基于PLC音乐喷泉控制系统的设计Word文档格式.doc
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2变频器基础 5
2.1变频器概述 5
2.2变频器技术的发展 5
2.2.1变频器的分类 5
2.3变频器的工作原理以及控制方式 5
2.3.1变频器的工作原理 5
2.3.2变频器的控制方式 6
2.4MICROMASTER420概述 7
2.5MM420变频器的电路结构 7
3系统总体介绍 10
3.1音乐喷泉组成 10
3.1.1音乐喷泉水池设计 10
3.1.2控制系统组成 10
4控制系统的硬件设计 12
4.1PLC控制系统I/O口的估算 12
4.2PLC的选型 13
4.3PLC输入/输出点分配 14
4.4PLC控制接线图 15
5变频器及控制参数设计 16
5.1变频器设计 16
5.1.1变频器选型 16
5.2.2变频器控制接线图 16
5.2MM420变频器操作面板 17
5.3变频器参数设置方法 18
5.4变频器参数设置 19
5.5变频器控制说明 20
5.5.1系统参数设计说明 20
5.5.2相关参数的说明 20
6控制系统软件设计及调试 23
6.1PLC控制流程 23
6.2主要控制程序 26
6.3PLC的调试 27
6.4系统整体调试 27
结论 29
参考文献 30
致谢 31
附录1音乐喷泉控制程序 32
泰山学院本科毕业论文
引言
音乐喷泉是一个使用音乐的主体元素（频率，振幅，音调和节奏）与花型组合控制喷泉，水柱高度，距离变换和光的颜色组合与亮度变化。
音乐喷泉是人工喷泉现代控制技术的使用，是融合了基于程序控制的音乐喷泉控制系统，通过水和轻音乐喷泉控制相结合的变化而变化，从而实现光与色的组合、音乐的情绪、喷泉的生动丰富的表演内涵。
随着可编程控制技术的发展，可编程序控制器和变频器技术在喷泉控制领域发挥着不可替代的作用。
即使用一个小型PLC的音乐喷泉控制系统频率转换器，可以实现控制喷泉灯，水泵，接线简单、编程与音乐节奏和情感以及流水灯的多点结合，便于适合追求时尚家居生活和娱乐。
目前，音乐喷泉的控制中最常出现的是实时控制。
小型PLC的音乐喷泉控制系统基于现实生活中的应用前景，值得推广。
在设计过程中，采用可编程控制器实现音乐喷泉的控制。
尤其是在现场总线和工业自动化领域的控制网络中开辟了一个新的发展空间。
PLC及其外围设备的设计是依据易于形成一个整体的工业控制系统，便于扩充功能的原则。
考虑到音乐喷泉系统的控制复杂性，若采用继电器控制，其控制可靠性较差。
若采取PLC控制，PLC是由程序控制，是一种软连接，大大的提高了可靠性。
可编程控制器是音乐喷泉的控制核心，可编程控制器是整个系统的“大脑”，开关量转换音乐频率来控制喷泉的变化和闪烁的灯光都是通过程序实现的。
可编程控制器，简化了控制电路，提高工作速度和系统运行的可靠性和灵活性，而且还增强了喷泉工程的自动化及智能化。
1PLC基础知识简介
在继电器控制技术的基础上发展起来的一种先进的技术PLC，还借助于计算机技术和现代通信技术。
PLC自产生至今，虽然只有30年，但今天已在该行业快速发展。
现代工业自动化的三大支柱产业为PLC技术，CAD／CAM技术和机器人技术。
PLC技术主要是以微处理器为核心，应用时间，计算、算术、逻辑程序控制，并通过数字和模拟I/O实现各种具体的生产工艺的控制。
目前广泛使用的为机械和电气控制，电气控制，数据采集，网络通信和运输等领域。
1.1PLC的产生和发展
IEC在二十世纪九十年代年颁布了可编程控制器（PLC）的含义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计。
它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩展其功能的原则设计”。
PLC发展迅速，故其实现的功能丰富，应用范围广，开发了实现各种功能需求的PLC系统，PLC的未来发展趋势为：
小型化、专用化、易用化；
大容量、高速度、信息化；
智能I/O模块的发展；
人机界面研发与发展；
开放性和程序语言的标准化；
过程控制领域应用；
PLC的冗余特性；
增强通信联网功能。
1.2PLC的特点与应用
1．PLC的特点
PLC技术能够高速发展，除工业自动化的客观需求之外，主要是由于它自身还有很多独特的优点。
具有特殊结构的工业控制计算机，与普通计算机相比具有更强的能够与工业过程相接的接口，同时具备适用于控制要求的程序设计语言是可编程控制器实质。
可编程控制器是将计算机技术和电器控制技术有机地结合在一起的技术。
其特点主要体现在：
可靠性高，抗干扰性强；
编程简单、使用方便；
易于安装、调试、维修；
功能完善，通用性强；
体积小，能耗低[2]。
2.PLC的应用
基于PLC自身优势，在工业控制中倍受青睐。
PLC的主要应用领域涵盖了几个方面：
开关量的逻辑和顺序控制；
模拟量控制；
运动控制；
过程控制；
数据处理；
信号连锁系统；
通信及联网；
时间控制。
1.3PLC的工作原理及工作过程
与普通微机类似，PLC亦是由硬件和软件组成。
PLC的正常地运行只能依靠于软件的控制。
系统软件和应用软件为软件系统的两个部分。
PLC的基本运行过程如下：
1）输入处理阶段：
PLC把所有外部输入电路的状态输入映像寄存器；
2）程序执行：
用户程序中的指令按次序被扫描，然后依据输入状态和指令内容执行逻辑运算；
3）输出处理阶段：
根据程序执行的结果，各输出点相应的控制信号由输出状态寄存器并行发出，实现控制系统的逻辑控制功能。
扫描周期即每执行一遍程序所需的时间。
PLC的扫描周期通常只有零点零几秒。
然而事实上，一系列不断重复的顺序操作是很多机械设备的工作过程，而这与PLC的工作原理类似。
所以，PLC的程序可以和机器的操作步骤相对应，而且PLC程序编制过程简单易懂，正确率高，修改简便，因而软件的开发费用及开发周期都有可观的改变。
PLC通常在每次扫描期间进行故障自诊断以及与编程器的通信，此过程的意义在于提高工作的准确性，及时接收外部控制指令。
PLC的扫描工作流程如图1所示。
图1PLC的扫描工作流程[4]
2变频器基础
2.1变频器概述
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”。
变换器是电力电子装置的电源转换成各种频率的交流电源来实现变频调速电机的使用，运动控制系统的功率变换器。
变频技术是一种高新技术——集自动控制，电力电子技术，微电子技术，通讯技术于一体。
变频器具有速度快，省电，节能，可靠，高效，广泛应用在各种领域。
2.2变频器技术的发展
有交流异步电动机调速功能的变频器，其性能远远超过交流、直流调速控制方式，拥有结构简单、宽调速范围、高调速精度、安装调试简便、使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著等优点，是交流电动机调速的主导技术。
运动控制系统中，起功率变换作用的是器变频器，运动控制技术是多学科综合的高新技术，是自动化技术的“前沿”。
2.2.1变频器的分类
（1）按输出电压调节方式分类：
①PAM方式；
②PWM方式；
③高载波变频率的PWM方式[7]。
（2）按控制方式分类：
①电压/频率控制；
②转差频率控制；
③矢量控制。
（3）按用途分类：
①通用变频器；
②高性能专用变频器；
③高频变频器；
④小型变频器[7]。
2.3变频器的工作原理以及控制方式
2.3.1变频器的工作原理
变频器是把工频电转换为其它频率的交流电，来适应交流电动机变频调速的需求。
变频器目前主要应用的变频方式是交-直-交方式，直流电是工频电流经过整流器转换来的，再把由直流电转换的频率、电压均可控制的交流电供给电动机。
变频器的电路有整流器、直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成[8]。
交流电动机同步转速表达式为：
n=60f（1−s）/p（公式1）
式中：
n—异步电动机的转速；
f—异步电动机的频率；
s—电动机转差率；
p—电动机磁极对数。
由公式1知，异步电动机的转速与频率成正比，因此改变频率f即可改变电动机的转速。
变频器就是利用改变电源频率来实现速度调节，是一种理想调速方式[8]。
变频器的工作过程：
一是将交流电转换为直流电，然后再利用电子元件使直流电变为交流电。
变频器一般用可控硅组装成频率可调的装置，使频率可调，从而调控电机的转数，使转数产生变化。
一般整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等部分组成了其变换电路。
变频器的基本结构如图2所示。
图2变频器的基本构成[9]
2.3.2变频器的控制方式
开环控制和闭环控制是变频器两种控制方式，闭环控制进行电动机速度的反馈。
开环控制有电压/频率控制方式，闭环控制分为转差频率控制和矢量控制。
（1）电压/频率控制
要在改变电源频率进行调速的同时，有必要的措施来保障电动机的气隙磁通处于高效状态，以便获得理想的转矩速度特性。
这是电压/频率控制的目的。
这种类型的变频器结构简单，开环控制是其采用的控制方法，固其精度和动态特性不是很好的，因此，若要在低电压区得到较大的调速范围是比较困难的。
因此，一般是对控制性能要求不高的场合采用这种控制方式的变频器。
⑵转差频率控制方式：
其适用于自动控制系统是因为具有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的静差小。
单机运转是转差频率控制方式之一。
采用此方式的变频器具有良好的稳定性，急速的加减速特性，负载变动，响应特性，其原因是采用了此种方式的变频器中有电流负反馈环节，对频率和电流进行调控[10]。
⑶矢量控制方式：
异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理是矢量控制的基本核心思想，即磁场和与其相垂直的电流的积是电动机的转矩，异步电动机的定子电流是可以分为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量。
若要达到控制电动机转矩的目的，可以通过控制电动机定子电流的大小和相位，即可对电动机的励磁电流和转矩电流进行分别控制[9]。
2.4MICROMASTER420概述
MICROMASTER420为适用于控制三相交流电动机速度的变频器。
此系列型号种类繁多，电源电压可有单相到三相，额定功率由120W到11KW可供选用。
微处理器控制此变频器，其功率输出器件采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
因此，运行可靠性较高以及实现多功能是其特性。
电动机运行噪声之所以降低是因为PWM的开关频率可以选择。
能同时为变频器和电动机提供良好的保护是其完备的保护功能。
MICROMASTER420具有可调的工厂设置参数，并且是为众多且简单的电动机控制系统提供动力的较好驱动装置。
由于其全面而完备的控制功能，故在设置相关参数以后，MICROMASTER420可用于更优的控制系统。
MICROMASTER420用于单机驱动的控制系统，还应用与集成自动控制系统中[11]。
2.5MM420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3所示。
电源输入单相或三相的交流电，整流电路将恒压恒频的交流电转换成恒定的直流电，供给逆变电路的是主电路的功能。
CPU控制逆变电路，使恒定的直流电转换成U和f均可调的三相交流电，供给电动机负载。
由图3可知，MM420变频器直流与交流转换是通过电容进行滤波的，因此此变频器属于电压型交-直-交变频器。
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、操作板等组成了
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[12]。
图3变频器电路图
3系统总体介绍
PLC和变频器主要完成了音乐喷泉的控制过程——音乐的频率信号控制PLC；
实现水泵转速变化依靠改变水泵电机的控制频率，进而利用水泵的转速变化控制音乐喷泉的水柱高度变化，以上过程实现了音乐变化对喷泉的控制的过程。
变频器接受来自PLC处理的音乐信号，输出频率不同的交流电，使水泵的喷水状态发生变化，实现了喷泉喷水随音乐高低呈现不同的形态。
同时通过PLC控制彩灯，实现彩灯组与音乐节奏的同步变换。
3.1音乐喷泉组成
3.1.1音乐喷泉水池设计
此小型音乐喷泉的设计为：
喷头分三组，外圈设有九个喷头，中圈设有六个喷头，这两圈的喷水口直径0.5mm，此两圈喷头由一个12W的潜水泵提供动力；
内圈只有一个中心主喷头，采用集流直上喷头，此喷头喷水流量较大。
在水泵大功率工作时，有壮观的喷水直径和高度，此直流喷头由一个55W的潜水泵提供水压。
两组彩灯分别安装在外圈和中圈喷头下，成交替闪烁的工作状态。
使音乐喷泉工作时喷水层次感明显，视觉效果良好。
喷泉水池直径约0.8m，喷头组最大直径0.5m，在外圈和中圈喷头向内倾斜的情况下很好的防止了水池喷水造成的向外溅水。
3.1.2控制系统组成
音乐喷泉的控制系统由音乐信号处理电路（包括F/V转换电路、模/数转换电路、信号隔离电路），PLC及变频控制电路，潜水泵和彩灯控制电路，稳压电源电路和音响设备组成。
音乐喷泉控制系统硬件组成部分如图4所示。
调速端
DC5V
两组水下灯
两组潜水泵
CD
VCD
DVD
可编程序控制器
外部音箱
（左）
变频器1#
SSR
变频器3#
M
（右）
功率放大器
A/D
图4音乐喷泉控制系统硬件结构图
1、音乐信号的处理
音乐喷泉的乐曲从CD、VCD等播放器播放，通过功率放大器，乐曲一路输出到音箱设备，一路由A/D转换模块对音频信号进行采样处理两路输出方式。
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潜水泵电动机，使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A/D对其音频信号采集转换后通过对应的程序控制，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。
4控制系统的硬件设计
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，首先需要把系统所需的输入/输出数量明确，其次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。
在确定控制系统各环节的关系后，进行分配输入/输出设备点。
因此，PLC音乐喷泉控制系统的设计首先要解决的问题是I/O点数的确定，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PLC的输入/输出点、内部继电器、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。
4.1PLC控制系统I/O口的估算
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。
可以根据系统的控制要求大体确定控制系统的输入输出点数。
1、估算系统数字量输入点数
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，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1所示
表1系统数字量输入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
喷泉控制系统停止
2、估算系统模拟量输入点数
将音频信号转化成PLC能识别数字量信号的过程中需采用一个A/D转换模块，因此模拟量输入点为1个。
如表2所示
表2系统模拟量输入各元器件功能及所占PLC点数
模拟量输入点数
音频信号转换模块
音频信号大小
3、估算系统数字量输出点数
系统数字量输出由变频器开关量控制和灯光开关量控制两个部分，变频器包括启动和调速两种控制量。
如表3所示
表3系统数字量输出各元器件功能及所占PLC点数
输出点数
启动变频器开关量
8
控制变频器运行
输出总点数：
16
变频器速度开关量
4
选择变频器频率
水泵控制输出
水泵的控制
水下灯光控制输出
水下灯光的控制
4.2PLC的选型
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2点,模拟量输入模块1个，数字量输出点16点，输出扩展模块1个。
同时，该控制系统是单机系统，故可选择整体式结构的PLC。
1、SIMATICS7-200系列PLC主要特点：
丰富的指令、内置集成功能、扩展模块；
实时特性强；
通讯功能良好；
可靠性好，适应性强，性价比高。
2、S7-200PLC的硬件系统
S7-200主要由CPU模块、扩展模块和总线连接电缆集成的模块化的PLC。
（1）CPU模块
该模块主要包括CPU、电源和I/O点三部分。
CPU主要负责程序的运行工作；
CPU供电以及与CPU模块相连的其他模块的用电需求都由此电源模块部分提供；
该模块自身带的一定数量的开关量I/O点，若足以达到控制系统的要求，则可以不需要扩展开关量I/O模块。
（2）扩展模块
因为通常CPU模块本身的I/O点有限、且无模拟量I/O点，所以需要一些特殊功能扩展模块：
数字量I/O模块、模拟量I/O模块等。
（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设有两种系统配置方式：
一是在面板上进行配置；
另一是在DIN导轨进行配置
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