基于PLC的音乐喷泉控制系统设计.docx

1、基于PLC的音乐喷泉控制系统设计基于PLC的音乐喷泉控制系统设计课程设计说明书题目: 基于PLC的音乐喷水池系统设计系 别： 机 械 工 程 学 院 专 业 班 级： 学 号： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 2014 年 0 1 月 15 日安徽理工大学课程设计（论文）任务书 机械工程学院 测控教研室 学 号 学生姓名 专业（班级） 设计题目基于PLC的音乐喷水池系统设计设计技术参数（1） 按下启动按钮，主电机Y0工作500ms后停止工作（2） Y1至Y7开始间隔500ms轮流工作 (3) 当Y1至Y7一个循环后同时一起输出1秒后停止1秒再同时输出（4） 当完成一个大循环以后回到单独主电

2、机Y0上电，开始新的循环设计要求（1）按下启动按钮，主电机Y0上电音乐上电开始工作（2） 主电机Y0工作后停止工作，Y1至Y7开始间隔轮流工作 (3) 当Y1至Y7一个循环后同时一起输出后停止再同时输出（4） 当完成一个大循环以后回到单独主电机Y0上电，开始新的循环工作量课程设计说明书一份，要求附录中包含结构设计、控制主程序以及硬件接线图。工作计划第一周：查阅相关资料和书籍，了解PLC控制技术、PLC设计软件设计方法；掌握音乐喷水池控制系统的工艺过程和设计要求。第二周：进行PLC主界面编辑，完成元件动画级联设计，编写脚本控制程序。第三周：控制程序的模拟运行调试，找出缺点并加以改进。第四周：整理

3、设计内容及相关数据，编写课程设计说明书。参考资料1 秦春斌. PLC基础及应用教程M.北京： 机械工业出版社， 2010.2 蔡美琴. 张为民. MCS-51系列单片机系统及其应用M.北京： 高等教育出版社3 冯清秀,邓星钟 等. 机电传动控制M（第五版）.北京： 华中科技大学出版社4 黄蜂. 三菱数控系统的调试与应用M.北京： 机械工业出版社 ， 2008.5 李建勇，孙卫青.机电一体化技术M.北京：科学出版社，2009.6 杨后川. 三菱PLC应用 100例M.北京： 电子工业出版社，20077 梁延东. 电梯控制技术M .北京： 国建筑出版社，2008.8 陈伯时.电力拖动自动控制系统M

4、.3版.北京：机械工业出版社，2009.9 魏伟. PLC控制技术与应用M.北京： 中国轻工业出版社，2006.指导教师签字教研室主任签字 2014 年 01月15 日 学生姓名： 学号： 专业班级： 机 设10-12班 课程设计题目： 基于PLC的音乐喷水池系统设计 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表摘要 随着国民经济的发展,城市建设日新月异,喷泉水景逐渐成为了城市中一道靓丽的景观。在大型公园、广场、楼盘社区随处可见,只是规模大小、控制方式存在差别。特别是利用现代化的控制技术,将喷泉的造型(根据喷头分布情况组成的花形)、音乐、灯光三种元素进行

5、有机地结合,相互映衬,使喷泉展现出美轮美奂的景象,享有“水上芭蕾”的美誉。 PLC是一种用于自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点,所以基于PLC的音乐喷水池应用而生，利用PLC控制音乐喷水池也变得越来越普遍，同时， 随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有

6、发展前途的调速方式。所以利用PLC控制喷水池也变得方便，高效。关键词：PLC; 音乐喷水池 ; 梯形图 第一章 绪论音乐喷泉是一个使用音乐的主体元素（频率，振幅，音调和节奏）与花型组合控制喷泉，水柱高度，距离变换和光的颜色组合与亮度变化。音乐喷泉是人工喷泉现代控制技术的使用，是融合了基于程序控制的音乐喷泉控制系统，通过水和轻音乐喷泉控制相结合的变化而变化，从而实现光与色的组合、音乐的情绪、喷泉的生动丰富的表演内涵。随着可编程控制技术的发展，可编程序控制器和变频器技术在喷泉控制领域发挥着不可替代的作用。即使用一个小型PLC的音乐喷泉控制系统频率转换器，可以实现控制喷泉灯，水泵，接线简单、编程与音

7、乐节奏和情感以及流水灯的多点结合，便于适合追求时尚家居生活和娱乐。目前，音乐喷泉的控制中最常出现的是实时控制。小型PLC的音乐喷泉控制系统基于现实生活中的应用前景，值得推广。在设计过程中，采用可编程控制器实现音乐喷泉的控制。尤其是在现场总线和工业自动化领域的控制网络中开辟了一个新的发展空间。PLC及其外围设备的设计是依据易于形成一个整体的工业控制系统，便于扩充功能的原则。考虑到音乐喷泉系统的控制复杂性，若采用继电器控制，其控制可靠性较差。若采取PLC控制，PLC是由程序控制，是一种软连接，大大的提高了可靠性。可编程控制器是音乐喷泉的控制核心，可编程控制器是整个系统的“大脑”，开关量转换音乐频率

8、来控制喷泉的变化和闪烁的灯光都是通过程序实现的。可编程控制器，简化了控制电路，提高工作速度和系统运行的可靠性和灵活性，而且还增强了喷泉工程的自动化及智能化。第二章 PLC简介2.1 PLC的由来在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器

9、控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求，即：1）编程简单方便，可在现场修改程序；2）硬件维护方便，最好是插件式结构；3）可靠性要高于继电器控制装置；4）体积小于继电器控制装置；5）可将数据直接送入管理计算机；6）成本上可与继电器柜竞争；7）输入可以是交流115V；8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；9）扩展时，原有系统只需做很小的改动；10）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC（PDP14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。从此，可编程控制器这一新的控

10、制技术迅速发展起来，而且，在工业发达国家发展很快。 2.2 PLC的定义 在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（Programmable Controller），英文缩写为PC，并作如下定义：“可编程序控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。” 国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程序控制器标准的草案第一稿，1985年1月又发表了草案第二稿，1987年2月颁布了草案第三稿。该草案中对可

11、编程序控制器的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作的指令。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。PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。2.3 PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板

12、、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。2.4 PLC的各组成元素的构成及功能2.4.1 CPU CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行

13、后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 对使用者来说，不必详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令，但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2.4.2 I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块

14、集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。 开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

15、2.4.3 内存 内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。2.4.4 电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。2.4.5 底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.4.6 PLC系统的其它设备（1

16、）) 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编写程序、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。（2） 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面也非常普及。（3）输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。2.4.7 PLC的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、

17、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先,网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这

18、必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。2.5 PLC工作原理2.5.1 I/O接口 在PLC（可编程控制器）中，客户所设计的用户程序通过一边读写PLC内的存储器区域（欧姆龙称I/O存储器）的信息一边将指令从开始到最后逐个执行的方式来进行处理。另一方面，对于与PLC或I/O单元直接相连的感应器/开关等PLC外的数据，按照一定时序，会与PLC内的I/O存储器的数据一并更新。这种PLC外的数据与PLC内的I/O存储器的数据的一并更新，即称为I/O刷新动作。2.5.2 周期时间在PLC处理周期中

19、，从I/O刷新执行（开始）到下一次的I/O刷新执行（处理）之间的时间，即周期时间。周期时间包含共通处理（自我诊断）、用户程序执行处理、I/O刷新处理、外围服务处理等所需要的时间。1 如周期时间过长，则与PLC外部进行数据更新的周期变长，输入输出的响应时间变长，导致无法获取比周期时间短的输入的变化。2 如周期时间短，则输入输出的响应时间变短，可进行高速处理。3 如更改周期时间，则命令的执行间隔及输入输出的响应时间也会改变。2.5.3 中断任务 通常，在PLC的处理周期内，用户程序包括I/O刷新等其他处理，将按顺序执行。在这个处理周期中能够优先执行的处理，即中断任务。如事先指定的中断条件成立，则中

20、断处理周期，优先执行该处理。2.5.4 I/O分配 在用户程序中，为了对PLC内装载的输入输出单元的输入、输出信号进行处理，有必要事先为其分配PLC内的I/O存储器的地址。将PLC内装载的单元的输入、输出信号分配到I/O存储器上，即为I/O分配。CPU单元即根据该I/O分配信息执行装载单元及I/O刷新动作。 将PLC内装载的单元的输入、输出信号分配到I/O存储器上，即为I/O分配。CPU单元即根据该I/O分配信息执行装载单元及I/O刷新动作。2.5.5 CPU单元的存储区域 在PLC内，进行用户程序、I/O存储器的数据及注释信息、CPU单元及高功能单元的设定信息、登录I/O表信息等各类的数据的

21、处理。保存这些PLC所处理的全部数据的地方，即CPU单元内的存储区域。 2.5.6 用户程序区域 记录客户所设计的用户程序。2.5.7 I/O存储器区域 通过指令的操作码，可以访问该区域。记录通道I/O（CIO）、内部辅助继电器、保持继电器、特殊辅助继电器、数据存储器、扩展数据存储器、计时完成标志?当前值、计数完成标志?当前值、任务标志、变址寄存器、数据寄存器、条件寄存器、时钟脉冲等的信息。 l/O存储器区域的数据中包括：断电后恢复时，内容会被清除的区域，以及可保持以前的信息的区域2.5.8 参数区域 PLC所处理的各种初始设定信息。记录PLC系统设定、登录I/O表、路由表、CPU高功能单元系

22、统设定等的信息。第三章 控制系统的硬件设计音乐喷泉逻辑控制系统的控制核心是PLC，在建立一个PLC控制系统时，哪些信号需要输入至PLC，PLC需要驱动哪些负载,以及采用何种编程方式，都会影响到其内部I/O点数的分配，首先需要把系统所需的输入/输出数量明确，其次按需要确定各控制动作的顺序和各控制装置彼此间的关系。在确定控制系统各环节的关系后，进行分配输入/输出设备点。因此， PLC音乐喷泉控制系统的设计首先要解决的问题是I/O点数的确定，它不仅决定着系统硬件部分的设计，也是系统软件编写的前提。在估算PLC的输入/输出点、内部继电器、定时器、计数器之后，就可以对PLC进行选型，并进一步进行输入/输

23、出量的确定。3.1 PLC控制系统I/O口的估算小型音乐喷泉控制系统的设计I/O点时,依据PLC 的I/O节点使用原则,应预留出一定的I/O点扩展时使用。可以根据系统的控制要求大体确定控制系统的输入输出点数。1、估算系统数字量输入点数根据音乐的旋律和音频信号的大小来控制喷泉水柱的高低，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所示表3.1 系统数字量输入各元器件功能及所占PLC点数项目名称输入点数备注总点数启动按钮1喷水池控制系统启动输入点数：2停止按钮1喷水池控制系统停止2、估算系统模拟量输入点数将音频信号转化成PLC能识别数字量信号的过程中需采用一个A/D转换模块，因此模

24、拟量输入点为1个。如表3.2所示表2 系统模拟量输入各元器件功能及所占PLC点数项目名称模拟量输入点数备注总点数音频信号转换模块1音频信号大小输入点数：13、估算系统数字量输出点数系统数字量输出由变频器开关量控制和灯光开关量控制两个部分，变频器包括启动和调速两种控制量。3.2 PLC模块及扩展模块1 PLC模块该模块主要包括CPU、电源和I/O点三部分。CPU主要负责程序的运行工作； CPU供电以及与CPU模块相连的其他模块的用电需求都由此电源模块部分提供；该模块自身带的一定数量的开关量I/O点，若足以达到控制系统的要求，则可以不需要扩展开关量I/O模块。图3-1PLC模块2 扩展模块因为通常

25、CPU模块本身的I/O点有限、且无模拟量I/O点，所以需要一些特殊功能扩展模块：数字量I/O模块、模拟量I/O模块等，音乐喷水池的扩展模块如下图所示图3-2音乐喷水池模块第四章. PLC音乐喷水池软件系统喷泉是利用水泵工作所产生的压力,从喷头喷射出水柱,将若干台水泵按照一定的型号、位置进行安装,结合不同类型的喷头,就可以产生各种各样的花形。我们可以将每一台水泵视为一个工作点,编制程序,通过PLC的模块实现对每个点的控制,也就是通过对每台水泵执行回路中的接触器或传动装置进行控制,达到控制水泵工作状态的目的。为展示喷泉的艺术感,通常会配以相应的曲目,根据所选曲目的节奏快慢、抑扬顿挫,编制相应的水泵

26、控制程序来体现音乐的内涵。其中,最重要的环节就是时间同步,即将乐曲的播放时间根据节奏、乐感分解为若干个时间段,在每个时间段内编制相应的水泵、灯光控制程序,调整曲目播放的时间精度和PLC编程的时间精度相同,而且在同一时间段内,水泵和灯光的子程序工作时间相同,从而在视觉上达到同步的观赏效果。4.1 实施步骤4.1.1 水泵的控制根据水泵的型号、花形及分布位置,进行统一编号,并与PLC模块的点数编号一一对应,将同一花形的水泵进行编组,对每组花形的水泵的工作先后顺序、工作方式(整体还是单独)进行排列组合,编制相应的子程序并进行编号,赋予对应的工作时间数值,控制水泵的工作时间,工作时间类型可持续,也可以

27、间断,两者的表现形式为静态和动态。另外,通过添加变频器来表现柔美曲目的花形,增添喷泉的美感。在PLC和变频器之间建立对应的等量关系,将PLC的数字信号转换为变频器控制水泵转速的模拟信号,实现水泵的动态工作状态,然后根据花形的形状要求对其进行排列组合,编制相应的子程序并进行编号。4.1.2 灯光的控制根据灯光的颜色(最好选取红、黄、蓝三原色)、安装位置、照射角度,进行灯光工作状态的排列组合,编制相应的子程序,赋予对应的工作时间数值,与水泵花形的时间类型、数值相一致,其颜色可以一致,也可以不一致体现动感,还可以进行某两种或某三种颜色的叠加,生成另外不同的颜色,丰富灯光的色彩。4.1.3 时间同步这

28、是整个音乐程控喷泉控制中最重要、最关键的环节,因为音乐程控喷泉展示整体效果的协调性直接与时间同步有着非常密切的关系,如果时间同步有差异,会导致音乐、花形和灯光不是一个整体,观赏效果大打折扣,所以此环节是核心环节。“时间同步”在这里包含了三个层面的时间。其一,是指音乐播放时间段的精度和PLC控制程序时间段的精度相一致,而且两者之间的关系是同时开始、同时停止;其二,根据音乐曲目的节奏、气势所划分的播放时间长度,要与相对应的水泵、灯光子程序所持续工作的时间长度一致,也就是水泵花形和灯光要随着音乐曲目产生的变化而变化,否则观赏时会出现音4.2小型音乐喷泉自动控制系统4.2.1 方案设想对于小型企事业单

29、位或家庭而言，要建立一个音乐喷泉系统，我认为一次性投入不能太大，与大型音乐喷泉系统相比，规模应大大缩小，功能也没有必要那么完备。除具备随音乐变化外，再加上几种变化就可以满足需求。就比原来仅仅单一手动调节水柱变化要强许多。尤其对已有喷泉的单位，则投入将更小。只需投入变频器一台或两台、PLC一台、触摸屏一个、DVD一台即可。总投入应在2万元以内（如果原喷泉功率不是十分大的话），是任何一个单位或富裕家庭都能承受的水平。我的设想是利用音乐的高低通过PLC控制变频器的输出频率，从而改变电动机转速，从而去改变水泵水柱的高低，利用变频器的多段速控制，不需要另外增加通讯模块，可降低成本，同时也具备15种转速变

30、化之多，基本可以反映出音乐强弱变化的全貌。另外，配备一话筒，可以测量人们喊话音量的大小（用水柱高低变化来衡量）。具备一定的趣味性。如果仅有水柱随音量变化而变化这一种功能，则功能太过单一。所以，我设想当不播放音乐时，应该具备按一定的规律进行水柱高度和喷洒时间的自动控制功能，并且水柱的喷洒高度和时间可以由用户来调节（或者通过触摸屏修改）。从而增加系统的实用性，提高系统的附加值。而该功能可以通过PLC编程实现，且较容易实现和扩展。4.2.2 方案可行性论证从技术性角度来看，设系统所用技术均为现代新技术，具有很高的技术含量。 从系统的可靠性来看，所增加的设备、PLC、触摸屏、变频器，它们的使用寿命都相

31、当长，尤其是PLC，故该系统可靠性高，后期维护维修费用十分小。从经济性来看，对于企事业单位，2万元投入更是小菜一碟。综上所述，该系统具有良好的开发价值，具有广阔的应用前景。4.3方案设计4.3.1实验目的 用PLC完成音乐喷水池的过程4.3.2音乐喷泉自动控制设计一、控制原理1.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。2.音乐喷水池演示板结构如图 图4-1音乐喷水池布置图音乐喷泉自动控制原理图 B、音频信号转换为PLC输入的设计考虑到变频器和电动机及负载的惯性问题，决定每隔15秒采样一次音乐电平高低（采样频率过高，变频器、电机及