基于PLC的音乐喷泉控制系统的设计毕业设计论文.docx
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基于PLC的音乐喷泉控制系统的设计毕业设计论文
河南理工大学
毕业设计（论文）任务书
专业班级电科12-2班学生姓名李想
一、题目基于plc的音乐喷泉控制系统的设计
二、起止日期年月日至年月日
三、主要任务与要求
指导教师职称
学院领导签字（盖章）
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）评阅人评语
题目
评阅人职称
工作单位
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）评定书
题目
指导教师职称
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）答辩许可证
答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：
1、设计（论文）说明共页
2、图纸共张
3、指导教师意见共页
4、评阅人意见共页
经审查，专业班同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。
指导教师签字（盖章）
年月日
根据审查，准予参加答辩。
答辩委员会主席（组长）签字（盖章）
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议
学院专业班
同学的毕业设计（论文）于年月日进行了答辩。
根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。
一、毕业设计（论文）的总评语
二、毕业设计（论文）的总评成绩：
三、答辩组组长签名：
答辩组成员签名：
答辩委员会主席：
签字（盖章）
年月日
基于plc的音乐喷泉控制系统的设计
摘要
本文设计的核心为三菱FX2N系列PLC，使用这种PLC能够容易的完成对喷泉系统的控制，并且能够准确的完成控制动作，达到设计的目的。
本文首先根据设计的需要完成喷泉控制的流程设计，然后完成输入和输出的分配，根据这个分配选择合适的PLC完成编程控制，程序编辑完成后对程序进行检查，检查没有问题后开始使用仿真软件进行仿真，证明程序的正确性，确定本次设计的喷泉控制系统能够完成对喷泉的控制。
关键词：
喷泉;PLC;变频器;PLC仿真;
Abstract
Inthispaper,thecoreofdesignfortheMitsubishiFX2NseriesPLC,usingthePLCcaneasilycompletethefountainsystemcontrol,andbeabletocompletethecontrolactionaccurate,toachievethepurposeofdesign.Thispaperaccordingtotheneedofthedesignofthecompletefountaincontrolprocessdesign,andthencompletethedistributionoftheinputandoutput,accordingtothedistributionofchoosingtheappropriatePLCprogrammingcontrol,programeditingtheprogramafterthecompletionofinspection,checknoproblemafterstartusingsimulationsoftwaresimulation,provethecorrectnessoftheprogram,thefountainofthedesignofthecontrolsystemcancompletecontrolofthefountain.
Key words:
fountainPLCFrequencyconverterPLCsimulation
1引言
随着时代的进步,自动化技术进一步的发展，自动化控制设备走进了千家万户，给人们的工作带来了很多的方便，喷泉控制设备作为自动化控制设备的一种，已经广泛的被人么使用，人们也越来越认可自动化喷泉控制设备的发展和应用。
喷泉控制设备控制系统的组成是传感器输入，PLC控制核心和输出模块共同组成，通过传感器的信号给PLC，PLC经过分析后，完成对喷泉的输出控制，这种控制的核心是PLC，使用PLC能够很好的完成这样的控制。
本文使用的这种控制方式控制十分稳定，有一定的实用价值，制作成本也很低，能够满足现代生活的需要。
自动化水平的高低能够衡量一个企业的生产效率的先进性，高效的自动化控制设备能够提高企业的市场竞争能力，一个好的生产企业必须有配套的生产设备，如果生产设备技术水平不够，这样企业的发展就有一定的局限性。
随着我国喷泉控制设备的发展，现代的生产技术能够完成很多的现场控制，这样就促使国内的设备制造企业开始研发新的喷泉控制设备，从而提高企业的竞争。
自动化水平的提高，能够促进生产设备的改进，提高生产效率，保证产品的质量的同时，能够准确的完成控制。
音乐喷泉是根据音乐的输入完成对输出的控制，根据输入的变化完成对花样的控制，喷水高度控制和灯光颜色控制。
音乐喷泉常常采用时序控制，根据动作的需要完成对喷泉动作方式的控制，这样就可以根据人们的需要完成需要的动作方式。
PLC主要采集音乐信号，根据音乐信号的变化完成对变频器的控制，这样就可以完成对水泵高度的控制。
这样现场就可以根据现场的需要实时的完成对音乐喷泉的控制，不需要提供固定的控制方式和音乐信号，各种形式的音乐信号都能完成对喷泉的控制。
图1-1喷泉实物图
1.1控制背景和意义
近几十年来，PLC控制系统已被广泛使用，PLC控制系统的功能越来越完善。
PLC在喷泉控制系统的应用也越来越多，近年来PLC控制系统取得了很大的进步，根据对喷泉控制的需要可以选择不同的PLC功能。
国内PLC控制器仍以常规PLC控制为主，虽然PLC控制系统在国内生产生活的应用十分广泛，但国内的PLC控制器的发展水平仍然不高，同先进国家的差距仍然很大。
我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术。
所以，发展先进的PLC控制技术是我们必须重视的趋势。
随着科学技术的不断发展，人们对喷泉控制系统的要求越来越高，特别是高精度、人性化的PLC控制系统是国内外PLC控制系统发展的必然趋势。
喷泉控制设备是机械的一种，他的技术含量比较高，需要很高的控制要求和环境要求，根据这个需要，我国推出了一种强制的认证CE认证，有了这个认证之后，就需要各地的生产厂家淘汰过去的老的生产线，引进新的智能的自动化生产线来完成生产，这样就能够完成国家要求的强制认证。
例如原来的老的生产线使用继电器控制整个程序的动作，配电盘占很大面积，并且布线是否繁琐，这样就产生了很多危害。
经过设备改进后，使用PLC为控制的核心，能够很好的完成需要的控制。
目前来看，我们的喷泉控制设备行业的年产值大约在20亿人民币，年均增长的速度超过了9%，只能够满足国内生产企业的一部分需求，很大一部分生产设备需要进口，跟发达国家的设备相比，我们的生产的产品功能性和可靠性能够差一些，主要的问题是PLC控制核心不行。
为了挽回这个不好的局面，我国的喷泉控制设备就要完成高精尖的控制，并且跟国际积极接轨，学习国外的先进技术，运用在我国的喷泉控制设备中。
对于喷泉控制设备的差距，主要是机械差距和电气的差距，对于机械的差距主要是引进高精度的加工设备。
电气控制需要使用PLC完成控制，这样就能够减少和国外的差距，赶上国外的脚步。
1.2发展现状
目前，国内在喷泉控制设备研究方面以及技术方面没有达到最完善的效果，从经费、质量、控制方面都还相对落后，技术也不过硬，与发达国家的技术相比相差甚远。
由于国内的喷泉控制设备相对落后，导致很多喷泉控制设备都是从国外进口，增加了成本。
进口设备最大的问题就是以后的维护维修问题，一直都要受他人牵制。
据有效数据研究分析，国内对喷泉控制设备的利用落后于有一些发达国家的水平，但近些年，在技术上有所突破，发展速度明显提高，水平也得到提升，技术程度更上一层。
国外的喷泉控制设备系统主要使用自动化设备完成整体的喷泉控制，这样能过实现高度的自动化。
在中国，由于喷泉控制设备发展的时间比较晚，现在主要使用传统的继电器控制完成散热动作，这样的控制方法比较落后。
国外喷泉控制设备主要是用在发达国家的控制系统中，自动化程度越来越高。
喷泉控制设备为现代工厂控制必不可少的一个环节。
日本以及欧洲大中型生产企业都开始完成对喷泉控制设备的使用。
在欧洲和日韩等地区，喷泉控制设备已经开始变得十分常见。
随着国内的经济发展，喷泉控制设备得到越来越多的应用，这样就促使工厂越来越重视。
国内生产的喷泉控制设备控制比较简单，国内生产的喷泉控制设备的优势是价格比较便宜，但是质量不如国外进口的设备，这样就需要工厂能够实现价格低的基础上，实现更高的质量，质量差的最主要原因就是生产的设备的自动化器件容易出现故障，这样就使得喷泉控制设备不能正常工作，出现问题。
这样就需要一个完善成熟的控制产品，完成对喷泉控制设备的控制，发展一个成熟的产品。
1.3喷泉介绍
喷泉主要可以分为2个种类，第一种是因地制宜，根据现场的环境的不同，现场地形的不同选择合适的喷泉方式；另一种是完全人工制作的喷泉控制系统，这种喷泉系统只需要场地和水源就能够完成喷泉设计，喷泉的种类有很多，喷泉的种类有很多，主要可以分为音乐喷泉、程控喷泉、旱地喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、趣味喷泉、激光水幕电影、超高喷泉等。
根据使用条件的不同可以分为很多种喷泉种类，漂浮式喷泉主要是整个系统完全漂浮在浮箱上，这种控制方式比较简单，能够应用在大型的自然湖泊或者大型人工湖泊中。
跑泉是由多个喷头组成的，按照一定的时序控制完成对喷泉的控制，可以根据需要完成不同形态的喷泉控制，并且可以根据需要使用音乐结合控制和灯光的控制。
2音乐喷泉控制介绍
音乐喷泉的控制主要由PLC和变频器完成，通过音乐的频率信号控制PLC。
通过改变水泵电机的控制频率可以实现水泵转速变化，进而通过水泵的转速变化来控制音乐喷泉的水柱高度变化，实现音乐变化对喷泉的控制。
变频器接受来自经PLC处理的音乐控制信号，输出频率不同的交流电，从而水泵的喷水状态不断变化，实现了喷泉喷水随音乐高低呈现不同的形态。
同时通过PLC控制彩灯，实现彩灯组与音乐节奏的同步变换。
2.1音乐喷泉的原理
本设计的音乐喷泉系统主要是根据输入的音量变化转换为模拟量信号控制程序的动作，根据输入的模拟量变化，PLC完成对输出的控制。
本设计使用FX0N-3A检测音乐信号，音乐信号转换成4-20MA信号输出到PLC模拟量，PLC模拟量根据采集到的信号完成对变频器的控制，完成对喷泉动作高度的控制。
当音乐的声音变大的时候，喷泉的高度就变高，当输入的声音变低的时候，喷泉的高度就变低。
彩灯根据需要完成闪烁速度控制，并且按照红黄绿和青蓝紫2种方式工作，
2.2音乐喷泉控制要求
音乐喷泉控制系统采用三菱PLCFX2N设计控制程序。
要求喷泉的喷水高度能随着音乐频率的变化而变化。
为此，音乐喷泉采用以下方案进行控制设计。
每个喷头安装电磁阀，由PLC控制其开闭以达到喷射花样繁多的目的；不安装电磁阀的喷头直接由变频器控制水泵电机的运转来实现水柱的高低随音乐的变化而变化，亦可实现喷水时水型由无水逐渐升高并保持一段时间后逐渐降至无喷水出现。
本次课题设计主要是完成喷泉控制系统的设计，因为最早的喷泉管理主要靠继电器控制，管理方法比较落后。
随着自动化技术的进步，喷泉管理系统有了进一步的发展，但是刚开始出现的控制系统自动化程度十分低，运行的时候不稳定，并且发生问题的时候很难查找，影响继续使用，根据这些不足，设计出一款依赖PLC控制的自动喷泉控制系统，该设计系统可塑性高，自动化程度高，并且运行安全可靠，达到对喷泉控制的智能化和自动化管理。
2.3PLC控制设计
PLC控制的设备是一种现代设备常见的控制手段，根据PLC的种类不同可以完成不同的控制要求，PLC控制的设备能够实现各种控制的功能，人们根据需要可以选择PLC的控制方式，达到对设备的控制目的。
PLC的编程使用计算机编程，根据不同的需要完成不同的控制要求，计算机编程语言完成对PLC的程序编写十分容易，这样就可以减少编程时候需要的时间，比较容易完成这个控制。
本设计使用三菱PLC完成对喷泉的设计，本设计根据实际的需要完成对程序的控制，使用仿真软件对程序进行仿真，最好验证程序的可行性。
本次设计的使用的PLC可靠性是否高，能够根据需要完成稳定的控制工作，根据这个需要，可以完成本次设计。
对比PLC和单片机的控制方案，使用单片机控制设计的时候，控制的程序不能够非常复杂，如果控制的程序过于复杂，使用单片机控制的稳定性和速度都不能达到PLC设计的标准，这样就需要使用PLC控制。
使用单片机的控制程序控制的灵活性比较小，不能够根据现场的需要，灵活的完成对程序的控制，这样就促使单片机的使用有一定的局限性。
单片机主要适用在小型的控制设备中，比如电视机，遥控机，风扇，空调等小型设备，对于大型设备，比如说机床等都需要使用PLC完成控制。
单片机的特点是加工比较便宜，适合批量生产，有固定的控制程序。
对于PLC来说，PLC是一种常用的控制设备，能够根据使用的需要完成程序的编程动作，这样就使得PLC使用的场合更加的广泛。
PLC的可塑性更好，PLC可以和各种检查模块和通讯模块进行连接，这样就可以根据现场的变化完成各种控制。
2.4设计的主要特点
本设计的控制要求有以下三点，首先是设计的程序需要有一定的创新，其次是设计的可靠性，最后是设计的性价比要高。
本设计的使用的设计方法比较新颖，程序设计完成后，使用电脑完成了对程序的仿真工作。
本设计的主要组成是由多个控制按钮连接到PLC，按钮的输入信号输输入到PLC后，根据这个信号完成信号的处理，控制输出路灯的动作。
本设计的可靠性比较高，可靠性是在系统设计中一个重要的元素，首先要确定设计的可靠性，才能完成系统的设计，使用PLC为控制的核心，能够实现准确有效的控制，达到设计的要求，PLC的控制能够保证控制的准确性和可靠性。
本设计的性价比比较高，当我们需要完成一个设计的时候，首先要考虑设计的硬件价格和稳定性，还要考虑设计的硬件尽量减少，这样就可以压缩成本，产生更高的价值。
的稳定性没有问题，硬件的价格也比较低，这样就可以使用完成控制。
对比其他的控制产品，三菱PLC的准确性，使用的价值更高，并且使用PLC的控制系统，三菱PLC对比其他PLC的控制点，三菱PLC的控制点的价格更低。
这样就可以减少建造的成本，降低资金的消耗。
关于喷泉控制系统的发展，还有很大的空间。
喷泉控制系统想要走的更远，首先要保证系统的绝对优越性，我们在设计控制系统的时候要考虑到其稳定性和灵活便捷性，除了这些还要考虑到成本节约方面问题，毕竟一切生产都是在利益基础上。
由于自喷泉控制系统需要成熟的技术和适合的场地，所以目前很多公园等场合还没有用上这种先进设备。
希望以后喷泉控制系统技术可以上升一层，让这种设备可以被广泛应用。
3硬件介绍
3.1PLC选型
PLC是一种自动化控制产品，他的主要功能是可以使用计算机完成编程，然后根据输入的需要，完成对输出的控制。
PLC还可以使用远程联网控制，实现对现场设备的自动化操作控制，达到远程控制的功能，这样就能够实现把计算机信号转换为工厂需要的继电器信号或者模拟量信号完成控制。
PLC分很多种，根据需要的不同可以分为模拟量控制和继电器控制，根据控制的要求不同，可以分为小型PLC和中大型PLC，根据产品的产地不同可以分为德国三菱和日本三菱等国家的产品，PLC的主要结构有控制核心FX2N、输入和输出端口、扩展模块接口。
PLC电源系统和外部接口等组成。
PLC的工作方式很简单，主要是根据输入的需要完成对输出的控制，首先要使用编程软件完成对应的编程动作，编程可以分为很多种编程软件，但是主要的编程手段是一样的，都是使用继电器，定时器和计数器等完成对输出的控制。
虽然各个厂家的产品不同，但是实现的目的是一样的。
编程完成后，PLC开始控制，首先PLC对输入信号进行采集，根据需要完成输入的读取动作，读取完成后，开始使用PLC控制程序的输出。
同样对于PLC的输出也是根据输入的情况完成输出的控制，当输入开始有变化的时候，输出也开始变化。
这样就完成了对PLC的输出控制。
PLC的输出控制开始后，使用FX2N把控制的输出信号，转换为继电器信号，继电器就可以控制现场设备的工作。
图3-1PLC结构图
PLC的特点有很多，主要的特点是PLC的性能十分稳定，使用PLC的控制系统控制功能十分强大，可以根据现场环境的需要，完成不同的控制功能，并且PLC的操作十分简单，十分适合初用者使用。
PLC还有一个特点是控制的功能十分完善，能够实现各种控制，达到控制的要求完成对设备的控制。
最后PLC的价格也不是很高，能够被工厂接受，这样PLC控制就变得越来越多人使用，应用的范围也越来越广。
①性能高，抗外扰能力强
性能是否可靠是我们选择PLC的根本保证，PLC以自身的生产技术来说绝对过硬，因为其拥有集成电路，内部设计具有很强的抗干扰力，基于这些可看出性能稳不稳定。
对于外部电路而言，PLC和继电器比较，后者电气接线部分多，不能与前者相提并论，所以使用后者差错率就能控制住。
除此之外，PLC本身还具有报警功能，根据需要可以完成报警动作。
对于PLC的使用来说，使用者可以进行自检，也就是编完程序可以通过软件监测，诊断程序，方便查找差错。
②PLC的控制功能十分完善
随着时代的进步，自动化技术的发展越来越快，数字量、模拟量和通讯手段已经变成很常见的手段，这样就需要PLC能够完成这些控制，达到控制的目的。
这样PLC的生产厂家使用外接控制模块完成对这些情况的链接动作，达到联合控制的目的，可以应用到各个领域的自动化行业。
③操作简单方便，容易使用
PLC作为一种语言，很容易被大家学习，PLC的编程语言主要是根据电路图来完成制作，操作是否简单。
对于不同的PLC，编程的方法也不同，但是控制的手段是一样的，只是控制的符号不同而已，容易被初学者掌握。
④系统设计方便
PLC控制程序的变化十分容易，使用电脑或者手编器能够容易的完成程序的变化，这样工厂就可以根据生产工艺的变化，完成对PLC控制的改变，这样就方便了广大的使用者，能够容易的完成程序的编程，达到控制的目的。
⑤小巧轻便的身型，低能耗
PLC属于小型电器件，目前市面上的产品底部尺寸小，重量轻，耗能也低。
由于其身型小巧，可以轻易的放置在设备的预留位置上，这种有点决定了其理想的实用性。
PLC的控制功能非常多，根据不同的控制要求可以完成对PLC的选型动作。
首先对于PLC的选型，需要知道需要那种PLC，国外生产的PLC比如三菱、OMRON、AB、ABB、施耐德和西门子等，国内生产的PLC比如信捷、伟伦和通泰等PLC，本文设计选择的PLC为三菱FX2N系列。
这种PLC是日本三菱公司生产的一种高性能PLC，主要使用在小型设备生产线控制。
这一种小型PLC的性能十分突出，能够达到一般品牌大型PLC的控制速度，并且有很高的稳定性，一般都不容易出现问题。
三菱PLC的扩展模块有很多种，能够完成很多控制的功能，比如说模拟量控制、数字量控制、通讯控制和定位控制，这些控制都可以使用PLC的扩展模块完成对应的控制动作。
三菱PLC的内部有很多继电器和计数器等内部元件，这些内部元件的使用十分方便，并且能够准备的完成控制。
本次设计使用的PLC需要13个数字量输入点和11个数字量输出点，这样就需要使用PLC的本体型号为FX2N-32MR-001型，能够完成控制的目的。
对比其他产品的PLC，三菱PLC的优点有很多，首先三菱PLC的抗干扰能力十分好，主要是三菱的PLC的输入为低电平有效，这样就可以排除很多干扰，同西门子PLC进行比较，三菱PLC的稳定性什么好，并且三菱PLC的输入需要低电平有效，十分容易造成干扰，这样就容易产生很多问题。
其次三菱PLC的价格比较便宜，能够被广大用户接受，经过市场调查，三菱FX2N系列PLC，主体模块为FX2N-48MR型的价格为1200元左右，扩展模块16入16出的价格为600元左右，这个价格比较便宜，能够被用户接受。
最后三菱PLC的输入信号为NPN信号，这样的产品在国内十分常见，比同样的低电压输出型的价格更有优势，方便了外部输入的使用，减少了设备制造的整个成本。
图3-2PLC实物图
3.2信号源
传感器的种类非常多，传感器是自动控制的必须条件，根据输入传感器的变化，可以完成不同的控制功能。
传感器主要是根据检测到的温度、湿度、浓度等物理量，使用这个检测值进行放大处理，得到的变化值就能够完成对信号的采集工作。
传感器可以根据需要完成不同的输出动作，主要可以分为继电器输出、晶体管输出和模拟量输出。
根据使用情况的不同，可以完成不同的功能。
传感器的控制参数有很多种，主要的参数是控制的灵敏度和稳定性。
传感器根据选型的型号不同，控制的功能不同，这样就可以影响传感器的灵敏度。
对于不同的数据处理中（单片机），传感器的灵敏度也不尽相同。
这样就要求选择的传感器的性能要好，能够具有较高的抗干扰能力，具有一定的响应速度，这样才能够完成稳定快速的响应。
这样就可以避免在动态监测的时候带来的误差，当信号发生变化的时候，动态监测就跟着变化，这样就需要很高的灵敏度才能完成检测。
传感器的稳定性主要跟传感器本身的结构有关系，外界环境也能影响传感器的稳定性，这样就需要使用者在使用传感器的时候，按照说明书的需要完成安装和检测工作，这样才能够提供一个稳定的检测手段。
本次设计使用信号从声卡中直接提取，声卡把话筒等声音信号转换为模拟量信号，声卡使用数据装换模块根据需要将声波振幅信号进行采集，然后经过处理放大后完成输出动作。
这种方法采集到的信号变化不稳定，这样对变频器的控制有影响，就需要使用滤波信号完成对信号的处理，这样才能够完成对变频器的控制。
图3-3音乐信号转换器
3.3水泵的选择
水泵的种类有很多种，主要根据需要分为卧式水泵和潜水泵。
根据设计的需要选择合适的水泵，这样就可以降低水泵的成本。
本设计选择潜水泵完成控制，潜水泵的优点是能耗低、体积小、重量轻，不需灌引水，使用、维护及管理方便，能够达到节约水资源的目的，适合喷泉的喷水要求。
本设计中央水泵选用QSP10-13-0.75型号，外围水泵选用QSP10-10-0.55,具体参数如表所示：
表3-2 水泵参数
图3-4水泵实物图
3.4喷泉灯和按钮的选择
本设计的指示灯选择的型号为SD-07，工作电压为交流220V，功率为9*1KW，颜色分为红黄蓝绿青蓝，能够达到完全防水，外部材质为不锈钢制作。
本设计按钮选择GQ12B高强度彩色按钮开关，安装孔尺寸Φ12mm，开关额定值2A/36VDC，开关组合1NO，操作类型自复式，外壳材料锌铝合金，钮头材料PBT，头部颜色有红绿黄蓝白黑等，防护等级IP65/IK08。
图3-5开关实物图
3.5变频器的选择
变频器的作用是根据输入的控制要求，完成对电机转动速度的控制。
当变频器的控制信号发生变化的时候，使用变频器的输出频率的变化完成对电机速度的控制。
变频器主要由整流电路、滤波电路、逆变电路等电路组成。
控制部分包含制动单元，驱动单元和微处理单元组成。
整流电路主要是把交流电转换为直流电，这样就可以使用直流电控制电机转动的速度。
滤波电路的作用是完成对交流变直流的滤波动作，这样就可以得到
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