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1、青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要 一些園林建筑、大型公共建筑以及旅游建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者經(jīng)常將噴泉以一種藝術(shù)形式融合在建筑物中，給人以自然之美與藝術(shù)感。當(dāng)音樂播放時(shí)（包括音樂的曲調(diào)和音樂的聲音大小），噴頭有規(guī)律的噴水，彩燈有規(guī)律的亮滅（達(dá)到白天時(shí)燈不亮，夜晚時(shí)燈有規(guī)律的亮與滅）。 本系統(tǒng)是一個(gè)小型音樂噴泉控制系統(tǒng),它以PLC為控制核心，變頻器控制水柱高度，以音頻采集為基礎(chǔ)，同時(shí)PLC程序控制燈光的亮滅和顏色的變化。本系統(tǒng)選用SIEMENS公司的S7-200 PLC為控制核心，選用MicroMaster 440（簡(jiǎn)稱MM440）變頻器控制水泵高度，達(dá)到噴泉的立體效果隨音樂變換而變化。 本系統(tǒng)主要
2、包括PLC的選型（CPU226）、PLC的擴(kuò)展模塊（EM222）、I/O地址的分配、輸入輸出接口的連接和梯形圖的繪制，梯形圖繪制是重點(diǎn)，同時(shí)著重介紹了MM440變頻器的變頻原理、參數(shù)設(shè)置和變頻器與PLC和電動(dòng)機(jī)的接口連接。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，能夠達(dá)到中心、內(nèi)圈、外圈共三圈噴頭噴水，變頻器控制內(nèi)圈噴頭改變水柱高度，PLC控制余下噴頭有序啟動(dòng)停止，同時(shí)夜晚有三層燈光變幻，能夠?qū)崟r(shí)展現(xiàn)音樂的動(dòng)態(tài)美。關(guān)鍵詞：音樂噴泉,控制系統(tǒng)，可編程控制器，梯形圖，變頻器ABSTRACTIn a number of landscape architecture, the design of large public b
3、uildings and tourist buildings, designers often fountain in the form of an art integration in the building, giving to the beauty of nature. Along with regular music player nozzle spray and lights a regular light off (the law, including the size of the music tunes and music sound), to achieve the con
4、trol effect of light (day light does not shine, night light a regular light off) . This system is a small musical fountain control system, which PLC as the control core, inverter control column height to audio capture-based PLC program control while the bright lights off and color changes. The syste
5、m selected company SIEMENS S7-200 PLC as the control core, the choice MicroMaster 440 (referred MM440) inverter control pump height and reach fountains transform three-dimensional effect varies with the music.The system includes PLC Selection (CPU226), PLC expansion module (EM222), I / O address all
6、ocation, input-output interface connections and draw ladder, ladder drawing is the key, while highlighting MM440 inverter the inverter principle, parameter settings and the motor and inverter and PLC interface connection. System design is complete, it can reach the center, the inner and outer rings
7、of nozzles spray three times, the inverter control inner nozzle change column height, PLC control start and stop the remaining nozzles, while at night there are three light changes, real-time display of music dynamic beauty.KEY WORDS: musical fountain,control system, PLC, LAD，TransducerII 目 錄摘 要IABS
8、TRACTII第1章 緒 論11.1 課題背景11.1.1 音樂噴泉的發(fā)展歷程11.1.2 音樂噴泉的現(xiàn)狀21.2 課題研究?jī)?nèi)容2第2章 PLC基礎(chǔ)知識(shí)42.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展42.2 PLC的特點(diǎn)和功能42.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理5第3章 變頻器基礎(chǔ)知識(shí)73.1 變頻器概述73.2 變頻器的分類73.3 變頻器的工作原理及控制方式73.3.1 變頻器的工作原理73.3.2 變頻器的控制方式83.4 MM440變頻器9第4章 系統(tǒng)方案分析及可行性分析114.2 方案論證124.3 對(duì)選定方案的分析13第5章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)145.1 音樂噴泉組成145.1.1 音樂噴泉水池設(shè)計(jì)145
9、.2 控制系統(tǒng)組成175.3 變頻器設(shè)計(jì)185.3.1 變頻器選型185.3.2 變頻器控制接線圖185.3.3 變頻器參數(shù)設(shè)置195.4 PLC設(shè)計(jì)195.4.1 PLC選型195.4.2 控制系統(tǒng)的I/O地址分配205.4.3 PLC控制接線圖22第6章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)246.1 PLC控制流程246.2 變頻器選擇流程24第7章 結(jié) 論26致 謝27參考文獻(xiàn)28附 錄29III 第1章 緒 論 現(xiàn)今噴泉工程和高新技術(shù)的相結(jié)合使的噴泉效果更加豐富多彩，優(yōu)美，令人賞心悅目，流連忘返。當(dāng)音樂噴泉控制系統(tǒng)引入變頻技術(shù)，可以使水柱的變化與音樂變化相一致，仿佛跳舞的音樂，引人入勝。 可編程邏輯控
10、制器（PLC）是一種新型、通用自動(dòng)控制裝置，以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，具有編程簡(jiǎn)單，功能加強(qiáng)，體積小，使用方便，低功耗等一系列的優(yōu)點(diǎn)。PLC控制技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平，PLC裝置已成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本裝置。 本文通過一個(gè)實(shí)用的廣場(chǎng)音樂噴泉PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過本次設(shè)計(jì)過程，進(jìn)一步熟悉設(shè)計(jì)的步驟和方法，加強(qiáng)理論與實(shí)際相結(jié)合的能力。本章對(duì)課題的設(shè)計(jì)背景及主要內(nèi)容做簡(jiǎn)單介紹。1.1 課題背景1.1.1 音樂噴泉的發(fā)展歷程 所謂音樂噴泉，就是利用音樂的主要音素(振幅、頻率、音色等)控制噴頭水柱的組合變化、
11、高低變化、水流遠(yuǎn)近變化和燈光組合、顏色及明暗變化的噴泉。音樂噴泉是把現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于人工噴泉，是在程序控制噴泉的基礎(chǔ)上加入了音樂控制系統(tǒng)，通過控制噴泉的水形及燈光變化，從而達(dá)到噴泉水型、燈光及色彩的變化與音樂節(jié)奏完美結(jié)合，使噴泉表演生動(dòng)且富有內(nèi)涵。最初設(shè)計(jì)的音樂噴泉控制系統(tǒng)是利用音樂的基本要素(頻率、振幅、音色和節(jié)拍)來控制噴泉的各種變化，它的原理是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，把電信號(hào)放大和經(jīng)過其他一些處理后，用來推動(dòng)繼電器或電子的開與關(guān)，繼而控制設(shè)在管道上的電磁閥的開閉，從而控制噴頭水流的通斷。 音樂噴泉是現(xiàn)代科技與當(dāng)代藝術(shù)的結(jié)合，利用噴泉的視覺效果來表現(xiàn)音樂的美感，令人賞心悅目。目前，有許多
12、音樂噴泉利用各式各樣的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)， 產(chǎn)生了良好的藝術(shù)效果。但縱觀這些音控產(chǎn)品，有的是采用音樂的時(shí)域變化來控制噴泉，有的將音樂分成幾個(gè)頻段來控制噴泉的組合， 但大多都采用低頻、中頻和高頻三個(gè)頻段來控制噴水。它們的缺點(diǎn)是都沒有在頻域上完美展現(xiàn)音樂節(jié)奏，所以不能很好地體現(xiàn)音樂的內(nèi)涵。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，可編程控制器技術(shù)和變頻控制器技術(shù)正大步走進(jìn)噴泉控制領(lǐng)域的設(shè)計(jì)當(dāng)中，在控制系統(tǒng)中發(fā)揮著無(wú)與倫比的作用，以PLC與變頻器為控制核心的音樂噴泉控制系統(tǒng)，通過音頻采集系統(tǒng)識(shí)別來自媒體設(shè)備的音頻信號(hào)，通過譯碼和編碼轉(zhuǎn)換成能被識(shí)別的控制信號(hào)，信號(hào)最終輸出到控制系統(tǒng)，控制噴泉變化，達(dá)到音樂噴泉水型、燈光跟
13、隨音樂的節(jié)奏同步變化，使得聲、光、水、色融為一體，達(dá)到燈光，顏色，水型的立體展示效果。1.1.2 音樂噴泉的現(xiàn)狀 目前音樂噴泉最常用的控制方式為實(shí)時(shí)控制，即對(duì)音樂的主要音素（頻率、振幅等）進(jìn)行全員實(shí)時(shí)跟蹤采集、分解處理并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成模擬量或數(shù)字量訊號(hào)，通過變頻器控制水泵的運(yùn)行關(guān)閉和轉(zhuǎn)速變化，或者用來控制液壓伺服閥或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行關(guān)閉和開啟大小，同時(shí)控制相應(yīng)燈光的亮滅和顏色變化。這種控制方式無(wú)需對(duì)音樂進(jìn)行預(yù)先編輯與處理，因此對(duì)任何最新發(fā)行的音樂甚至現(xiàn)場(chǎng)的即興演奏都可予以響應(yīng)。 一個(gè)完整的程序控制和音樂控制系統(tǒng)，能夠?qū)σ魳愤M(jìn)行編程，達(dá)到噴泉造型與音樂旋律、燈光的同步結(jié)合從而產(chǎn)生美輪美奐的水景，實(shí)時(shí)
14、在現(xiàn)音樂的內(nèi)涵與主題。音樂噴泉聲、形、色、光俱美，仿若舞臺(tái)上的表演引起人們不同的情緒而感到美的藝術(shù)享受。音樂噴泉目前主要應(yīng)用于大型廣場(chǎng)、游樂場(chǎng)、人工湖泊、主題公園等休閑場(chǎng)所。 1.2 課題研究?jī)?nèi)容 本次設(shè)計(jì)的音樂噴泉系統(tǒng)以PLC系統(tǒng)為控制核心，變頻器控制噴頭噴水的關(guān)閉與水柱的高度，同時(shí)控制噴泉四周燈光的亮滅與顏色變化。各章主要內(nèi)容如下： 第1章為緒論，介紹音樂噴泉系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并介紹音樂噴泉的現(xiàn)狀，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了論文各章的主要內(nèi)容。 第2章為PLC基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介，介紹了PLC的產(chǎn)生和定義，PLC的發(fā)展歷程，PLC的發(fā)展趨勢(shì)，PLC的基本結(jié)構(gòu)及PLC的工作原理。 第3章為變頻器基礎(chǔ)，概述變頻器，
15、介紹變頻器的結(jié)構(gòu)、分類、工作原理和變頻器的控制方式與性能。 第4章為音樂噴泉方案論證，分析了三種控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，最后選定PLC控制系統(tǒng)及可行性分析。 第5章為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，第一部分為音樂噴泉的工藝控制圖及完成效果介紹；第二部分為系統(tǒng)控制系統(tǒng)組成框圖；第三部分為變頻器的設(shè)計(jì)，選型、變頻器與水泵連接及變頻器參數(shù)設(shè)置，第四部分為PLC設(shè)計(jì)，主要介紹PLC選型、I/O地址分配及PLC與外部硬件連接圖。 第6章為PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，PLC控制流程圖及主要控制程序。第2章 PLC基礎(chǔ)知識(shí)PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、自動(dòng)控技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制
16、裝置。以其可靠性高、靈活性強(qiáng)、使用方便的優(yōu)越性，迅速占領(lǐng)了工業(yè)控制領(lǐng)域。2.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）于1987年2月頒布可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第三稿，草案中對(duì)可編程控制器定義如下：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用一類可編程序的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)”。 PLC的的發(fā)展速度十分驚人，目前用可編程控制器設(shè)計(jì)自
17、動(dòng)控制系統(tǒng)已成為世界潮流。PLC的發(fā)展大致可分為四個(gè)階段：（一） 第一臺(tái)PLC在1969年問世，一直到1972年，是PLC的初創(chuàng)階段。（2） 從1973年到1978年，PLC進(jìn)入實(shí)用化階段，PLC逐漸成熟。（3） 1978到1984年，PLC進(jìn)入持續(xù)高速發(fā)展的階段。（四） 從1984年至今，PLC繼續(xù)向前發(fā)展。 可編程控制器的發(fā)展與其他高新技術(shù)的發(fā)展是分不開的，目前可編程控制器正向著兩個(gè)方向發(fā)展：一是向著小型化、簡(jiǎn)易、價(jià)格低廉的方向的發(fā)展。二是向著大型、高速、多功能和多層分布式全自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。2.2 PLC的特點(diǎn)和功能 短短20年中PLC得到了飛速發(fā)展，并在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，已成
18、為工業(yè)控制領(lǐng)域的主導(dǎo)通用控制器。PLC能如此迅速發(fā)展，除工業(yè)自動(dòng)化的客觀需要外。其還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。其主要特點(diǎn)如下： 1. 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué) 2. 功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高 3. 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) 4. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)5. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少6. 維修工作量小，維修方便7. 體積小、能耗低 隨著技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器的功能越來越豐富，現(xiàn)在的可編程控制器主要具有如下功能： 1. 控制功能 2. 定時(shí)和計(jì)數(shù)功能 3. 數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理功能 4. 通信連網(wǎng)功能 5. 編程、調(diào)試功能2.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理從廣義說，PLC也是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，只不
19、過比一般的計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)控制過程相連的接口和更直接的適用于控制要求的編程語(yǔ)言。PLC具有中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、電源等。 不論是整體式的可編程控制器還是模塊式可編程控制器，都可以等效成三部分，即輸入部分、中間部分和輸出部分。如圖2.1所示。 輸入部分是輸入單元模塊，用于連接外部輸入設(shè)備開關(guān)、按鈕或傳感器等。輸出部分是輸出單元模塊，用于連接外部設(shè)備，它是系統(tǒng)的執(zhí)行部分，用執(zhí)行用戶程序得到的結(jié)果去控制輸出負(fù)載回路。中間部分用于存儲(chǔ)用戶程序、執(zhí)行用戶程序，對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)、判斷、運(yùn)算和處理，然后得到相應(yīng)的輸出信號(hào)。PLC控制系統(tǒng)的工作過程如下：PLC工作時(shí)，在系
20、統(tǒng)程序的監(jiān)控下，CPU對(duì)用戶程序不斷循環(huán)掃描，按固定順序周而復(fù)始地對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進(jìn)行查詢、判斷和執(zhí)行，這個(gè)過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描過程。執(zhí)行過程的順序是：從左到右，從上而下周而復(fù)始的循環(huán)掃描，并用周期性的集中采樣、集中輸出的方式來完成。一個(gè)掃描周期可分為四個(gè)階段，如圖2.2所示。 圖2.1 可編程控制器的等效圖 圖2.2 一個(gè)掃描周期分為四個(gè)階段 第3章 變頻器基礎(chǔ)知識(shí)3.1 變頻器概述 變頻器是把固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的變換器，是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制裝置。變頻技術(shù)是集自動(dòng)控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。變頻器以其具有調(diào)速、節(jié)電、節(jié)能
21、、可靠、高效的特性廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。3.2 變頻器的分類 1. 按變頻器主電路結(jié)構(gòu)形式分類：交直交變頻器和交交變頻器。 2. 按變頻電源性質(zhì)分類：電壓型變頻器和電流型變頻器 3. 按VVVVF調(diào)制技術(shù)分類：PAM和PWM兩種3.3 變頻器的工作原理及控制方式3.3.1 變頻器的工作原理 變頻調(diào)速是以變頻器向交流電機(jī)供電，并構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速：n = 60f(1-s)/p （3.1） 式（3.1）中：f為輸入電流的頻率；p為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率由此可見，轉(zhuǎn)速n與輸入電流頻率f成正比。設(shè)計(jì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的磁通通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電動(dòng)機(jī)鐵芯出
22、現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)中流過很大的勵(lì)磁電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。因此，在改變電動(dòng)機(jī)的頻率時(shí)，應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電動(dòng)機(jī)磁通的恒定。為此，用于交流電氣傳動(dòng)中的變頻器實(shí)際上是變壓變頻器，即VVVVF。 變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但是目前成為市場(chǎng)主流的變頻器基本上有著如圖3.1所示的基本結(jié)構(gòu)。 圖3.1 變頻器的基本構(gòu)成3.3.2 變頻器的控制方式進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，為保持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓與頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。1. 基頻以下
23、調(diào)速 （1）恒定氣隙磁通M控制（恒定控制）。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)定子的感應(yīng)電勢(shì) （3.2) 式（3.2）中， Eg為氣隙磁通在每相定子感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)；f1為電源頻率；N1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；K、N1為與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；M為每極氣隙磁通。要保持M不變，當(dāng)頻率f1變化時(shí)，必須同時(shí)改變電動(dòng)勢(shì)Eg的大小，使即采用恒定電動(dòng)勢(shì)與頻率比的控制方式 。（恒定控制） （2）恒定壓頻比控制（恒定控制）。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)定子電阻r1和漏磁電抗的壓降較小，可以忽略，則電動(dòng)機(jī)定子電壓U1與定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eg近似相等，即 （3.3）則得 =常值這就是恒壓頻比的控制方式。恒定控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基
24、本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的開環(huán)速度控制。恒定 控制存在的主要問題是低速性能較差?！?】2. 基頻以上調(diào)速當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電壓隨著頻率的增加而升高時(shí)，若電動(dòng)機(jī)的電壓已達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定電壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電動(dòng)機(jī)的絕緣，為此，在電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定電壓后，即使頻率增加仍維持電動(dòng)機(jī)電壓不變。這樣，電動(dòng)機(jī)所能輸出的功率由電動(dòng)機(jī)的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化，具有恒功率特性。在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從基頻往上增加，但電壓不能超過額定電壓，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)屬于恒功率調(diào)速。3.4 MM440變頻器 MicroMaster 440 變頻器簡(jiǎn)稱
25、MM440變頻器，是西門子公司一種適合于三相電動(dòng)機(jī)速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的變頻器系列，其應(yīng)用較廣。MM440變頻器由微處理器控制，采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管IGBT作為功率輸出器件。因此，它具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。MM 440變頻器的電路如圖3.2所示。包括主電路和控制電路兩部分。主電路完成電能的轉(zhuǎn)換（整流、逆變），控制電路處理信息的收集、變換和傳輸。 在主電路中，由電源輸入單相或三相恒壓恒頻的交流電，經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換成恒定的直流電，供給逆變電路。逆變電路在CPU控制下，將恒定的直流電壓逆變成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電壓供給電動(dòng)機(jī)負(fù)載。由圖3.2中可以看出，MM44
26、0變頻器直流環(huán)節(jié)是通過電容進(jìn)行濾波的，因此屬于電壓型交-直-交變頻器。MM440變頻器的控制電路由CPU、模擬輸入（AIN1、AIN2）、模擬輸出（AOUT1、AOUT2）、數(shù)字輸入（DIN1DIN6）、繼電器輸出（RL1、RL2、RL3）、操作板等組成。端子1、2是變頻器為用戶提供的10V直流穩(wěn)壓電源。模擬輸入3、4和10、11端為用戶提供兩對(duì)模擬電壓給定輸入端，作為頻率給定信號(hào)，經(jīng)變頻器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，變傳輸給CPU來控制系統(tǒng)。數(shù)字輸入5、6、7、8和16、17端為用戶提供了6個(gè)完全可編程的數(shù)字輸入端，數(shù)字信號(hào)經(jīng)光電隔離輸入CPU，對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、正反向點(diǎn)動(dòng)、固定
27、頻率設(shè)定值控制等。端子9和28是24V直流電源端。輸出端子12、13和26、27端為兩對(duì)模擬輸出端；輸出1825端為輸出繼電器的觸頭；輸入14、15端為電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)端；輸入29、30端為串行接口RS-485端?！?】圖3.2 MM440變頻器電路圖第4章 系統(tǒng)方案分析及可行性分析4.1 方案分析 廣場(chǎng)的音樂噴泉控制系統(tǒng)需要具備以下功能： 1. 廣場(chǎng)樂曲播放; 2. 噴水與音樂同步; 3. 水型的組合; 4. 燈光控制; 5. 強(qiáng)行停止。 可以采用以下三種方案實(shí)現(xiàn)上述功能，現(xiàn)就優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下。 方案一：繼電器-接觸器控制系統(tǒng) 繼電器-接觸器控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易理解、掌握，
28、設(shè)計(jì)成本比較低。但是，從應(yīng)用于大型廣場(chǎng)的角度來看，該系統(tǒng)具有以下缺點(diǎn)： 1. 接點(diǎn)容易磨損、電接觸不是很好; 一個(gè)噴泉系統(tǒng)中，需要使用大量繼電器、接觸器，所以在這個(gè)控制系統(tǒng)，如果有一個(gè)壞的接觸點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)都將癱瘓，而且找到故障相當(dāng)困難，維護(hù)也很繁瑣。 2. 觸點(diǎn)閉合緩慢; 接觸器緩慢和過度延遲是系統(tǒng)很大的缺點(diǎn)，由于控制系統(tǒng)需要噴泉和音樂同步，并具有體現(xiàn)音樂信號(hào)變化的實(shí)時(shí)性能。此外，控制系統(tǒng)還有能源消耗和維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，也降低了其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。系統(tǒng)維護(hù)困難是致命的弱點(diǎn)，采用繼電器控制，繼電器的壽命不長(zhǎng)，需要經(jīng)常更換，而且故障繼電器是很難找到。綜上所述，由于該系統(tǒng)具有許多缺點(diǎn)，只適用于反應(yīng)速度、
29、精度和實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，隨著科技的進(jìn)步，這種類型的控制系統(tǒng)已逐步被淘汰。 方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng) 單片機(jī)控制系統(tǒng)相比繼電器- 接觸器系統(tǒng)大大降低了成本。其優(yōu)點(diǎn)是：可以做成一個(gè)專用的控制系統(tǒng)，程序固化，保密性、可靠性高，操作簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。在許多小規(guī)模的音樂噴泉控制系統(tǒng)中，最合適做為控制核心。適用于城市的小廣場(chǎng)和普通住宅的小型音樂噴泉控制要求，由于控制簡(jiǎn)單，單片機(jī)完全符合要求，其低成本更受歡迎，是音樂噴泉的未來發(fā)展趨勢(shì)。 一個(gè)大的音樂噴泉控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)方面的性能是必要的，符合要求的是：在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，該系統(tǒng)也可在強(qiáng)電噪聲、電磁干擾、振動(dòng)、極端溫度和高濕度的環(huán)境下正常工作。然而，采用單
30、片機(jī)作為控制系統(tǒng)，它的性能會(huì)受到影響，不能很好地適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。 此外，系統(tǒng)的負(fù)載能力不夠強(qiáng)，在負(fù)載要求較低、環(huán)境較好的場(chǎng)合，單片機(jī)控制系統(tǒng)仍有廣泛的應(yīng)用。然而，隨著人們生活水平越來越高，大型的音樂噴泉已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。PLC技術(shù)的成熟和完善，能很好適地應(yīng)工業(yè)控制環(huán)境，使得PLC控制系統(tǒng)的使用在音樂噴泉中逐漸超過其他控制器。方案三：PLC控制系統(tǒng) 經(jīng)過多年發(fā)展，PLC技術(shù)已日趨成熟，應(yīng)用范圍越來越廣，幾乎滲透到各行各業(yè)。在許多控制應(yīng)用中，PLC為核心的控制系統(tǒng)已經(jīng)成為了理想的控制系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是： 1. 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué) 2. 功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高 3. 硬件配套齊全，用戶使用方便，
31、適應(yīng)性強(qiáng) 4. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 5. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少 6. 維修工作量小，維修方便 7. 體積小、能耗低 PLC的這些和其它特征使它成為任一控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。一旦安裝，作用立即顯現(xiàn)，與其他智能設(shè)備一樣，它的優(yōu)點(diǎn)還在于應(yīng)用時(shí)的創(chuàng)新。4.2 方案論證 一個(gè)音樂噴泉的成功與否主要是看噴出的水柱是否有音樂感。PLC的主要功能是接收處理后的音樂信號(hào)，處理后發(fā)送到下一級(jí)控制裝置，控制水柱和燈光隨音樂變化，達(dá)到水上芭蕾的藝術(shù)效果。PLC精密、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速的特點(diǎn)和多點(diǎn)控制功能使其成為一個(gè)現(xiàn)代音樂噴泉工程中不可或缺的設(shè)備。綜上所述，通過對(duì)三種控制系統(tǒng)的比較，顯然，PLC控制系統(tǒng)具有良好
32、性能，所以本次設(shè)計(jì)選用PLC作為控制核心。4.3 對(duì)選定方案的分析 （1）功能的可行性：系統(tǒng)各部分大多是開關(guān)量信號(hào)，所以可編程邏輯控制器完全能滿足功能要求。（2）系統(tǒng)的可靠性：該系統(tǒng)主要由PLC內(nèi)部程序運(yùn)行，提高了實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步得到保障。 （3）系統(tǒng)的擴(kuò)展性：該系統(tǒng)采用PLC作為控制器，本身所具有高度的功能擴(kuò)展性，再加上PLC產(chǎn)品的完整性，使系統(tǒng)功能擴(kuò)展極為方便。 （4）系統(tǒng)的可維護(hù)性：本系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制模式，極大降低工程成本，因?yàn)橄到y(tǒng)配置和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。第5章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)5.1 音樂噴泉組成5.1.1 音樂噴泉水池設(shè)計(jì) 音樂噴泉噴頭分三組，外圈7個(gè)
33、噴頭，內(nèi)圈5個(gè)噴頭，中心為1個(gè)中心噴頭，外繞7個(gè)小噴頭，需要10個(gè)水泵供水。燈組分三圈，外圈Leda 17（紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫），內(nèi)圈為L(zhǎng)ed 8（白色）、Led 9（黃色）、Led 10（紅色），中心為L(zhǎng)ed 0（白色），周圍Ledb 17（紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫）。 效果如圖5.1、圖5.2、圖5.3所示。圖5.1 中心噴頭及燈組圖5.2 內(nèi)圈噴頭及燈組 圖5.3 外圈噴頭及燈組完成效果：（1） 白天時(shí)，光控開關(guān)斷開 a 控制者按下啟動(dòng)按鈕SB0內(nèi)置播放器先啟動(dòng)；b 規(guī)定一段時(shí)間后外置播放器啟動(dòng)，廣場(chǎng)開始播放音樂，同時(shí)水泵0和水泵8啟動(dòng)，所連接的噴頭開始噴水；外圈水泵17有序的
34、啟動(dòng)停止間隔3s，一直循環(huán)，形成與音樂曲調(diào)一致的噴水效果。c 外置播放器啟動(dòng)時(shí)，水泵9會(huì)啟動(dòng)，水泵9由變頻器控制。聲音低于中等音響時(shí)，在PLC的控制下，水泵9處于低速轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)圈5個(gè)噴頭噴出H高度的水柱。超過中等音效時(shí)，水泵9中速轉(zhuǎn)動(dòng)，噴出2H高度的水柱。在聲音超過較大音響條件下，變頻器控制水泵高速轉(zhuǎn)動(dòng)，噴出3H高度的水柱。這樣就呈現(xiàn)出5個(gè)噴頭隨著音樂聲響的大小，不斷改變水柱的高度，達(dá)到噴泉隨音樂跳動(dòng)的效果。d 按下停止按鈕SB1，所有內(nèi)外設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)。（2） 夜晚時(shí)，光控開關(guān)閉合a 按下啟動(dòng)按鈕SB0，內(nèi)置播放器先啟動(dòng)，同時(shí)外圈噴頭下Leda 17燈亮，中心噴頭下Led 0（白燈)亮。b 規(guī)定
35、2s后外置播放器啟動(dòng)，廣場(chǎng)開始播放音樂，同時(shí)水泵0和水泵8啟動(dòng)，所連接的噴頭開始噴水；外圈水泵17有序的啟動(dòng)停止，中心噴頭下Ledb 17有序啟動(dòng)停止，時(shí)間為3s，形成于音樂曲調(diào)一致效果，同時(shí)在各色燈光映襯下，噴泉更加美麗。c 內(nèi)圈的噴水效果與白天一樣，燈光效果是：低于中等音響時(shí)，內(nèi)圈噴頭下白燈（Led 8）亮，音樂聲音超過中等音響時(shí)，白燈（Led組8）和黃燈（Led組9）亮，聲音超過較大音效時(shí)，白燈（Led組8）、黃燈(Led組9)紅燈（Led組10）都亮。達(dá)到燈光隨著音樂的聲響從低音中音高音而呈現(xiàn)出白白加黃白加黃加紅的效果。d 按下停止按鈕，所有內(nèi)外設(shè)停止工作。5.2 控制系統(tǒng)組成 硬件系
36、統(tǒng)主要由PLC、A/D轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、水泵、燈等組成。通過PLC對(duì)外部音頻信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換來控制變頻器和接觸器的動(dòng)作。從而控制系統(tǒng)完成控制要求，實(shí)現(xiàn)噴泉對(duì)音樂的實(shí)時(shí)體現(xiàn)。音樂噴泉控制系統(tǒng)組成如圖5.4所示。圖5.4 控制系統(tǒng)組成框圖5.3 變頻器設(shè)計(jì)5.3.1 變頻器選型本次設(shè)計(jì)選用西門子公司的MM440變頻器來控制水泵9變速轉(zhuǎn)動(dòng)，MM440是一種適合于三相電動(dòng)機(jī)速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的變頻器系列，其應(yīng)用較廣。改變頻器在恒定轉(zhuǎn)矩（CT）控制方式下功率范圍為120W200KW,在可變轉(zhuǎn)矩（VT）控制方式下功率可達(dá)250KW,有多種型號(hào)可供用戶選擇。MM440變頻器可工作于缺省的工廠設(shè)置參數(shù)狀態(tài)下，
37、是為數(shù)量眾多的簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動(dòng)裝置。5.3.2 變頻器控制接線圖 變頻器硬件連接如圖5.5所示，PLC的輸出接口Q1.2連到變頻器的DIN3端子上，用來控制變頻器的啟停。PLC輸出口Q1.0和Q1.1連接到DIN1、DIN2端子上，通過PLC輸出開關(guān)量控制變頻器輸出預(yù)先設(shè)置的固定頻率，變頻器輸出的頻率由設(shè)置的參數(shù)決定。圖5.5 PLC和MM440變頻器聯(lián)機(jī)三段速控制水泵5.3.3 變頻器參數(shù)設(shè)置復(fù)位變頻器工廠默認(rèn)值，P0010=30和P0970=1，按下P鍵，開始復(fù)位，這樣就保證了變頻器的參數(shù)恢復(fù)到工廠默認(rèn)值，如表5.1所示。表5.1 變頻器參數(shù)設(shè)置表參數(shù)號(hào)出廠值設(shè)置
38、值說明P070311ON接通正轉(zhuǎn)，OFF停止P100023選擇固定頻率設(shè)定值P1001010設(shè)定固定頻率1（Hz）P1002530設(shè)定固定頻率2（Hz）P10031050設(shè)定固定頻率3（Hz）P000312設(shè)定用戶訪問級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)P070022命令源選擇由端子輸入P0701117選擇固定頻率P0702117選擇固定頻率 DIN1=1，DIN2=0時(shí)，運(yùn)行頻率P1001；DIN1=0，DIN2=1時(shí)，運(yùn)行頻率為P1002；DIN1=1，DIN2=1時(shí)，運(yùn)行頻率為P1003。5.4 PLC設(shè)計(jì)5.4.1 PLC選型（1） 分析輸入和輸出點(diǎn)數(shù) 開關(guān)量輸入：2個(gè)輸入，一個(gè)啟動(dòng)按鈕，一個(gè)停止按鈕。 光控開關(guān)：1個(gè)輸入 音頻信號(hào)：2個(gè)輸入輸出：變頻器需要3個(gè)輸出，水泵17需要7個(gè)輸出，水泵0和8需要1個(gè)。白燈Led 0和燈組Leda 17需要1個(gè)，Led 8（白色）、Led 9（黃色）、Led 10（紅色）總共需要3個(gè)，中心Ledb 17需要7個(gè)。綜上所述，輸入需要5個(gè)，輸出需要22個(gè)。
音樂噴泉的PLC設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc
