基于PLC的音乐喷泉系统设计毕业论文Word格式文档下载.docx

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Keyword:

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第一章前言

1.1课题研究目的

以前的音乐喷泉操纵系统所用的操纵方式是，把音频信号一分为二，一份给人们播放听，一份给操纵单元，进行对水泵的操纵，用这种方式来操纵音乐喷泉。

该方式关于音乐喷泉来讲操纵容易，安装简单，可是有个专门大的缺点，那确实是音乐播放快，喷泉跟不上。

那个问题专门大的消弱了音乐喷泉的艺术成效。

在中国此刻有很多的音乐喷泉都是如此的，音乐与喷泉不和谐，这严峻阻碍了我国喷泉园林景观的进展，因此应该尽快找出解决那个问题的方式。

1.2音乐喷泉的研究现状及进展趋势

音乐喷泉愈来愈普及，此刻的城市几乎每一个都有音乐喷泉，因为它是一种超级有观赏价值的人造景观。

这么多的喷泉，造就了喷泉成了一种产业，它能为人们带来超级高的收益。

在喷泉成为产业的同时，国内有很多人看到了商机，因此国内像雨后春笋般的涌现出喷泉设备公司和喷泉一条龙效劳的公司。

天津的爱德华喷泉设计公司、北京的光大安装工程公司、深圳的红发设计、沈阳的腾飞园林景观功能公司、大连的福瑞喷泉等等都是国内超级顶尖级别的喷泉安装设计的公司[1]。

就在这些公司迅速进展的同时，98五、211等高校和一些专门弄园林设计的大专院校也发觉了它的商机，清华大学和东北大学研究的音乐喷泉是超级好的。

其实喷泉的设计好坏涉及到很多方面。

例如喷头、布局、灯光的设计、水型的设计、系统的设计等等。

庞大的一个音乐喷泉需要土木工程、水利工程、机械、自动化、运算机等专业的人士，一起合力完成这一个音乐喷泉。

以后的音乐喷泉，应该是音乐与喷泉结合相当紧密，实时性超级高的，而且要求水型设计多样，喷泉的喷头也能够转变。

因此，本课题着重对音乐喷泉的操纵这块进行了认真的研究。

1.3本课题要解决的问题

设计一个系统响应迅速而且工作靠得住的音乐喷泉系统，而且尽可能的保证音乐与喷泉的同步性，通过对整个系统的操纵，就能够使喷泉随着音乐节拍转变，就仿佛给音乐伴舞，音乐喷泉喷出的水量必然要有乐感。

让人们更好的体会到音乐的内涵。

第二章操纵系统的论证及设计

2.1操纵系统的论证

一个好的音乐喷泉，最最少要具有的功能：

一、音乐播放。

二、喷泉依照固定设计好的方案进行喷水。

三、喷泉依照音乐的转变进行喷水。

四、对照射喷泉的水灯进行操纵。

目前在中国最流行的音乐喷泉操纵系统有4种，其中最流行、最好用的非PLC操纵系统莫属，因此本课题选择用可编程逻辑操纵器操纵喷泉，下面开始论证PLC操纵系统是如何比其他的操纵系统要好[2]。

PLC此刻已经应用到了各行各业，能够说该技术已经到了超级成熟的境界，而且应用超级普遍。

因此愈来愈多的操纵系统选择用PLC操纵，其要紧特点要紧有：

一、硬件靠得住

第一从PLC的硬件的靠得住性来讲，PLC选择最好的元器件、选择最先进的系统、选择最先进的工艺，而且在电路和结构上采纳了独特的方式，利用了光电隔离法，用来排除外界的干扰，与此同时还方便了接地，它还利用了电磁排除法，避免射线的干扰。

而且PLC采纳模块化，再显现错误时方便检查，方便纠正，PLC算是一种抗震、抗扰、抗噪、适应性超级强的PLC。

因此说PLC从硬件角度来讲超级靠得住。

二、软件设计

PLC的软件设计能够说的是一种最简单的语言，它与C语言、C++语言、JAVA语言相较简直确实是太简单了，就仿佛人家是高中课程，你是小学课程一样，可是尽管简单，但仍是要求利用者有些语言基础。

最最少的输入输出是什么得明白。

目前的利用可编程逻辑操纵器的百分之九十的人采纳梯形图语言编程，因为该种语言是面向操纵的、面向所要解决的问题的，超级容易把握，而且梯形图这种语言和咱们平常图纸上画的图超级像，大部份人都能看懂，也都超级喜爱看。

用这种方式还很容易修改，方便编程，很灵活，很方便。

可是略微有点瑕疵的是，这种梯形图语言在PLC的内部有说明程序，毕竟在方便人们的同时，必然要有所付出，增加了程序的时刻。

可是关于操纵设备来讲，这一丁点的时刻是完全在人的同意范围内的。

3、接线简单，通用性好

关于接线这块来讲，PLC是超级有优势的，PLC比那些靠单片机、靠继电器的方式接线简单多了，PLC仅需要把数字量

信号输入设备与PLC相连，或与PLC的扩展模块相连，然后把信号输出设备与PLC相连，如此的接线超级简单，与传统的接线方式相较，它省去了接线和拆线的麻烦，大量的节约了时刻。

因为如此的接线简单使PLC能随意的改变，从而使PLC取得了更广的推行，此刻的PLC还会有自己检查的功能，让它更好的诊断每一个模块说显现的故障,方便与人们排除问题。

4、可连接网络系统

PLC具有超级壮大的功能，它不仅拥用上述功能，它还能够与网络系统连接，它连接的这种网络分为两种[3]。

一种是采纳主从通信模式的低速网络，传速熟虑比较低，大多数为几千波特率到上万波特率，特点是传的远，最远能达到2500米，另一种是采纳令牌传送通信模式的高速网络，传输速度是上一种的1000倍，特点是传的近，最远只能抵达1000米，可是这两种连接网络都能够级连。

而且能够兼允许多种运算机，用这种方式能组成专门大的局部网络[4]。

5、安装简单，保护方便

就PLC的安装来讲，因为PLC比较小巧，因此PLC的操纵箱一样比继电器操纵箱要小的很多，为利用者既节约了金钱有节约了空间，而且PLC超级方便改装，只要把设备的输入输出端准确的于PLC相连就能够够了，而且PLC应尽可能的安装在与继电器近的地址，方便传输，节约接线。

在安装大型的工厂操纵的PLC时，应该选一个好的地址给输入输出点，PLC一样会利用同轴电缆连接CPU，用这种方式的益处是节约空间，省钱，省线还节约资源。

一样情形下，设计好线的布局，然后制造商会派出专业的人员安装。

在刚开始设计PLC的时候，就充分的考虑到PLC的保护性，因此它所用的大部份的元器件都是固态的，方便保护，硬件损坏时，只要将坏的部份换成新的，若是没有新的，及时调整PLC的输入输出端，也是能够的。

人们一样会用PLC自带的自诊断功能来判定PLC的好坏。

也能够自己编程来判定PLC的硬件故障。

PLC除这些优势之外，还有很多优势，只要你安装后，才会发觉PLC还具有其他的优势，会成心想不到的作用，那个只有在你显现问题时，PLC壮大的功能会全面的展现出来。

2.2操纵系统的整体设计

本课题设计的这款音乐喷泉，它总共由4大部份组成，这4部份由里到外，由低到高。

最外边的一层是通过110个喷头组成的跑泉，喷泉高度大约3米，这是第一部份。

第二部份是由70个喷头组成的跑泉，喷泉的时候高度略微比外圈高了一些大约5米左右，第三部份由两个三角形喷泉组成，这两个三角形距离中心的距离相等，他们别离由3个喷头组成，喷泉喷射的高度大约8米，本课题中也称为副水柱。

第4部份由6个喷头组成的同心圆组成，喷射的高度大约12米。

是该喷泉喷射高度最高的地址，在本课题称它为主水柱。

本课题中的音乐喷泉总共需要5台水泵，4台变频器。

第一部份需要一台10千瓦的水泵和一台变频器，第二部份需要一台15千瓦的水泵和一台变频器，第三部份由两台10千瓦的水泵和一台变频器组成，第四部份由一台20千瓦的水泵和一台变频器组成。

固然灯光是不能少的，若是没有了灯光，喷泉就没有了生命力，本课题中

的喷泉用了4种颜色的的灯光，别离是红、绿、黄、蓝色的灯，在第一部份与第二部份中间各有16盏灯交叉放置，第二部份与第三部份中间放了12盏灯，这四种交叉放置。

第三部份与第四部份中间放置了4盏灯，一种颜色一盏，四个方向颜色不同。

整个音乐喷泉的平面图如图1所示。

图1音乐喷泉的平面图

这一次设计的这款音乐喷泉，对操纵系统要求比较严格，操纵功能复杂，而且要求系统能够实时操纵。

而且要保证操纵系统的靠得住性，因此采纳了模块化，我设计的喷泉系统由PLC模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、变频器模块组成。

这次设计的喷泉操纵系统的结构图如下面的图2所示。

图2喷泉操纵系统的结构图

喷泉的操纵系统以PLC为操纵核心，其流程如下，第一音乐通过音箱进行播放，然后进行音乐信号的放大和搜集，搜集完毕后，送入由I/O扩展模块组成的模拟量输入接口，再由I/O扩展模块送入PLC进行运算处置，PLC处置完后再将信息通过I/O扩展模块的模拟量输出口输出，输出给变频器，变频器通过该信号操纵水泵，水泵通过操纵水的流量操纵喷头，从而使喷泉具有乐感，跟音乐一路波动。

与此同时PLC还操纵灯光，抵达灯光与喷泉相结合的艺术成效。

第三章系统信号搜集及硬件的应用

3.1音乐信号的搜集

3.1.1音乐的性质及大体乐理

音乐是其中不可缺少的部份，因此音乐的知识不可缺少，音乐其实确实是有规律的振动发出的音，所有的声音都是由振动产生的，听着悦耳的声音，确实是比较有规律的振动，无规律的振动那个就叫做噪声。

声音又分为纯音和复合音[5]。

那个超级好明白得，纯音确实是专门纯正，只有一个音调，复合音确实是由多个纯音组成的。

声音那个东西有很多特点，其中起决定性作用的有音长、音色、音高和音强。

它们别离与发声体振动的频率、持续时刻、振幅和频谱散布等物理量相对应[5]。

越长的声音，振动的时刻越长，越短的音振动的时刻越短。

音色是由发音的物体决定的，比如每一个人说话的声音不一样。

声音越高说明发音物体频率振动快，声音越低说明振动的频率越低。

音的强弱又叫做声音的力度，音的强弱取决于振动的幅度，你振动的幅度越大，声音就越大[9]。

反之也是那个道理。

3.1.2采样定理

本次设计的音乐喷泉需要实时通过音乐来操纵喷泉，为了达到实时那个要求，因此就要对音乐进行采样，因为音乐是模拟信号，要求实时因此需要一种开关频率较高的脉冲进行取样，它的原理是用脉冲的幅度来表示音乐的信号的强度。

在取得音乐信号后第一要进行滤波，因为音乐的频率是有必然的范围的，通太高通滤波、低通滤波器把其中的干扰去掉，然后在进行信号的放大，因为咱们所搜集到的信号是很小的。

直接给PLC,PLC也无法收到，也就无法进行运算处置。

放大以后还要进行A/D转换，因为机械只能识别像二进制如此的代码，因此就需要将搜集到的信号进行离散化。

采样定理的提出者香农，曾经说过如此的一句话“若是要对一个模拟信号离散时，必需要知足采样频率等于或者大于被采样信号最大的频率fm的2倍那么大才能够，如此就能够够通过适当的低通滤波、高通滤波装装置，从样本值里的一串信号中完完整整地恢复出原先的信号”[6]。

它因为那个定理很出名，后来人们为了纪念他，将那个频率又叫做香农频率。

在进行采样的时候，选择频率超级的重要，频率决定着周期。

因此要选择一个适合的频率，依照香农定理，它一样比信号频率要高出一倍左右。

3.2喷头的选择

设计喷泉其中的第四部份，也确实是喷泉的最中心的部份，它是整个喷泉的核心，因此这部份喷头的选择应该大号的直喷头。

直喷头喷出的水量不仅多，而且要有强度，压力大，要给欣赏人一种怒放的感觉，这种喷头喷出的水奔放漂亮，就像东北人属于比较豪放的感觉。

这种喷头也能够改变喷射的方向。

因为这种喷头要接触水，因此材质要耐水的侵蚀，还有确实是经受的压力大，因此选用铸铜、和不锈钢的直喷头，如图4所示。

图4直喷头结构图

本次设计喷泉的第三部份，位于第四部份的两边，该部份的喷泉喷射的高度比第四部份的喷泉喷射的高度低了4米，因此该部份喷射出的喷泉应该比第四部份的细，流量小一些，因此选择了中型号的直喷头，这种喷头也能够调剂喷射的角度，它喷射的给人感觉，比较流畅，比较适中。

因为这种喷头要接触水，因此材质要耐水的侵蚀，还有确实是经受的压力大，因此选用铸铜、和不锈钢做喷头，如图5所示。

图5中型直喷头结构图

设计喷泉的第二部份，它位于里圈跑泉的位置，跑泉是组成喷泉必不可缺少的部份，他能进行多种形状的转变，让你们感到变幻莫测，激起人们的好奇心，这种喷泉需要喷射的高度低，因为高度低，因此喷泉水柱就会粗，显得像大理石柱一样，在加上上灯光的组合，超级的壮观，超级的漂亮。

而且喷射的时候能把水池中的水带出来一小部份，优势像大树一样，因此这种喷泉又叫树状喷泉头。

这种喷泉头的材质也是由铸铜、不锈钢组成的，如图6所示。

图6树状喷头结构图

设计音乐喷泉的第一部份，它位于整个喷泉的最外层，它也是一层跑泉最外面的这组跑泉喷射的高度很低，它要紧为了凸显里边喷泉的高度，显得整体有层次感，这部份选择的喷头叫做珍珠喷头，如此的喷头喷射的时候很低，就像涌泉一样。

专门好看，很饱满，它喷出的水柱夹有很多气体，从远处看，有点像在云间一样。

该组喷头的材质也为铸铜和不锈钢，如图7所示。

图7珍珠喷头结构图

3.3水泵的应用

3.3.1水泵的要紧性能参数及运行特点

水泵在咱们平常的生活中到处可见，水泵在咱们的日常生活中早就成了不可缺少的一部份，大部份人对水泵都不是很了解，可是关于咱们弄操纵的人来讲，水泵必需十分的了解。

水泵的性能参数有流量、扬程、功率、效率，转速，有的高级水泵还有表示汽蚀参数的能力，而且这些参数都反映了泵的整体性能，下面具体说明下各性能参数：

1、流量

流量确实是泵体在必然的时刻内所输出的液体数量，还有的用所流过的液体的重量表示，它经常使用的符号Q表示[7]。

2、扬程

扬程确实是指在用泵的进程中，液体由进到出后所取得的能量，一样都装化为距离，扬程大的水泵，做的功就多，泵的扬程用H表示。

3、功率与效率

评判一个泵的好坏，最有效的确实是比泵的功率和效率，泵的功率分为3种，这3种包括有效功率，轴功率，原动机功率。

由泵流出的液体所取得能量，叫做有效功率。

一样大功率的泵都是由一台电机和一个泵头组成，电机通过轴带动泵，轴上的功率确实是轴功率，电动机的功率确实是原动机功率。

一样要配置较大的泵，事前留出余量。

效率是指有效功率与原动机效率的比值。

4、转速

转速确实是指泵里边的轴的每分钟转的圈数，它用符号n表达，它的单位为r／min[8]。

5、泵的并、串运行特点：

只有当水泵的扬程都相同的时候，泵才能并联，泵的并联的益处是能够增加液体的流量，能节约很多时刻。

只有当泵的流量差不多的时候，泵才能串联，泵的串联的益处是能提高泵的总扬程，扬程大，流出的液体能量高，喷的距离远。

3.3.2水泵的分类

随着中国的不断进展，此刻的水泵的样也愈来愈多，还有很多泵是专门针对某些特殊用途的专用水泵。

例如此刻有、离心泵、水轮泵、真空泵、往复泵、罗茨泵、计量泵、等等。

这些泵的名称叫法没有具体的归类，可是大致可分为两类，分为叶片式和容积式[9]。

还有很多的是依照用途分的，例如消防泵、医用泵。

此刻只要你能设计出来，通过了国家的审批，就能够产出一种新式的泵。

就泵来讲，国内的泵的种类远远超于外国的泵，可是国外的泵的质量比咱们国内的泵的质量略微好一些,也更周密一些。

把泵按结构分：

一、容积式

容积式的水泵是利用带活塞的缸，通过来回推动活塞，使缸内的的容积交叉转变，来把液体带进来，带出去。

识别如此的泵的方式很简单，如此的泵一样都有缸体。

如往复泵。

二、叶片式

叶片式的泵是利用叶片，带动旋转，改变气压，或带动液体转的到能量。

这种泵的应用比较多，大到工业用的水泵，小到农村家水泵，都是看得见如此的叶片式泵。

叶片式的泵还能够细分为很多种，离心式、轴流式、混流式等等。

一样带有叶片的泵都是叶片泵。

如潜水泵。

3.3.3水泵的工作原理

一、离心式泵的工作原理

离心式的泵是通过叶片飞速的旋转，

叶片被装在一个螺旋状的半封锁的空间里，随着叶片的旋转，空间里的空气别变得稀薄，如此液体就会被抽送上来，叶轮转的越快，液体流出的越快。

二、轴流式泵与工作原理

轴流室内泵的工作原理是利用，叶片在旋转的时候会产生一个像前的推力，就像船的螺旋桨一样。

叶片的飞速旋转，产生推动力，让流体有了动能和压能。

这种轴流式式的泵适用于大型的循环水泵。

三、往复泵的工作原理

往复泵的工作原理有点像小汽车的发动机，它一样都会有一个缸，有一个连动杆，它带动杆在缸内做往复运动。

如此的一进一出，就带动液体流出了。

这是一种相对简单的泵，因此在咱们平常的利用中较少。

四、环式真空泵的工作原理

环式真空泵在利用之前必需得灌满水，它在设计时候，故意把叶片在泵壳内装偏，当叶片旋转时，叶片也会产生离心的成效，水打在了泵壳内壁，慢慢会形成一个水环，那个水环会与叶轮相切。

那个泵利用泵壳与叶轮不同心，致使泵壳内会慢慢分成两部份，一部份为一半为水，一半为真空，水被排至外边。

空气的那部份会继续压制其余的水进入泵内。

五、罗茨真空泵工作原理

罗茨三兄弟发明了罗茨真空泵，它还利用了那个泵的原理发明了一种鼓风机，超级的出名，罗茨发明的这种真空泵，泵内有一个封锁的空间，有一对叶型转子，当这对叶型转子同方向时会把液体带进泵内，当这对转子方向相反时会把液体排除泵，罗茨泵的工作原理方式比较超前，设计独特。

有很多优势，

大多数情形下，罗茨泵的优势有一下几点：

一、罗茨泵不像离心泵那样，得把液体搅起来，罗茨泵的叶片直接转就能够当即把液体喷射出来；

二、对被抽送的液体没有特殊的要求，应用普遍；

3、罗茨泵的转子是待在所抽的液体中因此没必要润滑；

4、罗茨泵采纳对称形状的叶片，因此驱动功率小，振动小，机械摩擦损失小，噪声就小；

5、罗茨泵独特的结构特点，不用排气阀，节约成，本运转保护费用低；

因为罗茨泵有这么多的优势，因此罗茨泵在各行各业，像冶金业、石油化工业、电子工业都用到了罗茨泵。

六、喷射泵工作原理

喷射泵属于流体动力泵，平常很少见，它一样借助另一种物体，它通经常使用来抽吸易燃易爆的流体，喷射泵一样由喷嘴、正空室、扩大管组成，喷射泵工作时，液体会从喷射泵告知喷出，从而在真空室形成抵押环境，如此使液体又被吸进真空室。

它一样分为水蒸气喷射泵和空气喷射泵，水蒸气的喷射泵消耗的是水蒸气的能量，空气喷射泵利用的气体，大部份情形下要有空气紧缩机。

3.3.4喷泉专用泵

一、喷泉专用泵的工作原理

喷泉专用泵是专门为喷泉设计的一款水泵，喷泉专用泵在开泵在之前，一样会要求泵内和抽水管充满水，因为喷泉一样会安在水池或胡泊里。

那个比较好实现，充满液体后，电动机带动叶轮以超级快的速度旋转，泵内的液体被打在泵壁上，慢慢就会形成一个真空区，在那个真空区气压很低，外面的水池压力又专门大，如此水就会被压进来，若是水泵放置的越深，压力越大，喷施的高度越高[10]。

二、喷泉专用泵的特点

一、这种喷泉泵是放在水中的，因此放侵蚀性能超级高。

喷泉专用泵的外壳一样都是用不锈钢制成，外边还刷了绝缘漆。

二、这种水泵是利用水面的大气压往里灌水的，具有自动进水功能。

3、这种喷泉专用泵利用定电位接地的方式来避免漏电。

4、这种喷泉专用泵，因为是在水下放置，密封性要求高。

五、这种喷泉水泵冷却方式利用循环充水来解决。

三、喷泉专用泵的利用条件

1、喷泉专用泵全身都是在水中运行的，可是下潜的高度与泵身的材料有关，一样在0.5米和5米之间。

具体情形具体分析。

2、喷泉专用泵抽送的水的水温不能太高，最高耐温40度。

3、喷泉专用泵在水下工作，密封性要求高，泵外还涂有专用漆，因此要求液体PH值为6.5~8.5。

水体含沙量低。

4、喷泉专用泵对电源也有要求，要求三相电源50HZ。

而且要配有相应的启动爱惜装置。

3.4变频器的应用

3.4.1变频器的工作原理

变频器确实是把咱们平经常使用的50HZ的交流电变换成别的频率的电，因为目前电动机用变频方式调速的方式用的最多，因此变频器取得了专门大的进展。

变频器此刻流行的变频方式是交-直-交方式，那个地址边的直流电是通过整流的方式取得的。

大部份的变频器由4部份组成，这4部份别离是整流模块、直流模块、逆变模块还有操纵模块组成。

三相交流异步电机的转速公式为：

n=60f（1−s）/p

（1）

在那个式中：

n表示的是三相异步电机的转速；

f表示的是三相异步电机的转动频率；

s表示的是三相异步电机的转差率；

由公式1能够看出，要想改变电动机的转速，有两种方式，改变电机的磁极对数，或改变频率，磁极对数关于造好的电动机来讲，很难改变，能够说磁极对数是天生的，因此咱们只能从频率上下手，因此只能用调剂频率的方式，变频器是调剂电动机频率最不可缺少的一部份。

下面简单的描述一下变频器的工作方式，第一步先把50HZ的交流电利用整流桥如此的元件变成直流电，在利用全桥逆变电路转换为交流电。

变频器是用可控硅做成的可调装置，这种变频器包括由4大电路组成，这4种电路是，整流电路、平