《基于PLC的音樂噴泉的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》10000字

基于PLC的音樂噴泉的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：十九世紀(jì)二十世紀(jì)以來，全球經(jīng)濟(jì)水平和科技水平高速發(fā)展。當(dāng)物質(zhì)生活逐漸被滿足后，人們也開始追求精神需求，為此創(chuàng)造出了許多新產(chǎn)物，音樂噴泉便是其中之一。它結(jié)合了音樂的韻律和噴泉的動(dòng)感，給人們帶來一場(chǎng)視聽盛宴，是視覺聽覺的雙重享受，讓人們精神世界得到充分的滿足。近年來，我國(guó)科技水平蒸蒸日上，可編程控制器也日新月異，對(duì)其控制和設(shè)計(jì)的需求也在不斷提高。因而，可編程控制器占領(lǐng)了控制系統(tǒng)不可或缺的一部分。該篇文章中的系統(tǒng)主要針對(duì)音樂噴泉進(jìn)行設(shè)計(jì)，介紹的是一種微型的音樂噴泉的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用西門子PLC進(jìn)行控制。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，PLC是這個(gè)設(shè)計(jì)的核心，最基礎(chǔ)的是對(duì)音樂內(nèi)容的采集，運(yùn)用變頻器控制水泵作為輸出，噴泉中布置的幾組燈光是由PLC控制變頻器來變換的。播放音樂，與此同時(shí)，通過控制水流的變化，完成音樂噴泉的動(dòng)態(tài)效果。本文關(guān)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)包含：選擇PLC的型號(hào)、輸入/輸出的分布，選擇變頻器（型號(hào)為：西門子MM440）；PLC和變頻器的連線圖；也著重介紹了MM4440變頻機(jī)原理。如果系統(tǒng)運(yùn)行起來，音樂響起，多個(gè)水泵噴頭會(huì)分別開始工作，上下燈光也會(huì)隨之變化，視覺效果和聽覺效果相聯(lián)合，讓人們的觀感得到滿足。關(guān)鍵詞：音樂噴泉；PLC；控制系統(tǒng)目錄一、緒論 1TOC\o"1-3"\h\u18593（一）課題發(fā)展背景與現(xiàn)狀 130498（二）課題的研究?jī)?nèi)容 220097二、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 310803（一）噴泉平面示意圖 34700（二）控制系統(tǒng)框圖 3179411.運(yùn)放模塊 431992.PLC模塊 4250743.變頻器模塊 4416178.其他硬件模塊 418326三、硬件設(shè)計(jì) 525391（一）運(yùn)放模塊 529318（二）PLC模塊 5237611.PLC介紹 5227662.PLC選型 6265683.PLC擴(kuò)展模塊的選 7217814.控制系統(tǒng)的I/O口地址分配 954565.PLC接線圖 1131526（三）變頻器模塊 12228471.變頻器的工作原理 12180682.變頻器的選型 131126（四）其他硬件模塊 1690681.水泵的選擇 16161522.彩燈的選擇 1615174四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1727866（一）PLC控制流程圖 1727321（二）變頻器控制流程圖 1827261五、系統(tǒng)調(diào)試 1811135六、結(jié)論和期望 1925146參考文獻(xiàn) 21一、緒論音樂噴泉是近幾十年才興起的一種將娛樂性和觀賞性相結(jié)合的景觀。它將泉水，音樂和彩色燈光色彩相融合，將這樣讓人賞心悅目的景觀呈現(xiàn)在大眾面前。同時(shí)引進(jìn)了先進(jìn)的科技，讓這個(gè)“音樂噴泉”變得更有魅力，“水上芭蕾”的美稱也傳遍了全國(guó)各地。該篇的設(shè)計(jì)中主要采用PLC作為它的控制核心。其中內(nèi)置包含的微處理器，相比較于傳統(tǒng)技術(shù)，如計(jì)算機(jī)，繼電器控制，數(shù)字以及通信技術(shù)等，小小的它包含它的前輩們幾乎所有的特點(diǎn)，編程較簡(jiǎn)易、功耗低等等。如今許多自動(dòng)化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)都是由PLC實(shí)現(xiàn)的。本文系統(tǒng)的核心PLC中的微處理器集有程序簡(jiǎn)潔，能耗少等多重優(yōu)點(diǎn)。如今PLC幾乎占領(lǐng)了自動(dòng)控制設(shè)備的市場(chǎng)。本項(xiàng)目旨在通過一個(gè)微型廣場(chǎng)音樂噴泉的plc控制器的開發(fā)，來強(qiáng)化理論與實(shí)際相結(jié)合的能力，并了解PLC的設(shè)計(jì)過程和方法，這一章簡(jiǎn)要地闡述了本文的研究背景和研究的基本問題。

（一）課題發(fā)展背景與現(xiàn)狀音樂噴泉是一種很有吸引力的物品，它是具有娛樂和觀賞性質(zhì)且可以變化的噴泉。首個(gè)音樂噴水池是在一九三零年在德國(guó)開始的。再到一九五二年，它再次回到紐約展出。次年初，美國(guó)第一次舉行了音樂噴泉的表演，隨著音樂聲，水柱上下起伏，非常地壯觀。當(dāng)時(shí)竟有一百五十萬觀眾圍觀?，F(xiàn)在，隨著科技的發(fā)展，音樂噴泉也越來越精致了。該控制器最初的設(shè)計(jì)理念是：通過對(duì)某模塊中語音信號(hào)的捕捉，并把信號(hào)轉(zhuǎn)化為能夠被直接辨識(shí)的數(shù)量化、模擬化信號(hào)，再通過某些其他的方法進(jìn)行操作，然后通過一個(gè)繼電器或電子開關(guān)，從而使得管路中的電磁閥門相應(yīng)得變換?，F(xiàn)如今，PLC和變頻器并肩，逐步入侵整個(gè)控制的市場(chǎng)，壟斷了整個(gè)控制體系。這一次的計(jì)劃就是有關(guān)采用PLC和變頻調(diào)速裝置為主要控制單元，以聲音采集單元為副，通過特殊的譯碼和譯碼方式把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成可供PLC辨識(shí)的控制信號(hào)。接著

該控制系統(tǒng)的操作程式可對(duì)不同的噴泉及不同的光線進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得聲音、光線、水流融為一體，從而實(shí)現(xiàn)立體的視覺效果。目前，對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，也就是對(duì)音頻進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤與采集，將其轉(zhuǎn)化成模擬或數(shù)碼信號(hào)，并利用變頻器的頻率來對(duì)泵的狀況進(jìn)行控制，或者對(duì)電控閥門的工作方式進(jìn)行檢測(cè)，也可以對(duì)液力伺服閥門進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)燈光進(jìn)行操控。該控制方式無須預(yù)先對(duì)樂曲進(jìn)行加工或修改，因而能夠在任意情況下進(jìn)行彈奏。從操控方法的角度來看，它可以分為無數(shù)種類型，比如：以MCU為中心，以PLC為中心；有的是“單電池”，有的是通過觸點(diǎn)和閥門來直接進(jìn)行操作，有的則是以先進(jìn)的編程方式來完成各種奇妙的結(jié)果。一個(gè)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)的音樂噴水池的控制裝置。形態(tài)和演奏的音樂可以在同一時(shí)間發(fā)生改變，并維持某種程度的相對(duì)穩(wěn)定性，從而創(chuàng)造出一種精美絕倫的風(fēng)景，體現(xiàn)了音樂的意蘊(yùn)和主旋律。目前，音樂噴泉廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)，景區(qū)，庭院，游泳池，公園等地。REF_Ref1668288902\r\h[2]。

（二）課題的研究?jī)?nèi)容本篇文章結(jié)合多種不同類型的儀器來設(shè)計(jì)音樂噴泉系統(tǒng)。首先，必須熟練地運(yùn)用PLC，以達(dá)到設(shè)計(jì)控制器的需求。之后，聲音信號(hào)作為一種控制信息，通過計(jì)算機(jī)將音頻信號(hào)直接傳送給數(shù)據(jù)獲取模塊，從而降低了外部因素造成的無謂的干擾，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率轉(zhuǎn)換的控制。這樣，就可以讓噴水池隨著音樂的變換而改變。在此基礎(chǔ)上，這個(gè)控制器的設(shè)計(jì)存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：第一點(diǎn)：選擇PLC，需要有對(duì)應(yīng)I/O端口數(shù)目的主機(jī)，因此還必須擴(kuò)充我們的PLC。第二點(diǎn)：信號(hào)需要一個(gè)轉(zhuǎn)換才能被接收。在該篇文章中，我們研制了一種將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)的運(yùn)放回路。第三點(diǎn)：頻率轉(zhuǎn)換的工作原則和設(shè)定的參數(shù)。一旦決定好了，就不要忘了要學(xué)習(xí)它的工作原理和工作方法。了解清楚變頻調(diào)速的機(jī)理和工作模式，才能控制它正常地進(jìn)行工作。另外還要設(shè)定變頻調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)，設(shè)定正確的數(shù)值變頻調(diào)速系統(tǒng)才能夠精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的精確控制，達(dá)到我們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)。第四點(diǎn)：水泵的電機(jī)交替工作會(huì)在某段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定的瞬態(tài)電壓，從而影響到傳輸?shù)姆€(wěn)定性；變頻調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生很大的電流頻率降低；費(fèi)用問題，例如機(jī)器和裝備費(fèi)用；在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)從系統(tǒng)的穩(wěn)定與可擴(kuò)充性兩方面加以考量。為滿足本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求和以上問題，本文將各個(gè)章節(jié)的主要組成按以下順序排列：第一章為導(dǎo)論，簡(jiǎn)要地闡述了該技術(shù)的歷史發(fā)展和當(dāng)下狀況，并且對(duì)全文的主要研究目標(biāo)做了簡(jiǎn)單的介紹。第二章是設(shè)計(jì)概述，大致得介紹了該P(yáng)LC音樂噴頭的控制系統(tǒng)以及其大致的總體設(shè)計(jì)以及其設(shè)計(jì)需求。第三章是對(duì)該項(xiàng)目所采用的PLC進(jìn)行了詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)介紹，并對(duì)該方案的性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要地闡述。和本系統(tǒng)所采用的PLC擴(kuò)充模組、PLC與其他設(shè)備連接的線路、PLC輸入/輸出的分布等。第二節(jié)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了闡述。第四章主要闡述了控制軟件的編程和流程順序。重點(diǎn)介紹了PLC在該系統(tǒng)中的流程，并給出了它的工作流程圖。請(qǐng)參閱附件一。第五章是對(duì)本論文的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

二、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)（一）噴泉平面示意圖本次的方案是面向一個(gè)小的廣場(chǎng)，一座不到25平方米的小型噴泉。在圖2-1中顯示了整體的音樂噴水池的布局方案（俯視圖）。噴水池的總體形狀為長(zhǎng)方形，分為上層、中層和下層，在中層設(shè)置有八個(gè)泵頭（MO~M7)，在上部和下部（包括中部的兩側(cè)）分別設(shè)置一套燈光（每套8個(gè)，總共16個(gè)）。通過一個(gè)變頻調(diào)速的泵來對(duì)噴頭M3和M4進(jìn)行控制，并且各設(shè)置六個(gè)泵分別與噴頭M0~2和M5~7相連。圖2-1噴泉平面示意圖（二）控制系統(tǒng)框圖圖2-2中顯示了該控制體系的框圖。本系統(tǒng)主要由西門子s7-200、變頻器、噴頭、燈等硬件構(gòu)成。在接收到聲音訊號(hào)后，轉(zhuǎn)化成可被PLC監(jiān)測(cè)到的訊號(hào)，然后由PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和變換，按此來使變頻器受控，并管理接觸器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水壓變化，實(shí)現(xiàn)了水流隨著音樂律動(dòng)變化的美景。圖2-2控制系統(tǒng)框圖

1.運(yùn)放模塊本板塊將會(huì)描述一個(gè)運(yùn)放程序的過程。并對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的獲取等問題進(jìn)行說明。這是一種由LM324組成的運(yùn)放系統(tǒng)，通過將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電的形式，流通到plc。2.PLC模塊該部分解釋了選擇plc型號(hào)的過程，并對(duì)PLC進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。文中還給出了對(duì)于PLC的擴(kuò)充模塊的詳盡的敘述。本文還介紹了在控制中如何實(shí)現(xiàn)輸入/輸出端口的配置，以達(dá)到對(duì)資源的有效使用、不產(chǎn)生浪費(fèi)和降低生產(chǎn)成本的目的。并配有接線示意圖。3.變頻器模塊本節(jié)重點(diǎn)介紹變頻器機(jī)制和相關(guān)模型。變頻器接收來自PLC的控制信息，并將其發(fā)送給泵電機(jī)，以控制泵電機(jī)的工作頻率。4.其他硬件模塊本模塊的重點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出部分。它包括幾組水泵和彩色的燈。水泵部分介紹了本項(xiàng)目中使用的水泵類型，并提供了相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。彩燈部分介紹了適合這種設(shè)計(jì)的彩燈型號(hào)，并提供了相關(guān)的技術(shù)規(guī)格。三、硬件設(shè)計(jì)（一）運(yùn)放模塊計(jì)算機(jī)輸出的音頻信號(hào)是一個(gè)交流信號(hào)，二十毫安以內(nèi)的直流信號(hào)是我們所需要的。因此，第一步是將計(jì)算機(jī)的聲音輸出轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為二十毫安及以下的直流電。在下面的電路圖3-1中可以看到，該系統(tǒng)采用LM324芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，電流方向從左到右為進(jìn)入至輸出。通過VI對(duì)計(jì)算機(jī)的輸出音頻進(jìn)行仿真，通過PR變換，可以調(diào)整輸出的幅值。U1A將整流濾波進(jìn)行放大從而轉(zhuǎn)換為零至兩伏特的直流信號(hào)，U1B作為緩存和隔離的功能，U1C和U1D將零到兩伏特的直流電變換為零到二十毫安的交流電信號(hào)。系統(tǒng)所需的電源在R9的末尾可以獲得。由于我們對(duì)所有的直流信號(hào)進(jìn)行整流、濾波和轉(zhuǎn)換，我們可以用一個(gè)電源完成電路。圖3-1運(yùn)放模塊（音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)）該模塊將語音信號(hào)的聲音轉(zhuǎn)換為模擬的電流或電壓，而PLC會(huì)識(shí)別這一點(diǎn)。R9用于產(chǎn)生一個(gè)0-20mA的電壓給PLC的模擬輸出。

（二）PLC模塊1.PLC介紹PLC屬于數(shù)字操縱型機(jī)器，由于是微型計(jì)算機(jī)，所以它的尺寸較小，但性能很好。它是一種專門為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的電子裝置，具有存儲(chǔ)功能，能在任何時(shí)候調(diào)用和使用。PLC包括CPU、供電、使用者命令及資料儲(chǔ)存、I/O接口界面、數(shù)字模擬及其他功能元件。REF_Ref1672255354\r\h[3]該主機(jī)部件由CPU、內(nèi)存組成。該系統(tǒng)能夠?qū)τ脩舻能浖M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)數(shù)據(jù)被錄入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即進(jìn)行分析（進(jìn)行數(shù)據(jù)分析），并根據(jù)使用者的命令進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，并將其輸出。不僅如此，CPU還能對(duì)諸如使用者電腦、印刷機(jī)等的外部裝置發(fā)出的要求作出不同的內(nèi)部判定。REF_Ref37164097\r\h[5]

2.PLC型號(hào)的選擇對(duì)PLC的選擇必須從幾個(gè)角度考慮：1）I/O值：這是衡量PLC尺寸規(guī)格的主要指標(biāo)，在選擇準(zhǔn)備值時(shí)，通常應(yīng)加15-20%。REF_Ref1673902440\r\h[6]2）內(nèi)存容量：通常PLC的內(nèi)存容量非常小，難以擴(kuò)展。假設(shè)進(jìn)一步升級(jí)和定制會(huì)有困難，應(yīng)特別注意采購(gòu)，以避免后期資金不足的現(xiàn)象。3）PLC的運(yùn)行速度：當(dāng)PLC運(yùn)行時(shí)，普通工業(yè)設(shè)備允許輸出的信號(hào)和其他設(shè)備的控制相比一般比輸入信號(hào)慢，但有的時(shí)候這些要求不能被全部滿足，這是因?yàn)槠渲杏行┰O(shè)備需要立即對(duì)信號(hào)作出響應(yīng)，如果存在延遲的情況的話，會(huì)影響系統(tǒng)的效果。所以在一般情況下，延遲通常都被控制在幾毫秒之內(nèi)。4）I/O擴(kuò)展模塊：在該控制系統(tǒng)中使用了哪些I/O方式，以及在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)它們的參數(shù)設(shè)定和使用特定I/O模式的要求。此外，若該系統(tǒng)一些特定的控制，簡(jiǎn)單的比如溫度設(shè)定以及位置設(shè)定；稍復(fù)雜的比如PID和波形控制等，適當(dāng)運(yùn)用智能化模組可以簡(jiǎn)化該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[7]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸入-輸出信號(hào)分析：輸入：開始按鈕和結(jié)束按鈕。一個(gè)輸入用于燈光控制，一個(gè)輸入用于聲音信號(hào)（模擬信號(hào)輸入）。輸出：1個(gè)變頻器輸出，0~7號(hào)LED燈的8個(gè)輸出，6個(gè)分別連接到噴頭M0~2和M5~7的泵。綜上所述，總共有4個(gè)輸入量，13個(gè)輸出量。輸入/輸出端口是用PLC與外部裝置（輸入/輸出裝置）相聯(lián)系的一部分。沒有輸入/輸出端口就如同人類沒有雙手一樣，這是PLC必須要用到的部件。一個(gè)輸入端口接受諸如從按鍵、感應(yīng)器、接觸器、指示燈光等的訊號(hào)；輸出接口的訊號(hào)（例如：變頻器、觸點(diǎn)、指示燈等）的輸出。該系統(tǒng)采用了光電耦合器，降低了在信號(hào)傳遞時(shí)引起的電磁干擾，并增加了系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定性。在正常情況下，小型計(jì)算機(jī)有幾十個(gè)I/O端口，中型計(jì)算機(jī)有幾百個(gè)，大型計(jì)算機(jī)有一千多個(gè)REF_Ref37164128\r\h[8]?？紤]到所有這些因素，選擇了西門子PLCS7-200CPU226系列PLC，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。西門子公司設(shè)計(jì)的這款S7-200，屬于微型的可編程控制器，可以達(dá)到本次的設(shè)計(jì)需求。本產(chǎn)品采用10-40臺(tái)單片機(jī)，200型PLC，輸入/輸出端口，RS-485通信。盡管其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是200系列PLC是眾多小型控制器中最理想的選擇。

CPU221,CPU222,CPU224,CPU224XP,CPU224XP,CPU224XP,CPU226,CPU226,I/O端口40，輸入端口24，輸出端口16。而且，它還能提供7個(gè)以上的擴(kuò)展。針對(duì)PLC的輸入功率和輸出功率的差異，本課題采用CPU226作為AC/DC/RLY控制器。

3.PLC擴(kuò)展模塊的選擇針對(duì)該控制電路的輸入和輸出端數(shù)量的需求，CPU226型PLC的輸出功率僅為16點(diǎn)，因此在此基礎(chǔ)上增加了一個(gè)數(shù)字輸出模塊。對(duì)于具有200個(gè)擴(kuò)展單元的完整控制模型，最正確的解決方案是選擇EM222數(shù)字輸出。有兩種輸出類型--AC、DC，總共有8個(gè)輸出點(diǎn)。因此選擇了EM222進(jìn)行研究。因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的該系統(tǒng)要求有一個(gè)模擬器的輸出，又因?yàn)樵贑PU226上沒有一個(gè)模擬器輸入點(diǎn)，因此必須要設(shè)計(jì)一個(gè)模擬輸入器。EM235包括1個(gè)模數(shù)輸出和4個(gè)模數(shù)輸入（通道A、B、C、D)（在附圖3-2中顯示了一個(gè)模擬器的模擬輸入端子）。接著對(duì)關(guān)于EM235的相關(guān)信息進(jìn)行了詳細(xì)的說明。圖3-2EM235輸入輸出接線圖表3-1描述了EM235的常用技術(shù)參數(shù)。表3-1EM235常用技術(shù)參數(shù)模擬量輸入特性模擬量輸入點(diǎn)數(shù)4單極性電壓取值范圍0～1V0～5V0～10V0～50mV0～100mV0～500mV雙極性電壓取值范圍±2.5V±10V±5V±1V±500mV±250mV±100mV±50mV±25mV電流取值范圍0～20mA全量程范圍格式0～32000(單極性)-32000～+32000（雙極性）分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸出特性模擬量輸出點(diǎn)數(shù)1電壓范圍±10V電流范圍0～20mA電壓格式-32000～+32000電流格式0～32000分辨率電壓12位/電流11位表3-2描述了如何用DIP開關(guān)設(shè)置EM253，開關(guān)1~6共6種可選擇。表3-2DIP開關(guān)類型EM235開關(guān)單/雙極性增益衰減SW1SW2SW3SW4SW5SW6ON單極性O(shè)FF雙極性O(shè)FFOFF×1OFFON×10ONOFF×100ONON無效ONOFFOFF0.8OFFONOFF0.4OFFOFFON0.2從上面的表格可以看出，在DIP轉(zhuǎn)換器中，SW6確定了單極化：SW6在ON時(shí)是單極化的。OFF時(shí)，是一個(gè)雙極的信號(hào)。SW4及SW5確定增益（均為ON時(shí)失效）。而衰減則是由SW1、SW2、SW3三個(gè)所共同作用的。本系統(tǒng)采用零到二十毫安的模擬電路，因此必須將SW6調(diào)至ON。注：6個(gè)DIP切換控制全部的輸出設(shè)定。在安裝后要再次插電以使其有效。4.控制系統(tǒng)的I/O口地址分配PLC的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是繪制PLC的外部硬件接口。根據(jù)以上所選用的PLC類型和擴(kuò)充模組，分別對(duì)各個(gè)I/O進(jìn)行了分配。這個(gè)系統(tǒng)存在4個(gè)輸入，23個(gè)輸出。I/O的地址分布在表格3-3。表3.3I/O地址分配表信號(hào)器件名稱功能I/O地址輸入啟動(dòng)按鈕SB1開始運(yùn)行I0.0停止按鈕SB2停止運(yùn)行I0.1光控開關(guān)SA1控制燈光I0.2信號(hào)輸入輸入信號(hào)EM235的A+信號(hào)輸入輸入信號(hào)EM235的A-輸出變頻器ADC1+控制變頻器EM235的V0調(diào)速信號(hào)變頻器DIN1控制變頻器的運(yùn)行Q0.0KM21控制水泵M2的接觸器KM21Q0.1續(xù)表3-3輸出KM22控制M0的KM22Q0.2KM23控制M1的KM23Q0.3KM24控制M5的KM24Q0.4KM25控制M6的KM25Q0.5KM26控制M7的KM26Q0.6KM11燈開關(guān)Q0.7KM22燈開關(guān)Q1.0KM33燈開關(guān)Q1.1KM44燈開關(guān)Q1.2KM55燈開關(guān)Q1.3KM66燈開關(guān)Q1.4KM77燈開關(guān)Q1.5KM88燈開關(guān)Q1.6KM9B1燈開關(guān)Q1.7KM10b2燈開關(guān)Q2.0KM11b3燈開關(guān)Q2.1KM12b4燈開關(guān)Q2.2KM13b5燈開關(guān)Q2.3KM14b6燈開關(guān)Q2.4KM15b7燈開關(guān)Q2.5KM16b8燈開關(guān)Q2.65.PLC接線圖PLC的輸入端：該P(yáng)LC的I0.0,I0.1端口分別連接到SB1,SB2.SB1控制啟動(dòng)，SB2控制關(guān)閉.I0.2連接到光控SAT1，只有在夜間SA1.EM235執(zhí)行模擬信號(hào)接收。PLC輸出：EM235和EM232共同控制模擬信號(hào)輸出。EM235V0輸出插座控制變頻調(diào)速器，無極性；Q0.0用于控制變頻調(diào)速器的啟動(dòng)和停止，從而調(diào)節(jié)水泵功率大??；Q0.7、Q1.0、Q1.0~1.7、Q2.0~2.4（共16個(gè)）分別控制整個(gè)音樂噴泉的燈光開關(guān)。在圖3-3中可知，EM235模組在連接PLC時(shí)，其M端還必須接上地線。在輸入端接線時(shí)，在將RX（未在附圖中示出）和X+進(jìn)行連接之后，將該電流輸入信號(hào)的“+”端子連接到該電流輸入信號(hào)上，否則無法進(jìn)行該操作；若存在未利用的信道接口，則應(yīng)將信道（連接正、負(fù)連接）；至于電壓，不必象電流那樣煩瑣，只需把正、反相連上就好。圖3-3PLC接線圖（三）變頻器模塊1.變頻器的工作原理變頻器是一種將固定頻率的交流電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)振幅和頻率的裝置。變頻技術(shù)是一種新的高科技。通用異步電動(dòng)機(jī)的頻率調(diào)節(jié)。三相異步電動(dòng)機(jī)的任何兩個(gè)繞組都是反向的，即它們的電流方向是相反的，其中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。三相交流感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度：（3-1）在公式（3-1）中：n：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f：輸入電流頻率；s：轉(zhuǎn)差率；p：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。從上可得出結(jié)論，轉(zhuǎn)速n與輸入電流的頻率f成正比。在通常條件下，速度s是很低的，所以，從電機(jī)的運(yùn)行特性和對(duì)電機(jī)的充分使用來看，可以大致得到一個(gè)與同步速度相近或接近供電頻率的異步速度。在進(jìn)行變頻器時(shí)，一般需要將氣隙磁通維持在標(biāo)稱量，這取決于負(fù)荷的特性，因?yàn)槿绻岣?，將?huì)使得電機(jī)磁場(chǎng)經(jīng)過飽和，進(jìn)而引起激勵(lì)電流升高，降低電流因素；如果減少，就不能完全地使用電動(dòng)機(jī)功率[11]。變頻調(diào)速裝置是利用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)電機(jī)輸出的電流，以確保電機(jī)的磁通量保持不變，不會(huì)產(chǎn)生過飽，防止電機(jī)線圈發(fā)熱造成短路，達(dá)到安全運(yùn)行的目的。（3-2)在式子（3-2）中，Eg：氣隙磁通在每相定子感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)；K、N1：與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；ΦM：每極氣隙磁通；N1：定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；f1：電源頻率。為了使ΦM的值不發(fā)生變化，在改變頻率f1的同時(shí)，Eg的幅值需要被同時(shí)變化，從而讓電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電機(jī)和供電的頻率之比為一個(gè)常數(shù)值，也就是利用恒電磁功率和頻譜比例來實(shí)現(xiàn)。恒定電流比使用恒定的電壓-頻率比，即電機(jī)定子和電源頻率之間的比率是恒定的。這種方法一般比較容易實(shí)施。上面提到的是基頻之下的變頻器，如果要調(diào)整基礎(chǔ)頻率，如果電機(jī)的電壓繼續(xù)上升，那么即使頻率不斷提高，也要將其維持在一個(gè)常數(shù)。這種方式又稱為恒定功率。2.變頻器的選型此次的MM440型變頻器，簡(jiǎn)稱為MM440，是一種能對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。該系列產(chǎn)品適用于三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩的調(diào)速器，具有很好的實(shí)用價(jià)值。單片機(jī)控制芯片，與IGBT（IGBT）電源相結(jié)合，形成了一套性能優(yōu)良、可靠、多樣的變頻調(diào)速系統(tǒng)。1變頻器西門子MM440內(nèi)部框圖，如下圖所示。圖3-4MM440變頻器內(nèi)部框圖（1）圖3-5MM440變頻器內(nèi)部框圖（2）1）變頻器接線端口MM440變頻器有2個(gè)模擬I/O端口（ADC1和ADC2），如圖3-6所示。在這種情況下，我們將只使用一個(gè)。將ADC1通道的DIP切換到OFF，并保持輸出在0-10V電壓范圍內(nèi)。REF_Ref37000732\r\h[13]圖3-6用于ADC電流/電壓輸入的DIP開關(guān)逆變器的連接方式如圖3-7所示。PLC的DIN1端子（Q0.0）與變頻器速度控制DIN1端子（5號(hào)）相連，用于控制變頻器速度開關(guān)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PLC的動(dòng)態(tài)模擬值被用來控制變頻器，使泵的電機(jī)在不同的頻率下同步，以達(dá)到變頻的目標(biāo)。圖3-7變頻器連線圖2）變頻器參數(shù)設(shè)置在使用變頻設(shè)備之前，應(yīng)將其重新設(shè)定為工廠設(shè)定。利用BOP/AOP面板設(shè)定對(duì)應(yīng)的值：P0010=30、P0970=1，然后按住P，并啟動(dòng)重置操作。參數(shù)如下圖所示。表3-4變頻器參數(shù)設(shè)置參數(shù)號(hào)設(shè)置值說明P304380額定電壓P30510額定電流P3074000額定功率P31050額定頻率P3112900額定轉(zhuǎn)速P07002I/O口端子控制P07031接通ON正轉(zhuǎn)，OFF停止P10002模擬輸入通道1（端子3,4）P10800限制電機(jī)運(yùn)行的最小頻率P108250制電機(jī)運(yùn)行的最大頻率P11201電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到最大頻率的時(shí)間P11211電機(jī)從最大頻率降速到靜止?fàn)顟B(tài)的時(shí)間P200050基準(zhǔn)頻率P07560ADC類型為0~+10V電壓P07570標(biāo)定ADC的X1值P07610ADC死區(qū)電壓（四）其他硬件模塊按照本發(fā)明的構(gòu)造，本構(gòu)造的系統(tǒng)的輸出板既包括泵的馬達(dá)，也包括彩色的燈，等等。下面給出了水泵和照明的選擇。。1.水泵的選擇按設(shè)計(jì)需求，此次設(shè)計(jì)的是小的廣場(chǎng)噴泉。鑒于廣場(chǎng)周圍人流量和周圍道路的復(fù)雜性，本次選用的水泵必須達(dá)到3~15米、流量15~150立方米的揚(yáng)程，同時(shí)考慮到電力消耗，選用的水泵功率不能超過5kW。通過整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，噴水池整體構(gòu)型為長(zhǎng)方形，中央一層8個(gè)噴嘴排列。中心2臺(tái)噴嘴分別用一臺(tái)大容量的水泵進(jìn)行供水，并在泵站和噴嘴之間設(shè)置一道分流管，以達(dá)到均勻的流量。其余6臺(tái)（兩側(cè)各3臺(tái)）分別連接一臺(tái)泵，供選用的動(dòng)力更小。PLC通過與泵電動(dòng)機(jī)相連接的接觸器來完成對(duì)泵的啟動(dòng)和關(guān)閉。QS系列的噴泉水泵性能優(yōu)良：電動(dòng)機(jī)制冷效果好，工作高效，不會(huì)造成水垢的污染；結(jié)構(gòu)集成、易于裝配等。QSP-25-6-0.75系列泵適用于兩側(cè)的噴嘴。其參數(shù)如下：流量：25立方米每小時(shí)；揚(yáng)程：6米；功率：0.75千瓦。QSP-25-9-1.1水泵適合用作中央噴頭的水泵。其參數(shù)如下：流量：25立方米每小時(shí)；揚(yáng)程：9米；功率：1.1千瓦。2.彩燈的選擇LED潛水燈在水池中得到了普遍使用。在整體結(jié)構(gòu)的上下兩層（中間一層有模仿者）和左右兩邊。上面有7個(gè)，下面有7個(gè)，每邊有1個(gè)，總共有16個(gè)。所有的潛水燈都是由不銹鋼制成的，并用硅膠密封，密封性非常好，可以防止因漏水而造成電線短路。本案選擇的潛水燈是屹立的SD-007系列。不銹鋼，有良好的硅膠密封，沒有水滲入。它有九個(gè)光球，每個(gè)光球的功率為1瓦，可以顯示幾種顏色（紅、黃、藍(lán)、綠、白等）。在安全的24伏交流電源上運(yùn)行。四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件部分由PLC、變頻調(diào)速電路組成。（一）PLC控制流程圖在PLC的初始化后，先要確認(rèn)SB1的狀態(tài)，如果按下，接著再查看控制電路板的關(guān)閉狀態(tài)，從而確定燈的開啟和切換。按下啟動(dòng)鍵后，按照程序流程操作相關(guān)的裝置。按下SB2后，PLC將會(huì)自動(dòng)停機(jī)，頻率轉(zhuǎn)換裝置也會(huì)隨之終止。在表4-1中顯示了PLC的控制圖4-1PLC控制流程圖（二）變頻器控制流程圖變頻器啟動(dòng)后，PLC根據(jù)聲音信息產(chǎn)生不同的數(shù)值，變頻器根據(jù)不同的聲音信號(hào)調(diào)整對(duì)電機(jī)的變頻量。圖4.2顯示了變頻器的工作圖。圖4-2變頻器控制流程圖

五、系統(tǒng)調(diào)試在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入了一項(xiàng)測(cè)試。根據(jù)PLC流程，使用STEP7-Micro/WIN軟件生成相應(yīng)的梯形圖，輸出遵循".awl"格式進(jìn)行仿真。梯形圖在附錄一中有詳細(xì)描述，仿真結(jié)果在附錄二中有詳細(xì)描述。根據(jù)我們程序的操作，所有連接到I0.2的光控裝置在白天都是斷開的，所有的LED指示燈都關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)在此狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，按下控制按鈕SB1，你會(huì)看到變頻器控制的噴嘴M3和M4正在噴水，M0M1M2、M5M6M7依次噴水，水紋呈波浪形。按下停止噴水按鈕SB2，停止噴水。晚上，與I0.2連接的燈光控制按鈕關(guān)閉，此時(shí)打開系統(tǒng)，按下SB1，則變頻器控制的噴霧器M3、M4將開始噴水，六個(gè)噴霧器M0M1M2、M5M6M7均處于循環(huán)位置，噴水，噴出的水紋呈波浪形。按下停止按鈕SB2，停止噴水。在故障排除程序和治療過程中出現(xiàn)的問題。(1)開關(guān)SB1和SB2不具有啟動(dòng)和停止功能。同時(shí)，檢查梯形圖是否已正確繪制，并可由M0.0快速檢查。(2)當(dāng)按下啟動(dòng)開關(guān)SB1時(shí)，設(shè)備被打開，泵M0,M1,M2,M5,M6,M7不能按照預(yù)定的順序被打開。在啟動(dòng)過程中，找到適當(dāng)?shù)奶菪螆D，將循環(huán)外殼中的常開量改為常開觸點(diǎn)，如圖所示，用于定時(shí)器。重新檢查故障以驗(yàn)證錯(cuò)誤。3）輸入和輸出問題的模擬。在這種情況下，PLC有一個(gè)0-20mA模擬信號(hào)和一個(gè)0-10V模擬信號(hào)，必須進(jìn)行一次AD和一次DA轉(zhuǎn)換。在這個(gè)梯度計(jì)劃中，AIW輸入信號(hào)通過轉(zhuǎn)換指令（I_DI、DI_R等）、轉(zhuǎn)移指令（MOV_R、MOV_W等）、浮點(diǎn)指令（SUB_R、MUL_R等）和整數(shù)計(jì)算（SUB_I、MUL_DI等）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的0-10V電壓仿真值。

六、結(jié)論和期望本篇文章主要是音樂噴泉的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PLC對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行全過程的監(jiān)控，由變頻器來控制一臺(tái)與變頻機(jī)連接的水泵，從而實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的目的：對(duì)噴泉的變頻調(diào)速控制。在設(shè)計(jì)I/O時(shí)，必須遵循布線簡(jiǎn)便、使用簡(jiǎn)便等基本原理，而程序設(shè)計(jì)中最重要的問題就是要弄清各輸入、各器件的介面位置以及各器件在整個(gè)電路中的功能。變頻調(diào)速器作為一種簡(jiǎn)便、高效的調(diào)速器，其運(yùn)行中存在著許多問題，例如：調(diào)節(jié)的參數(shù)設(shè)定等。REF_Ref37164199\r\h[9]為了使系統(tǒng)的硬件與軟件的有機(jī)融合，本文提出了一種基于軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。軟件的開發(fā)以梯形圖形為主。因?yàn)檫@一次的控制裝置并不需要太高的技術(shù)含量，并不像是一個(gè)多用途的大型的音樂噴泉，因此，這個(gè)過程并不是很繁瑣。不過，想要在設(shè)計(jì)的時(shí)候做到得心應(yīng)手，就必須要學(xué)會(huì)PLC和變頻技術(shù)。參考大量的數(shù)據(jù)，在實(shí)踐中不斷地學(xué)習(xí)和完善電子控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)，從而增強(qiáng)其在實(shí)踐中的應(yīng)用。同時(shí)，該方案還可以增強(qiáng)學(xué)生的自主思維和實(shí)際思維。在此設(shè)計(jì)的時(shí)候也有些遺憾，因?yàn)槭轻槍?duì)一個(gè)小的廣場(chǎng)噴泉，為了節(jié)省開支，沒有采用觸摸屏幕。若要采用觸摸屏幕，則會(huì)加強(qiáng)人與噴水池的直接交互，以達(dá)到更直觀、更高效的效