基于PLC的小型音乐喷泉设计最终版Word格式文档下载.docx
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学位论文作者签名：
指导教师签名：
华南理工大学广州学院
毕业设计（论文）任务书
兹发给机械工程及自动化专业2班学生毕业设计（论文）任务书，内容如下：
1.毕业设计（论文）题目：
小型音乐喷泉
2.应完成的项目（论文提纲）：
（1）调研、搜集整理课题相关资料，完成外文资料的翻译，明确系统要完成的控制任务
（2）建立确定喷泉的整体设计方案
（3）硬件设计，包括具体器件选择
（4）软件设计，完成系统主程序和重要子程序，并对相关主要功能编程
（5）编写毕业设计说明书，要求书写规范
3.参考资料以及说明：
（1）钟肇新范建东冯太合，《可编程序控制器原理及应用》华南理工大学出版
（2）袁任光，《可编程序控制器应用技术与实例》，华南理工大学出版社
（3）廖常初，《FX系列PLC编程及应用》，机械工业出版社
4.本毕业设计（论文）任务书于年月日发出，应于年月日前完成，然后提交毕业设计（论文）答辩委员会进行答辩。
专业教研组（系）负责人审核年月日
指导教师（导师组负责人）签发年月日
毕业设计（论文）评语：
毕业设计（论文）总评成绩：
毕业设计（论文）答辩小组负责人签字：
摘要
本次设计的目的是制作一个以小型PLC为控制核心，变频器控制水柱高度，以音频采集为基础的小型音乐喷泉控制系统。
系统控制核心选用SIEMENS公司的S7-200MicroPLC，水泵的控制选用MICROMASTER420变频器。
PLC具有很强的自诊断功能，迅速方便的检查出故障，缩短检修时间，因而，确保控制系统的可靠性、稳定性。
但成本较高。
本文主要介绍音乐喷泉控制系统的软件设计，着重介绍可编程控制器的程序设计和变频器的参数设置。
本文主要分为五个部分，第一部分对PLC的原理进行了简单介绍；
第二部分主要介绍变频器原理和对控制系统进行了总体介绍；
第三部分主要介绍了系统硬件设计，变频器的参数设计，包括系统参数设置方法、参数设置以及参数设计说明；
第四部分主要介绍了系统软件设计包括控制系统控制流程以及控制核心PLC的编程；
第五部分介绍了系统调试的相关情况的内容。
关键词：
音乐喷泉，软件设计,控制系统，可编程控制器，变频器
Abstract
ThepurposeofthisdesignistoproduceasmallPLCascontrolcore,invertertocontroltheheightofwatercolumn,basedontheaudioacquisitionofsmallmusicfountaincontrolsystem.SystemcontrolcorechooseMicroSIEMENScompany'
sS7-200PLC,pumpcontrolMICROMASTER420frequencyconverterselection.
Self-diagnosisofPLChasstrongfunction,rapidconvenientcheckfails,shortenmaintenancetime,therefore,toensurethereliabilityandstabilityofthecontrolsystem.Butthecostishigher.
Musicfountaincontrolsystemsoftwaredesignwereintroducedinthispaper,introducestheprogramdesignofprogrammablecontrollerandfrequencyinverterparameterSettings.Thispapermainlydividedintofiveparts,thefirstpartbrieflyintroducestheprincipleofPLC;
Thesecondpartmainlyintroducestheprincipleoffrequencyconverterandcontrolsystemforthegeneralintroduction;
Thethirdpartmainlyintroducesthesystemhardwaredesign,theparametersofthefrequencyconverterisdesigned,includingsystemparameterssettingmethod,parameterSettingsanddesignspecification;
ThefourthpartmainlyintroducedthesystemsoftwaredesignincludingcontrolsystemcontrolprocessaswellasthecontrolcorePLCprogramming;
Thefifthpartintroducedthesystemdebuggingofthecontentsoftherelevantinformation.
Keywords:
musicalfountain,softwaredesign,controlsystem,PLC,Transducer
前言
所谓音乐喷泉，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、明暗变化的喷泉。
音乐喷泉是把现代控制技术应用于人工喷泉，是在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，通过音乐控制喷泉的水形及灯光的变化，从而达到喷泉水型、灯光及色彩的变化与音乐情绪的完美结合，使喷泉表演生动且富有内涵。
目前音乐喷泉最常采用的控制方式为实时控制，即对音乐的主要音素进行全员实时跟踪采集、分解处理并转换成模拟量或数字量讯号，用以控制水泵的运行组合和转速变化，或用以控制液压伺服阀或电动调节阀的运行组合和开启度，同时相应控制灯光的组合变化。
这种控制方式不必对音乐预先进行编辑处理，所以对任何新版音乐文件甚至现场即兴演奏都可响应。
随着科学技术突飞猛进的发展，可编程控制器和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。
利用小型PLC结合变频器的音乐喷泉控制系统，可以实现喷泉彩灯、水泵的多点控制，简单的接线和编程即可完成水形灯光完美的伴随音乐节奏和情感，适合追求时尚的家居生活和娱乐场所等场合。
以PLC与变频器为控制核心的音乐喷泉控制系统，将来自媒体设备的音频信号通过音频采集系统的识别，进行译码和编码后转换成控制信号，最终将信号输出到控制系统，使得所设计的音乐喷泉水形的变化能够伴随音乐，灯光的闪烁跟随音乐的节奏，实现了水形跟随音乐的旋律变化，灯光跟随预定程序变化，形成了声、光、水、色交融的美景，灯光、音响、水景统一的立体效果。
基于小型PLC的音乐喷泉控制系统在实际生活中应用前景广阔，值得推广使用。
在设计过程中我们选用可编程控制器来实现对音喷泉的控制。
作为工业自动化的重要支柱之一的可编程控制器（PLC）以其高可靠性和操作简便等特点引到了当今工业控制的潮流。
PLC是一种新型的通用自动控制装置，它将传统的继电器——接触器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为工业控制而设计，特别是目前在现场总线和工业控制网络方面的发展为自动化领域开辟了崭新的空间。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用
可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
可编程控制器之所以越来越受到控制界人士的重视，是由于它具有以下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。
（5）体积小，重量轻，能耗低。
由于音乐喷泉系统控制的复杂性，如果采用常规继电器控制，音乐喷泉控制的可靠性较差，并且接线复杂。
采用PLC控制后，由于PLC是采用程序控制，是软接线，因此可靠性大大提高了。
音乐喷泉的核心控制是由可编程控制器实现的，可编程控制器是整个系统的“大脑”，由程序实现用音乐频率转换的开关量去控制喷泉水柱和彩灯闪烁的变化。
可编程控制器简化了控制线路，提高了工作的速度和可靠性以及系统操作的灵活性，也提升了喷泉工程的智能化性能。
第一章绪论
PLC是在继电器控制技术、计算机技术和现代通信技术的基础上逐步发展起来的一项先进的技术。
PLC从诞生至今虽然只有短短的30多年的历史,但是得到了异常迅猛的发展，在现代工业发展中PLC技术、CAD/CAM技术和机器人技术并称为当代工业自动化的三大支柱。
PLC主要以微处理器为核心，使用编写的程序进行逻辑控制、定时、算术和计算运算等，而且通过数字量和模拟量的输入/输出（I/O）来控制各种生产过程。
现在应用最广泛在机电控制、电气控制、网络通信、数据采集、运输等多个领域。
1.1PLC的概述
1987年国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对PLC作了如下的定义：
“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”。
随着PLC迅速发展，功能越来越强大，应用范围也越来越广泛，形成了能够满足各种需要的PLC应用系统，PLC的发展逐渐体现出来以下趋势：
1.向小型化、微型化和、多功能化两个方向发展；
2.过程控制功能不断增强；
3.大力开发智能I/O模块；
4.与个人计算机日益紧密结合；
5.编程语言趋向标准化；
6.通讯与联网能力不断增强[1]。
PLC技术的高速发展，除了得益于工业自动化的客观需求外，主要还是它具有许多自身的优点。
可编程控制器本质上是具有比较特殊体系结构的工业控制计算机，与一般的计算机相比具有更强的与工业过程相连的接口，同时具有更适用于控制要求的程序设计语言。
因此可以说，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。
其特点主要表现有以下几个方面。
1.可靠性高，抗干扰性强
2.编程简单、使用方便
3.易于安装、调试、维修
4.功能完善，通用性强
5.体积小，能耗低[2]
目前，PLC的种类很多，规格性能不一，通常可根据它的结构形式、容量或功能进行分类。
按照结构形式分类，PLC可分为整体式PLC、模块式PLC、叠装式PLC；
按照容量分类，PLC可分为小型PLC（I/O点数一般在256以下）、中型PLC（I/O点数一般在256~1024点之间）、大型PLC（I/O点数在1024以上）；
按功能分类，PLC可分为低档机、中档机、高档机。
由于PLC自身的特点和优势，在工业控制中得到了广泛应用。
PLC的主要应用领域包括以下几个方面，开关逻辑和顺序控制；
模拟控制；
定时控制；
数据处理；
信号连锁系统；
通信[3]。
1.2PLC的基本结构
PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，其硬件组成与微型计算机相似。
一般的，PLC主要由CPU、存储器、输入模块、输出模块和通信接口等部分组成。
1.3本章小结
通过查找PLC相关资料，整理PLC的基本概述和结构，大致了解音乐喷泉的整体规划中需要用到的PLC知识，并根据实际确定所使用的PLC系统和相关软件，根据其功能搜集相关模块的资料。
第二章系统总体介绍
音乐喷泉的控制主要由PLC和变频器完成，通过音乐的频率信号控制PLC。
通过改变水泵电机的控制频率可以实现水泵转速变化，进而通过水泵的转速变化来控制音乐喷泉的水柱高度变化，实现音乐变化对喷泉的控制。
变频器接受来自经PLC处理的音乐控制信号，输出频率不同的交流电，从而水泵的喷水状态不断变化，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。
2.1音乐喷泉组成
此小型音乐喷泉喷头分三组。
外圈九个喷头，中圈六个喷头，喷水口直径0.5mm，中心主喷头用集流直上喷头，它比一般直流喷头喷水流量大，当水泵大功率运行时，有壮观的喷水直径和高度。
本设计采用两组单相潜水泵，外两圈喷头由一个12W的潜水泵提供压力，主喷头由一个55W的潜水泵提供水压。
两组彩灯分两圈，分别安装在外圈和中圈喷头下，工作是成交替闪烁。
这样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。
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，潜水泵控制电路，稳压电源电路和音响设备组成。
其中PLC及变频控制电路为设计重点。
2.2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。
控制系统主要由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3.1所示。
图2-1音乐喷泉控制系统结果图
（1）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测到的信号以电平、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
2.3本章小结
通过相关资料，确定方案：
设计采用S7-200PLC和MICROMASTER420变频器作为主控制硬件，由于控制系统较简单，本次设计选择MM420变频器来控制水泵转速。
MM420是通用变频器，是用于控制三相交流电动机速度的变频器。
设计了以S7-200PLC基本系统为核心的一台音乐喷泉，其中包PLC、变频器、水泵、电机驱动、系统软件等部分的设计。
第三章系统硬件设计
3.1变频器的工作原理以及控制方式
3.1.1变频器的工作原理
变频器的主要任务是把工频电源变换为另一频率的交流电，以满足交流电动机的变频调速的需要。
现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF，变频或矢量控制变频），先把工频交流电通过整流器转换成直流电，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电，以供给电动机。
变频器的电路一般由整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成。
[8]
交流电动机的同步转速表达式为n=60f（1−s）/p
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—电动机极对数。
由上式可知，异步电动机的转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
变频器首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行控制变为交流电。
一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数。
使转数在一定的范围内可调，一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。
变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图3-1所示的基本结构。
图3-1变频器的基本构成
3.1.2变频器的控制方式与性能
异步电动机调速转动时,变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制,不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途也不同。
变频器控制方式大致大体可分为开环控制盒闭环控制两种，后者进行电动机速度反馈。
开环控制有
控制方式，闭环控制有转差频率控制和矢量控制等方式。
（1）
控制
对于异步电动机，只要改变其供电电源的频率，即可以改变电动机的转速，达到进行调速运转的目的。
但是，对于一个实际的交流调速控制系统来说，事情远远不是那么简单。
这是因为当电动机电源的频率被改变时，电动机的内部阻抗也将随之改变，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强的情况。
在励磁不足的情况下电动机将难以给出足够的转矩，而在励磁过强时电动机又将出现磁饱和，造成电动机功率因数和效率的下降。
因此，为了得到理想的转矩速度特性，在改变电源频率进行调速的同时，必须采取必要的措施来保证电动机的气隙磁通处于高效状态（即保持磁通不变）。
这就是
控制的出发点。
这种变频器虽然结构比较简单，但是，由于这种变频器采用的是开环控制方式，其精度和动态特性并不是十分理想，尤其是在低速区电压调整比较困难，难以得到较大的调速范围。
所以采用这种控制方式的变频器一般是对控制性能要求不太高的通用变频器。
转差频率控制：
转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机转速与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。
由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与
控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。
另外它有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的静差小，适用于自动控制系统。
转差频率控制方式通常用于单机运转。
因为在采用转差频率控制方式时需要检测电动机的实际转速，所以需要在异步电动机轴上安装速度传感器。
而电动机的转速检测则由速度传感器和变频器控制电路中的运算电路完成。
控制电路还将通过适当的算法根据检测到的电动机速度产生转差频率和其他的控制信号。
此外，在采用了转差频率控制方式的变频器中往往还加有电流负反馈，对频率和电流进行控制，所以这种变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。
矢量控制：
矢量控制的基本思想是认为异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理，
即电动机的转矩为磁场和与其相垂直的电流的积，而异步电动机的定子电流则可以分为产生磁场的电流分量（磁场电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）。
因此，通过控制电动机定子电流的大小和相位（即定子电流矢量），即可以分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的。
3.2变频器控制参数设计
根据播放的音乐来控制水柱，达到水柱与音乐同步的效果，而水柱是由水泵来控制的，水泵是由异步电动机组成的，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。
变频器的主要任务是把工频电源变换为另一频率的交流电，以满足交流电动机的变频调速的需要，本系统中变频器主要用来接受来自经PLC处理的音乐控制信号，输出频率不同的交流电，从而使水泵的喷水状态不断变化，实现了喷泉喷水随音乐高低呈现不同的形态[7]。
3.2.1MM420变频器的电路结构
MM420变频器电路图如图2-2所示，包括主电路和控制电路两部分，主电路完成电能转换（整流和逆变），控制电路处理信息的收集、变换和传输。
在主电路中，由电源输入单相或三相恒压恒频的交流电，经整流电路转换成恒定的直流电，供给逆变电路。
逆变电路在CPU控制下，将恒定的直流电你变成电压和频率均可调的三相交流电供给电动机负载。
由图3-1可知，MM420变频器直流换届是通过电容进行滤波的，因此属于电压型交-直-交变频器。
MM420变频器的控制电路由CPU、模拟输入（AIN+、AIN—）、模拟输出（AOUT+、AOUT—）、数字输出（DIN1~DIN3）、输出继电器触头（RL1B、RL1C）、操作板（BOP）等组成。
端子1、2是为用户提供的10V直流电源。
当采取模拟电压信号输入方式输入给定频率时，为了提高交流变频调速系统的控制精度，必须配备一个高精度的直流电源。
模拟输入3、4端，为用户提供了两对模拟电压给定输入端，作为频率给定信号，经变频器内的模/数转换器，将模拟量转换为数字量，提供给CPU来控制系统。
数字输入端5、6、7为用户提供了3个完全可编程的数字输入端，数字信号经光电隔离输入CPU，对电动机进行控制[8]。
端子8和9是24V直流电源端，为变频器的控制电路提供24V直流电源。
图3-2变频器电路图[11]
3.2.2MM420变频器操作面板
利用BOP可以更改MM420变频器的各个设置参数。
BOP具有5位数字的7段现实，用于显示参数的序号和数值、报警和故障信息以及该参数的设定值和实际值，BOP不能存储参数的信息。
BOP上的按钮以及功能说明见表4-1
表3-1基本操作面板（BOP）上的按钮及其功能
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