基于plc的音乐喷泉系统设计毕业设计论文

大连海洋大学本科毕业论文 目录大连海洋大学本科毕业论文 STYLEREF标题1Abstract第一章前言1.1课题研究目的以前的音乐喷泉控制系统所用的控制方法是，把音频信号一分为二，一份给人们播放听，一份给控制单元，进行对水泵的控制，用这种方法来控制音乐喷泉。该方法对于音乐喷泉来说控制容易，安装简单，但是有个很大的缺点，那就是音乐播放快，喷泉跟不上。这个问题很大的消弱了音乐喷泉的艺术效果。在中国现在有很多的音乐喷泉都是这样的，音乐与喷泉不协调，这严重阻碍了我国喷泉园林景观的发展，所以应该尽快找出解决这个问题的方法。1.2音乐喷泉的研究现状及发展趋势音乐喷泉越来越普及，现在的城市几乎每个都有音乐喷泉，因为它是一种非常有观赏价值的人造景观。这么多的喷泉，造就了喷泉成为了一种产业，它能为人们带来非常高的收益。在喷泉成为产业的同时，国内有很多人看到了商机，所以国内像雨后春笋般的涌现出喷泉设备公司和喷泉一条龙服务的公司。天津的爱德华喷泉设计公司、北京的光大安装工程公司、深圳的红发设计、沈阳的腾飞园林景观功能公司、大连的福瑞喷泉有限公司等等都是国内非常顶尖级别的喷泉安装设计的公司[1]。就在这些公司迅速发展的同时，985、211等高校和一些专门搞园林设计的大专院校也发现了它的商机，清华大学和东北大学研究的音乐喷泉是非常好的。其实喷泉的设计好坏涉及到很多方面。例如喷头、布局、灯光的设计、水型的设计、系统的设计等等。庞大的一个音乐喷泉需要土木工程、水利工程、机械、自动化、计算机等专业的人士，共同合力完成这一个音乐喷泉。未来的音乐喷泉，应该是音乐与喷泉结合相当紧密，实时性非常高的，并且要求水型设计多样，喷泉的喷头也可以变化。因此，本课题着重对音乐喷泉的控制这块进行了仔细的研究。1.3本课题要解决的问题设计一个系统响应迅速而且工作可靠的音乐喷泉系统，并且尽可能的保证音乐与喷泉的同步性，通过对整个系统的控制，就可以使喷泉随着音乐节奏变化，就好像给音乐伴舞，音乐喷泉喷出的水量一定要有乐感。让人们更好的体会到音乐的内涵。第二章控制系统的论证及设计2.1控制系统的论证一个好的音乐喷泉，最起码要具备的功能：一、音乐播放。二、喷泉按照固定设计好的方案进行喷水。三、喷泉按照音乐的变化进行喷水。四、对照射喷泉的水灯进行控制。目前在中国最流行的音乐喷泉控制系统有4种，其中最流行、最好用的非PLC控制系统莫属，因此本课题选择用可编程逻辑控制器控制喷泉，下面开始论证PLC控制系统是如何比其他的控制系统要好[2]。PLC现在已经应用到了各行各业，可以说该技术已经到了非常成熟的地步，而且应用非常广泛。所以越来越多的控制系统选择用PLC控制，其主要特点主要有：1、硬件可靠首先从PLC的硬件的可靠性来说，PLC选择最好的元器件、选择最先进的系统、选择最先进的工艺，并且在电路和结构上采用了独特的方法，利用了光电隔离法，用来消除外界的干扰，与此同时还方便了接地，它还利用了电磁消除法，防止射线的干扰。而且PLC采用模块化，再出现错误时方便检查，方便纠正，PLC算是一种抗震、抗扰、抗噪、适应性非常强的PLC。所以说PLC从硬件角度来说非常可靠。2、软件设计PLC的软件设计可以说的是一种最简单的语言，它与C语言、C++语言、JAVA语言相比简直就是太简单了，就好像人家是高中课程，你是小学课程一样，但是虽然简单，但还是要求使用者有些语言基础。最起码的输入输出是什么得知道。目前的使用可编程逻辑控制器的百分之九十的人采用梯形图语言编程，因为该种语言是面向控制的、面向所要解决的问题的，非常容易掌握，而且梯形图这种语言和我们平时图纸上画的图非常像，大部分人都能看懂，也都非常喜欢看。用这种方法还很容易修改，方便编程，很灵活，很方便。但是稍微有点瑕疵的是，这种梯形图语言在PLC的内部有解释程序，毕竟在方便人们的同时，一定要有所付出，增加了程序的时间。但是对于控制设备来说，这一丁点的时间是完全在人的接受范围内的。3、接线简单，通用性好对于接线这块来说，PLC是非常有优势的，PLC比那些靠单片机、靠继电器的方法接线简单多了，PLC仅需要把数字量信号输入设备与PLC相连，或者与PLC的扩展模块相连，然后把信号输出设备与PLC相连，这样的接线非常简单，与传统的接线方式相比，它省去了接线和拆线的麻烦，大量的节约了时间。因为这样的接线简单使PLC能随意的改变，从而使PLC得到了更广的推广，现在的PLC还会有自己检查的功能，让它更好的诊断每个模块说出现的故障,方便与人们排除问题。4、可连接网络系统PLC具有非常强大的功能，它不仅拥用上述功能，它还能够与网络系统连接，它连接的这种网络分为两种[3]。一种是采用主从通信模式的低速网络，传速熟虑比较低，大多数为几千波特率到上万波特率，特点是传的远，最远能达到2500米，另一种是采用令牌传送通信模式的高速网络，传输速率是上一种的1000倍，特点是传的近，最远只能到达1000米，但是这两种连接网络都可以级连。而且可以兼容许多种计算机，用这种方法能组成很大的局部网络[4]。5、安装简单，维护方便就PLC的安装来说，因为PLC比较小巧，所以PLC的控制箱一般比继电器控制箱要小的很多，为使用者既节约了金钱有节约了空间，而且PLC非常方便改装，只要把设备的输入输出端准确的于PLC相连就可以了，而且PLC应尽可能的安装在与继电器近的地方，方便传输，节约接线。在安装大型的工厂控制的PLC时，应该选一个好的地方给输入输出点，PLC一般会使用同轴电缆连接CPU，用这种方法的好处是节约空间，省钱，省线还节约资源。一般情况下，设计好线的布局，然后制造商会派出专业的人员安装。在刚开始设计PLC的时候，就充分的考虑到PLC的维护性，所以它所用的大部分的元器件都是固态的，方便维护，硬件损坏时，只要将坏的部分换成新的，如果没有新的，及时调整PLC的输入输出端，也是可以的。人们一般会用PLC自带的自诊断功能来判断PLC的好坏。也可以自己编程来判断PLC的硬件故障。PLC除了这些优点以外，还有很多优点，只要你安装后，才会发现PLC还具有其他的优点，会有意想不到的作用，这个只有在你出现问题时，PLC强大的功能会全面的展现出来。2.2控制系统的整体设计本课题设计的这款音乐喷泉，它总共由4大部分组成，这4部分由里到外，由低到高。最外边的一层是通过110个喷头组成的跑泉，喷泉高度大约3米，这是第一部分。第二部分是由70个喷头组成的跑泉，喷泉的时候高度稍微比外圈高了一些大约5米左右，第三部分由两个三角形喷泉组成，这两个三角形距离中心的距离相等，他们分别由3个喷头构成，喷泉喷射的高度大约8米，本课题中也称为副水柱。第4部分由6个喷头组成的同心圆构成，喷射的高度大约12米。是该喷泉喷射高度最高的地方，在本课题称它为主水柱。本课题中的音乐喷泉总共需要5台水泵，4台变频器。第一部分需要一台10千瓦的水泵和一台变频器，第二部分需要一台15千瓦的水泵和一台变频器，第三部分由两台10千瓦的水泵和一台变频器构成，第四部分由一台20千瓦的水泵和一台变频器构成。当然灯光是不能少的，如果没有了灯光，喷泉就没有了生命力，本课题中的喷泉用了4种颜色的的灯光，分别是红、绿、黄、蓝色的灯，在第一部分与第二部分中间各有16盏灯交叉放置，第二部分与第三部分中间放了12盏灯，这四种交叉放置。第三部分与第四部分中间放置了4盏灯，一种颜色一盏，四个方向颜色不同。整个音乐喷泉的平面图如图1所示。图1音乐喷泉的平面图这一次设计的这款音乐喷泉，对控制系统要求比较严格，控制功能复杂，而且要求系统能够实时控制。并且要保证控制系统的可靠性，所以采用了模块化，我设计的喷泉系统由PLC模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、变频器模块组成。这次设计的喷泉控制系统的结构图如下面的图2所示。喷头水泵喷头水泵变频器模拟量输出音乐灯光变频器模拟量输出音乐灯光放大I/O扩展PLC模拟量输入放大I/O扩展PLC模拟量输入图2喷泉控制系统的结构图喷泉的控制系统以PLC为控制核心，其流程如下，首先音乐通过音箱进行播放，然后进行音乐信号的放大和采集，采集完毕后，送入由I/O扩展模块组成的模拟量输入接口，再由I/O扩展模块送入PLC进行运算处理，PLC处理完后再将信息通过I/O扩展模块的模拟量输出口输出，输出给变频器，变频器通过该信号控制水泵，水泵通过控制水的流量控制喷头，从而使喷泉具有乐感，跟音乐一起波动。与此同时PLC还控制灯光，到达灯光与喷泉相结合的艺术效果。第三章系统信号采集及硬件的应用3.1音乐信号的采集3.1.1音乐的性质及基本乐理音乐是其中不可缺少的部分，所以音乐的知识不可缺少，音乐其实就是有规律的振动发出的音，所有的声音都是由振动产生的，听着悦耳的声音，就是比较有规律的振动，无规律的振动那个就叫做噪声。声音又分为纯音和复合音[5]。这个非常好理解，纯音就是特别纯正，只有一个音调，复合音就是由多个纯音组成的。声音这个东西有很多特征，其中起决定性作用的有音长、音色、音高和音强。它们分别与发声体振动的频率、持续时间、振幅和频谱分布等物理量相对应[5]。越长的声音，振动的时间越长，越短的音振动的时间越短。音色是由发音的物体决定的，比如每个人说话的声音不一样。声音越高说明发音物体频率振动快，声音越低说明振动的频率越低。音的强弱又叫做声音的力度，音的强弱取决于振动的幅度，你振动的幅度越大，声音就越大[9]。反之也是这个道理。3.1.2采样定理本次设计的音乐喷泉需要实时通过音乐来控制喷泉，为了达到实时这个要求，所以就要对音乐进行采样，因为音乐是模拟信号，要求实时所以需要一种开关频率较高的脉冲进行取样，它的原理是用脉冲的幅度来表示音乐的信号的强度。在得到音乐信号后首先要进行滤波，因为音乐的频率是有一定的范围的，通过高通滤波、低通滤波器把其中的干扰去掉，然后在进行信号的放大，因为我们所采集到的信号是很小的。直接给PLC,PLC也无法收到，也就无法进行运算处理。放大之后还要进行A/D转换，因为机器只能识别像二进制这样的代码，所以就需要将采集到的信号进行离散化。采样定理的提出者香农，曾经说过这样的一句话“如果要对一个模拟信号离散时，必须要满足采样频率等于或者大于被采样信号最大的频率fm的2倍那么大才可以，这样就可以通过适当的低通滤波、高通滤波装装置，从样本值里的一串信号中完完整整地恢复出原来的信号”[6]。它因为这个定理很出名，后来人们为了纪念他，将这个频率又叫做香农频率。在进行采样的时候，选择频率非常的重要，频率决定着周期。所以要选择一个合适的频率，根据香农定理，它一般比信号频率要高出一倍左右。3.2喷头的选择设计喷泉其中的第四部分，也就是喷泉的最中心的部分，它是整个喷泉的核心，所以这部分喷头的选择应该大号的直喷头。直喷头喷出的水量不仅多，而且要有强度，压力大，要给欣赏人一种怒放的感觉，这种喷头喷出的水奔放美丽，就像东北人属于比较豪放的感觉。这种喷头也能够改变喷射的方向。因为这种喷头要接触水，所以材质要耐水的腐蚀，还有就是承受的压力大，所以选用铸铜、和不锈钢的直喷头，如图4所示。图4直喷头结构图本次设计喷泉的第三部分，位于第四部分的两边，该部分的喷泉喷射的高度比第四部分的喷泉喷射的高度低了4米，所以该部分喷射出的喷泉应该比第四部分的细，流量小一些，所以选择了中型号的直喷头，这种喷头也能够调节喷射的角度，它喷射的给人感觉，比较流畅，比较适中。因为这种喷头要接触水，所以材质要耐水的腐蚀，还有就是承受的压力大，所以选用铸铜、和不锈钢做喷头，如图5所示。图5中型直喷头结构图设计喷泉的第二部分，它位于里圈跑泉的位置，跑泉是组成喷泉必不可缺少的部分，他能进行多种形状的变化，让你们感到变幻莫测，激起人们的好奇心，这种喷泉需要喷射的高度低，因为高度低，所以喷泉水柱就会粗，显得像大理石柱一样，在加上上灯光的组合，非常的壮观，非常的漂亮。并且喷射的时候能把水池中的水带出来一小部分，优点像大树一样，所以这种喷泉又叫树状喷泉头。这种喷泉头的材质也是由铸铜、不锈钢组成的，如图6所示。图6树状喷头结构图设计音乐喷泉的第一部分，它位于整个喷泉的最外层，它也是一层跑泉最外面的这组跑泉喷射的高度很低，它主要为了凸显里边喷泉的高度，显得整体有层次感，这部分选择的喷头叫做珍珠喷头，这样的喷头喷射的时候很低，就像涌泉一样。很好看，很丰满，它喷出的水柱夹有很多气体，从远处看，有点像在云间一般。该组喷头的材质也为铸铜和不锈钢，如图7所示。图7珍珠喷头结构图3.3水泵的应用3.3.1水泵的主要性能参数及运行特点水泵在我们平时的生活中随处可见，水泵在我们的日常生活中早就成了不可缺少的一部分，大部分人对水泵都不是很了解，但是对于我们搞控制的人来说，水泵必须十分的了解。水泵的性能参数有流量、扬程、功率、效率，转速，有的高级水泵还有表示汽蚀参数的能力，并且这些参数都反映了泵的整体性能，下面具体解释下各性能参数：1、流量流量就是泵体在一定的时间内所输出的液体数量，还有的用所流过的液体的重量表示，它常用的符号Q表示[7]。2、扬程扬程就是指在用泵的过程中，液体由进到出后所得到的能量，一般都装化为距离，扬程大的水泵，做的功就多，泵的扬程用H表示。3、功率与效率评价一个泵的好坏，最有效的就是比泵的功率和效率，泵的功率分为3种，这3种包括有效功率，轴功率，原动机功率。由泵流出的液体所获得能量，叫做有效功率。一般大功率的泵都是由一台电机和一个泵头组成，电机通过轴带动泵，轴上的功率就是轴功率，电动机的功率就是原动机功率。一般要配置较大的泵，事先留出余量。效率是指有效功率与原动机效率的比值。4、转速转速就是指泵里边的轴的每分钟转的圈数，它用符号n表达，它的单位为r／min[8]。5、泵的并、串运行特点：只有当水泵的扬程都相同的时候，泵才能并联，泵的并联的好处是能够增加液体的流量，能节约不少时间。只有当泵的流量差不多的时候，泵才能串联，泵的串联的好处是能提高泵的总扬程，扬程大，流出的液体能量高，喷的距离远。3.3.2水泵的分类随着中国的不断发展，现在的水泵的样也越来越多，还有不少泵是专门针对某些特殊用途的专用水泵。例如现在有、离心泵、水轮泵、真空泵、往复泵、罗茨泵、计量泵、等等。这些泵的名称叫法没有具体的归类，但是大致可分为两类，分为叶片式和容积式[9]。还有不少的是按照用途分的，例如消防泵、医用泵。现在只要你能设计出来，通过了国家的审批，就能产出一种新式的泵。就泵来说，国内的泵的种类远远超于外国的泵，但是国外的泵的质量比我们国内的泵的质量稍微好一些,也更精密一些。把泵按结构分：1、容积式容积式的水泵是利用带活塞的缸，通过来回推动活塞，使缸内的的容积交叉变化，来把液体带进来，带出去。识别这样的泵的方法很简单，这样的泵一般都有缸体。如往复泵。2、叶片式叶片式的泵是利用叶片，带动旋转，改变气压，或者带动液体转的到能量。这种泵的应用比较多，大到工业用的水泵，小到农村家水泵，都是看得见这样的叶片式泵。叶片式的泵还可以细分为很多种，离心式、轴流式、混流式等等。一般带有叶片的泵都是叶片泵。如潜水泵。3.3.3水泵的工作原理一、离心式泵的工作原理离心式的泵是通过叶片飞速的旋转，叶片被装在一个螺旋状的半封闭的空间里，随着叶片的旋转，空间里的空气别变得稀薄，这样液体就会被抽送上来，叶轮转的越快，液体流出的越快。二、轴流式泵与工作原理轴流室内泵的工作原理是利用，叶片在旋转的时候会产生一个像前的推力，就像船的螺旋桨一样。叶片的飞速旋转，产生推进力，让流体有了动能和压能。这种轴流式式的泵适用于大型的循环水泵。三、往复泵的工作原理往复泵的工作原理有点像小汽车的发动机，它一般都会有一个缸，有一个连动杆，它带动杆在缸内做往复运动。这样的一进一出，就带动液体流出了。这是一种相对简单的泵，所以在我们平时的使用中较少。四、环式真空泵的工作原理环式真空泵在使用之前必须得灌满水，它在设计时候，故意把叶片在泵壳内装偏，当叶片旋转时，叶片也会产生离心的效果，水打在了泵壳内壁，慢慢会形成一个水环，这个水环会与叶轮相切。这个泵利用泵壳与叶轮不同心，致使泵壳内会慢慢分成两部分，一部分为一半为水，一半为真空，水被排至外边。空气的那部分会继续压制其余的水进入泵内。五、罗茨真空泵工作原理罗茨三兄弟发明了罗茨真空泵，它还利用了这个泵的原理发明了一种鼓风机，非常的有名，罗茨发明的这种真空泵，泵内有一个封闭的空间，有一对叶型转子，当这对叶型转子同方向时会把液体带进泵内，当这对转子方向相反时会把液体排除泵，罗茨泵的工作原理想法比较超前，设计独特。有很多优点，大多数情况下，罗茨泵的优点有一下几点：1、罗茨泵不像离心泵那样，得把液体搅起来，罗茨泵的叶片直接转就能立即把液体喷射出来；2、对被抽送的液体没有特殊的要求，应用广泛；3、罗茨泵的转子是待在所抽的液体中所以不必润滑；4、罗茨泵采用对称形状的叶片，所以驱动功率小，振动小，机械摩擦损失小，噪声就小；5、罗茨泵独特的结构特点，不用排气阀，节约成，本运转维护费用低；因为罗茨泵有这么多的优点，所以罗茨泵在各行各业，像冶金业、石油化工业、电子工业都用到了罗茨泵。六、喷射泵工作原理喷射泵属于流体动力泵，平时很少见，它一般借助另一种物体，它通常用来抽吸易燃易爆的流体，喷射泵一般由喷嘴、正空室、扩大管构成，喷射泵工作时，液体会从喷射泵告诉喷出，从而在真空室形成抵押环境，这样使液体又被吸进真空室。它一般分为水蒸气喷射泵和空气喷射泵，水蒸气的喷射泵消耗的是水蒸气的能量，空气喷射泵利用的气体，大部分情况下要有空气压缩机。3.3.4喷泉专用泵一、喷泉专用泵的工作原理喷泉专用泵是专门为喷泉设计的一款水泵，喷泉专用泵在开泵在之前，一般会要求泵内和抽水管充满水，因为喷泉一般会安在水池或者胡泊里。这个比较好实现，充满液体后，电动机带动叶轮以非常快的速度旋转，泵内的液体被打在泵壁上，慢慢就会形成一个真空区，在这个真空区气压很低，外面的水池压力又很大，这样水就会被压进来，如果水泵放置的越深，压力越大，喷施的高度越高[10]。二、喷泉专用泵的特点1、这种喷泉泵是放在水中的，所以放腐蚀性能非常高。喷泉专用泵的外壳一般都是用不锈钢制成，外边还刷了绝缘漆。2、这种水泵是利用水面的大气压往里灌水的，具有自动进水功能。3、这种喷泉专用泵利用定电位接地的方法来防止漏电。4、这种喷泉专用泵，因为是在水下放置，密封性要求高。5、这种喷泉水泵冷却方法利用循环充水来解决。三、喷泉专用泵的使用条件1、喷泉专用泵全身都是在水中运行的，但是下潜的高度与泵身的材料有关，一般在0.5米和5米之间。具体情况具体分析。2、喷泉专用泵抽送的水的水温不能太高，最高耐温40度。3、喷泉专用泵在水下工作，密封性要求高，泵外还涂有专用漆，所以要求液体PH值为6.5~8.5。水体含沙量低。4、喷泉专用泵对电源也有要求，要求三相电源50HZ。并且要配有相应的启动保护装置。3.4变频器的应用3.4.1变频器的工作原理变频器就是把我们平时用的50HZ的交流电变换成别的频率的电，因为目前电动机用变频方式调速的方法用的最多，所以变频器得到了很大的发展。变频器现在流行的变频方式是交-直-交方式，这里边的直流电是通过整流的方法得到的。大部分的变频器由4部分构成，这4部分分别是整流模块、直流模块、逆变模块还有控制模块组成。三相交流异步电机的转速公式为：n=60f(1−s)/p（1）在这个式中：n表示的是三相异步电机的转速；f表示的是三相异步电机的转动频率；s表示的是三相异步电机的转差率；由公式1可以看出，要想改变电动机的转速，有两种方法，改变电机的磁极对数，或者改变频率，磁极对数对于造好的电动机来说，很难改变，可以说磁极对数是天生的，所以我们只能从频率上下手，所以只能用调节频率的方法，变频器是调节电动机频率最不可缺少的一部分。下面简单的描述一下变频器的工作方式，第一步先把50HZ的交流电利用整流桥这样的元件变为直流电，在利用全桥逆变电路转换为交流电。变频器是用可控硅做成的可调装置，这种变频器包括由4大电路组成，这4种电路是，整流电路、平波电路、控制电路和逆变电路。它的基本结构示意图如下图8。交流电交流电整流电路直流中间电路逆变电路频率电压可调交流电控制电路图8变频器结构框图3.4.2变频器的分类一、按整流出的直流性质分类用电容类型的电子元件进行能量的存储，电容一般都被当做电压源，用电压源的话，如果需要回馈能量的话，还需要其他的一个装置，需要并联一个逆变器，但是这种方法动态响应慢，但是能够被大多数的电动机所接受。它逆变后的交流电压为阶梯波而电流为正弦波，所以谐波分量大。但是又因为它相当于电压源为电机供电，好处在于不用考虑换流和负载的功率因数。但是也有缺点，要是这么运行的话，容易出现短路。必须加保护装置。电抗器作为电流型的储能元件，它就相当于一个大的电流源，最为电流源最大的好处是相应迅速，不需要任何装置就能够实现回馈制动。用电流源供电可以实现电机的正向电动、反向电动、正向制动、反向制动。但是这种方法的缺点是要求换流，这样就需要装一个逆变桥，逆变桥结构相对复杂，容易产生谐波干扰。二、按开关控制方式分类利用PAM控制开关，PAM控制开关又叫做脉冲幅度调制，它是用来改变输出值和波形的的大小幅度，通过按照一定规律法则来改变的设备。利用PWM控制开关，PWM控制开关又叫做脉冲宽度调制，它是用来改变输出值和波形的的大小周期，通过按照一定规律法则来改变的设备。利用SPWM控制开关，它是在PWM控制开关的升级版，这种方法利用了占空比，占空比的意思是有效脉冲占总周期的比值，其实脉冲宽度和占空比一样都是存在着一种正弦的方式。它最大的用处在我们平常生活中的是交流逆变器利用SVPWM控制开关，它又叫做空间矢量脉宽调制方式，它也是PWM控制开关的升级版，它是利用定子旋转，产生磁场。利用这个磁场带动电机转动。这里边的空间矢量是指利用平行四边形法则矢量合成后的三相定子电压。三、按交换的方式分类通过交流变直流再直流变交流的变频器是目前应用最广泛的变频器，它一共由3大部分组成，这3部分分别是整流器、滤波系统和逆变器，其中的整流器一般用两种方法，其中用的较多的是用二极管构成的一个三相桥整流，但是这种方式不能全控。还有的是用晶体管组成的整流器，这种方法能全控。逆变的作用和整流器是相对的。这种变频器别名间接变频器。这种变频器的应用很广，几乎到处可见。通过交流变交流的变频器，现在也很普遍，它利用半控型器件的晶闸管组成的换流装置，直接把工频交流装换为可变频率的交流。这种变频器的优点是工作方式迅速可靠，这种变频器又叫做直接式变频器。这种变频器主回路电路简单。这种变频器大多数用在大功率的调速系统。3.4.3变频器的控制方式变频器有两种控制方式，这两种控制方式分为开环控制和闭环控制，其中的闭环控制分为两种，他们分别是转差率控制和矢量控制的方法[11]。开环控制的方式有电压频率控制。控制转差频率方式：利用控制转差频率的方法控制变频器。要求在控制系统中能改变速度的装置，它的最主要的特点就是用速度反馈给变频器。例如单机运作就是用控制转差频率方式的方法，这种方法的好处在于响应速度非常快，而且稳定性十分的良好能够进行快速的加减速。控制矢量方式：通过控制矢量的方法来控制变频器。要明白电动机的的定子、转子之间的磁场关系，无论是是同步电动机、交流电动机、异步电动机、直流电动机，他们都可以控制转矩矢量，转矩的意思就是磁场乘以与磁场方向正交的电流[12]。控制电压频率通过控制电压和频率的方法来控制变频器。就是要一边获得转矩特性，一边进行调速电源的频率。用这样的方法使磁通高效。这样的变频器不叫简单，所以在稳定性和精度上有所欠缺。只有在不要求精度的场合才用该方法。第四章PLC程序设计方法4.1PLC控制系统的设计原则一个系统的设计最关键的部分就是它的控制系统的设计，这也是一个系统的核心，PLC做为控制的核心，它的好坏将决定于整个系统[13]。所以在用PLC设计系统时要根据系统本身的特点和要求。而且要尽可能全面的考虑各方面的因素。提前设计好步骤，然后严格的按计划进行设计。它一般遵循的原则如下：1、能够尽量地满足被控对象的要求。在设计前段时间，要深入调查现场并且进行研究，尽可能多的收集资料，遇到问题要多多与人沟通交流，与相关的工作人员密切配合。遇到难题共同探讨、共同解决。2、在完成大部分的设计后，尽量使控制系统方便、省钱、好用。3、一定要确保PLC控制系统具有稳定性、可靠性。否则损坏器件，费时费力。4、要为以后系统的升级考虑周全，在选择PLC大小时，应提前做好有余份。控制系统尽量方便操作、省钱、好用、安全。4.2PLC控制系统的设计步骤PLC系统控制一般设计步骤如下：1、仔细的调查和研究控制对象的所拥有的特点和控制要求。例如像被控制对象的基本方法、要做成的动作、执行的顺序，还有它的连锁方式。2、缺点用户的输入输出的接口设备，用它来确定PLC的输入输出的点数，给输入输出的端子画个接线草图。3、确定被控制所需要的输入输出点数，挑选恰当的PLC类型。4、当遇到非常复杂的控制系统，首先需要画出工作流程图，这样就能以清楚的知道执行的顺序和控制要求。这样就不会出错，不会迷茫自己改做什么。5、依照工作流程图设计相应的程序，也就是普通人设计的梯形图。这是PLC控制系统设计中相对来说比较难的步骤，但也是很关键的，如果程序写不好，那么在使用的过程中也会经常的出麻烦。如果写错了为自己也找麻烦，尽量慢慢写。确保每一步的逻辑性。6、用专门的PLC编程软件，把设计好的程序放到存储器中，利用计算机对所设计的程序进行修改调试。7、等到这些工作完成以后，把设备带去现场进行调试。直到满意为止。8、编写技术说明书。4.3PLC控制系统的设计方法在PLC控制系统的设计方法中，设计PLC的程序的有很多种方法，大约有5种，他们分别是经验设计法、逻辑流程图设计法、顺序控制设计法、时序图设计法、根据继电器电路图设计梯形图[3]。他们其中的前三种方法经常用。1、经验设计法经验设计法就是根据你以前的设计经验，或者以前设计的题目修改过来。这种设计方法多余初学者来说是不好用的，除非是那种大神级别的人物，对与我们大部分的普通人来说，还是要脚踏实地的设计自己的程序，为自己的以后积累经验[14]。2、顺序控制设计法[15]顺序控制设计方法，第一步要弄明白整个工艺的流程，仔细的了解每部的运行顺序。第二部根据执行的顺序，画出顺序功能图，画图的时候一定要确保每部都有规律的运行，不能少一部分，或者多一部分，慢慢来。画出图后，再根据顺序功能图设计出自己的梯形图。步骤特别多的控制，用顺序控制设计方法特别划算。因为这种方法特别的有规律性。3、逻辑流程图设计法[16]逻辑流程图设计方法第一步要画出逻辑框图，这个框图要有系统的执行过程，还要反映出输入接口与输出接口的联系。用这种方法的好处是，对整个流程有一个系统的了解，一旦某单元出现了问题，缕缕逻辑框图，就会发现其中的问题。画好逻辑框图后再根据它画出梯形图程序。第五章喷泉控制系统的设计5.1变频器的选用变频器在本次设计中是非常重要器件，它的任务通过改变频率，从而改变电动机的转速，以此方法来改变喷泉的高度。在这回设计的音乐喷泉控制系统中。需要变频器用来接收经PLC处理后的音乐大小控制信号，用变频器输出频率大小不同的交流电，来达到喷泉专用水泵的喷水状态不断变化的设计目的，最终实现喷泉喷水与音乐达到统一结合的目的。根据广场的音乐控制水柱的高度，使水柱与音乐同步，利用喷泉专用水泵控制水柱。基于喷泉控制系统十分的复杂，所以选用西门子MM430变频器来控制喷泉专用泵的转速。MM430变频器，可以用来控制喷泉专用泵的转速，非常适用于驱动变频装置。并且MM430变频器具备可控的工厂设置参数，为以后的升级改造工作，留有余地[17]。5.2PLC的选用根据对音乐喷泉仔细的研究，通过对控制系统的组成、工作过程的分析，还有I/O点的估算得到，音乐喷泉系统中一共续要模拟量输入点1点，需要输入扩展模块1个，模拟量输出点4点，需要输出扩展模块1个。点数不是很多，所以选择了西门子公司的S7-200系列的PLC，平时用的比较多。用起来比较方便。1、西门子S7-200PLC系列的特点有很多，拥有丰富的指令集，可以携带多种模块，而且对环境的要求也不高。它是西门子系列单片机的基础版，好多的PLC都是PLC的升级版。2、S7-200PLC的硬件系统[16]S7-200系列的PLC由三大部分组成，他们分别是主CPU模块、扩展模块和总线连接模块。下面是他们的具体介绍：（1）CPU模块该模块由3部分组成，他们分别是中央处理器、供电电源、输入输出点。中央处理器主要负责运算，进行数据的处理。电源只负责为PLC供电，如果有模块加进来，请自带电源。剩余的部分输入输出点部分。（2）扩展模块当有大型的系统需要控制时，PLC自带的输入输出点数是不够的，所以需要外加一些模块，有时候还要加一些PLC没有的模块。（3）总线连接模块总线连接模块负责把PLC的每部分连接起来。3、S7-200系列的PLC放置方法S7-200系列PLC有两种系统放置方式：他们分别按面板和导轨上放置[18]。5.3MM430变频器外部电路的设计1、控制系统主电路设计，设计的这个系统为了产生较小的电流，系统采用三相交流电，50HZ的频率。把电源接头与变频器的电源端子相连。主电路连接见图9所示。2、变频器控制电路的连接，MM430变频器利用外部端子来控制，通过控制PLC的输出来控制变频器，让变频器正转也就是输出正向频率，控制音乐喷泉泵正转。MM430变频器的输出频率的控制，利用S7-200PLC把数字信号给模拟量输出模块，再通过模拟量输出模块，来控制变频器的输出频率。MM430变频器的控制电路连接见图9所示。图9变频器外电路5.4PLC外部电路的设计音乐喷泉的设计核心用S7-200PLC控制，它在整个音乐喷泉控制系统中起重要作用。用S7-200PLC控制的作用主要有以下几个方面。S7-200PLC控制外部电路的接线框图如图10所示。一、控制音乐的播放二、当喷泉不作音乐喷泉时，控制喷泉作普通喷泉运行。三、把采集到的音乐信号换成数字量，经过运算后，由模拟量输入输出模块输出模拟电压，改变变频器的频率输出，以便控制水泵的转速。四、控制喷泉灯光的变化。图10PLC控制外部电路的接线框图1、S7-200PLC的输入端IO.0至I0．6这几个端口，负责音乐喷泉的开始运行；固定程序喷泉的开始运行；停止运行喷泉；对水泵的保护。2、S7-200PLC的输出端Q0．O至Q0．3这几个端口控制4台变频器的开始运行。分别是QO．0控制第四部分的变频器；QO．1控制第三部分的变频器；QO．2控制第二部分的变频器；QO．3控制第一部分的变频器。3、S7-200PLC的输出端Q0．4至QO．7的这几个端口，当喷泉用固定喷泉模式运行时，立即切断变频器的电源，该变成输出端Q0．4至QO．7控制4台水泵。4、S7-200PLC的输出端Ql．O至Q1．6的这几个端口，用来控制灯光的亮灭。他们分别是Q1．0用来控制第四部分的灯光；Q1．1，Q1．2用来负责第三部分的灯光；Q1．3，Q1．4负责控制第二部分的灯光；Q1．5，Q1．6负责控制第一部分的灯光。5、S7-200PLC的输出端Q2．0至Q2．3的这几个端口用来控制4台变频器的正转运行。6、额外附加的模块EM235：它的作用是从音箱里取出的音乐信号，进行采样、滤干扰、再放大后，输出到模拟量输入模块。使信息输入到PLC中。7、额外附加的模块EM222：它的作用是将模拟量输入模块采集数据经过PLC的计算处理，去控制MM430变频器的模拟量输入端子，从而来改变变频器的频率。5.5PLC程序设计根据实际的系统情况先设计出程序的流程框图，从PLC开机开始，就有一个选择性分支，一个提供两种了选择：一个是喷泉跟随音乐节奏运行，另一个是喷泉按事先设计好的程序运行。其运行流程如图11所示。图11程序流程框图控制系统的的输入输出接口分配表，如表1。PLC的开机程序是一个选择程序，二者中只能挑选一个，要么是由音乐控制的喷泉，要么是固定程序运行的喷泉。在设计梯形图的时候，两者之间一定要互锁程序[18]。在开在机程序中，遇到两种运行模式切换的时候，因为固定程序不用变频器，所以程序可以迅速切换；但是固定程序运行切换到音乐控制的时候，因为音乐控制时使用了变频器装置，变频器的停止需要有一段时间，当切换时需要有延时，一般取10S左右。停止按钮一般用常闭触点，程序中与停止按钮连接的输入继电器一般用常开触点，这样做的好处是确保当停止按钮断线、掉线时，程序立即停止。开机程序的梯形图程序如图12所示。音乐喷泉程序是控制系统的重要部分，而且相对复杂。程序中需要启动变频器、启动灯光，要实时采集音频信号的变化，以此改变变频器的输出频率。1、第一步启动变频器。启动变频器也有三个步骤：送电给变频器，启动变频器使他正转运行，保护电机防止过载，当喷泉不作音乐喷泉运行时，变频器断开。变频器需要有个预热的时间，此时不能立刻使变频器正转运行，延时30S后，再启动变频器正转，4台变频器同时启动。梯形图程序如图13所示。图12开机程序梯形图图13启动变频器程序梯形图2、喷泉水柱控制程序。控制喷泉的水泵启动后，主水柱、副水柱里圈水柱、外圈水柱要先按事前设定好的顺序启动运行，运行后的各水柱的运行变化再根据音乐的节奏强弱进行高低变化。喷泉水柱的运行变化，按图14的流程图运行。图14各水柱运行变化流程图3、启动灯光程序是第二步，喷泉的灯光在喷射的过程中变化，一般提前设定好的灯光程序，一旦变频器得电，输出正向频率，启动水泵，主程序马上调用灯光子程序，使灯光变化，经过反复的调试，使灯光的变化与水柱变化相协调，这也是门技术活，需要专业的人士，灯光运行调用的子程序梯形图如图15所示，灯光运行程序梯形图如图16所示。4、音频信号采集程序第三步，音乐信号是模拟量，该信号采集时要用中断程序执行，隔lOOms中断一次，时刻采集音频信号，采集到的信号经过PLC程序运算后，再传给所有的变频器的模拟量输入端的，用这种方法改变这样变频器的输出频率，使得音频信号的强弱改变，从而改变喷泉的高低。音频信号的采集的程序梯形图和音频信号采集的中断子程序梯形图见附录所示。5、固定运行程序是另外加的，主要用PLC的另外的程序控制。不需要变频器，不需要音频信号的采集，只管输出控制水泵的信号就可以。就是让水泵按输出继电器QO．4至Q0.7。喷泉固定运行程序梯形图见附录所示。子程序SBR_0振荡1s的程序网络1SM0.0T50T49INTOFPT100MSINTOFPT100MS100网络2T49T50INTOFPT100MSINTOFPT100MS100图15光运行调用的子程序梯形图网络14调用子程序SBR_0T38T44SBR_0EN调子程序SBR_0EN网络15主水柱灯光的控制T38T49Q0.1主水柱间隔1s亮网络16副水柱灯光的控制T39T49Q1.1副水柱间隔1s亮T49Q1.2网络17里圈水柱灯光的控制T40T49Q1.3T49Q1.4网络18外圈水柱灯光的控制T41T49Q1.5T49Q1.6图16灯光运行程序梯形图5.6喷泉控制系统总电路设计喷泉系统总电路的设计：这次系统用的是S7-200系列的PLC,还用到了MM430变频器装置，还有模拟量输入模块，模拟量输出模块。其电路原理图如图17所示，下面进行具体的分析：1、固定程序喷泉部分。当喷泉不作为音乐喷泉时，可按下钮SB2，启动PLC运行固定程序模式，喷泉就会按照预定方案运行。这时不用变频器，变频器装置只在由音乐控制的时候启动。一般情况下水泵的变频运行和固定频率运行要分开，若不这样将给变频器反送电，损坏了变频器。所以在控制水泵变频运行时候的接触器KMl至KM4和控制水泵固定频率运行的接触器KM5至KM8之间，加了互锁程序，防止两个喷泉模式同时进行。2、音乐控制喷泉的部分。当用音乐喷泉控制时，可按下按钮SBl，与此同时PLC的模拟量输入输出模块就会收集播放音乐的音频的强度，并通过模块进行A／D转换，经过复杂的运算之后，会输出给变频器的模拟量输入端，以便来控制变频器输出频率，用这种方法控制水泵的转速，实现控制喷射的高度。3、控制灯光的部分。说到喷泉控制的灯光，就是提前把程序都设计好，设计多种花样，然后，在喷泉喷射的时候变化。4、保护电机防止过载。如果水泵出现了过载，立即停止，防止器件的损坏。RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+D-RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+D-EM235ML+M0V0I0DIP开关接变频器的输入端接变频器的输入端接音频信号EM222接电源EM222图17总电路原理图（部分，下页有续图）接EM235模拟量输出4LQ2.0Q2.1Q2.2Q2.312.4Q2.54LQ2.0Q2.1Q2.2Q2.312.4Q2.5EM222L+MRSTMM430L1L2L334593459FRKM1KM1M1主水M1柱电机1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.32LQ0.4Q0.5Q0.6Q0.73LQ1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.7NL1S7-200PLCCPU2261MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.72MI1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7ML+1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.32LQ0.4Q0.5Q0.6Q0.73LQ1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.7NL1S7-200PLCCPU2261MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.72MI1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7ML+接线与主水柱的相似KM17KM16KM10KM15KM14KM13主水柱灯光灯灯灯KM12KM10KM8/KM4KM5KM7/KM3KM6/KM2FR4KM5/KM1FR3FR2KM4/KM5FR1KM3/KM8SB3KM2/KM7SB2KM1/KM5SB1三相电源N第六章结论与展望这次的音乐喷泉系统的设计，在各个方面本文都有提到，因为我主要负责系统的设计，所以一些灯光水型的设计介绍的很少，希望由更专业的人士来进行设计。喷泉的控制系统还是挺复杂的，涉及到了很多学校里没有学到的东西，例如变频器，水泵，喷头等等。在使用PLC时一定要看是否有损坏的输入输出接口，在确定连接的地址是否正确，然后再近些年现场的调试。在使用变频器的时候，一定要先阅读使用手册，不能上来乱按，非常容易造成损坏。本论文的题目属于设计型课题，我综合自己所掌握的知识，以PLC为基础，对音乐喷泉的基本流程，基本的电气设计，有个很深一步的研究。在做整个设计的过程中，我先前对音乐喷泉不是很了解，只是曾经看过几次。自己做完以后，觉得该音乐喷泉设计系统还有不足的地方，例如对音乐的音效、水型的设计、灯光的配合等等。其实要做好一个好的音乐喷泉设计到很多方面的知识。希望有更多的人来一起研究它，让它更加的完善。致谢在实际设计和论文撰写的过程中，我遇到了许多问题，但是都在老师和同学们的帮助下解决了这些问题。非常的感谢我的指导老师。在撰写论文和实际设计的过程中，李老师给了我许多指导和帮助，并且李老师严谨的治学态度也让我受益匪浅，改变了我以前一些不良的态度和习惯。同时还要谢谢我的同学，尤其是我的室友，他们在我做整个设计的过程中给了我许多帮助和鼓励，还提出了许多宝贵的意见。最后谢谢论文中所引用文献的作者们，他们的研究成果给了我许多的指导和启发。还要非常感谢实验室的老师，在实验的过程中，他们让我查看了PLC、电机等设备，为我的毕业设计打下了基础。参考文献[1]庄顺万音乐喷泉控制系统的研究与设计中国科学院自动化研究所控制理论与控制工程2002,5,01[2]张仕伦计算机多媒体音乐喷泉控制系统，中华人民共和国专利局，公开号cN1184965A。[3]振国基于CAN总线的音乐喷泉控制系统的设计与实现.江苏大学.控制工程.2009,12,21[4]梁广瑞基于工业PC的音乐喷泉控制系统的研究控制理论量控制工程.2006,06,10[5]王玉岗基于乐曲节拍识别为基础的智能多媒体音乐喷泉系统的开发与研制中国科学院自动化研究所2001，06，01[6]王春洁音乐喷泉系统的设计与实施北京邮电大学软件工程2006，10，28[7]李建威《水力机械测试技术》第1版北京机械工业出版社1981年[8]陈伯时《电机与拖动》清华大学出版社2006，9[9]章国华、苏东《典型生产线原理、安装与调试》北京理工大学出版社2009,04[10]童克波音乐喷泉电气控制系统的设计与实施天津大学电气工程2011，11,23[11]计时鸣《机电一体化控制技术与系统》西安电子大学出版社2009,06[12]陈建明《电气控制与PLC应用》第二版电子工业出版社2012，12[13]\o"赵江稳主编"赵江稳《\o"电气控制与PLC综合应用技术"电气控制与PLC综合应用技术》\o"中国电力出版社"中国电力出版社2014,3[14]周健基于音乐特征识别的喷泉控制系统研究重庆大学控制理论与控制工程2007，5，30[15]郑炳权组态王软件在音乐喷泉控制系统中的研究与实现华南理工大学控制工程2005，11，05[16]YousifI.AlMashhadany

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programmablelogiccontrollers.2009,06:1098-1104附录音乐信号的采集的程序梯形图音乐信号采集的中断子程序梯形图音乐喷泉的程序梯形图固定喷泉的程序梯形图基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统HYPERLINK