【电气工程及其自动化】基于plc的音乐喷泉控制器的软件设计

本科生毕业论文（设计）基于PLC的音乐喷泉控制器的软件设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111本设计的目的及意义112喷泉的发展1121音乐喷泉的国内外发展史1122音乐喷泉的发展现状22PLC概述221可编程控制器简介222可编程控制器硬件组成323PLC的主要功能324PLC的特点43系统总体设计431音乐喷泉水池的方案设计532控制系统组成533系统的整体方案设计734变频器7341MICROMASTER420变频器简介8342MM420变频器的电路结构9343变频器的参数设计104系统软件设计1341I/O估算1342PLC输入/输出分配1543系统的总电路图1644系统控制流程图1745系统主要控制程序205系统的调试226结语23参考文献24附录音乐喷泉控制程序梯形图25致谢30基于PLC的音乐喷泉控制器的软件设计摘要本文以音乐喷泉为研究对象，制作一个以小型PLC为控制核心，以音频采集为基础，采用变频器控制电机转速，电机转速控制水柱高度的小型音乐喷泉控制系统。系统的控制核心选用SIEMENS公司的S7200MICROPLC，水泵的控制选用MICROMASTER420变频器。本设计的主要内容包括系统的总体框图设计，控制系统的软件编程，系统器件的选型，以及变频器的参数设置。关键词音乐喷泉可编程控制器变频器MUSICFOUNTAINCONTROLLERSOFTWAREDESIGNBASEDONPLCABSTRACTBASEDONTHEMUSICFOUNTAINASTHERESEARCHOBJECT,MAKINGASMALLPLCASCONTROLCORE,BASEDONTHEAUDIOCOLLECTION,ADOPTINVERTERCONTROLMOTORSPEED,MOTORSPEEDCONTROLOFTHEWATERCOLUMNHEIGHTSMALLMUSICFOUNTAINCONTROLSYSTEMSYSTEMCONTROLCORECHOOSEMICROSIEMENSCOMPANYSS7200PLC,PUMPCONTROLMICROMASTER420FREQUENCYCONVERTER1THISDESIGNMAINCONTENTINCLUDESTHEOVERALLDIAGRAMOFSYSTEMDESIGNANDSOFTWAREPROGRAMMINGOFTHECONTROLSYSTEM,THESYSTEMDEVICESELECTION,ASWELLASTHEFREQUENCYINVERTERPARAMETERSETTINGSKEYWORDSMUSICFOUNTAIN；PLC；FREQUENCYCONVERTER1绪论11本设计的目的及意义音乐喷泉是近几年来出现的喷泉水景与音乐欣赏相结合的产物，它的出现改变了喷泉艺术单调不变的局面。在音乐的伴随下喷泉的高度、灯光的色彩以及喷泉造型等随着音乐变化而变化，音乐与水型的完美结合令人陶醉；同时，音乐喷泉对于城市环境具有多种价值，不仅能湿润周围的空气、清除尘埃，而且还能通过水珠与空气的撞击产生大量对人体有益的负氧离子，因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心身体健康。随着国民经济的发展，人民生活水平的提高，在城市建设和改造过程中，环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了新的要求在喷泉得到广泛的运用的过程中，也出现了一些问题和不足，如自动化水平低下、高能耗等制约了喷泉行业的发展。因此，提高音乐喷泉控制系统的自动化水平，保证喷泉效果，节约喷泉的运行成本，对喷泉行业的发展具有参考的现实意义7。12喷泉的发展121音乐喷泉的国内外发展史喷泉作为一项建筑艺术，在国内外均有较悠久的历史。而音乐喷泉的构思及萌生则是上世纪30年代开始的。目前，西方工业发达国家已有制造音乐喷泉成套装置的专业工厂。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7。122音乐喷泉的发展现状目前国外的音乐喷泉技术已经发展的趋于完美，可以根据音乐变化出多种形式的喷泉，喷泉的控制系统大大领先我国。目前的喷泉控制系统主要有1、继电器接触器控制系统；2、单片机控制系统；3、PLC控制系统。通过控制系统对外部音频信号的采样、转换来控制变频器和固态继电器的动作，从而达到设计的要求，并能够实现对音乐和喷泉的实时的完美结合。2PLC概述21可编程控制器简介可编程控制器PC（PROGRAMMABLECONTROLLER）又称可编程逻辑控制器PLC（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机5。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电器接触器控制系统在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用。PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。22可编程控制器硬件组成可编程控制器的硬件由微处理器、存储器、I/O接口电路、电源、扩展接口、外设接口及编程器等组成。各部分通过总线（电源总线、地址总线、数据总线）连接而成。图1为可编程控制器的硬件简化框图3。图1可编程控制器的硬件简化框图23PLC的主要功能PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化FA和计算机集成制造系统CIMS内占重要地位。PLC系统主要有以下功能1多种控制功能；2数据采集、存储与处理功能；3通信联网功能；4输入、输出接口调理功能；5人机界面功能；6编程、调试功能。PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。24PLC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计算机所无法比拟的特点。1、高可靠性2、应用灵活、使用方便3、面向控制过程的编程语言，容易掌握4、易于安装、调试、维修5、功能完善、模块功能和网络功能强大3系统总体设计该控制系统的核心设备为可编程控制器、EM231模拟量输入模块、MM420变频器。控制分为两部分一部分是音乐控制部分；另一部分是固定程序控制部分。1、音乐控制部分当使用音乐来控制喷泉时，可按下音乐喷泉控制的启动按钮，PLC的模拟量输入模块EM231将采集播放音乐的音频信号，将其进行A/D转换，比较运算，然后将结果输出到变频器数字输入端DIN的5、6、7端子，控制变频器的三个输出频率，从而控制水泵的低中高转速，达到控制喷泉水柱高度的目的。2、固定程序控制部分当喷泉不使用音乐控制时，可按下固定程序控制启动按钮，PLC运行固定的程序，喷泉按事先设定好的程序来运行，达到预设的效果。3、灯光控制部分喷泉的灯光控制部分，喷泉随音乐节奏变化时，灯光也随音乐节奏变换；当喷泉是固定程序控制时，灯光按事先设定好的程序变化运行。31音乐喷泉水池的方案设计此小型音乐喷泉的设计喷泉的设计图如图2所示。该控制系统采用两台变频器和两台潜水泵，喷泉喷头分为两组A组5个喷头，B组7个喷头，分别用两台潜水泵控制。设有红色和绿色两组彩灯分别安装在A组和B组喷头下，根据程序的控制来达到灯光效果。喷泉水池直径约10M，喷头向内倾斜的情况下能很好的防止了水池喷水造成的向外溅水。图2两组喷头示意图32控制系统组成音乐喷泉的控制系统由音乐信号处理模块，可编程控制器，变频器控制电路，潜水泵，彩灯控制电路，稳压电源电路和音响设备组成。音乐喷泉控制系统整体框图如图3所示。图3音乐喷泉控制系统整体框图1）音乐信号的处理音乐喷泉的乐曲从CD、VCD、DVD等播放器播放，一路输出到音箱设备，另一路输出到信号处理模块对音频信号进行采集处理。将音乐的音频信号转换成420MA的电流模拟信号，经PLC内部自动转换，将电流模拟信号和AIW0的标准值进行分段比较，控制相应的输出。2）水型与乐曲同步的控制水型会同乐曲播放同时演示。在乐曲之间转换期间，水型也保持同步停止或继续演示。为使水型与乐曲达到同步的效果，此音乐喷泉控制系统提供了可调整的喷泉延时程序。3）潜水泵电动机的控制控制器内部的程序来控制变频器，变频器控制潜水泵电动机转速，使每一段音乐都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到变频器中。4）彩色灯光的控制彩色灯光由控制器系统程序控制。彩色灯光会通过控制程序随音乐的变化相应的水下产生变化与动作，达到视觉与听觉的完美统一，给人以精神的完美享受。5）水型的节奏随动控制不同的音乐节奏同步变化呈现出水型的跳跃和摇摆，表现出音乐喷泉的视觉冲击力。这种水型变化是通过对音频信号采集、转换后控制对应的程序，经过变频器对潜水泵实现加速和减速控制，实现对不同音乐信号的直观感受。33系统的整体方案设计系统整体方案设计如图4所示。图4系统整体方案设计（1）启动按钮启动PLC；（2）停止按钮停止PLC，停止整个系统的运行；（3）音乐控制启动按钮选择音乐的控制方式来控制喷泉，使喷泉随着音乐的音频改变而改变，达到音乐喷泉的理想效果；（4）固定程序控制启动按钮选择固定程序来控制喷泉，达到预先设置好的喷泉效果；（5）EM231扩展模块将模拟信号转换成数字信号，存入AIW0；（6）变频器PLC程序的输出控制变频器的输入，接通变频器端子，选择预先设置好的频率，控制潜水泵的转速；（7）彩灯控制相应PLC程序的运行实现彩灯的喷泉效果。34变频器实现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功能装置称为“变频器”。根据系统分析，该控制系统可以选用MICROMASTER420变频器来控制电机的频率。341MICROMASTER420变频器简介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多种型号可供用户选用。本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。342MM420变频器的电路结构MM420变频器包括主电路和控制电路部分，主电路功能是完成电能转换；控制电路则是处理信息的收集、变换和传输。其电路图如图5所示。图5变频器电路图MM420变频器的控制电路包括CPU、模拟输入、模拟输出、数字输出、输出继电器触头、操作板等组成。为用户提供的10V直流电源的是端子1、2。当采取模拟电压信号输入方式输入给定频率时，配备一个高精度的直流电源是为提高交流变频调速系统的控制精度。为用户提供了两对模拟电压给定输入端的是模拟输入3、4端，其作为频率给定信号，经变频器内的A/D转换器将模拟量转换为数字量，供给CPU的控制系统。为用户提供了3个完全可编程的数字输入端是数字输入端5、6、7，数字信号经光电隔离输入到CPU，对电动机进行控制。24V直流电源端是端子8和9，为变频器的控制电路提供24V直流电源。343变频器的参数设计本系统中变频器用来接受经PLC处理的音乐控制信号，输出频率不同的交流电，达到水泵的喷水状态不断变化的设计目的，实现喷泉喷水与音乐乐律达到和谐的统一。1、MM420变频器操作面板利用BOP可以更改MM420变频器的各个参数。BOP具有5位数字的7段显示，用于显示参数序号以及数值、报警和故障信息以及该参数的设定值和真实值。BOP上的按钮以及功能说明见表1。表1BOP上的按钮及其功能2、变频器参数设置变频器一般设置的参数包括电动机参数。控制电动机启动、停止方式有变频器控制面板和端子两种。控制变频器工作频率方式有变频器面板、电位器（设置相应的频率区域）、多个固定的频率。变频器工作的最小频率和最大频率，增加或减少减速时间等。变频器控制方式。1在本系统中需要是设置的参数有（1）P0010参数为“30”，P0970参数设定为“1”，变频器复位到工厂设定值（2）P0700参数为“2”由端子排输入控制变频器（3）P0701参数为“1”正转启动（4）P1000参数为“3”固定频率设定值（5）P1001参数为“20”固定频率1为20HZ（6）P1002参数为“25”固定频率2为25HZ（7）P1003参数为“30”固定频率3为30HZ2）变频器快速调试P0010的参数过滤功能和P0003选择用户访问级别的功能在调试时是十分重要的，电动机的设定参数和斜坡函数的设定参数都包括在内。在快速调试的各个步骤都完成以后，应选定P3900，如果它置1，将执行必要的电动机计算，并使其它所有的参数（P00101不包括在内）恢复为缺省设置值。快速调试流程图如图6所示。图6变频器快速调试流程图3、变频器控制说明变频器由数字信号控制，将P0700参数设置为“2”，控制编码形式为BCD码，实现变频器对水泵电机多段调速控制。变频信号由PLC发出，接入变频器为用户提供的3个完全可编程的数字输入端，3个数字输入量控制变频器的3种频率输出，通过参数设置3种不同的固定频率。数字输入与对应频率如表2和表3所示。表2数字输入与对应频率表3变频器固定频率的数值设定4系统软件设计41I/O估算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，首先需要把系统所需的输入/输出数量明确，然后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。1、PLC控制系统I/O口的估算DIN3DIN2DIN1频率值（HZ）1变频器低速001201变频器中速010251变频器高速100302变频器低速001402变频器中速010452变频器高速10050DIN3DIN2DIN1OFF不激活不激活不激活P1001FF1不激活不激活激活P1002FF2不激活激活不激活P1003FF3激活不激活不激活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。1）系统数字量输入点数系统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，其数字量输入需要满足系统启动、停止、音乐控制启动和固定程序控制功能。如表4所示表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SB0I00启动停止按钮SB1I01停止音乐控制启动按钮SB2I02音乐启动固定程序控制启动按钮SB3I03固定程序启动2模拟量输入部分如表5所示表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AIW03数字量输出部分如表6所示表6数字量输出地址分配表信号名称外部元件输出地址1变频器低速1变频器DIN1Q001变频器中速1变频器DIN2Q011变频器高速1变频器DIN3Q022变频器低速2变频器DIN1Q032变频器中速2变频器DIN2Q042变频器高速2变频器DIN3Q05A组红色彩色灯SSRQ10B组绿色彩色灯SSRQ112、PLC选型由对音乐喷泉控制系统的组成、工作过程、I/O点的估算分析可知，系统中实际需要数字量输入点4点,模拟量输入模块1个，数字量输出点8点。由此，本设计选用西门子S7200系列CPU224XP晶体管输出型的PLC。它具有如下配置14输入，10输出共24个数字量I/O点，还可连接扩展模块单元，这足以满足系统所需要的输入输出端口要求10。42PLC输入/输出分配根据控制系统的要求，音乐信号处理模块的控制信号由PLC的模拟量输入模块来接收，经PLC内部CPU处理，通过输出来控制彩灯和变频器，实现对变频器的数字控制。控制系统PLC的输入/输出分配表如下。表7PLC输入分配表序号点号符号意义1I00SB0启动按钮2I01SB1停止按钮3I02SB2音乐启动4I03SB3固定程序启动表8PLC输出分配表序号点号符号意义1Q00DIN11变频器低速2Q01DIN21变频器中速3Q02DIN31变频器高速4Q03DIN12变频器低速5Q04DIN22变频器中速6Q05DIN32变频器高速7Q10SSR红色彩灯工作8Q11SSR绿色彩灯工作43系统的总电路图图7系统的总电路图PLC的I00端子控制系统的启动，I01端子控制系统的停止，I02端子控制音乐节奏控制的启动，I03端子控制固定程序控制的启动，增加模拟输入模块，两个彩色灯组的变换直接由Q10和Q11端子控制，变频器的输出频率选择由Q00Q05端子控制。44系统控制流程图初始化PLC，首先检测启动按钮的状态，然后控制PLC的启动，如果按下停止按钮则系统停止工作。音乐节奏控制喷泉，PLC控制器对变频器的控制是根据比较AIW0的值来控制Q00Q05的输出，进而选择不同变频器预置的不同输出频率；两组彩灯与音乐节奏的强度有关，同样也是通过比较AIW0的值来控制彩灯的变换，达到彩灯与音乐协同的效果。固定程序控制时，喷泉的造型是根据PLC的固定程序输出的；两组彩灯的变换也是根据PLC的固定程序来实现。系统总体控制流程图如图8所示。图8系统总体控制流程图由流程图可知，按下启动按钮，则PLC启动；若按下停止按钮，则程序执行停止程序，PLC工作停止；按下音乐控制启动按钮，音乐节奏控制的喷泉启动；按下固定程序启动按钮，固定程序控制的喷泉启动。音乐节奏控制的喷泉流程图如图9所示图9音乐节奏控制喷泉流程图按下音乐节奏控制启动按钮，PLC开始读取AIW0中的值，执行相应的程序，根据AIW0的值控制变频器相应频率，控制电机的相应速度。固定程序控制的喷泉流程图如图10所示。图10固定程序控制喷泉流程图45系统主要控制程序对变频器的控制是该设计的核心之一，音乐节奏控制喷泉时，对读入处理后的音频信号进行分析、提取用来控制变频器的输出。以下程序图11是系统通过音乐节奏对变频器的频率和灯光控制的具体过程。图11音控下变频器和灯光的控制固定程序控制喷泉时，系统运行预先设置好的程序，控制变频器和灯光的输出，根据不同的组合，达到理想的效果。固定程序控制喷泉程序图如图12所示。图12固定程序控制喷泉5系统的调试S7200机有STOP、RUN及TEMP3种模式。STOP模式可下载程序，但不能运行程序，PLC没有输出。RUN模式为运行程序，PLC产生控制输出,一般不能下载程序，但可设定为允许下载部分程序。TEMP模式，是由面板上的控制开关置TEMP未知确定的，在此模式下，PLC处于RUN还是STOP模式，由编程软件对其远程操作进行控制。在将所有设备安装好，所有连线都接好的情况下可以进行现场调试。首先使PLC处于STOP模式状态，下载PLC控制程序，与此同时根据预先设定的变频器参数设定变频器。开启电源，按下系统启动开关SB0，选择运行的方式音控开关SB2和固定控制开关SB3，P