基于PLC的音乐喷泉系统设计说明.docx
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基于PLC的音乐喷泉系统设计说明
北方民族大学
学士学位论文
论文题目:
基于PLC的音乐喷泉控制系统设计
——软件设计
院（部）名称:
电气信息工程学院
学生姓名:
邱留永
专业:
测控技术与仪器学号:
20060234
指导教师姓名:
祝玲
论文提交时间:
10.05.24
论文答辩时间:
10.05.29
学位授予时间:
10.06.20
北方民族大学教务处制
摘要
本次设计的目的是制作一个以小型PLC为控制核心，变频器控制水柱高度，以音频采集为基础的小型音乐喷泉控制系统。
系统控制核心选用SIEMENS公司的S7-200MicroPLC，水泵的控制选用MICROMASTER420变频器。
本文主要介绍音乐喷泉控制系统的软件设计，着重介绍可编程控制器的程序设计和变频器的参数设置。
本文主要分为六个部分，第一部分对PLC的原理进行了简单介绍；第二部分主要介绍变频器原理；第三部分对控制系统进行了总体介绍；第四部分主要介绍了设计变频器的参数设计，包括系统参数设置方法、参数设置以及参数设计说明；第五部分主要介绍了控制系统控制流程以及控制核心PLC的编程；最后介绍了系统调试的相关情况。
关键词：
音乐喷泉，软件设计,控制系统，可编程控制器，变频器
ABSTRACT
ThepurposeofthisdesignistodesignasmallmusicalfountainbasedonthecontrolsystemuseasmallPLCasthecontrolofthecore,invertercontrolwatercolumnheightandtheaudiocollectionisthefoundationofthesystem.WechooseS7-200MicroPLCasthecoreofthesystemanduseMICROMASTER420tocontrolpumps.
Thispapermainlyintroducesthecontrolsystemsoftwaredesignofmusicalfountain，focusingonPLCprogrammingandthetransducerparametersettings.Thispaperisdividedintosixparts,thefirstpartintroducestheworkingprincipleofPLCbriefly;thesecondpartmainlyintroducestheworkingprincipleoftransducer;thethirdpartintroducestheoverallcontrolsystem;thefourthpartstressesthetransducerparametersettings,includingtransducerparametersettingsmethod,therelevantparametersettingsandparametersdescription;thefifthpartintroducethecontrolprocessofthecontrolsystemandtheprogrammingofPLC;Finally,introducingthedebuggingofthecontrolsystem.
KEYWORDS:
musicalfountain,softwaredesign,controlsystem,PLC,Transducer
前言
所谓音乐喷泉，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、明暗变化的喷泉。
音乐喷泉是把现代控制技术应用于人工喷泉，是在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，通过音乐控制喷泉的水形及灯光的变化，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，使喷泉表演生动且富有内涵。
目前音乐喷泉最常采用的控制方式为实时控制，即对音乐的主要音素进行全员实时跟踪采集、分解处理并转换成模拟量或数字量讯号，用以控制水泵的运行组合和转速变化，或用以控制液压伺服阀或电动调节阀的运行组合和开启度，同时相应控制灯光的组合变化。
这种控制方式不必对音乐预先进行编辑处理，所以对任何新版音乐文件甚至现场即兴演奏都可响应。
随着科学技术突飞猛进的发展，可编程控制器和变频调速器技术正大步走进喷泉控制领域，发挥着不可替代的作用。
利用小型PLC结合变频器的音乐喷泉控制系统，可以实现喷泉彩灯、水泵的多点控制，简单的接线和编程即可完成水形灯光完美的伴随音乐节奏和情感，适合追求时尚的家居生活和娱乐场所等场合。
以PLC与变频器为控制核心的音乐喷泉控制系统，将来自媒体设备的音频信号通过音频采集系统的识别，进行译码和编码后转换成控制信号，最终将信号输出到控制系统，使得所设计的音乐喷泉水形的变化能够伴随音乐，灯光的闪烁跟随音乐的节奏，实现了水形跟随音乐的旋律变化，灯光跟随预定程序变化，形成了声、光、水、色交融的美景，灯光、音响、水景统一的立体效果。
基于小型PLC的音乐喷泉控制系统在实际生活中应用前景广阔，值得推广使用。
在设计过程中我们选用可编程控制器来实现对音喷泉的控制。
作为工业自动化的重要支柱之一的可编程控制器（PLC）以其高可靠性和操作简便等特点引到了当今工业控制的潮流。
PLC是一种新型的通用自动控制装置，它将传统的继电器——接触器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为工业控制而设计，特别是目前在现场总线和工业控制网络方面的发展为自动化领域开辟了崭新的空间。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
可编程控制器之所以越来越受到控制界人士的重视，是由于它具有以下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。
（5）体积小，重量轻，能耗低。
由于音乐喷泉系统控制的复杂性，如果采用常规继电器控制，音乐喷泉控制的可靠性较差，并且接线复杂。
采用PLC控制后，由于PLC是采用程序控制，是软接线，因此可靠性大大提高了。
音乐喷泉的核心控制是由可编程控制器实现的，可编程控制器是整个系统的“大脑”，由程序实现用音乐频率转换的开关量去控制喷泉水柱和彩灯闪烁的变化。
可编程控制器简化了控制线路，提高了工作的速度和可靠性以及系统操作的灵活性，也提升了喷泉工程的智能化性能。
第1章PLC基础知识简介
PLC是在继电器控制技术、计算机技术和现代通信技术的基础上逐步发展起来的一项先进的技术。
PLC从诞生至今,虽然只有短短的30年的历史,但是得到了异常迅猛的发展，在现代工业发展中PLC技术、CAD/CAM技术和机器人技术并称为当代工业自动化的三大支柱。
它主要以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计算和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出（I/O）来控制各种生产过程。
现在广泛应用在机电控制、电气控制、数据采集、网络通信运输等多个领域。
1.1PLC的产生和发展
1987年国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对PLC作了如下的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计。
它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩展其功能的原则设计”。
随着PLC迅速发展，功能越来越强大，应用范围也越来越广泛，形成了能够满足各种需要的PLC应用系统，PLC的发展逐渐体现出来以下趋势：
1.向小型化、微型化和、多功能化两个方向发展；
2.过程控制功能不断增强；
3.大力开发智能I/O模块；
4.与个人计算机日益紧密结合；
5.编程语言趋向标准化；
6.通讯与联网能力不断增强[1]。
1.2PLC的特点、分类与应用
1．PLC的特点
PLC技术的高速发展，除了得益于工业自动化的客观需求外，主要是由于它具有许多独特的优点。
可编程控制器本质上是具有特殊体系结构的工业控制计算机，它与一般的计算机相比具有更强的与工业过程相连的接口，同时具有更适用于控制要求的程序设计语言。
可以说，可编程控制器是将计算机技术和电器控制技术有机地结合在一起。
其特点主要表现在以下几个方面。
1.可靠性高，抗干扰性强
2.编程简单、使用方便
3.易于安装、调试、维修
4.功能完善，通用性强
5.体积小，能耗低[2]
2．PLC的分类
目前，PLC的种类很多，规格性能不一，通常可根据它的结构形式、容量或功能进行分类。
按照结构形式分类，PLC可分为整体式PLC、模块式PLC、叠装式PLC；按照容量分类，PLC可分为小型PLC（I/O点数一般在256以下）、中型PLC（I/O点数一般在256~1024点之间）、大型PLC（I/O点数在1024以上）；按功能分类，PLC可分为低档机、中档机、高档机。
3.PLC的应用
由于PLC自身的特点和优势，在工业控制中得到了广泛应用。
PLC的主要应用领域包括以下几个方面，开关逻辑和顺序控制；模拟控制；定时控制；数据处理；信号连锁系统；通信[3]。
1.3PLC的基本结构
PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，其硬件组成与微型计算机相似。
一般的，PLC主要由CPU、存储器、输入模块、输出模块和通信接口等部分组成。
1.4PLC的工作原理及工作过程
PLC的工作原理可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。
但是，在时间上，PLC执行的任务是按串行方式进行的，其具体的运行方式与继电器-接触器控制系统及计算机控制系统都有着一定的差异与不同。
根据PLC的结构，可以简单地将PLC工作电路分为3部分，即输入部分、内部程序执行部分和输出部分。
输入部分的主要功能就是检测各外部输入信号的状态，并将结果存放到输入映像寄存器中，供程序执行过程中查询。
PLC的程序是电器控制线路的软件实现，程序的执行过程相当于电气控制的逻辑运算过程。
PLC按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，得到相应的输出。
这些输出同样对应于PLC的某些内部软元件。
输出部分由PLC内部输出继电器常开触点、输出端子和外部驱动电路组成。
输出端子与同编号的输出继电器相对应，通过输出继电器常开触点的分合来驱动外部负载。
PLC的用户程序由若干条指令组成，依次存放在程序存储器中。
PLC工作时，总是从第一条指令开始按照用户程序所固有的顺序逐条执行，直至用户程序结束，然后再返回到第一条指令，开始新一轮的程序执行过程。
程序的每一次执行过程称为一次扫描过程。
PLC的工作过程就是这样周而复始的顺序扫描过程，简称为扫描工作方式，这种周期性的顺序扫描是PLC特有的一种工作方式。
PLC的扫描工作过程可分为如下三个部分：
上电处理；扫描过程；故障处理[4]。
PLC的扫描工作流程如图1-2所示。
图1-1PLC的扫描工作流程[4]
第2章变频器基础
2.1变频器概述
通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。
变频器是利用电力电子器件把工频电源变换成各种频率的交流电源以实现电动机的变速运行的设备，是运动控制系统中的功率变换器。
变频技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。
变频器以其具有调速、节电、节能、可靠、高效的特性广泛应用于各个领域中：
直流输电、不同频率电网系统的连接、静止无功功率补偿和谐波吸收、超导电抗器的电力储存、高频输电；在运输及产业行业中的交流电动机调速、超导悬磁浮列车、高速铁路、电动汽车、产业用机器人；在家用电器方面有变频空调、变频洗衣机、变频电动自行车等；军事方面有通信、导航、雷达、宇宙设备的小型轻量化电源等；石油行业已实现了采油的调速、超声波驱动等[5]。
2.2.1变频器技术的发展
变频器用于交流异步电动机调速，其性能远远超过以往任何交、直流调速方式，而且其结构简单、调速范围宽、调速精度高、安装调试、使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著，是交流电动机调速的主流技术。
变频器是运动控制系统中的功率变换器，当今的运动控制系统是综合了多种学科的高新技术领域，是自动化技术的“前沿”，总的发展趋势是：
驱动的交流化，功率交换的高频化，控制技术的数字化、智能化和网络化。
因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频交流电源，必然会伴着系统技术发展而发展。
伴随着变频器日益广泛的应用，其性能和技术也在飞速发展，主要体现在以下方面：
（1）模块化；
（2）专用化；（3）软件化；（4）网络化；（5）低电磁噪声、静音化；（6）图形化用户界面；（7）引导式调试步骤；（8）参数趋势图形。
变频器未来的发展方向：
（1）进一步提高控制理论，发展控制策略；
（2）高速全数字化控制；
（3）新型电力电子器件的应用技术；
（4）变频器的大容量化和小体积化；
（5）更符合环境保护标准，成为真正的“绿色产品”。
[6]
2.2.2变频器的分类
（1）按直流电源的性质分类：
①电流型变频器；②电压型变频器。
（2）按输出电压调节方式分类：
①PAM方式；②PWM方式；③高载波变频率的PWM方式。
（3）按控制方式分类：
①
控制；②转差频率控制；③矢量控制。
（4）按电压等级分类：
①低压型变频器；②高压大容量变频器。
（5）按用途分类：
①通用变频器；②高性能专用变频器；③高频变频器；④小型变频器。
[7]
2.3变频器的工作原理以及控制方式
2.3.1变频器的工作原理
变频器的主要任务是把工频电源变换为另一频率的交流电，以满足交流电动机的变频调速的需要。
现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF，变频或矢量控制变频），先把工频交流电通过整流器转换成直流电，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电，以供给电动机。
变频器的电路一般由整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成。
[8]
交流电动机的同步转速表达式为n=60f（1−s）/p
式中：
n—异步电动机的转速；f—异步电动机的频率；s—电动机转差率；p—电动机极对数。
由上式可知，异步电动机的转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
[8]
变频器首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关变为交流电。
一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数。
使转数在一定的范围内可调，一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。
变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图2-1所示的基本结构。
图2-1变频器的基本构成[9]
2.3.2变频器的控制方式与性能
异步电动机调速转动时,变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制,不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途也不同.
变频器控制方式大致大体可分为开环控制和闭环控制两种，后者进行电动机速度反馈。
开环控制有
控制方式，闭环控制有转差频率控制和矢量控制等方式。
（1）
控制
对于异步电动机，只要改变其供电电源的频率，即可以改变电动机的转速，达到进行调速运转的目的。
但是，对于一个实际的交流调速控制系统来说，事情远远不是那么简单。
这是因为当电动机电源的频率被改变时，电动机的内部阻抗也将随之改变，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强的情况。
在励磁不足的情况下电动机将难以给出足够的转矩，而在励磁过强时电动机又将出现磁饱和，造成电动机功率因数和效率的下降。
因此，为了得到理想的转矩速度特性，在改变电源频率进行调速的同时，必须采取必要的措施来保证电动机的气隙磁通处于高效状态（即保持磁通不变）。
这就是
控制的出发点。
这种变频器虽然结构比较简单，但是，由于这种变频器采用的是开环控制方式，其精度和动态特性并不是十分理想，尤其是在低速区电压调整比较困难，难以得到较大的调速范围。
所以采用这种控制方式的变频器一般是对控制性能要求不太高的通用变频器。
⑵转差频率控制：
转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机转速与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。
由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与
控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。
另外它有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的静差小，适用于自动控制系统。
转差频率控制方式通常用于单机运转。
因为在采用转差频率控制方式时需要检测电动机的实际转速，所以需要在异步电动机轴上安装速度传感器。
而电动机的转速检测则由速度传感器和变频器控制电路中的运算电路完成。
控制电路还将通过适当的算法根据检测到的电动机速度产生转差频率和其他的控制信号。
此外，在采用了转差频率控制方式的变频器中往往还加有电流负反馈，对频率和电流进行控制，所以这种变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性[10]。
⑶矢量控制：
矢量控制的基本思想是认为异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理，即电动机的转矩为磁场和与其相垂直的电流的积，而异步电动机的定子电流则可以分为产生磁场的电流分量（磁场电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）。
因此，通过控制电动机定子电流的大小和相位（即定子电流矢量），即可以分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的[9]。
2.4MICROMASTER420概述
MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。
本系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选用。
该变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。
因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。
全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。
MICROMASTER420具有缺省的工厂设置参数，它是数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
由于MICROMASTER420具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。
MICROMASTER420既可用于单机驱动系统，也可集成到‘自动化系统’中。
[11]
2.5MM420变频器的电路结构
MM420变频器电路图如图2-2所示，包括主电路和控制电路两部分，主电路完成电能转换（整流和逆变），控制电路处理信息的收集、变换和传输。
在主电路中，由电源输入单相或三相恒压恒频的交流电，经整流电路转换成恒定的直流电，供给逆变电路。
逆变电路在CPU控制下，将恒定的直流电你变成电压和频率均可调的三相交流电供给电动机负载。
由图3-1可知，MM420变频器直流换届是通过电容进行滤波的，因此属于电压型交-直-交变频器。
MM420变频器的控制电路由CPU、模拟输入（AIN+、AIN—）、模拟输出（AOUT+、AOUT—）、数字输出（DIN1~DIN3）、输出继电器触头（RL1B、RL1C）、操作板（BOP）等组成。
端子1、2是为用户提供的10V直流电源。
当采取模拟电压信号输入方式输入给定频率时，为了提高交流变频调速系统的控制精度，必须配备一个高精度的直流电源。
模拟输入3、4端，为用户提供了两对模拟电压给定输入端，作为频率给定信号，经变频器内的模/数转换器，将模拟量转换为数字量，提供给CPU来控制系统。
数字输入端5、6、7为用户提供了3个完全可编程的数字输入端，数字信号经光电隔离输入CPU，对电动机进行控制。
端子8和9是24V直流电源端，为变频器的控制电路提供24V直流电源[12]。
图2-2变频器电路图[11]
第3章系统总体介绍
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。
3.1音乐喷泉组成
3.1.1音乐喷泉水池设计
此小型音乐喷泉喷头分三组。
外圈九个喷头，中圈六个喷头，喷水口直径0.5mm，中心主喷头用集流直上喷头，它比一般直流喷头喷水流量大，当水泵大功率运行时，有壮观的喷水直径和高度。
本设计采用两组单相潜水泵，外两圈喷头由一个12W的潜水泵提供压力，主喷头由一个55W的潜水泵提供水压。
两组彩灯分两圈，分别安装在外圈和中圈喷头下，工作是成交替闪烁。
这样音乐喷泉工作时喷水层次感明显，视觉效果良好。
喷泉水池直径约0.8m，喷头组最大直径0.5m，在外圈和中圈喷头向内倾斜的情况下很好的防止了水池喷水造成的向外溅水。
3.1.2控制系统组成
音乐喷泉的控制系统由音乐信号处理电路（包括F/V转换电路、模/数转换电路、信号隔离电路），PLC及变频控制电路，潜水泵和彩灯控制电路，稳压电源电路和音响设备组成。
其中PLC及变频控制电路为设计重点。
3.2变频器设计
3.2.1变频器选型
由于控制系统较简单，本次设计选择MM420变频器来控制水泵转速。
MM420是通用变频器，是用于控制三相交流电动机速度的变频器，适用于各种变频驱动装置。
MICROMASTER420具有缺省的工厂设置参数，它是数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
3.2.2变频器控制接线图
硬件连接图如图3-1所示，PLC的输出口Q1.5连接到MM420变频器的AIN+端子上，用来控制变频器的起停。
PLC输出口Q1.0—Q1.2连接到变频器DIN1—DIN3端子上，通过PLC输出地开关量控制变频器输出预置的固定频率，变频器输出地预置频率由设置参数决定。
图3-1变频器设计连接图
3.2PLC设计
3.2.1PLC选型
S7-200是西门子推出的小型PLC，S7-200系列PLC为单体式结构，配有RS-485通讯接口、内置电源系统和部分I/O接口。
它体积小、运算速度块、可靠性高，具
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