PLC音樂噴泉設(shè)計(jì)【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

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基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 畢業(yè)論文 題目： 樂噴泉設(shè)計(jì) 系 別：機(jī)電工程系 專 業(yè)：機(jī)電一體化 班 級(jí)：機(jī)電 122 班 姓 名：楊朋飛 學(xué) 號(hào)： 2012122046 指導(dǎo)教師：王冰玉 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 第１章 緒論 當(dāng)今噴泉工程和高新技術(shù)的結(jié)合使噴泉效果更加絢麗多彩、婀娜多姿，令人賞心悅目、流連忘返。當(dāng)變頻控制技術(shù)引入音樂噴泉控制系統(tǒng)，可以使水柱隨著音樂快慢變化，仿佛是在隨著音樂翩翩起 舞，引人入勝。 本文通過設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用型廣場音樂噴泉的 紹 音樂噴泉控制控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過這一設(shè)計(jì)過程，進(jìn)一步熟悉 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和方法，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際及知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。本章對(duì)這 一 課題的設(shè)計(jì)背景及控制系統(tǒng) 中 頻器 的基本知識(shí)進(jìn)行簡單的介紹。 文的背景 起初的音樂噴泉控制系統(tǒng)就是利用音樂的主要音素 (頻率、振幅、音色和節(jié)拍 )控制噴水的花型組合變化、水柱高低、遠(yuǎn)近變化和燈光色彩組合，其原理是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過放大及其它一些處理推動(dòng)繼電器或電子開關(guān)，再去控 制設(shè)在水路上的電磁閥的啟閉，從而達(dá)到控制噴頭水路的通斷。 音樂噴泉是現(xiàn)代科技與藝術(shù)的綜合，利用噴泉來表現(xiàn)音樂的美感，令人賞心悅目。目前，有許多采用各式各樣的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的音樂噴泉， 取得了良好的效果。但縱觀這些音控產(chǎn)品，有的利用音樂的時(shí)域變化來控制噴泉，有的將音樂分成幾個(gè)頻段來控制噴泉的花型， 且多采用低頻、中頻和高頻三個(gè)頻段來控制。缺點(diǎn)是都沒有在頻域上基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 很好地展現(xiàn)音樂，因此不能很好地體現(xiàn)音樂的內(nèi)涵。 本設(shè)計(jì)針對(duì)這些問題，提出了一種新的方法來控制噴泉的變化，本設(shè)計(jì)將通過對(duì)音樂音頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣， 再通過變頻器 對(duì)潛水泵進(jìn)行變頻調(diào)速， 利用各式噴頭的噴射、搖擺、旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)噴泉水柱高低、搖擺幅度、旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)時(shí)地展現(xiàn)音樂的頻譜。 編程序控制器概述 可編程序控制器簡稱 20 世紀(jì) 60 年代以來發(fā)展極為迅速、應(yīng)用面極廣的自動(dòng)化控制裝置，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一 [1]。 可編程序控制器是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā)起來的，先已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。他以微處理器為核心，用編寫的程序進(jìn)行邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入 /輸出來控制機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程 [2]。 發(fā)展概況 20 世紀(jì) 60 年代以前，汽車流水線的自動(dòng)控制系統(tǒng)基本上都采用傳統(tǒng)的繼電器控制。在 60 年代初，美國汽車制造業(yè)競爭越發(fā)激烈，而汽車的每一次更新的周期越來越短，這樣對(duì)汽車流水線的自動(dòng)控制系統(tǒng)更新就越來越頻繁，原來的繼電器控制就需要經(jīng)常地重新設(shè)計(jì)和安裝，從而延緩了汽車的更新時(shí)間。所以人們就想能有一種通用性和靈活性較強(qiáng)的控制系統(tǒng)來替代原有的繼電器控制系統(tǒng) [3]。 食品、制造和冶金等其他工業(yè)部門相繼得到了應(yīng)用。 1971 年，日本引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，并開始生產(chǎn)自己的 1973 年 ，歐洲一些國家也研制出了自己的 974 年，我國也開始仿照美國的 術(shù)研制自己的 于在 1977 年研制出第一臺(tái)具有實(shí)用價(jià)值的 ]。 特點(diǎn) 傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)想結(jié)合的產(chǎn)物，所以在工業(yè)控制方面，它具有繼電器控制或通過計(jì)算機(jī)所無法比擬的特點(diǎn)。 1、高可靠性 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 在硬件方面，由于采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源，并且對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，加上合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后加固、簡化安裝，因此 有很強(qiáng)的抗振動(dòng)沖擊的性能；無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成大量的開關(guān)動(dòng)作，就不會(huì)出 現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)中的器件老化、脫焊、觸點(diǎn)電弧等問題；所有的輸入 /輸出（ I/O）接口都采用了光電隔離措施，使外部電路和 部電路能有效的進(jìn)行隔離； 用 模塊式的結(jié)構(gòu)，可以在其中一個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)迅速地判斷出故障的模塊并進(jìn)行更換，這樣就能 夠 盡量縮短系統(tǒng)維修的 時(shí)間 [5]。 在軟件方面， 監(jiān)控定時(shí)器可用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運(yùn)算處理器的延遲，保證在程序出錯(cuò)和程序調(diào)試時(shí)，避免因程序錯(cuò)誤而出現(xiàn)死循環(huán)；當(dāng) 池、 I/信等出現(xiàn)異常時(shí)， 自診斷功能可以檢測到這些錯(cuò)誤，并采取相應(yīng)的措施，以防 止故障擴(kuò)大；停電時(shí)，后備電池和正常工作時(shí)一樣，進(jìn)行對(duì)用戶程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的保護(hù)，確保信息不丟失 [6]。 由于采用了上述有效措施，保證了 高可靠性，從而使 平均無故障時(shí)間已經(jīng)能高達(dá)幾十萬小時(shí)。 2、應(yīng)用靈活、使用方便 模塊化的 計(jì)，使用戶能根據(jù)自己控制系統(tǒng)的大小、工藝流程和控制要求等來選擇自己所需要的 模塊并進(jìn)行資源配置和 程。這樣，控制系統(tǒng)就不再需要大量硬件裝置，用戶只需根據(jù)控制需要設(shè)計(jì) 。而在 制系統(tǒng)中，當(dāng)控制要求改變時(shí)，不改動(dòng) 部接線，只需修改程序即可。 3、面向控制過程的編程語言，容易掌握 編程語言采用繼電器控制電路的梯形圖語言，清晰直觀。雖然 以微處理器為核心的控制裝置，但是它不需要用戶具有很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)能力，只要用戶具備一定的計(jì)算機(jī)軟、硬件知識(shí)和電器控制方面的知識(shí)即可 [7]。 4、易于安裝、調(diào)試、維修 在安裝時(shí)，由于 輸入 /輸出接口已經(jīng)做好，因此可以直接和外部設(shè)備相連，而不再需要專用的接口電路。而且 軟件功能取代了原來的繼電器控制中間繼電器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器等一些器件，所以硬件安裝上的工作量相應(yīng)減少 [8]。 調(diào)試可先在實(shí)驗(yàn)室模擬完成，模擬調(diào)試完成后再現(xiàn)場安裝、調(diào)試。這樣就可基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 以避免可能在現(xiàn)場會(huì)出現(xiàn)的一些問題，從而縮短調(diào)試周期。 在維修方面， 善的診斷和顯示功能，可以通過模塊上的顯示或編程器等很容易地找出故障的模塊，而且由于模塊化設(shè)計(jì)，因此只需要對(duì)錯(cuò)誤的模塊進(jìn)行更換即可。 5、功能完善、模塊功能和網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大 現(xiàn)在 僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，而且還具有 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能。因此，它既可以對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制，又可以對(duì)模擬量進(jìn)行控制。由于 品的系 列化和模塊化， 備有品種齊全的多種硬件裝置供用戶選用，可以組成能滿足各種控制要求的控制系統(tǒng) [9]。 頻器的工作原理 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變頻器已經(jīng)成為電器調(diào)速的主流，成為現(xiàn)代工業(yè)的組成部分。變頻器不僅可以節(jié)省能源，還可以改善控制性能，提高生產(chǎn)效率。工業(yè)中使用的變頻器可分為通用變頻器和專用變頻器。通用變頻器主要用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)；專用變頻器用于特定的控制對(duì)象。隨著變頻器的發(fā)展，采用矢量控制的變頻器開始普及。矢量控制的重要性能是使異步電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性 ，并且與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)比較，有無需維修，不需抑制電流變化率，可以謀求電流控制的快速響應(yīng)；磁場控制范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。無速度傳感器矢量控制變頻器可以在各種轉(zhuǎn)速下提供不變的轉(zhuǎn)矩，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)不但給出 160%的過載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還可以進(jìn)行滑差補(bǔ)償。中小容量的變頻器正向降低噪音，減少諧波對(duì)電源的影響、提高低速是的轉(zhuǎn)矩等方向發(fā)展。由于變頻器變頻調(diào)速性能好，因而現(xiàn)在以被鋼鐵、石油、紡織、造紙、建材等行業(yè)采用并大力推廣。 并且極其精確地運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)普通電機(jī)能達(dá)到最佳的控制效果，操作簡單靈活，具有擴(kuò)展功能 [10]。 變頻器的基本構(gòu)成 ，從結(jié)構(gòu)上看，變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩類。間接變頻器先將工頻交流電源通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換為可控頻率的交流，因此又稱它為有中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置或交 交變頻器。直接變頻器將工頻交流一次變換為可控頻率交流，沒有中間直流環(huán)節(jié)，即所謂的交 前應(yīng)基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 用較多的是間接變頻器即交 交變頻器。因此，可以認(rèn)為，變頻器的基本構(gòu)成如圖 圖 變頻器的基本構(gòu)成 文的主要任務(wù)與內(nèi)容 本論文是本人的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，需要本人結(jié)合所學(xué)知識(shí)，以可編程序 控制器為基礎(chǔ)，對(duì)包裝機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制。主要任務(wù)是在自我學(xué)習(xí)、向人學(xué)習(xí)的前提下，深入地了解電氣控制系統(tǒng)各方面的知識(shí)，熟練地掌握 制技術(shù)各方面的理論知識(shí)及其應(yīng)用，逐漸提高對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的實(shí)際工作能力，懂得運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際情況相結(jié)合。同時(shí)，通過學(xué)習(xí)各方面的知識(shí)，不斷地提升自己，通過實(shí)際應(yīng)用，逐漸地提高自己的動(dòng)腦能力和動(dòng)手能力以及處事能力。 本論文在具體分析基于可編程序控制器的廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了具體的研究和設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)可編程序控制器在工業(yè)應(yīng)用中的一些問 題也進(jìn)行了一定的討論。 文的組織 論文共分為 5 章：第 1 章對(duì)論文背景進(jìn)行了綜述，著重介紹了可編程序控制器的有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)；第 2 章對(duì)音樂噴泉控制系統(tǒng)的要求、目的、任務(wù)、內(nèi)容、工作過程以及控制器的選擇進(jìn)行了系統(tǒng)概述，并針對(duì)設(shè)計(jì)所需要的方案進(jìn)行了選擇論證；第 3 章主要分析了系統(tǒng)的組成部分以及各部分器件的工作原理，對(duì)音樂噴泉控制系統(tǒng)的各種元件的選擇和參數(shù)確定等控制系統(tǒng)的硬件配置；第 4 章根據(jù)控制系統(tǒng)流程圖進(jìn)行軟件設(shè)計(jì) ；第 5中間直流電路 整流電路 逆變電路 控 制 電 路 交流電 交流電 商用電源 電 壓頻率可控 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 章為系統(tǒng)調(diào)試。 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 第 2 章 系統(tǒng)概述及方案論證 本章主要介紹廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的基本要求，以 及設(shè)計(jì)廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的目的和任務(wù)，并對(duì)完成此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行選擇及論證等相關(guān)內(nèi)容。通過分析該控制系統(tǒng)的各部分的功能要求，以達(dá)到廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)方法。 統(tǒng)概述 音樂噴泉作為一種人造環(huán)境工程項(xiàng)目，將音樂的美和噴泉有機(jī)的結(jié)合在一起，給人以賞心悅目的感受。目前，采用不同控制器來實(shí)現(xiàn)音樂噴泉的方法越來越多，究竟怎么樣實(shí)現(xiàn)才能達(dá)到最優(yōu)的控制以及給人最美的觀賞效果，本設(shè)計(jì)從諸多方面來分析、探討此問題的解決方案。 樂噴泉控制系統(tǒng)的要求 在諸多音樂噴泉控制系統(tǒng)中，不管是采用繼電器 控制或電磁閥對(duì)音樂噴泉進(jìn)行控制（開關(guān)及噴泉揚(yáng)程控制），由于不能對(duì)電動(dòng)機(jī)或其他控制閥進(jìn)行調(diào)速，所以這些方式都存在反應(yīng)速度慢的弱點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于音樂與噴泉的同步實(shí)時(shí)性，在控制系統(tǒng)中采用了變頻調(diào)速，通過變頻器來控制電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到快速反應(yīng)的目的，所以下面所介紹的是本設(shè)計(jì)對(duì)音樂噴泉控制系統(tǒng)所需要達(dá)到的要求、效果。 顧名思義，音樂噴泉就是要求在音樂的伴隨下噴泉的高度、燈光的強(qiáng)度、色彩以及噴泉的造型隨音樂的音量而變化，通過對(duì)各種不同的音樂進(jìn)行選擇播放，以及對(duì)不同音頻信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)化等處理后，利用編制程序來實(shí)現(xiàn) 對(duì)音樂噴泉的實(shí)時(shí)控制。 制系統(tǒng)目的及任務(wù) 本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)為廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的目的及任務(wù)如下： 1、分析系統(tǒng)的工作原理和工藝過程； 2、熟悉對(duì) 選型以及相關(guān)參數(shù)的選擇； 3、了解系統(tǒng)控制主電路：包括電源、各保護(hù)開關(guān)、電機(jī)及其外部電路的設(shè)計(jì) 方 法； 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 4、掌握 I/O 地址分配以及 部接線的方法； 5、掌握軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，繪出梯形圖、列出指令表等。 制系統(tǒng)內(nèi)容 音樂噴泉控制 系統(tǒng)內(nèi)容 包括 樂曲播放 、水型與樂曲同步、水型的程序演示、彩色燈光的程序演示、水型的 節(jié)奏隨動(dòng)控制等。 1、樂曲播放 音樂噴泉所播放的樂曲可以從 播放器播放，通過功率放大器，將所選歌曲分為兩路輸出，一路輸出到音箱設(shè)備，另一路輸出到 A/D 轉(zhuǎn)換模塊對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣。當(dāng)操作員在樂曲數(shù)據(jù)庫中確定了演示樂曲后，隨后啟動(dòng)該驅(qū)動(dòng)器，正確地播放選定的樂曲。 2、水型與樂曲同步控制 當(dāng)樂曲開始播放，水型會(huì)同步演示。在上一首樂曲結(jié)束和下一首樂曲開始的間歇期間，水型也會(huì)保持同步停止和繼續(xù)演示。 此音樂噴泉 控制系統(tǒng)能提供可調(diào)整的 噴泉 延時(shí)，使水型與樂曲達(dá)到同步的效果。 3、水型的程序演 示 噴泉 潛 水泵電動(dòng)機(jī)是受 控制器內(nèi)部 的程序控制，每一 首 樂曲 可從控制器中相應(yīng)的找到對(duì)應(yīng)的固定程序數(shù)據(jù)，并可以將其對(duì)應(yīng)輸出 。 4、彩色燈光的程序演示 與水型的演示程序類似，彩色燈光也由 控制器 系統(tǒng)程序控制。 通過利用噴泉水泵的控制程序，將燈光控制也采用其同樣的方法，隨噴泉的變化相應(yīng)的水下彩色燈光也會(huì)變化、動(dòng)作。 5、水型的節(jié)奏隨動(dòng)控制 對(duì)于不同的音樂，其水型的跳躍和搖擺是與樂曲的節(jié)奏同步的，表演出音樂噴泉的激情和活力。這種水型的跳躍和搖擺變化也是由 A/D 對(duì)其音頻信號(hào)采集轉(zhuǎn)換后通過對(duì)應(yīng)的程序所表現(xiàn)出的。通過變頻器對(duì)潛水 泵實(shí)現(xiàn)加速、減速等控制，以達(dá)到對(duì)不同音樂信基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 號(hào)的不同觀賞感。 制系統(tǒng)的簡要工作過程 首先對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行分配，一路直接經(jīng)功率放大器后輸出到外部音箱設(shè)備；另一路則對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換等預(yù)處理；其次，經(jīng)過 進(jìn)制）進(jìn)行轉(zhuǎn)換 ,將其音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，再通過在 之相比較輸出采樣值的范圍；最后，通過對(duì)變頻器的高、中、低三個(gè)控制端進(jìn)行開關(guān)量輸入，即輸入組合（ 001～ 111），以達(dá)到調(diào)節(jié)變頻器的 7種頻率段，并能很好的控制潛水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速的 快慢、音樂音頻信號(hào)各頻率對(duì)應(yīng)聲音信號(hào)的強(qiáng)度 , 通過變頻控制系統(tǒng)就可以將音頻信號(hào)的變化用噴泉的水柱表現(xiàn)出來 , 水柱的高低按線性比例反映音頻信號(hào)的幅度。設(shè)每次對(duì)音頻信號(hào)的采樣時(shí)間為 系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)組成將在第三章進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 制系統(tǒng)方案選擇及論證 通過對(duì)本課題控制系統(tǒng)各方面知識(shí)的收集、整理和不斷地深入學(xué)習(xí)理解，以及對(duì)課題控制系統(tǒng)充分地介紹說明的基礎(chǔ)上，根據(jù)課題設(shè)計(jì)要求及目前廣場音樂噴泉在人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中應(yīng)用的實(shí)際情況，對(duì)該系統(tǒng)采用繼電器、單片機(jī)以及 為控制系統(tǒng)主要控制器件的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了 比較，并進(jìn)行方案選擇論證。 案 分析 廣場音樂噴泉的控制系統(tǒng)，要求具備如下功能： 1、 廣場樂曲播放； 2、 水型與樂曲同步 ； 3、 水型的演示 的控制； 4、 彩色燈光的 控制； 5、 強(qiáng)制停止功能。 下面我們就如何能方便、簡單地實(shí)現(xiàn)音樂噴泉的以上功能及經(jīng)濟(jì)角度等方面，將在音樂噴泉控制系統(tǒng)中常用的各種控制控制器或控制電路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡單地比較。 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 方案一： 繼電器 該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于理解和掌握，其設(shè)計(jì)成本也相對(duì)較低。 但從應(yīng)用于該大型廣場音樂噴泉系統(tǒng)中來看，該系統(tǒng)有以下幾個(gè)缺點(diǎn)： 1、接點(diǎn)易磨 損，電接觸不好； 在一個(gè)噴泉系統(tǒng)中，需要用到的繼電器、接觸器的數(shù)量是相當(dāng)大的，因此，在此控制系統(tǒng)中，如果有一個(gè)觸點(diǎn)接觸不良，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，而且要找出故障元件是很難的，維修也相當(dāng)煩瑣。 2、接點(diǎn)閉合緩慢； 接觸器動(dòng)作緩慢以及過度延時(shí)是該系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一，因?yàn)樵摽刂葡到y(tǒng)要求與音樂同步，并能實(shí)時(shí)的表現(xiàn)出音樂信號(hào)的變化。另外，控制系統(tǒng)的能量消耗大、維修保養(yǎng)工作量大等缺點(diǎn)，從而降低了其經(jīng)濟(jì)性。維修困難是該系統(tǒng)的致命的弱點(diǎn)，由于使用繼電器控制，而繼電器的使用壽命不長，需經(jīng)常更換，而且在眾多繼電器中找故障非常困難。 綜 上所述，由于該系統(tǒng)有諸多弊病，繼電器 度、實(shí)時(shí)性要求不是很高的場合，隨著科技的進(jìn)步，該 型 控制系統(tǒng)已逐漸被淘汰。 方案二：單片機(jī)控制系統(tǒng) 單片機(jī)控制系統(tǒng)比繼電器 優(yōu)點(diǎn)有：可以做成專用的控制系統(tǒng)，程序被固化，保密性強(qiáng)，可靠性較高，操作簡單，并且易于維護(hù)。在諸多小型音樂噴泉控制系統(tǒng)中， 最適合的應(yīng)是單片機(jī)作為控制核心。適合于一般城市小廣場和普通住宅小區(qū)的小型音樂噴泉，由于其控制要求簡單，使用單片機(jī)完全可以滿足要求，而且因其成本低則更易于普及，是未來音樂噴泉 的發(fā)展趨勢。 在大型廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)各方面性能都需要滿足要求，就是 在惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下， 該系統(tǒng)也 能置于有很強(qiáng)的電噪聲、電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中 。但是，如果利用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，其性能會(huì)受到相應(yīng)的影響，不能很好的適應(yīng)到極其惡劣的工業(yè)環(huán)境中去。 另外，該系統(tǒng)帶負(fù)載的能力不夠強(qiáng)，在對(duì)負(fù)載要求不高 、環(huán)境比較好 的場合，單片機(jī)控制系統(tǒng)仍有較廣泛的應(yīng)用。不過，隨著 人們生活水平的逐漸提高，越來越多的大型基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 音樂噴泉成為了人們觀賞的焦點(diǎn)。而 術(shù)的成熟與完善， 能有很強(qiáng)的適應(yīng)工業(yè)控制環(huán) 境的能力，作為利用 為音樂噴泉控制器的控制系統(tǒng)，已經(jīng)漸漸超過了采用其它控制器來實(shí)現(xiàn)的音樂噴泉 控制的 控制 系統(tǒng)。 方案三： 制系統(tǒng) 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展， 術(shù)已越來越成熟，應(yīng)用的范圍也越來越廣泛，幾乎滲透到了各行各業(yè)。而在很多的控制應(yīng)用系統(tǒng)中，以 核心的控制系統(tǒng)逐漸成為理想的控制系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)主要有： 1、硬件的可靠性 為了在惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的 置于有很強(qiáng)的電噪聲、電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中。 在硬件設(shè)計(jì)方面，首先是選用優(yōu)質(zhì)器 件，再就是采用合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加固，簡化安裝，使它易于抗振動(dòng)沖擊，對(duì)印制電路板的設(shè)計(jì)、加工及焊接都采取了極為嚴(yán)格的工藝措施，而且在電路、結(jié)構(gòu)及工藝上采取了一些獨(dú)特的方式。例如，在輸入 /輸出電路中都采用了光電隔離措施，做到電浮空，既方便接地，又提高了其抗干擾性能；各個(gè) I/加上了數(shù)字濾波；內(nèi)部采用了電磁屏蔽措施，防止輻射干擾；采用了較先進(jìn)的電源電路，以防止由電源回路串入的干擾信號(hào)；采用了較合理的電路程序，一旦某模塊出現(xiàn)故障，進(jìn)行在線插拔、調(diào)試時(shí)不會(huì)影響其他各機(jī)的正常運(yùn)行。 由于 身具有很高的可靠性，所以發(fā)生故障的部位大多集中在輸入 /輸出的部件上，以及如傳感器件、限位開關(guān)、光電開關(guān)、電磁電機(jī)等外圍裝置上，這樣便易于檢修和維護(hù)。 2、編程簡單，使用方便 用微機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，常使用匯編語言編程，難于掌握，要求使用者具有一定水平的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)。 用面向控制過程、面向問題的 “自然語言 ”編程，容易掌握。例如，目前大多數(shù) 采用的梯形圖語言編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀感，又顧及了大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及應(yīng)用微機(jī)的水平，很容易被電氣技術(shù)人員所接受，基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 易于編程，程序改變時(shí)也容易修改，很靈活方便。 這種面向控制過程、面向問題的編程方式，與目前微機(jī)控制常用的匯編語言相比，雖然在 部增加了解釋程序，增加了程序執(zhí)行時(shí)間，但對(duì)大多數(shù)的機(jī)電控制設(shè)備來說，這些時(shí)間是可以忽略的。 3、接線簡單，通用性好 接線只需將輸入信號(hào)的設(shè)備（按鈕、開關(guān)等）與 入端子連接，將接受輸出信號(hào)執(zhí)行控制任務(wù)的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與 出端子連接。接線簡單、工作最少，省去了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)接線和拆線的麻煩。 編程邏輯提供了能隨要求而改變的 “接線網(wǎng)絡(luò) ”， 這樣生產(chǎn)線的自動(dòng)化過程就能隨意改變。這種性能使 有很高的經(jīng)濟(jì)效益。 用于連接現(xiàn)場設(shè)備的硬件接口實(shí)際上是 組成部分，模塊化的自診斷接口電路能指出故障，并易于排除故障與替換故障部件，這樣的軟硬件設(shè)計(jì)就使現(xiàn)場電氣人員與技術(shù)人員易于使用。 4、可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)可分為兩類：一類是低速網(wǎng)絡(luò)，采用主從方式通信，傳輸速率從幾千波特到上萬波特，傳輸距離為 500—2500m；另一類為高速網(wǎng)絡(luò)，采用令牌傳送方式通信，傳輸速率為 1M—10輸距離為 500—1000m， 網(wǎng)上結(jié)點(diǎn)可達(dá) 1024 個(gè)。這兩類網(wǎng)絡(luò)可以級(jí)連，網(wǎng)上可兼容不同類型的可編程控制器和計(jì)算機(jī)，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò)。 5、易于安裝，便于維護(hù) 裝簡單而且功能強(qiáng)大，其相對(duì)小的體積使之能安裝在通常繼電器控制箱所需空間的一半的地方，在從繼電器系統(tǒng)改換到 統(tǒng)的情況下， 的模塊結(jié)構(gòu)使之能安裝在繼電器附近，并將連向已有接線端，其改換很方便，只要將輸入 /輸出設(shè)備連向接線端即可。 在大型安裝中，長距離輸入 /輸出站點(diǎn)安放在最優(yōu)地點(diǎn)。長距離站通過同軸電纜獲雙扭線連向 種配置大大減少了物料和勞力，長 距離子系統(tǒng)方法也意味著系統(tǒng)不同部分可在到達(dá)安裝場地前由 造商預(yù)先連好線，這一方法大大減少了電氣技術(shù)人基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 員的現(xiàn)場安裝時(shí)間。 從一開始， 以易維護(hù)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于幾乎所有器件都是固態(tài)的，維護(hù)時(shí)只需更換模塊級(jí)插入式部件，故障檢測電路將診斷指示器嵌在每一部件中，就能指示是否正常工作，借助于編程設(shè)備可見輸入 /輸出是 是 可寫編程指令來報(bào)告故障。 這些及其他一些特性使之成為任何一個(gè)控制系統(tǒng)的有益部分。一旦安裝后，其作用立即顯現(xiàn)，其收益也馬上實(shí)現(xiàn)，像其他智能設(shè)備一樣 ,潛在優(yōu)點(diǎn)還取決 于應(yīng)用時(shí)的創(chuàng)造性。 案論證 對(duì)音樂噴泉的成敗最重要的是看噴出的水流量是否有音樂感。 主要功能是對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行處理，再將處理后的信號(hào)傳輸?shù)较乱患?jí)控制設(shè)備，這樣就可以控制所需的水型及燈光按照音樂的節(jié)奏高低起伏和動(dòng)感變化，使音樂噴泉真正達(dá)到了水上芭蕾的藝術(shù)效果。 具有的準(zhǔn)確、精密、快速、穩(wěn)定的特點(diǎn)和多點(diǎn)控制的功能已使它成為現(xiàn)代高技術(shù)音樂噴泉工程中不可缺少的設(shè)備。 通過對(duì)上述方案分析可知，該系統(tǒng)從理論上講，可以采用的控制器有：繼電器 片機(jī)控制； 制等三種控制器。 綜上所 述 ，對(duì)這三種不同形式的控制器的比較，在廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)中，很顯然 為控制器的優(yōu)勢比較明顯、突出。因此，在此次音樂噴泉控制系統(tǒng)中選用了為控制器的方案。 選定方案的分析 1、 可行性分析 （ 1） 功能可行性分析： 由于系統(tǒng)各主要部分所需要滿足的功能步驟及要求大多是開關(guān)量信號(hào)，所以選擇可編程序邏輯控制器是完全能夠滿足其功能要求的。 （ 2） 系統(tǒng)可靠性分析： 系統(tǒng)主要靠 部程序運(yùn)行，從而達(dá)到實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性得到很大改善，使系統(tǒng)可靠性得到了進(jìn)一步的保證。 （ 3） 系統(tǒng)擴(kuò)展性分析： 系統(tǒng)采用 為控制器，其本身就具有極強(qiáng)的功能擴(kuò)展基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 性，加之 品的完整性，使得系統(tǒng)功能擴(kuò)展極其方便 。 （ 4） 系統(tǒng)可維護(hù)性分析： 系統(tǒng)采用先進(jìn)控制方式，大大降低了工程成本，并由于系統(tǒng)組態(tài)及結(jié)構(gòu)簡單，這使得可維護(hù)性增強(qiáng)。 2、 技術(shù)性能 （ 1） 型： 選擇是否能讓功能與任務(wù)相適應(yīng)； 處理速度是否滿足實(shí)時(shí)控制的要求； （ 2） 擴(kuò)展模塊的選擇： 開關(guān)量輸入模塊工作電壓的選擇；開關(guān)量輸出模塊輸出方式的選擇；模擬量輸入模塊的模擬量值的輸入范圍考慮。 從與其它噴泉控制系統(tǒng)對(duì)比中可以看出，本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中主要控制器 必須滿足系統(tǒng)的可行性、可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性等要求。而綜合上述方案論證，大型廣場音樂噴泉采用 制系統(tǒng)既能很好地滿足其性能要求，并能很好的實(shí)現(xiàn)音樂噴泉的各種功能，又經(jīng)濟(jì) 、 安全、方便實(shí)用。本文就是基于以上所介紹的 諸多優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。同時(shí)，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中 將綜合 考慮控制系統(tǒng)的技術(shù)性能。 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 第 3 章 系統(tǒng)硬件 部分 本章主要介紹廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的基本組成部分、控制過程、各部分元器件的工作原理、 制系統(tǒng) I/O 點(diǎn)數(shù)的估算、元器件參數(shù)選擇、 部硬件接線圖以及控制系統(tǒng)主電路圖 等內(nèi)容 。 制系統(tǒng)的組成部分 硬件系統(tǒng) 主要 由 A/ 變頻 器、潛水泵和燈光 組成。 通過 換來控制變頻器和故態(tài)繼電器的動(dòng)作，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)音樂和噴泉的實(shí)時(shí)的完美結(jié)合。 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件組成部分如圖 圖 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 統(tǒng)的控制過程 在這里，輸入轉(zhuǎn)換電路是指能對(duì)樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強(qiáng)弱等進(jìn)行檢測并將檢到的信號(hào)以電平、脈沖或數(shù)字形式送至 在此控制系統(tǒng)中，利用 A/據(jù)控制精度的需要 ,人耳的聽覺 ,音樂信號(hào)的特點(diǎn)。由于人耳聽到的是廣場上播放樂曲的聲音 ,而人眼看到的是噴頭的….. ….. 編程序控制器 外部音箱 （左） 變頻器 1# 頻器 2# 變頻器 4# 變頻器 3# M M M 外部音箱 （右） 速端 速端 調(diào)速端 調(diào)速端 四組潛水泵 七組水下燈 功率放大器 A/D 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 水流量 ,聲音強(qiáng)度與水流量并不是線性關(guān)系。而與潛水泵的速度成線性關(guān)系 ,閥門噴出的水流量高度與潛水泵的旋轉(zhuǎn)速度變化成比例 ,潛水泵的旋轉(zhuǎn)速度又與給變頻器所設(shè)定的頻率以及頻率變化速度成比例。聲音強(qiáng)度與采樣過來轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量成比例 ,所以 換、比較才能輸出到相對(duì)應(yīng)的變頻器，以達(dá)到控制水泵旋轉(zhuǎn)速度。 因?yàn)橛辛怂?，音樂已不再僅是背景音樂，音樂已用來控制整個(gè)噴池噴頭 的動(dòng)作與否，因而已達(dá)到了音樂噴泉的最基本要求。 選型 音樂噴泉邏輯控制系統(tǒng)的控制核心是 在建立一個(gè) 哪些信號(hào)需要輸入至 以及采用何種編程方式，都會(huì)影響到其內(nèi)部 I/必須首先把系統(tǒng)需要的輸入，輸出數(shù)量確定下來，然后按需要確定各種控制動(dòng)作的順序和各個(gè)控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。在確定控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的相互關(guān)系之后，就可以進(jìn)行分配輸入輸出設(shè)備。 因此， I/設(shè)計(jì)整個(gè) 不僅決定著系 統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，也是系統(tǒng)軟件編寫的前提。 在 估算 了 部輔助繼電器、定時(shí)器、 計(jì) 數(shù)器之后，就可以 對(duì) 進(jìn)一步進(jìn)行輸入 /輸出量的確定 。 ,根據(jù) I/應(yīng)留出一定的 I/對(duì)系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行分析后，可以大概確定系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)。 1、 系統(tǒng) 數(shù)字量 輸入所需點(diǎn)數(shù)估算 本系統(tǒng)是根據(jù)音樂的旋律、音頻信號(hào)的大小來控制噴泉水柱高低的，所以其數(shù)字量輸入只需要滿足系統(tǒng)啟動(dòng)、停止兩個(gè) 功能。 如表 示 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 表 系統(tǒng)數(shù)字量輸入所需各元器件功能及所占 數(shù) 項(xiàng)目名稱 輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 啟動(dòng)按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)啟動(dòng) 輸入點(diǎn)數(shù)： 2 停止按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)停止 2、 系統(tǒng) 模擬量輸入 所需點(diǎn)數(shù)估算 為了將 音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成 識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，這里需采用一個(gè)模擬量 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊，所以模擬量輸入點(diǎn)為 1 個(gè)。 如表 示 表 系統(tǒng)模擬量輸入所需各元器件功能及所占 數(shù) 項(xiàng)目名稱 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 音頻信號(hào)變送模塊 1 音頻 信號(hào)大小 輸入點(diǎn)數(shù) ： 1 3、系統(tǒng) 數(shù)字量 輸出所需點(diǎn)數(shù)估算 系統(tǒng)數(shù)字量輸出分為控制變頻器開關(guān)量、控制燈光開關(guān)量兩個(gè)部分，其中變頻器有啟動(dòng)和調(diào)速兩種控制量。 如 表 示 表 系統(tǒng)數(shù)字量輸出所需各元器件功能及所占 數(shù) 項(xiàng)目名稱 輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 啟動(dòng)變頻器開關(guān)量 5 控制變頻器運(yùn)行 輸出總點(diǎn)數(shù)： 24 變頻器速度開關(guān)量 12 選擇變頻器頻率 水下等光控制輸出 7 水下燈光的控制 選型 由以上對(duì)廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的組成、工作過程、 I/O 點(diǎn)的估算等分 析可知， 系統(tǒng)中實(shí)際需要數(shù)字量輸入點(diǎn) 2 點(diǎn) ,模擬量輸入模塊 1 個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn) 24 點(diǎn)，輸出擴(kuò)展模塊 1 個(gè) 。 同時(shí)，考慮到該系統(tǒng)是單機(jī)系統(tǒng)，可選擇整體式結(jié)構(gòu)的 型的選擇 在眾多的 松下 門子 光 菱 列 產(chǎn)品。 7列 應(yīng)用比較廣泛，基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19 可擴(kuò)展模塊多，適合很多控制系統(tǒng)選擇， 在本設(shè)計(jì)當(dāng)中詳細(xì)的對(duì) 7列產(chǎn)品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。 1、 7列 主要特點(diǎn)是：它有豐富的指令 、 內(nèi)置集成功能 、擴(kuò)展模塊； 具有 實(shí)時(shí)特性；強(qiáng)勁的通訊能力；可靠性好，適應(yīng)性強(qiáng) 以及 性能價(jià)格比高。 2、 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模塊化的 主要由 塊、擴(kuò)展模塊和總線連接電纜構(gòu)成。 （ 1） 塊 該模塊主要包括 源和 I/O 點(diǎn) 3 部分。 要負(fù)責(zé)程序的運(yùn)行等工作；模塊的電源不僅向 電，還要滿足與 塊相連的其他模塊的用電需求；該模塊本身自帶一定數(shù)量的開關(guān)量 I/O 點(diǎn)，如果能夠滿足控制要求，則可以不再需要 開關(guān)量 I/ （ 2）擴(kuò)展模塊 由于 塊本身的 I/O 點(diǎn)非常有限、而且無模擬量 I/O 點(diǎn)，所以有時(shí)需要數(shù)字量I/O 模塊、模擬量 I/O 模塊等一些特殊功能模塊。 （ 3）總線連接電纜 總線連接電纜用來把 I/O 模塊和 其他的擴(kuò)展模塊連接在一起。 3、 硬件系統(tǒng)配置 兩種系統(tǒng)配置方式，一種是在面板上進(jìn)行配置，另一種是在 軌上進(jìn)行配置。兩種系統(tǒng)配置方式分別如圖 圖 示。 圖 第 1 種系統(tǒng)配置圖 圖 第 2 種系統(tǒng)配置圖 7列 用于各種場合中的檢測及控制的自動(dòng)化。 列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，尤其在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中更能充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能。因此，可選擇西門子公司的 7列 ，由于在 列 中，輸出信號(hào)有兩種類型：繼電器輸出型和 出（晶體管輸出）型，而在此系統(tǒng)當(dāng)中只有直流電壓信號(hào)輸出，沒有交流電壓輸出，所以選擇了晶體管輸出型 綜上所述， 本設(shè)計(jì)選用了西 門子 列 體管輸出 型的 中24 輸入 /16 輸出 共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，并可連接 7 個(gè)擴(kuò)展摸板單元，包括模擬量擴(kuò)展摸板， 這已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)所需要的輸入輸出端口要求。 字量擴(kuò)展模板的選擇 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是西門子 有 24 輸入 /16 輸出共 40個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)， 由于 該系統(tǒng)輸出點(diǎn)數(shù)需要 24 點(diǎn)，所以采用數(shù)字量擴(kuò)展模塊。 列目前可以提供三大類共 9 種數(shù)字量輸入輸出擴(kuò)展模塊。 1、 字量輸入（ 展模塊， 具有 8 點(diǎn) 入，光電耦合器隔離。 2、 字量輸出（ 展模塊，有 2 種輸出類型： 8 點(diǎn) 出； 8點(diǎn)繼電器輸出型。 3、 字量混合輸入 /輸出（ O）擴(kuò)展模塊，有 6 種輸出類型： 點(diǎn) /輸出 4 點(diǎn)； 入 4 點(diǎn) /繼電器輸出 4 點(diǎn)； 入點(diǎn) /輸出點(diǎn)； 點(diǎn) /繼電器輸出 8 點(diǎn)； 入 16 點(diǎn) /輸出 16 點(diǎn)； 入 16 點(diǎn) /繼電器輸出 16 點(diǎn)。 由上述 所需擴(kuò)展輸出點(diǎn)數(shù)可知，此系統(tǒng)采用數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊 8 點(diǎn)出型。 模擬量擴(kuò)展單元摸板選擇 對(duì)與整個(gè)音樂噴泉控制系統(tǒng)來說，硬件的組成及選擇都是關(guān)系到設(shè)計(jì)是否合理的一個(gè)重要依據(jù)。因此，本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)由主控制器 A/D 轉(zhuǎn)換器模塊、變 頻器、 潛水泵、音箱設(shè)備以及燈光等多部分組成。 在上述章節(jié)中介紹了 控制器的選擇， 下面將詳細(xì)介紹音樂噴泉控制系統(tǒng) A/D 轉(zhuǎn)換器模塊 的選擇。 1、模擬量輸入接口模板的簡介 模擬量輸入接口模板的任務(wù)是把現(xiàn)場中被測的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變成 以處理的數(shù)字量信號(hào)。通常生產(chǎn)現(xiàn)場可能有多路模擬信號(hào)需要采集，各模擬量的類型和參數(shù)都可基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21 能不同，這就 需要在進(jìn)入模板前，對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，把它們變換成輸入模板能統(tǒng)一處理的電信號(hào)，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行多中選一，再將已選中的那路信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)行必要處理后，送入數(shù)據(jù)總線供 取，或存入中間寄存器備用。 A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入模板的關(guān)鍵器件，它完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為 10~100A/D 轉(zhuǎn)換器是在控制的控制下，完成啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果等工作過程。通常， A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果是以帶符號(hào)的二進(jìn)制形式出現(xiàn)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)光電隔離，再經(jīng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器，送入中間寄存器。當(dāng) 要讀取本通道輸入信號(hào)時(shí)，再由中間寄存器取出，經(jīng)總線驅(qū)動(dòng)后送入數(shù)據(jù)總線。經(jīng)數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)的輸出數(shù)據(jù)也可以不經(jīng)中間寄存器而直接進(jìn)入總線驅(qū)動(dòng)，供 即讀取。 2、 A/D 模塊的選擇 西門子 模擬量擴(kuò)展單元模板類型有以下三種： 第一種： 4 路 12 位模擬量輸入（ 板 （ 1）差分輸入，輸入范圍：電壓： 0～ 10V， 0～ 5V， ++5V。 電流： 0～ 20 （ 2）轉(zhuǎn)換時(shí)間： <250 （ 3）最大輸入電壓 30大輸 入電流 32 第二種： 2 路 12 位模擬量輸出（ 板 （ 1）輸出范圍：電壓 +10V，電流 0～ 20 （ 2）數(shù)據(jù)字格式：電壓 +32000，電流 0～ +32000。 （ 3）分辨率：電壓 12 位，電流 11 位。 第三種： 擬量混合輸入 /輸出（ O）模板 （ 1）模擬量輸入 4 路，模擬量輸出 1 路。 （ 2）差分輸入，電壓： 0～ 10V， 0～ 5V， 0～ 1V， 0～ 5000～ 1000～ 5010V， +5V， ++1V， +500+250+100+5025 電流： 0～ 20 （ 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間： <250 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 （ 4）穩(wěn)定時(shí)間：電壓 100流 2 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只需要考慮模擬量的輸入模板，不需要模擬量輸出模板，所以首選擴(kuò)展模塊為 4 路 12 位模擬量輸入（ 板。 制系統(tǒng)的 I/O 地址分配 制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分是設(shè)計(jì) 外部電路，即畫出 外部硬件連線圖。根據(jù)以上所選的 塊型號(hào)、各擴(kuò)展模塊的型號(hào)以及本機(jī)的 I/O 地址，為了明確每個(gè)輸入端傳入數(shù)據(jù)的 意義和每個(gè)輸出線圈所控制的量，給出 I/O 資源配置表如表 表 示。 1、 數(shù)字量輸入部分： 如表 示 表 數(shù)字量 輸入地址分配表 信號(hào)名稱 外部元件 輸入地址 備 注 啟動(dòng)按鈕 啟動(dòng) 停止按鈕 停止 2、 模擬量輸入 部分 ： 如表 示 表 模擬量 輸入地址分配表 信號(hào)名稱 外部元件 輸入寄存器 備 注 A/塊 3、數(shù)字量輸出部分 ： 如表 示 表 數(shù)字量 輸出地址分配表 信號(hào)名稱 外部元件 輸出地址 啟動(dòng)變頻器 1#（正轉(zhuǎn)） 作繼電器 頻器 1#低速 作繼電器 頻器 1#中速 作繼電器 頻器 1#高速 作繼電器 動(dòng)變頻器 2#（正轉(zhuǎn)） 作繼電器 于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 變頻器 2#低速 作繼電器 頻器 2#中速 作繼電器 頻器 2#高速 作繼電器 動(dòng)變頻器 3#（正轉(zhuǎn)） 作繼電器 頻器 3#低速 作 繼電器 頻器 3#中速 作繼電器 頻器 3#高速 作繼電器 動(dòng)變頻器 4#（正轉(zhuǎn)） 作繼電器 頻器 4#低速 作繼電器 頻器 4#中速 作繼電器 頻器 4#高速 作繼電器 1 組潛水燈 2 組潛水燈 3 組潛水燈 4 組潛水燈 5 組潛水燈 6 組潛水燈 7 組潛水燈 電路電源接觸器 頻器的選型及參數(shù)設(shè)置 當(dāng)今噴泉工程和高新技術(shù)的結(jié)合正是歷史發(fā)展的必然。由于噴泉工程中采用了大量的高新技術(shù)從而使噴泉效果更加絢麗多彩、婀娜多姿，令人賞心悅目、流連忘返。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，變頻調(diào)速器技術(shù)正大步走進(jìn)噴泉控制領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用。 根據(jù)控制功能將通用變頻器分 3 種類型。普通功能型 V/F 控制變頻器，具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 V/F 控制變頻器，以及矢量控制高性能變頻器。根據(jù)負(fù)載的要求來選擇變 頻器的類型。本設(shè)計(jì)中采用了三菱 變頻調(diào)速器，該變頻器接線端分布基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24 圖如圖 示。 圖 變頻器接線端子分布圖 該變頻器調(diào)速僅通過外部的接點(diǎn)信號(hào)切換，即可選擇各種速度 (M,即使在變頻器運(yùn)行中，各種速度（頻率）也可在 0～ 120體接點(diǎn)信號(hào)（ M,能階段性地切換運(yùn)行速度使用 。 根據(jù) 表 據(jù)的大小變化按內(nèi)部編程進(jìn)行電機(jī)變頻調(diào)速，控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，獲得相應(yīng)的噴水壓力和水花高度，獲得與音樂間相吻合的水花節(jié)奏和動(dòng)感。其內(nèi)部程序根據(jù)需要和要求按一定規(guī)律或規(guī)則進(jìn)行編程。 表 多段調(diào)速設(shè)定表 高速 速 速 速 速 N 回路端子 控制回路輸出端子 控制回路輸入端子 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 3 速 N 4速 N 速 N 6 速 N 速 N 水泵 與燈組參數(shù)選擇 整個(gè)系統(tǒng)的水泵使用三相潛水泵，功率視水池大小而定，每個(gè)水池中各安置 1～ 2 根粗水管，每根水管上安裝 2～ 3 臺(tái)水泵，被控噴水管上的水泵電機(jī)只控制 1～ 2 臺(tái) （ 不全控 ） ，不受控的水 泵工作保持一定的水柱 （ 花 ） 高度，而受控的水泵工作使水柱 （ 花 ）在一定基礎(chǔ)上跳動(dòng)噴射，以避免音樂間歇無噴水現(xiàn)象出現(xiàn) （ 也可調(diào)整變頻器參數(shù)獲得 ） 。 本設(shè)計(jì)中采用的是 噴泉專用泵，該泵如下特點(diǎn)： 電機(jī)性能：采用優(yōu)質(zhì)材料 加電機(jī)繞組的匝數(shù)及線徑使水泵耐頻繁起動(dòng)。 水力部分：采用優(yōu)秀水力模型設(shè)計(jì)，使水泵流量、揚(yáng)程、效率三者更為合理。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：該電機(jī)為自循環(huán)充水式冷卻；電纜用三相四線 噴泉專用電纜；葉輪采用了防松動(dòng)裝置； 濾網(wǎng)護(hù)罩采用全不銹鋼材料；電機(jī)內(nèi)腔定轉(zhuǎn)子采用進(jìn)口涂料，提 高了水下電機(jī)耐腐蝕性，通過以上結(jié)構(gòu)改進(jìn)使之更適于噴泉工程專業(yè)要求。 為提高負(fù)載能力，驅(qū)動(dòng)更多更大燈組負(fù)載，在可編程序控制器輸出端外接無觸點(diǎn)固態(tài)繼電器，以增大驅(qū)動(dòng)能力，并與強(qiáng)功率電路電氣隔離 (光隔離 )，提高抗干擾性能和安全性能。 2 20 S 配用電動(dòng)機(jī)額定功率（ 水泵級(jí)數(shù)（單位不標(biāo)注 ） 額定揚(yáng)程（ m） 額定流量（ m3/h） 充水式小型潛水電泵 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26 整個(gè)噴泉的燈光以暖色調(diào)為主，突出中心部分應(yīng)用水景造型配以不同顏色的燈光襯托， 采用水下彩燈，以紅、黃、綠、蘭四色搭配中心主噴以紅色為主，燈光明亮隨編排程序，與對(duì)應(yīng) 7組表數(shù)據(jù)輸出 同步變化。 由于本設(shè)計(jì)主要考慮的是噴泉的控制系統(tǒng)，具體水泵、燈光等器件將如何選擇、編排、布置問題 ，在此不作詳細(xì)介紹。 外部硬件連接圖 輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與模擬量也要分開敷設(shè)。模擬量信號(hào)的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地。 電源部分包括 作電源 他輸入 /輸出電源電壓均為 外部硬件連接圖見附錄 A。 在整個(gè) 部硬件連接圖中，包括數(shù)字量、模擬量的輸入接線和數(shù)字量輸出接線三個(gè)部分： 1、數(shù)字量輸入 數(shù)字量輸入點(diǎn)有兩個(gè)分別為 中 啟動(dòng)按鈕，當(dāng)按下 ， 對(duì)程序進(jìn)行循環(huán)掃 描； 停止按鈕，當(dāng)按下 ，系統(tǒng)會(huì)停止所有程序的掃描，并能控制到此時(shí)無輸出，而且同時(shí)將所有置位信號(hào)復(fù)位。 另外，當(dāng)外部水泵電源線路中過載熱繼電器保護(hù)裝置 現(xiàn)動(dòng)作時(shí)，也同樣可以將 統(tǒng)所有工作立即停止。 2、模擬量輸入 模擬量輸入通過 擴(kuò)展插口直接利用數(shù)據(jù)線連接，不需要另外占用端子排上的端口。因?yàn)橐纛l信號(hào)的直接來源于 設(shè)備，而不是通過功放將音頻信號(hào)功率大后再輸入轉(zhuǎn)換模塊的，所以，當(dāng)音頻信號(hào)以電流 0~20形式時(shí)，可直接接入模擬量轉(zhuǎn)換模塊 過編制程 序可直接從模擬量轉(zhuǎn)換 的變量寄存器中讀取數(shù)據(jù)。 3、數(shù)字量輸出 數(shù)字量輸出包括：變頻器和潛水燈兩部分。由于采用的是西門子 據(jù)輸出點(diǎn)數(shù)可知，需加數(shù)字量擴(kuò)展模塊 中所示輸出 個(gè)一組接至相應(yīng)的 4 組變頻器控制端子，其中 啟動(dòng)變頻器正轉(zhuǎn)端，高速 、中速 以及低速 為組合調(diào)速端，通過三個(gè)端子可組合成為 7 速調(diào)基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 27 節(jié)，從而使得潛水泵的速度變化也會(huì)相應(yīng)的跟著有所改變。 另外，數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊 接為固態(tài)繼電器，通過控制固態(tài)繼電器的通斷，將改變 7 組燈光的變化組合，其中 出控制主電路電源通斷。 制系統(tǒng)主電路 圖 控制系統(tǒng)主電路圖主要包括變頻器、潛水泵兩個(gè)主要部分。變頻器的電源線直接從三相交流電獲得，分別接至 R、 S、 應(yīng)的輸出到潛水泵，潛水泵則接至U、 V、 控制系統(tǒng)電路中有熔斷、熱繼電器兩大保護(hù)裝置。而 M、 過改變其端子組合去改變潛水泵的轉(zhuǎn)速。具體控制系統(tǒng)主電路圖如圖 示。 L 3F L 2L 1Q 1 . 0 Q 1 . 1 Q 1 . 2 Q 1 . 3 Q 0 . 0 Q 0 . 1 Q 0 . 2 Q 0 . 3Q 0 . 4Q 0 . 5Q 0 . 6Q 0 . 7 Q 1 . 4Q 1 . 5Q 1 . 6Q 1 . 7F R 1R V W F R - S 5 4 0 S T F R L R M R ～ F R L R M R 3M ～F R 2R V W F R - S 5 4 0 S T F R L R M R ～ - S 5 4 0S T F R L R M R 4M ～第 1 組第 2 組第 3 組第 4 組K M 1S 5 4 0圖 控制系統(tǒng)主電路圖 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 第 4 章 系統(tǒng) 軟件部分 在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù) 制系統(tǒng)工藝流程和系統(tǒng)控制要求，對(duì) 行了軟件設(shè)計(jì)。 制系統(tǒng)基本流程圖 控制系統(tǒng)流程圖的編制是在對(duì)控制 系統(tǒng)進(jìn)入深入的了解后，了解各種控制 設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)；然后詳細(xì)的了解每個(gè) 被控設(shè)備的特性。分析完工藝流程和控 制要求后，根據(jù)工藝的總體要和控制系 統(tǒng)的具體情況，畫出控制系統(tǒng)的流程圖。 1、控制系統(tǒng)軟件流程整體思路分析 框圖見附錄 A。 2、 圖 示 為 主程序流程圖 當(dāng) P