PLC音樂噴泉設(shè)計(jì)【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

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基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 畢業(yè)論文 題目： 樂噴泉設(shè)計(jì) 系 別：機(jī)電工程系 專 業(yè)：機(jī)電一體化 班 級：機(jī)電 122 班 姓 名：楊朋飛 學(xué) 號： 2012122046 指導(dǎo)教師：王冰玉 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 第１章 緒論 當(dāng)今噴泉工程和高新技術(shù)的結(jié)合使噴泉效果更加絢麗多彩、婀娜多姿，令人賞心悅目、流連忘返。當(dāng)變頻控制技術(shù)引入音樂噴泉控制系統(tǒng)，可以使水柱隨著音樂快慢變化，仿佛是在隨著音樂翩翩起 舞，引人入勝。 本文通過設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用型廣場音樂噴泉的 紹 音樂噴泉控制控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過這一設(shè)計(jì)過程，進(jìn)一步熟悉 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和方法，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際及知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。本章對這 一 課題的設(shè)計(jì)背景及控制系統(tǒng) 中 頻器 的基本知識(shí)進(jìn)行簡單的介紹。 文的背景 起初的音樂噴泉控制系統(tǒng)就是利用音樂的主要音素 (頻率、振幅、音色和節(jié)拍 )控制噴水的花型組合變化、水柱高低、遠(yuǎn)近變化和燈光色彩組合，其原理是將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過放大及其它一些處理推動(dòng)繼電器或電子開關(guān)，再去控 制設(shè)在水路上的電磁閥的啟閉，從而達(dá)到控制噴頭水路的通斷。 音樂噴泉是現(xiàn)代科技與藝術(shù)的綜合，利用噴泉來表現(xiàn)音樂的美感，令人賞心悅目。目前，有許多采用各式各樣的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的音樂噴泉， 取得了良好的效果。但縱觀這些音控產(chǎn)品，有的利用音樂的時(shí)域變化來控制噴泉，有的將音樂分成幾個(gè)頻段來控制噴泉的花型， 且多采用低頻、中頻和高頻三個(gè)頻段來控制。缺點(diǎn)是都沒有在頻域上基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 很好地展現(xiàn)音樂，因此不能很好地體現(xiàn)音樂的內(nèi)涵。 本設(shè)計(jì)針對這些問題，提出了一種新的方法來控制噴泉的變化，本設(shè)計(jì)將通過對音樂音頻信號的實(shí)時(shí)采樣， 再通過變頻器 對潛水泵進(jìn)行變頻調(diào)速， 利用各式噴頭的噴射、搖擺、旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)噴泉水柱高低、搖擺幅度、旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)時(shí)地展現(xiàn)音樂的頻譜。 編程序控制器概述 可編程序控制器簡稱 20 世紀(jì) 60 年代以來發(fā)展極為迅速、應(yīng)用面極廣的自動(dòng)化控制裝置，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一 [1]。 可編程序控制器是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā)起來的，先已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。他以微處理器為核心，用編寫的程序進(jìn)行邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入 /輸出來控制機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程 [2]。 發(fā)展概況 20 世紀(jì) 60 年代以前，汽車流水線的自動(dòng)控制系統(tǒng)基本上都采用傳統(tǒng)的繼電器控制。在 60 年代初，美國汽車制造業(yè)競爭越發(fā)激烈，而汽車的每一次更新的周期越來越短，這樣對汽車流水線的自動(dòng)控制系統(tǒng)更新就越來越頻繁，原來的繼電器控制就需要經(jīng)常地重新設(shè)計(jì)和安裝，從而延緩了汽車的更新時(shí)間。所以人們就想能有一種通用性和靈活性較強(qiáng)的控制系統(tǒng)來替代原有的繼電器控制系統(tǒng) [3]。 食品、制造和冶金等其他工業(yè)部門相繼得到了應(yīng)用。 1971 年，日本引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，并開始生產(chǎn)自己的 1973 年 ，歐洲一些國家也研制出了自己的 974 年，我國也開始仿照美國的 術(shù)研制自己的 于在 1977 年研制出第一臺(tái)具有實(shí)用價(jià)值的 ]。 特點(diǎn) 傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)想結(jié)合的產(chǎn)物，所以在工業(yè)控制方面，它具有繼電器控制或通過計(jì)算機(jī)所無法比擬的特點(diǎn)。 1、高可靠性 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 在硬件方面，由于采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源，并且對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，加上合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后加固、簡化安裝，因此 有很強(qiáng)的抗振動(dòng)沖擊的性能；無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成大量的開關(guān)動(dòng)作，就不會(huì)出 現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)中的器件老化、脫焊、觸點(diǎn)電弧等問題；所有的輸入 /輸出（ I/O）接口都采用了光電隔離措施，使外部電路和 部電路能有效的進(jìn)行隔離； 用 模塊式的結(jié)構(gòu)，可以在其中一個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)迅速地判斷出故障的模塊并進(jìn)行更換，這樣就能 夠 盡量縮短系統(tǒng)維修的 時(shí)間 [5]。 在軟件方面， 監(jiān)控定時(shí)器可用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運(yùn)算處理器的延遲，保證在程序出錯(cuò)和程序調(diào)試時(shí)，避免因程序錯(cuò)誤而出現(xiàn)死循環(huán)；當(dāng) 池、 I/信等出現(xiàn)異常時(shí)， 自診斷功能可以檢測到這些錯(cuò)誤，并采取相應(yīng)的措施，以防 止故障擴(kuò)大；停電時(shí)，后備電池和正常工作時(shí)一樣，進(jìn)行對用戶程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的保護(hù)，確保信息不丟失 [6]。 由于采用了上述有效措施，保證了 高可靠性，從而使 平均無故障時(shí)間已經(jīng)能高達(dá)幾十萬小時(shí)。 2、應(yīng)用靈活、使用方便 模塊化的 計(jì)，使用戶能根據(jù)自己控制系統(tǒng)的大小、工藝流程和控制要求等來選擇自己所需要的 模塊并進(jìn)行資源配置和 程。這樣，控制系統(tǒng)就不再需要大量硬件裝置，用戶只需根據(jù)控制需要設(shè)計(jì) 。而在 制系統(tǒng)中，當(dāng)控制要求改變時(shí)，不改動(dòng) 部接線，只需修改程序即可。 3、面向控制過程的編程語言，容易掌握 編程語言采用繼電器控制電路的梯形圖語言，清晰直觀。雖然 以微處理器為核心的控制裝置，但是它不需要用戶具有很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)能力，只要用戶具備一定的計(jì)算機(jī)軟、硬件知識(shí)和電器控制方面的知識(shí)即可 [7]。 4、易于安裝、調(diào)試、維修 在安裝時(shí)，由于 輸入 /輸出接口已經(jīng)做好，因此可以直接和外部設(shè)備相連，而不再需要專用的接口電路。而且 軟件功能取代了原來的繼電器控制中間繼電器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器等一些器件，所以硬件安裝上的工作量相應(yīng)減少 [8]。 調(diào)試可先在實(shí)驗(yàn)室模擬完成，模擬調(diào)試完成后再現(xiàn)場安裝、調(diào)試。這樣就可基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 以避免可能在現(xiàn)場會(huì)出現(xiàn)的一些問題，從而縮短調(diào)試周期。 在維修方面， 善的診斷和顯示功能，可以通過模塊上的顯示或編程器等很容易地找出故障的模塊，而且由于模塊化設(shè)計(jì)，因此只需要對錯(cuò)誤的模塊進(jìn)行更換即可。 5、功能完善、模塊功能和網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大 現(xiàn)在 僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，而且還具有 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能。因此，它既可以對開關(guān)量進(jìn)行控制，又可以對模擬量進(jìn)行控制。由于 品的系 列化和模塊化， 備有品種齊全的多種硬件裝置供用戶選用，可以組成能滿足各種控制要求的控制系統(tǒng) [9]。 頻器的工作原理 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變頻器已經(jīng)成為電器調(diào)速的主流，成為現(xiàn)代工業(yè)的組成部分。變頻器不僅可以節(jié)省能源，還可以改善控制性能，提高生產(chǎn)效率。工業(yè)中使用的變頻器可分為通用變頻器和專用變頻器。通用變頻器主要用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)；專用變頻器用于特定的控制對象。隨著變頻器的發(fā)展，采用矢量控制的變頻器開始普及。矢量控制的重要性能是使異步電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性 ，并且與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)比較，有無需維修，不需抑制電流變化率，可以謀求電流控制的快速響應(yīng)；磁場控制范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。無速度傳感器矢量控制變頻器可以在各種轉(zhuǎn)速下提供不變的轉(zhuǎn)矩，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)不但給出 160%的過載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還可以進(jìn)行滑差補(bǔ)償。中小容量的變頻器正向降低噪音，減少諧波對電源的影響、提高低速是的轉(zhuǎn)矩等方向發(fā)展。由于變頻器變頻調(diào)速性能好，因而現(xiàn)在以被鋼鐵、石油、紡織、造紙、建材等行業(yè)采用并大力推廣。 并且極其精確地運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)普通電機(jī)能達(dá)到最佳的控制效果，操作簡單靈活，具有擴(kuò)展功能 [10]。 變頻器的基本構(gòu)成 ，從結(jié)構(gòu)上看，變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩類。間接變頻器先將工頻交流電源通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換為可控頻率的交流，因此又稱它為有中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置或交 交變頻器。直接變頻器將工頻交流一次變換為可控頻率交流，沒有中間直流環(huán)節(jié)，即所謂的交 前應(yīng)基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 用較多的是間接變頻器即交 交變頻器。因此，可以認(rèn)為，變頻器的基本構(gòu)成如圖 圖 變頻器的基本構(gòu)成 文的主要任務(wù)與內(nèi)容 本論文是本人的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，需要本人結(jié)合所學(xué)知識(shí)，以可編程序 控制器為基礎(chǔ)，對包裝機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制。主要任務(wù)是在自我學(xué)習(xí)、向人學(xué)習(xí)的前提下，深入地了解電氣控制系統(tǒng)各方面的知識(shí)，熟練地掌握 制技術(shù)各方面的理論知識(shí)及其應(yīng)用，逐漸提高對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的實(shí)際工作能力，懂得運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際情況相結(jié)合。同時(shí)，通過學(xué)習(xí)各方面的知識(shí)，不斷地提升自己，通過實(shí)際應(yīng)用，逐漸地提高自己的動(dòng)腦能力和動(dòng)手能力以及處事能力。 本論文在具體分析基于可編程序控制器的廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對該控制系統(tǒng)進(jìn)行了具體的研究和設(shè)計(jì)。同時(shí)，對可編程序控制器在工業(yè)應(yīng)用中的一些問 題也進(jìn)行了一定的討論。 文的組織 論文共分為 5 章：第 1 章對論文背景進(jìn)行了綜述，著重介紹了可編程序控制器的有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)；第 2 章對音樂噴泉控制系統(tǒng)的要求、目的、任務(wù)、內(nèi)容、工作過程以及控制器的選擇進(jìn)行了系統(tǒng)概述，并針對設(shè)計(jì)所需要的方案進(jìn)行了選擇論證；第 3 章主要分析了系統(tǒng)的組成部分以及各部分器件的工作原理，對音樂噴泉控制系統(tǒng)的各種元件的選擇和參數(shù)確定等控制系統(tǒng)的硬件配置；第 4 章根據(jù)控制系統(tǒng)流程圖進(jìn)行軟件設(shè)計(jì) ；第 5中間直流電路 整流電路 逆變電路 控 制 電 路 交流電 交流電 商用電源 電 壓頻率可控 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 章為系統(tǒng)調(diào)試。 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 第 2 章 系統(tǒng)概述及方案論證 本章主要介紹廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的基本要求，以 及設(shè)計(jì)廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的目的和任務(wù)，并對完成此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行選擇及論證等相關(guān)內(nèi)容。通過分析該控制系統(tǒng)的各部分的功能要求，以達(dá)到廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)方法。 統(tǒng)概述 音樂噴泉作為一種人造環(huán)境工程項(xiàng)目，將音樂的美和噴泉有機(jī)的結(jié)合在一起，給人以賞心悅目的感受。目前，采用不同控制器來實(shí)現(xiàn)音樂噴泉的方法越來越多，究竟怎么樣實(shí)現(xiàn)才能達(dá)到最優(yōu)的控制以及給人最美的觀賞效果，本設(shè)計(jì)從諸多方面來分析、探討此問題的解決方案。 樂噴泉控制系統(tǒng)的要求 在諸多音樂噴泉控制系統(tǒng)中，不管是采用繼電器 控制或電磁閥對音樂噴泉進(jìn)行控制（開關(guān)及噴泉揚(yáng)程控制），由于不能對電動(dòng)機(jī)或其他控制閥進(jìn)行調(diào)速，所以這些方式都存在反應(yīng)速度慢的弱點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于音樂與噴泉的同步實(shí)時(shí)性，在控制系統(tǒng)中采用了變頻調(diào)速，通過變頻器來控制電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到快速反應(yīng)的目的，所以下面所介紹的是本設(shè)計(jì)對音樂噴泉控制系統(tǒng)所需要達(dá)到的要求、效果。 顧名思義，音樂噴泉就是要求在音樂的伴隨下噴泉的高度、燈光的強(qiáng)度、色彩以及噴泉的造型隨音樂的音量而變化，通過對各種不同的音樂進(jìn)行選擇播放，以及對不同音頻信號的采集、轉(zhuǎn)化等處理后，利用編制程序來實(shí)現(xiàn) 對音樂噴泉的實(shí)時(shí)控制。 制系統(tǒng)目的及任務(wù) 本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)為廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的目的及任務(wù)如下： 1、分析系統(tǒng)的工作原理和工藝過程； 2、熟悉對 選型以及相關(guān)參數(shù)的選擇； 3、了解系統(tǒng)控制主電路：包括電源、各保護(hù)開關(guān)、電機(jī)及其外部電路的設(shè)計(jì) 方 法； 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 4、掌握 I/O 地址分配以及 部接線的方法； 5、掌握軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，繪出梯形圖、列出指令表等。 制系統(tǒng)內(nèi)容 音樂噴泉控制 系統(tǒng)內(nèi)容 包括 樂曲播放 、水型與樂曲同步、水型的程序演示、彩色燈光的程序演示、水型的 節(jié)奏隨動(dòng)控制等。 1、樂曲播放 音樂噴泉所播放的樂曲可以從 播放器播放，通過功率放大器，將所選歌曲分為兩路輸出，一路輸出到音箱設(shè)備，另一路輸出到 A/D 轉(zhuǎn)換模塊對音頻信號進(jìn)行采樣。當(dāng)操作員在樂曲數(shù)據(jù)庫中確定了演示樂曲后，隨后啟動(dòng)該驅(qū)動(dòng)器，正確地播放選定的樂曲。 2、水型與樂曲同步控制 當(dāng)樂曲開始播放，水型會(huì)同步演示。在上一首樂曲結(jié)束和下一首樂曲開始的間歇期間，水型也會(huì)保持同步停止和繼續(xù)演示。 此音樂噴泉 控制系統(tǒng)能提供可調(diào)整的 噴泉 延時(shí)，使水型與樂曲達(dá)到同步的效果。 3、水型的程序演 示 噴泉 潛 水泵電動(dòng)機(jī)是受 控制器內(nèi)部 的程序控制，每一 首 樂曲 可從控制器中相應(yīng)的找到對應(yīng)的固定程序數(shù)據(jù)，并可以將其對應(yīng)輸出 。 4、彩色燈光的程序演示 與水型的演示程序類似，彩色燈光也由 控制器 系統(tǒng)程序控制。 通過利用噴泉水泵的控制程序，將燈光控制也采用其同樣的方法，隨噴泉的變化相應(yīng)的水下彩色燈光也會(huì)變化、動(dòng)作。 5、水型的節(jié)奏隨動(dòng)控制 對于不同的音樂，其水型的跳躍和搖擺是與樂曲的節(jié)奏同步的，表演出音樂噴泉的激情和活力。這種水型的跳躍和搖擺變化也是由 A/D 對其音頻信號采集轉(zhuǎn)換后通過對應(yīng)的程序所表現(xiàn)出的。通過變頻器對潛水 泵實(shí)現(xiàn)加速、減速等控制，以達(dá)到對不同音樂信基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 號的不同觀賞感。 制系統(tǒng)的簡要工作過程 首先對音頻信號進(jìn)行分配，一路直接經(jīng)功率放大器后輸出到外部音箱設(shè)備；另一路則對音頻信號進(jìn)行采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換等預(yù)處理；其次，經(jīng)過 進(jìn)制）進(jìn)行轉(zhuǎn)換 ,將其音頻信號轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，再通過在 之相比較輸出采樣值的范圍；最后，通過對變頻器的高、中、低三個(gè)控制端進(jìn)行開關(guān)量輸入，即輸入組合（ 001～ 111），以達(dá)到調(diào)節(jié)變頻器的 7種頻率段，并能很好的控制潛水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速的 快慢、音樂音頻信號各頻率對應(yīng)聲音信號的強(qiáng)度 , 通過變頻控制系統(tǒng)就可以將音頻信號的變化用噴泉的水柱表現(xiàn)出來 , 水柱的高低按線性比例反映音頻信號的幅度。設(shè)每次對音頻信號的采樣時(shí)間為 系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)組成將在第三章進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 制系統(tǒng)方案選擇及論證 通過對本課題控制系統(tǒng)各方面知識(shí)的收集、整理和不斷地深入學(xué)習(xí)理解，以及對課題控制系統(tǒng)充分地介紹說明的基礎(chǔ)上，根據(jù)課題設(shè)計(jì)要求及目前廣場音樂噴泉在人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中應(yīng)用的實(shí)際情況，對該系統(tǒng)采用繼電器、單片機(jī)以及 為控制系統(tǒng)主要控制器件的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了 比較，并進(jìn)行方案選擇論證。 案 分析 廣場音樂噴泉的控制系統(tǒng)，要求具備如下功能： 1、 廣場樂曲播放； 2、 水型與樂曲同步 ； 3、 水型的演示 的控制； 4、 彩色燈光的 控制； 5、 強(qiáng)制停止功能。 下面我們就如何能方便、簡單地實(shí)現(xiàn)音樂噴泉的以上功能及經(jīng)濟(jì)角度等方面，將在音樂噴泉控制系統(tǒng)中常用的各種控制控制器或控制電路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡單地比較。 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 方案一： 繼電器 該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于理解和掌握，其設(shè)計(jì)成本也相對較低。 但從應(yīng)用于該大型廣場音樂噴泉系統(tǒng)中來看，該系統(tǒng)有以下幾個(gè)缺點(diǎn)： 1、接點(diǎn)易磨 損，電接觸不好； 在一個(gè)噴泉系統(tǒng)中，需要用到的繼電器、接觸器的數(shù)量是相當(dāng)大的，因此，在此控制系統(tǒng)中，如果有一個(gè)觸點(diǎn)接觸不良，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，而且要找出故障元件是很難的，維修也相當(dāng)煩瑣。 2、接點(diǎn)閉合緩慢； 接觸器動(dòng)作緩慢以及過度延時(shí)是該系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一，因?yàn)樵摽刂葡到y(tǒng)要求與音樂同步，并能實(shí)時(shí)的表現(xiàn)出音樂信號的變化。另外，控制系統(tǒng)的能量消耗大、維修保養(yǎng)工作量大等缺點(diǎn)，從而降低了其經(jīng)濟(jì)性。維修困難是該系統(tǒng)的致命的弱點(diǎn)，由于使用繼電器控制，而繼電器的使用壽命不長，需經(jīng)常更換，而且在眾多繼電器中找故障非常困難。 綜 上所述，由于該系統(tǒng)有諸多弊病，繼電器 度、實(shí)時(shí)性要求不是很高的場合，隨著科技的進(jìn)步，該 型 控制系統(tǒng)已逐漸被淘汰。 方案二：單片機(jī)控制系統(tǒng) 單片機(jī)控制系統(tǒng)比繼電器 優(yōu)點(diǎn)有：可以做成專用的控制系統(tǒng)，程序被固化，保密性強(qiáng)，可靠性較高，操作簡單，并且易于維護(hù)。在諸多小型音樂噴泉控制系統(tǒng)中， 最適合的應(yīng)是單片機(jī)作為控制核心。適合于一般城市小廣場和普通住宅小區(qū)的小型音樂噴泉，由于其控制要求簡單，使用單片機(jī)完全可以滿足要求，而且因其成本低則更易于普及，是未來音樂噴泉 的發(fā)展趨勢。 在大型廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)各方面性能都需要滿足要求，就是 在惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下， 該系統(tǒng)也 能置于有很強(qiáng)的電噪聲、電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中 。但是，如果利用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，其性能會(huì)受到相應(yīng)的影響，不能很好的適應(yīng)到極其惡劣的工業(yè)環(huán)境中去。 另外，該系統(tǒng)帶負(fù)載的能力不夠強(qiáng)，在對負(fù)載要求不高 、環(huán)境比較好 的場合，單片機(jī)控制系統(tǒng)仍有較廣泛的應(yīng)用。不過，隨著 人們生活水平的逐漸提高，越來越多的大型基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 音樂噴泉成為了人們觀賞的焦點(diǎn)。而 術(shù)的成熟與完善， 能有很強(qiáng)的適應(yīng)工業(yè)控制環(huán) 境的能力，作為利用 為音樂噴泉控制器的控制系統(tǒng)，已經(jīng)漸漸超過了采用其它控制器來實(shí)現(xiàn)的音樂噴泉 控制的 控制 系統(tǒng)。 方案三： 制系統(tǒng) 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展， 術(shù)已越來越成熟，應(yīng)用的范圍也越來越廣泛，幾乎滲透到了各行各業(yè)。而在很多的控制應(yīng)用系統(tǒng)中，以 核心的控制系統(tǒng)逐漸成為理想的控制系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)主要有： 1、硬件的可靠性 為了在惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的 置于有很強(qiáng)的電噪聲、電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中。 在硬件設(shè)計(jì)方面，首先是選用優(yōu)質(zhì)器 件，再就是采用合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加固，簡化安裝，使它易于抗振動(dòng)沖擊，對印制電路板的設(shè)計(jì)、加工及焊接都采取了極為嚴(yán)格的工藝措施，而且在電路、結(jié)構(gòu)及工藝上采取了一些獨(dú)特的方式。例如，在輸入 /輸出電路中都采用了光電隔離措施，做到電浮空，既方便接地，又提高了其抗干擾性能；各個(gè) I/加上了數(shù)字濾波；內(nèi)部采用了電磁屏蔽措施，防止輻射干擾；采用了較先進(jìn)的電源電路，以防止由電源回路串入的干擾信號；采用了較合理的電路程序，一旦某模塊出現(xiàn)故障，進(jìn)行在線插拔、調(diào)試時(shí)不會(huì)影響其他各機(jī)的正常運(yùn)行。 由于 身具有很高的可靠性，所以發(fā)生故障的部位大多集中在輸入 /輸出的部件上，以及如傳感器件、限位開關(guān)、光電開關(guān)、電磁電機(jī)等外圍裝置上，這樣便易于檢修和維護(hù)。 2、編程簡單，使用方便 用微機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，常使用匯編語言編程，難于掌握，要求使用者具有一定水平的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)。 用面向控制過程、面向問題的 “自然語言 ”編程，容易掌握。例如，目前大多數(shù) 采用的梯形圖語言編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀感，又顧及了大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及應(yīng)用微機(jī)的水平，很容易被電氣技術(shù)人員所接受，基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 易于編程，程序改變時(shí)也容易修改，很靈活方便。 這種面向控制過程、面向問題的編程方式，與目前微機(jī)控制常用的匯編語言相比，雖然在 部增加了解釋程序，增加了程序執(zhí)行時(shí)間，但對大多數(shù)的機(jī)電控制設(shè)備來說，這些時(shí)間是可以忽略的。 3、接線簡單，通用性好 接線只需將輸入信號的設(shè)備（按鈕、開關(guān)等）與 入端子連接，將接受輸出信號執(zhí)行控制任務(wù)的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與 出端子連接。接線簡單、工作最少，省去了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)接線和拆線的麻煩。 編程邏輯提供了能隨要求而改變的 “接線網(wǎng)絡(luò) ”， 這樣生產(chǎn)線的自動(dòng)化過程就能隨意改變。這種性能使 有很高的經(jīng)濟(jì)效益。 用于連接現(xiàn)場設(shè)備的硬件接口實(shí)際上是 組成部分，模塊化的自診斷接口電路能指出故障，并易于排除故障與替換故障部件，這樣的軟硬件設(shè)計(jì)就使現(xiàn)場電氣人員與技術(shù)人員易于使用。 4、可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)可分為兩類：一類是低速網(wǎng)絡(luò)，采用主從方式通信，傳輸速率從幾千波特到上萬波特，傳輸距離為 500—2500m；另一類為高速網(wǎng)絡(luò)，采用令牌傳送方式通信，傳輸速率為 1M—10輸距離為 500—1000m， 網(wǎng)上結(jié)點(diǎn)可達(dá) 1024 個(gè)。這兩類網(wǎng)絡(luò)可以級連，網(wǎng)上可兼容不同類型的可編程控制器和計(jì)算機(jī)，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò)。 5、易于安裝，便于維護(hù) 裝簡單而且功能強(qiáng)大，其相對小的體積使之能安裝在通常繼電器控制箱所需空間的一半的地方，在從繼電器系統(tǒng)改換到 統(tǒng)的情況下， 的模塊結(jié)構(gòu)使之能安裝在繼電器附近，并將連向已有接線端，其改換很方便，只要將輸入 /輸出設(shè)備連向接線端即可。 在大型安裝中，長距離輸入 /輸出站點(diǎn)安放在最優(yōu)地點(diǎn)。長距離站通過同軸電纜獲雙扭線連向 種配置大大減少了物料和勞力，長 距離子系統(tǒng)方法也意味著系統(tǒng)不同部分可在到達(dá)安裝場地前由 造商預(yù)先連好線，這一方法大大減少了電氣技術(shù)人基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 員的現(xiàn)場安裝時(shí)間。 從一開始， 以易維護(hù)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于幾乎所有器件都是固態(tài)的，維護(hù)時(shí)只需更換模塊級插入式部件，故障檢測電路將診斷指示器嵌在每一部件中，就能指示是否正常工作，借助于編程設(shè)備可見輸入 /輸出是 是 可寫編程指令來報(bào)告故障。 這些及其他一些特性使之成為任何一個(gè)控制系統(tǒng)的有益部分。一旦安裝后，其作用立即顯現(xiàn)，其收益也馬上實(shí)現(xiàn)，像其他智能設(shè)備一樣 ,潛在優(yōu)點(diǎn)還取決 于應(yīng)用時(shí)的創(chuàng)造性。 案論證 對音樂噴泉的成敗最重要的是看噴出的水流量是否有音樂感。 主要功能是對音樂信號進(jìn)行處理，再將處理后的信號傳輸?shù)较乱患壙刂圃O(shè)備，這樣就可以控制所需的水型及燈光按照音樂的節(jié)奏高低起伏和動(dòng)感變化，使音樂噴泉真正達(dá)到了水上芭蕾的藝術(shù)效果。 具有的準(zhǔn)確、精密、快速、穩(wěn)定的特點(diǎn)和多點(diǎn)控制的功能已使它成為現(xiàn)代高技術(shù)音樂噴泉工程中不可缺少的設(shè)備。 通過對上述方案分析可知，該系統(tǒng)從理論上講，可以采用的控制器有：繼電器 片機(jī)控制； 制等三種控制器。 綜上所 述 ，對這三種不同形式的控制器的比較，在廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)中，很顯然 為控制器的優(yōu)勢比較明顯、突出。因此，在此次音樂噴泉控制系統(tǒng)中選用了為控制器的方案。 選定方案的分析 1、 可行性分析 （ 1） 功能可行性分析： 由于系統(tǒng)各主要部分所需要滿足的功能步驟及要求大多是開關(guān)量信號，所以選擇可編程序邏輯控制器是完全能夠滿足其功能要求的。 （ 2） 系統(tǒng)可靠性分析： 系統(tǒng)主要靠 部程序運(yùn)行，從而達(dá)到實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性得到很大改善，使系統(tǒng)可靠性得到了進(jìn)一步的保證。 （ 3） 系統(tǒng)擴(kuò)展性分析： 系統(tǒng)采用 為控制器，其本身就具有極強(qiáng)的功能擴(kuò)展基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 性，加之 品的完整性，使得系統(tǒng)功能擴(kuò)展極其方便 。 （ 4） 系統(tǒng)可維護(hù)性分析： 系統(tǒng)采用先進(jìn)控制方式，大大降低了工程成本，并由于系統(tǒng)組態(tài)及結(jié)構(gòu)簡單，這使得可維護(hù)性增強(qiáng)。 2、 技術(shù)性能 （ 1） 型： 選擇是否能讓功能與任務(wù)相適應(yīng)； 處理速度是否滿足實(shí)時(shí)控制的要求； （ 2） 擴(kuò)展模塊的選擇： 開關(guān)量輸入模塊工作電壓的選擇；開關(guān)量輸出模塊輸出方式的選擇；模擬量輸入模塊的模擬量值的輸入范圍考慮。 從與其它噴泉控制系統(tǒng)對比中可以看出，本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中主要控制器 必須滿足系統(tǒng)的可行性、可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性等要求。而綜合上述方案論證，大型廣場音樂噴泉采用 制系統(tǒng)既能很好地滿足其性能要求，并能很好的實(shí)現(xiàn)音樂噴泉的各種功能，又經(jīng)濟(jì) 、 安全、方便實(shí)用。本文就是基于以上所介紹的 諸多優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。同時(shí)，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中 將綜合 考慮控制系統(tǒng)的技術(shù)性能。 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 第 3 章 系統(tǒng)硬件 部分 本章主要介紹廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的基本組成部分、控制過程、各部分元器件的工作原理、 制系統(tǒng) I/O 點(diǎn)數(shù)的估算、元器件參數(shù)選擇、 部硬件接線圖以及控制系統(tǒng)主電路圖 等內(nèi)容 。 制系統(tǒng)的組成部分 硬件系統(tǒng) 主要 由 A/ 變頻 器、潛水泵和燈光 組成。 通過 換來控制變頻器和故態(tài)繼電器的動(dòng)作，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)對音樂和噴泉的實(shí)時(shí)的完美結(jié)合。 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件組成部分如圖 圖 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 統(tǒng)的控制過程 在這里，輸入轉(zhuǎn)換電路是指能對樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強(qiáng)弱等進(jìn)行檢測并將檢到的信號以電平、脈沖或數(shù)字形式送至 在此控制系統(tǒng)中，利用 A/據(jù)控制精度的需要 ,人耳的聽覺 ,音樂信號的特點(diǎn)。由于人耳聽到的是廣場上播放樂曲的聲音 ,而人眼看到的是噴頭的….. ….. 編程序控制器 外部音箱 （左） 變頻器 1# 頻器 2# 變頻器 4# 變頻器 3# M M M 外部音箱 （右） 速端 速端 調(diào)速端 調(diào)速端 四組潛水泵 七組水下燈 功率放大器 A/D 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 水流量 ,聲音強(qiáng)度與水流量并不是線性關(guān)系。而與潛水泵的速度成線性關(guān)系 ,閥門噴出的水流量高度與潛水泵的旋轉(zhuǎn)速度變化成比例 ,潛水泵的旋轉(zhuǎn)速度又與給變頻器所設(shè)定的頻率以及頻率變化速度成比例。聲音強(qiáng)度與采樣過來轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量成比例 ,所以 換、比較才能輸出到相對應(yīng)的變頻器，以達(dá)到控制水泵旋轉(zhuǎn)速度。 因?yàn)橛辛怂?，音樂已不再僅是背景音樂，音樂已用來控制整個(gè)噴池噴頭 的動(dòng)作與否，因而已達(dá)到了音樂噴泉的最基本要求。 選型 音樂噴泉邏輯控制系統(tǒng)的控制核心是 在建立一個(gè) 哪些信號需要輸入至 以及采用何種編程方式，都會(huì)影響到其內(nèi)部 I/必須首先把系統(tǒng)需要的輸入，輸出數(shù)量確定下來，然后按需要確定各種控制動(dòng)作的順序和各個(gè)控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。在確定控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的相互關(guān)系之后，就可以進(jìn)行分配輸入輸出設(shè)備。 因此， I/設(shè)計(jì)整個(gè) 不僅決定著系 統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，也是系統(tǒng)軟件編寫的前提。 在 估算 了 部輔助繼電器、定時(shí)器、 計(jì) 數(shù)器之后，就可以 對 進(jìn)一步進(jìn)行輸入 /輸出量的確定 。 ,根據(jù) I/應(yīng)留出一定的 I/對系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行分析后，可以大概確定系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)。 1、 系統(tǒng) 數(shù)字量 輸入所需點(diǎn)數(shù)估算 本系統(tǒng)是根據(jù)音樂的旋律、音頻信號的大小來控制噴泉水柱高低的，所以其數(shù)字量輸入只需要滿足系統(tǒng)啟動(dòng)、停止兩個(gè) 功能。 如表 示 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 表 系統(tǒng)數(shù)字量輸入所需各元器件功能及所占 數(shù) 項(xiàng)目名稱 輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 啟動(dòng)按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)啟動(dòng) 輸入點(diǎn)數(shù)： 2 停止按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)停止 2、 系統(tǒng) 模擬量輸入 所需點(diǎn)數(shù)估算 為了將 音頻信號轉(zhuǎn)化成 識(shí)別的數(shù)字量信號，這里需采用一個(gè)模擬量 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊，所以模擬量輸入點(diǎn)為 1 個(gè)。 如表 示 表 系統(tǒng)模擬量輸入所需各元器件功能及所占 數(shù) 項(xiàng)目名稱 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 音頻信號變送模塊 1 音頻 信號大小 輸入點(diǎn)數(shù) ： 1 3、系統(tǒng) 數(shù)字量 輸出所需點(diǎn)數(shù)估算 系統(tǒng)數(shù)字量輸出分為控制變頻器開關(guān)量、控制燈光開關(guān)量兩個(gè)部分，其中變頻器有啟動(dòng)和調(diào)速兩種控制量。 如 表 示 表 系統(tǒng)數(shù)字量輸出所需各元器件功能及所占 數(shù) 項(xiàng)目名稱 輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 啟動(dòng)變頻器開關(guān)量 5 控制變頻器運(yùn)行 輸出總點(diǎn)數(shù)： 24 變頻器速度開關(guān)量 12 選擇變頻器頻率 水下等光控制輸出 7 水下燈光的控制 選型 由以上對廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的組成、工作過程、 I/O 點(diǎn)的估算等分 析可知， 系統(tǒng)中實(shí)際需要數(shù)字量輸入點(diǎn) 2 點(diǎn) ,模擬量輸入模塊 1 個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn) 24 點(diǎn)，輸出擴(kuò)展模塊 1 個(gè) 。 同時(shí)，考慮到該系統(tǒng)是單機(jī)系統(tǒng)，可選擇整體式結(jié)構(gòu)的 型的選擇 在眾多的 松下 門子 光 菱 列 產(chǎn)品。 7列 應(yīng)用比較廣泛，基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19 可擴(kuò)展模塊多，適合很多控制系統(tǒng)選擇， 在本設(shè)計(jì)當(dāng)中詳細(xì)的對 7列產(chǎn)品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。 1、 7列 主要特點(diǎn)是：它有豐富的指令 、 內(nèi)置集成功能 、擴(kuò)展模塊； 具有 實(shí)時(shí)特性；強(qiáng)勁的通訊能力；可靠性好，適應(yīng)性強(qiáng) 以及 性能價(jià)格比高。 2、 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模塊化的 主要由 塊、擴(kuò)展模塊和總線連接電纜構(gòu)成。 （ 1） 塊 該模塊主要包括 源和 I/O 點(diǎn) 3 部分。 要負(fù)責(zé)程序的運(yùn)行等工作；模塊的電源不僅向 電，還要滿足與 塊相連的其他模塊的用電需求；該模塊本身自帶一定數(shù)量的開關(guān)量 I/O 點(diǎn)，如果能夠滿足控制要求，則可以不再需要 開關(guān)量 I/ （ 2）擴(kuò)展模塊 由于 塊本身的 I/O 點(diǎn)非常有限、而且無模擬量 I/O 點(diǎn)，所以有時(shí)需要數(shù)字量I/O 模塊、模擬量 I/O 模塊等一些特殊功能模塊。 （ 3）總線連接電纜 總線連接電纜用來把 I/O 模塊和 其他的擴(kuò)展模塊連接在一起。 3、 硬件系統(tǒng)配置 兩種系統(tǒng)配置方式，一種是在面板上進(jìn)行配置，另一種是在 軌上進(jìn)行配置。兩種系統(tǒng)配置方式分別如圖 圖 示。 圖 第 1 種系統(tǒng)配置圖 圖 第 2 種系統(tǒng)配置圖 7列 用于各種場合中的檢測及控制的自動(dòng)化。 列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，尤其在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中更能充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能。因此，可選擇西門子公司的 7列 ，由于在 列 中，輸出信號有兩種類型：繼電器輸出型和 出（晶體管輸出）型，而在此系統(tǒng)當(dāng)中只有直流電壓信號輸出，沒有交流電壓輸出，所以選擇了晶體管輸出型 綜上所述， 本設(shè)計(jì)選用了西 門子 列 體管輸出 型的 中24 輸入 /16 輸出 共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，并可連接 7 個(gè)擴(kuò)展摸板單元，包括模擬量擴(kuò)展摸板， 這已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)所需要的輸入輸出端口要求。 字量擴(kuò)展模板的選擇 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是西門子 有 24 輸入 /16 輸出共 40個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)， 由于 該系統(tǒng)輸出點(diǎn)數(shù)需要 24 點(diǎn)，所以采用數(shù)字量擴(kuò)展模塊。 列目前可以提供三大類共 9 種數(shù)字量輸入輸出擴(kuò)展模塊。 1、 字量輸入（ 展模塊， 具有 8 點(diǎn) 入，光電耦合器隔離。 2、 字量輸出（ 展模塊，有 2 種輸出類型： 8 點(diǎn) 出； 8點(diǎn)繼電器輸出型。 3、 字量混合輸入 /輸出（ O）擴(kuò)展模塊，有 6 種輸出類型： 點(diǎn) /輸出 4 點(diǎn)； 入 4 點(diǎn) /繼電器輸出 4 點(diǎn)； 入點(diǎn) /輸出點(diǎn)； 點(diǎn) /繼電器輸出 8 點(diǎn)； 入 16 點(diǎn) /輸出 16 點(diǎn)； 入 16 點(diǎn) /繼電器輸出 16 點(diǎn)。 由上述 所需擴(kuò)展輸出點(diǎn)數(shù)可知，此系統(tǒng)采用數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊 8 點(diǎn)出型。 模擬量擴(kuò)展單元摸板選擇 對與整個(gè)音樂噴泉控制系統(tǒng)來說，硬件的組成及選擇都是關(guān)系到設(shè)計(jì)是否合理的一個(gè)重要依據(jù)。因此，本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)由主控制器 A/D 轉(zhuǎn)換器模塊、變 頻器、 潛水泵、音箱設(shè)備以及燈光等多部分組成。 在上述章節(jié)中介紹了 控制器的選擇， 下面將詳細(xì)介紹音樂噴泉控制系統(tǒng) A/D 轉(zhuǎn)換器模塊 的選擇。 1、模擬量輸入接口模板的簡介 模擬量輸入接口模板的任務(wù)是把現(xiàn)場中被測的模擬量信號轉(zhuǎn)變成 以處理的數(shù)字量信號。通常生產(chǎn)現(xiàn)場可能有多路模擬信號需要采集，各模擬量的類型和參數(shù)都可基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21 能不同，這就 需要在進(jìn)入模板前，對模擬量信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，把它們變換成輸入模板能統(tǒng)一處理的電信號，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行多中選一，再將已選中的那路信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)行必要處理后，送入數(shù)據(jù)總線供 取，或存入中間寄存器備用。 A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入模板的關(guān)鍵器件，它完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為 10~100A/D 轉(zhuǎn)換器是在控制的控制下，完成啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果等工作過程。通常， A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果是以帶符號的二進(jìn)制形式出現(xiàn)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)光電隔離，再經(jīng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器，送入中間寄存器。當(dāng) 要讀取本通道輸入信號時(shí)，再由中間寄存器取出，經(jīng)總線驅(qū)動(dòng)后送入數(shù)據(jù)總線。經(jīng)數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)的輸出數(shù)據(jù)也可以不經(jīng)中間寄存器而直接進(jìn)入總線驅(qū)動(dòng)，供 即讀取。 2、 A/D 模塊的選擇 西門子 模擬量擴(kuò)展單元模板類型有以下三種： 第一種： 4 路 12 位模擬量輸入（ 板 （ 1）差分輸入，輸入范圍：電壓： 0～ 10V， 0～ 5V， ++5V。 電流： 0～ 20 （ 2）轉(zhuǎn)換時(shí)間： <250 （ 3）最大輸入電壓 30大輸 入電流 32 第二種： 2 路 12 位模擬量輸出（ 板 （ 1）輸出范圍：電壓 +10V，電流 0～ 20 （ 2）數(shù)據(jù)字格式：電壓 +32000，電流 0～ +32000。 （ 3）分辨率：電壓 12 位，電流 11 位。 第三種： 擬量混合輸入 /輸出（ O）模板 （ 1）模擬量輸入 4 路，模擬量輸出 1 路。 （ 2）差分輸入，電壓： 0～ 10V， 0～ 5V， 0～ 1V， 0～ 5000～ 1000～ 5010V， +5V， ++1V， +500+250+100+5025 電流： 0～ 20 （ 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間： <250 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 （ 4）穩(wěn)定時(shí)間：電壓 100流 2 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只需要考慮模擬量的輸入模板，不需要模擬量輸出模板，所以首選擴(kuò)展模塊為 4 路 12 位模擬量輸入（ 板。 制系統(tǒng)的 I/O 地址分配 制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分是設(shè)計(jì) 外部電路，即畫出 外部硬件連線圖。根據(jù)以上所選的 塊型號、各擴(kuò)展模塊的型號以及本機(jī)的 I/O 地址，為了明確每個(gè)輸入端傳入數(shù)據(jù)的 意義和每個(gè)輸出線圈所控制的量，給出 I/O 資源配置表如表 表 示。 1、 數(shù)字量輸入部分： 如表 示 表 數(shù)字量 輸入地址分配表 信號名稱 外部元件 輸入地址 備 注 啟動(dòng)按鈕 啟動(dòng) 停止按鈕 停止 2、 模擬量輸入 部分 ： 如表 示 表 模擬量 輸入地址分配表 信號名稱 外部元件 輸入寄存器 備 注 A/塊 3、數(shù)字量輸出部分 ： 如表 示 表 數(shù)字量 輸出地址分配表 信號名稱 外部元件 輸出地址 啟動(dòng)變頻器 1#（正轉(zhuǎn)） 作繼電器 頻器 1#低速 作繼電器 頻器 1#中速 作繼電器 頻器 1#高速 作繼電器 動(dòng)變頻器 2#（正轉(zhuǎn)） 作繼電器 于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 變頻器 2#低速 作繼電器 頻器 2#中速 作繼電器 頻器 2#高速 作繼電器 動(dòng)變頻器 3#（正轉(zhuǎn)） 作繼電器 頻器 3#低速 作 繼電器 頻器 3#中速 作繼電器 頻器 3#高速 作繼電器 動(dòng)變頻器 4#（正轉(zhuǎn)） 作繼電器 頻器 4#低速 作繼電器 頻器 4#中速 作繼電器 頻器 4#高速 作繼電器 1 組潛水燈 2 組潛水燈 3 組潛水燈 4 組潛水燈 5 組潛水燈 6 組潛水燈 7 組潛水燈 電路電源接觸器 頻器的選型及參數(shù)設(shè)置 當(dāng)今噴泉工程和高新技術(shù)的結(jié)合正是歷史發(fā)展的必然。由于噴泉工程中采用了大量的高新技術(shù)從而使噴泉效果更加絢麗多彩、婀娜多姿，令人賞心悅目、流連忘返。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，變頻調(diào)速器技術(shù)正大步走進(jìn)噴泉控制領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用。 根據(jù)控制功能將通用變頻器分 3 種類型。普通功能型 V/F 控制變頻器，具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 V/F 控制變頻器，以及矢量控制高性能變頻器。根據(jù)負(fù)載的要求來選擇變 頻器的類型。本設(shè)計(jì)中采用了三菱 變頻調(diào)速器，該變頻器接線端分布基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24 圖如圖 示。 圖 變頻器接線端子分布圖 該變頻器調(diào)速僅通過外部的接點(diǎn)信號切換，即可選擇各種速度 (M,即使在變頻器運(yùn)行中，各種速度（頻率）也可在 0～ 120體接點(diǎn)信號（ M,能階段性地切換運(yùn)行速度使用 。 根據(jù) 表 據(jù)的大小變化按內(nèi)部編程進(jìn)行電機(jī)變頻調(diào)速，控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，獲得相應(yīng)的噴水壓力和水花高度，獲得與音樂間相吻合的水花節(jié)奏和動(dòng)感。其內(nèi)部程序根據(jù)需要和要求按一定規(guī)律或規(guī)則進(jìn)行編程。 表 多段調(diào)速設(shè)定表 高速 速 速 速 速 N 回路端子 控制回路輸出端子 控制回路輸入端子 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 3 速 N 4速 N 速 N 6 速 N 速 N 水泵 與燈組參數(shù)選擇 整個(gè)系統(tǒng)的水泵使用三相潛水泵，功率視水池大小而定，每個(gè)水池中各安置 1～ 2 根粗水管，每根水管上安裝 2～ 3 臺(tái)水泵，被控噴水管上的水泵電機(jī)只控制 1～ 2 臺(tái) （ 不全控 ） ，不受控的水 泵工作保持一定的水柱 （ 花 ） 高度，而受控的水泵工作使水柱 （ 花 ）在一定基礎(chǔ)上跳動(dòng)噴射，以避免音樂間歇無噴水現(xiàn)象出現(xiàn) （ 也可調(diào)整變頻器參數(shù)獲得 ） 。 本設(shè)計(jì)中采用的是 噴泉專用泵，該泵如下特點(diǎn)： 電機(jī)性能：采用優(yōu)質(zhì)材料 加電機(jī)繞組的匝數(shù)及線徑使水泵耐頻繁起動(dòng)。 水力部分：采用優(yōu)秀水力模型設(shè)計(jì)，使水泵流量、揚(yáng)程、效率三者更為合理。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：該電機(jī)為自循環(huán)充水式冷卻；電纜用三相四線 噴泉專用電纜；葉輪采用了防松動(dòng)裝置； 濾網(wǎng)護(hù)罩采用全不銹鋼材料；電機(jī)內(nèi)腔定轉(zhuǎn)子采用進(jìn)口涂料，提 高了水下電機(jī)耐腐蝕性，通過以上結(jié)構(gòu)改進(jìn)使之更適于噴泉工程專業(yè)要求。 為提高負(fù)載能力，驅(qū)動(dòng)更多更大燈組負(fù)載，在可編程序控制器輸出端外接無觸點(diǎn)固態(tài)繼電器，以增大驅(qū)動(dòng)能力，并與強(qiáng)功率電路電氣隔離 (光隔離 )，提高抗干擾性能和安全性能。 2 20 S 配用電動(dòng)機(jī)額定功率（ 水泵級數(shù)（單位不標(biāo)注 ） 額定揚(yáng)程（ m） 額定流量（ m3/h） 充水式小型潛水電泵 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26 整個(gè)噴泉的燈光以暖色調(diào)為主，突出中心部分應(yīng)用水景造型配以不同顏色的燈光襯托， 采用水下彩燈，以紅、黃、綠、蘭四色搭配中心主噴以紅色為主，燈光明亮隨編排程序，與對應(yīng) 7組表數(shù)據(jù)輸出 同步變化。 由于本設(shè)計(jì)主要考慮的是噴泉的控制系統(tǒng)，具體水泵、燈光等器件將如何選擇、編排、布置問題 ，在此不作詳細(xì)介紹。 外部硬件連接圖 輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與模擬量也要分開敷設(shè)。模擬量信號的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地。 電源部分包括 作電源 他輸入 /輸出電源電壓均為 外部硬件連接圖見附錄 A。 在整個(gè) 部硬件連接圖中，包括數(shù)字量、模擬量的輸入接線和數(shù)字量輸出接線三個(gè)部分： 1、數(shù)字量輸入 數(shù)字量輸入點(diǎn)有兩個(gè)分別為 中 啟動(dòng)按鈕，當(dāng)按下 ， 對程序進(jìn)行循環(huán)掃 描； 停止按鈕，當(dāng)按下 ，系統(tǒng)會(huì)停止所有程序的掃描，并能控制到此時(shí)無輸出，而且同時(shí)將所有置位信號復(fù)位。 另外，當(dāng)外部水泵電源線路中過載熱繼電器保護(hù)裝置 現(xiàn)動(dòng)作時(shí)，也同樣可以將 統(tǒng)所有工作立即停止。 2、模擬量輸入 模擬量輸入通過 擴(kuò)展插口直接利用數(shù)據(jù)線連接，不需要另外占用端子排上的端口。因?yàn)橐纛l信號的直接來源于 設(shè)備，而不是通過功放將音頻信號功率大后再輸入轉(zhuǎn)換模塊的，所以，當(dāng)音頻信號以電流 0~20形式時(shí)，可直接接入模擬量轉(zhuǎn)換模塊 過編制程 序可直接從模擬量轉(zhuǎn)換 的變量寄存器中讀取數(shù)據(jù)。 3、數(shù)字量輸出 數(shù)字量輸出包括：變頻器和潛水燈兩部分。由于采用的是西門子 據(jù)輸出點(diǎn)數(shù)可知，需加數(shù)字量擴(kuò)展模塊 中所示輸出 個(gè)一組接至相應(yīng)的 4 組變頻器控制端子，其中 啟動(dòng)變頻器正轉(zhuǎn)端，高速 、中速 以及低速 為組合調(diào)速端，通過三個(gè)端子可組合成為 7 速調(diào)基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 27 節(jié)，從而使得潛水泵的速度變化也會(huì)相應(yīng)的跟著有所改變。 另外，數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊 接為固態(tài)繼電器，通過控制固態(tài)繼電器的通斷，將改變 7 組燈光的變化組合，其中 出控制主電路電源通斷。 制系統(tǒng)主電路 圖 控制系統(tǒng)主電路圖主要包括變頻器、潛水泵兩個(gè)主要部分。變頻器的電源線直接從三相交流電獲得，分別接至 R、 S、 應(yīng)的輸出到潛水泵，潛水泵則接至U、 V、 控制系統(tǒng)電路中有熔斷、熱繼電器兩大保護(hù)裝置。而 M、 過改變其端子組合去改變潛水泵的轉(zhuǎn)速。具體控制系統(tǒng)主電路圖如圖 示。 L 3F L 2L 1Q 1 . 0 Q 1 . 1 Q 1 . 2 Q 1 . 3 Q 0 . 0 Q 0 . 1 Q 0 . 2 Q 0 . 3Q 0 . 4Q 0 . 5Q 0 . 6Q 0 . 7 Q 1 . 4Q 1 . 5Q 1 . 6Q 1 . 7F R 1R V W F R - S 5 4 0 S T F R L R M R ～ F R L R M R 3M ～F R 2R V W F R - S 5 4 0 S T F R L R M R ～ - S 5 4 0S T F R L R M R 4M ～第 1 組第 2 組第 3 組第 4 組K M 1S 5 4 0圖 控制系統(tǒng)主電路圖 基于 廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 第 4 章 系統(tǒng) 軟件部分 在對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù) 制系統(tǒng)工藝流程和系統(tǒng)控制要求，對 行了軟件設(shè)計(jì)。 制系統(tǒng)基本流程圖 控制系統(tǒng)流程圖的編制是在對控制 系統(tǒng)進(jìn)入深入的了解后，了解各種控制 設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)；然后詳細(xì)的了解每個(gè) 被控設(shè)備的特性。分析完工藝流程和控 制要求后，根據(jù)工藝的總體要和控制系 統(tǒng)的具體情況，畫出控制系統(tǒng)的流程圖。 1、控制系統(tǒng)軟件流程整體思路分析 框圖見附錄 A。 2、 圖 示 為 主程序流程圖 當(dāng) P