基于PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計畢業(yè)設計論文

1、畢業(yè)設計(論文)題目基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計專業(yè)電氣工程及其自動化班級11 電氣 2 班學生張軍( 20113264 )指導教師 李林職 稱 工程師高科學院2015 年摘要摘要音樂噴泉是近年來出現(xiàn)的一種園林建筑與花式觀賞相結(jié)合的一種產(chǎn) 物 ，它集合聲、光、色、形于一體，并產(chǎn)生千變?nèi)f化的水景。隨著可編程 控制器的迅速發(fā)展，音樂噴泉對控制系統(tǒng)的要求也越來越高，使得越來越 多的控制部分需要用可編程控制器來實現(xiàn)。 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。本課題結(jié)合任務書的要求，以音樂噴泉為研究對象，采用三菱PLC作為噴泉的控制器。設計的控制方式有兩種：一種是固定程序運行方式。是 按事先設計好的步驟一步一步進行

2、，循環(huán)執(zhí)行。另一種控制方式是通過音 樂控制噴泉。 是通過 PLC的中斷程序采集播放音樂的音頻信號， PLC對采集 的音頻信號進行標準化算法，將運算的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，通過模擬量輸 出口輸出去控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵轉(zhuǎn)速，達到控制噴泉水 柱的高低跟隨音樂強弱的變化。 聞創(chuàng)溝燴鐺險愛氌譴凈。本次設計對音樂噴泉控制系統(tǒng)的總體功能進行了分析，并且對可編程 控制技術、變頻控制技術的應用、發(fā)展趨勢作了簡要介紹，以及音樂噴泉 控制總體設計方案、電氣系統(tǒng)的整體設計和 PLC 程序設計思路、變頻參數(shù) 設置。本次設計改善了音樂噴泉系統(tǒng)的控制品質(zhì)，提高了音樂噴泉控制系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。 殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。

3、關鍵詞： 音樂噴泉，控制系統(tǒng)，可編程控制器，變頻器ABSTRACTABSTRACTIn recent years, music fountain is the emergence of a garden building combined with a fancy watch a product, its collection of sound, light, color, shape, and generates kaleidoscope waterscape. Along with the rapid development of the programmable controller,

4、music fountain is becoming more and higher to the requirement of control system; make more and more need to use PLC to realize control part釅. 錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。This topic combined with the requirements of the specification, with music fountain as the research object; adopt Mitsubishi PLC as the controller o

5、f the fountain model. Design of the control method has two kinds: one is fixed program operation mode. According to design a good steps in advance step by step, execution cycles. Another way of control is through the music fountain control. By PLC interrupt program audio signal collection and play m

6、usic, audio signal of PLC to standardize algorithm, the algorithm of data into analog and output by analog output to control the output frequency of frequency converter, so as to control water pump speed, to control the fountain water column height to follow music strength changes彈. 貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。The de

7、sign of music fountain control systems overall function is analyzed, and the programmable control technology, the application of variable frequency control technology, the development trends are briefly introduced, as well as the music fountain control overall design, the overall design of the elect

8、ric system and PLC program design and parameter setting of inverter. This design improves the music fountain system control quality; improve the stability of music fountain control system.謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。KEY WORDS: Musical fountain ， Control system，PLC， frequency廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。目錄目錄第 1 章 緒論 11.1 音樂噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀11.2

9、 本文主要研究內(nèi)容及意義31.3 本章小結(jié)3第 2 章 PLC 音樂噴泉控制系統(tǒng)方案確定 42.1 音樂噴泉控制系統(tǒng)設計要求 42.2 音樂噴泉控制系統(tǒng)方案選擇 52.3 本章小結(jié) 6第3章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設計 73.1 PLC 的選型 73.2 變頻器的選型 83.2.1 變頻調(diào)速原理 93.2.2 變頻器參數(shù)設置 133.3 音樂噴泉控制系統(tǒng)總電路設計及工作原理分析 153.4 本章小結(jié) 17 第4章 音樂噴泉控制系統(tǒng)軟件設計 184.1 系統(tǒng)程序流程圖 184.2 系統(tǒng) I/O 端口分配表 184.3 系統(tǒng)程序設計 194.3.1 梯形圖程序設計 194.3.2 指令表程序轉(zhuǎn)換 2

10、1目錄4.3.3 控制程序調(diào)試244.4 系統(tǒng)整體調(diào)試264.5 本章小結(jié)27第5章 總結(jié)與展望285.1總結(jié)285.2 展望28致謝3 0 參考文獻 312015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）第 1 章 緒論1.1 音樂噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀音樂噴泉是一種獨特的人工景觀，具有很大的觀賞價值，通常用于大 型廣場、寬廣的湖面、主題公園等。噴泉的形態(tài)、聲音、色彩形成了一道 人工的自然景觀，同周圍的自然環(huán)境、建筑環(huán)境交相輝映，給原環(huán)境增添 了無限生機。給由鋼筋混泥土組成的城市增添了自然氣息，改善了城市環(huán) 境的質(zhì)量，為人們提供良好的聚集、散步、休閑的室外環(huán)境。由于人們對 生活環(huán)境高的要求，已使音樂

11、噴泉發(fā)展成為一種產(chǎn)業(yè) 1 。煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。目前，我國生產(chǎn)音樂噴泉的公司有上百家，一些公司有很強的實力， 國內(nèi)比較著名的公司有：上海雨琦噴泉工程有限公司，長沙喜馬拉雅音樂 噴泉有限公司，南京泉杰景觀工程有限公司等。這些公司在全國承接各類 大型音樂噴泉等，從工程設計到制作、安裝、調(diào)試提供一套完善的服務體 系。鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。但從實際使用的情況來看我國音樂噴泉公司生產(chǎn)的音樂噴泉同國外相 比，其水平和質(zhì)量還是有不小的差距。原因是水型和燈光實時跟蹤音樂的 “四大要素”（水、聲、光、電）沒有處理好 2 。我國現(xiàn)有的音樂噴泉在音 樂節(jié)奏、強弱、節(jié)奏性、協(xié)調(diào)性、音樂內(nèi)涵的表現(xiàn)等方面還存在不足之處

12、。 目前，國內(nèi)外的音樂噴泉都只能演奏幾首歌曲，這是因為音樂噴泉表演程 序的設計、開發(fā)和調(diào)試非常繁瑣。 籟叢媽羥為贍僨蟶練淨。音樂噴泉控制系統(tǒng)是當今國際上先進的科技成果，集音樂控制、程序 控制、人工智能于一體的工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)。它的控制設備是多媒體工業(yè) PC、PLC或電腦音樂噴泉控制器，它能實現(xiàn)實時音控，自行識別樂曲旋律、 節(jié)奏、樂感和音頻的強弱。該系統(tǒng)是音樂噴泉在控制設備的指揮下，跟隨 樂曲旋律不斷變化水型，并與音樂同步 15 。預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。噴泉的控制系統(tǒng)可采用單片機、可編程控制器，甚至可采用工業(yè)控制鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計機作為控制核心。其電氣設備包括水泵、燈光、

13、音響、變頻器等。一個音 樂噴泉藝術效果的表現(xiàn)力不僅與音樂噴泉的整體造型、噴頭的空間造型、 水泵的功率等硬件因素有關，還與噴泉的程序控制水平有關。硬件是音樂 噴泉的基礎，程序控制是音樂噴泉變化的靈魂。 滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。從德國人 20 世紀發(fā)明音樂噴泉到現(xiàn)在已有幾十年的歷史了， 隨著科學 技術的飛速發(fā)展，音樂噴泉系統(tǒng)的控制水平和科技含量也越來越高，控制 方 法也 越 來越多 ?，F(xiàn)將 主 要的集中 控 制技術 總結(jié)如 下 1 ： 鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。（1）程序控制程序控制是利用預先編寫好的計算機程序來控制噴泉的水形和燈光， 使 水形和燈光產(chǎn)生不同的變化效果，整個系統(tǒng)通過計算機操作界面控制和顯

14、 示，可以實現(xiàn)多個程序的隨機執(zhí)行，系統(tǒng)反應快、靈敏度高，能夠承受一 定的壓力和撞擊，系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于維護和升級。但是對于音樂 特征的識別需要人工完成，即由設計人員對樂曲進行特征提取，編輯處理。 這使得系統(tǒng)曲目受到限制， 如有新的樂曲加入就需要操作員重新編程處理， 會帶來很大的工作量。 擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。（2）實時聲控實時聲控控制方式是目前國內(nèi)絕大多數(shù)音樂噴泉設備公司采用的控制 手段，它可以自動識別和響應任何音頻信號，與程控方式相比，它省去了 預先的編程過程，節(jié)約了成本，但這種控制方式也存在一些問題，首先， 水型動作要比音樂滯后，噴泉動作與音樂不協(xié)調(diào)，其次，水型的出現(xiàn)組合 與出現(xiàn)時間

15、的長短是固定的，不論任何曲目，都會出現(xiàn)表演水型與音樂所 表達的情感不一制。使人聽覺感受和視覺感受不協(xié)調(diào)。第三，樂曲的情感 段落與水型變化的時間不符，而且千篇一律。 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。（3）預編程控制預編程控制是根據(jù)某一首樂曲的情感和意境，人工編制各種水型、動2015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）作、燈光、水泵的開啟和關閉，使噴泉的表演與音樂的情感和意境相吻合。 此功能在控制技術、計算機技術、通信技術方面有一定的綜合難度。 壇摶鄉(xiāng)囂 懺蔞鍥鈴氈淚。（4）變頻控制 音樂噴泉變頻控制是眾多控制系統(tǒng)中的一種。隨著先進的控制理論和 方法在噴泉控制系統(tǒng)中的應用，噴泉的控制系統(tǒng)不斷的完善和升

16、級，其中 變頻技術在噴泉控制系統(tǒng)中的應用也逐漸成熟，并逐步發(fā)展為水泵調(diào)速控 制的主要方式。變頻控制系統(tǒng)的應用會給大型音樂噴泉增色很多，可以使 音樂噴泉的噴射高度隨音樂信號大小變化，使音樂、水花、燈光融為一體， 演出一場交響水詩。因而音樂噴泉變頻調(diào)速技術具有廣闊的應用前景。 蠟變 黲癟報倀鉉錨鈰贅。1.2 課題研究的內(nèi)容及意義音樂噴泉作為一種獨特的人工景觀，其產(chǎn)生的景觀效果非常美麗。在 廣場、平靜的湖面、公園設置一個音樂噴泉，將使原來靜態(tài)的景觀變成動 態(tài)的景觀，其產(chǎn)生的效果不是其他人工景觀可以比擬的。正是這種原因推 動了音樂噴泉的發(fā)展和研究 3 。 買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。本課題采用先進的控制設備

17、，來研究音樂噴泉控制系統(tǒng)。第一，采用 PLC控制技術，研究設計符合項目要求的控制程序。第二，采用變頻技術。 從揚聲器兩段采集的音頻信號作為控制信號，去控制變頻器的輸出頻率， 控制水泵的轉(zhuǎn)速，從而達到噴泉水柱根據(jù)音樂節(jié)奏變化。 綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。在設計中，要解決的問題主要有：水泵電機間歇工作所產(chǎn)生的瞬間電 壓波動和干擾；變頻的高頻大電流抑制；工程的造價及設備的性價比；同 時還要考慮控制系統(tǒng)的可靠性和擴展性。 驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。1.3 本章小結(jié)本章主要對音樂噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡單的介紹，以及音樂噴泉控制鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計系統(tǒng)現(xiàn)有的四種控制技術 （程序控制、 實時聲控

18、、預編程控制、 變頻控制）。 介紹了本課題的研究內(nèi)容和意義和在設計中要解決的主要問題等。 貓蠆驢繪燈 鮒誅髏貺廡。2015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）第 2 章 PLC 音樂噴泉控制系統(tǒng)概述2.1 音樂噴泉控制系統(tǒng)設計要求本次音樂噴泉建立在面積為 20M 2的廣場上。整個音樂噴泉的平面示意 圖如圖 2.1 所示。該音樂噴泉由中心區(qū)和圍繞中心區(qū)的一個環(huán)構(gòu)成。中心 區(qū)是由一個噴頭控制的最大高度為 15M的主水柱，由一臺 7.5kw 的潛水泵 和三菱 FR-F740變頻器控制。中心區(qū)外面一圈有 8 個跑泉，由一臺 4kw 潛 水泵和三菱 FR-F740 變頻器控制。另外中心區(qū)和外層之間

19、有紅、黃、綠3種彩燈共 17 盞。 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。圖 2.1 音樂噴泉平面示意圖 本次音樂噴泉控制系統(tǒng)有兩種工作方式：音樂控制方式和固定程序控 制方式。（1）音樂控制方式。當按下音控按鈕后，延遲 30s 后音控程序啟動， PLC輸入輸出模塊開始采集音頻信號并進行 A/D 轉(zhuǎn)換作為 PLC的輸入信號鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計經(jīng) PLC 處理后控制變頻器的運行，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速和彩燈的變換實現(xiàn) 音控。 構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。（2）固定程序控制方式。當按下程控按鈕后，延遲 30s 后固定控制程 序啟動，首先主水柱運行，延時 20s 后外圈水柱運行，延時 20s 后主水柱 停

20、止，外圈水柱停止，延時 20s 后主水柱、外圈水柱同時運行。 輒嶧陽檉籪癤網(wǎng) 儂號澩。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)音樂噴泉系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定的運行，取決于所采用的 硬件設備和軟件系統(tǒng)。為滿足整個系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行的要求，音樂噴泉 控制系統(tǒng)的設計應遵循以下原則 4 ： 堯側(cè)閆繭絳闕絢勵蜆贅。（1）系統(tǒng)硬件設備先進可靠，技術成熟，具有連接所需的不同參數(shù)信 號的功能，與現(xiàn)場儀表及控制執(zhí)行機構(gòu)等設備的接口規(guī)范，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。 識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。（2）系統(tǒng)軟件技術成熟、可靠，操作系統(tǒng)及開發(fā)平臺版本新，功能先 進、齊全，易于維護、調(diào)試。（3）應用軟件功能完善，實用性強，操作簡單，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。（4）整個系統(tǒng)技術先進，

21、性能可靠，使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)對音樂噴泉 系統(tǒng)的控制和管理。2.2 音樂噴泉控制系統(tǒng)方案選擇本次音樂噴泉控制系統(tǒng)的設計方案主要有兩種可供選擇，方案一： 控 制系統(tǒng)是由單片機、延遲放大電路、光電隔離電路及電磁閥和變頻器組成 , 該控制方案是通過對音樂信號的處理 , 將其轉(zhuǎn)換成匯編程序存入單片機 , 使單片機唱歌 , 而且在改程序之中還 加入其他控制語句。單片機還需噴泉 中的電磁閥和變頻器的動作及燈光的變化 , 其中電磁閥對噴頭控制原理是： 預先根據(jù)設計的花形種類和變化方式 , 通過對電磁閥的開閉進行組合 , 編制 不同的控制字制成表存入單片機 ,當單片機執(zhí)行程序時 , 通過查表的方式去 取不同的花

22、形 , 以達到預想的花形變化 , 這樣花形的變化就隨音樂的節(jié)奏而2015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計(論文)變化。同樣 , 單片機對變頻器的控制也與之類似 , 只不過控制的編制是根據(jù) 音樂的頻率進行編制的 ,而且查表的方式也有所不同 , 因而變頻器根據(jù)所接 受的信號 , 輸出不同的頻率值 , 以控制水泵的轉(zhuǎn)速 , 進而達到控制噴泉管路 中的流量 , 就可以控制水柱的高度和花形大小了。燈光和音響是由同一個 口，經(jīng)過延遲放大電路后 , 使它們達到同步動作 , 而燈光之前必須接一個固 態(tài)繼電器,以驅(qū)動燈具 ,并使之與單片機隔離 5 。方案二：控制系統(tǒng)是由可編 程控制器 (PLC)和變頻器構(gòu)成。

23、音樂分兩路輸出 , 一路經(jīng)功率放大器送到外 部音響 , 另一路經(jīng)可編程控制器 (PLC)送至變頻控制器 , 再經(jīng)變頻器控制水 泵。由于變頻控制器范圍是 5 50Hz,所以變頻器就可以改變水泵的流量 , 從而改變噴泉的噴水效果， 充分發(fā)揮變頻調(diào)速的特點 , 它既可送入音樂信號 形成音樂噴泉 , 也可在內(nèi)存程序的指揮下做各種規(guī)律的運動 , 例如；緩慢上 升, 急速落下；急速上升 , 緩慢下降；在半空中跳躍等。該控制器有三路電 子開關 ,可直接驅(qū)動固態(tài)繼電器 , 繼而控制負載設備運行。其擴展功能可以 使變頻調(diào)速器控制的水型更具活力 , 當噴泉高度隨音樂信號或程控信號增 大而逐漸升高的同時 , 投入運

24、行的水下燈和水型越來越多 , 噴泉則表現(xiàn)得越 來越多彩和熱烈；當噴泉高度隨音樂信號或程控信號減弱而逐漸降低的同 時,投入運行的水下燈和水型越來越少。 這樣, 噴泉在音樂或程序的控制下 , 各色水下燈閃爍、變幻 ,各種水型起伏呼應 , 將為音樂噴泉增加觀賞性和藝 術的美感 5 。凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。鑒于上述二個方案的分析比較 ,由于各具優(yōu)缺點。 方案一控制系統(tǒng)簡單 軟件程序編制靈活 ,花形和流量控制也很靈活 , 只要改變預置的花形表和速 度控制表 , 無須改變程序就可達到不同設計效果 , 而且在考慮經(jīng)濟因素時 可以撤去電磁閥 , 直接改變噴頭下方的球閥來組合成不同的單一花形 , 音 樂噴泉在運

25、行時只在花形大小和高度上發(fā)生變化。而方案二與方案一比較 起來, 優(yōu)點在于放音效果好 , 能實現(xiàn)真人真唱 , 一直能唱出樂曲， 且控制系 統(tǒng)可靠性比方案一要高，因而，通過對比分析，并考慮到音樂噴泉控制系 統(tǒng)需要可靠、穩(wěn)定的運行要求，所以本次設計采用方案二作為音樂噴泉的鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計控制方案，采用三菱 FX1N -40MR型號 PLC作為噴泉的控制器。 恥諤銪滅縈歡煬鞏 鶩錦。2.3 本章小結(jié)本章主要是對音樂噴泉控制系統(tǒng)作了整體概述。 首先對音樂噴泉的整體 結(jié)構(gòu)進行了介紹。然后分析了音樂噴泉的控制要求和現(xiàn)有的控制方式。最 后對現(xiàn)有的控制方式進行分析比較， 選擇了 PLC

26、作為控制核心的控制系統(tǒng)。 鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。2015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）第 3 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設計3.1 PLC 的選用選擇適當型號的 PLC是應用設計中至關重要的一步， 在功能滿足要求的 前提下，應選擇最佳的性能價格比，具體考慮以下幾點： 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。（ 1）I/O 點數(shù)的選擇。 輸入、輸出點數(shù)是衡量 PLC規(guī)模大小的重要指標。 選擇時應在實際使用點數(shù)的基礎上留出 15%20%的備用量 6 。閿擻輳嬪諫遷擇楨 秘騖。（ 2）存儲器容量的選擇。一般小型的 PLC存儲容量是固定的，無法隨 意擴充和調(diào)整，選購時一定要注意，是否滿足要求。 氬嚕躑竄貿(mào)懇彈

27、瀘頷澩。（3）PLC功能的選擇。1）對于開關量控制的應用系統(tǒng)，對控制速度要求不高，選用一般的 低檔機就能滿足要求。2）對于以開關量控制為主，帶有部分模擬量控制的應用項目，應選 用帶有 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，四則運算功能的低檔機。 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。3）對于控制比較復雜，功能要求較高的應用系統(tǒng)，低檔機往往不能 滿足要求，這時可選用中型和大型的 PLC 組成一個分布式控制系 統(tǒng)。 慫闡譜鯪逕導嘯畫長涼。鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計4）PLC運行速度的選擇。 PLC工作時，從輸入信號到輸出控制存在滯 后現(xiàn)象，這對于一般的工業(yè)設備是允許的，但有些設備的實時要 求較高，不能容忍這種滯后

28、現(xiàn)象。但一般滯后時間應控制在幾十 ms之內(nèi)。 諺辭調(diào)擔鈧諂動禪瀉類。（ 4）特殊 I/O 模塊的選擇。選擇哪一種功能的輸入 / 輸出模塊和哪一種 輸出形式，取決與控制系統(tǒng)中輸入 / 輸出系統(tǒng)的種類、 參數(shù)要求和技術要求。 另外，如果控制系統(tǒng)要求進行溫度控制、位置控制、 PID 控制或波形控制， 那么選擇合適的智能模塊會使系統(tǒng)設計變簡單 7 。嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。（5）考慮對 PLC通信聯(lián)網(wǎng)功能的要求。如果 PLC需要與別的通信設備 連接， 需要考慮 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)能力。 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫。考慮到上述因素，結(jié)合“體積小、價格實惠”的原則，本文選用三菱FX1N 40MR型號的 PLC。其特

29、點如下 8：（ 1）一體式可編程控制器：電源、 CPU、存儲器、輸入輸出組成一個 單元的可編程控制器，同時在 AC 電源 DC 輸入型中內(nèi)置傳感器用 DC24V 電源。 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。（2）輸入輸出最大 128 點：輸入輸出擴展設備最大可擴展至 128 點， 擴展模塊或擴展單元只可以使用FX 0N 系列和 FX 2N 系列，另外也可和FX 0N 3A 連接。 紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。（3）不用編制復雜的程序，就能捕捉到最小10s（X0 ， X1） 或 50s（X2X5）的短信號。（4）功能強大的 GX Works2 V1.31H 編程軟件。由三菱公司設計開發(fā)， 適用于 FX1N 40MR

30、 的編程，具有簡單工程和結(jié)構(gòu)化工程兩種編程方式， 支 持梯形圖、指令表、SFC、ST及結(jié)構(gòu)化梯形圖等編程語言， 可實現(xiàn)程序編輯、 參數(shù)設定、網(wǎng)絡設定、程序監(jiān)控、調(diào)試及在線更改、智能功能模塊設置等 功能。 穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。3.2 變頻器的選用102015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）通用變頻器的選擇包括通用變頻器的型號選擇和容量選擇兩個方面， 選擇的原則是：首先其功能特性能保證可靠地事項工藝要求，其次是獲得 較好的性能價格比。通用變頻器類型的選擇要根據(jù)負載特性進行。對于風 機、泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速轉(zhuǎn)矩負載，通?？蛇x擇專用或普通功能型通用 變頻器。對于恒轉(zhuǎn)矩類負載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速

31、精度要求的機械應選用具有 轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型通用變頻器，這種通用變頻器低速轉(zhuǎn)矩、靜態(tài)機 械特性硬度大，不怕負載沖擊，具有挖土機特性。為了實現(xiàn)大調(diào)速比的恒 轉(zhuǎn)矩調(diào)速，常采用加大通用變頻器容量的辦法。對于要求精度高、動態(tài)性 能好、速度響應快的生產(chǎn)機械（如造紙機械、注塑機、軋鋼機等） ，應采用 矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制型通用變頻器 16 。表 3.1 為不同類型變頻器的主 要性能、應用場合： 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。表 3.1 不同類型變頻器的主要性能、應用場合 9控制方式U/f 開環(huán)控制U/f 閉環(huán)控制電壓向量電流向量直接轉(zhuǎn)矩速度控制 范圍1：401：601：1001： 10001 ： 100啟動

32、轉(zhuǎn)矩150%，在 3HZ150%，在 3HZ150%，在 3HZ250%，在 3HZ150%，在 0HZ靜態(tài)轉(zhuǎn)速 精度（ %）（ 2 3）（ 0.2 0.3 ）0.20.020.2反饋裝置不要PID調(diào)節(jié)不要編碼器不要主要應用 場合泵類、風機保持壓力、溫 度、流量一般工業(yè)設置高精度工 業(yè)設備起重電機、電 梯、軋機等設備本次設計的音樂噴泉控制系統(tǒng)中，變頻器所驅(qū)動的負載為水泵，即泵 類負載，故選擇 U/f 開環(huán)控制。即選用三菱 FR-F740 系列變頻器， FR-F740 變頻器是專為風機和水泵負載設計的。其特點如下 10 ：銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。（1）功率范圍： 0.75 630KW；（2）簡易磁

33、通控制方式，實現(xiàn) 3Hz時輸出轉(zhuǎn)矩達 120%；（3）采用最佳勵磁方式，實現(xiàn)更高節(jié)能運行；（4）內(nèi)置 PID，變頻器 / 工頻切換和可以實現(xiàn)多泵循環(huán)運行功能；（5）內(nèi)置獨立的 RS485通訊口；11鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計（6）使用長壽命元件；（7）內(nèi)置噪聲濾波器（ 75K 以上）；（8）帶有節(jié)能監(jiān)控功能，節(jié)能效果一目了然。3.2.1 變頻調(diào)速原理當向一臺三相異步電動機的定子繞組中通入對稱的三相交流電時，就 產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速 n1 沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁 場。由于旋轉(zhuǎn)磁場以 n1 轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導體開始是靜止的，故轉(zhuǎn)子 導體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)

34、生感應電動勢，由于轉(zhuǎn)子導體兩端被短路環(huán) 短接，在感應電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子導體中將產(chǎn)生與感應電動勢方向基本 一致的感應電流。由于通電導體在磁場中要受電磁力的作用，所以有感應 電流的轉(zhuǎn)子導體在旋轉(zhuǎn)磁場中也將受到電磁力的作用，作用于轉(zhuǎn)子導體上 的電磁力對轉(zhuǎn)子的軸，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向是一致的，從 而驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn) 11 。擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類。當將三相異步電動機繞組任意兩相進行交換時，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場方 向?qū)l(fā)生改變。因此，電動機的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動機定子磁場 的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動機磁極對數(shù)和電 源頻率決定 17 。賠荊紳諮侖驟遼

35、輩襪錈。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速為：式(3.1)60 f1 n1 p式（ 3.1 ）中 n1 同步轉(zhuǎn)矩，單位 r /min；f1 定子電源頻率，單位 HZ；p 磁極對數(shù)。異步電動機的轉(zhuǎn)速為：式(3.2)n n1（1 s） 60f1 （1 s）p式（3.2 ）中 s 異步電動機的轉(zhuǎn)差率， s （n1 n）/n1122015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）由式（ 3.2 ）可知，對于極對數(shù)固定的異步電動機，只需供電頻率 f1或 電動機的轉(zhuǎn)差率 s 中的任意一個改變就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。改變轉(zhuǎn)差 率 s 的方法更多用在繞線式異步電動機的調(diào)速中，故對鼠籠式異步電動機 改變供電頻率 f1 是最好

36、的調(diào)速方法。對鼠籠式異步電動機，一般情況下， 轉(zhuǎn)速率 s 很小，所以可近似地認為 n n1 f1 ，考慮到電機的運行性能， 并使電動機得到充分利用，在變頻的同時，電源電壓應根據(jù)負載性質(zhì)的不 同作相應的變化，通常希望氣隙磁通 m維持額定值不變，因為若 m 增大， 將使電動機磁路過分飽和， 引起勵磁電流增加， 功率因數(shù)降低； 若 m 減小， 電動機容量將得不到充分利用 12 。塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊庫。由電動機理論可知，三相異步電動機定子每項電動勢的有效值為E1 4.44kN1 f1N1 m式 （3.3）式（3.3） 中 E1 旋轉(zhuǎn)磁場切割定子繞組產(chǎn)生的感應電動勢，單位 V； m 每極磁通量，單位 W

37、b； N1 定子相繞組有效匝數(shù)； K N1 基波繞組系數(shù)。從電動勢公式可知，因為 U1 E1，若要 m 為定值，則 U1必須隨頻率 的變化作正比變化，即：UfU1 f1 定值式（3.4 ）U1 f1式（ 3.4 ）中 U1，f1 表示變頻后的量。 另一方面，為了保證電動機允許的穩(wěn)定性，希望變頻調(diào)速時，電機的 過載能力不變，即TTNm 定值式 (3.5)由最大轉(zhuǎn)矩公式，并略去定子電阻 R1 ，可得到：13鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計TmTN2m1pU 14 f1(X1 X 2)TN式(3.6 )在忽略鐵芯飽和的影響時， X1 X2 2 f1(L1 L2 )，與頻率 f1成正比， 則

38、式( 3.6 )還可以寫成：式 (3.7)U12 m C f 2Tf1 TNU12U12U1U1式(3.7) 中 C為常數(shù)，為保證變頻前后 m 不變，要求式 (3.8)即：式 (3.9)式(3.9) 說明了在變頻調(diào)速時， 為使電動機的過載能力不變， 電壓 U1的 變化規(guī)律。顯然，對于恒轉(zhuǎn)矩負載，因為TN TN ，由式( 3.9 )可得，UfU1 f1 定值 ，這時既保證了電動機的過載能力 m不變，又滿足 m 為定 U1 f1值的要求。 裊樣祕廬廂顫諺鍘羋藺。但是， E1難于直接測量和控制。當 E1和 f1 的值較高時，定子的漏阻抗 壓降比較小，如果忽略不計，就可以近似的保持定子相電壓 U1 和

39、頻率 f1的 比值為常數(shù)，即認為 U1=E1，保持 U1/ f1=常數(shù)即可，這就是恒壓頻比控制 方式，是近似的恒磁通控制。 倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁。低頻時， U1和 E1都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能 再忽略。這時，認為的把電壓 U1 抬高一些，以便近似的補償定子壓降。帶 定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性為 b 線，無補償為 a 線。恒壓頻比控制 特性如圖 3.1 所示 13 。綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。142015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）3.2.2 變頻器參數(shù)設置10。1）三菱 FR-F740變頻器介紹1）如圖 3.2 為三菱 FR-F740 變頻器端子接線圖15鄧

40、世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計圖 3.2 三菱 FR-F740 變頻器端子接線圖2)FR-F740變頻器基本操作面板介紹 如圖 3.3 為變頻器基本操作面板 10 ：162015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）圖 3.3 變頻器基本操作面板（2）變頻器參數(shù)設置 將電機的參數(shù)輸入變頻器，同時根據(jù)控制要求，將變頻器相關參數(shù)也 輸入變頻器 14 。FR-F740變頻器的參數(shù)設置如表 3.2 所示： 驍顧燁鶚巰瀆蕪領鱺賻。17鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計表 3.2 FR-F740 變頻器的參數(shù)設置 10參數(shù)設定值說明Pr.1601顯示用戶參數(shù)組中登記的參數(shù)Pr.130

41、設定頻率為 50HZPr.141設定為變轉(zhuǎn)矩負載Pr.19380設定電動機的額定電壓為 380VPr.915設定電動機的額定電流為 15APr.350設定電動機的額定頻率為 50HZPr.807.5設定電動機的額定功率為 7.5kwPr.592設定由端子控制變頻器的運行Pr.731頻率由模擬量輸入設定Pr.150電機運行的上限頻率Pr.220電機運行的下限頻率Pr.5715電機啟動時間Pr.115電機制動時間Pr.793設置端子 4與端子 5 接通時電機正轉(zhuǎn)，斷開停止Pr.781不允許反轉(zhuǎn)在基本操作板上設置好上述參數(shù)后，可以運行變頻器。當端子 4 和端 子 5 接通時，電機按設置的下限頻率 2

42、0HZ 開始運行，達到 20HZ的啟動時 間為 5s；斷開端子 4 和端子 5，電機從 20HZ 到停止的時間為 5s。瑣釙濺曖惲錕縞馭篩涼。3.3 音樂噴泉控制系統(tǒng)總電路設計及工作原理分析（1）控制系統(tǒng)總電路設計： 該控制系統(tǒng)的核心設備為可編程控制器 （ PLC）、 模擬量輸入輸出模塊、 FR-F740變頻器，其控制系統(tǒng)總電路原理圖如圖 3.4182015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）音頻信號12V（2）工作原理分析：從電路原理圖可知，控制分為兩部分。一部分是 固定程序運行；另一部分是音樂控制部分。1）音樂控制部分。 當需要使用音樂噴泉時， 此時可按下 SB1按鈕，PLC 的模擬

43、量輸入輸出模塊將采集播放音樂的音頻強度，將其進行 A/D 轉(zhuǎn)換， 比較運算，然后將結(jié)果輸出到變頻器的模擬量輸入端口的4、5 端，控制變19鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，達到控制噴泉水柱高度的目的。 櫛 緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。2）固定程序部分。當噴泉不使用音樂進行控制時，可按下SB2按鈕，PLC運行固定程序， 噴泉按事先設計好的程序運行。 此時變頻器不啟動。 變 頻器只在音樂控制時啟動。原理圖中水泵變頻運行和固定程序運行是不能 同時進行的，否則會給變頻器反送電，燒毀變頻器，所以，在水泵變頻運 行的接觸器 KM4、KM5和水泵固定程序運行的接觸器 KM

44、1、KM2之間，加接 了電氣互鎖。 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應。3）燈光控制部分。無論噴泉運行音樂噴泉控制還是固定程序控制，噴 泉的燈光都按事先設定好的程序運行。3.4 本章小結(jié)本章主要是音樂噴泉控制系統(tǒng)的硬件設計。首先對主要器件進行選型 （PLC選用 FX1N 40MR 型，變頻器選用 FR-F740型）。然后對 PLC的特點、 變頻調(diào)速原理以及 FR-F740 型變頻器的端子分配、變頻器基本操作面板進 行了介紹，對 FR-F740 型變頻器參數(shù)進行設置。最后設計出音樂噴泉控制 系統(tǒng)總電路圖，并對電路原理進行簡單的分析。 峴揚斕滾澗輻灄興渙藺。202015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）

45、21鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計第 4 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)軟件設計4.1 系統(tǒng)程序流程圖PLC的程序設計主要有經(jīng)驗法、 順序功能圖設計法、 邏輯流程圖設計法 15 。根據(jù)實際情況先設計出程序流程圖， PLC從開機，有一個選擇性分支， 提供兩種選擇：一個是噴泉根據(jù)音樂節(jié)奏運行，另一個是噴泉按固定程序 運行。其程序流程圖如圖 4.1 所示。 詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。開始Y結(jié)束4.1 系統(tǒng)程序流程圖4.2 系統(tǒng) I/O 端口分配表I/O 端口分配表是對系統(tǒng)的輸入 / 輸出點的地址分配，有了 I/O 端口分 配表，能夠反映程序里的地址分別代表什么，如果沒有 I/O 端口分配表，22201

46、5 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）就不知道程序?qū)懙氖鞘裁戳耍绻鲥e更不好修改。 則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。音樂噴泉控制系統(tǒng) I/O 端口分配表如表 4.1 所示。表 4.1 音樂噴泉控制系統(tǒng) I/O 端口分配表稱 名 號 信明 說 能 功輸入信號SB10X制 控 樂 音 動 啟2BS1X3BS2X輸出信號1MK0Y動主電機2MK1動外電機3MK24MK35MK44.3 系統(tǒng)程序設計4.3.1 梯形圖程序設計（1）開機梯形圖程序設計。開機梯形圖程序是一個選擇性程序，要么 是音樂控制的噴泉，要么是固定方式運行的噴泉，二者選擇一種運行方式。 梯形圖設計時二者要加程序互鎖。開機程序梯形圖如圖

47、4.2 所示。 脹鏝彈奧秘 孫戶孿釔賻。23鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計圖 4.2 開機梯形圖程序 開機程序中，噴泉從固定程序切換到音樂控制時，因為固定程序控制 中不用變頻器 , 所以程序可以直接切換；但當音樂噴泉實行音樂控制，再切 換到固定程序運行，因為變頻器有個停車時間，所以切換時要延時，延時 時間為變頻器的停車時間，一般為 10s。 鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。（2）音樂控制程序。音樂噴泉程序相對復雜，其程序要啟動變頻器、燈 光，要實時采集音頻信號的變化，然后去控制變頻器的輸出頻率。 稟虛嬪賑維 嚌妝擴踴糶。1）噴泉水柱控制程序。控制噴泉的水泵啟動后，主水柱、外圈水柱要 按事先設

48、計好的順序啟動運行，運行后各水柱根據(jù)音樂的節(jié)奏強弱進行高 低變化。 陽簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。2）燈光啟動程序。噴泉燈光的變化過程，一般是事先設定好的程序， 當變頻器得電，輸出正向頻率，水泵電機啟動即調(diào)用燈光子程序。 溈氣嘮戇萇 鑿鑿櫧諤應。音樂控制梯形圖程序如圖 4.3 所示。242015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）圖 4.3 音樂控制梯形圖程序（3）固定運行梯形圖程序。固定運行梯形圖程序是噴泉不需要用音樂 控制時的另一種控制方式。此時要停止變頻器和音頻信號的采集，只輸出 控制水泵的信號。固定運行梯形圖程序如圖 4.4 所示。 鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤團藺。25鄧世甲：基于 PLC的音樂噴

49、泉控制系統(tǒng)設計音頻采集和燈光系統(tǒng)的子程序如圖 4.5 所示4.3.2 指令表程序轉(zhuǎn)換指令表語句是一種與計算機匯編語言相似的助記符編程方式，用一系列操作指令組成的語句表將控制流程描述出來，并通過編程器送到PLC中去。系統(tǒng)指令表程序如圖 4.6 所示。 懨俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮。262015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）27鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計圖 4.6 系統(tǒng)指令表程序282015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）4.3.3 控制程序調(diào)試（1）開機梯形圖程序的調(diào)試如圖 4.7 為開機梯形圖程序的調(diào)試。當 X0觸點在 10s 內(nèi)未得電，則輔 助繼電器 M510得

50、電，噴泉自動切換為固定程序運行方式。 X2接點得電， 則 噴泉停止運行。 謾飽兗爭詣繚鮐癩別瀘。圖 4.7 開機梯形圖程序的調(diào)試（2）燈光系統(tǒng)梯形圖程序的調(diào)試如圖 4.8 所示為燈光系統(tǒng)梯形圖程序的調(diào)試。29鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計（3）音樂控制梯形圖程序的調(diào)試如圖 4.9 為音樂控制梯形圖程序的調(diào)試。當 X0 觸點得電，則輔助繼電器 M500接通圖 4.9 音樂控制梯形圖程序的調(diào)試302015 屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計(論文)(4) 固定運行梯形圖程序的調(diào)試如圖 4.10 為固定運行梯形圖的調(diào)試。當 X1 觸點得電，則輔助繼電器 M510接通，控制主水柱水泵直接啟動

51、運行，延時 10s 后，外圈水柱水泵啟 動運行，固定程序一直循環(huán)運行。 咼鉉們歟謙鴣餃競蕩賺。圖 4.10 固定運行梯形圖程序的調(diào)試4.4 系統(tǒng)的整體調(diào)試首先按照控制系統(tǒng)總電路原理圖連接好電路， 使 PLC處于 STOP模式狀 態(tài)，下載設計好的 PLC 控制程序，與此同時根據(jù)預先給定的變頻器參數(shù)設 定變頻器。 開啟交流線路總電源和音樂信號控制部分電源， 使 PLC處于 RUN 模式狀態(tài)下，按下 SB1按鈕，啟動音樂控制程序，變頻器延時 30s 啟動后，31鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計同時開啟音源播放音樂， PLC 模擬量輸入模塊采集音頻信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換 后，輸入到變頻器模擬量輸入端口，控制變頻器的輸出頻率，從而控制噴 泉水柱的高度隨音樂節(jié)奏變化，同時音樂噴泉燈光系統(tǒng)也開始按預先設定 好的程序閃爍。當按下 SB3 按鈕后，噴泉停止運行。 瑩諧齷蘄