PLC音乐喷泉设计论文

时间：2020-09-24 20:18:59 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　毕业论文

　题目：C PLC 音乐喷泉设计

　系

　别：机电工程系

　专

　业：机电一体化

　班

　级：机电 2 122 班

　姓

　名：杨朋飞

　学

　号：

　2012122046

　指导教师：王冰玉

　第１章

　绪论 当今喷泉工程和高新技术的结合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。当变频控制技术引入音乐喷泉控制系统，可以使水柱随着音乐快慢变化，仿佛是在随着音乐翩翩起舞，引人入胜。本文通过设计一个实用型广场音乐喷泉的 PLC控制系统，介绍 PLC 在音乐喷泉控制控制系统中的应用。通过这一设计过程，进一步熟悉 PLC 控制系统的设计步骤和方法，培养理论联系实际及知识的综合运用能力。本章对这一课题的设计背景及控制系统中 PLC、变频器的基本知识进行简单的介绍。

　1.1 论文的背景 起初的音乐喷泉控制系统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，其原理是将声音信号转变为电信号，经过放大及其它一些处理推动继电器或电子开关，再去控制设在水路上的电磁阀的启闭，从而达到控制喷头水路的通断。

　音乐喷泉是现代科技与艺术的综合，利用喷泉来表现音乐的美感，令人赏心悦目。目前，有许多采用各式各样的控制系统来实现的音乐喷泉， 取得了良好的效果。但纵观这些音控产品，有的利用音乐的时域变化来控制喷泉，有的将音乐分成几个频段来控制喷泉的花型， 且多采用低频、中频和高频三个频段来控制。缺点是都没有在频域上很好地展现音乐，因此不能很好地体现音乐的内涵。

　本设计针对这些问题，提出了一种新的方法来控制喷泉的变化，本设计将通过对音

　乐音频信号的实时采样，再通过变频器对潜水泵进行变频调速，利用各式喷头的喷射、摇摆、旋转来实现喷泉水柱高低、摇摆幅度、旋转速度来实时地展现音乐的频谱。

　1.2 可编程序控制器概述 可编程序控制器简称 PLC，是 20 世纪 60 年代以来发展极为迅速、应用面极广的自动化控制装置，是现代工业自动化的三大支柱之一 [1] 。

　可编程序控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，先已广泛应用于工业控制的各个领域。他以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程 [2] 。

　1.2.1 PLC 的发展概况 20 世纪 60 年代以前，汽车流水线的自动控制系统基本上都采用传统的继电器控制。在 60 年代初，美国汽车制造业竞争越发激烈，而汽车的每一次更新的周期越来越短，这样对汽车流水线的自动控制系统更新就越来越频繁，原来的继电器控制就需要经常地重新设计和安装，从而延缓了汽车的更新时间。所以人们就想能有一种通用性和灵活性较强的控制系统来替代原有的继电器控制系统 [3] 。

　PLC 在食品、制造和冶金等其他工业部门相继得到了应用。1971 年，日本引进了这项技术，并开始生产自己的 PLC。1973 年，欧洲一些国家也研制出了自己的 PLC。1974 年，我国也开始仿照美国的 PLC 技术研制自己的 PLC，终于在 1977 年研制出第一台具有实用价值的 PLC [4] 。

　1.2.2 PLC 的特点 PLC 是传统的继电器技术和计算机技术想结合的产物，所以在工业控制方面，它具有继电器控制或通过计算机所无法比拟的特点。

　1、高可靠性 在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对采用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此 PLC 具有很强的抗振动冲击的性能；

　无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；所有的输入/输出（I/O）接口都采用了光电隔离措施，使外部电路和 PLC 内部电路能有效的进行隔离；PLC 采用模块式的结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能够尽量缩短系统维修的时间 [5] 。

　在软件方面，PLC 的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当 CPU、电池、I/O口、通信等出现异常时，PLC 的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后备电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失 [6] 。

　由于采用了上述有效措施，保证了 PLC 的高可靠性，从而使 PLC 的平均无故障时间已经能高达几十万小时。

　2、应用灵活、使用方便 模块化的 PLC 设计，使用户能根据自己控制系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需要的 PLC 的模块并进行资源配置和 PLC 编程。这样，控制系统就不再需要大量硬件装置，用户只需根据控制需要设计PLC的硬件配置和I/O的外部接线即可。而在 PLC 控制系统中，当控制要求改变时，不改动 PLC 外部接线，只需修改程序即可。

　3、面向控制过程的编程语言，容易掌握 PLC 的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。虽然 PLC 是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能力，只要用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可 [7] 。

　4、易于安装、调试、维修 在安装时，由于 PLC 的输入/输出接口已经做好，因此可以直接和外部设备相连，而不再需要专用的接口电路。而且 PLC 的软件功能取代了原来的继电器控制中间继电器、计时器、计数器等一些器件，所以硬件安装上的工作量相应减少 [8] 。

　PLC 的调试可先在实验室模拟完成，模拟调试完成后再现场安装、调试。这样就可以避免可能在现场会出现的一些问题，从而缩短调试周期。

　在维修方面，PLC 完善的诊断和显示功能，可以通过模块上的显示或编程器等很容

　易地找出故障的模块，而且由于模块化设计，因此只需要对错误的模块进行更换即可。

　5、功能完善、模块功能和网络功能强大 现在 PLC 不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有 A/D、D/A 转换、数值运算和数据处理等功能。因此，它既可以对开关量进行控制，又可以对模拟量进行控制。由于 PLC 产品的系列化和模块化，PLC 配备有品种齐全的多种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统 [9] 。

　1.3 变频器的工作原理 随着电力电子技术、微电子技术及计算机技术的发展，变频器已经成为电器调速的主流，成为现代工业的组成部分。变频器不仅可以节省能源，还可以改善控制性能，提高生产效率。工业中使用的变频器可分为通用变频器和专用变频器。通用变频器主要用于工业驱动交流电动机；专用变频器用于特定的控制对象。随着变频器的发展，采用矢量控制的变频器开始普及。矢量控制的重要性能是使异步电动机具有直流电动机的调速特性，并且与直流电动机系统比较，有无需维修，不需抑制电流变化率，可以谋求电流控制的快速响应；磁场控制范围广等优点。无速度传感器矢量控制变频器可以在各种转速下提供不变的转矩，在整个调速范围内不但给出 160%的过载转矩，同时还可以进行滑差补偿。中小容量的变频器正向降低噪音，减少谐波对电源的影响、提高低速是的转矩等方向发展。由于变频器变频调速性能好，因而现在以被钢铁、石油、纺织、造纸、建材等行业采用并大力推广。并且极其精确地运行，驱动普通电机能达到最佳的控制效果，操作简单灵活，具有扩展功能 [10] 。

　变频器的基本构成，从结构上看，变频器可分为直接变频和间接变频两类。间接变频器先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流，因此又称它为有中间直流环节的变频装置或交-直-交变频器。直接变频器将工频交流一次变换为可控频率交流，没有中间直流环节，即所谓的交-交变频器。目前应用较多的是间接变频器即交-直-交变频器。因此，可以认为，变频器的基本构成如图 1.1所示。

　图 1.1

　变频器的基本构成

　1.4 论文的主要任务与内容 本论文是本人的毕业设计论文，需要本人结合所学知识，以可编程序控制器为基础，对包装机组自动控制系统进行自动化控制。主要任务是在自我学习、向人学习的前提下，深入地了解电气控制系统各方面的知识，熟练地掌握 PLC 控制技术各方面的理论知识及其应用，逐渐提高对电气控制系统进行设计的实际工作能力，懂得运用所学的理论知识与实际情况相结合。同时，通过学习各方面的知识，不断地提升自己，通过实际应用，逐渐地提高自己的动脑能力和动手能力以及处事能力。

　本论文在具体分析基于可编程序控制器的广场音乐喷泉控制系统设计，对该控制系统进行了具体的研究和设计。同时，对可编程序控制器在工业应用中的一些问题也进行了一定的讨论。

　1.5 论文的组织 论文共分为 5 章：第 1 章对论文背景进行了综述，着重介绍了可编程序控制器的有关基础知识；第 2 章对音乐喷泉控制系统的要求、目的、任务、内容、工作过程以及控制器的选择进行了系统概述，并针对设计所需要的方案进行了选择论证；第 3 章主要分析了系统的组成部分以及各部分器件的工作原理，对音乐喷泉控制系统的各种元件的选择和参数确定等控制系统的硬件配置；第 4 章根据控制系统流程图进行软件设计；第 5章为系统调试。

　第 2 章系统概述及方案论证 本章主要介绍广场音乐喷泉控制系统的基本要求，以及设计广场音乐喷泉控制系统的目的和任务，并对完成此系统设计的方案进行选择及论证等相关内容。通过分析该控制系统的各部分的功能要求，以达到广场音乐喷泉控制系统的最优实现方法。

　2.1 系统概述 音乐喷泉作为一种人造环境工程项目，将音乐的美和喷泉有机的结合在一起，给人以赏心悦目的感受。目前，采用不同控制器来实现音乐喷泉的方法越来越多，究竟怎么样实现才能达到最优的控制以及给人最美的观赏效果，本设计从诸多方面来分析、探讨此问题的解决方案。

　2.1.1 音乐喷泉控制系统的要求 在诸多音乐喷泉控制系统中，不管是采用继电器控制或电磁阀对音乐喷泉进行控制（开关及喷泉扬程控制），由于不能对电动机或其他控制阀进行调速，所以这些方式都存在反应速度慢的弱点。因此，本设计的重点在于音乐与喷泉的同步实时性，在控制系统中采用了变频调速，通过变频器来控制电动机，从而达到快速反应的目的，所以下面所介绍的是本设计对音乐喷泉控制系统所需要达到的要求、效果。

　顾名思义，音乐喷泉就是要求在音乐的伴随下喷泉的高度、灯光的强度、色彩以及喷泉的造型随音乐的音量而变化，通过对各种不同的音乐进行选择播放，以及对不同音频信号的采集、转化等处理后，利用编制程序来实现对音乐喷泉的实时控制。

　2.1.2 控制系统目的及任务 本设计控制系统为广场音乐喷泉控制系统，该控制系统的目的及任务如下：

　1、分析系统的工作原理和工艺过程；

　2、熟悉对 PLC 的选型以及相关参数的选择； 3、了解系统控制主电路：包括电源、各保护开关、电机及其外部电路的设计方法；

　4、掌握 PLC 的 I/O 地址分配以及 PLC 外部接线的方法； 5、掌握软件系统的设计方法，绘出梯形图、列出指令表等。

　2.1.3 控制系统内容 音乐喷泉控制系统内容包括乐曲播放、水型与乐曲同步、水型的程序演示、彩色灯光的程序演示、水型的节奏随动控制等。

　 1、乐曲播放

　 音乐喷泉所播放的乐曲可以从 CD、VCD、DVD 等播放器播放，通过功率放大器，将所选歌曲分为两路输出，一路输出到音箱设备，另一路输出到 A/D 转换模块对音频信号进行采样。当操作员在乐曲数据库中确定了演示乐曲后，随后启动该驱动器，正确地播放选定的乐曲。

　2、水型与乐曲同步控制 当乐曲开始播放，水型会同步演示。在上一首乐曲结束和下一首乐曲开始的间歇期间，水型也会保持同步停止和继续演示。此音乐喷泉控制系统能提供可调整的喷泉延时，使水型与乐曲达到同步的效果。

　3、水型的程序演示 喷泉潜水泵电动机是受控制器内部的程序控制，每一首乐曲可从控制器中相应的找到对应的固定程序数据，并可以将其对应输出。

　4、彩色灯光的程序演示 与水型的演示程序类似，彩色灯光也由控制器系统程序控制。通过利用喷泉水泵的控制程序，将灯光控制也采用其同样的方法，随喷泉的变化相应的水下彩色灯光也会变化、动作。

　5、水型的节奏随动控制 对于不同的音乐，其水型的跳跃和摇摆是与乐曲的节奏同步的，表演出音乐喷泉的激情和活力。这种水型的跳跃和摇摆变化也是由 A/D 对其音频信号采集转换后通过对应的程序所表现出的。通过变频器对潜水泵实现加速、减速等控制，以达到对不同音乐信

　号的不同观赏感。

　2.1.4 控制系统的简要工作过程 首先对音频信号进行分配，一路直接经功率放大器后输出到外部音箱设备；另一路则对音频信号进行采样和A/D 转换等预处理；其次，经过PLC对数字量音频信号（二进制）进行转换,将其音频信号转换成实数，再通过在PLC内部设定某种固定值或表格数据，与之相比较输出采样值的范围；最后，通过对变频器的高、中、低三个控制端进行开关量输入，即输入组合（001～111），以达到调节变频器的7种频率段，并能很好的控制潜水泵的转速。当转速的快慢、音乐音频信号各频率对应声音信号的强度, 通过变频控制系统就可以将音频信号的变化用喷泉的水柱表现出来, 水柱的高低按线性比例反映音频信号的幅度。设每次对音频信号的采样时间为0.6s, 系统总的结构组成将在第三章进行详细的阐述。

　2.2 控制系统方案选择及论证 通过对本课题控制系统各方面知识的收集、整理和不断地深入学习理解，以及对课题控制系统充分地介绍说明的基础上，根据课题设计要求及目前广场音乐喷泉在人们日常生活当中应用的实际情况，对该系统采用继电器、单片机以及 PLC 作为控制系统主要控制器件的优缺点进行了比较，并进行方案选择论证。

　2.2.1 方案分析 广场音乐喷泉的控制系统，要求具备如下功能：

　1、 广场乐曲播放； 2、 水型与乐曲同步； 3、 水型的演示的控制； 4、 彩色灯光的控制； 5、 强制停止功能。

　下面我们就如何能方便、简单地实现音乐喷泉的以上功能及经济角度等方面，将在音乐喷泉控制系统中常用的各种控制控制器或控制电路的优缺点进行简单地比较。

　方案一：继电器-接触器控制系统 该系统与其他系统相比，结构比较简单，易于理解和掌握，其设计成本也相对较低。

　但从应用于该大型广场音乐喷泉系统中来看，该系统有以下几个缺点：

　1、接点易磨损，电接触不好； 在一个喷泉系统中，需要用到的继电器、接触器的数量是相当大的，因此，在此控制系统中，如果有一个触点接触不良，整个系统就会瘫痪，而且要找出故障元件是很难的，维修也相当烦琐。

　2、接点闭合缓慢； 接触器动作缓慢以及过度延时是该系统的缺点之一，因为该控制系统要求与音乐同步，并能实时的表现出音乐信号的变化。另外，控制系统的能量消耗大、维修保养工作量大等缺点，从而降低了其经济性。维修困难是该系统的致命的弱点，由于使用继电器控制，而继电器的使用寿命不长，需经常更换，而且在众多继电器中找故障非常困难。

　综上所述，由于该系统有诸多弊病，继电器-接触器系统仅仅应用于反应速度、精度、实时性要求不是很高的场合，随着科技的进步，该型控制系统已逐渐被淘汰。

　方案二：单片机控制系统 单片机控制系统比继电器-接触器系统大大的降低成本。其优点有：可以做成专用的控制系统，程序被固化，保密性强，可靠性较高，操作简单，并且易于维护。在诸多小型音乐喷泉控制系统中，最适合的应是单片机作为控制核心。适合于一般城市小广场和普通住宅小区的小型音乐喷泉，由于其控制要求简单，使用单片机完全可以满足要求，而且因其成本低则更易于普及，是未来音乐喷泉的发展趋势。

　在大型广场音乐喷泉控制系统中，控制系统各方面性能都需要满足要求，就是在恶劣的工业环境条件下，该系统也能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。但是，如果利用单片机作为控制系统，其性能会受到相应的影响，不能很好的适应到极其恶劣的工业环境中去。

　另外，该系统带负载的能力不够强，在对负载要求不高、环境比较好的场合，单片机控制系统仍有较广泛的应用。不过，随着人们生活水平的逐渐提高，越来越多的大型

　音乐喷泉成为了人们观赏的焦点。而 PLC 技术的成熟与完善，能有很强的适应工业控制环境的能力，作为利用 PLC 作为音乐喷泉控制器的控制系统，已经渐渐超过了采用其它控制器来实现的音乐喷泉控制的控制系统。

　方案三：PLC 控制系统 经过数十年的发展，PLC 技术已越来越成熟，应用的范围也越来越广泛，几乎渗透到了各行各业。而在很多的控制应用系统中，以 PLC 为核心的控制系统逐渐成为理想的控制系统，其主要特点主要有：

　1、硬件的可靠性 PLC 是为了在恶劣的工业环境条件下应用而设计的，一个设计良好的 PLC 能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。

　在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，又提高了其抗干扰性能；各个 I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响其他各机的正常运行。

　由于 PLC 本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上，这样便易于检修和维护。

　2、编程简单，使用方便

　用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。

　PLC 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前大多数 PLC 均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平，很容易被电气技术人员所接受，

　易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。

　这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在 PLC 内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这些时间是可以忽略的。

　3、接线简单，通用性好 PLC 的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与 PLC 输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与 PLC 输出端子连接。接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC 的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使 PLC 具有很高的经济效益。

　用于连接现场设备的硬件接口实际上是 PLC 的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。

　4、可连接为控制网络系统

　PLC 可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为 500—2500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为 1M—10Mbps，传输距离为 500—1000m，网上结点可达 1024 个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。

　5、易于安装，便于维护 PLC 安装简单而且功能强大，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到 PLC 系统的情况下，PLC 小的模块结构使之能安装在继电器附近，并将连向已有接线端，其改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。

　在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆获双扭线连向 CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由 PLC 制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人

　员的现场安装时间。

　从一开始，PLC 便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是 ON 还是 OFF，还可写编程指令来报告故障。

　PLC 的这些及其他一些特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，像其他智能设备一样,PLC 的潜在优点还取决于应用时的创造性。

　2.2.2 方案论证 对音乐喷泉的成败最重要的是看喷出的水流量是否有音乐感。PLC 的主要功能是对音乐信号进行处理，再将处理后的信号传输到下一级控制设备，这样就可以控制所需的水型及灯光按照音乐的节奏高低起伏和动感变化，使音乐喷泉真正达到了水上芭蕾的艺术效果。PLC 所具有的准确、精密、快速、稳定的特点和多点控制的功能已使它成为现代高技术音乐喷泉工程中不可缺少的设备。

　通过对上述方案分析可知，该系统从理论上讲，可以采用的控制器有：继电器-接触器控制；单片机控制；PLC 控制等三种控制器。

　综上所述，对这三种不同形式的控制器的比较，在广场音乐喷泉控制系统中，很显然 PLC 作为控制器的优势比较明显、突出。因此，在此次音乐喷泉控制系统中选用了PLC 作为控制器的方案。

　2.2.3 对选定方案的分析 1、可行性分析 （1）

　功能可行性分析：由于系统各主要部分所需要满足的功能步骤及要求大多是开关量信号，所以选择可编程序逻辑控制器是完全能够满足其功能要求的。

　（2）系统可靠性分析：系统主要靠 PLC 内部程序运行，从而达到实时性、准确性得到很大改善，使系统可靠性得到了进一步的保证。

　（3）系统扩展性分析：系统采用 PLC 作为控制器，其本身就具有极强的功能扩展

　性，加之 PLC 产品的完整性，使得系统功能扩展极其方便。

　（4）系统可维护性分析：系统采用先进控制方式，大大降低了工程成本，并由于系统组态及结构简单，这使得可维护性增强。

　2、技术性能 （1）PLC 选型：PLC 的选择是否能让功能与任务相适应；PLC 的处理速度是否满足实时控制的要求； （2）扩展模块的选择：开关量输入模块工作电压的选择；开关量输出模块输出方式的选择；模拟量输入模块的模拟量值的输入范围考虑。

　从与其它喷泉控制系统对比中可以看出，本次设计的控制系统中主要控制器必须满足系统的可行性、可靠性、可扩展性、可维护性等要求。而综合上述方案论证，大型广场音乐喷泉采用 PLC 控制系统既能很好地满足其性能要求，并能很好的实现音乐喷泉的各种功能，又经济、安全、方便实用。本文就是基于以上所介绍的 PLC 的诸多优点而设计的。同时，在后续的设计中将综合考虑控制系统的技术性能。

　第 3 章 系统硬件部分 本章主要介绍广场音乐喷泉控制系统的基本组成部分、控制过程、各部分元器件的工作原理、PLC 控制系统 I/O 点数的估算、元器件参数选择、PLC 外部硬件接线图以及控制系统主电路图等内容。

　3.1 控制系统的组成部分

　硬件系统主要由PLC、A/D转换模块、变频器、潜水泵和灯光组成。通过PLC对外部音频信号的采样、转换来控制变频器和故态继电器的动作，从而达到控制系统的要求，并能够实现对音乐和喷泉的实时的完美结合。音乐喷泉控制系统硬件组成部分如图3.1所示。

　 图 3.1

　音乐喷泉控制系统硬件结构图 3.2 系统的控制过程 在这里，输入转换电路是指能对乐曲启停、乐曲节奏和声音强弱等进行检测并将检到的信号以电平、脉冲或数字形式送至PLC的电路。

　在此控制系统中，利用A/D模块对音乐信号的采样，根据控制精度的需要,人耳的听觉,音乐信号的特点。由于人耳听到的是广场上播放乐曲的声音,而人眼看到的是喷头的

　水流量,声音强度与水流量并不是线性关系。而与潜水泵的速度成线性关系,阀门喷出的水流量高度与潜水泵的旋转速度变化成比例,潜水泵的旋转速度又与给变频器所设定的频率以及频率变化速度成比例。声音强度与采样过来转换后的数字量成比例,所以PLC要对采样后的数字量进行分段、转换、比较才能输出到相对应的变频器，以达到控制水泵旋转速度。

　因为有了它，音乐已不再仅是背景音乐，音乐已用来控制整个喷池喷头的动作与否，因而已达到了音乐喷泉的最基本要求。

　3.3 PLC 的选型

　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，必须首先把系统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。在确定控制系统各环节的相互关系之后，就可以进行分配输入输出设备。

　因此，I/O点数的确定，是设计整个PLC音乐喷泉控制系统首先需要解决的问题，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。在估算了PLC的输入输出点、内部辅助继电器、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/输出量的确定。

　3.3.1 PLC控制系统I/O口的估算 本设计是广场音乐喷泉控制系统的设计,根据PLC 的I/O节点使用原则,应留出一定的I/O点以做扩展时使用。在对系统的控制要求进行分析后，可以大概确定系统的输入输出点数。

　1、系统数字量输入所需点数估算 本系统是根据音乐的旋律、音频信号的大小来控制喷泉水柱高低的，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

　系统数字量输入所需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 喷泉控制系统启动 输入点数：2 停止按钮 1 喷泉控制系统停止 2、系统模拟量输入所需点数估算 为了将音频信号转化成 PLC 能识别的数字量信号，这里需采用一个模拟量/数字量转换模块，所以模拟量输入点为 1 个。如表 3.2 所示 表 3.2

　系统模拟量输入所需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 音频信号变送模块 1 音频信号大小 输入点数：1 3、系统数字量输出所需点数估算 系统数字量输出分为控制变频器开关量、控制灯光开关量两个部分，其中变频器有启动和调速两种控制量。如表 3.3 所示 表 3.3

　系统数字量输出所需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 启动变频器开关量 5 控制变频器运行

　输出总点数：24 变频器速度开关量 12 选择变频器频率 水下等光控制输出 7 水下灯光的控制 3.3.2 PLC 的选型 由以上对广场音乐喷泉控制系统的组成、工作过程、I/O 点的估算等分析可知，系统中实际需要数字量输入点 2 点,模拟量输入模块 1 个，数字量输出点 24 点，输出扩展模块 1 个。同时，考虑到该系统是单机系统，可选择整体式结构的 PLC。

　3.3.2.1

　PLC 类型的选择 在众多的 PLC 种类当中，有松下 FP1 系列 PLC、西门子 S7-200 系列 PLC、华光 SU-6B系列 PLC、三菱 FX2N 系列 PLC 等产品。SIMATIC S7-200 系列 PLC 的应用比较广泛，

　可扩展模块多，适合很多控制系统选择，在本设计当中详细的对 SIMATIC S7-200 系列产品进行了结构分析。

　1、SIMATIC S7-200 系列 PLC 其主要特点是：它有丰富的指令、内置集成功能、扩展模块；具有实时特性；强劲的通讯能力；可靠性好，适应性强以及性能价格比高。

　2、S7-200PLC 的硬件系统结构 S7-200 是模块化的 PLC，它主要由 CPU 模块、扩展模块和总线连接电缆构成。

　（1）CPU 模块 该模块主要包括 CPU、电源和 I/O 点 3 部分。CPU 主要负责程序的运行等工作；模块的电源不仅向 CPU 供电，还要满足与 CPU 模块相连的其他模块的用电需求；该模块本身自带一定数量的开关量 I/O 点，如果能够满足控制要求，则可以不再需要开关量 I/O模块。

　（2）扩展模块 由于 CPU 模块本身的 I/O 点非常有限、而且无模拟量 I/O 点，所以有时需要数字量I/O 模块、模拟量 I/O 模块等一些特殊功能模块。

　（3）总线连接电缆

　 总线连接电缆用来把 I/O 模块和 PLC 或其他的扩展模块连接在一起。

　3、S7-200PLC 的硬件系统配置 S7-200 有两种系统配置方式，一种是在面板上进行配置，另一种是在 DIN 导轨上进行配置。两种系统配置方式分别如图 3.2 和图 3.3 所示。

　 图 3.2

　第 1 种系统配置图

　图 3.3

　第 2 种系统配置图

　SIMATIC S7-200 系列 PLC 适用于各种场合中的检测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂的控制功能，尤其在集散自动化系统中更能充分发挥其强大的功能。因此，可选择西门子公司的 SIMATIC S7-200 系列 PLC。

　另外，由于在 S7-200 系列中，输出信号有两种类型：继电器输出型和 DC 输出（晶体管输出）型，而在此系统当中只有直流电压信号输出，没有交流电压输出，所以选择了晶体管输出型 PLC。

　综上所述，本设计选用了西门子 S7-200 系列 CPU226 晶体管输出型的 PLC，其中24 输入/16 输出共 40 个数字量 I/O 点，并可连接 7 个扩展摸板单元，包括模拟量扩展摸板，这已经可以满足系统所需要的输入输出端口要求。

　3.3.2.2

　PLC 数字量扩展模板的选择 本系统设计采用的是西门子 S7-200 型 CPU226 的 PLC，它有 24 输入/16 输出共 40个数字量 I/O 点，由于该系统输出点数需要 24 点，所以采用数字量扩展模块。

　S7-200 系列目前可以提供三大类共 9 种数字量输入输出扩展模块。

　1、EM221，数字量输入（DI）扩展模块，具有 8 点 DC 输入，光电耦合器隔离。

　2、EM222，数字量输出（DO）扩展模块，有 2 种输出类型：8 点 DC24V 输出；8点继电器输出型。

　3、EM223，数字量混合输入/输出（DI/DO）扩展模块，有 6 种输出类型：DC24V输入 4 点/输出 4 点；DC24V 输入 4 点/继电器输出 4 点；DC24V 输入点/输出点；DC24V输入 8 点/继电器输出 8 点；DC24V 输入 16 点/输出 16 点；DC24V 输入 16 点/继电器输出 16 点。

　由上述所需扩展输出点数可知，此系统采用数字量输出扩展模块 EM222，8 点DC24V 输出型。

　3.3.2.3

　模拟量扩展单元摸板选择

　对与整个音乐喷泉控制系统来说，硬件的组成及选择都是关系到设计是否合理的一个重要依据。因此，本设计硬件系统由主控制器 PLC、A/D 转换器模块、变频器、潜水泵、音箱设备以及灯光等多部分组成。在上述章节中介绍了 PLC 主控制器的选择，下面将详细介绍音乐喷泉控制系统 A/D 转换器模块的选择。

　1、模拟量输入接口模板的简介 模拟量输入接口模板的任务是把现场中被测的模拟量信号转变成 PLC 可以处理的数字量信号。通常生产现场可能有多路模拟信号需要采集，各模拟量的类型和参数都可

　能不同，这就需要在进入模板前，对模拟量信号进行转换和预处理，把它们变换成输入模板能统一处理的电信号，经多路转换开关进行多中选一，再将已选中的那路信号进行A/D 转换，转换结束进行必要处理后，送入数据总线供 CPU 存取，或存入中间寄存器备用。

　A/D 转换器是模拟量输入模板的关键器件，它完成模拟量到数字量的转换。转换时间一般为 10~100us，A/D 转换器是在控制的控制下，完成启动 A/D 转换，读取转换结果等工作过程。通常，A/D 转换的结果是以带符号的二进制形式出现。转换后的数据经光电隔离，再经数据驱动器，送入中间寄存器。当 CPU 需要读取本通道输入信号时，再由中间寄存器取出，经总线驱动后送入数据总线。经数据线驱动的输出数据也可以不经中间寄存器而直接进入总线驱动，供 CPU 立即读取。

　2、A/D 模块的选择 西门子 S7-200 型 PLC 的模拟量扩展单元模板类型有以下三种：

　第一种：EM231，4 路 12 位模拟量输入（AI）模板 （1）差分输入，输入范围：电压：0～10V，0～5V，+2.5V，+5V。

　电流：0～20mA。

　（2）转换时间：<250us。

　（3）最大输入电压 30VDC，最大输入电流 32mA。

　第二种：EM232，2 路 12 位模拟量输出（AO）模板 （1）输出范围：电压+10V，电流 0～20mA。

　（2）数据字格式：电压-32000～+32000，电流 0～+32000。

　（3）分辨率：电压 12 位，电流 11 位。

　第三种：EM235，模拟量混合输入/输出（AI/AO）模板 （1）模拟量输入 4 路，模拟量输出 1 路。

　（2）差分输入，电压：0～10V，0～5V，0～1V，0～500mV，0～100mV，0～50mV，+10V，+5V，+2.5V，+1V，+500mV，+250mV，+100mV，+50mV，+25mV。

　电流：0～20mA。

　（3）转换时间：<250us。

　（4）稳定时间：电压 100us，电流 2ms。

　在本系统设计中，只需要考虑模拟量的输入模板，不需要模拟量输出模板，所以首选扩展模块为 EM231，4 路 12 位模拟量输入（AI）模板。

　3.3.3 控制系统的 I/O 地址分配 PLC 控制系统硬件设计的关键部分是设计 PLC 的外部电路，即画出 PLC 的外部硬件连线图。根据以上所选的 CPU 模块型号、各扩展模块的型号以及本机的 I/O 地址，为了明确每个输入端传入数据的意义和每个输出线圈所控制的量，给出 I/O 资源配置表如表 3.4 和表 3.5 所示。

　1、数字量输入部分：如表 3.4 所示 表 3.4

　 数字量输入地址分配表 信号名称 外部元件 输入地址 备

　注 启动按钮 SB1

　I0.0 1 启动 停止按钮 SB2 I0.1 1 停止 2、模拟量输入部分：如表 3.5 所示 表 3.5

　 模拟量输入地址分配表 信号名称 外部元件 输入寄存器 备

　注

　 A/D 转换数字量 EM231 模块 AIW0 — 3、数字量输出部分：如表 3.6 所示 表 3.6

　 数字量输出地址分配表 信号名称 外部元件 输出地址 启动变频器 1 # （正转）STF 工作继电器 STF Q0.0 变频器 1 # 低速 RL 工作继电器 RL Q0.1 变频器 1 # 中速 RM 工作继电器 RM Q0.2 变频器 1 # 高速 RH 工作继电器 RH Q0.3 启动变频器 2 # （正转）STF 工作继电器 STF Q0.4

　变频器 2 # 低速 RL 工作继电器 RL Q0.5 变频器 2 # 中速 RM 工作继电器 RM Q0.6 变频器 2 # 高速 RH 工作继电器 RH Q0.7 启动变频器 3 # （正转）STF 工作继电器 STF Q1.0 变频器 3 # 低速 RL 工作继电器 RL Q1.1 变频器 3 # 中速 RM 工作继电器 RM Q1.2 变频器 3 # 高速 RH 工作继电器 RH Q1.3 启动变频器 4 # （正转）STF 工作继电器 STF Q1.4 变频器 4 # 低速 RL 工作继电器 RL Q1.5 变频器 4 # 中速 RM 工作继电器 RM Q1.6 变频器 4 # 高速 RH 工作继电器 RH Q1.7 第 1 组潜水灯 HL0 Q2.0 第 2 组潜水灯 HL1 Q2.1 第 3 组潜水灯 HL2 Q2.2 第 4 组潜水灯 HL3 Q2.3 第 5 组潜水灯 HL4 Q2.4 第 6 组潜水灯 HL5 Q2.5 第 7 组潜水灯 HL6 Q2.6 主电路电源接触器 KM1 Q2.7 3.4 变频器的选型及参数设置 当今喷泉工程和高新技术的结合正是历史发展的必然。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。随着科学技术突飞猛进的发展，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。

　根据控制功能将通用变频器分 3 种类型。普通功能型 V/F 控制变频器，具有转矩控制功能的高功能型 V/F 控制变频器，以及矢量控制高性能变频器。根据负载的要求来选择变频器的类型。本设计中采用了三菱 FR-S540S 型变频调速器，该变频器接线端分布

　图如图 3.4 所示。

　 图 3.4

　 变频器接线端子分布图 该变频器调速仅通过外部的接点信号切换，即可选择各种速度(RH,RM,RL)。即使在变频器运行中，各种速度（频率）也可在0～120Hz范围内任意设定。具体接点信号（RH,RM,RL信号）ON/OFF怎样组合实现调速，并能阶段性地切换运行速度使用。

　根据表3.5所示数据的大小变化按内部编程进行电机变频调速，控制水泵电机的转速，获得相应的喷水压力和水花高度，获得与音乐间相吻合的水花节奏和动感。其内部程序根据需要和要求按一定规律或规则进行编程。

　表 3.5

　 多段调速设定表

　高速 RH

　中速 RM

　低速 RL

　1速 ON OFF OFF 2 速 OFF

　ON

　OFF

　3 速 OFF

　OFF

　ON

　4速 OFF

　ON

　ON

　5 速 ON

　OFF

　ON

　6 速 ON

　ON

　OFF

　7 速 ON

　ON

　ON

　3.5 潜水泵与灯组参数选择 整个系统的水泵使用三相潜水泵，功率视水池大小而定，每个水池中各安置1～2 根粗水管，每根水管上安装2～3 台水泵，被控喷水管上的水泵电机只控制1～2 台（不全控），不受控的水泵工作保持一定的水柱（花）高度，而受控的水泵工作使水柱（花）在一定基础上跳动喷射，以避免音乐间歇无喷水现象出现（也可调整变频器参数获得）。

　本设计中采用的是 QS20-20/2-0.5 型喷泉专用泵，该泵如下特点：

　电机性能：采用优质材料 DR470，增加电机绕组的匝数及线径使水泵耐频繁起动。

　水力部分：采用优秀水力模型设计，使水泵流量、扬程、效率三者更为合理。

　结构特点：该电机为自循环充水式冷却；电缆用三相四线 JHS 型喷泉专用电缆；叶轮采用了防松动装置； 滤网护罩采用全不锈钢材料；电机内腔定转子采用进口涂料，提高了水下电机耐腐蚀性，通过以上结构改进使之更适于喷泉工程专业要求。

　 为提高负载能力，驱动更多更大灯组负载，在可编程序控制器输出端外接无触点固态继电器，以增大驱动能力，并与强功率电路电气隔离(光隔离)，提高抗干扰性能和安全性能。

　整个喷泉的灯光以暖色调为主，突出中心部分应用水景造型配以不同颜色的灯光衬托， 采用水下彩灯，以红、黄、绿、兰四色搭配中心主喷以红色为主，灯光明亮随编排程序，与对应7组表数据输出同步变化。由于本设计主要考虑的是喷泉的控制系统，具体水泵、灯光等器件将如何选择、编排、布置问题，在此不作详细介绍。

　3.6 PLC 的外部硬件连接图 PLC 的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地。电源部分包括 PLC 工作电源 AC220V，其他输入/输出电源电压均为 DC24V。

　PLC 的外部硬件连接图见附录 A。

　在整个 PLC 外部硬件连接图中，包括数字量、模拟量的输入接线和数字量输出接线三个部分：

　1、数字量输入 数字量输入点有两个分别为 I0.0 和 I0.1，其中 I0.0 为启动按钮，当按下 I0.0 时，PLC进入程序运行状态，并对程序进行循环扫描；I0.1 为停止按钮，当按下 I0.1 时，系统会停止所有程序的扫描，并能控制到此时无输出，而且同时将所有置位信号复位。

　另外，当外部水泵电源线路中过载热继电器保护装置 FR 出现动作时，也同样可以将 PLC 系统所有工作立即停止。

　2、模拟量输入 模拟量输入通过 PLC 的扩展插口直接利用数据线连接，不需要另外占用端子排上的端口。因为音频信号的直接来源于 CD、VCD、DVD 等设备，而不是通过功放将音频信号功率大后再输入转换模块的，所以，当音频信号以电流 0~20mA 的形式时，可直接接入模拟量转换模块 EM231，通过编制程序可直接从模拟量转换 EM231 中的变量寄存器中读取数据。

　3、数字量输出 数字量输出包括：变频器和潜水灯两部分。由于采用的是西门子S7-200系列CPU226型的 PLC，根据输出点数可知，需加数字量扩展模块 EM222。图中所示输出 Q0.0~Q1.7分别分成 8 个一组接至相应的 4 组变频器控制端子，其中 STF 为启动变频器正转端，高速 RH 端、中速 RM 端以及低速 RL 端为组合调速端，通过三个端子可组合成为 7 速调

　节，从而使得潜水泵的速度变化也会相应的跟着有所改变。

　另外，数字量输出扩展模块 EM222 的 Q2.0~Q2.7 所接为固态继电器，通过控制固态继电器的通断，将改变 7 组灯光的变化组合，其中 Q2.7 输出控制主电路电源通断。

　3.7 控制系统主电路图 控制系统主电路图主要包括变频器、潜水泵两个主要部分。变频器的电源线直接从三相交流电获得，分别接至 R、S、T 三个端子上，对应的输出到潜水泵，潜水泵则接至U、V、W 三个端子上，该控制系统电路中有熔断、热继电器两大保护装置。而 STF、RL、RM、RH 则是控制调节输出，通过改变其端子组合去改变潜水泵的转速。具体控制系统主电路图如图 3.5 所示。

　L3 FUQKL2 L1

　Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3

　Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7

　 FR1R

　U S

　V

　W FR-S540 STF RL RM RH

　M ～ TR

　US

　VT

　WFR-STF RL RM RH

　FR3

　 M ～

　FR2R

　U S

　V

　W FR-S540 STF RL RM RH

　M ～ TR

　US

　VT

　WFR-S540STF RL RM RH

　FR4

　 M ～

　 第 第1组 组 第 第2组 组第 第3组 组 第 第4组 组KM1S540 图 3.5

　 控制系统主电路图

　第 4 章 系统软件部分 在对控制系统进行分析和硬件设计的基础上，根据 PLC 控制系统工艺流程和系统控制要求，对 PLC 进行了软件设计。

　4.1 控制系统基本流程图 控制系统流程图的编制是在对控制 系统进入深入的了解后，了解各种控制 设备之间的关联；然后详细的了解每个 被控设备的特性。分析完工艺流程和控 制要求后，根据工艺的总体要和控制系 统的具体情况，画出控制系统的流程图。

　1、控制系统软件流程整体思路分析 框图见附录 A。

　2、图 4.1 所示为主程序流程图 当 PLC 运行时，PLC 开始进行参数 初始化，并开始扫描系统程序，当按下 启动按钮，系统主程序将执行的步骤有：

　读入 7 组表数据，并选择变频器，开始 计时每 0.6s 读一次 AIW0 中的值，将所 读值存到累加器 AC0 中，用 AC0 与内 部设定值相比较，然后判断具体调用哪 个子程序，选定后运行子程序，结束。

　在此流程图中应注意：系统停止流 程图、变频器的选择流程图以及子程序 流程图将在下面另做解释。

　3、图 4.2 是所示为强制停止流程图 在系统需要关闭时，不管是出现何种情况的问题，都可以直接按下停止按钮即可，此时 PLC 会停止所有工作。

　4、图 4.3 是所示为变频器选择流程图 在主程序部分，有一内容为选择变频器，由于本设计采用的是 4 组变频器循环，每个变频器的动作的时间相差 0.6s。因此必须提前选择变频器，在选择变频器的时候，本设计中用到了加法、除法等基本指令，通过编程运算，当变量寄存器 VW500 中所存余数等于 0 时，选择变频器 1#；当变量寄存器 VW500 中所存余数等于 1 时，选择变频器2#；当变量寄存器 VW500 中所存余数等于 2 时，选择变频器 3#；当变量寄存器 VW500中所存余数等于 3 时，选择变频器 4#；这样依次循环，达到了根据表数据对应输出到某个变频器上的目的。

　图 4.4

　子程序 0 流程图 5、图 4.4 所示为子程序 0 的流程图，该图表示每一组数据有对应输出到 4 个变频器上的可能，本设计将其考虑进去了。如：假设四次采样都是对应第 1 组数据输出，那么第一次的应该输出到变频器 1#，第 2 次的应该输出到变频器 2#，依次类推即可。

　4.2 本次设计所用指令介绍 1、位操作指令 PLC 的位操作指令主要实现逻辑控制和顺序控制，传统的继电器-接触器控制系...