板， 這 足以 滿足系統(tǒng)所需要的輸入輸出端口要求。 入 /輸出點(diǎn)分配 根據(jù) 控制 系統(tǒng) 的 要求，音樂(lè)信號(hào)處理模塊轉(zhuǎn)換的 8路開(kāi)關(guān)量信號(hào) 由 經(jīng) 過(guò)輸出模塊控制彩燈和變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的數(shù)字控制?？刂葡到y(tǒng) 輸出點(diǎn)分配如表 4 和表 5。 表 4 序號(hào) 點(diǎn)號(hào) 符 號(hào) 意義 1 頻信號(hào)輸入 2 音頻信號(hào)輸入 3 音頻信號(hào)輸入 4 音頻信號(hào)輸入 5 音頻信號(hào)輸入 6 音頻信號(hào)輸入 7 音頻信號(hào)輸入 8 頻信號(hào)輸入 9 啟動(dòng)按鈕 10 停止按鈕 #水泵工作 2 #水泵工作 3 #彩燈工作 4 #彩燈工作 5 頻器速度一 6 頻器速度二 7 頻器速度三 8 變頻器運(yùn)行 制接線圖 制 啟動(dòng)按鈕 ， 子 控制 停止按鈕 ， 關(guān)量信號(hào)，兩個(gè) 接由 水泵的起停 由 變頻器的輸出頻率選擇 由 所示。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 17 S 7 - 2 0 0P L U 2 2 6D C / D C / D . 0I 0 . 1I 0 . 2I 0 . 3I 0 . 4I 0 . 5I 0 . 6I 0 . 7I 1 . 0I 1 . 11 . 2Q 0 . 3Q 0 . 6Q 0 . 7 +2 L +2 . 5Q 1 . 2Q 1 . 1Q 1 . 0K 1K 2開(kāi)關(guān)量信號(hào)停 止啟 動(dòng)K M 1K M 21 # 水 泵 啟 停 控 制 繼 電 器2 # 水 泵 啟 停 控 制 繼 電 器1 # 彩 燈 亮 滅 控 制2 # 彩 燈 亮 滅 控 制變 頻 器 速 度 1變 頻 器 速 度 2變 頻 器 運(yùn) 行 A I N +變 頻 器 速 度 3變 頻 器 A I N 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 18 5 變頻器及控制參數(shù)設(shè)計(jì) 變頻器的主要任務(wù)是把工頻電 轉(zhuǎn)換 為 其他 頻率的交流電，滿足交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 變化。 本系統(tǒng)中變頻器用來(lái)接受 經(jīng) 理的音樂(lè)控制 開(kāi) 關(guān)量 信號(hào)，輸出頻率不同的交流電， 達(dá)到 水泵的 噴水狀態(tài)不斷變化 的設(shè)計(jì)目的 ，實(shí)現(xiàn) 噴泉噴水 與 音樂(lè) 樂(lè)律達(dá)到和諧的統(tǒng)一 。 根據(jù) 現(xiàn)場(chǎng) 音樂(lè)控制水柱， 使 水柱與音樂(lè)同步， 但 水泵控制水柱，水泵 又由 異步電動(dòng)機(jī) 控制。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 是通過(guò)頻率變化而改變的，但工頻電的頻率是恒定的 ， 而 變頻器是專門電機(jī)調(diào)速的裝置。 所以可由 變頻器 間接 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 從而使水 柱 高度 發(fā)生變化。 變頻器設(shè)計(jì) 變頻器選型 基于控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，本次設(shè)計(jì)選用 以用來(lái)控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度 ，適用于變頻驅(qū)動(dòng)裝置。 備可控 的工廠設(shè)置參數(shù)，它是 為 數(shù)量眾多 且 簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)供電的理想變頻裝置。 變頻器控制接線圖 其硬件連接圖如圖 8所示， 子連接 控制變頻器起停。 出口 子上，通過(guò) 出 由設(shè)置參數(shù)決定的決定的預(yù)置頻率。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 19 圖 8 變頻器設(shè)計(jì)連接圖 頻器操作面板 利用 M 420變頻器的各個(gè)參數(shù)。 位數(shù)字的 7段顯示 ，用于顯示參數(shù)序號(hào) 以及 數(shù)值、報(bào)警和故障信息以及該參數(shù)的設(shè)定值和 真實(shí) 值， 但。 表 6 13 1 Q 1 Q 1 Q 1 0 V 西門 子 420 變頻器 5 . 0 . 1 . 2 M V I L N F 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 20 變頻器參數(shù)設(shè)置方法 用 面以更改過(guò)濾功能參數(shù) 見(jiàn) 圖 9；并以選擇命令 /設(shè)定值源 圖 10。 圖 9 改變過(guò)濾功能參數(shù) 3 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 21 圖 10 修改選擇命令 /設(shè)定值源下標(biāo)參數(shù) 3 變頻器參數(shù)設(shè)置 變頻器一般設(shè)置的 參數(shù) 包括 ：電 動(dòng) 機(jī)參數(shù) ;可 由 電 動(dòng) 機(jī)銘牌 獲得 ， 例 如電 動(dòng)機(jī) 的額定 電壓、 額定 功率、 額定 電流 以及額定 轉(zhuǎn)速 。 控制 電 動(dòng) 機(jī)啟動(dòng) 、 停止方式 有 變頻器 控制 面板 和 端子 兩種 。 控制 變頻器 工作 頻率方式 有 變頻器面板、電位器（設(shè)置 相 應(yīng) 的 頻率 區(qū)域 ） 還是 多個(gè) 固定 的 頻率（ 控制 變頻器端子 來(lái) 對(duì)應(yīng)頻率） 。變頻器 工作 的 最小 頻率和 最大頻率， 增 加 或減少 減速時(shí)間等。變頻器控制方式。 在本系統(tǒng)中需要是設(shè)置的參數(shù)有： （ 1） 30”， 1”， 變頻器復(fù)位到工廠設(shè)定值 （ 2） 2” 擴(kuò)展用戶的參數(shù)訪問(wèn)范圍 （ 3） 2” 由模擬端子 /數(shù)字輸入控制變頻器 （ 4） 17” 固定頻率值設(shè)定方式 2 （ 5） 17” 固定頻率值設(shè)定方式 2 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 22 （ 6） 17” 固定頻率值設(shè)定方式 2 （ 7） 1” 正轉(zhuǎn)啟動(dòng) （ 8） 3” 固定頻率設(shè)定值 （ 9） 20” 固定頻率 1為 20 10） 25” 固定頻率 2為 25 11） 30” 固定頻率 3為 30 12） 35” 固定頻率 4為 35 13） 40” 固定頻率 5為 40 14） 45” 固定頻率 6為 45 15） 50” 固定頻率 7為 50變頻器控制說(shuō)明 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)說(shuō)明 變頻器由數(shù)字信號(hào)控制，將 2”，控制編碼形式為 現(xiàn)變頻器對(duì)水泵電機(jī)多段調(diào)速控制。變頻信號(hào)由 入變頻器為用戶提供的 3個(gè)完全可編程的數(shù)字輸入端， 3個(gè)數(shù)字輸入量控制變頻器的 7種頻率輸出 ，通過(guò)參數(shù)設(shè)置 7種不同的固定頻率。數(shù)字信號(hào)經(jīng)光電隔離輸入 理后通過(guò)逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。變頻器設(shè)置水泵正轉(zhuǎn)啟動(dòng)。數(shù)字輸入與對(duì)應(yīng)頻率如表 7所示 。 表 7 數(shù)字輸入與對(duì)應(yīng)頻率 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 頻率值（ 20 25 30 35 40 45 50 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 23 相關(guān)參數(shù)的說(shuō)明 （ 1）按照下面的數(shù)值設(shè)定參數(shù)（用 必要的通訊選件） ，可使 變頻器的全部參數(shù)復(fù)位 到 工廠的缺省設(shè)定值 。 （ 2） 2”，變頻器的參數(shù)有 4個(gè)用戶訪問(wèn)級(jí) ， 1 標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)級(jí) 、2擴(kuò)展訪問(wèn)級(jí) 、 3專家訪問(wèn)級(jí) 、 4維修級(jí)。訪問(wèn)的等級(jí)由參數(shù) 在很多應(yīng)用情況下 ，只要訪問(wèn) 1（ 1）和 2（ ）。每組功能中出現(xiàn)的參數(shù)號(hào)取決于 設(shè)定的訪問(wèn)級(jí)。該參數(shù)的 設(shè)定范圍為 0 4，缺省值為 1。 （ 3） 2”，選擇數(shù)字的命令信號(hào)源 ： 最小值： 0；缺省值： 2；最大值： 6。 此 參數(shù) 改變 時(shí)，同時(shí) 會(huì) 使所選項(xiàng)目的全部設(shè)置值 恢復(fù)到 工廠的缺省設(shè)置值。例如：把 定值由 1 改為 2 時(shí)，所有的 數(shù)字輸入都將復(fù)位為缺省的設(shè)置值。 （ 4） 17”，用來(lái)選擇數(shù)字輸入 1的功能。該參數(shù) 設(shè)定范圍為0 99，缺省值為 1。本系統(tǒng)中設(shè)置 “ 17” ， 即固定頻率設(shè)定值（ 固定頻率值設(shè)定方式 3）。 （ 5） 17”，用來(lái)選擇數(shù)字輸入 2的功能。該參數(shù) 設(shè)定范圍為 0 99，缺省值為 12。本系統(tǒng)中設(shè)置 “ 17” ， 即固定頻率設(shè)定值（ 固定頻率值設(shè)定方式 3）。 （ 6） 17”，用來(lái)選擇數(shù)字輸入 3的功能。該參數(shù)的最小值為0，最大值為 99，缺省值為 9。本系統(tǒng)中設(shè)置 17”即固定頻率設(shè)定值（ 固定頻率值設(shè)定方式 3）。 （ 7）參數(shù)為“ 1”，用來(lái)選擇數(shù)字輸入 4 的功能。 定范圍為 0 99， 缺省值為 0。本系統(tǒng)中設(shè)置 1”，即 1 通正轉(zhuǎn) / 停車命令 1）。 （ 8） 3” 。 該參數(shù)選擇頻率設(shè)定值的信號(hào)源。在下面給出的可供選擇的設(shè)定值表中，主設(shè)定值由最低一位數(shù)字來(lái)選擇（即 0 到 6），而附加設(shè)定值由最高一位數(shù)字來(lái)選擇（ 即 中， x=1 6）。只有一位數(shù)字泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 24 時(shí)，表示只有主設(shè)定值，沒(méi)有附加設(shè)定值。本系 統(tǒng)設(shè)置 3”選擇固定頻率設(shè)定值 。 （ 9） 20” 。 該參數(shù)定義固定頻率 1 的設(shè)定值。為了使用固定頻率功能，用 擇固定頻率的操作方式，在“直接選擇” 的 操作方式下，還需要一個(gè) 令才能使變頻器投入運(yùn)行。 有三種選擇 設(shè)定 頻率的方法： （ 1） 直接選擇（ 15） 運(yùn)用此 操作方式，數(shù)字輸入 與 固定頻率 是一一對(duì)應(yīng)的 。 若多個(gè)設(shè) 定頻率輸入 要同時(shí)激活，這幾個(gè)數(shù)字的總和就是選定頻率 。例如： 2） 直接選擇 + 令（ 16） 選擇固定頻率時(shí)，既有選定的固定頻率，又帶有 令，把它們組合在一起。例如： 3） 二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（ ）選擇 + 令（ 17），使用 這種方法最多可以 設(shè)定 8個(gè)固定頻率。各個(gè)固定頻率的數(shù)值根據(jù)表 7所示選擇。 表 8 數(shù)字輸入與對(duì)應(yīng)頻率 參數(shù) 狀態(tài) 1000 激活 不激活 不激活 激活 不激活 激活 激活 激活 不激活 激活 激活 激活 活 不激活 不激活 活 不激活 激活 活 激活 不激活 活 激活 激活 （ 10） 數(shù)設(shè)置 同 11 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 25 6 控制系統(tǒng) 軟件 設(shè)計(jì) 及調(diào)試 音樂(lè)噴泉的控制 系統(tǒng) 主要 由 首先 音樂(lè)的頻率信號(hào)控制 ， 然后 變頻器接受來(lái)自 可編程控制器 的開(kāi)關(guān)量信號(hào)， 達(dá)到 控制變頻器輸出頻率不同的交 流電，從而使水泵的噴水狀態(tài)不斷變化 的目的 ，實(shí)現(xiàn)噴泉噴水隨音樂(lè)高低呈現(xiàn)不同的 狀態(tài) 。同時(shí) 現(xiàn)彩燈組與音樂(lè)節(jié)奏的同步變換。 制流程 初始化 先檢測(cè)啟動(dòng)按鈕 的狀態(tài) ， 然后 選擇控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，如果停止按鈕按下則調(diào)至電機(jī)停止控制程序，停止電機(jī)工作。變頻器啟動(dòng)的初始條件 為 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào) ， 只要 其中一臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作即可 使 變頻器 工作 。 根據(jù) 制 輸出，進(jìn)而達(dá)到選擇預(yù)置變頻器輸出頻率的目的 。變頻器預(yù)