灯光音乐喷泉系统设计课程设计毕业设计分解.docx
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灯光音乐喷泉系统设计课程设计毕业设计分解
光机电一体化系统设计课程设计
题目：
灯光音乐喷泉系统设计
院别：
专业：
机械电子工程
班级：
姓名：
方晓红
学号：
2010
指导教师：
二零一四年一月十五日
第一章绪论
喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。
园林中的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。
喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。
喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子。
因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。
随着城市化进程的加速，随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在许多城市的市民广场、单位居民生活区里都能看到各种形式的喷泉。
随着科学技术突飞猛进的发展，在喷泉工程中采用了大量的高新技术，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有种愉悦的感受。
喷泉运行的灵活性是评价喷泉优劣的关键，而这与喷泉的控制系统息息相关。
喷泉可以根据自己的设计，设计出各种各样的花样，加上灯光，能给人有种不错的视觉享受。
喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头洒出来具有一定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。
现代城市中的喷泉形式已十分丰富。
随着构筑物的大小及水压等的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈。
灯光音乐喷泉是在程序控制喷泉的基础上加入了灯光音乐控制系统，计算机通过对音频及MIDI信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步。
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。
在夜间配合灯光来提升喷泉的观赏效果,根据灯光颜色、照射花形的角度、音乐曲目进行编制程序,灯光工作时间也要和音乐、水泵的时间同步,其原理与控制水泵原理相同,在这里不再赘述。
第二章系统的总体设计要求
2.1系统控制要求
设计在广场等地方使用的灯光音乐喷泉，使用PLC作为控制器。
控制要求：
（1）要求同时有灯光指示。
（2）可采用手动和自动方式控制喷泉工作模式。
（3）可自动定时开关。
2.2音乐喷泉系统构成及框图
图2.1系统的整体结构框图
图2.2喷泉的平面布局图
2.3音乐喷泉的工作原理
音乐喷泉的工作原理是，根据播放的音乐来控制水柱，达到与音乐同步的效果，而水柱是由水泵来控制的，而水泵是由三相异步电动机组成的，三相异步电动机的转速如果通入工频电源，转速是不变化的，变频器是专门针对电机调速的装置。
由变频器控制电机的转速，使水柱发生变化。
改变频率就改变了电机的转速，也就改变了水泵的压力，音乐的不同频率经单片机处理送到变频电机的控制端，使电机转速随音乐的音调，节奏，和强弱变化，水泵的压力随之变化，喷岀的水就有了高低变化，而且是由几套设备对多组喷嘴实施控制
喷泉的形成是水泵。
将音乐的节奏和强度转变为控制信号，此信号再控制一个电压控制器件，电源经过这个电压控制器件后，输出电压也随音乐的变化而改变，从而控制水泵电机。
第三章音乐喷泉系统总体结构设计
3.1PLC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
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
3.2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。
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3.1变频器的基本构成
3.3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，灯光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。
3.4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。
3.5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。
3.6PLC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
2、编程简单，使用方便
3、接线简单，通用性好
4、可连接为控制网络系统
5、易于安装，便于维护
第四章音乐喷泉的控制系统设计
4.1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4.1所示。
图4.1音乐喷泉控制系统硬件结构图
4.2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。
4.3PLC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。
4.3.1PLC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4.1所示
表4.1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4.2所示
表4.2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4.3所示
表4.3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
4.3.2PLC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。
4.3.2.1PLC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。
SIMATICS7-200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SIMATICS7-200系列产品进行了结构分析。
1、SIMATICS7-200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4.2和图4.3所示。
图4.2第1种系统配置图图4.3第2种系统配置图
SIMATICS7-200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SIMATICS7-200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。
4.3.2.2PLC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。
4.3.2.3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。
4.3.2.4A/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。
4.3.3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。
数字量输入部分：
如表3.4所示
表4.4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
模拟量输入部分：
如表4.5所示
表4.5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4.6所示
表4.6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
4.4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4.4所示。
图4.4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4.5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4.5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
4.5水泵的选型
泵是一种面大量广通用型号机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力、冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位。
泵的电能消耗起了积极作用。
但是目前在国民经济各个领域中，由于选型不合理，许多的泵处于不合理运行状况，运行效率低，浪费了大量能量。
还有的泵由于选型不合理，根本不能使用，或者使用维修成本增加，经济效益低。
由此可见，合理选泵对节约能源同样具有重要意义。
所谓合理选泵，就是要综合考虑泵机组和泵站的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。
具体来说，有以下几个方面：
必须满足使用流量和扬程的要求，即
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