基于PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計論文

1、. . . . 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目基于PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)電氣工程與其自動化班級 11電氣2班學(xué)生軍（20113264） 指導(dǎo)教師林 職稱工程師高科學(xué)院 2015 年35 / 45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)。本課題結(jié)合任務(wù)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(shè)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(shè)計好的步驟一步一步進(jìn)行，循環(huán)執(zhí)行。另一種控制

2、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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到控制噴泉水柱的高低跟隨音樂強(qiáng)弱的變化。本次設(shè)計對音樂噴泉控制系統(tǒng)的總體功能進(jìn)行了分析，并且對可編程控制技術(shù)、變頻控制技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展趨勢作了簡要介紹，以與音樂噴泉控制總體設(shè)計方案、電氣系統(tǒng)的整體設(shè)計和PLC程序設(shè)計思路、變頻參數(shù)設(shè)置。本次設(shè)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。關(guān)鍵詞：音樂噴泉，控制系統(tǒng)，可編程控制器，變頻器ABSTRACTIn recent years,

3、 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, music fountain is becoming more and higher to the require

4、ment of control system; make more and more need to use PLC to realize control part.This topic combined with the requirements of the specification, with music fountain as the research object; adopt Mitsubishi PLC as the controller of the fountain model. Design of the control method has two kinds: one

5、 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 music, audio signal of PLC to standardize algorithm, the algorithm of

6、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.The design of music fountain control system's overall function is analyzed, and the

7、 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 electric system and PLC program design and parameter setting of inverter. This de

8、sign improves the music fountain system control quality; improve the stability of music fountain control system.KEY WORDS: Musical fountain，Control system，PLC，frequency 目錄第1章緒論11.1 音樂噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀11.2 本文主要研究容與意義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(shè)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(shè)計73

9、.1 PLC的選型73.2 變頻器的選型8 3.2.1 變頻調(diào)速原理9 3.2.2 變頻器參數(shù)設(shè)置133.3 音樂噴泉控制系統(tǒng)總電路設(shè)計與工作原理分析153.4 本章小結(jié)17第4章音樂噴泉控制系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)計19 4.3.1 梯形圖程序設(shè)計19 4.3.2 指令表程序轉(zhuǎn)換214.3.3 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30參考文獻(xiàn)31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

10、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(jī)。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，已使音樂噴泉發(fā)展成為一種產(chǎn)業(yè)1。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(qiáng)的實力，國比較著名的公司有：雨琦噴泉工程，喜馬拉雅音樂噴泉，泉杰景觀工程等。這些公司在全國承接各類大型音樂噴泉等，從工程設(shè)計到制作、安裝、調(diào)試提供一套完善的服務(wù)體系。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

11、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(qiáng)弱、節(jié)奏性、協(xié)調(diào)性、音樂涵的表現(xiàn)等方面還存在不足之處。目前，國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(shè)計、開發(fā)和調(diào)試非常繁瑣。音樂噴泉控制系統(tǒng)是當(dāng)今國際上先進(jìn)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(shè)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(qiáng)弱。該系統(tǒng)是音樂噴泉在控制設(shè)備的指揮下，跟隨樂曲旋律不斷變化水型，并與音樂同步15。噴泉的控制系統(tǒng)可采用單片機(jī)、可編程控制器，

12、甚至可采用工業(yè)控制機(jī)作為控制核心。其電氣設(shè)備包括水泵、燈光、音響、變頻器等。一個音樂噴泉藝術(shù)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(guān)，還與噴泉的程序控制水平有關(guān)。硬件是音樂噴泉的基礎(chǔ)，程序控制是音樂噴泉變化的靈魂。從德國人20世紀(jì)發(fā)明音樂噴泉到現(xiàn)在已有幾十年的歷史了，隨著科學(xué)技術(shù)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(shù)總結(jié)如下1：（1）程序控制程序控制是利用預(yù)先編寫好的計算機(jī)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(jī)操作界面控制和顯示，可以實現(xiàn)多個程序的隨機(jī)執(zhí)行，

13、系統(tǒng)反應(yīng)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(hù)和升級。但是對于音樂特征的識別需要人工完成，即由設(shè)計人員對樂曲進(jìn)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。（2）實時聲控實時聲控控制方式是目前國絕大多數(shù)音樂噴泉設(shè)備公司采用的控制手段，它可以自動識別和響應(yīng)任何音頻信號，與程控方式相比，它省去了預(yù)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(dá)的情感不一制。使人聽

14、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。（3）預(yù)編程控制預(yù)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、動作、燈光、水泵的開啟和關(guān)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(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)方面有一定的綜合難度。（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(jìn)的控制理論和方法在噴泉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，噴泉的控制系統(tǒng)不斷的完善和升級，其中變頻技術(shù)在噴泉控制系統(tǒng)中的應(yīng)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(yīng)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、

15、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(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2 課題研究的容與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(shè)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。本課題采用先進(jìn)的控制設(shè)備，來研究音樂噴泉控制系統(tǒng)。第一，采用PLC控制技術(shù)，研究設(shè)計符合項目要求的控制程序。第二，采用變頻技術(shù)。從揚(yáng)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(dá)到噴泉水柱根據(jù)音樂節(jié)奏變化。在設(shè)計中，要解決的問題主要有：水泵電機(jī)間

16、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；工程的造價與設(shè)備的性價比；同時還要考慮控制系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。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，以與音樂噴泉控制系統(tǒng)現(xiàn)有的四種控制技術(shù)（程序控制、實時聲控、預(yù)編程控制、變頻控制）。介紹了本課題的研究容和意義和在設(shè)計中要解決的主要問題等。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(shè)計要求本次音樂噴泉建立在面積為20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-F74

17、0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)和外層之間有紅、黃、綠3種彩燈共17盞。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(dāng)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換作為PLC的輸入信號，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。（2）固定程序控制方式。當(dāng)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后主水柱停止，外圈水柱停止，延時

18、20s后主水柱、外圈水柱同時運行。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(shè)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(shè)計應(yīng)遵循以下原則4：（1）系統(tǒng)硬件設(shè)備先進(jìn)可靠，技術(shù)成熟，具有連接所需的不同參數(shù)信號的功能，與現(xiàn)場儀表與控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備的接口規(guī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。（2）系統(tǒng)軟件技術(shù)成熟、可靠，操作系統(tǒng)與開發(fā)平臺版本新，功能先進(jìn)、齊全，易于維護(hù)、調(diào)試。（3）應(yīng)用軟件功能完善，實用性強(qiáng)，操作簡單，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。（4）整個系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，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(shè)計

19、方案主要有兩種可供選擇，方案一：控制系統(tǒng)是由單片機(jī)、延遲放大電路、光電隔離電路與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(jī), 使單片機(jī)唱歌,而且在改程序之中還加入其他控制語句。單片機(jī)還需噴泉中的電磁閥和變頻器的動作與燈光的變化,其中電磁閥對噴頭控制原理是：預(yù)先根據(jù)設(shè)計的花形種類和變化方式,通過對電磁閥的開閉進(jìn)行組合,編制不同的控制字制成表存入單片機(jī),當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行程序時,通過查表的方式去取不同的花形,以達(dá)到預(yù)想的花形變化,這樣花形的變化就隨音樂的節(jié)奏而變化。同樣,單片機(jī)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(jìn)行編制的,而且查表的方式也

20、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(jìn)而達(dá)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(dá)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(jī)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。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。由于變頻控制器圍是 550Hz,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,也可在存程序的指揮下

21、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(guān),可直接驅(qū)動固態(tài)繼電器,繼而控制負(fù)載設(shè)備運行。其擴(kuò)展功能可以使變頻調(diào)速器控制的水型更具活力,當(dāng)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(dāng)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(yīng),將為音樂噴泉增加觀賞性和藝術(shù)的美感5。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

22、也很靈活,只要改變預(yù)置的花形表和速度控制表, 無須改變程序就可達(dá)到不同設(shè)計效果,而且在考慮經(jīng)濟(jì)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(shè)計采用方案二作為音樂噴泉的控制方案，采用三菱型號PLC作為噴泉的控制器。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(jìn)行了介紹。然后分析了音樂噴泉的控制要求和現(xiàn)

23、有的控制方式。最后對現(xiàn)有的控制方式進(jìn)行分析比較，選擇了PLC作為控制核心的控制系統(tǒng)。第3章音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 PLC的選用選擇適當(dāng)型號的PLC是應(yīng)用設(shè)計中至關(guān)重要的一步，在功能滿足要求的前提下，應(yīng)選擇最佳的性能價格比，具體考慮以下幾點：（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(biāo)。選擇時應(yīng)在實際使用點數(shù)的基礎(chǔ)上留出15%20%的備用量6。（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(kuò)充和調(diào)整，選購時一定要注意，是否滿足要求。（3）PLC功能的選擇。1）對于開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，對控制速度要求不高，選用一般的低檔機(jī)就能滿足要求。2）對于以

24、開關(guān)量控制為主，帶有部分模擬量控制的應(yīng)用項目，應(yīng)選用帶有A/D、D/A轉(zhuǎn)換，四則運算功能的低檔機(jī)。3）對于控制比較復(fù)雜，功能要求較高的應(yīng)用系統(tǒng)，低檔機(jī)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)。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(shè)備是允許的，但有些設(shè)備的實時要求較高，不能容忍這種滯后現(xiàn)象。但一般滯后時間應(yīng)控制在幾十ms之。（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(shù)要求。另外，如果控制系統(tǒng)要求進(jìn)行溫度控制、位置控制、PID控制或波

25、形控制，那么選擇合適的智能模塊會使系統(tǒng)設(shè)計變簡單7。（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(shè)備連接，需要考慮PLC的通信聯(lián)網(wǎng)能力?？紤]到上述因素，結(jié)合“體積小、價格實惠”的原則，本文選用三菱型號的PLC。其特點如下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 輸入型中置傳感器用 DC24V 電源。（2）輸入輸出最大128點：輸入輸出擴(kuò)展設(shè)備最大可擴(kuò)展至 128 點，擴(kuò)展模塊或擴(kuò)展單元只可以使用系列和系列，另外也可和連接。（3）不用編制復(fù)雜的程序，就能捕捉到最小10s(X0， X1)或50s(X2X5)

26、的短信號。（4）功能強(qiáng)大的GX Works2 V1.31H 編程軟件。由三菱公司設(shè)計開發(fā)，適用于的編程，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與結(jié)構(gòu)化梯形圖等編程語言，可實現(xiàn)程序編輯、參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)絡(luò)設(shè)定、程序監(jiān)控、調(diào)試與在線更改、智能功能模塊設(shè)置等功能。3.2 變頻器的選用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(fù)載特性進(jìn)行。對于風(fēng)機(jī)、泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速轉(zhuǎn)矩負(fù)載，通常可選擇專用或普通功能型通用變頻器。對于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精

27、度要求的機(jī)械應(yīng)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(jī)械特性硬度大，不怕負(fù)載沖擊，具有挖土機(jī)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(yīng)快的生產(chǎn)機(jī)械（如造紙機(jī)械、注塑機(jī)、軋鋼機(jī)等），應(yīng)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(yīng)用場合：表3.1 不同類型變頻器的主要性能、應(yīng)用場合9本次設(shè)計的音樂噴泉控制系統(tǒng)中，變頻器所驅(qū)動的負(fù)載為水泵，即泵類負(fù)載，故選擇U/f開環(huán)控制。即選用三菱FR-F740系列變頻器，F(xiàn)R-F740變頻器是專為風(fēng)機(jī)和水泵負(fù)載設(shè)計的。其特點如下10

28、：（1）功率圍：0.75630KW；（2）簡易磁通控制方式，實現(xiàn)3Hz時輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)120%；（3）采用最佳勵磁方式，實現(xiàn)更高節(jié)能運行；（4）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）置獨立的RS485通訊口；（6）使用長壽命元件；（7）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(dāng)向一臺三相異步電動機(jī)的定子繞組入對稱的三相交流電時，就產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速沿定子和轉(zhuǎn)子圓空間作順時針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。由于旋轉(zhuǎn)磁場以轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開始是靜止的，故轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感

29、應(yīng)電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動勢方向基本一致的感應(yīng)電流。由于通電導(dǎo)體在磁場中要受電磁力的作用，所以有感應(yīng)電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)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(dǎo)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。當(dāng)將三相異步電動機(jī)繞組任意兩相進(jìn)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(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動機(jī)定子磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動機(jī)磁極對數(shù)和電源頻率決定17。異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為：式(3.1)式（3.1）中 同步轉(zhuǎn)矩，單位； 定子電源頻率，單位HZ； 磁極對數(shù)。異

30、步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為：式(3.2)式（3.2）中 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，。由式（3.2）可知，對于極對數(shù)固定的異步電動機(jī)，只需供電頻率或電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s中的任意一個改變就可以改變電動機(jī)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(jī)的調(diào)速中，故對鼠籠式異步電動機(jī)改變供電頻率是最好的調(diào)速方法。對鼠籠式異步電動機(jī)，一般情況下，轉(zhuǎn)速率s很小，所以可近似地認(rèn)為，考慮到電機(jī)的運行性能，并使電動機(jī)得到充分利用，在變頻的同時，電源電壓應(yīng)根據(jù)負(fù)載性質(zhì)的不同作相應(yīng)的變化，通常希望氣隙磁通維持額定值不變，因為若增大，將使電動機(jī)磁路過分飽和，引起勵磁電流增加，功率因數(shù)降低；若減小，電動機(jī)容量將得不到充分利用12。由電動

31、機(jī)理論可知，三相異步電動機(jī)定子每項電動勢的有效值為式 (3.3)式(3.3)中 旋轉(zhuǎn)磁場切割定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，單位V； 每極磁通量，單位Wb； 定子相繞組有效匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)。從電動勢公式可知，因為，若要為定值，則必須隨頻率的變化作正比變化，即： 式（3.4）式（3.4）中表示變頻后的量。另一方面，為了保證電動機(jī)允許的穩(wěn)定性，希望變頻調(diào)速時，電機(jī)的過載能力不變，即式 (3.5)由最大轉(zhuǎn)矩公式，并略去定子電阻，可得到：式（3.6）在忽略鐵芯飽和的影響時，與頻率成正比，則式（3.6）還可以寫成：式 (3.7)式(3.7)中C為常數(shù)，為保證變頻前后不變，要求式 (3.8)即：式 (3.9

32、)式(3.9)說明了在變頻調(diào)速時，為使電動機(jī)的過載能力不變，電壓的變化規(guī)律。顯然，對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因為，由式（3.9）可得，這時既保證了電動機(jī)的過載能力不變，又滿足為定值的要求。但是，難于直接測量和控制。當(dāng)和的值較高時，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和頻率的比值為常數(shù)，即認(rèn)為=，保持/=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。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(rèn)為的把電壓U1抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性為b線，無補(bǔ)償為a線。恒壓頻比控制特性如圖3.1所示13。圖3.

33、1 恒壓頻比控制方式3.2.2變頻器參數(shù)設(shè)置（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10。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：圖3.3 變頻器基本操作面板（2）變頻器參數(shù)設(shè)置將電機(jī)的參數(shù)輸入變頻器，同時根據(jù)控制要求，將變頻器相關(guān)參數(shù)也輸入變頻器14。FR-F740變頻器的參數(shù)設(shè)置如表3.2所示：表3.2 FR-F740變頻器的參數(shù)設(shè)置10參數(shù)設(shè)定值說明Pr.1601顯示用戶參數(shù)組中登記的參數(shù)Pr.130設(shè)定頻率為50HZPr.141設(shè)定為變轉(zhuǎn)矩負(fù)載Pr.19380設(shè)定

34、電動機(jī)的額定電壓為380VPr.915設(shè)定電動機(jī)的額定電流為15APr.350設(shè)定電動機(jī)的額定頻率為50HZPr.807.5設(shè)定電動機(jī)的額定功率為7.5kwPr.592設(shè)定由端子控制變頻器的運行Pr.731頻率由模擬量輸入設(shè)定Pr.150電機(jī)運行的上限頻率Pr.220電機(jī)運行的下限頻率Pr.5715電機(jī)啟動時間Pr.115電機(jī)制動時間Pr.793設(shè)置端子4與端子5接通時電機(jī)正轉(zhuǎn)，斷開停止Pr.781不允許反轉(zhuǎn)在基本操作板上設(shè)置好上述參數(shù)后，可以運行變頻器。當(dāng)端子4和端子5接通時，電機(jī)按設(shè)置的下限頻率20HZ開始運行，達(dá)到20HZ的啟動時間為5s；斷開端子4和端子5，電機(jī)從20HZ到停止的時間為

35、5s。3.3 音樂噴泉控制系統(tǒng)總電路設(shè)計與工作原理分析（1）控制系統(tǒng)總電路設(shè)計：該控制系統(tǒng)的核心設(shè)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3.4所示。圖3.4 控制系統(tǒng)總電路原理圖（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(dāng)需要使用音樂噴泉時，此時可按下SB1按鈕，PLC的模擬量輸入輸出模塊將采集播放音樂的音頻強(qiáng)度，將其進(jìn)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，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制噴泉水柱高度的目的。

36、2）固定程序部分。當(dāng)噴泉不使用音樂進(jìn)行控制時，可按下SB2按鈕，PLC運行固定程序，噴泉按事先設(shè)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(jìn)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KM1、KM2之間，加接了電氣互鎖。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(shè)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(shè)計。首先對主要器件進(jìn)行選型（PLC選用型，變頻器選用FR-F740型）。然后對PLC的特點、變頻調(diào)速原理以與

37、FR-F740型變頻器的端子分配、變頻器基本操作面板進(jìn)行了介紹，對FR-F740型變頻器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。最后設(shè)計出音樂噴泉控制系統(tǒng)總電路圖，并對電路原理進(jìn)行簡單的分析。第4章音樂噴泉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)程序流程圖PLC的程序設(shè)計主要有經(jīng)驗法、順序功能圖設(shè)計法、邏輯流程圖設(shè)計法15。根據(jù)實際情況先設(shè)計出程序流程圖，PLC從開機(jī)，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。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

38、什么，如果沒有I/O端口分配表，就不知道程序?qū)懙氖鞘裁戳耍绻鲥e更不好修改。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4.3 系統(tǒng)程序設(shè)計4.3.1 梯形圖程序設(shè)計（1）開機(jī)梯形圖程序設(shè)計。開機(jī)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(shè)計時二者要加程序互鎖。開機(jī)程序梯形圖如圖4.2所示。圖4.2 開機(jī)梯形圖程序開機(jī)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(dāng)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

39、換時要延時，延時時間為變頻器的停車時間，一般為10s。（2）音樂控制程序。音樂噴泉程序相對復(fù)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。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(shè)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(qiáng)弱進(jìn)行高低變化。2）燈光啟動程序。噴泉燈光的變化過程，一般是事先設(shè)定好的程序，當(dāng)變頻器得電，輸出正向頻率，水泵電機(jī)啟動即調(diào)用燈光子程序。音樂控制梯形圖程序如圖4.3所示。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

40、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。圖4.4 固定運行梯形圖程序音頻采集和燈光系統(tǒng)的子程序如圖4.5所示。圖4.5 音頻采集和燈光系統(tǒng)的子程序4.3.2 指令表程序轉(zhuǎn)換指令表語句是一種與計算機(jī)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。圖4.6 系統(tǒng)指令表程序4.3.3 控制程序調(diào)試（1）開機(jī)梯形圖程序的調(diào)試如圖4.7為開機(jī)梯形圖程序的調(diào)試。當(dāng)X0觸點在10s未得電，則輔助繼電器M510得電，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。圖4.7 開機(jī)梯形

41、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。圖4.8燈光系統(tǒng)梯形圖程序的調(diào)試（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(dāng)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(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(dāng)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。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(shè)計好的PLC

42、控制程序，與此同時根據(jù)預(yù)先給定的變頻器參數(shù)設(shè)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，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(jìn)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(yù)先設(shè)定好的程序閃爍。當(dāng)按下SB3按鈕后，噴泉停止運行。當(dāng)按下SB2按鈕后，延時10s后主水柱電機(jī)啟動，運行10s后外圈水柱電機(jī)啟動運行。噴泉按事先設(shè)定好的程序循環(huán)運行。當(dāng)按下SB3按鈕后，噴泉停止運行。4.5 本章小節(jié)本章主要

43、是音樂噴泉控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。首先繪制出程序流程圖，根據(jù)繪制出的流程圖分配I/O端口。然后根據(jù)流程圖和I/O端口分配表開始利用GX Works編程軟件編寫梯形圖程序，梯形圖程序包括音樂控制的梯形圖程序和固定運行梯形圖程序兩部分。并且對編寫好的梯形圖程序進(jìn)行仿真調(diào)試。最后對音樂噴泉控制系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試。第五章 總結(jié)與展望5.1 總結(jié)音樂噴泉的設(shè)計涵蓋的專業(yè)非常廣泛，包括音樂分析、噴水、電氣、通訊和自動控制等技術(shù)。所以說音樂噴泉是人們將科技與精神集于一體的產(chǎn)物。本文是關(guān)于音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計，該控制系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，用變頻器實現(xiàn)噴泉的變頻控制。PLC是一種高可靠性

44、的控制裝置，影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素是與PLC接口的輸入信號元件和輸出執(zhí)行元件，在編程過程中主要是弄清楚輸入輸出元件的元件號以與它們在系統(tǒng)中的作用，變頻器變頻調(diào)速是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速應(yīng)該注意變頻器的參數(shù)設(shè)置等問題。本論文屬于設(shè)計開發(fā)型課題，結(jié)合所學(xué)知識，以可編程控制器為基礎(chǔ)，對音樂噴泉基本流程做了詳細(xì)的了解后，對噴泉控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計過程中，基于老師指導(dǎo)、自我學(xué)習(xí)、向同學(xué)學(xué)習(xí)，通過學(xué)習(xí)使自身深入地了解電氣控制系統(tǒng)各方面的知識，熟練掌握了PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)等各方面的理論知識與應(yīng)用。同時，通過實踐，提高了自己的分析問題、解決問題與為人處事能力。5.2 展望本次設(shè)計為了節(jié)約成本，沒有使用觸摸屏。如果需要使用觸摸屏控制，也可通過觸摸屏與PLC、變頻器之間的通信，實現(xiàn)對噴泉的控制，這樣將會使控制界面更友好，控制更方便。音樂噴泉控制系統(tǒng)的開發(fā)是多方面的，其中計算機(jī)智能控制將是主要之一，或者說，智能音樂噴泉將是