音樂噴泉的plc設計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　一些園林建筑、大型公共建筑以及旅游建筑設計中，設計者經常將噴泉以一種藝術形式融合在建筑物中，給人以自然之美與藝術感。當音樂播放時（包括音樂的曲調和音樂的聲音大?。?，噴頭有規(guī)律的噴水，彩燈有規(guī)律的亮滅（達到白天時燈不亮，夜晚時燈有規(guī)律的亮與滅）。</p><p>　　本系統(tǒng)是一個小型音樂噴泉控制系統(tǒng),它以

2、PLC為控制核心，變頻器控制水柱高度，以音頻采集為基礎，同時PLC程序控制燈光的亮滅和顏色的變化。本系統(tǒng)選用SIEMENS公司的S7-200 PLC為控制核心，選用MicroMaster 440（簡稱MM440）變頻器控制水泵高度，達到噴泉的立體效果隨音樂變換而變化。</p><p>　　本系統(tǒng)主要包括PLC的選型（CPU226）、PLC的擴展模塊（EM222）、I/O地址的分配、輸入輸出接口的連接和梯形圖的繪制

3、，梯形圖繪制是重點，同時著重介紹了MM440變頻器的變頻原理、參數設置和變頻器與PLC和電動機的接口連接。</p><p>　　系統(tǒng)設計完成后，能夠達到中心、內圈、外圈共三圈噴頭噴水，變頻器控制內圈噴頭改變水柱高度，PLC控制余下噴頭有序啟動停止，同時夜晚有三層燈光變幻，能夠實時展現(xiàn)音樂的動態(tài)美。</p><p>　　關鍵詞：音樂噴泉,控制系統(tǒng)，可編程控制器，梯形圖，變頻器</p&g

4、t;<p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In a number of landscape architecture, the design of large public buildings and tourist buildings, designers often fountain in the form of an art integrati

5、on in the building, giving to the beauty of nature. Along with regular music player nozzle spray and lights a regular light off (the law, including the size of the music tunes and music sound), to achieve the control eff

6、ect of light (day light does not shine, night light a regular light off) .</p><p>　　This system is a small musical fountain control system, which PLC as the control core, inverter control column height to au

7、dio capture-based PLC program control while the bright lights off and color changes. The system selected company SIEMENS S7-200 PLC as the control core, the choice MicroMaster 440 (referred MM440) inverter control pump h

8、eight and reach fountains transform three-dimensional effect varies with the music.</p><p>　　The system includes PLC Selection (CPU226), PLC expansion module (EM222), I / O address allocation, input-output i

9、nterface connections and draw ladder, ladder drawing is the key, while highlighting MM440 inverter the inverter principle, parameter settings and the motor and inverter and PLC interface connection.</p><p>　

10、　System design is complete, it can reach the center, the inner and outer rings of nozzles spray three times, the inverter control inner nozzle change column height, PLC control start and stop the remaining nozzles, while

11、 at night there are three light changes, real-time display of music dynamic beauty.</p><p>　　KEY WORDS: musical fountain,control system, PLC, LAD，Transducer</p><p><b>　　目 錄</b></

12、p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第1章 緒 論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.1 音樂噴泉的發(fā)展歷程1</p><p>

13、;　　1.1.2 音樂噴泉的現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2 課題研究內容2</p><p>　　第2章 PLC基礎知識4</p><p>　　2.1 PLC的產生和發(fā)展4</p><p>　　2.2 PLC的特點和功能4</p><p>　　2.3 PLC的基本結構和工作原理5</p>&

14、lt;p>　　第3章 變頻器基礎知識7</p><p>　　3.1 變頻器概述7</p><p>　　3.2 變頻器的分類7</p><p>　　3.3 變頻器的工作原理及控制方式7</p><p>　　3.3.1 變頻器的工作原理7</p><p>　　3.3.2 變頻器的控制方式8</p&g

15、t;<p>　　3.4 MM440變頻器9</p><p>　　第4章 系統(tǒng)方案分析及可行性分析11</p><p>　　4.2 方案論證12</p><p>　　4.3 對選定方案的分析13</p><p>　　第5章 系統(tǒng)總體設計14</p><p>　　5.1 音樂噴泉組成14</

16、p><p>　　5.1.1 音樂噴泉水池設計14</p><p>　　5.2 控制系統(tǒng)組成17</p><p>　　5.3 變頻器設計18</p><p>　　5.3.1 變頻器選型18</p><p>　　5.3.2 變頻器控制接線圖18</p><p>　　5.3.3 變頻器參數設置

17、19</p><p>　　5.4 PLC設計19</p><p>　　5.4.1 PLC選型19</p><p>　　5.4.2 控制系統(tǒng)的I/O地址分配20</p><p>　　5.4.3 PLC控制接線圖22</p><p>　　第6章 PLC控制系統(tǒng)設計24</p><p>　　

18、6.1 PLC控制流程24</p><p>　　6.2 變頻器選擇流程24</p><p>　　第7章 結 論26</p><p><b>　　致 謝27</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　附 錄29&

19、lt;/b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　現(xiàn)今噴泉工程和高新技術的相結合使的噴泉效果更加豐富多彩，優(yōu)美，令人賞心悅目，流連忘返。當音樂噴泉控制系統(tǒng)引入變頻技術，可以使水柱的變化與音樂變化相一致，仿佛跳舞的音樂，引人入勝。</p><p>　　可編程邏輯控制器（PLC）是一種新型、通用自動控制裝置

20、，以微處理器為基礎，綜合了傳統(tǒng)的繼電器控制技術、數字技術、計算機技術和通信技術，具有編程簡單，功能加強，體積小，使用方便，低功耗等一系列的優(yōu)點。PLC控制技術代表著當前程序控制的先進水平，PLC裝置已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。</p><p>　　本文通過一個實用的廣場音樂噴泉PLC控制系統(tǒng)的設計，介紹了PLC在控制系統(tǒng)中的應用。通過本次設計過程，進一步熟悉設計的步驟和方法，加強理論與實際相結合的能力。本章對課題

21、的設計背景及主要內容做簡單介紹。</p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　1.1.1 音樂噴泉的發(fā)展歷程</p><p>　　所謂音樂噴泉，就是利用音樂的主要音素(振幅、頻率、音色等)控制噴頭水柱的組合變化、高低變化、水流遠近變化和燈光組合、顏色及明暗變化的噴泉。音樂噴泉是把現(xiàn)代控制技術應用于人工噴泉，是在程序

22、控制噴泉的基礎上加入了音樂控制系統(tǒng)，通過控制噴泉的水形及燈光變化，從而達到噴泉水型、燈光及色彩的變化與音樂節(jié)奏完美結合，使噴泉表演生動且富有內涵。</p><p>　　最初設計的音樂噴泉控制系統(tǒng)是利用音樂的基本要素(頻率、振幅、音色和節(jié)拍)來控制噴泉的各種變化，它的原理是將聲音信號轉換為電信號，把電信號放大和經過其他一些處理后，用來推動繼電器或電子的開與關，繼而控制設在管道上的電磁閥的開閉，從而控制噴頭水流的通斷

23、。</p><p>　　音樂噴泉是現(xiàn)代科技與當代藝術的結合，利用噴泉的視覺效果來表現(xiàn)音樂的美感，令人賞心悅目。目前，有許多音樂噴泉利用各式各樣的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)， 產生了良好的藝術效果。但縱觀這些音控產品，有的是采用音樂的時域變化來控制噴泉，有的將音樂分成幾個頻段來控制噴泉的組合， 但大多都采用低頻、中頻和高頻三個頻段來控制噴水。它們的缺點是都沒有在頻域上完美展現(xiàn)音樂節(jié)奏，所以不能很好地體現(xiàn)音樂的內涵。</p

24、><p>　　隨著科學技術的快速發(fā)展，可編程控制器技術和變頻控制器技術正大步走進噴泉控制領域的設計當中，在控制系統(tǒng)中發(fā)揮著無與倫比的作用，以PLC與變頻器為控制核心的音樂噴泉控制系統(tǒng)，通過音頻采集系統(tǒng)識別來自媒體設備的音頻信號，通過譯碼和編碼轉換成能被識別的控制信號，信號最終輸出到控制系統(tǒng)，控制噴泉變化，達到音樂噴泉水型、燈光跟隨音樂的節(jié)奏同步變化，使得聲、光、水、色融為一體，達到燈光，顏色，水型的立體展示效果。&l

25、t;/p><p>　　1.1.2 音樂噴泉的現(xiàn)狀 </p><p>　　目前音樂噴泉最常用的控制方式為實時控制，即對音樂的主要音素（頻率、振幅等）進行全員實時跟蹤采集、分解處理并實時轉換成模擬量或數字量訊號，通過變頻器控制水泵的運行關閉和轉速變化，或者用來控制液壓伺服閥或電動調節(jié)閥的運行關閉和開啟大小，同時控制相應燈光的亮滅和顏色變化。這種控制方式無需對音樂進行預先編輯與處理，因此對任何最新

26、發(fā)行的音樂甚至現(xiàn)場的即興演奏都可予以響應。</p><p>　　一個完整的程序控制和音樂控制系統(tǒng)，能夠對音樂進行編程，達到噴泉造型與音樂旋律、燈光的同步結合從而產生美輪美奐的水景，實時在現(xiàn)音樂的內涵與主題。音樂噴泉聲、形、色、光俱美，仿若舞臺上的表演引起人們不同的情緒而感到美的藝術享受。音樂噴泉目前主要應用于大型廣場、游樂場、人工湖泊、主題公園等休閑場所。 ?</p><p>　　1.2

27、課題研究內容</p><p>　　本次設計的音樂噴泉系統(tǒng)以PLC系統(tǒng)為控制核心，變頻器控制噴頭噴水的關閉與水柱的高度，同時控制噴泉四周燈光的亮滅與顏色變化。</p><p><b>　　各章主要內容如下：</b></p><p>　　第1章為緒論，介紹音樂噴泉系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并介紹音樂噴泉的現(xiàn)狀，同時簡單介紹了論文各章的主要內容。</p&

28、gt;<p>　　第2章為PLC基礎知識簡介，介紹了PLC的產生和定義，PLC的發(fā)展歷程，PLC的發(fā)展趨勢，PLC的基本結構及PLC的工作原理。</p><p>　　第3章為變頻器基礎，概述變頻器，介紹變頻器的結構、分類、工作原理和變頻器的控制方式與性能。</p><p>　　第4章為音樂噴泉方案論證，分析了三種控制系統(tǒng)的特點，最后選定PLC控制系統(tǒng)及可行性分析。</p

29、><p>　　第5章為系統(tǒng)總體設計，第一部分為音樂噴泉的工藝控制圖及完成效果介紹；第二部分為系統(tǒng)控制系統(tǒng)組成框圖；第三部分為變頻器的設計，選型、變頻器與水泵連接及變頻器參數設置，第四部分為PLC設計，主要介紹PLC選型、I/O地址分配及PLC與外部硬件連接圖。</p><p>　　第6章為PLC控制系統(tǒng)設計，PLC控制流程圖及主要控制程序。</p><p>　　第2章

30、PLC基礎知識</p><p>　　PLC是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體技術、自動控技術、數字技術和網絡通信技術發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。ＰＬＣ以其可靠性高、靈活性強、使用方便的優(yōu)越性，迅速占領了工業(yè)控制領域。</p><p>　　2.1 PLC的產生和發(fā)展</p><p>　　國際電工委員會（IEC）于1987年2月頒布可編程控制器標準草案

31、第三稿，草案中對可編程控制器定義如下：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用一類可編程序的存儲器，用于其內部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴展其功能的原則設計”。</p><p>　　PLC的的發(fā)

32、展速度十分驚人，目前用可編程控制器設計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。PLC的發(fā)展大致可分為四個階段：</p><p>　?。ㄒ唬?第一臺PLC在1969年問世，一直到1972年，是PLC的初創(chuàng)階段。</p><p>　　從1973年到1978年，PLC進入實用化階段，PLC逐漸成熟。</p><p>　　1978到1984年，PLC進入持續(xù)高速發(fā)展的階段。</p

33、><p>　?。ㄋ模?從1984年至今，PLC繼續(xù)向前發(fā)展。</p><p>　　可編程控制器的發(fā)展與其他高新技術的發(fā)展是分不開的，目前可編程控制器正向著兩個方向發(fā)展：一是向著小型化、簡易、價格低廉的方向的發(fā)展。二是向著大型、高速、多功能和多層分布式全自動網絡化的方向發(fā)展。</p><p>　　2.2 PLC的特點和功能</p><p>　　短短

34、20年中PLC得到了飛速發(fā)展，并在各行各業(yè)中得到廣泛應用，已成為工業(yè)控制領域的主導通用控制器。PLC能如此迅速發(fā)展，除工業(yè)自動化的客觀需要外。其還有許多獨特的優(yōu)點。其主要特點如下： </p><p>　　1. 編程方法簡單易學</p><p>　　2. 功能強，性能價格比高<

35、/p><p>　　3. 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強</p><p>　　4. 可靠性高，抗干擾能力強</p><p>　　5. 系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少</p><p>　　6. 維修工作量小，維修方便</p><p>　　7. 體積小、能耗低</p><p>　　隨著技術的發(fā)展，可

36、編程控制器的功能越來越豐富，現(xiàn)在的可編程控制器主要具有如下功能：</p><p><b>　　1. 控制功能</b></p><p>　　2. 定時和計數功能</p><p>　　3. 數據運算和數據處理功能</p><p><b>　　4. 通信連網功能</b></p><p&

37、gt;　　5. 編程、調試功能</p><p>　　2.3 PLC的基本結構和工作原理</p><p>　　從廣義說，PLC也是一種工業(yè)控制計算機，只不過比一般的計算機具有更強的與工業(yè)控制過程相連的接口和更直接的適用于控制要求的編程語言。PLC具有中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口、電源等。</p><p>　　不論是整體式的可編程控制器還是模塊式可編程控制器，都可

38、以等效成三部分，即輸入部分、中間部分和輸出部分。如圖2.1所示。</p><p>　　輸入部分是輸入單元模塊，用于連接外部輸入設備開關、按鈕或傳感器等。</p><p>　　輸出部分是輸出單元模塊，用于連接外部設備，它是系統(tǒng)的執(zhí)行部分，用執(zhí)行用戶程序得到的結果去控制輸出負載回路。</p><p>　　中間部分用于存儲用戶程序、執(zhí)行用戶程序，對輸入信號和輸出信號的狀態(tài)

39、進行檢測、判斷、運算和處理，然后得到相應的輸出信號。</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的工作過程如下：PLC工作時，在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下，CPU對用戶程序不斷循環(huán)掃描，按固定順序周而復始地對系統(tǒng)內部的各種任務進行查詢、判斷和執(zhí)行，這個過程實質上是一個不斷循環(huán)的順序掃描過程。執(zhí)行過程的順序是：從左到右，從上而下周而復始的循環(huán)掃描，并用周期性的集中采樣、集中輸出的方式來完成。一個掃描周期可分為四個階段，如圖2.2所示

40、。</p><p>　　圖2.1 可編程控制器的等效圖 </p><p>　　圖2.2 一個掃描周期分為四個階段 </p><p><b>　　變頻器基礎知識</b></p><p><b>　　3.1 變頻器概述&l

41、t;/b></p><p>　　變頻器是把固定頻率的交流電變換為可調電壓、可調頻率的變換器，是異步電動機變頻調速的控制裝置。變頻技術是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術于一體的高科技技術。變頻器以其具有調速、節(jié)電、節(jié)能、可靠、高效的特性廣泛應用于各個領域中。</p><p>　　3.2 變頻器的分類</p><p>　　1. 按變頻器主電路結構形式分類：

42、交—直—交變頻器和交—交變頻器。</p><p>　　2. 按變頻電源性質分類：電壓型變頻器和電流型變頻器</p><p>　　3. 按VVVVF調制技術分類：PAM和PWM兩種</p><p>　　3.3 變頻器的工作原理及控制方式</p><p>　　3.3.1 變頻器的工作原理</p><p>　　變頻調速是以變

43、頻器向交流電機供電，并構成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　交流異步電動機轉子的轉速：</p><p>　　n = 60f(1-s)/p （3.1）</p><p>　　式（3.1）中：f為輸入電流的頻率；p為旋轉磁場的極對數；s為轉差率</p><p>　　由此可見，轉速n與輸入電流頻率f成正比。

44、</p><p>　　設計時，電動機的磁通通常處于接近飽和值，如果進一步增大磁通，將使電動機鐵芯出現(xiàn)飽和，從而導致電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的銅損耗和鐵損耗，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。因此，在改變電動機的頻率時，應對電動機的電壓進行協(xié)調控制，以維持電動機磁通的恒定。為此，用于交流電氣傳動中的變頻器實際上是變壓變頻器，即VVVVF。</p><p>　　變頻器的發(fā)展已有數十

45、年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但是目前成為市場主流的變頻器基本上有著如圖3.1所示的基本結構。</p><p>　　圖3.1 變頻器的基本構成</p><p>　　3.3.2 變頻器的控制方式</p><p>　　進行電動機調速時，為保持電動機的磁通恒定，需要對電動機的電壓與頻率進行協(xié)調控制，對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上

46、兩種情況。</p><p><b>　　1. 基頻以下調速</b></p><p>　?。?）恒定氣隙磁通ΦM控制（恒定控制）。根據異步電動機定子的感應電勢 </p><p><b>　?。?.2) </b></p><p>　　式（3.2）中， Eg為氣隙磁通在每相定子感應的電動勢；f1為電源

47、頻率；N1為定子每相繞組串聯(lián)匝數；K、N1為與繞組結構有關的常數；ΦM為每極氣隙磁通。要保持ΦM不變，當頻率f1變化時，必須同時改變電動勢Eg的大小，使</p><p>　　即采用恒定電動勢與頻率比的控制方式 。（恒定控制） </p><p>　?。?）恒定壓頻比控制（恒定控制）。在電動機正常運行時，由于電動機定子電阻r1和漏磁電抗的壓降較小，可以忽略，則電動機定子電壓U1與定子感應電動

48、勢Eg近似相等，即</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　　則得 =常值</b></p><p>　　這就是恒壓頻比的控制方式。</p><p>　　恒定控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調速要求，突出優(yōu)點是可以進行電動

49、機的開環(huán)速度控制。恒定 控制存在的主要問題是低速性能較差?！?】</p><p><b>　　基頻以上調速</b></p><p>　　當電動機的電壓隨著頻率的增加而升高時，若電動機的電壓已達到電動機的額定電壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電動機的絕緣，為此，在電動機達到額定電壓后，即使頻率增加仍維持電動機電壓不變。這樣，電動機所能輸出的功率由電動機的額定電壓和額定電流的乘

50、積所決定，不隨頻率的變化而變化，具有恒功率特性。</p><p>　　在基頻以上調速時，頻率可以從基頻往上增加，但電壓不能超過額定電壓，此時，電動機屬于恒功率調速。</p><p>　　3.4 MM440變頻器 </p><p>　　MicroMaster 440 變頻器簡稱MM440變頻器，是西門子公司一種適合于三相電動機速度控制和轉矩控制的

51、變頻器系列，其應用較廣。MM440變頻器由微處理器控制，采用具有現(xiàn)代先進技術水平的絕緣柵雙極型晶體管IGBT作為功率輸出器件。因此，它具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。</p><p>　　MM 440變頻器的電路如圖3.2所示。包括主電路和控制電路兩部分。主電路完成電能的轉換（整流、逆變），控制電路處理信息的收集、變換和傳輸。 </p><p>　　在主電路中，由電源輸入單相或三相恒壓

52、恒頻的交流電，經過整流電路轉換成恒定的直流電，供給逆變電路。逆變電路在CPU控制下，將恒定的直流電壓逆變成電壓和頻率均可調的三相交流電壓供給電動機負載。由圖3.2中可以看出，MM440變頻器直流環(huán)節(jié)是通過電容進行濾波的，因此屬于電壓型交--直--交變頻器。</p><p>　　MM440變頻器的控制電路由CPU、模擬輸入（AIN1、AIN2）、模擬輸出（AOUT1、AOUT2）、數字輸入（DIN1~DIN6）、繼

53、電器輸出（RL1、RL2、RL3）、操作板等組成。</p><p>　　端子1、2是變頻器為用戶提供的10V直流穩(wěn)壓電源。</p><p>　　模擬輸入3、4和10、11端為用戶提供兩對模擬電壓給定輸入端，作為頻率給定信號，經變頻器內的A/D轉換器，將模擬量轉換成數字量，變傳輸給CPU來控制系統(tǒng)。</p><p>　　數字輸入5、6、7、8和16、17端為用戶提供了

54、6個完全可編程的數字輸入端，數字信號經光電隔離輸入CPU，對電機進行正反轉、正反向點動、固定頻率設定值控制等。</p><p>　　端子9和28是24V直流電源端。</p><p>　　輸出端子12、13和26、27端為兩對模擬輸出端；輸出18~25端為輸出繼電器的觸頭；輸入14、15端為電動機過熱保護端；輸入29、30端為串行接口RS-485端?！?】</p><p&

55、gt;　　圖3.2 MM440變頻器電路圖</p><p>　　第4章 系統(tǒng)方案分析及可行性分析</p><p>　　4.1 方案分析 廣場的音樂噴泉控制系統(tǒng)需要具備以下功能： 1. 廣場樂曲播放; 2. 噴水與音樂同步; 3. 水型的組合; 4. 燈光控制; 5. 強行停止。 可以采用以下三種方案實現(xiàn)上述功能，現(xiàn)就優(yōu)缺點對比如下。&

56、lt;/p><p>　　方案一：繼電器-接觸器控制系統(tǒng)</p><p>　　繼電器-接觸器控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比，它的結構簡單，容易理解、掌握，設計成本比較低。但是，從應用于大型廣場的角度來看，該系統(tǒng)具有以下缺點： 1. 接點容易磨損、電接觸不是很好; 一個噴泉系統(tǒng)中，需要使用大量繼電器、接觸器，所以在這個控制系統(tǒng)，如果有一個壞的接觸點，整個系統(tǒng)都將癱瘓，而且找到故障相當困難，

57、維護也很繁瑣。</p><p>　　2. 觸點閉合緩慢; 接觸器緩慢和過度延遲是系統(tǒng)很大的缺點，由于控制系統(tǒng)需要噴泉和音樂同步，并具有體現(xiàn)音樂信號變化的實時性能。此外，控制系統(tǒng)還有能源消耗和維護工作量大等缺點，也降低了其經濟實用性。系統(tǒng)維護困難是致命的弱點，采用繼電器控制，繼電器的壽命不長，需要經常更換，而且故障繼電器是很難找到。綜上所述，由于該系統(tǒng)具有許多缺點，只適用于反應速度、精度和實時性要求不高的

58、場合，隨著科技的進步，這種類型的控制系統(tǒng)已逐步被淘汰。</p><p>　　方案二：單片機控制系統(tǒng)</p><p>　　單片機控制系統(tǒng)相比繼電器- 接觸器系統(tǒng)大大降低了成本。其優(yōu)點是：可以做成一個專用的控制系統(tǒng)，程序固化，保密性、可靠性高，操作簡單，易于維護。在許多小規(guī)模的音樂噴泉控制系統(tǒng)中，最合適做為控制核心。適用于城市的小廣場和普通住宅的小型音樂噴泉控制要求，由于控制簡單，單片機完全符

59、合要求，其低成本更受歡迎，是音樂噴泉的未來發(fā)展趨勢。 一個大的音樂噴泉控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)方面的性能是必要的，符合要求的是：在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，該系統(tǒng)也可在強電噪聲、電磁干擾、振動、極端溫度和高濕度的環(huán)境下正常工作。然而，采用單片機作為控制系統(tǒng)，它的性能會受到影響，不能很好地適應惡劣的工業(yè)環(huán)境。</p><p>　　此外，系統(tǒng)的負載能力不夠強，在負載要求較低、環(huán)境較好的場合，單片機控制系統(tǒng)仍有廣泛的應用。然

60、而，隨著人們生活水平越來越高，大型的音樂噴泉已成為人們關注的焦點。PLC技術的成熟和完善，能很好適地應工業(yè)控制環(huán)境，使得PLC控制系統(tǒng)的使用在音樂噴泉中逐漸超過其他控制器。</p><p>　　方案三：PLC控制系統(tǒng)</p><p>　　經過多年發(fā)展，PLC技術已日趨成熟，應用范圍越來越廣，幾乎滲透到各行各業(yè)。在許多控制應用中，PLC為核心的控制系統(tǒng)已經成為了理想的控制系統(tǒng)，其主要特點是：

61、</p><p>　　1. 編程方法簡單易學</p><p>　　2. 功能強，性能價格比高</p><p>　　3. 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強</p><p>　　4. 可靠性高，抗干擾能力強</p><p>　　5. 系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少</p><p>　　6. 維修

62、工作量小，維修方便</p><p>　　7. 體積小、能耗低</p><p>　　PLC的這些和其它特征使它成為任一控制系統(tǒng)的優(yōu)點。一旦安裝，作用立即顯現(xiàn)，與其他智能設備一樣，它的優(yōu)點還在于應用時的創(chuàng)新。</p><p><b>　　4.2 方案論證</b></p><p>　　一個音樂噴泉的成功與否主要是看噴出的水柱是

63、否有音樂感。PLC的主要功能是接收處理后的音樂信號，處理后發(fā)送到下一級控制裝置，控制水柱和燈光隨音樂變化，達到水上芭蕾的藝術效果。PLC精密、準確、穩(wěn)定、快速的特點和多點控制功能使其成為一個現(xiàn)代音樂噴泉工程中不可或缺的設備。</p><p>　　綜上所述，通過對三種控制系統(tǒng)的比較，顯然，PLC控制系統(tǒng)具有良好性能，所以本次設計選用PLC作為控制核心。</p><p>　　4.3 對選定方案

64、的分析</p><p>　?。?）功能的可行性：系統(tǒng)各部分大多是開關量信號，所以可編程邏輯控制器完全能滿足功能要求。</p><p>　?。?）系統(tǒng)的可靠性：該系統(tǒng)主要由PLC內部程序運行，提高了實時性、準確性，使系統(tǒng)的可靠性進一步得到保障。 （3）系統(tǒng)的擴展性：該系統(tǒng)采用PLC作為控制器，本身所具有高度的功能擴展性，再加上PLC產品的完整性，使系統(tǒng)功能擴展極為方便。 （4

65、）系統(tǒng)的可維護性：本系統(tǒng)采用先進的控制模式，極大降低工程成本，因為系統(tǒng)配置和結構簡單，增強了系統(tǒng)的可維護性。</p><p>　　第5章 系統(tǒng)總體設計</p><p>　　5.1 音樂噴泉組成</p><p>　　5.1.1 音樂噴泉水池設計</p><p>　　音樂噴泉噴頭分三組，外圈7個噴頭，內圈5個噴頭，中心為1個中心噴頭，外繞7個小噴

66、頭，需要10個水泵供水。燈組分三圈，外圈Leda 1~7（紅、橙、黃、綠、青、藍、紫），內圈為Led 8（白色）、Led 9（黃色）、Led 10（紅色），中心為Led 0（白色），周圍Ledb 1~7（紅、橙、黃、綠、青、藍、紫）。</p><p>　　效果如圖5.1、圖5.2、圖5.3所示。</p><p>　　圖5.1 中心噴頭及燈組</p><p>　　圖

67、5.2 內圈噴頭及燈組</p><p>　　圖5.3 外圈噴頭及燈組</p><p><b>　　完成效果：</b></p><p>　　白天時，光控開關斷開 </p><p>　　a 控制者按下啟動按鈕SB0內置播放器先啟動；</p><p>　　b 規(guī)定一段時間后外置播放器啟動，廣場

68、開始播放音樂，同時水泵0和水泵8啟動，所連接的噴頭開始噴水；外圈水泵1~7有序的啟動停止間隔3s，一直循環(huán)，形成與音樂曲調一致的噴水效果。</p><p>　　c 外置播放器啟動時，水泵9會啟動，水泵9由變頻器控制。聲音低于中等音響時，在PLC的控制下，水泵9處于低速轉動，內圈5個噴頭噴出H高度的水柱。超過中等音效時，水泵9中速轉動，噴出2H高度的水柱。在聲音超過較大音響條件下，變頻器控制水泵高速轉動，噴出3H

69、高度的水柱。這樣就呈現(xiàn)出5個噴頭隨著音樂聲響的大小，不斷改變水柱的高度，達到噴泉隨音樂跳動的效果。</p><p>　　d 按下停止按鈕SB1，所有內外設備停止運轉。</p><p>　　夜晚時，光控開關閉合</p><p>　　a 按下啟動按鈕SB0，內置播放器先啟動，同時外圈噴頭下Leda 1~7燈亮，中心噴頭下Led 0（白燈)亮。</p>

70、<p>　　b 規(guī)定2s后外置播放器啟動，廣場開始播放音樂，同時水泵0和水泵8啟動，所連接的噴頭開始噴水；外圈水泵1~7有序的啟動停止，中心噴頭下Ledb 1~7</p><p>　　有序啟動停止，時間為3s，形成于音樂曲調一致效果，同時在各色燈光映襯下，噴泉更加美麗。</p><p>　　c 內圈的噴水效果與白天一樣，燈光效果是：低于中等音響時，內圈噴頭下白燈（Led 8）

71、亮，音樂聲音超過中等音響時，白燈（Led組8）和黃燈（Led組9）亮，聲音超過較大音效時，白燈（Led組8）、黃燈(Led組9)紅燈（Led組10）都亮。達到燈光隨著音樂的聲響從低音——中音——高音而呈現(xiàn)出白——白加黃——白加黃加紅的效果。</p><p>　　d 按下停止按鈕，所有內外設停止工作。</p><p>　　5.2 控制系統(tǒng)組成 </p><p>　　

72、硬件系統(tǒng)主要由PLC、A/D轉換模塊、變頻器、水泵、燈等組成。通過PLC對外部音頻信號的采集、轉換來控制變頻器和接觸器的動作。從而控制系統(tǒng)完成控制要求，實現(xiàn)噴泉對音樂的實時體現(xiàn)。</p><p>　　音樂噴泉控制系統(tǒng)組成如圖5.4所示。</p><p>　　圖5.4 控制系統(tǒng)組成框圖</p><p><b>　　5.3 變頻器設計</b>&l

73、t;/p><p>　　5.3.1 變頻器選型</p><p>　　本次設計選用西門子公司的MM440變頻器來控制水泵9變速轉動，MM440是一種適合于三相電動機速度控制和轉矩控制的變頻器系列，其應用較廣。改變頻器在恒定轉矩（CT）控制方式下功率范圍為120W~200KW,在可變轉矩（VT）控制方式下功率可達250KW,有多種型號可供用戶選擇。MM440變頻器可工作于缺省的工廠設置參數狀態(tài)下，是

74、為數量眾多的簡單的電動機變速驅動系統(tǒng)供電的理想變頻驅動裝置。</p><p>　　5.3.2 變頻器控制接線圖</p><p>　　變頻器硬件連接如圖5.5所示，PLC的輸出接口Q1.2連到變頻器的DIN3端子上，用來控制變頻器的啟停。PLC輸出口Q1.0和Q1.1連接到DIN1、DIN2端子上，通過PLC輸出開關量控制變頻器輸出預先設置的固定頻率，變頻器輸出的頻率由設置的參數決定。<

75、;/p><p>　　圖5.5 PLC和MM440變頻器聯(lián)機三段速控制水泵</p><p>　　5.3.3 變頻器參數設置</p><p>　　復位變頻器工廠默認值，P0010=30和P0970=1，按下P鍵，開始復位，這樣就保證了變頻器的參數恢復到工廠默認值，如表5.1所示。</p><p>　　表5.1 變頻器參數設置表</p>

76、<p>　　DIN1=1，DIN2=0時，運行頻率P1001；DIN1=0，DIN2=1時，運行頻率為P1002；DIN1=1，DIN2=1時，運行頻率為P1003。</p><p><b>　　5.4 PLC設計</b></p><p>　　5.4.1 PLC選型</p><p><b>　　分析輸入和輸出點數</

77、b></p><p>　　開關量輸入：2個輸入，一個啟動按鈕，一個停止按鈕。</p><p><b>　　光控開關：1個輸入</b></p><p><b>　　音頻信號：2個輸入</b></p><p>　　輸出：變頻器需要3個輸出，水泵1~7需要7個輸出，水泵0和8需要1個。白燈Led 0

78、和燈組Leda 1~7需要1個，Led 8（白色）、Led 9（黃色）、Led 10（紅色）總共需要3個，中心Ledb 1~7需要7個。</p><p>　　綜上所述，輸入需要5個，輸出需要22個。

79、

80、 </p><p><b>　　PLC選型</b></p><p>　

81、　S7—200PLC是小型模塊式的PLC，整機I/O點數從10~40點，在小型自動化設備中得到了廣泛的應用。200系列PLC是單體式結構，具有RS-485通訊接口、電源系統(tǒng)和I/O接口。它的體積小、可靠性強、運算快，擁有豐富的指令、操作方法簡單，可以方便的實現(xiàn)I/O擴展，性價比高，是中小控制系統(tǒng)的首選設備。</p><p>　　本次設計選用CPU 226型號的PLC，它的I/O點數為40點，輸入點24點，輸出點1

82、6點，可以帶7個擴展模塊。按PLC輸入端所接電源不同，可分為交流輸入和直流輸入，本次設計選擇CPU 226AC/DC/繼電器。</p><p>　　PLC擴展模塊選擇 </p><p>　　S7—200可提供3大類數字量輸入輸出擴展模塊。</p><p>　　1、EM221，數字量輸入擴展模塊，有兩種類型：8點直流輸入模塊，8點交流輸入模塊。</p

83、><p>　　2、EM222，數字量輸出模塊，8個輸出點，有3種輸出類型：直流24V輸出模塊；交流輸出模塊；交直流輸出模塊。</p><p>　　3、EM223，數字量輸入/輸出模塊，有6種輸出類型：直流24V輸入4點/輸出4點；直流24V輸入4點/繼電器輸出4點；直流24V輸入8點/繼電器輸出8點；直流24V輸入16點/輸出16點；直流24V輸入16點/繼電器輸出16點。</p>

84、<p>　　由上面數字量輸出模塊點數可知，本次設計選用EM222（8×繼電器），交直流輸出模塊，具有8個分隔式數字量輸出點。</p><p>　　5.4.2 控制系統(tǒng)的I/O地址分配</p><p>　　PLC設計的關鍵是畫出PLC的外部硬件連接圖。根據上述選擇的PLC型號、擴展模塊，給出各I/O地址分配，本次設計的系統(tǒng)輸入5個，輸出22個。</p>

85、<p>　　I/O地址分配如表5.2所示。</p><p>　　表5.2 I/O地址分配表</p><p><b>　　續(xù)表5.2</b></p><p>　　5.4.3 PLC控制接線圖</p><p>　　啟動按鈕SB1接入I0.0，停止按鈕SB2接入I0.1, I0.2~I0.4接收開關量信號；Q0.

86、0~Q0.7控制水泵0~8的運行停止，Q1.3用于控制變頻器的運行停止，Q1.1、Q1.2用于控制變頻器的頻率選擇，從而控制水泵9運行功率的變化；Q1.0、 Q1.4~1.7、Q2.0~2.5用于控制音樂噴泉所有燈光的亮滅。</p><p>　　PLC的外部硬件連接如圖5.6所示。</p><p>　　圖5.6 PLC的外部硬件連接圖</p><p>　　第6章

87、PLC控制系統(tǒng)設計</p><p>　　音樂噴泉的控制主要由PLC來控制，通過音樂的音響大小信號來控制PLC的輸出值，變頻器接收PLC傳來的開關量信號，控制變頻器輸出不同頻率的交流電，使受控制的水泵噴出高度不斷變化的水柱，同時控制其余噴頭按程序有序的運行停止。同時在夜晚，光控開關閉合，PLC控制各色彩燈在音樂的變化下有序的變化，實現(xiàn)噴泉的噴水和燈光隨音樂同步變換，達到水上芭蕾的效果。</p><

88、;p>　　6.1 PLC控制流程</p><p>　　PLC初始化后，首先檢測SB1是否按下，接著檢測光控開關是否閉合，進而選擇燈光是否啟動，啟動按鈕按下后，根據程序運行相應設備。如果按下停止按鈕，所有設備停止工作。</p><p>　　PLC工作流程如圖6.2所示。</p><p>　　6.2 變頻器選擇流程</p><p>　　變頻

89、器啟動后，PLC根據音頻信號不同輸出不同開關值，變頻器根據開關值不同輸出預置頻率，對電機進行控制，變頻器工作流程如圖6.1所示。</p><p>　　圖6.1 變頻器工作流程</p><p>　　圖6.2 PLC控制流程圖</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　隨著中國國力和人民生活水平的不

90、斷提高，音樂噴泉在很多城市的廣場上都可以看見。音樂噴泉，顧名思義，是指根據音樂的旋律使噴泉有節(jié)奏的進行變化，形成水上芭蕾的藝術效果，給人以精神愉悅的感覺。音樂噴泉的設計涉及范圍很廣，包括音樂信號分析、電氣、給排水、自動控制和通信，綜上可以看出音樂噴泉這一行業(yè)是一個專業(yè)性和綜合性很強的行業(yè)。音樂噴泉項目的成功完成需要上述方面的專業(yè)人員密切配合方能完成。</p><p>　　本課題主要是完成音樂噴泉控制系統(tǒng)的設計，具

91、體噴泉的噴頭布置和燈光布局在此不作詳細介紹了。本系統(tǒng)采用PLC對整個系統(tǒng)進行控制，變頻器實現(xiàn)噴泉水泵的變頻噴水。PLC是一個高度可靠的控制裝置，與PLC接口的輸入元件和輸出接口元件是影響可靠性的主要因素，編程過程中，主要問題是高清各輸入輸出元件的接口地址及它們在系統(tǒng)中發(fā)揮的作用。變頻器是一種簡單高效的調速裝置，應該注意參數設置等問題的處理。上述這些已在第5章做詳細介紹。</p><p>　　本設計分為硬件部分和軟

92、件設計部分，做到硬件和軟件的完美結合，在整個設計過程中，需要不斷深入學習PLC的知識，并學習變頻器的相關知識，通過整個實際過程，增強了對電氣控制系統(tǒng)設計的認識，提高了實際工作能力。同時本次設計也提高了自己的獨立思考能力和實際動手能力。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　首先，要感謝我的指導老師王老師！王老師學識淵博，治學嚴謹，待人熱情，平

93、易近人，同學在畢業(yè)設計的過程中遇到困難時，都會大膽的向王老師提出問題，老師也總是及時耐心的幫我們解答。題目選定后， 在資料查詢、開題報告中、設計和撰寫論文的每個環(huán)節(jié)，我們都得到了王老師的悉心指導和幫助，老師主動幫我們查找一些資料，是我們少花許多時間，在此我向王老師表示衷心的感謝！</p><p>　　同時，我還要感謝親愛的同學，能夠熱心解答我的問題，給出許多論文撰寫的技巧，使我在排版上省掉不少時間，能夠有更多時間

94、在題目的研究上和設計上。</p><p>　　最后，我再次對所有幫助、關心和支持我們的老師、同學、朋友和家人致以崇高的敬意！謝謝你們！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]康梅, 朱莉, 陳山編 《變頻器使用指南》[M] 化學工業(yè)出版社 2009.01</p><p>　　[2]張燕

95、賓 《變頻器應用教程》 [M] 機械工業(yè)出版社 2007.01</p><p>　　[3]SIMATIC S7-200系統(tǒng)手冊[M]. 北京：西門子（中國）有限公司,2004</p><p>　　[4] 吳中俊 黃永紅《可編程序控制器原理及其應用》[M]機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[5] SIEMENS公司的S7-200用戶指南[M]. 工

96、業(yè)控制計算機,2002</p><p>　　[6] 《S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊》[M]. 工業(yè)控制計算機,2001</p><p>　　[7] 吳愛萍. 《PLC控制的設計技巧》[M]. 工業(yè)控制計算機,2003</p><p>　　[8] 吳明洞.《 PLC控制的設計技巧》[J]. 工業(yè)控制計算機學報,2003</p><p>　

97、　[9] 廖常初 《 S7-200 基礎教程》[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[10] 廖常初. 《PLC應用技術問答》[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[11]梁森 《自動檢測與轉換技術》[M] 北京機械工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[12]Xue Shilong Chen Yihui. The

98、Marine Anchor And winch's Frequency-conversion And Speed-modification System Based on PLC Control.IMECE.2003</p><p>　　[13]Charles P. The Seismic Retrofit of the Golden Gate Bridge. PRC-US Workshop on