广场音乐喷泉的PLC控制系统

基于PLC的广场音乐喷泉控制系统的设计1第１章绪论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。本章对这一课题的设计背景及控制系统中PLC、变频器的基本知识进行简单的介绍。1.1论文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。本设计针对这些问题，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基于PLC的广场音乐喷泉控制系统的设计2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，基于PLC的广场音乐喷泉控制系统的设计3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]。基于PLC的广场音乐喷泉控制系统的设计41.3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变频器的基本构成中间直流电路整流电路逆变电路控制电路交流电交流电商用电源电压频率可控基于PLC的广场音乐喷泉控制系统的设计51.4论文的主要任务与内容本论文是本人的毕业设计论文，需要本人结合所学知识，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。本论文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论文的组织论文共分为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。基于PLC的广场音乐喷泉控制系统的设计6第2章系统概述及方案论证本章主要介绍广场音乐喷泉控制系统的基本要求，以及设计广场音乐喷泉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，以达到广场音乐喷泉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；基于PLC的广场音乐喷泉控制系统的设计74、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CD、VCD、DVD等播放器播放，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