王守谦基于plc的音乐喷泉毕业设计.docx
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王守谦基于plc的音乐喷泉毕业设计
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唐山工业职业技术学院
毕业设计（论文、创作）说明书
题目基于plc的音乐喷泉系统设计
系别机电一体化班级12机电14
指导教师董诗绘
2015年3月3日
唐山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）
目录
摘要…………………………………………………………………………2
关键字………………………………………………………………………2
一、概述……………………………………………………………………3
1.1音乐喷泉的背景………………………………………………………3
1.2音乐喷泉的概念………………………………………………………4
二、功能需求分析…………………………………………………………5
2.1设计方案………………………………………………………………5
2.2硬件设备………………………………………………………………8
三、系统软件综合设计……………………………………………………21
3.1plc梯形图……………………………………………………………22
四、设计总结………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………………26
摘要
随着人们的生活水平的日益提高,科学技术的日新月异，一些必要的美化设施逐渐兴起，各式各样的广场花园越来越多，喷泉作为一项建筑欣赏艺术，在国内外均有较悠久的历史。
目前的水景喷泉一般包括：
固定水景、时控喷泉、程控喷泉、声控喷泉、音乐喷泉５类，控制方式的复杂程度由低到高。
使用ＰＬＣ控制音乐喷泉，具有使用方便、运行可靠、控制程序设计简单等优点，若需要改变喷水花样和喷水时间，不必做很大调整，只要相应修改控制程序，即可实现控制目的。
音乐喷泉形式多样，常常能吸引人们的眼球，同时水又增加了环境的灵动性，音乐喷泉已经成为人们建造各类娱乐广场的必需设施。
那些控制简便，花样较多，价格低廉的喷泉慢慢成为建设者的首选。
现今，音乐喷泉的制造，延袭传统，结合现代，正日益成为人们或出于对环境的追求，或为了居室的美化，等等，而得到众多品位人士的追求。
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。
喷泉景观概括来说可以分为两大类：
一是因地制宜，根据现场地形结构，仿照天然水景制作而成，如：
壁泉、涌泉、雾泉、管流、溪流、瀑布、水帘、跌水、水涛、漩涡等。
二是完全依靠喷泉设备人工造景。
这类水景近年来在建筑领域广泛应用，发展速度很快，种类繁多，有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影等。
喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。
园林中的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。
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。
因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。
现代高科技把美妙的音乐、多姿的喷泉造型、五彩缤纷的水下灯光、神奇的激光图文，通过电脑有机的结合在一起，给人以音乐声响、视觉形象、色彩变换三位一体的超自然享受。
随着科学技术的不断发展和生活水平的不断提高，尤其是喷泉在城市和社区环境建设中起着尤其重要的作用。
当今喷泉工程和高新技术的结合正是历史发展的必然趋势，由于喷泉工程中采用了大量的高新技术，从而使喷泉效果更加绚丽多彩，婀娜多姿，令人赏心悦目、流连忘返。
本设计课题旨在设计的过程中，培养广泛的学习兴趣，涉及更多的知识领域，无论是在课本的学习中所学到的还是在其他的资料中所参考得到，都要把它变成自己的知识加以巩固和学习，从而达到设计的初衷。
关键词：
可编程控制器（PLC）变频器水泵电磁阀音乐喷泉
一、概述
1.1音乐喷泉的背景
国内在二十世纪八十年代以前，喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细节，从设计到产品制作，工程安装都没有形成规模。
只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的。
二十世纪八十年以后，随着国民经济的恢复和发展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造的过程中，以及环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了求新的要求，一部分建筑、园林、水利的设计院、研究所及大专院校，综合了土建结构、给排水、机电控制等传统的专业技术，加上当时先进的单片机，通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出一批喷泉、水景。
得到了良好的社会反映和社会效益。
在这个时期，一些喷泉设备专业加工厂和公司开始组建、发展，为喷泉的专业化发展提供了力量，打下了基础。
二十世纪九十年代以后，社会主义市场经济快速发展，全国城市建设速度加快，人们也追求高质量的文化生活和环境美。
市场的需求推动了喷泉行业的发展。
喷泉走出公园、园林的围墙和广场的中心，深入延伸到人们的各个社会活动场所。
许多喷泉专业的生产厂商和专业公司，在这段时间内应运而生，迅速发展起来。
专业技术人员把计算机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中，把喷泉行业的技术水平推上了一个新的层面，开拓了广阔的应用空间，喷泉行业得到了快速发展。
2001年中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会成立了水景喷泉专业委员会，行业组织为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、公司提供服务，促进喷泉行业健康有序地发展。
一些大学和中专的建筑、园林专业也开设了水景、喷泉课程，为喷泉行业的今后发展提供了知识储备。
喷泉行业的发展进入到一个新的阶段。
人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，开拓了喷泉的应用范围。
我们可以看到：
适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取，凝聚向上的感受。
在商业广场、购物中心以及一些景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。
河、湖自然水面上喷水高度超过百米的高水柱喷泉，其雄伟、壮观的水造型往往成为这个城市或旅游景点的特征之一。
喷泉进入了住宅小区，多与建筑小品和雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足的形式。
松弛、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受。
商场内、酒楼里的喷泉小巧、别致，既调节了室内小气候，又增添了画意。
依托大型建筑物和自然地形建成的人工瀑布及溢水造景给人们以清新和另有韵味的感受。
喷泉在电视转播厅和大型歌舞上频频出现，调谐得当的水形烘托着演出的效果。
精巧的微型喷泉进入了办公室和居室，给室内增添了动态的装饰。
喷泉是艺术和技术的结合物，建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计、创作中。
不少成功的作品都注意喷泉的设计风格与周边的环境、建筑物风格的协调一致，注意当地人文、文化心理，所以好的方案设计是至关重要的，它是成功的起点。
在喷泉方案的制作上，短短的几年时间就从手工制图发展到photo shop图片再发展到三维动画制作的光盘描绘的动态喷水方案，计算机技术极大地丰富和开拓了人们的思维空间。
快速、直观、便于保存、易于修改的优点很快地就被建设方接受，成为喷泉设计方案招投标的必备内容。
喷泉的专用产品，设备也在不断地更新换代，新材料、新技术的采用，环保型的产品更加安全、可靠，售后服务周到、及时，这些都为喷泉的良性发展提供了技术支撑，使得大多数的喷泉在美化环境之外，还发挥了良好的生态效应社会效益和广告效应等间接的经济效益。
1.1音乐喷泉的概念
音乐喷泉是通过千变万化的喷泉造型，结合五颜六色的彩光照明，来反映音乐的内涵及音乐的主题，一座好的音乐喷泉，水形的变化应该能够充分地表现乐曲。
音乐喷泉是在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，计算机通过对音频信号的识别，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，从而达到喷泉水型、灯光及色彩的变化与音乐情绪的完美结合，使喷泉表演更加生动更加富有内涵。
音乐喷泉：
可以根据音乐的高低起伏变化。
用户可以在编辑界面编写自己喜爱的音乐程序。
播放系统可以实现音乐、水、灯光气氛统一，播放同步。
软件利用音乐文件的物理波形，将其分为若干乐段，精度达十毫秒，并且自动识别震撼、思念、抒情、喜悦、激昂、悲哀、欢快、热烈等乐曲的基本情感特征，转换为控制信号，经过同步处理后通过信号输出卡输出到外围具体控制单元，即根据水型组态规则控制潜水泵、电磁阀、水下彩灯和变频器等执行机构，将视觉感受与听觉感受融为一体。
当人们感受各种音响时，会不自觉的把这些听觉感受和其它非听觉器官的感受联系起来，这种现象称为联觉，属于一种异质异构多一同态对应现象。
一般情况下，高音区的音符经常和明亮的视觉感受、积极或快乐的情态感受等联系在一起，低音区的音符经常和昏暗的视觉感受、消沉或哀伤的情态感受等联系在一起；舒缓的节奏容易让人感受到开阔的空间或较为平静的情绪，而急促的节奏则容易让人感到空间狭窄、情绪躁动等。
喷泉曲目的编配就是根据联觉现象来组态各种水型，好比编导一场舞蹈一样，为使演出成功，导演需要考虑舞蹈演员以何种体态动作来表现音乐的情感魅力。
二、功能需求分析
2.1设计方案
图2-1总体设计结构图
喷泉工作分步控制效果显示图如下
图2-2喷泉效果图
当音乐频率为高音时先有中心点，五角星形图案喷头同时工作（如上图）。
图2-3喷泉效果图
当音乐频率为中音中心点、心形图案喷头同时工作。
如上图所示。
图2-4喷泉效果图
当音乐频率为低音时中心点，圆形图案喷头同时工作。
如上图所示
2.1.1音乐喷泉布局结构图介绍
本布局结构图共分为4组，分别是中心点、心形图案、五角星形图案以及圆形图案，分别按照PLC编程控制（音乐频率的高中低）相互配合工作，以达到最佳效果。
本设计方案图共有喷头70个，已达到完美设计效果和视觉效果。
本布局结构图所示。
布局结构图中中心点有一个喷水管该喷水管所喷出的水柱为4组喷水管最大，喷射高度为4组喷水管最高为8（m）。
布局结构图中喷水管所处的心形图案上由14个喷水管组成，该组喷水管所喷出的水柱为比中心点的水柱略小，所喷高度比中心点的高度略底，所喷高度为6（m）。
布局结构图中喷水管所处的五角星型图案上由35个喷水管组成，该组所喷出的水柱比心形图案的水柱小，所喷高度比心形图案水柱低，所喷高度为4（m）。
布局结构图中喷水管所处的圆上组由25个喷水管组成，该组所喷水柱为4组中水柱最小，所喷高度最低的一组。
所喷高度为2（m）。
为了在每组喷水管工作时能够更好的欣赏，能区别4组所喷出的水柱，所以心形图案所处的半径为R=2（m），五角星图案所处的半径R为2-6（m），圆形图案所处的圆的半径为R=6（m）。
本设计中中心点喷头所喷的水柱最高，本设计中4组喷头所喷的水柱高度为 2-8（m）。
本设计的最多时有中心点，心形图案，五角星形图案三组喷头同时喷出水柱，最QY系列潜水泵QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三部分组成。
电泵的上端，多为离心式水泵；下端为三相鼠笼立式异部电动机。
电机全部采用优质整圆硅钢片，效率高，耗电少潜水深度不超过5米水温不超过+40℃。
流量：
10-300（m3）。
QX系列潜水泵工程潜水泵泵电一体，结构紧凑，非常适合于基建及矿山的搬运和安装无需引水，使用简便双端密封，电器保护设计合理、性能优良、几无噪音。
流量：
5-20（m3）
QJ系列潜水泵电机与水泵直联，机组全部潜入水中工作，具有结构紧凑、安装、维护方便、体积小、重量轻、高效节能等特点。
工作条件1、工作介质为清水或化学性质类似于清水的液体。
额定扬程：
150米额定流量：
10立方米小时。
从该喷泉所需的扬程、流量、水质、价格等方面考虑该喷泉选择QS系列的潜水泵。
如下图所示。
图2-5水泵图
潜水泵使用注意事项
①、安装漏电保护器
漏电保护器也叫保命器，它的作用从“保命器”这三个字就可以理解。
因为潜水泵在水下工作，容易漏电造成电能损失甚至引发触电事故。
如果装有漏电保护器，只要潜水泵漏电值超过漏电保护器的动作电流值（一般不超过30毫安），漏电保护器就会切断潜水泵的电源，避免漏电浪费电能，确保安全。
②、电源电压异常莫开机
农村由于低压供电线路比较长，线路的末端电压过低是常有的事。
当相电压低于198伏，线电压低于342伏时，潜水泵电机转速下降，当达不到额定转速的70%时，启动离心开关会闭合，造成启动绕组长时间通电而发热甚至烧坏绕组和电容器。
相反，电压过高引起电机过热而烧坏绕组。
因此，潜水泵在作业中，操作者必须随时观察电源电压值，若低于额定电压10%以下，高于额定电压10%以上，应使电机停止运转，找出原因并排除故障。
③、避免频繁开关
不要频繁地开关潜水泵，这是因为电泵停转时会产生回流，若立即开机，会使电机负载启动，导致启动电流过大而烧坏绕组。
由于启动时电流很大，频繁启动也会烧坏潜水泵电动机绕组。
④、莫让潜水电泵长期超负荷工作
为避免潜水电泵长期超负荷工作，不要抽含沙量大的水并随时观察电流值是否在铭牌上规定的数值，若发现电流过大，应停机检查。
另外，电泵脱水运行的时间不宜过长，以免使电机过热而烧毁。
⑤、电机的旋转方向要正确
应搞清电机的旋转方向，现在有许多类型的潜水泵正转和反转时皆可出水，但反转时出水量小、电流大，其反转时间长了会损坏电机绕组。
⑥、电缆线安装与潜水电泵的绝缘电阻要求
安装潜水泵时，电缆线要架空，电源线不要太长。
潜水泵下水或提出时切勿使电缆受力，以免引起电源线断裂。
潜水泵工作时不要沉入泥中，否则会导致电机散热不良而烧坏电机绕组。
安装时，电机的绝缘电阻不应低于0.5兆欧。
⑦、勤查勤看发现问题及时修复
平时要经常检查电机，如发现下盖有裂纹、橡胶密封环损坏或失效等，应及时更换或修复，避免水渗入潜水泵。
2.2.3喷头
喷头的分类
喷泉的喷头分为可调直流喷头、涌泉喷头、集束喷头、旋转喷头等等，种类繁多，喷出的水型也各不相同。
本音乐喷泉喷头的选择
①中心点喷头的选择
中心点位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以中心点喷头选择直上喷头。
直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。
该喷头也叫中心喷头。
可调节射流的方向。
喷头材质：
铸铜、不锈钢。
如图所示。
图2-6喷头实物图
图2-7喷头效果图
②心形图案喷头的选择
心形图案位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比中心点所喷出的水柱稍细比中心点所喷的水柱要低。
所以我心形图案的选择是集束喷头，该喷头由多个直流喷头组合而成，直射喷头口径大小可确定喷头的出水量及高度，它可以作为整个喷泉的主喷（仅次于中心点），也可以由多个集束喷头组合成不同的排列。
本文采用的集束喷头是中间小，四周大的喷头组合方案。
中间的小喷头在同样的压力下，喷出的水柱较之周围的大喷头要高，要细，可达到最佳的视觉效果。
材质：
铸铜、不锈钢。
如下图所示。
图2-8喷头实物图
图2-9喷头效果图
③五角星形图案喷头的选择
五角星形图案位于第三层的位置，所喷出的水柱应该比心形图案所喷出的水柱稍细比心形图案所喷的水柱要低。
所以我五角星形图案选择可调直流喷头。
可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球形接头， 可沿垂直方向向15度进行调节。
可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果，射流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小决定。
喷头材质：
铸铜、不锈钢。
如下图所示。
图2-10喷头实物图
图2-11喷头效果图
④圆形图案喷头的选择
圆形图案位于该喷泉的最外侧，水柱所喷高度应该最低，水量应该较大，择所喷水柱比较灵动。
所以选择涌泉喷头。
涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。
喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，水沫轻溅，古朴灵动。
加气喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷出的水柱呈白色不透明状，反光效果好。
喷头材质：
铸铜、不锈钢。
如下图所示。
图2-12喷头实物图
图2-13喷头效果图
2.2.4阀门的选择
喷泉常用的阀门有球阀、蝶阀、闸阀、止回阀、水下液压阀、水下电磁阀、 水下数控阀等。
水用电磁阀适用于以水或液体为工作介质，可自动化控制或远程控制水、油、液体等工作介质管路的通断。
由于本阀采用橡胶密封，故对工作介质的清洁度大大减低，具有启闭讯速，可靠性高等特点。
本设计的喷泉采用PLC控制同时在工作时会接触水，所以选择DC 24V水用电磁阀。
如下图所示。
图2-14电磁阀实物图
本阀为二次开阀的先导式电磁阀，其结构主要由导阀和主阀组成，主阀采用橡胶密封结构。
常位时，活动铁芯封住导阀口，阀腔内压力平衡，主阀口封闭。
当线圈通电时，产生电磁力将活动铁芯吸上，主阀腔内的介质自导阀口外泄，以至产生压力差，膜片或阀杯被迅速托起，主阀口开启，阀便呈通路了。
当线圈断电，磁场消失，活动铁芯复位，封闭导阀口，导阀和主阀腔内压力平衡后，阀又呈关闭状态。
本设计需要8个阀门对其控制，即和变频器的数量一一对应进行控制。
2.2.5灯具的选择
该喷泉用四组彩灯分别为红，绿，黄，蓝。
从里到外分别对应中心点用红色的彩灯，心形图案为绿色的彩灯，五角星形图案为黄色彩灯，圆形图案为蓝色彩灯。
每一个喷头处对应一个相应颜色的彩灯。
由于喷泉用彩灯都是安装在水下所以对光线的要求高，对安全性能以及防水性能的要求也要很高，同时对使用寿命要求要长。
LED水下灯能够达到上述的要求，所以本设计选择AC 220V LED水下灯。
如下图所示。
图2-15彩灯实物图
2.2.6变频器
图2-16变频器实物图
什么是变频器？
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流过压过载保护等功能。
国内技术较领先的品牌有汇川、正弦、英威腾、三 晶、欧瑞、蓝海华腾、紫日、阿尔法、上海亚泰等。
变频器的主电路大体上可分为两类：
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
变频器工作原理
①概述
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
②整流器
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
③平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
④逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:
以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路：
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
2.2.7滤波器
滤波是信号处理中的一个重要概念。
滤波分经典滤波和现代滤波。
经典滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。
根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。
换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。
只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。
实际上，任何一个电子系统都具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制），频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。
而滤波器，则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。
用模拟电子电路对模拟信号进行滤波，其基本原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。
根据频率滤波时，是把信号看成是由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。
当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做高通滤波器。
当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做低通滤波器。
当只允许信号中某个频率范围内的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做带通滤波器。
理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述，也叫做滤波器电路的幅频特性。
2.2.8开关量
开和关是电器最基本、最典型的功能。
开关量，指控制继电器的接通或者断开所对应的值，即“１”和“０”。
开关量是指非连续性信号的采集和输出，包括遥信采集和遥控输出。
它有1和0两种状态，这是数字电路中的开关性质，而电力上是指电路的开和关或者说是触点的接通和断开。
一般开关量装置通过内部继电器实现开关量的输出。
对模拟信号DIY开关量的简单方法是在输出端加装使用相应控制电压的继电器，反应模拟信号的“有”和“无”，实现
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