變頻器 可編程控制器在彩色音樂噴泉系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、變頻器 可編程控制器在彩色音樂噴泉系統(tǒng)中的應(yīng)用引言二十一世紀(jì)是一個快速發(fā)展的世紀(jì)，是一個生活節(jié)奏快速，生活 壓力較大，生活質(zhì)量要求提高的世紀(jì)， 那么隨著生活水平的不斷提 高，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和審美思維的創(chuàng)新，以及人們城市化生活方 式的提高，彩色音樂噴泉在城市和社區(qū)環(huán)境建設(shè)中起著尤其重要的作 用。因此以高新技術(shù)為主的各種新型水景工程：音樂噴泉、超高噴泉、 激光水幕電影、超大瀑布、百米跑泉、跳跳泉等，都在我國相繼出現(xiàn)。 程控花式噴泉是將現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于人工噴泉，通過可編程序控制 器（PLC）來控制噴泉的水姿變化，成為一種新的噴泉藝術(shù)形式。PLC 作為一種自動控制器，包含有基本的軟硬件資源。本文

2、采用了 PLC 控制技術(shù)，給出了PLC控制電路，水泵控制電路，彩燈控制電路。隨 著科學(xué)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，變頻調(diào)速器技術(shù)正大步走進噴泉控制領(lǐng) 域，發(fā)揮著不可替代的作用。通過變頻調(diào)速技術(shù)對電泵進行調(diào)速，實 現(xiàn)程序控制噴泉的高度，不僅能夠進行多種水型切換，而且能控制噴 泉水柱上下起伏。實現(xiàn)了對噴泉的水、光協(xié)調(diào)控制要實現(xiàn)噴水高度的連續(xù)控制，就必須能夠調(diào)節(jié)噴頭出水水壓，而 通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速可以達(dá)到平滑調(diào)節(jié)水壓的目的。水泵由電機來驅(qū) 動，通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)以上的要求。三相異步電動機通入工 頻電源，轉(zhuǎn)速是不變化,變頻器是專門針對電機調(diào)速裝置。選用變頻 器來實現(xiàn)對三相電機的控制。由音源輸出音樂信號，通

3、過音頻控制板 輸出的可變電壓來控制變頻器工作，進而實現(xiàn)控制水泵的轉(zhuǎn)速，使水 柱發(fā)生變化。 LED 燈用來顯示噴泉的運行狀態(tài)。噴泉在晚上運行時， 會打開彩燈配合噴泉的花樣。當(dāng)變頻器的控制電壓為零時，變頻器停 止工作，水泵也會隨之停止工作，達(dá)到關(guān)掉水泵的目的。第一章 元器件選擇潛水泵的選擇根據(jù)噴泉的規(guī)模和設(shè)計要求，我們選擇潛水泵的型號和數(shù)量，以及管路的口徑，（以下案例為例）圖 1 噴泉布置平面圖根據(jù)場地大小確定噴泉有幾組造型，再確定各種造型的管路的半 徑。再根據(jù)設(shè)計要求如；出水量 水型高度等確定每臺水泵的型號PLC 的選擇根據(jù)設(shè)計水泵的數(shù)量其他點位的需求本案例選擇了20點的 PLC變頻器的選擇根據(jù)

4、潛水泵的功率大小，本案例是8 臺（4臺音控，4 臺程控）， 每臺3KW所以選擇的變頻器為15KW。交流接觸器，熱繼電器的選擇 根據(jù)潛水泵電流的大小選擇匹配的交流接觸器和熱繼電器空氣開關(guān)的選擇根據(jù)空氣開關(guān)所帶的負(fù)載和功能選擇匹配的型號的空氣開關(guān)音頻轉(zhuǎn)換器為專利產(chǎn)品第二章 工作原理變頻器工作原理變頻器的電源L1 L2 L3 （見圖2）由控制柜中的空氣開關(guān)或 者交流接觸器提供，變頻器的U V W 輸出到潛水泵電機，將變 頻器的信號輸入端11 12 13分別接到音頻轉(zhuǎn)換器的輸入端，并將XI X2 X3接到中間繼電器的敞開觸點，這樣在音源（DVD VCD電腦 等）對音頻轉(zhuǎn)換器輸出音樂信號時，音頻轉(zhuǎn)換器會

5、有一個5V-10V的 電壓信號作用于變頻器，控制變頻器輸出頻率在0HZ-50HZ之間變 換，從而達(dá)到對潛水泵電機的轉(zhuǎn)數(shù)的控制，由于電機的轉(zhuǎn)數(shù)有變化 出水量就不一樣，從而達(dá)到了管路中水的壓力的不同，體現(xiàn)在管路中 噴頭噴出水柱的高低變化不同，也就達(dá)到了隨音樂變化的效果。變頻 器具體設(shè)置參數(shù)為加速時間，設(shè)置為 0.1-0.8 可以使水柱柔和或者瞬間升起。減速時間，設(shè)置為0.1-0.8 可以使水柱柔和或者瞬間降落。上限頻率，根據(jù)噴泉水柱的高度要求可以設(shè)置為50HZ以內(nèi)的任何頻率數(shù)值。下限頻率，根據(jù)噴泉水柱的最低高度要求可以設(shè)置為50HZ以內(nèi)的任何頻率數(shù)值。2.1.5LED 監(jiān)視選擇，可以根據(jù)實際需要和

6、監(jiān)視習(xí)慣選擇想要監(jiān)視的運行參數(shù)顯示。2.1.6 多步頻率設(shè)定，可以根據(jù)設(shè)計和視覺效果對變頻器的頻率設(shè)計幾個固定值，在PLC程序的控制下能夠達(dá)到更多的造型組合，以便達(dá)到更強的視覺沖擊效果。根據(jù)電機的級數(shù)不同選擇2或 4.2.2 PLC 工作原理PLC 的種類繁多，但其結(jié)構(gòu)和工作原理則大同小異，一般由中 央處理單元(CPU)存儲器，輸入、輸出單元，編程器，電源等主要 部分組成。PLC的工作過程是循環(huán)掃描的過程，用戶程序通過編 程器或其它輸入設(shè)備輸入存放在PLC的用戶存儲器中。當(dāng)PLC開 始運行時，CPU根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控程序的規(guī)定順序，通過掃描，完成備 輸入點的狀態(tài)采集、用戶程序的執(zhí)行、各輸出點狀態(tài)的更

7、新、編程 器健入響應(yīng)和顯示更新、及CPU自檢等功能。PLC的掃描可按固定順序進行，也可按用戶程序規(guī)定的可變順 序進行。這不僅僅因為有的程序丕需要每掃描一次，執(zhí)行一次，也 因為在一個大控制系統(tǒng)中，需要處理的I/O點數(shù)較多。通過不同的 組織模塊的安排，采用分時分批掃描執(zhí)行的方法，可縮短掃描周期 和提高控制的實時相應(yīng)性。PLC采用集中采樣、集中輸出的方式，減少了外界干擾的影響。 PLC 的工作過程分三個階段進行，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段 和輸出刷新階段。如圖(3)所示。2.2.1 輸入采樣階段PLC 在輸入采樣階段，首先掃描所有的輸入端子，將各輸入存 入內(nèi)存中各對應(yīng)的輸入映像寄存器。此時，輸入映

8、像寄存器被刷新。 接著進入程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入映像寄存器與外界隔離， 無論信號如何變化其內(nèi)容不變直到下一掃描周期的輸入采樣階段， 才重新寫入輸出入端的新內(nèi)容。圖 3 PLC 掃描工作過程2.2.2 程序執(zhí)行階段根據(jù)PLC梯形圖程序的掃描原則，PLC按先左后右，先上后 下的步序語句逐句掃描。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是 否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。當(dāng)指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時， PLC 從輸入映像寄存器中“讀入”上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀 態(tài)。從輸出映像寄存器“讀入”對應(yīng)輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。 然后，進行相應(yīng)的運算，運算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對于 元件映像寄存器來說

9、，每一個元件（輸出軟繼電器的狀態(tài)|）會隨著 程序執(zhí)行過程而變化。2.2.3 輸出刷新階段在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有輸出繼電器的 狀態(tài)（接通/斷開）在輸出刷新階段存到輸出鎖存寄存器中，通過一 定方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。對于小型PLC, I/O點數(shù)較少，用戶程序較短，采用集中采樣、集中輸出的工作方式雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但 從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的可靠性增強。而中大型PLC,輸入輸出點數(shù)較多，控制功能強，編制的用戶程序相應(yīng)較長，為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，可以采用定周期輸入采樣、輸出刷新，直接輸入采樣、直接輸出刷新，中斷輸入輸出和智能化I/O接口等方式。2.

10、3 噴泉工作原理音樂控制在以上案例中有8臺潛水泵，其中4臺是變頻器輸出電源,4臺是50HZ 工頻電源，也就是說其中4臺泵受變頻器控制。那么當(dāng)噴泉運行開始音樂 響起的時候，由音頻轉(zhuǎn)換器輸出到變頻器的5V-10V的信號作用于變頻器， 而與之對應(yīng)的變頻器的輸出頻率也在0 HZ-50HZ之間變換，那么在噴泉現(xiàn) 場的直觀體現(xiàn)就是管路噴頭噴出的水柱高低不同。2.3.2 自動控制PLC有輸入端子和輸出端子，其中24V （見電氣原理圖）是PLC自身 生成的，當(dāng)24V分別通過中間繼電器和P01 P02，等單獨連接時，輸出端 也對應(yīng)輸出，這樣就做到了手動運行。當(dāng)24V和P00 （見附錄梯形圖）通 過中間繼電器連接

11、時，PLC按照輸入程序輸出，也就是說所有輸出點按程 序開始運行,我:I才粽 卍：卞巾憑 khAPvAA ma阿 aaAAA 噸二特：師 AjA1?xa我:I才粽 卍：卞巾憑 khAPvAA ma阿 aaAAA 噸二特：師 AjA1?xa：93圖 4 電氣原理圖2.3.3 彩燈的控制由圖 4 電氣原理圖可知，每一路彩燈的控制都由潛水泵的交流接觸器來 完成，也就是說當(dāng)每一路潛水泵運行時，他所對應(yīng)的彩燈都同時點亮，這 樣就做到了水和燈同步運行。第三章 音樂噴泉的控制系統(tǒng)組成一個噴泉工程有以下幾大部分組成見圖PLCPLC 是整個噴泉系統(tǒng)中的 CPU, 噴泉運行過程中各種水型的體 現(xiàn)，各種燈光的配合，都

12、是PLC發(fā)出指令由下一級電氣元件去執(zhí)行。中間繼電器中間繼電器起著承上啟下的作用，PLC發(fā)出的指令由中間繼電器 轉(zhuǎn)達(dá)到各個元器件去執(zhí)行。音樂信號處理系統(tǒng) 音樂信號處理系統(tǒng)可以把音源傳輸來的信號放大轉(zhuǎn)換成為0-10V的電壓信號，然后把此信號傳輸給變頻器。變頻器變頻器可以把380V 50HZ的交流電從0HZ到50HZ變換輸出， 從而達(dá)到控制潛水泵電機的轉(zhuǎn)數(shù)的目的。執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)就是指最末端的潛水泵、彩燈、電磁閥等噴泉常用設(shè)備。第四章 結(jié)論通過上述電路連接和功能設(shè)置，在音樂噴泉控制系統(tǒng)中便可以通過 變頻器來達(dá)到音樂效果。通過 PLC 程序控制來達(dá)到各種水型的變換 和組合，再通過燈光的配合會給人以視覺上的沖擊和美的享受。參考文獻叢福建資料來源:畢業(yè)設(shè)計（論文）網(wǎng)吳軍輝, 田夢倩.單片機制作的音樂噴泉控制器J.南京農(nóng)專學(xué)報，2001, 17（ 4），董玉巖資料來源:畢業(yè)設(shè)計（論文）網(wǎng)于煥江.FRENIC5000G11S變頻器在音樂噴泉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用J.電子元器 件應(yīng)用, 2009, 11（5）, 6061.吳建平資料來源:畢業(yè)設(shè)計（論文