大型音乐喷泉自动控制系统设计报告Word下载.docx
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PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。
可编程控制器，简称PLC。
它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
具有:
可靠性高、抗干扰能力强。
设计、安装容易，维护工作量少。
功能强、通用性好。
开发周期短，成功率高。
体积小，重量轻、功耗低等特点。
具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。
与继电——接触器系统相比系统更加可靠；
价格上能与继电——接触器控制系统竞争：
易于在现场变更程序；
便于使用、维护、维修；
能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执行机构：
能向中央执行机构：
能向中央数据处理系统直接传输数据等。
因此，进行花式喷泉的PLC控制系统的设计，可以推动喷泉行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。
再者起初的音乐喷泉控制系统就是利用音乐的主要音素（频率、振幅、音色和节拍）控制喷水的花型组合变化、水柱高低、远近变化和灯光色彩组合，其原理是将声音信号转变为电信号，经过放大及其它一些处理推动继电器或电子开关，再去控制设在水路上的电磁阀的启闭，从而达到控制喷头水路的通断。
音乐喷泉是现代科技与艺术的综合，利用喷泉来表现音乐的美感，令人赏心悦目。
目前，有许多采用各式各样的控制系统来实现的音乐喷泉，取得了良好的效果。
但纵观这些音控产品，有的利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花型，且多采用低频、中频和高频三个频段来控制。
缺点是都没有在频域上很好地展现音乐，因此不能很好地体现音乐的内涵。
本项目针对这些问题，提出了一种新的方法来控制喷泉的变化，本设计将通过对音乐音频信号的实时采样，再通过变频器对潜水泵进行变频调速，利用各式喷头的喷射、摇摆、旋转来实现喷泉水柱高低、摇摆幅度、旋转速度来实时地展现音乐的频谱。
1.2论文设计的内容
本设计将在以下几个方面对花式喷泉的控制系统进行研究和论证。
（1）花式喷泉类型的选择。
综合花式喷泉的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究能有三种喷水花样可供选择：
能够控制每环喷水管喷水的高度：
喷水时要有灯光显示；
可以根据不同的季节、不同的场合可改变喷水的花样。
将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变化。
（2）花式喷泉硬件系统的设计。
本课题设计的花式喷泉要求运行迅速准确度高，在花式喷泉的各层检测系统中用用存工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现控制。
由于本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了花式喷泉的经济实用、稳定、灵活、美观的需要。
（3）花式喷泉控制系统软件的设计。
在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计花式喷泉控制的要求，梯形图的编写运用SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，此软件支持全部的西门子S7—200系列的PLC编程，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了维修时间。
1.3论文设计的目的和意义
随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已进入个崭新的时代，其应用越来越广。
而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。
其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。
喷泉的细小水珠同空气分子撞击,能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。
可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最为广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
花式喷泉控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。
通过PLC对程序设计，提高了喷泉的控制水平，并改善了喷泉的样式。
第2章系统控制报告的确定
2.1花式喷泉的概述
喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。
现代城市中的喷泉形式已十分丰富。
随着构筑物的大小及水压等的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈，可分为以下7种。
（1）普通喷泉：
只有简单的几种固定水型及灯光，随着电源的开闭而控制喷泉的运行、水型和灯光变化。
（2）程控喷泉：
（3）音乐喷泉：
程序控制喷泉基础上加入了音乐控制系统，计算机通过对音频及MIDI信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步。
（4）水幕激光喷泉：
将激光器发出的激光束射在水幕喷头喷出的水膜上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多样的图案及色彩，照射在晶莹透明的水膜上，形成斑斓夺目的奇异效果。
（5）水珍珠喷泉：
利用特殊音波将水变成球体的喷水装置和全频高速闪光灯的视觉图像效果的产品组成。
（6）游戏喷泉：
又称感应泉，喷泉水柱根据游人的动作产生反应，而且这种反应具有不确定性，是一种互动式喷泉，增强了娱乐氛围。
（7）跳跳喷泉：
又名光亮泉。
是一种高科技水景艺术，水形似根根晶莹透彻地冰柱，一串串飞向空中，轻舞飞扬。
2.2采用PLC控制花式喷泉的优点
（1）控制方式上看:
PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
（2）工作方式上看:
PLC串行工作，不受制约。
（3）控制速度上看：
PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。
（4）定时、记数看：
PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽：
有记数功能。
（5）可靠、维护看：
PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
2.3系统设计的基本步骤
在花式喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点。
（1）深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。
（2）确定I/O设备。
根据花式喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。
（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。
（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
（5）设计花式喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。
（6）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。
2.4系统控制报告
花式喷泉系统的控制要求如下。
（1）1、2均为外环形状的喷水管，3为内环形状的喷水管，4为星形喷水管。
灯光系统由三条支路组成，分别为绿色灯支路（在l，2之间）、黄色灯支路（在2，3之间）、红色灯支路（在3，4之间）。
（2）该喷泉共有三种花样可供选择。
按下启动按钮，喷泉即开始工作，按下停止按钮，则停止喷水。
喷泉的工作方式（即喷水花样）由选择开关来实现。
（3）该花式喷泉有三种喷水花样可供选择。
第一种花样，4、3、2、1隔2秒依次喷水，一起喷水15秒后停下，在按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水，再一起喷15秒后停下，以此规律循环。
第二种花样，l、3同时喷水，延时3秒后1、3停喷，同时2、4喷水，交替运行5次后1、2、3、4一起喷水，30秒后停止，以此规律循环。
第三种花样，1、2、3、4按顺序延时2秒喷水，然后一起喷30秒后1、2、3、4再分别延时2秒停喷，以此规律循环。
（4）通过变频器可以控制每环喷水管的高度。
在第一种花样中，1、3管为慢速正转喷水，2、4管为中速正转喷水。
（5）灯光系统的控制：
由PLC的X5输入端为灯光系统控制的选择按钮，当需要灯光配合时，接通X5输入端。
此时可实现三路灯光的控制，即3，4任意一层喷水时，红色灯亮；
2喷水时，黄色灯亮；
所有的喷头喷水时，绿色灯亮。
花式喷泉池示意图如图2-1所示。
图2-1花式喷泉池示意图
2.5花式喷泉控制系统的原理图
在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC:
因为有4层喷水，因此用了1个变额器来控制4个水泵。
花式喷泉控制系统的原理图如图2-2所示。
按钮
开关信号
PLC
电源
变频器
水泵
图2-2花式喷泉控制系统原理图
2.6音乐控制原理
2.61乐曲播放
音乐喷泉所播放的乐曲可以从电脑播放器播放，通过功率放大器，将所选歌曲分为两路输出，一路输出到音箱设备，另一路输出到A/D转换模块对音频信号进行采样。
当操作员在乐曲数据库中确定了演示乐曲后，随后启动该驱动器，正确地播放选定的乐曲。
2.62水型与乐曲同步控制
当乐曲开始播放，水型会同步演示。
在上一首乐曲结束和下一首乐曲开始的间歇期间，水型也会保持同步停止和继续演示。
此音乐喷泉控制系统能提供可调整的喷泉延时，使水型与乐曲达到同步的效果。
2.63水型的程序演示
喷泉潜水泵电动机是受控制器内部的程序控制，每一首乐曲可从控制器中相应的找到对应的固定程序数据，并可以将其对应输出。
2.64彩色灯光的程序演示
与水型的演示程序类似，彩色灯光也由控制器系统程序控制。
通过利用喷泉水泵的控制程序，将灯光控制也采用其同样的方法，随喷泉的变化相应的水下彩色灯光也会变化、动作。
2.65水型的节奏随动控制
对于不同的音乐，其水型的跳跃和摇摆是与乐曲的节奏同步的，表演出音乐喷泉的激情和活力。
这种水型的跳跃和摇摆变化也是由A/D对其音频信号采集转换后通过对应的程序所表现出的。
通过变频器对潜水泵实现加速、减速等控制，以达到对不同音乐信号的不同观赏感。
第3章系统硬件设计
3.1可编程控制器（PLC）的选型
3.1.1PLC概述
可编程控制器，英文称ProgrammablcControllcr，简称PLC，木课题中用PLC作为它的简称。
PLC是用于工业现场的电控制器。
它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。
它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。
普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。
而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。
特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题，入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。
PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。
其功能要比继电控制装置多的多、强的多。
PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能。
逻辑处理功能；
数据运算功能；
准确定时功能：
高速计数功能；
中断处理（可以实现各种内外中断）功能；
程序与数据存储功能；
联网通信功能；
自检测、白诊断功能；
可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。
像PLC这样。
有很丰富的功能，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。
3.1.2PLC的选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制报告，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此，工程设计选型和估算时，应详细分析。
工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
（1）输入输出（I/O）点数的估算。
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加1O%～20%的可扩展。
余量后，作为输入输出点数估算数据。
（2）存储器容量的估算。
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不司公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
（3）控制功能的选择。
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
根据本课题所设计控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。
控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。
在线编程方式：
CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。
这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言；
选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
（4）机型的选择。
通过对输入／输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分许。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力、功能更强、可靠性更高等特点。
该控制系统选用西门子S7—200系列PLC，它是超小型化的PLC，它适用于各行个业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7—200PLC的强大功能使其无论单击运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。
S7—200PLC可提供4种不同基本型号的8种CPU。
3.2变频器的选型
我设计的是通过变频器调速技术来控制每环喷水管的高度。
我选用的是FR-S520（S）E系列变频调速器。
3.3水泵的选型
由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确起停，而且其输出功率必须能够精确的进行控制。
我选用品牌为DESHB（德士比）的QYPI00-4.5-2.2喷泉泵。
具有以下优点：
结构紧凑：
无需引水、使用简便：
双端密封、电器保护；
设计合理、性能优良：
经久耐用、安全可靠。
并且水泵出口采用圆法兰结构，电机为F级绝缘，适用于音乐喷泉等场合对电机频繁启动的要求，叶轮具有防松装置，不怕反转。
其实物图见其3-1所示。
图3-1QYP喷泉泵的实物图
3.4硬件接线图
PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。
模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地。
电源部分包括PLC工作电源AC220V，其他输入/输出电源电压均为DC24V。
PLC的外部硬件连接图见附录A。
在整个PLC外部硬件连接图中，包括数字量、模拟量的输入接线和数字量输出接线三个部分：
1、数字量输入
数字量输入点有两个分别为I0.0和I0.1，其中I0.0为启动按钮，当按下I0.0时，PLC进入程序运行状态，并对程序进行循环扫描；
I0.1为停止按钮，当按下I0.1时，系统会停止所有程序的扫描，并能控制到此时无输出，而且同时将所有置位信号复位。
另外，当外部水泵电源线路中过载热继电器保护装置FR出现动作时，也同样可以将PLC系统所有工作立即停止。
2、模拟量输入
模拟量输入通过PLC的扩展插口直接利用数据线连接，不需要另外占用端子排上的端口。
因为音频信号的直接来源于CD、VCD、DVD等设备，而不是通过功放将音频信号功率大后再输入转换模块的，所以，当音频信号以电流0~20mA的形式时，可直接接入模拟量转换模块EM231，通过编制程序可直接从模拟量转换EM231中的变量寄存器中读取数据。
3、数字量输出
数字量输出包括：
变频器和潜水灯两部分。
由于采用的是西门子S7-200系列CPU226型的PLC，根据输出点数可知，需加数字量扩展模块EM222。
图中所示输出Q0.0~Q1.7分别分成8个一组接至相应的4组变频器控制端子，其中STF为启动变频器正转端，高速RH端、中速RM端以及低速RL端为组合调速端，通过三个端子可组合成为7速调节，从而使得潜水泵的速度变化也会相应的跟着有所改变。
另外，数字量输出扩展模块EM222的Q2.0~Q2.7所接为固态继电器，通过控制固态继电器的通断，将改变7组灯光的变化组合，其中Q2.7输出控制主电路电源通断。
系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。
具体的如图3-2，3-3所示。
图3-2硬件接线图
图3-3变频器和水泵的接线图
3.5I/O分配表及估算
序号
输出
说明
1
Y0
电源指示
2
Y1
控制1管喷水
3
Y2
控制2管喷水
4
Y3
控制3管喷水
5
Y4
控制4管喷水
6
Y5
红色灯
7
Y6
黄色灯
8
Y7
绿色灯
9
Y8
中速
10
Y9
慢速
11
Y10
正转
表3-4I/O分配点输出说明
输入
X0
停止按钮
X1
启动按钮
X2
选择开关1的位置
X3
选择开关2的位置
X4
选择开关3的位置
X5
灯控按钮
表3-5I/O分配点输入说明
3.6控制系统I/O口的估算
本设计是音乐喷泉PLC控制系统的设计,根据PLC的I/O节点使用原则,应留出一定的I/O点以做扩展时使用。
在对系统的控制要求进行分析后，可以大概确定系统的输入输出点数。
3.61系统数字量输入所需点数估算
本系统是根据音乐的旋律、音频信号的大小来控制喷泉水柱高低的，所以其数字量输入只需要满足系统启动、停止两个功能。
如表3.1所示
项目名称
输入点数
备注
总点数
喷泉控制系统启动
输入点数：
喷泉控制系统停止
表3-6.1系统数字量输入所需各元器件功能及所占PLC点数
3.62系统模拟量输入所需点数估算
为了将音频信号转化成PLC能识别的数字量信号，这里需采用一个模拟量/数字量转换模块，所以模拟量输入点为1个。
如表3.2所示
模拟量输入点数
音频信号变送模块
音频信号大小
表3-
升级会员 