【电气工程及其自动化】基于plc的音乐喷泉控制器的硬件设计

本科生毕业设计（论文）基于PLC的音乐喷泉控制器的硬件设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月22日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111喷泉硬件控制系统的国内外发展现况112本课题研究意义12系统总体介绍221音乐喷泉组成2211音乐喷泉水池设计3212控制系统组成33系统硬件部分531控制系统的组成部分532系统的控制过程533PLC的选型5331控制系统的I/O地址分配6332PLC的选型7333模拟量扩展单元摸板选择834潜水泵、灯组1035固体继电器的选型1036变频器的选型1137熔断器的选择1138喷头12381喷头的介绍12382喷头的选择方案1239PLC控制接线图144系统整体调试165结论18参考文献19致谢基于PLC音乐喷泉的硬件控制摘要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S7200MICROPLC，水泵的控制选用MICROMASTER420变频器。主要包括控制系统的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THECONTROLSYSTEMDESIGNBASEDONPLCMUSICFOUNTAINABSTRACTMAKINGASMALLPLCASCONTROLCORE,THEINVERTERTOCONTROLTHEHEIGHTOFTHEWATERCOLUMN,SMALLMUSICFOUNTAINBASEDONTHEAUDIOCOLLECTIONCONTROLSYSTEMTHECOREOFTHESYSTEMCONTROLBYTHEUSEOFSIEMENSSS7200MICROPLC,PUMPCONTROLUSINGMICROMASTER420CONVERTERTHISPAPERMAINLYINTRODUCESTHECONTROLSYSTEMSOFTWAREDESIGNOFMUSICALFOUNTAIN，FOCUSINGONPLCPROGRAMMINGANDTHETRANSDUCERPARAMETERSETTINGSKEYWORDSMUSICALFOUNTAIN,PLC,TRANSDUCER1绪论11喷泉硬件控制系统的国内外发展现况目前国外的音乐喷泉技术发展已经趋于完美，能够根据音乐变化出多种形式的喷泉，控制喷泉的硬件系统大大领先我国。目前主要的喷泉控制系统主要有1、继电器接触器控制系统；2、单片机控制系统；3、PLC控制系统。PLC喷泉硬件系统主要由PLC、A/D转换模块、变频器、潜水泵和灯光组成。通过控制系统对外部音频信号的采样、转换来控制变频器和固态继电器的动作，从而达到多花样的要求，并能够实现对音乐和喷泉的实时的完美结合3。12本课题研究意义随着国民经济的发展，人民生活水平的提高，在城市建设和改造过程中，环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了新的要求。在喷泉得到广泛的运用过程中，也出现了一些问题和不足，如自动化水平低下、高能耗等制约了喷泉行业的发展。因此，提高音乐喷泉控制系统的自动化水平，保证喷泉效果，节约喷泉的运行成本，对喷泉行业的发展具有参考的现实意义。2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水压决定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1。同时通过PLC控制彩灯，实现彩灯组与音乐节奏的同步变换。21音乐喷泉组成整体方案系统整体方案设计如图1所示。图1系统整体方案设计211音乐喷泉水池设计此小型音乐喷泉的设计喷泉的设计图如图2所示。该控制系统采用两台变频器和两台潜水泵，喷泉喷头分为两组A组5个喷头，B组7个喷头，分别用两台潜水泵控制。设有红色和绿色两组彩灯分别安装在A组和B组喷头下，根据程序的控制来达到灯光效果。喷泉水池直径约10M，喷头向内倾斜的情况下能很好的防止了水池喷水造成的向外溅水。图2两组喷头示意图212控制系统组成音乐喷泉的控制系统由音乐信号处理电路，PLC与EM231扩展模块，变频器控制电路，潜水泵和彩灯控制电路，稳压电源电路和音响设备组成。音乐喷泉控制系统整体框图如图3所示。图3音乐喷泉控制系统整体框图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的输出方式。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找到对应的固定程序数据，然后通过各模块的转换来实现对潜水泵的控制，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，从而实现对水压力进行控制，实现对不同音乐信号的直观感受9。3系统硬件部分本章主要介绍广场音乐喷泉控制系统的基本组成部分、控制过程、各部分元器件的工作原理、PLC控制系统I/O点数的估算、元器件参数选择、PLC外部接线图等内容。31控制系统的组成部分硬件系统主要由PLC、A/D转换模块、变频器、潜水泵和灯光组成。通过PLC对外部音频信号的采样、转换来控制变频器和固态继电器的动作，从而达到控制系统的要求，并能够实现对音乐和喷泉的实时的完美结合。32系统的控制过程在此设计中，输入转换电路是指能对乐曲启停、乐曲节奏和声音强弱等进行检测并将检到的信号以电平、脉冲或数字形式送至PLC的电路。在此控制系统中，利用A/D模块对音乐信号的采样，根据控制精度的需要,人耳的听觉,音乐信号的特点。由于人耳听到的是广场上播放乐曲的声音,而人眼看到的是喷头的水流量,声音强度与水流量并不是线性关系。而与潜水泵的速度成线性关系,阀门喷出的水流量高度与潜水泵的旋转速度变化成比例,潜水泵的旋转速度又取决变频器所设定的频率。通过对信号采集输入PLC转换为数字信号输出变频器10。以达到控制水泵旋转速度，进而控制水压，达到所需要的视觉效果。因为有了它，音乐已不再仅是背景音乐，音乐已用来控制整个喷池喷头的动作与否，因而已达到了音乐喷泉的最基本要求。33PLC的选型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，必须首先把系统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系8。在确定控制系统各环节的相互关系之后，就可以进行分配输入输出设备。因此，I/O点数的确定，是设计整个PLC音乐喷泉控制系统首先需要解决的问题，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。在估算了PLC的输入输出点、固态继电器、变频器之后，就可以对PLC进行选型，并进一步进行输入/输出量的确定。331控制系统的I/O地址分配PLC控制系统硬件设计的关键部分是设计PLC的外部电路，即画出PLC的外部硬件连线图。根据以上所选的CPU模块型号、各扩展模块的型号以及本机的I/O地址，为了明确每个输入端传入数据的意义和每个输出线圈所控制的量，给出I/O资源配置表如表1和表2所示。1）系统数字量输入点数根据固定程序和音频信号的大小来控制喷泉水柱的高低，所以其数字量输入需要满足系统启动、启动、停止4个功能。如表1所示表1数字量输入地址分配表信号名称外部元件输入地址备注启动按钮SB0I00启动停止按钮SB1I01停止音乐控制启动按钮SB2I02音乐启动固定程序控制启动按钮SB3I03固定程序启动2模拟量输入部分如表2所示表2模拟量输入地址分配表信号名称外部元件输入寄存器备注A/D转换数字量EM231模块AIW03数字量输出部分如表3所示表3数字量输出地址分配表信号名称外部元件输出地址变频器1低速DIN1Q00变频器1中速DIN2Q01变频器1高速DIN3Q02变频器2低速DIN1Q03变频器2中速DIN2Q04变频器2高速DIN3Q05A组红色彩色灯LED灯组Q10B组绿色彩色灯LED灯组Q11332PLC的选型由以上对广场音乐喷泉控制系统的组成、工作过程、I/O点的估算等分析可知，系统中实际需要数字量输入点4点,模拟量输入模块1个，数字量输出点8点，输出扩展模块没有。同时，考虑到该系统是单机系统，可选择整体式结构的PLC。PLC类型的选择在众多的PLC种类当中，有松下FP1系列PLC、西门子S7200系列PLC、华光SU6B系列PLC、三菱FX2N系列PLC等产品。SIMATICS7200系列PLC的应用比较广泛，可扩展模块多，适合很多控制系统选择，在本设计当中详细的对SIMATICS7200系列产品进行了结构分析。1、SIMATICS7200系列PLC其主要特点是它有丰富的指令、内置集成功能、扩展模块；具有实时特性；强劲的通讯能力；可靠性好，适应性强以及性能价格比高8。2、S7200PLC的硬件系统结构S7200是模块化的PLC，它主要由CPU模块、扩展模块和总线连接电缆构成。（1）CPU模块该模块主要包括CPU、电源和I/O点3部分。CPU主要负责程序的运行等工作；模块的电源不仅向CPU供电，还要满足与CPU模块相连的其他模块的用电需求；该模块本身自带一定数量的开关量I/O点，如果能够满足控制要求，则可以不再需要开关量I/O模块。（2）扩展模块由于CPU模块本身的I/O点非常有限、而且无模拟量I/O点，所以有时需要数字量I/O模块、模拟量I/O模块等一些特殊功能模块。（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、S7200PLC的硬件系统配置S7200有两种系统配置方式，一种是在面板上进行配置，另一种是在DIN导轨上进行配置。两种系统配置方式分别如图4和图5所示。图4第1种系统配置图图5第2种系统配置图在S7200系列中，输出信号有两种类型继电器输出型和DC输出（晶体管输出）型，而在此系统当中只有直流电压信号输出，没有交流电压输出，所以选择了晶体管输出型PLC。综上所述，本设计选用了西门子S7200系列CPU224晶体管输出型的PLC，其中14输入/10输出共40个数字量I/O点，并可连接7个扩展摸板单元，包括模拟量扩展摸板，这已经可以满足系统所需要的输入输出端口要求。333模拟量扩展单元摸板选择对与整个音乐喷泉控制系统来说，硬件的组成及选择都是关系到设计是否合理的一个重要依据。因此，本设计硬件系统由主控制器PLC、A/D转换器模块、变频器、潜水泵、音箱设备以及灯光等多部分组成。在上述章节中介绍了PLC主控制器的选择，下面将详细介绍音乐喷泉控制系统A/D转换器模块的选择。1、模拟量输入接口模板的简介模拟量输入接口模板的任务是把现场中被测的模拟量信号转变成PLC可以处理的数字量信号。通常生产现场可能有多路模拟信号需要采集，各模拟量的S7200I/O模块I/O模块面板S7200I/O模块I/O模块I/O模块I/O模块DIN导轨类型和参数都可能不同，这就需要在进入模板前，对模拟量信号进行转换和预处理，把它们变换成输入模板能统一处理的电信号，经多路转换开关进行多中选一，再将已选中的那路信号进行A/D转换，转换结束进行必要处理后，送入数据总线供CPU存取，或存入中间寄存器备用。A/D转换器是模拟量输入模板的关键器件，它完成模拟量到数字量的转换。转换时间一般为10100US，A/D转换器是在控制的控制下，完成启动A/D转换，读取转换结果等工作过程。通常，A/D转换的结果是以带符号的二进制形式出现。转换后的数据经光电隔离，再经数据驱动器，送入中间寄存器。当CPU需要读取本通道输入信号时，再由中间寄存器取出，经总线驱动后送入数据总线。经数据线驱动的输出数据也可以不经中间寄存器而直接进入总线驱动，供CPU立即读取。2、A/D模块的选择西门子S7200型PLC的模拟量扩展单元模板类型有以下三种第一种EM231，4路12位模拟量输入（AI）模板（1）差分输入，输入范围电压010V，05V，25V，5V。电流020MA。（2）转换时间250US。（3）最大输入电压30VDC，最大输入电流32MA。第二种EM232，2路12位模拟量输出（AO）模板（1）输出范围电压10V，电流020MA。（2）数据字格式电压3200032000，电流032000。（3）分辨率电压12位，电流11位。第三种EM235，模拟量混合输入/输出（AI/AO）模板（1）模拟量输入4路，模拟量输出1路。（2）差分输入，电压010V，05V，01V，0500MV，0100MV，050MV，10V，5V，25V，1V，500MV，250MV，100MV，50MV，25MV。电流020MA。（3）转换时间250US。（4）稳定时间电压100US，电流2MS。在本系统设计中，只需要考虑模拟量的输入模板，不需要模拟量输出模板，所以首选扩展模块为EM231，4路12位模拟量输入（AI）模板。34潜水泵、灯组潜水泵选择本设计中采用的是QS1054/33型喷泉专用泵，该泵如下特点1、电机性能采用优质材料DR470，增加电机绕组的匝数及线径使水泵耐频繁起动。2、水力部分采用优秀水力模型设计，使水泵流量、扬程、效率三者更为合理。3、结构特点该电机为自循环充水式冷却；电缆用三相四线JHS型喷泉专用电缆；叶轮采用了防松动装置；具体参数流量10M3/H扬程54M转速2850R/MIN出水口径40MM额定功率22KW额定电压380V额定电流57A最大外径190MM滤网护罩采用全不锈钢材料；电机内腔定转子采用进口涂料，提高了水下电机耐腐蚀性，通过以上结构改进使之更适于喷泉工程专业要求。灯组选择整个喷泉的灯光以暖色调为主，突出中心部分应用水景造型配以不同颜色的灯光衬托，采用水下彩灯，两组彩灯分别为红灯，绿灯。本设计选择灵创牌LCSSDA024灯组，额定电压24V，额定功率24W。此灯组具有防水，防腐蚀，耐用持久等优点。35固体继电器的选型考虑到选择的灯组电压为24V,额定电流为1A，灯组数为12。所以选择欧姆龙品牌的G3NA220BDC524固体继电器。该继电器最大负载电压为20A，足够带动灯组。该固体继电器参数如下耐压AC2,500V,50/60HZ,1MIN；振动105510HZ,单振幅075MM（双振幅15MM）；冲击1000M/S2；使用环境温度30到80度；使用环境湿度4585RH。36变频器的选型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”6。根据负载的要求来选择变频器的类型主要的负载是两台水泵。功率总和约为44KW。该控制系统可以选用MICROMASTER420变频器来控制电机的频率，改变频器具有以下优点1模块化的构造设计西门子变频器M420是全新一代模块化设计的多功用规范变频器，具有更多的灵敏性，您能够选用各种选件，十分便当地对传动安装停止扩展，从而完成多种规范功用5。2优化的控制功用西门子变频器M420打破了变频器在设计范畴的诸多技术难点，胜利的将高性能、多功用和小型化有机的分离到一同。MM420通用型变频器可即插即用，无需调试全新的IGBT矢量控制技术，起动、制动性能更优良强大的通讯才能、准确的控制性能、和高牢靠性都让控制变成一种乐趣。3智能维护功用西门子变频器M420内置的各种维护和过载维护功用，允许设备应用“睡眠”运转方式和在电源中缀或者毛病跳闸以后自动再启动，能有效地维护电机、电源。4友好的操作界面一键完成配置，数字化菜单更简约直观，友好的用户界面，让你的装置、操作和控制象玩游戏一样灵敏便当。MM420通用型变频器因其具有高度的灵敏性、高端的技术性能，能够应用的范畴非常普遍4。37熔断器的选择本设计中有两次用到熔断器，分别是灯组和潜水泵回路。灯组回路参数额定电压24额定电流12A潜水泵回路参数额定电压380V额定电流116A经查询手册，我选择了茗容牌RS58型断路器，其参数如下额定电压380V额定电流0516A种量25G可以满足工作需求，此熔断器还有以下优点本熔断器由熔断体和熔断器底座二部分组成。熔断体由纯铜片或铜丝、银丝、银片制成的变截面熔体封装于由高强度瓷制成的熔管内，熔管中充满经化学处理过的高纯度石英砂作为灭弧介质，熔体二端与端帽牢固电连接，组成圆筒帽形结构。熔断器底座由树脂或塑料压制的外壳装上触头和载熔件后，或经铆合连接而成，可作为相应尺码熔断体的支持件。本系列熔断器具有体积小巧、装置方便、使用安全、外形美观等特点。38喷头381喷头的介绍喷泉喷头也称喷泉喷嘴全部采用铜或不锈钢制作，这样具有黄金的色彩或银光闪闪，喷头显得豪华气派。其工艺精巧美观，结构合理，性能高效节能。其中常用的有可调直流喷头、半球形喷头、树冰形喷头、礼花喷头、涌泉喷头、加气喷头、直上喷头等产品系列。382喷头的选择方案1第1组喷头的选择第1组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以第1组喷头选择直上喷头。直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。该喷头也叫中心喷头。可调节射流的方向。喷头材质铸铜不锈钢，如图6所示。图6直上喷头实物图及安装简图2第2组喷头的选择第2组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比第1组所喷出的水柱稍细比第1组所喷的水柱要低。所以第2组选择可调直流喷头。可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球形接头，可沿垂直方向向15度进行调节。可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果，射流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小决定。喷头材质铸铜、不锈钢。如图7所示。图7可调直流喷头实物图及安装简图3第3组喷头的选择第3组喷头应该比第2组喷头喷射高度略低比第4组略高，所喷水柱比第4组水柱略粗壮、挺拔。所以第3组喷头选择树冰形喷头。树冰形喷头喷水时外观效果庞大丰满，粗壮挺拔，抗风力较强。喷头安装在导流筒上端与水面齐平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱。喷头材质铸铜、不锈钢，如图8所示。图8树冰形喷头实物图及安装简图39PLC控制接线图PLC的外部接线图与主电路图如图9所示图9PLC控制端子连接图4系统整体调试PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要，外部接线一定要准确无误，也可以用事先编写好的实验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。在将所有设备安装好，所有连线都接好的情况下进行调试。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音乐控制启动控制开关，PLC控制启动水泵，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，经过时间的延时，启动水泵。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。5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。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