音乐喷泉自动控制系统设计Word文档格式.docx

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总投入应在2万元以内（如果原喷泉功率不是十分大的话），是任何一个单位或富裕家庭都能承受的水平。

我的设想是利用音乐的高低通过PLC控制变频器的输出频率，从而改变电动机转速，从而去改变水泵水柱的高低，利用变频器的多段速控制，不需要另外增加通讯模块，可降低成本，同时也具备15种转速变化之多，基本可以反映出音乐强弱变化的全貌。

另外，配备一话筒，可以测量人们喊话音量的大小（用水柱高低变化来衡量）。

具备一定的趣味性。

如果仅有水柱随音量变化而变化这一种功能，则功能太过单一。

所以，我设想当不播放音乐时，应该具备按一定的规律进行水柱高度和喷洒时间的自动控制功能，并且水柱的喷洒高度和时间可以由用户来调节（或者通过触摸屏修改）。

从而增加系统的实用性，提高系统的附加值。

而该功能可以通过PLC编程实现，且较容易实现和扩展。

2、方案可行性论证

从技术性角度来看，设系统所用技术均为现代新技术，具有很高的技术含量。

从系统的可靠性来看，所增加的设备、PLC、触摸屏、变频器，它们的使用寿命都相当长，尤其是PLC，故该系统可靠性高，后期维护维修费用十分小。

从经济性来看，对于企事业单位，2万元投入更是小菜一碟。

综上所述，该系统具有良好的开发价值，具有广阔的应用前景。

3、方案设计

①音乐喷泉自动控制设计

A、控制原理图

图

（一）音乐喷泉自动控制原理图

B、音频信号转换为PLC输入的设计

考虑到变频器和电动机及负载的惯性问题，决定每隔15秒采样一次音乐电平高低（采样频率过高，变频器、电机及水泵无法反应过来）。

该每隔5秒采样一次可以通过PLC自身实现，（依靠PLC输出对继电器定时控制），经ADC量化，编码为四位二进制数码（除0000外，0001-1111刚好15种变化，可以对应多段速的15段速控制），采用输出可以直接驱动发光二极管的ADC，可以将其输出直接作为PLC的输入，可以减少输入模块，降低成本，而音频—电平可以参照现有电平指示电路即可。

故得出音频转化为PLC的输入设计如下：

A/D

X4P

X3L

X2C

X1

V2

+VCC

KA

VD1

V1

C1

VD3

R1

RP

VD4

R3

C2

D

A

B

C

VD2

图

（二）：

电平指示电路

注意：

该指示电路的电源由PLC自身供给，地与PLC输入COM连接。

C、音乐喷泉PLC程序设计

a、输入输出分配

由于音频采样及控制需4个输入，外加启动与停止共需6个输入输出控制变频器的多段速控制，15段速需PLC4个输出点，外加转向控制一个点，采集控制一个点，共需6个输出点，从而得出下表。

输入

输出

启动

SB0

X0

Y0

模块

转换

X1

Y1

RH

X2

Y2

RM

X3

Y3

RL

X4

Y4

CS

停止

SB1

X5

Y5

STF

b、PLC与变频器接线图

c、输入输出逻辑分析

为了简化PLC程序的设计，如果将输入X1—X4的变化与输出Y1—Y4的变化一一完全相同，则只需要一条MOV传送指令即可实现音乐喷泉的适时控制。

d、变频器参数设置

变频器除了基本参数设置外，为了实现PLC输入控制电机转速，还需进行运行参数设置，PLC输入/输出及变频器运行参数见下表：

PLC输入状态

PLC输出状态

变频器运行

频率f（Hz）

参数号Pr

1

5

Pr.4

8

Pr.5

11

Pr.26

14

Pr.6

17

Pr.25

20

Pr.24

23

Pr.27

26

Pr.232

29

Pr.236

32

Pr.234

35

Pr.238

38

Pr.233

41

Pr.237

45

Pr.235

50

Pr.239

变频器参数设定时要注意Pr.79和Pr.186中参数的修改。

Pr.79应设为3，Pr.186应设为8（变频器型号不同，参数号也不相同），基本参数设置中Pr.9（电子过流保护）应据电机容量设定。

由于泵类负载的转矩与转速的平方成正比，故不能向上调速，只能将频率限制在额定频率以下。

如果将频率调到额定频率以上，将可能烧电机和变频器。

e、梯形图设计

至此，简易小型音乐喷泉设计完毕。

②、话筒音量控制喷泉的设计

只需在图

（一）音频输入端加一个多路转换开关，一路接DVD的音频输出，一路接话筒经放大电路放大后的输出即可。

由于话筒转化为电信号的电平比DVD线路输出要低60—70dB，故话筒电压放大的放大电路放大倍数应设计在1000倍以上。

所以应采用多级放大，设两级放大，放大倍数接40×

40设置，则总放大倍数可达1600。

应该可以满足要求，今采用两级直接耦合放大。

③自动变速程序设计

为了实现喷泉高度变化的多样性和观赏性，决定设计一种单极性正弦曲线变化程序，即水柱高度接正弦规律（单极性）变化。

由于前面音乐喷泉系统已设定了变频器的参数，而使用者一般难以懂得如何操作和修改变频器的参数。

故变频器的参数不宜修改，应与音乐喷泉系统的参数一致。

为了满足水柱变化快慢可调的要求（不同用户爱好不同）。

故各档位运行时间应可修改。

所以采用四按钮用于档位运行时间的增减。

实质是修改数据寄存器中的数值，即定时器的运行时间。

由于前面已用X0—X5，故设定X6、X7作为启动、停止。

X10、X11作为定时器定时时间的增减键。

故得增减时间程序如下：

为了满足用户要求，决定采用单循环与自动循环，依靠一个开关的两个状态来实现控制，设为X12控制。

从而得出自动变速单极性正弦式程序的状态转移图如下：

④、手动变速程序设计

由两个按钮实现手动增速和减速。

由于上面用到了X13，故用X14、X15作为增减速按钮输入。

X16作为手动变速的启动按钮输入，X17作为手动变速的停止按钮输入。

由此得出梯形图如下：

可简化为：

⑤、综合程序设计

对于小型音乐喷泉系统而言，具有上述4种功能已较完备了。

上面是分体设计，每步子程序均有启动与停止，会造成两个方面的困扰：

第一，开关按钮过多，不利于使用者操作；

第二，浪费输入端子，从这两方面原因考虑，可将各程序的启动和停止合并用一个启动与停止。

由于上述运行方式有多种，而各种运行不能并存（即不能同时运行两种及两种以上的功能）。

故应对各功能的选用设置专用选择开关，防止程序出错，使PLC无所适从。

该选择开关应具备下列几档：

声乐控制、自动、单调、手动四个档位。

而启动与停止则各用1个输入，速度增减2个输入，时间长短控制2个输入，加上音乐ADC输出4个输入共需14个输入。

而输出没有变化，故总程序的I/O分配需重新分配。

为了防止程序的修改量最小，故仍选用X1—X4接ADC输出不变。

综合程序的I/O分配如下表所示：

模

数

输

出

声乐档

SA-1

X6

自动档

SA-2

X7

单周档

SA-3

X10

手动档

SA-4

X11

加速

SB2

X12

减速

SB3

X13

延时

SB4

X14

减时

SB5

X15

PLC与变频器由于输出未作改变，故其连接不变。

在此只画出总体程序的PLC接线图如下所示：

各分程序汇总后的综合程序梯形图及指令表见附录。

至此，综合程序设计完毕。

4、程序调试

经上机调试、仿真、监控，程序完成了预计逻辑要求，程序指令表见附录。

五、设计说明

1、该程序的调试与仿真试验是在实验室中进行的，所用变频器和PLC均是三菱公司的产品，故程序语言为三菱公司的（FX系列）。

2、实际应用该系统时，电机功率要求应据水泵要求选择。

变频器功率应据电机功率选择，PLC应据程序输入输出点数要求选择。

同时，考虑留一定的裕量，以备程序扩展时用。

3、本程序的逻辑功能、花样变化不是太多，可能无法满足所有用户的需求。

实际应用时，还可据用户要求增减适量的逻辑要求。

4、如果用户要求两台或两台以上的水泵。

如果没有异步花样要求，可采用一台变频器拖动多台电机，但应保证变频器容量大于各电机容量之和。

5、如果用户对控制面板质量、方便、美观方面要求较高，可采用触摸屏取代所有开关、按钮。

不过成本势必会增加。

同时功能也可以得到扩展。

6、该系统经在实验室模拟，可以达到预期要求，但运用到实际中仍然可能会出现一些问题，但应该不是很难解决。

下一步准备应用到实际中。

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