音乐喷泉的PLC设计毕业论文docWord格式.docx
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本章对课题的设计背景及主要内容做简单介绍。
1.1课题背景
1.1.1音乐喷泉的发展历程
所谓音乐喷泉，就是利用音乐的主要音素（振幅、频率、音色等）控制喷头水柱的组合变化、高低变化、水流远近变化和灯光组合、颜色及明暗变化的喷泉。
音乐喷泉是把现代控制技术应用于人工喷泉，是在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，通过控制喷泉的水形及灯光变化，从而达到喷泉水型、灯光及色彩的变化与音乐节奏完美结合，使喷泉表演生动且富有内涵。
最初设计的音乐喷泉控制系统是利用音乐的基本要素（频率、振幅、音色和节拍）来控制喷泉的各种变化，它的原理是将声音信号转换为电信号，把电信号放大和经过其他一些处理后，用来推动继电器或电子的开与关，继而控制设在管道上的电磁阀的开闭，从而控制喷头水流的通断。
音乐喷泉是现代科技与当代艺术的结合，利用喷泉的视觉效果来表现音乐的美感，令人赏心悦目。
目前，有许多音乐喷泉利用各式各样的控制系统来实现，产生了良好的艺术效果。
但纵观这些音控产品，有的是采用音乐的时域变化来控制喷泉，有的将音乐分成几个频段来控制喷泉的组合，但大多都采用低频、中频和高频三个频段来控制喷水。
它们的缺点是都没有在频域上完美展现音乐节奏，所以不能很好地体现音乐的内涵。
随着科学技术的快速发展，可编程控制器技术和变频控制器技术正大步走进喷泉控制领域的设计当中，在控制系统中发挥着无与伦比的作用，以PLC与变频器为控制核心的音乐喷泉控制系统，通过音频采集系统识别来自媒体设备的音频信号，通过译码和编码转换成能被识别的控制信号，信号最终输出到控制系统，控制喷泉变化，达到音乐喷泉水型、灯光跟随音乐的节奏同步变化，使得声、光、水、色融为一体，达到灯光，颜色，水型的立体展示效果。
1.1.2音乐喷泉的现状
目前音乐喷泉最常用的控制方式为实时控制，即对音乐的主要音素（频率、振幅等）进行全员实时跟踪采集、分解处理并实时转换成模拟量或数字量讯号，通过变频器控制水泵的运行关闭和转速变化，或者用来控制液压伺服阀或电动调节阀的运行关闭和开启大小，同时控制相应灯光的亮灭和颜色变化。
这种控制方式无需对音乐进行预先编辑与处理，因此对任何最新发行的音乐甚至现场的即兴演奏都可予以响应。
一个完整的程序控制和音乐控制系统，能够对音乐进行编程，达到喷泉造型与音乐旋律、灯光的同步结合从而产生美轮美奂的水景，实时在现音乐的内涵与主题。
音乐喷泉声、形、色、光俱美，仿若舞台上的表演引起人们不同的情绪而感到美的艺术享受。
音乐喷泉目前主要应用于大型广场、游乐场、人工湖泊、主题公园等休闲场所。
1.2课题研究内容
本次设计的音乐喷泉系统以PLC系统为控制核心，变频器控制喷头喷水的关闭与水柱的高度，同时控制喷泉四周灯光的亮灭与颜色变化。
各章主要内容如下：
第1章为绪论，介绍音乐喷泉系统的发展历程，并介绍音乐喷泉的现状，同时简单介绍了论文各章的主要内容。
第2章为PLC基础知识简介，介绍了PLC的产生和定义，PLC的发展历程，PLC的发展趋势，PLC的基本结构及PLC的工作原理。
第3章为变频器基础，概述变频器，介绍变频器的结构、分类、工作原理和变频器的控制方式与性能。
第4章为音乐喷泉方案论证，分析了三种控制系统的特点，最后选定PLC控制系统及可行性分析。
第5章为系统总体设计，第一部分为音乐喷泉的工艺控制图及完成效果介绍；
第二部分为系统控制系统组成框图；
第三部分为变频器的设计，选型、变频器与水泵连接及变频器参数设置，第四部分为PLC设计，主要介绍PLC选型、I/O地址分配及PLC与外部硬件连接图。
第6章为PLC控制系统设计，PLC控制流程图及主要控制程序。
第2章PLC基础知识
PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。
ＰＬＣ以其可靠性高、灵活性强、使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。
2.1PLC的产生和发展
国际电工委员会（IEC）于1987年2月颁布可编程控制器标准草案第三稿，草案中对可编程控制器定义如下：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计。
它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩展其功能的原则设计”。
PLC的的发展速度十分惊人，目前用可编程控制器设计自动控制系统已成为世界潮流。
PLC的发展大致可分为四个阶段：
（一）第一台PLC在1969年问世，一直到1972年，是PLC的初创阶段。
（二）从1973年到1978年，PLC进入实用化阶段，PLC逐渐成熟。
（三）1978到1984年，PLC进入持续高速发展的阶段。
（四）从1984年至今，PLC继续向前发展。
可编程控制器的发展与其他高新技术的发展是分不开的，目前可编程控制器正向着两个方向发展：
一是向着小型化、简易、价格低廉的方向的发展。
二是向着大型、高速、多功能和多层分布式全自动网络化的方向发展。
2.2PLC的特点和功能
短短20年中PLC得到了飞速发展，并在各行各业中得到广泛应用，已成为工业控制领域的主导通用控制器。
PLC能如此迅速发展，除工业自动化的客观需要外。
其还有许多独特的优点。
其主要特点如下：
1.编程方法简单易学
2.功能强，性能价格比高
3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
4.可靠性高，抗干扰能力强
5.系统的设计、安装、调试工作量少
6.维修工作量小，维修方便
7.体积小、能耗低
随着技术的发展，可编程控制器的功能越来越丰富，现在的可编程控制器主要具有如下功能：
1.控制功能
2.定时和计数功能
3.数据运算和数据处理功能
4.通信连网功能
5.编程、调试功能
2.3PLC的基本结构和工作原理
从广义说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业控制过程相连的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。
PLC具有中央处理器、存储器、输入/输出接口、电源等。
不论是整体式的可编程控制器还是模块式可编程控制器，都可以等效成三部分，即输入部分、中间部分和输出部分。
如图2.1所示。
输入部分是输入单元模块，用于连接外部输入设备开关、按钮或传感器等。
输出部分是输出单元模块，用于连接外部设备，它是系统的执行部分，用执行用户程序得到的结果去控制输出负载回路。
中间部分用于存储用户程序、执行用户程序，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应的输出信号。
PLC控制系统的工作过程如下：
PLC工作时，在系统程序的监控下，CPU对用户程序不断循环扫描，按固定顺序周而复始地对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。
执行过程的顺序是：
从左到右，从上而下周而复始的循环扫描，并用周期性的集中采样、集中输出的方式来完成。
一个扫描周期可分为四个阶段，如图2.2所示。
图2.1可编程控制器的等效图
图2.2一个扫描周期分为四个阶段
第3章
变频器基础知识
3.1变频器概述
变频器是把固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。
变频技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。
变频器以其具有调速、节电、节能、可靠、高效的特性广泛应用于各个领域中。
3.2变频器的分类
1.按变频器主电路结构形式分类：
交—直—交变频器和交—交变频器。
2.按变频电源性质分类：
电压型变频器和电流型变频器
3.按VVVVF调制技术分类：
PAM和PWM两种
3.3变频器的工作原理及控制方式
3.3.1变频器的工作原理
变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统。
交流异步电动机转子的转速：
n=60f（1-s）/p（3.1）
式（3.1）中：
f为输入电流的频率；
p为旋转磁场的极对数；
s为转差率
由此可见，转速n与输入电流频率f成正比。
设计时，电动机的磁通通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁芯出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。
因此，在改变电动机的频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。
为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压变频器，即VVVVF。
变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着如图3.1所示的基本结构。
图3.1变频器的基本构成
3.3.2变频器的控制方式
进行电动机调速时，为保持电动机的磁通恒定，需要对电动机的电压与频率进行协调控制，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。
1.基频以下调速
（1）恒定气隙磁通ΦM控制（恒定
控制）。
根据异步电动机定子的感应电势
（3.2）
式（3.2）中，Eg为气隙磁通在每相定子感应的电动势；
f1为电源频率；
N1为定子每相绕组串联匝数；
K、N1为与绕组结构有关的常数；
ΦM为每极气隙磁通。
要保持ΦM不变，当频率f1变化时，必须同时改变电动势Eg的大小，使
即采用恒定电动势与频率比的控制方式。
（恒定
控制）
（2）恒定压频比控制（恒定
在电动机正常运行时，由于电动机定子电阻r1和漏磁电抗的压降较小，可以忽略，则电动机定子电压U1与定子感应电动势Eg近似相等，即
（3.3）
则得
=常值
这就是恒压频比的控制方式。
恒定
控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，突出优点是可以进行电动机的开环速度控制。
恒定
控制存在的主要问题是低速性能较差。
【3】
2.基频以上调速
当电动机的电压随着频率的增加而升高时，若电动机的电压已达到电动机的额定电压，继续增加电压有可能破坏电动机的绝缘，为此，在电动机达到额定电压后，即使频率增加仍维持电动机电压不变。
这样，电动机所能输出的功率由电动机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化，具有恒功率特性。
在基频以上调速时，频率可以从基频往上增加，但电压不能超过额定电压，此时，电动机属于恒功率调速。
3.4MM440变频器
MicroMaster440变频器简称MM440变频器，是西门子公司一种适合于三相电动机速度控制和转矩控制的变频器系列，其应用较广。
MM440变频器由微处理器控制，采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管IGBT作为功率输出器件。
因此，它具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
MM440变频器的电路如图3.2所示。
包括主电路和控制电路两部分。
主电路完成电能的转换（整流、逆变），控制电路处理信息的收集、变换和传输。
在主电路中，由电源输入单相或三相恒压恒频的交流电，经过整流电路转换成恒定的直流电，供给逆变电路。
逆变电路在CPU控制下，将恒定的直流电压逆变成电压和频率均可调的三相交流电压供给电动机负载。
由图3.2中可以看出，MM440变频器直流环节是通过电容进行滤波的，因此属于电压型交--直--交变频器。
MM440变频器的控制电路由CPU、模拟输入（AIN1、AIN2）、模拟输出（AOUT1、AOUT2）、数字输入（DIN1~DIN6）、继电器输出（RL1、RL2、RL3）、操作板等组成。
端子1、2是变频器为用户提供的10V直流稳压电源。
模拟输入3、4和10、11端为用户提供两对模拟电压给定输入端，作为频率给定信号，经变频器内的A/D转换器，将模拟量转换成数字量，变传输给CPU来控制系统。
数字输入5、6、7、8和16、17端为用户提供了6个完全可编程的数字输入端，数字信号经光电隔离输入CPU，对电机进行正反转、正反向点动、固定频率设定值控制等。
端子9和28是24V直流电源端。
输出端子12、13和26、27端为两对模拟输出端；
输出18~25端为输出继电器的触头；
输入14、15端为电动机过热保护端；
输入29、30端为串行接口RS-485端。
图3.2MM440变频器电路图
第4章系统方案分析及可行性分析
4.1方案分析
广场的音乐喷泉控制系统需要具备以下功能：
1.广场乐曲播放;
2.喷水与音乐同步;
3.水型的组合;
4.灯光控制;
5.强行停止。
可以采用以下三种方案实现上述功能，现就优缺点对比如下。
方案一：
继电器-接触器控制系统
继电器-接触器控制系统与其他系统相比，它的结构简单，容易理解、掌握，设计成本比较低。
但是，从应用于大型广场的角度来看，该系统具有以下缺点：
1.接点容易磨损、电接触不是很好;
一个喷泉系统中，需要使用大量继电器、接触器，所以在这个控制系统，如果有一个坏的接触点，整个系统都将瘫痪，而且找到故障相当困难，维护也很繁琐。
2.触点闭合缓慢;
接触器缓慢和过度延迟是系统很大的缺点，由于控制系统需要喷泉和音乐同步，并具有体现音乐信号变化的实时性能。
此外，控制系统还有能源消耗和维护工作量大等缺点，也降低了其经济实用性。
系统维护困难是致命的弱点，采用继电器控制，继电器的寿命不长，需要经常更换，而且故障继电器是很难找到。
综上所述，由于该系统具有许多缺点，只适用于反应速度、精度和实时性要求不高的场合，随着科技的进步，这种类型的控制系统已逐步被淘汰。
方案二：
单片机控制系统
单片机控制系统相比继电器-接触器系统大大降低了成本。
其优点是：
可以做成一个专用的控制系统，程序固化，保密性、可靠性高，操作简单，易于维护。
在许多小规模的音乐喷泉控制系统中，最合适做为控制核心。
适用于城市的小广场和普通住宅的小型音乐喷泉控制要求，由于控制简单，单片机完全符合要求，其低成本更受欢迎，是音乐喷泉的未来发展趋势。
一个大的音乐喷泉控制系统，控制系统方面的性能是必要的，符合要求的是：
在恶劣的工业环境中，该系统也可在强电噪声、电磁干扰、振动、极端温度和高湿度的环境下正常工作。
然而，采用单片机作为控制系统，它的性能会受到影响，不能很好地适应恶劣的工业环境。
此外，系统的负载能力不够强，在负载要求较低、环境较好的场合，单片机控制系统仍有广泛的应用。
然而，随着人们生活水平越来越高，大型的音乐喷泉已成为人们关注的焦点。
PLC技术的成熟和完善，能很好适地应工业控制环境，使得PLC控制系统的使用在音乐喷泉中逐渐超过其他控制器。
方案三：
PLC控制系统
经过多年发展，PLC技术已日趋成熟，应用范围越来越广，几乎渗透到各行各业。
在许多控制应用中，PLC为核心的控制系统已经成为了理想的控制系统，其主要特点是：
5.系统的设计、安装、调试工作量少
6.维修工作量小，维修方便
7.体积小、能耗低
PLC的这些和其它特征使它成为任一控制系统的优点。
一旦安装，作用立即显现，与其他智能设备一样，它的优点还在于应用时的创新。
4.2方案论证
一个音乐喷泉的成功与否主要是看喷出的水柱是否有音乐感。
PLC的主要功能是接收处理后的音乐信号，处理后发送到下一级控制装置，控制水柱和灯光随音乐变化，达到水上芭蕾的艺术效果。
PLC精密、准确、稳定、快速的特点和多点控制功能使其成为一个现代音乐喷泉工程中不可或缺的设备。
综上所述，通过对三种控制系统的比较，显然，PLC控制系统具有良好性能，所以本次设计选用PLC作为控制核心。
4.3对选定方案的分析
（1）功能的可行性：
系统各部分大多是开关量信号，所以可编程逻辑控制器完全能满足功能要求。
（2）系统的可靠性：
该系统主要由PLC内部程序运行，提高了实时性、准确性，使系统的可靠性进一步得到保障。
（3）系统的扩展性：
该系统采用PLC作为控制器，本身所具有高度的功能扩展性，再加上PLC产品的完整性，使系统功能扩展极为方便。
（4）系统的可维护性：
本系统采用先进的控制模式，极大降低工程成本，因为系统配置和结构简单，增强了系统的可维护性。
第5章系统总体设计
5.1音乐喷泉组成
5.1.1音乐喷泉水池设计
音乐喷泉喷头分三组，外圈7个喷头，内圈5个喷头，中心为1个中心喷头，外绕7个小喷头，需要10个水泵供水。
灯组分三圈，外圈Leda1~7（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫），内圈为Led8（白色）、Led9（黄色）、Led10（红色），中心为Led0（白色），周围Ledb1~7（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫）。
效果如图5.1、图5.2、图5.3所示。
图5.1中心喷头及灯组
图5.2内圈喷头及灯组
图5.3外圈喷头及灯组
完成效果：
（1）白天时，光控开关断开
a控制者按下启动按钮SB0内置播放器先启动；
b规定一段时间后外置播放器启动，广场开始播放音乐，同时水泵0和水泵8启动，所连接的喷头开始喷水；
外圈水泵1~7有序的启动停止间隔3s，一直循环，形成与音乐曲调一致的喷水效果。
c外置播放器启动时，水泵9会启动，水泵9由变频器控制。
声音低于中等音响时，在PLC的控制下，水泵9处于低速转动，内圈5个喷头喷出H高度的水柱。
超过中等音效时，水泵9中速转动，喷出2H高度的水柱。
在声音超过较大音响条件下，变频器控制水泵高速转动，喷出3H高度的水柱。
这样就呈现出5个喷头随着音乐声响的大小，不断改变水柱的高度，达
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