基于plc音乐喷泉控制系统的设计.doc

摘要泰 山 学 院本科毕业论文基于PLC音乐喷泉控制系统的设计所 在 学 院 机械工程学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 申请学士学位所属学科 工 学 年 级 二一一级（3+2） 学生姓名、学号 王鲁静2011170294 指导教师姓名、职称 陈宏圣 副教授 完 成 日 期 二一三年五月 摘要摘要IABSTRACT音乐喷泉作为一种人造环境工程项目，将音乐的美和喷泉有机的结合在一起，给人以赏心悦目的感受。随着可编程控制器在我国的迅速发展，对音乐喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制部分由可编程控制器来实现。 使用PLC控制音乐喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。此论文是制作一个以小型PLC为控制核心，变频器控制水柱高度，以音频采集为基础的小型音乐喷泉控制系统。系统控制核心选用SIEMENS公司的S7-200 Micro PLC，水泵的控制选用MICROMASTER 420变频器。主要包括控制系统的软件系统设计、硬件系统的设计以及变频器参数设置。 关键词：音乐喷泉，可编程控制器，变频器ABSTRACTThe music fountain as an artificial environment engineering project, will be the beauty of music and fountain are organically combined together, give a person with pleasant feelings. With the programmable controller in Chinas rapid development, the music fountain control requirements are also getting higher and higher, making more and more control of the implemented by programmable controller.Use PLC to control the music fountain, is easy to use, reliable operation, has the advantages of simple control program design. Making a small PLC as control core, the inverter to control the height of the water column, small music fountain based on the audio collection control system. The core of the system control by the use of SIEMENSs S7-200 Micro PLC, pump control using MICROMASTER 420 converter. This paper mainly introduces the control system software design of musical fountain，focusing on PLC programming and the transducer parameter settings.KEY WORDS: Musical fountain,PLC, TransducerII目录IV目录目录引 言11 PLC基础知识简介21.1 PLC的产生和发展21.2 PLC的特点与应用21.3 PLC的工作原理及工作过程32 变频器基础52.1 变频器概述52.2 变频器技术的发展52.2.1 变频器的分类52.3 变频器的工作原理以及控制方式52.3.1 变频器的工作原理52.3.2 变频器的控制方式62.4 MICROMASTER 420概述72.5 MM420变频器的电路结构73 系统总体介绍103.1 音乐喷泉组成103.1.1 音乐喷泉水池设计103.1.2 控制系统组成104 控制系统的硬件设计124.1 PLC控制系统I/O口的估算124.2 PLC的选型134.3 PLC输入/输出点分配144.4 PLC控制接线图155 变频器及控制参数设计165.1 变频器设计165.1.1 变频器选型165.2.2 变频器控制接线图165.2 MM420变频器操作面板175.3 变频器参数设置方法185.4 变频器参数设置195.5 变频器控制说明205.5.1 系统参数设计说明205.5.2 相关参数的说明206 控制系统软件设计及调试236.1 PLC控制流程236.2 主要控制程序266.3 PLC的调试276.4 系统整体调试27结 论29参考文献30致谢31附录1 音乐喷泉控制程序32引 言音乐喷泉是一个使用音乐的主体元素（频率，振幅，音调和节奏）与花型组合控制喷泉，水柱高度，距离变换和光的颜色组合与亮度变化。音乐喷泉是人工喷泉现代控制技术的使用，是融合了基于程序控制的音乐喷泉控制系统，通过水和轻音乐喷泉控制相结合的变化而变化，从而实现光与色的组合、音乐的情绪、喷泉的生动丰富的表演内涵。随着可编程控制技术的发展，可编程序控制器和变频器技术在喷泉控制领域发挥着不可替代的作用。即使用一个小型PLC的音乐喷泉控制系统频率转换器，可以实现控制喷泉灯，水泵，接线简单、编程与音乐节奏和情感以及流水灯的多点结合，便于适合追求时尚家居生活和娱乐。目前，音乐喷泉的控制中最常出现的是实时控制。小型PLC的音乐喷泉控制系统基于现实生活中的应用前景，值得推广。在设计过程中，采用可编程控制器实现音乐喷泉的控制。尤其是在现场总线和工业自动化领域的控制网络中开辟了一个新的发展空间。PLC及其外围设备的设计是依据易于形成一个整体的工业控制系统，便于扩充功能的原则。考虑到音乐喷泉系统的控制复杂性，若采用继电器控制，其控制可靠性较差。若采取PLC控制，PLC是由程序控制，是一种软连接，大大的提高了可靠性。可编程控制器是音乐喷泉的控制核心，可编程控制器是整个系统的“大脑”，开关量转换音乐频率来控制喷泉的变化和闪烁的灯光都是通过程序实现的。可编程控制器，简化了控制电路，提高工作速度和系统运行的可靠性和灵活性，而且还增强了喷泉工程的自动化及智能化。1 PLC基础知识简介在继电器控制技术的基础上发展起来的一种先进的技术PLC，还借助于计算机技术和现代通信技术。PLC自产生至今，虽然只有30年，但今天已在该行业快速发展。现代工业自动化的三大支柱产业为PLC技术，CADCAM技术和机器人技术。PLC技术主要是以微处理器为核心，应用时间，计算、算术、逻辑程序控制，并通过数字和模拟I/O实现各种具体的生产工艺的控制。目前广泛使用的为机械和电气控制，电气控制，数据采集，网络通信和运输等领域。1.1 PLC的产生和发展IEC在二十世纪九十年代年颁布了可编程控制器（PLC）的含义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩展其功能的原则设计”。PLC发展迅速，故其实现的功能丰富，应用范围广，开发了实现各种功能需求的PLC系统，PLC的未来发展趋势为：小型化、专用化、易用化；大容量、高速度、信息化；智能I/O模块的发展；人机界面研发与发展；开放性和程序语言的标准化；过程控制领域应用；PLC的冗余特性；增强通信联网功能。1.2 PLC的特点与应用1 PLC的特点 PLC技术能够高速发展，除工业自动化的客观需求之外，主要是由于它自身还有很多独特的优点。具有特殊结构的工业控制计算机，与普通计算机相比具有更强的能够与工业过程相接的接口，同时具备适用于控制要求的程序设计语言是可编程控制器实质。可编程控制器是将计算机技术和电器控制技术有机地结合在一起的技术。其特点主要体现在：可靠性高，抗干扰性强；编程简单、使用方便； 易于安装、调试、维修；功能完善，通用性强；体积小，能耗低2。2. PLC的应用 基于PLC自身优势，在工业控制中倍受青睐。PLC的主要应用领域涵盖了几个方面：开关量的逻辑和顺序控制；模拟量控制；运动控制；过程控制；数据处理；信号连锁系统；通信及联网；时间控制。1.3 PLC的工作原理及工作过程与普通微机类似，PLC亦是由硬件和软件组成。PLC的正常地运行只能依靠于软件的控制。系统软件和应用软件为软件系统的两个部分。PLC 的基本运行过程如下：1） 输入处理阶段：PLC把所有外部输入电路的状态输入映像寄存器；2）程序执行：用户程序中的指令按次序被扫描，然后依据输入状态和指令内容执行逻辑运算；3） 输出处理阶段：根据程序执行的结果，各输出点相应的控制信号由输出状态寄存器并行发出，实现控制系统的逻辑控制功能。扫描周期即每执行一遍程序所需的时间。PLC 的扫描周期通常只有零点零几秒。然而事实上，一系列不断重复的顺序操作是很多机械设备的工作过程，而这与PLC 的工作原理类似。所以，PLC 的程序可以和机器的操作步骤相对应，而且PLC程序编制过程简单易懂，正确率高，修改简便，因而软件的开发费用及开发周期都有可观的改变。PLC通常在每次扫描期间进行故障自诊断以及与编程器的通信，此过程的意义在于提高工作的准确性，及时接收外部控制指令。PLC的扫描工作流程如图1所示。 图1 PLC的扫描工作流程42 变频器基础2.1 变频器概述实现把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电功能装置称为“变频器”。变换器是电力电子装置的电源转换成各种频率的交流电源来实现变频调速电机的使用，运动控制系统的功率变换器。变频技术是一种高新技术集自动控制，电力电子技术，微电子技术，通讯技术于一体。变频器具有速度快，省电，节能，可靠，高效，广泛应用在各种领域。2.2 变频器技术的发展有交流异步电动机调速功能的变频器，其性能远远超过交流、直流调速控制方式，拥有结构简单、宽调速范围、高调速精度、安装调试简便、使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著等优点，是交流电动机调速的主导技术。运动控制系统中，起功率变换作用的是器变频器，运动控制技术是多学科综合的高新技术，是自动化技术的“前沿”。2.2.1 变频器的分类（1） 按输出电压调节方式分类：PAM方式；PWM方式；高载波变频率的PWM方式7。（2） 按控制方式分类：电压/频率控制； 转差频率控制；矢量控制。（3） 按用途分类：通用变频器；高性能专用变频器；高频变频器；小型变频器7。2.3 变频器的工作原理以及控制方式2.3.1 变频器的工作原理变频器是把工频电转换为其它频率的交流电，来适应交流电动机变频调速的需求。变频器目前主要应用的变频方式是交-直-交方式，直流电是工频电流经过整流器转换来的，再把由直流电转换的频率、电压均可控制的交流电供给电动机。变频器的电路有整流器、直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成8。交流电动机同步转速表达式为： n = 60 f (1 s) / p （公式1）式中：n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机磁极对数。由公式1知，异步电动机的转速与频率成正比，因此改变频率f 即可改变电动机的转速。变频器就是利用改变电源频率来实现速度调节，是一种理想调速方式8。变频器的工作过程：一是将交流电转换为直流电，然后再利用电子元件使直流电变为交流电。变频器一般用可控硅组装成频率可调的装置，使频率可调，从而调控电机的转数，使转数产生变化。一般整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等部分组成了其变换电路。变频器的基本结构如图2所示。 图2 变频器的基本构成92.3.2 变频器的控制方式开环控制和闭环控制是变频器两种控制方式，闭环控制进行电动机速度的反馈。开环控制有电压/频率控制方式，闭环控制分为转差频率控制和矢量控制。(1) 电压/频率控制 要在改变电源频率进行调速的同时，有必要的措施来保障电动机的气隙磁通处于高效状态，以便获得理想的转矩速度特性。这是电压/频率控制的目的。这种类型的变频器结构简单，开环控制是其采用的控制方法，固其精度和动态特性不是很好的，因此，若要在低电压区得到较大的调速范围是比较困难的。因此，一般是对控制性能要求不高的场合采用这种控制方式的变频器。 转差频率控制方式：其适用于自动控制系统是因为具有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的静差小。单机运转是转差频率控制方式之一。采用此方式的变频器具有良好的稳定性，急速的加减速特性，负载变动，响应特性，其原因是采用了此种方式的变频器中有电流负反馈环节，对频率和电流进行调控 10 。 矢量控制方式：异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理是矢量控制的基本核心思想，即磁场和与其相垂直的电流的积是电动机的转矩，异步电动机的定子电流是可以分为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量。若要达到控制电动机转矩的目的，可以通过控制电动机定子电流的大小和相位，即可对电动机的励磁电流和转矩电流进行分别控制9。2.4 MICROMASTER 420概述MICROMASTER420 为适用于控制三相交流电动机速度的变频器。此系列型号种类繁多，电源电压可有单相到三相，额定功率由120W 到11KW可供选用。微处理器控制此变频器，其功率输出器件采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。因此，运行可靠性较高以及实现多功能是其特性。电动机运行噪声之所以降低是因为PWM的开关频率可以选择。能同时为变频器和电动机提供良好的保护是其完备的保护功能。MICROMASTER420具有可调的工厂设置参数，并且是为众多且简单的电动机控制系统提供动力的较好驱动装置。由于其全面而完备的控制功能，故在设置相关参数以后，MICROMASTER420可用于更优的控制系统。MICROMASTER 420用于单机驱动的控制系统，还应用与集成自动控制系统中11。2.5 MM420变频器的电路结构MM420变频器包括主电路和控制电路部分，主电路功能是完成电能转换；控制电路则是处理信息的收集、变换和传输。其电路图如图3所示。电源输入单相或三相的交流电，整流电路将恒压恒频的交流电转换成恒定的直流电，供给逆变电路的是主电路的功能。CPU控制逆变电路，使恒定的直流电转换成U和f均可调的三相交流电，供给电动机负载。由图3可知，MM420变频器直流与交流转换是通过电容进行滤波的，因此此变频器属于电压型交-直-交变频器。MM420变频器的控制电路包括CPU、模拟输入、模拟输出、数字输出、输出继电器触头、操作板等组成了为用户提供的10V直流电源的是端子1、2。当采取模拟电压信号输入方式输入给定频率时，配备一个高精度的直流电源是为提高交流变频调速系统的控制精度。为用户提供了两对模拟电压给定输入端的是模拟输入3、4端，其作为频率给定信号，经变频器内的A/D转换器(将模拟量转换为数字量)，供给CPU的控制系统。为用户提供了3个完全可编程的数字输入端是数字输入端5、6、7，数字信号经光电隔离输入到CPU，对电动机进行控制。24V直流电源端是端子8和9，为变频器的控制电路提供24V直流电源12。图 3 变频器电路图3 系统总体介绍PLC和变频器主要完成了音乐喷泉的控制过程音乐的频率信号控制PLC；实现水泵转速变化依靠改变水泵电机的控制频率，进而利用水泵的转速变化控制音乐喷泉的水柱高度变化，以上过程实现了音乐变化对喷泉的控制的过程。变频器接受来自PLC处理的音乐信号，输出频率不同的交流电，使水泵的喷水状态发生变化，实现了喷泉喷水随音乐高低呈现不同的形态。同时通过PLC控制彩灯，实现彩灯组与音乐节奏的同步变换。3.1 音乐喷泉组成3.1.1 音乐喷泉水池设计此小型音乐喷泉的设计为：喷头分三组，外圈设有九个喷头，中圈设有六个喷头，这两圈的喷水口直径0.5mm，此两圈喷头由一个12W的潜水泵提供动力；内圈只有一个中心主喷头，采用集流直上喷头，此喷头喷水流量较大。在水泵大功率工作时，有壮观的喷水直径和高度，此直流喷头由一个55W的潜水泵提供水压。两组彩灯分别安装在外圈和中圈喷头下，成交替闪烁的工作状态。使音乐喷泉工作时喷水层次感明显，视觉效果良好。喷泉水池直径约0.8m，喷头组最大直径0.5m，在外圈和中圈喷头向内倾斜的情况下很好的防止了水池喷水造成的向外溅水。3.1.2 控制系统组成音乐喷泉的控制系统由音乐信号处理电路（包括F/V转换电路、模/数转换电路、信号隔离电路），PLC及变频控制电路，潜水泵和彩灯控制电路，稳压电源电路和音响设备组成。音乐喷泉控制系统硬件组成部分如图4所示。调速端调速端DC5VDC5V两组水下灯两组潜水泵CDVCDDVD可编程序控制器外部音箱（左）变频器1#SSR变频器3#SSRMM外部音箱（右）功率放大器A/D图4 音乐喷泉控制系统硬件结构图1、音乐信号的处理音乐喷泉的乐曲从CD、VCD等播放器播放，通过功率放大器，乐曲一路输出到音箱设备，一路由A/D转换模块对音频信号进行采样处理两路输出方式。2、水型与乐曲同步的控制水型会同乐曲播放同时演示。在乐曲之间转换期间，水型也保持同步停止或继续演示。为使水型与乐曲达到同步的效果，此音乐喷泉控制系统提供了可调整的喷泉延时程序。3、潜水泵电动机的控制控制器内部的程序来控制潜水泵电动机，使每一首乐曲可从控制器中相应的找到对应的固定程序数据，并可以将其对应输出。4、彩色灯光的控制彩色灯光由控制器系统程序控制。彩色灯光会通过控制程序随音乐的变化相应的水下产生变化与动作，达到视觉与听觉的完美统一，给人以精神的完美享受。5、水型的节奏随动控制不同的音乐节奏同步变化呈现出水型的跳跃和摇摆，表现出音乐喷泉的视觉冲击力。这种水型变化是通过A/D对其音频信号采集转换后通过对应的程序控制，经过变频器对潜水泵实现加速和减速控制，实现对不同音乐信号的直观感受。4 控制系统的硬件设计音乐喷泉逻辑控制系统的控制核心是PLC，在建立一个PLC控制系统时，哪些信号需要输入至PLC，PLC需要驱动哪些负载,以及采用何种编程方式，都会影响到其内部I/O点数的分配，首先需要把系统所需的输入/输出数量明确，其次按需要确定各控制动作的顺序和各控制装置彼此间的关系。在确定控制系统各环节的关系后，进行分配输入/输出设备点。因此， PLC音乐喷泉控制系统的设计首先要解决的问题是I/O点数的确定，它不仅决定着系统硬件部分的设计，也是系统软件编写的前提。在估算PLC的输入/输出点、内部继电器、定时器、计数器之后，就可以对PLC进行选型，并进一步进行输入/输出量的确定。4.1 PLC控制系统I/O口的估算小型音乐喷泉控制系统的设计I/O点时,依据PLC 的I/O节点使用原则,应预留出一定的I/O点扩展时使用。可以根据系统的控制要求大体确定控制系统的输入输出点数。1、估算系统数字量输入点数根据音乐的旋律和音频信号的大小来控制喷泉水柱的高低，所以其数字量输入只需要满足系统启动、停止两个功能。如表1所示表1 系统数字量输入各元器件功能及所占PLC点数项目名称输入点数备 注总点数启动按钮1喷泉控制系统启动输入点数：2停止按钮1喷泉控制系统停止2、估算系统模拟量输入点数将音频信号转化成PLC能识别数字量信号的过程中需采用一个A/D转换模块，因此模拟量输入点为1个。如表2所示表2 系统模拟量输入各元器件功能及所占PLC点数项目名称模拟量输入点数备 注总点数音频信号转换模块1音频信号大小输入点数：13、估算系统数字量输出点数系统数字量输出由变频器开关量控制和灯光开关量控制两个部分，变频器包括启动和调速两种控制量。如表3所示表3 系统数字量输出各元器件功能及所占PLC点数项目名称输出点数备 注总点数启动变频器开关量8控制变频器运行输出总点数：16变频器速度开关量4选择变频器频率水泵控制输出2水泵的控制水下灯光控制输出2水下灯光的控制4.2 PLC的选型由对音乐喷泉控制系统的组成、工作过程、I/O点的估算分析可知，系统中实际需要数字量输入点2点,模拟量输入模块1个，数字量输出点16点，输出扩展模块1个。同时，该控制系统是单机系统，故可选择整体式结构的PLC。1、SIMATIC S7-200系列 PLC主要特点：丰富的指令、内置集成功能、扩展模块；实时特性强；通讯功能良好；可靠性好，适应性强，性价比高。2、S7-200 PLC的硬件系统S7-200主要由CPU模块、扩展模块和总线连接电缆集成的模块化的PLC。（1）CPU模块该模块主要包括CPU、电源和I/O点三部分。CPU主要负责程序的运行工作； CPU供电以及与CPU模块相连的其他模块的用电需求都由此电源模块部分提供；该模块自身带的一定数量的开关量I/O点，若足以达到控制系统的要求，则可以不需要扩展开关量I/O模块。（2）扩展模块因为通常CPU模块本身的I/O点有限、且无模拟量I/O点，所以需要一些特殊功能扩展模块：数字量I/O模块、模拟量I/O模块等。（3）总线连接电缆 总线连接电缆用来把I/O模块和PLC或其他的扩展模块连接在一起。3、S7-200PLC的硬件系统配置S7-200设有两种系统配置方式：一是在面板上进行配置；另一是在DIN导轨进行配置。图5和图6分别表示了以上两种系统配置方式。S7-200I/O模块I/O模块I/O模块I/O模块DIN导轨S7-200I/O模块I/O模块面板图5 第1种系统配置图 图6 第2种系统配置图所以，本设计选用西门子S7-200系列 CPU226晶体管输出型的PLC。它具有如下配置：24输入，6输出共40个数字量I/O点，还可连接7个扩展摸快单元，包括模拟量扩展摸板，这足以满足系统所需要的输入输出端口要求。4.3 PLC输入/输出点分配根据控制系统的要求，音乐信号处理模块转换的8路开关量信号由PLC的数字量输入模块来接收，经PLC内部CPU处理，通过输出模块控制彩灯和变频器，实现对变频器的数字控制。控制系统PLC的输入/输出点分配如表4和表5。 表4 PLC输入点分配表序号点号 符号 意义1I0.0 Bit0音频信号输入2 I0.1 Bit1 音频信号输入3 I0.2 Bit2 音频信号输入4 I0.3 Bit3 音频信号输入5 I0.4 Bit4 音频信号输入6 I0.5 Bit5 音频信号输入7I0.6 Bit6 音频信号输入8 I0.7 Bit7音频信号输入9 I1.0 K1 启动按钮10 I1.1 K2 停止按钮表5 PLC输出点分配表序号点号符号意义1Q0.2KM11#水泵工作2Q0.3KM22#水泵工作3Q0.6KA11#彩灯工作4Q0.7KA22#彩灯工作5Q1.0DIN1变频器速度一6Q1.1DIN2变频器速度二7Q1.2DIN3变频器速度三8Q1.5AIN+变频器运行4.4 PLC控制接线图PLC的I1.0端子控制启动按钮， I1.1端子控制停止按钮，I0.0I0.7接收音频开关量信号，两个LED灯组的变换直接由Q0.6和Q0.7端子控制。水泵的起停由Q0.2和Q0.3来控制，变频器的输出频率选择由Q1.0Q1.2端子控制。PLC硬件连接图如图7所示。图7 PLC控制端子连接图5 变频器及控制参数设计变频器的主要任务是把工频电转换为其他频率的交流电，满足交流电动机的调速变化。本系统中变频器用来接受经PLC处理的音乐控制开关量信号，输出频率不同的交流电，达到水泵的喷水状态不断变化的设计目的，实现喷泉喷水与音乐乐律达到和谐的统一。根据现场音乐控制水柱，使水柱与音乐同步，但水泵控制水柱，水泵又由异步电动机控制。异步电动机的转速是通过频率变化而改变的，但工频电的频率是恒定的，而变频器是专门电机调速的装置。所以可由变频器间接控制电机的转速，从而使水柱高度发生变化。5.1 变频器设计5.1.1 变频器选型基于控制系统相对简单，本次设计选用MM420变频器来控制潜水泵的转速。MM420通用变频器，可以用来控制三相交流电动机速度，适用于变频驱动装置。MICROMASTER420 具备可控的工厂设置参数，它是为数量众多且简单的控制系统供电的理想变频装置。5.2.2 变频器控制接线图其硬件连接图如图8所示，MM420变频器的AIN+端子连接PLC的Q1.5输出口，控制变频器起停。PLC输出口Q1.0Q1.2连接到变频器DIN1DIN3端子上，通过PLC输出的开关量控制变频器输出由设置参数决定的决定的预置频率。KA2KM2AIN-AIN+DIN1DIN2DIN3Q1Q1Q1Q1KA10V西门子MM 420变频器PE.5.0.1.2KM3KM4MMKM1UVVIUILNPLCQF图8 变频器设计连接图5.2 MM420变频器操作面板利用BOP可以更改MM 420变频器的各个参数。BOP具有5位数字的7段显示，用于显示参数序号以及数值、报警和故障信息以及该参数的设定值和真实值，但BOP不能存储参数信息。BOP上的按钮以及功能说明见表6。表6 BOP上的按钮及其功能13 5.3 变频器参数设置方法用BOP可以更改参数的数值，下面以更改过滤功能参数P0004为例介绍数值的更改步骤，见图9；并以选择命令/设定值源P0719为例说明如何修改参数的数值，见图10。图9 改变过滤功能参数P000413图10 修改选择命令/设定值源下标参数P0179135.4 变频器参数设置变频器一般设置的参数包括：电动机参数;可由电动机铭牌获得，例如电动机的额定电压、额定功率、额定电流以及额定转速。控制电动机启动、停止方式有变频器控制面板和端子两种。控制变频器工作频率方式有变频器面板、电位器（设置相应的频率区域） 还是多个固定的频率（控制变频器端子来对应频率） 。变频器工作的最小频率和最大频率，增加或减少减速时间等。变频器控制方式。在本系统中需要是设置的参数有：（1） P0010参数为“30”， P0970参数设定为“1”，变频器复位到工厂设定值（2） P0003参数为“2” 扩展用户的参数访问范围（3） P0700参数为“2” 由模拟端子/数字输入控制变频器（4） P0701参数为“17”固定频率值设定方式2（5） P0702参数为“17”固定频率值设定方式2（6） P0703参数为“17”固定频率值设定方式2（7） P0704参数为“1” 正转启动（8） P1000参数为“3” 固定频率设定值（9） P1001参数为“20”固定频率1为20Hz（10） P1002参数为“25”固定频率2为25Hz（11） P1003参数为“30”固定频率3为30Hz（12） P1004参数为“35”固定频率4为35Hz（13） P1005参数为“40”固定频率5为40Hz（14） P1006参数为“45”固定频率6为45Hz（15） P1007参数为“50”固定频率7为50Hz5.5 变频器控制说明5.5.1 系统参数设计说明变频器由数字信号控制，将P0700参数设置为“2”，控制编码形式为BCD码，实现变频器对水泵电机多段调速控制。变频信号由PLC发出，接入变频器为用户提供的3个完全可编程的数字输入端，3个数字输入量控制变频器的7种频率输出，通过参数设置7种不同的固定频率。数字信号经光电隔离输入CPU，处理后通过逆变器实现对电机的控制。变频器设置水泵正转启动。数字输入与对应频率如表7所示。表7 数字输入与对应频率DIN11010101DIN20110011DIN30001111频率值（Hz）202530354045505.5.2 相关参数的说明（1）按照下面的数值设定参数（用BOP，AOP 或必要的通讯选件），可使变频器的全部参数复位到工厂的缺省设定值。（2）P0003参数为“2”，变频器的参数有4个用户访问级，1标准访问级、2扩展访问级、3专家访问级、4维修级。访问的等级由参数P0003选择。在很多应用情况下，只要访问1（P0003 = 1）和2（P0003=2）。每组功能中出现的参数号取决于P0003 中设定的访问级。该参数的设定范围为04，缺省值为1。（3）P0700参数为“2”，选择数字的命令信号源：最小值：0；缺省值：2；最大值：6。此参数改变时，同时会使所选项目的全部设置值恢复到工厂的缺省设置值。例如：把P0700设定值由1 改为2 时，所有的数字输入都将复位为缺省的设置值。（4）P0701参数为“17”，用来选择数字输入1的功能。该参数设定范围为099，缺省值为1。本系统中设置P0701为“17”，即固定频率设定值（固定频率值设定方式3）。（5）P0702参数为“17”，用来选择数字输入2的功能。该参数设定范围为099，缺省值为12。本系统中设置P0702为“17”，即固定频率设定值（固定频率值设定方式3）。（6）P0703参数为“17”，用来选择数字输入3的功能。该参数的最小值为0，最大值为99，缺省值为9。本系统中设置P0703为“17”即固定频率设定值（固定频率值设定方式3）。（7）参数为“1”，用来选择数字输入 4 的功能。P0704的设定范围为099，缺省值为0。本系统中设置P0704参数为“1”，即1 ON/OFF1（接通正转 / 停车命令1）。（8）P1000参数为“3”。该参数选择频率设定值的信号源。在下面给出的可供选择的设定值表中，主设定值由最低一位数字来选择（即 0 到 6），而附加设定值由最高一位数字来选择（ 即 x0 到 x6，其中，x=16）。只有一位数字时，表示只有主设定值，没有附加设定值。本系统设置P1000参数为“3”选择固定频率设定值。 （9）P1001参数为“20”。该参数定义固定频率 1 的设定值。为了使用固定频率功能，用P1000 选择固定频率的操作方式，在“直接选择”的操作方式下，还需要一个ON 命令才能使变频器投入运行。有三种选择设定频率的方法：（1） 直接选择（P0701 - P0703 = 15）运用此操作方式，数字输入与固定频率是一一对应的。若多个设定频率输入要同时激活，这几个数字的总和就是选定频率。例如： FF1 + FF2 + FF3（2）直接选择 + ON 命令（P0701 - P0703 = 16）选择固定频率时，既有选定的固定频率，又带有 ON 命令，把它们组合在一起。例如： FF1 + FF2 + FF3（3） 二进制编码的十进制数（BCD 码）选择 + ON 命令（P0701 - P0703 = 17），使用这种方法最多可以设定8个固定频率。各个固定频率的数值根据表7所示选择。表8 数字输入与对应频率参数 状态DIN3DIN2DIN1P1000OFF不激活不激活不激活P1001FF1不激活不激活激活P1002FF2不激活激活不激活P1003FF3不激活激活激活P1004FF4激活不激活不激活P1005FF5激活不激活激活P1006FF6激活激活不激活P1007FF7激活激活激活（10）P1002P1007参数设置同P1001参数设置规则。116 控制系统软件设计及调试音乐喷泉的控制系统主要由PLC完成，首先PLC的输出由音乐的频率信号控制，然后变频器接受来自可编程控制器的开关量信号，达到控制变频器输出频率不同的交流电，从而使水泵的喷水状态不断变化的目的，实现喷泉喷水随音乐高低呈现不同的状态。同时PLC还控制水泵的启动停止并控制彩灯，实现彩灯组与音乐节奏的同步变换。6.1 PLC控制流程初始化PLC后，首先检测启动按钮的状态，然后选择控制电动机的启动，如果停止按钮按下则调至电机停止控制程序，停止电机工作。变频器启动的初始条件为电动机启动信号，只要其中一台电动机启动工作即可使变频器工作。PLC对变频器的控制是根据I0.0I0.7读入的开关量数值，控制Q1.0Q1.2的输出，进而达到选择预置变频器输出频率的目的。变频器预置的频率见表9所示。通过改变输出电流的频率来控制电机的转速，调节水柱的高低变换。两组彩灯与音乐节奏的强度有关，通过I0.0I0.7的读入数值控制彩灯的高低变换，达到与音乐协同。系统控制流程如图11所示图11 PLC控制程序流程图由流程图可知，按下PLC启动按钮，则第一台水泵电机启动，延时10s后检测停止按钮的状态，若停止按钮处于原始状态，则第二台水泵电机顺序启动；若按下停止按钮，则程序执行电动机停止程序，顺序关掉水泵电机。彩灯的控制与启动按钮的状态无关，程序运行后，彩灯就开始工作。如果2台电动机中的其中一台工作就可以启动变频器，进而通过变频器控制水泵电机，控制程序如图12所示。图12 变频器启动控制变频器启动后，就开始读取输入的开关量，对电动机进行控制。变频器工作流程如图13所示。启动变频器读取PLC输入参数I0.0-I0.7根据M2.0-M2.7的值选择变频器输出频率输出预置的频率控制电机图 13 变频器工作流程变频器启动后，读入DIN1DIN3的数字量信息，3个数字输入量控制变频器的7种频率输出（具体参考“表7数字输入与对应频率”），选择预先设置的7种固定频率。6.2 主要控制程序对变频器的控制是软件设计的核心之一，对读入的处理后的音频信号进行分析后，用来控制变频器的输出。以下程序图14和图15是系统通过PLC控制变频器的具体过程。 图14 变频器工作频率选择程序首先根据I0.0I0.7的输入值，控制中间状态M2.0M2.7的数值，由于输入值是从低到高的一串“1”，所以高位为“1”低位也一定为“1”，如I0.1为“1”，I0.2I0.7为“0”，则I0.0-I0.1一定均为“1”，此时M2.1的值为“1”，则Q1.1Q1.2的输出值为100，结合数字输入与对应频率选择表，可知变频器输出20Hz的交流电控制电机转速。图15 变频器工作速度选择程序6.3 PLC的调试S7-200机有STOP、RUN及TEMP3种模式。STOP模式可下载程序，但不能运行程序，PLC没有输出。RUN模式为运行程序，PLC产生控制输出,一般不能下载程序，但可设定为允许下载部分程序。TEMP模式，是由面板上的控制开关置TEMP未知确定的。在此模式下，PLC处于RUN还是STOP模式，由编程软件对其远程操作进行控制。面板上的控制开关置STOP位置，则PLC处于STOP模式。且远程操作也不能使其变化。而面板上的控制开关置RUN位置，则PLC处于RUN模式，但编程软件可用远程操作使其改变为STOP模式。使PLC改为RUN模式。在将所有设备安装好，所有连线都接好的情况下进行实际调试，也就是PLC程序的现场调试1。6.4 系统整体调试首先使PLC处于STOP模式状态，下载PLC控制程序，与此同时根据预先设定的变频器参数设定变频器。开启交流线路总电源和音乐信号控制部分电源，按下PLC启动控制开关K1，PLC控制启动水泵1，开启音源播放音乐，音乐信号采集系统上的柱状显示器工作，随音乐节律的高低显示不同的高度，经过10秒的延时，启动水泵2。此后，2号水泵跟1号水泵一起工作，直至按下停止控制开关。系统采集处理音乐信号后，变频器开始工作，变频器接收PLC送出的段速控制信号来改变交流电源的频率，使水泵接收到不同频率的单相交流电压，水泵电机变速运转，喷出水柱的高度不断改变。同时PLC随音乐信号控制彩灯的闪烁。结 论音乐喷泉的设计涵盖的专业非常广泛, 包括音乐分析、喷水、电气、通讯和自动控制。所以说音乐喷泉的发展使人们将科技与精神集于一体的产物。本论文是有关音乐喷泉控制系统的设计，该控制系统采用可编程序控制器（PLC）对整个系统进行控制，用变频器实现喷泉的调速控制。PLC是一种高可靠性的控制装置，影响PLC控制系统可靠性的主要因素是与PLC接口的输入信号元件和输出执行元件，在编程过程中主要是搞清楚各输入输出元件的元件号以及它们在系统中的作用，变频器调速是一种非常高效的调速系统，变频器调速应该注意变频器的设置等问题，这些在论文的第五章有非常详细的绍。本论文属于应用设计型课题，本人结合所学知识，以可编程序控制器为基础，对音乐喷泉基本流程有详细的了解以及对其喷泉控制系统的自动化控制进行设计。在整个设计过程中，基于老师指导、自我学习、向同学学习，我深入地了解电气控制系统各方面的知识，熟练掌握了PLC控制技术各方面的理论知识及应用，提高了对电气控制系统进行设计的实际操作能力，懂得将理论知识与实际情况相结合的方法。同时，通过学习各方面的知识，提升了自己；通过实践，提高了自己的分析问题、解决问题及为人处事能力。参考文献1 王兆明.电气控制与PLC技术M.北京：清华大学出版社，2005.2 2 马丁.西门子PLC常用模块与工业系统设计实例精讲M.北京：电子工业出版社， 2009.63 廖常初PLC编程及应用.北京：机械工业出版社M，2002，220-2354 何波.电气控制及PLC控制M.北京:中国电力出版社,2008.25 薛晓明.变频器技术与应用M.北京:北京理工大学出版社,2009.066 姚锡禄.变频器控制技术入门与应用实例M.北京：中国电力出版社，2009.87 孟晓芳.西门子系列变频器及其工程应用M.北京：机械工业出版社，2008.88 李伟龙,张文学.变频器技术介绍J.船电技术，2010.1,30(1) 9 金儒霖.人造水景设计营造与观赏M.北京：中国建筑工业出版社,2006:1-3.10 张燕宾.变频器应用教程M.北京：机械工业出版社，2007.0111 德国西门子公司.SIEMENS MICROMASTER 420通用型变频器使用大全Z.2003.212 邓其贵.变频器操作与工程项目应用M.北京：北京理工大学出版社，2009.0813 冯垛生.变频器实用指南M.北京：人民邮电出版社，2006.0514 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