課程設(shè)計(jì)（論文）PLC在音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、云南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院plc 在音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用申彪（云南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電一體化技術(shù)）【摘要】： 為了改進(jìn)音樂(lè)噴泉的效果,采用plc 多點(diǎn)控制系統(tǒng)代替大量的繼電器線(xiàn)路,通過(guò)plc 對(duì)音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的ssr、彩燈、射燈、水泵的多點(diǎn)控制,編寫(xiě)一些程序和簡(jiǎn)單的連接實(shí)現(xiàn)大量的開(kāi)關(guān)量按照邏輯條件進(jìn)行順利動(dòng)作和進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制。結(jié)果表明,plc 的應(yīng)用不僅能夠進(jìn)行多種水型切換,而且能控制噴泉隨音樂(lè)上下起伏,同時(shí)花式更改方便,sfc 編程設(shè)計(jì)思路清晰?！娟P(guān)鍵詞】： plc 音樂(lè)噴泉 控制系統(tǒng) plc in musical fountain control systemps appl

2、 icationshenbiao(yunnan national defense industry of electromechanical integration technology of career technical college)【abstract】： in order to improve the effect of musical fountain , plc , multi2point cont rol system , is applied to replace a large number of relay circuit s. plc can cont rol ssr

3、 , the colorde lantern , the spotlight and t he water p ump in musical founain multi2point s cont rol system by writing some procedures and simple connec2 tions , and carry on t he smoot h movement and accomplish logic chain of protection for the cont rol of move2 ment according to t he logical cond

4、ition. the result indicates t hat plc can not only achieve water2switc2 hing , but al so cont rol musical fountain up and down wit h music. the plc make floral formula change eas2 ily and t he design of programming sfc is clear .【key words】: plc ; music fountain ; cont rol system ; 目錄一、 噴泉設(shè)計(jì)概況.1（一）噴

5、頭布置.1（二）水下彩燈布置.1（三）水泵布置.1（四）燈光的控制.1（五）時(shí)間同步.2 （六）音樂(lè)選曲、plc 控制程序的編制.2 （七）程序調(diào)試.3 （八） 聲音輸出.3 （九） plc 的配置.3二、 音樂(lè)噴泉設(shè)置.3（一）水泵控制.4 （二）水形花樣.4 （三）二至五圈單個(gè)噴s30.5 （四）三至五圈組噴且最后全噴s3.1.5 （五）六圈抖動(dòng)和第一圈直噴.6 （六）雷達(dá)掃描s33.6 （七）第二、三、五圈對(duì)跑.63、 plc控制系統(tǒng)方案.7 （一）控制電路的硬件設(shè)計(jì).7 （二）控制電路的軟件設(shè)計(jì).9四、結(jié)論.14五、參考文獻(xiàn).15六、致謝.16隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市建設(shè)日新月異,噴泉

6、水景逐漸成為了城市中一道靚麗的景觀。在大型公園、廣場(chǎng)、樓盤(pán)社區(qū)隨處可見(jiàn),只是規(guī)模大小、控制方式存在差別。特別是利用現(xiàn)代化的控制技術(shù),將噴泉的造型(根據(jù)噴頭分布情況組成的花形)、音樂(lè)、燈光三種元素進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合,相互映襯,使噴泉展現(xiàn)出美輪美奐的景象,享有“水上芭蕾”的美譽(yù)。1、 噴泉設(shè)計(jì)概況(一) 噴頭的布置 在20 m 直徑的園內(nèi)做旱地式噴泉。中心為一攙氣噴的噴柱,噴8 m ,類(lèi)似雪松,標(biāo)號(hào)p1 ;第二圈向外斜噴,噴高4 m ,標(biāo)號(hào)p2 ;三至五圈是噴柱足夠粗的萬(wàn)向直噴,標(biāo)號(hào)分別為p3 , p4 ,p5 ;第六圈由禮花噴和向內(nèi)斜噴組成,標(biāo)號(hào)p6 。它們都受控制且可配合音樂(lè)進(jìn)行噴射。二至五圈共1

7、76 個(gè)噴頭,每個(gè)噴頭安裝電磁閥由plc 控制其開(kāi)閉以達(dá)到噴射花樣繁多的目的;第一和第六圈不安裝電磁閥直接控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)噴射花樣的變化。 (二) 水下彩燈的布置使用l ed 燈(50 粒) ,雙重防水。每個(gè)噴頭下安裝2 個(gè),中心噴安裝8 個(gè)。共632 盞;每盞都受控于plc ,可根據(jù)花樣的噴射要求而亮滅。 (三)水泵的布置該系統(tǒng)共安裝16 臺(tái)水泵。其中第一圈1 臺(tái),功率為3 kw;第二圈、第三圈各2 臺(tái),每臺(tái)2. 2 kw;第四圈2臺(tái),每臺(tái)3 kw;第五圈3 臺(tái),每臺(tái)2. 2 kw;第六圈5 臺(tái),每臺(tái)2. 2 kw;排污泵1 臺(tái),5. 6 kw。水泵布置見(jiàn)圖1 所示。 (四)燈光的控制根

8、據(jù)燈光的顏色(最好選取紅、黃、藍(lán)三原色)、安裝位置、照射角度,進(jìn)行燈光工作狀態(tài)的排列組合,編制相應(yīng)的子程序,賦予對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間數(shù)值,與水泵花形的時(shí)間類(lèi)型、數(shù)值相一致,其顏色可以一致,也可以不一致體現(xiàn)動(dòng)感,還可以進(jìn)行某兩種或某三種顏色的疊加,生成另外不同的顏色,豐富燈光的色彩。 (五)時(shí)間同步 這是整個(gè)音樂(lè)程控噴泉控制中最重要、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),因?yàn)橐魳?lè)程控噴泉展示整體效果的協(xié)調(diào)性直接與時(shí)間同步有著非常密切的關(guān)系,如果時(shí)間同步有差異,會(huì)導(dǎo)致音樂(lè)、花形和燈光不是一個(gè)整體,觀賞效果大打折扣,所以此環(huán)節(jié)是核心環(huán)節(jié)?！皶r(shí)間同步”在這里包含了三個(gè)層面的時(shí)間。 是指音樂(lè)播放時(shí)間段的精度和plc控制程序時(shí)間段的精

9、度相一致,而且兩者之間的關(guān)系是同時(shí)開(kāi)始、同時(shí)停止; 根據(jù)音樂(lè)曲設(shè)置樣式目的節(jié)奏、氣勢(shì)所劃分的播放時(shí)間長(zhǎng)度,要與相對(duì)應(yīng)的水泵、燈光子程序所持續(xù)工作的時(shí)間長(zhǎng)度一致,也就是水泵花形和燈光要隨著音樂(lè)曲目產(chǎn)生的變化而變化,否則觀賞時(shí)會(huì)出現(xiàn)音樂(lè)、花形和燈光三者之間的關(guān)系不夠緊密,有一種脫節(jié)不搭調(diào)的感覺(jué); 在同一時(shí)間段內(nèi),水泵花形與燈光子程序的工作持續(xù)或間斷時(shí)間相一致,時(shí)間具體數(shù)值要考慮人體的視覺(jué)暫留時(shí)間,這樣水泵花形和燈光會(huì)形成一個(gè)整體,同時(shí)開(kāi)始、同時(shí)結(jié)束,整齊劃一,花形程序和燈光程序可以一對(duì)一,也可以多對(duì)多,豐富觀賞的效果。 plc 時(shí)間與播放音樂(lè)軟件之間也存在時(shí)間跟蹤、同步問(wèn)題。利用windows 媒

10、體播放器提供的activex 接口,可以直接在監(jiān)控軟件中(例如西門(mén)子的wincc)調(diào)用播放器來(lái)播放音樂(lè),并同時(shí)得到當(dāng)前音樂(lè)播放的位置。得到了音樂(lè)以及當(dāng)前的播放信息,就可以比較方便地通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)整首歌中各個(gè)時(shí)間段噴泉所需要展現(xiàn)的各種花型。例如這里選擇給時(shí)間分段,在音樂(lè)的基本小節(jié)整數(shù)倍長(zhǎng)度的小的時(shí)間段上預(yù)先編制好噴泉的各種基本動(dòng)作,后期編制整體花型時(shí)會(huì)更加方便管理。當(dāng)然,在整個(gè)過(guò)程中,噴泉也可以脫離音樂(lè)來(lái)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn),方便日常的維護(hù)和花型的調(diào)試。(六)音樂(lè)選曲、plc 控制程序的編制音樂(lè)選曲應(yīng)選取節(jié)奏變化明顯、氣勢(shì)抑揚(yáng)頓挫的曲目,盡量不要選取節(jié)奏區(qū)別不明顯、氣勢(shì)變化不突出的曲目,否則會(huì)給程序中花型的

11、編制帶來(lái)較大的困難,同時(shí)也可能導(dǎo)致噴泉整體效果不明顯。一旦音樂(lè)曲目選定,就要?jiǎng)澐植シ诺臅r(shí)間段,可以根據(jù)節(jié)奏、樂(lè)感進(jìn)行劃分,也可以借助專(zhuān)業(yè)音樂(lè)軟件進(jìn)行劃分,并記錄好已劃分的時(shí)間段。這個(gè)過(guò)程需要反復(fù)推敲,確保劃分時(shí)間段的準(zhǔn)確性,以便最終能夠得到更好的整體效果。然后,根據(jù)已劃分好的時(shí)間段編制程序,所選取的程序要與當(dāng)段音樂(lè)所表現(xiàn)的內(nèi)涵、氣勢(shì)和情感相協(xié)調(diào),充分體現(xiàn)效果。這里采取調(diào)用子程序的辦法來(lái)完成整首曲的花型效果,在編制整首曲的花型時(shí)僅僅是在預(yù)先設(shè)定好的基本動(dòng)作的基礎(chǔ)上進(jìn)行編排,修改曲目對(duì)應(yīng)的動(dòng)作譜,事半功倍。于是,在每個(gè)時(shí)間小節(jié)的開(kāi)頭,只需要開(kāi)啟這個(gè)時(shí)間段配合樂(lè)曲的基本花型動(dòng)作的子程序(包括水泵和燈

12、光程序),這樣就比較容易做到音樂(lè)、噴泉、燈光的緊密結(jié)合。(七) 程序調(diào)試程序編制完成后,制作plc 工作時(shí)的工作界面(能夠遠(yuǎn)程表現(xiàn)噴泉當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)),可以看到在整首樂(lè)曲的所有時(shí)間段內(nèi)的所有程序以及在同一時(shí)間段內(nèi),開(kāi)啟和關(guān)閉的水泵和燈光的動(dòng)作譜和演示每一時(shí)刻的各個(gè)執(zhí)行元件的執(zhí)行狀態(tài),這樣可以在現(xiàn)場(chǎng)看效果,通過(guò)觀賞,詢(xún)問(wèn)記錄他人的感受,記錄下覺(jué)得需要進(jìn)行調(diào)整的部分,修改程序中相應(yīng)的動(dòng)作譜的內(nèi)容,改變相應(yīng)的子程序的調(diào)用次序,從而使得噴泉和燈光和音樂(lè)配合的更好。(八) 聲音輸出可以直接將電腦的聲卡輸出的音頻信號(hào)接入調(diào)音臺(tái)與功率放大器、均衡器、壓限器等音響設(shè)備串接,最后從現(xiàn)場(chǎng)的音箱輸出音樂(lè)。(九) p

13、lc 的配置根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)就可以確定plc 的硬件配置方案。根據(jù)噴泉整體的水泵臺(tái)數(shù),1臺(tái)接觸器控制的水泵對(duì)應(yīng)plc模塊上的1 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn),1臺(tái)變頻器控制的水泵對(duì)應(yīng)plc 模塊上的1 個(gè)模擬量輸出點(diǎn),1 組單獨(dú)控制的led 燈光對(duì)應(yīng)1個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn),根據(jù)它們的總數(shù)來(lái)配置plc 的硬件組成。例如plc 選用32 點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊時(shí),通過(guò)計(jì)算就能得到該種類(lèi)模塊所需要的數(shù)量。根據(jù)具體的工作環(huán)境,還可能相應(yīng)的需要選擇避雷設(shè)備,來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。二、音樂(lè)程控噴泉設(shè)置噴泉是利用水泵工作所產(chǎn)生的壓力,從噴頭噴射出水柱,將若干臺(tái)水泵按照一定的型號(hào)、位置進(jìn)行安裝,結(jié)合不同類(lèi)型的噴頭,就可以產(chǎn)生各種各樣的花形。

14、我們可以將每一臺(tái)水泵視為一個(gè)工作點(diǎn),編制程序,通過(guò)plc 的模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)點(diǎn)的控制,也就是通過(guò)對(duì)每臺(tái)水泵執(zhí)行回路中的接觸器或傳動(dòng)裝置進(jìn)行控制,達(dá)到控制水泵工作狀態(tài)的目的。為展示噴泉的藝術(shù)感,通常會(huì)配以相應(yīng)的曲目,根據(jù)所選曲目的節(jié)奏快慢、抑揚(yáng)頓挫,編制相應(yīng)的水泵控制程序來(lái)體現(xiàn)音樂(lè)的內(nèi)涵。其中,最重要的環(huán)節(jié)就是時(shí)間同步,即將樂(lè)曲的播放時(shí)間根據(jù)節(jié)奏、樂(lè)感分解為若干個(gè)時(shí)間段,在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)編制相應(yīng)的水泵、燈光控制程序,調(diào)整曲目播放的時(shí)間精度和plc 編程的時(shí)間精度相同,而且在同一時(shí)間段內(nèi),水泵和燈光的子程序工作時(shí)間相同,從而在視覺(jué)上達(dá)到同步的觀賞效果。在夜間配合燈光來(lái)提升噴泉的觀賞效果,選用可編程控制

15、的led 燈光,通過(guò)rs485 接口接入控制器,可完成對(duì)其的集中控制。根據(jù)燈光顏色、照射花形的角度、音樂(lè)曲目進(jìn)行編制程序,燈光工作時(shí)間也要和音樂(lè)、水泵的時(shí)間同步,其原理與控制水泵原理相同,在這里不再贅述。(一)水泵的控制根據(jù)水泵的型號(hào)、花形及分布位置,進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào),并與plc 模塊的點(diǎn)數(shù)編號(hào)一一對(duì)應(yīng),將同一花形的水泵進(jìn)行編組,對(duì)每組花形的水泵的工作先后順序、工作方式(整體還是單獨(dú))進(jìn)行排列組合,編制相應(yīng)的子程序并進(jìn)行編號(hào),賦予對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間數(shù)值,控制水泵的工作時(shí)間,工作時(shí)間類(lèi)型可持續(xù),也可以間斷,兩者的表現(xiàn)形式為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。另外,通過(guò)添加變頻器來(lái)表現(xiàn)柔美曲目的花形,增添噴泉的美感。在plc 和

16、變頻器之間建立對(duì)應(yīng)的等量關(guān)系,將plc 的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速的模擬信號(hào),實(shí)現(xiàn)水泵的動(dòng)態(tài)工作狀態(tài),然后根據(jù)花形的形狀要求對(duì)其進(jìn)行排列組合,編制相應(yīng)的子程序并進(jìn)行編號(hào)。(二)水形花樣噴泉的噴射效果則取決于控制器設(shè)置的水形花樣和藝術(shù)性,這部分是噴泉美感成功的關(guān)鍵。使用plc 進(jìn)行花樣控制非常簡(jiǎn)單容易,以后如果想改變、增加噴泉的水形,也不需要改變硬件,只要改變plc 編程程序就可實(shí)現(xiàn)。該花式噴泉有6 種噴水花樣可供選擇。時(shí)空隧道s23第三圈、第五圈交替噴,第一圈保持。(第三圈所有電磁閥、電機(jī)打開(kāi)保持0. 8 s 后第五圈所有電磁閥、電機(jī)打開(kāi)保持0. 8 s ,交替噴;其間第一圈一直處于噴

17、射狀態(tài),15 s 后停止) 。然后三至五圈交替噴后同時(shí)噴。(第三圈先噴;5 s 后第四圈噴,第三圈電機(jī)停;保持5 s 后第五圈噴第四圈電機(jī)停;5 s 后三至五圈同時(shí)噴保持30 s ;第一圈一直處于噴射狀態(tài)) 。最后重復(fù)上述動(dòng)作兩次。(三) 二至五圈單個(gè)噴s30跑泉:兩個(gè)噴頭為一組噴射,從第二圈前兩個(gè)開(kāi)始依次打開(kāi),每新開(kāi)一組關(guān)閉前一組,到第九組時(shí)同時(shí)再開(kāi)第一組,兩組以間隔八組的距離同開(kāi)同關(guān),形成前后浪結(jié)構(gòu),到第五圈最后兩個(gè)結(jié)束,再反向從第五圈最后一組開(kāi)始,到第二圈結(jié)束。當(dāng)有新一圈噴頭打開(kāi)時(shí),新一圈的電機(jī)同時(shí)打開(kāi),當(dāng)某一圈所有的噴頭關(guān)閉時(shí),該圈電機(jī)關(guān)閉。(四) 三至五圈組噴且最后全噴s31第一段4

18、 個(gè)噴頭為一組,從第三圈前4 個(gè)開(kāi)始依次打開(kāi),每新開(kāi)一組關(guān)閉前一組到第五圈最后4 個(gè)結(jié)束,每一組工作0. 2 s ,如此循環(huán)。第二段三至五圈所有電機(jī)和電磁閥同時(shí)打開(kāi)噴射,同時(shí)關(guān)閉,直噴。(五) 第六圈抖動(dòng)和第一圈直噴s32第一圈和第六圈電機(jī)同時(shí)開(kāi),第一圈、第六圈分別抖動(dòng),第一圈水柱產(chǎn)生竹節(jié),第六圈產(chǎn)生隧道。(六) 雷達(dá)掃描s33第一段位于同一徑向位置上的三至五圈噴頭從各圈首個(gè)依次同時(shí)打開(kāi)并保持,直到所有噴頭全部打開(kāi)后再?gòu)氖讉€(gè)依次關(guān)閉,直到全部關(guān)閉;第二段位于同一徑向位置上的三至五圈電磁閥從每圈首個(gè)依次同時(shí)打開(kāi)并保持,直到一半噴頭打開(kāi)后再?gòu)氖讉€(gè)依次關(guān)閉;此花樣噴射效果類(lèi)似于雷達(dá)屏幕的掃描。(七)

19、 第二、三、五圈對(duì)跑s34第一段第一圈抖動(dòng),第二、五圈對(duì)跑。第一圈電機(jī)打開(kāi)并產(chǎn)生抖動(dòng)花樣,第二圈噴頭從第一個(gè)開(kāi)始按逆時(shí)針依次打開(kāi),每個(gè)保持0. 1 s ,到第二圈最后再反向從第二圈最后一個(gè)開(kāi)始按順時(shí)針依次打開(kāi),同時(shí)第五圈按順時(shí)針依次打開(kāi),每個(gè)保持0. 1 s。最后,同時(shí)打開(kāi)第二圈和第五圈電磁閥,保持3. 2 s 后關(guān)閉。第二段第三圈電磁閥從第一個(gè)開(kāi)始按順時(shí)針依次打開(kāi),每個(gè)保持0. 1 s ,再反向從第三圈最后一個(gè)開(kāi)始,到第三圈結(jié)束。最后同時(shí)打開(kāi)第三圈電磁閥?；咏Y(jié)構(gòu)的剖析見(jiàn)表1 所示。表1 關(guān)于花樣結(jié)構(gòu)的剖析序號(hào)花樣名稱(chēng)程序分段第一段第二段第三段第四段三至五圈交替三、五圈交替三至五圈交替三至五

20、圈全噴二至五圈單個(gè)噴單個(gè)噴、前后浪 三至五圈逐組噴逐組噴全噴 第六圈抖動(dòng)、第一圈直噴抖動(dòng)、直噴 雷達(dá)掃描全圈噴停留半圈噴停留 第二、三、五圈對(duì)跑第一圈抖動(dòng)、第二、五圈對(duì)跑第三圈單噴。三、plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案plc 控制設(shè)備實(shí)施對(duì)噴泉的控制有3 種(1) 音控音樂(lè)模塊采集到音樂(lè)的節(jié)奏信號(hào)后轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)信號(hào)作為plc 的第四號(hào)輸入點(diǎn)(x004) 的輸入信號(hào), plc 按程序運(yùn)行,輸出控制電機(jī)和噴頭開(kāi)閉。(2) 手控當(dāng)開(kāi)關(guān)選擇為手控時(shí),控制柜面板上控制各路水泵及各圈彩燈的按鈕開(kāi)關(guān)可起作用,每個(gè)按鈕都是plc 的一個(gè)輸入點(diǎn),可單獨(dú)控制每一圈的水泵起停及每一圈彩燈的亮滅;另外,面板上還有三個(gè)特色花樣的按

21、鈕,分別是時(shí)空隧道、第六圈抖動(dòng)和交替抖動(dòng),當(dāng)按下其中一個(gè)時(shí),噴泉按照該特色花樣運(yùn)行。(3) 程控選擇開(kāi)關(guān)打至程控時(shí),噴泉按照plc 內(nèi)已存的花樣循環(huán)運(yùn)行。(一)控制電路的硬件設(shè)計(jì)plc 輸入輸出分配本控制系統(tǒng)采用日本三菱公司plc 的fx 2n248 mr20011 臺(tái),擴(kuò)展單元: 三菱fx2n248 er 1 臺(tái), 擴(kuò)展模塊: 三菱fx 2n216eyr 9 塊,共計(jì)188 個(gè)輸出點(diǎn)。噴泉控制系統(tǒng)plc 輸入輸出分配圖4 如圖2 所示。plc 控制回路音樂(lè)噴泉需要用到水泵、電磁閥、彩燈等器件,plc 按照程序?qū)@些器件進(jìn)行控制,以實(shí)現(xiàn)音樂(lè)噴泉不同的花樣和程控、音控、手控之間的轉(zhuǎn)換。其plc

22、多點(diǎn)控制回路見(jiàn)圖。采用可編程序控制器plc 控制,通過(guò)程序軟件,發(fā)出控制指令信號(hào),以控制相應(yīng)的“固態(tài)繼電器”,進(jìn)而使電磁閥、彩燈、射燈、水泵按照預(yù)先編制好的花樣來(lái)動(dòng)作,以達(dá)到噴泉控制的要求。(二)控制電路的軟件設(shè)計(jì)采用sfc(順序功能圖) 的編程方法設(shè)計(jì)控制程序。sfc編程方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法相比,可以讓編程者每次只考慮一個(gè)狀態(tài),而不用考慮其它的狀態(tài),使編程更容易,尤其適合工序步進(jìn)順控類(lèi)型的控制程序的設(shè)計(jì)。由于該花式噴泉有3 種工作方式可供選擇,在設(shè)計(jì)sfc 圖時(shí),采用sfc 中的選擇分支來(lái)實(shí)現(xiàn),即每一分支對(duì)應(yīng)一種工作方式1 。sfc 圖見(jiàn)圖8 和圖9 所示。四、結(jié)論采用plc 控制音樂(lè)噴泉,實(shí)現(xiàn)了3 種方式控制噴水,因而使整個(gè)控制系統(tǒng)具有更大的靈活性。用pl