PLC控制音乐喷泉毕业设计.docx
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PLC控制音乐喷泉毕业设计
NANCHANGUNIVERSITY
共青学院专科生毕业设计（论文）
（2011-2013年）
中文题目:
PLC控制音乐喷泉
英文题目：
PLCcontrolmusicfountain
学院：
南昌大学高等职业技术学院
系别：
工程技术系
专业班级：
10机电一体化
（一）班
学生姓名：
学号：
指导教师：
二○一三年六月
摘要
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。
第一章绪论
1.1项目背景……………………………………………………3
1.2可编程序控制器概述………………………………………3
1.3变频器工作原理……………………………………………5
1.4项目的主要任务与内容……………………………………6
1.5项目的组织…………………………………………………7
第二章系统概述及方案论证
2.1系统概述……………………………………………………8
2.2控制系统方案选择及论证…………………………………11
第三章系统硬件部分
3.1控制系统的组成部分………………………………………17
3.2系统的控制过程……………………………………………18
3.3PLC的选型…………………………………………………18
3.4变频器的选型及参数设置…………………………………26
3.5潜水泵与灯组参数…………………………………………28
3.6PLC的外部硬件连接图……………………………………29
3.7控制系统主电路图…………………………………………30
第四章系统软件部分
4.1控制系统基本流程图…………………………………………32
4.2本次设计所用指令介绍………………………………………36
4.3控制系统梯形图的编制………………………………………37
结论…………………………………………………………………………40
参考文献……………………………………………………………………41
致谢…………………………………………………………………………43
第１章绪论
1.1项目的背景
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。
本项目针对这些问题，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]。
1.2.1PLC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]。
1.2.2PLC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项目的主要任务与内容
本报告是本小组的项目报告，需要我们小组成员结合所学知识，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。
本报告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项目的组织
项目共分为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
本章主要介绍音乐喷泉PLC控制系统的基本要求，以及设计音乐喷泉PLC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，以达到音乐喷泉PLC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电脑播放器播放，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，在音乐喷泉的控制系统中，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
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