基于PLC的音乐喷泉控制系统设计毕业设计论文

1、毕业设计(论文)题目基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计专业电气工程及其自动化班级11 电气 2 班学生张军( 20113264 )指导教师 李林职 称 工程师高科学院2015 年摘要摘要音乐喷泉是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产 物 ，它集合声、光、色、形于一体，并产生千变万化的水景。随着可编程 控制器的迅速发展，音乐喷泉对控制系统的要求也越来越高，使得越来越 多的控制部分需要用可编程控制器来实现。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。本课题结合任务书的要求，以音乐喷泉为研究对象，采用三菱PLC作为喷泉的控制器。设计的控制方式有两种：一种是固定程序运行方式。是 按事先设计好的步骤一步一步进行

2、，循环执行。另一种控制方式是通过音 乐控制喷泉。 是通过 PLC的中断程序采集播放音乐的音频信号， PLC对采集 的音频信号进行标准化算法，将运算的数据转换成模拟量，通过模拟量输 出口输出去控制变频器的输出频率，从而控制水泵转速，达到控制喷泉水 柱的高低跟随音乐强弱的变化。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。本次设计对音乐喷泉控制系统的总体功能进行了分析，并且对可编程 控制技术、变频控制技术的应用、发展趋势作了简要介绍，以及音乐喷泉 控制总体设计方案、电气系统的整体设计和 PLC 程序设计思路、变频参数 设置。本次设计改善了音乐喷泉系统的控制品质，提高了音乐喷泉控制系 统的稳定性。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

3、关键词： 音乐喷泉，控制系统，可编程控制器，变频器ABSTRACTABSTRACTIn recent years, 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,

4、music fountain is becoming more and higher to the requirement of control system; make more and more need to use PLC to realize control part酽. 锕极額閉镇桧猪訣锥。This topic combined with the requirements of the specification, with music fountain as the research object; adopt Mitsubishi PLC as the controller o

5、f the fountain model. Design of the control method has two kinds: one 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 m

6、usic, audio signal of PLC to standardize algorithm, the algorithm of 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彈. 贸摄尔霁毙攬砖卤庑。The de

7、sign of music fountain control systems overall function is analyzed, and the 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 elect

8、ric system and PLC program design and parameter setting of inverter. This design improves the music fountain system control quality; improve the stability of music fountain control system.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。KEY WORDS: Musical fountain ， Control system，PLC， frequency厦礴恳蹒骈時盡继價骚。目录目录第 1 章 绪论 11.1 音乐喷泉的发展现状11.2

9、 本文主要研究内容及意义31.3 本章小结3第 2 章 PLC 音乐喷泉控制系统方案确定 42.1 音乐喷泉控制系统设计要求 42.2 音乐喷泉控制系统方案选择 52.3 本章小结 6第3章 音乐喷泉控制系统硬件设计 73.1 PLC 的选型 73.2 变频器的选型 83.2.1 变频调速原理 93.2.2 变频器参数设置 133.3 音乐喷泉控制系统总电路设计及工作原理分析 153.4 本章小结 17 第4章 音乐喷泉控制系统软件设计 184.1 系统程序流程图 184.2 系统 I/O 端口分配表 184.3 系统程序设计 194.3.1 梯形图程序设计 194.3.2 指令表程序转换 2

10、1目录4.3.3 控制程序调试244.4 系统整体调试264.5 本章小结27第5章 总结与展望285.1总结285.2 展望28致谢3 0 参考文献 312015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）第 1 章 绪论1.1 音乐喷泉的发展现状音乐喷泉是一种独特的人工景观，具有很大的观赏价值，通常用于大 型广场、宽广的湖面、主题公园等。喷泉的形态、声音、色彩形成了一道 人工的自然景观，同周围的自然环境、建筑环境交相辉映，给原环境增添 了无限生机。给由钢筋混泥土组成的城市增添了自然气息，改善了城市环 境的质量，为人们提供良好的聚集、散步、休闲的室外环境。由于人们对 生活环境高的要求，已使音乐

11、喷泉发展成为一种产业 1 。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。目前，我国生产音乐喷泉的公司有上百家，一些公司有很强的实力， 国内比较著名的公司有：上海雨琦喷泉工程有限公司，长沙喜马拉雅音乐 喷泉有限公司，南京泉杰景观工程有限公司等。这些公司在全国承接各类 大型音乐喷泉等，从工程设计到制作、安装、调试提供一套完善的服务体 系。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。但从实际使用的情况来看我国音乐喷泉公司生产的音乐喷泉同国外相 比，其水平和质量还是有不小的差距。原因是水型和灯光实时跟踪音乐的 “四大要素”（水、声、光、电）没有处理好 2 。我国现有的音乐喷泉在音 乐节奏、强弱、节奏性、协调性、音乐内涵的表现等方面还存在不足之处

12、。 目前，国内外的音乐喷泉都只能演奏几首歌曲，这是因为音乐喷泉表演程 序的设计、开发和调试非常繁琐。 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。音乐喷泉控制系统是当今国际上先进的科技成果，集音乐控制、程序 控制、人工智能于一体的工业现场控制系统。它的控制设备是多媒体工业 PC、PLC或电脑音乐喷泉控制器，它能实现实时音控，自行识别乐曲旋律、 节奏、乐感和音频的强弱。该系统是音乐喷泉在控制设备的指挥下，跟随 乐曲旋律不断变化水型，并与音乐同步 15 。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。喷泉的控制系统可采用单片机、可编程控制器，甚至可采用工业控制邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计机作为控制核心。其电气设备包括水泵、灯光、

13、音响、变频器等。一个音 乐喷泉艺术效果的表现力不仅与音乐喷泉的整体造型、喷头的空间造型、 水泵的功率等硬件因素有关，还与喷泉的程序控制水平有关。硬件是音乐 喷泉的基础，程序控制是音乐喷泉变化的灵魂。 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。从德国人 20 世纪发明音乐喷泉到现在已有几十年的历史了， 随着科学 技术的飞速发展，音乐喷泉系统的控制水平和科技含量也越来越高，控制 方 法也 越 来越多 。现将 主 要的集中 控 制技术 总结如 下 1 ： 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。（1）程序控制程序控制是利用预先编写好的计算机程序来控制喷泉的水形和灯光， 使 水形和灯光产生不同的变化效果，整个系统通过计算机操作界面控制和显

14、 示，可以实现多个程序的随机执行，系统反应快、灵敏度高，能够承受一 定的压力和撞击，系统采用模块化结构，便于维护和升级。但是对于音乐 特征的识别需要人工完成，即由设计人员对乐曲进行特征提取，编辑处理。 这使得系统曲目受到限制， 如有新的乐曲加入就需要操作员重新编程处理， 会带来很大的工作量。 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。（2）实时声控实时声控控制方式是目前国内绝大多数音乐喷泉设备公司采用的控制 手段，它可以自动识别和响应任何音频信号，与程控方式相比，它省去了 预先的编程过程，节约了成本，但这种控制方式也存在一些问题，首先， 水型动作要比音乐滞后，喷泉动作与音乐不协调，其次，水型的出现组合 与出现时间

15、的长短是固定的，不论任何曲目，都会出现表演水型与音乐所 表达的情感不一制。使人听觉感受和视觉感受不协调。第三，乐曲的情感 段落与水型变化的时间不符，而且千篇一律。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。（3）预编程控制预编程控制是根据某一首乐曲的情感和意境，人工编制各种水型、动2015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）作、灯光、水泵的开启和关闭，使喷泉的表演与音乐的情感和意境相吻合。 此功能在控制技术、计算机技术、通信技术方面有一定的综合难度。 坛摶乡囂 忏蒌鍥铃氈淚。（4）变频控制 音乐喷泉变频控制是众多控制系统中的一种。随着先进的控制理论和 方法在喷泉控制系统中的应用，喷泉的控制系统不断的完善和升

16、级，其中 变频技术在喷泉控制系统中的应用也逐渐成熟，并逐步发展为水泵调速控 制的主要方式。变频控制系统的应用会给大型音乐喷泉增色很多，可以使 音乐喷泉的喷射高度随音乐信号大小变化，使音乐、水花、灯光融为一体， 演出一场交响水诗。因而音乐喷泉变频调速技术具有广阔的应用前景。 蜡變 黲癟報伥铉锚鈰赘。1.2 课题研究的内容及意义音乐喷泉作为一种独特的人工景观，其产生的景观效果非常美丽。在 广场、平静的湖面、公园设置一个音乐喷泉，将使原来静态的景观变成动 态的景观，其产生的效果不是其他人工景观可以比拟的。正是这种原因推 动了音乐喷泉的发展和研究 3 。 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。本课题采用先进的控制设备

17、，来研究音乐喷泉控制系统。第一，采用 PLC控制技术，研究设计符合项目要求的控制程序。第二，采用变频技术。 从扬声器两段采集的音频信号作为控制信号，去控制变频器的输出频率， 控制水泵的转速，从而达到喷泉水柱根据音乐节奏变化。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。在设计中，要解决的问题主要有：水泵电机间歇工作所产生的瞬间电 压波动和干扰；变频的高频大电流抑制；工程的造价及设备的性价比；同 时还要考虑控制系统的可靠性和扩展性。 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。1.3 本章小结本章主要对音乐喷泉的发展现状做了简单的介绍，以及音乐喷泉控制邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计系统现有的四种控制技术 （程序控制、 实时声控

18、、预编程控制、 变频控制）。 介绍了本课题的研究内容和意义和在设计中要解决的主要问题等。 猫虿驢绘燈 鮒诛髅貺庑。2015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）第 2 章 PLC 音乐喷泉控制系统概述2.1 音乐喷泉控制系统设计要求本次音乐喷泉建立在面积为 20M 2的广场上。整个音乐喷泉的平面示意 图如图 2.1 所示。该音乐喷泉由中心区和围绕中心区的一个环构成。中心 区是由一个喷头控制的最大高度为 15M的主水柱，由一台 7.5kw 的潜水泵 和三菱 FR-F740变频器控制。中心区外面一圈有 8 个跑泉，由一台 4kw 潜 水泵和三菱 FR-F740 变频器控制。另外中心区和外层之间

19、有红、黄、绿3种彩灯共 17 盏。 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。图 2.1 音乐喷泉平面示意图 本次音乐喷泉控制系统有两种工作方式：音乐控制方式和固定程序控 制方式。（1）音乐控制方式。当按下音控按钮后，延迟 30s 后音控程序启动， PLC输入输出模块开始采集音频信号并进行 A/D 转换作为 PLC的输入信号邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计经 PLC 处理后控制变频器的运行，从而控制水泵的转速和彩灯的变换实现 音控。 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。（2）固定程序控制方式。当按下程控按钮后，延迟 30s 后固定控制程 序启动，首先主水柱运行，延时 20s 后外圈水柱运行，延时 20s 后主水柱 停

20、止，外圈水柱停止，延时 20s 后主水柱、外圈水柱同时运行。 輒峄陽檉簖疖網 儂號泶。根据系统结构音乐喷泉系统能否可靠、稳定的运行，取决于所采用的 硬件设备和软件系统。为满足整个系统可靠、稳定运行的要求，音乐喷泉 控制系统的设计应遵循以下原则 4 ： 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。（1）系统硬件设备先进可靠，技术成熟，具有连接所需的不同参数信 号的功能，与现场仪表及控制执行机构等设备的接口规范，系统结构简单。 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。（2）系统软件技术成熟、可靠，操作系统及开发平台版本新，功能先 进、齐全，易于维护、调试。（3）应用软件功能完善，实用性强，操作简单，系统运行稳定。（4）整个系统技术先进，

21、性能可靠，使用方便，能够实现对音乐喷泉 系统的控制和管理。2.2 音乐喷泉控制系统方案选择本次音乐喷泉控制系统的设计方案主要有两种可供选择，方案一： 控 制系统是由单片机、延迟放大电路、光电隔离电路及电磁阀和变频器组成 , 该控制方案是通过对音乐信号的处理 , 将其转换成汇编程序存入单片机 , 使单片机唱歌 , 而且在改程序之中还 加入其他控制语句。单片机还需喷泉 中的电磁阀和变频器的动作及灯光的变化 , 其中电磁阀对喷头控制原理是： 预先根据设计的花形种类和变化方式 , 通过对电磁阀的开闭进行组合 , 编制 不同的控制字制成表存入单片机 ,当单片机执行程序时 , 通过查表的方式去 取不同的花

22、形 , 以达到预想的花形变化 , 这样花形的变化就随音乐的节奏而2015 届电气工程及其自动化专业毕业设计(论文)变化。同样 , 单片机对变频器的控制也与之类似 , 只不过控制的编制是根据 音乐的频率进行编制的 ,而且查表的方式也有所不同 , 因而变频器根据所接 受的信号 , 输出不同的频率值 , 以控制水泵的转速 , 进而达到控制喷泉管路 中的流量 , 就可以控制水柱的高度和花形大小了。灯光和音响是由同一个 口，经过延迟放大电路后 , 使它们达到同步动作 , 而灯光之前必须接一个固 态继电器,以驱动灯具 ,并使之与单片机隔离 5 。方案二：控制系统是由可编 程控制器 (PLC)和变频器构成。

23、音乐分两路输出 , 一路经功率放大器送到外 部音响 , 另一路经可编程控制器 (PLC)送至变频控制器 , 再经变频器控制水 泵。由于变频控制器范围是 5 50Hz,所以变频器就可以改变水泵的流量 , 从而改变喷泉的喷水效果， 充分发挥变频调速的特点 , 它既可送入音乐信号 形成音乐喷泉 , 也可在内存程序的指挥下做各种规律的运动 , 例如；缓慢上 升, 急速落下；急速上升 , 缓慢下降；在半空中跳跃等。该控制器有三路电 子开关 ,可直接驱动固态继电器 , 继而控制负载设备运行。其扩展功能可以 使变频调速器控制的水型更具活力 , 当喷泉高度随音乐信号或程控信号增 大而逐渐升高的同时 , 投入运

24、行的水下灯和水型越来越多 , 喷泉则表现得越 来越多彩和热烈；当喷泉高度随音乐信号或程控信号减弱而逐渐降低的同 时,投入运行的水下灯和水型越来越少。 这样, 喷泉在音乐或程序的控制下 , 各色水下灯闪烁、变幻 ,各种水型起伏呼应 , 将为音乐喷泉增加观赏性和艺 术的美感 5 。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。鉴于上述二个方案的分析比较 ,由于各具优缺点。 方案一控制系统简单 软件程序编制灵活 ,花形和流量控制也很灵活 , 只要改变预置的花形表和速 度控制表 , 无须改变程序就可达到不同设计效果 , 而且在考虑经济因素时 可以撤去电磁阀 , 直接改变喷头下方的球阀来组合成不同的单一花形 , 音 乐喷泉在运

25、行时只在花形大小和高度上发生变化。而方案二与方案一比较 起来, 优点在于放音效果好 , 能实现真人真唱 , 一直能唱出乐曲， 且控制系 统可靠性比方案一要高，因而，通过对比分析，并考虑到音乐喷泉控制系 统需要可靠、稳定的运行要求，所以本次设计采用方案二作为音乐喷泉的邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计控制方案，采用三菱 FX1N -40MR型号 PLC作为喷泉的控制器。 恥諤銪灭萦欢煬鞏 鹜錦。2.3 本章小结本章主要是对音乐喷泉控制系统作了整体概述。 首先对音乐喷泉的整体 结构进行了介绍。然后分析了音乐喷泉的控制要求和现有的控制方式。最 后对现有的控制方式进行分析比较， 选择了 PLC

26、作为控制核心的控制系统。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。2015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）第 3 章 音乐喷泉控制系统硬件设计3.1 PLC 的选用选择适当型号的 PLC是应用设计中至关重要的一步， 在功能满足要求的 前提下，应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点： 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。（ 1）I/O 点数的选择。 输入、输出点数是衡量 PLC规模大小的重要指标。 选择时应在实际使用点数的基础上留出 15%20%的备用量 6 。阌擻輳嬪諫迁择楨 秘騖。（ 2）存储器容量的选择。一般小型的 PLC存储容量是固定的，无法随 意扩充和调整，选购时一定要注意，是否满足要求。 氬嚕躑竄贸恳彈

27、瀘颔澩。（3）PLC功能的选择。1）对于开关量控制的应用系统，对控制速度要求不高，选用一般的 低档机就能满足要求。2）对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用项目，应选 用带有 A/D、D/A 转换，四则运算功能的低档机。 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。3）对于控制比较复杂，功能要求较高的应用系统，低档机往往不能 满足要求，这时可选用中型和大型的 PLC 组成一个分布式控制系 统。 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计4）PLC运行速度的选择。 PLC工作时，从输入信号到输出控制存在滞 后现象，这对于一般的工业设备是允许的，但有些设备的实时要 求较高，不能容忍这种滞后

28、现象。但一般滞后时间应控制在几十 ms之内。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。（ 4）特殊 I/O 模块的选择。选择哪一种功能的输入 / 输出模块和哪一种 输出形式，取决与控制系统中输入 / 输出系统的种类、 参数要求和技术要求。 另外，如果控制系统要求进行温度控制、位置控制、 PID 控制或波形控制， 那么选择合适的智能模块会使系统设计变简单 7 。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。（5）考虑对 PLC通信联网功能的要求。如果 PLC需要与别的通信设备 连接， 需要考虑 PLC的通信联网能力。 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。考虑到上述因素，结合“体积小、价格实惠”的原则，本文选用三菱FX1N 40MR型号的 PLC。其特

29、点如下 8：（ 1）一体式可编程控制器：电源、 CPU、存储器、输入输出组成一个 单元的可编程控制器，同时在 AC 电源 DC 输入型中内置传感器用 DC24V 电源。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。（2）输入输出最大 128 点：输入输出扩展设备最大可扩展至 128 点， 扩展模块或扩展单元只可以使用FX 0N 系列和 FX 2N 系列，另外也可和FX 0N 3A 连接。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。（3）不用编制复杂的程序，就能捕捉到最小10s（X0 ， X1） 或 50s（X2X5）的短信号。（4）功能强大的 GX Works2 V1.31H 编程软件。由三菱公司设计开发， 适用于 FX1N 40MR

30、 的编程，具有简单工程和结构化工程两种编程方式， 支 持梯形图、指令表、SFC、ST及结构化梯形图等编程语言， 可实现程序编辑、 参数设定、网络设定、程序监控、调试及在线更改、智能功能模块设置等 功能。 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。3.2 变频器的选用102015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）通用变频器的选择包括通用变频器的型号选择和容量选择两个方面， 选择的原则是：首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得 较好的性能价格比。通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。对于风 机、泵类等平方转矩，低速转矩负载，通常可选择专用或普通功能型通用 变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速

31、精度要求的机械应选用具有 转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机 械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒 转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性 能好、速度响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等） ，应采用 矢量控制或直接转矩控制型通用变频器 16 。表 3.1 为不同类型变频器的主 要性能、应用场合： 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。表 3.1 不同类型变频器的主要性能、应用场合 9控制方式U/f 开环控制U/f 闭环控制电压向量电流向量直接转矩速度控制 范围1：401：601：1001： 10001 ： 100启动

32、转矩150%，在 3HZ150%，在 3HZ150%，在 3HZ250%，在 3HZ150%，在 0HZ静态转速 精度（ %）（ 2 3）（ 0.2 0.3 ）0.20.020.2反馈装置不要PID调节不要编码器不要主要应用 场合泵类、风机保持压力、温 度、流量一般工业设置高精度工 业设备起重电机、电 梯、轧机等设备本次设计的音乐喷泉控制系统中，变频器所驱动的负载为水泵，即泵 类负载，故选择 U/f 开环控制。即选用三菱 FR-F740 系列变频器， FR-F740 变频器是专为风机和水泵负载设计的。其特点如下 10 ：銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。（1）功率范围： 0.75 630KW；（2）简易磁

33、通控制方式，实现 3Hz时输出转矩达 120%；（3）采用最佳励磁方式，实现更高节能运行；（4）内置 PID，变频器 / 工频切换和可以实现多泵循环运行功能；（5）内置独立的 RS485通讯口；11邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计（6）使用长寿命元件；（7）内置噪声滤波器（ 75K 以上）；（8）带有节能监控功能，节能效果一目了然。3.2.1 变频调速原理当向一台三相异步电动机的定子绕组中通入对称的三相交流电时，就 产生一个以同步转速 n1 沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁 场。由于旋转磁场以 n1 转速顺时针旋转，转子导体开始是静止的，故转子 导体将切割定子旋转磁场而产

34、生感应电动势，由于转子导体两端被短路环 短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本 一致的感应电流。由于通电导体在磁场中要受电磁力的作用，所以有感应 电流的转子导体在旋转磁场中也将受到电磁力的作用，作用于转子导体上 的电磁力对转子的轴，产生电磁转矩与旋转磁场的旋转方向是一致的，从 而驱动转子沿着旋转磁场的旋转方向旋转 11 。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。当将三相异步电动机绕组任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场方 向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场 的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机磁极对数和电 源频率决定 17 。赔荊紳谘侖驟辽

35、輩袜錈。异步电动机的同步转速为：式(3.1)60 f1 n1 p式（ 3.1 ）中 n1 同步转矩，单位 r /min；f1 定子电源频率，单位 HZ；p 磁极对数。异步电动机的转速为：式(3.2)n n1（1 s） 60f1 （1 s）p式（3.2 ）中 s 异步电动机的转差率， s （n1 n）/n1122015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）由式（ 3.2 ）可知，对于极对数固定的异步电动机，只需供电频率 f1或 电动机的转差率 s 中的任意一个改变就可以改变电动机的转速。改变转差 率 s 的方法更多用在绕线式异步电动机的调速中，故对鼠笼式异步电动机 改变供电频率 f1 是最好

36、的调速方法。对鼠笼式异步电动机，一般情况下， 转速率 s 很小，所以可近似地认为 n n1 f1 ，考虑到电机的运行性能， 并使电动机得到充分利用，在变频的同时，电源电压应根据负载性质的不 同作相应的变化，通常希望气隙磁通 m维持额定值不变，因为若 m 增大， 将使电动机磁路过分饱和， 引起励磁电流增加， 功率因数降低； 若 m 减小， 电动机容量将得不到充分利用 12 。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。由电动机理论可知，三相异步电动机定子每项电动势的有效值为E1 4.44kN1 f1N1 m式 （3.3）式（3.3） 中 E1 旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势，单位 V； m 每极磁通量，单位 W

37、b； N1 定子相绕组有效匝数； K N1 基波绕组系数。从电动势公式可知，因为 U1 E1，若要 m 为定值，则 U1必须随频率 的变化作正比变化，即：UfU1 f1 定值式（3.4 ）U1 f1式（ 3.4 ）中 U1，f1 表示变频后的量。 另一方面，为了保证电动机允许的稳定性，希望变频调速时，电机的 过载能力不变，即TTNm 定值式 (3.5)由最大转矩公式，并略去定子电阻 R1 ，可得到：13邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计TmTN2m1pU 14 f1(X1 X 2)TN式(3.6 )在忽略铁芯饱和的影响时， X1 X2 2 f1(L1 L2 )，与频率 f1成正比， 则

38、式( 3.6 )还可以写成：式 (3.7)U12 m C f 2Tf1 TNU12U12U1U1式(3.7) 中 C为常数，为保证变频前后 m 不变，要求式 (3.8)即：式 (3.9)式(3.9) 说明了在变频调速时， 为使电动机的过载能力不变， 电压 U1的 变化规律。显然，对于恒转矩负载，因为TN TN ，由式( 3.9 )可得，UfU1 f1 定值 ，这时既保证了电动机的过载能力 m不变，又满足 m 为定 U1 f1值的要求。 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。但是， E1难于直接测量和控制。当 E1和 f1 的值较高时，定子的漏阻抗 压降比较小，如果忽略不计，就可以近似的保持定子相电压 U1 和

39、频率 f1的 比值为常数，即认为 U1=E1，保持 U1/ f1=常数即可，这就是恒压频比控制 方式，是近似的恒磁通控制。 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。低频时， U1和 E1都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能 再忽略。这时，认为的把电压 U1 抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带 定子压降补偿的恒压频比控制特性为 b 线，无补偿为 a 线。恒压频比控制 特性如图 3.1 所示 13 。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。142015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）3.2.2 变频器参数设置10。1）三菱 FR-F740变频器介绍1）如图 3.2 为三菱 FR-F740 变频器端子接线图15邓

40、世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计图 3.2 三菱 FR-F740 变频器端子接线图2)FR-F740变频器基本操作面板介绍 如图 3.3 为变频器基本操作面板 10 ：162015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）图 3.3 变频器基本操作面板（2）变频器参数设置 将电机的参数输入变频器，同时根据控制要求，将变频器相关参数也 输入变频器 14 。FR-F740变频器的参数设置如表 3.2 所示： 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。17邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计表 3.2 FR-F740 变频器的参数设置 10参数设定值说明Pr.1601显示用户参数组中登记的参数Pr.130

41、设定频率为 50HZPr.141设定为变转矩负载Pr.19380设定电动机的额定电压为 380VPr.915设定电动机的额定电流为 15APr.350设定电动机的额定频率为 50HZPr.807.5设定电动机的额定功率为 7.5kwPr.592设定由端子控制变频器的运行Pr.731频率由模拟量输入设定Pr.150电机运行的上限频率Pr.220电机运行的下限频率Pr.5715电机启动时间Pr.115电机制动时间Pr.793设置端子 4与端子 5 接通时电机正转，断开停止Pr.781不允许反转在基本操作板上设置好上述参数后，可以运行变频器。当端子 4 和端 子 5 接通时，电机按设置的下限频率 2

42、0HZ 开始运行，达到 20HZ的启动时 间为 5s；断开端子 4 和端子 5，电机从 20HZ 到停止的时间为 5s。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。3.3 音乐喷泉控制系统总电路设计及工作原理分析（1）控制系统总电路设计： 该控制系统的核心设备为可编程控制器 （ PLC）、 模拟量输入输出模块、 FR-F740变频器，其控制系统总电路原理图如图 3.4182015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）音频信号12V（2）工作原理分析：从电路原理图可知，控制分为两部分。一部分是 固定程序运行；另一部分是音乐控制部分。1）音乐控制部分。 当需要使用音乐喷泉时， 此时可按下 SB1按钮，PLC 的模拟

43、量输入输出模块将采集播放音乐的音频强度，将其进行 A/D 转换， 比较运算，然后将结果输出到变频器的模拟量输入端口的4、5 端，控制变19邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计频器的输出频率，从而控制水泵的转速，达到控制喷泉水柱高度的目的。 栉 缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。2）固定程序部分。当喷泉不使用音乐进行控制时，可按下SB2按钮，PLC运行固定程序， 喷泉按事先设计好的程序运行。 此时变频器不启动。 变 频器只在音乐控制时启动。原理图中水泵变频运行和固定程序运行是不能 同时进行的，否则会给变频器反送电，烧毁变频器，所以，在水泵变频运 行的接触器 KM4、KM5和水泵固定程序运行的接触器 KM

44、1、KM2之间，加接 了电气互锁。 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。3）灯光控制部分。无论喷泉运行音乐喷泉控制还是固定程序控制，喷 泉的灯光都按事先设定好的程序运行。3.4 本章小结本章主要是音乐喷泉控制系统的硬件设计。首先对主要器件进行选型 （PLC选用 FX1N 40MR 型，变频器选用 FR-F740型）。然后对 PLC的特点、 变频调速原理以及 FR-F740 型变频器的端子分配、变频器基本操作面板进 行了介绍，对 FR-F740 型变频器参数进行设置。最后设计出音乐喷泉控制 系统总电路图，并对电路原理进行简单的分析。 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。202015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）

45、21邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计第 4 章 音乐喷泉控制系统软件设计4.1 系统程序流程图PLC的程序设计主要有经验法、 顺序功能图设计法、 逻辑流程图设计法 15 。根据实际情况先设计出程序流程图， PLC从开机，有一个选择性分支， 提供两种选择：一个是喷泉根据音乐节奏运行，另一个是喷泉按固定程序 运行。其程序流程图如图 4.1 所示。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。开始Y结束4.1 系统程序流程图4.2 系统 I/O 端口分配表I/O 端口分配表是对系统的输入 / 输出点的地址分配，有了 I/O 端口分 配表，能够反映程序里的地址分别代表什么，如果没有 I/O 端口分配表，22201

46、5 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）就不知道程序写的是什么了，如果出错更不好修改。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。音乐喷泉控制系统 I/O 端口分配表如表 4.1 所示。表 4.1 音乐喷泉控制系统 I/O 端口分配表称 名 号 信明 说 能 功输入信号SB10X制 控 乐 音 动 启2BS1X3BS2X输出信号1MK0Y动主电机2MK1动外电机3MK24MK35MK44.3 系统程序设计4.3.1 梯形图程序设计（1）开机梯形图程序设计。开机梯形图程序是一个选择性程序，要么 是音乐控制的喷泉，要么是固定方式运行的喷泉，二者选择一种运行方式。 梯形图设计时二者要加程序互锁。开机程序梯形图如图

47、4.2 所示。 胀鏝彈奥秘 孫戶孪钇賻。23邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计图 4.2 开机梯形图程序 开机程序中，喷泉从固定程序切换到音乐控制时，因为固定程序控制 中不用变频器 , 所以程序可以直接切换；但当音乐喷泉实行音乐控制，再切 换到固定程序运行，因为变频器有个停车时间，所以切换时要延时，延时 时间为变频器的停车时间，一般为 10s。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。（2）音乐控制程序。音乐喷泉程序相对复杂，其程序要启动变频器、灯 光，要实时采集音频信号的变化，然后去控制变频器的输出频率。 稟虛嬪赈维 哜妝扩踴粜。1）喷泉水柱控制程序。控制喷泉的水泵启动后，主水柱、外圈水柱要 按事先设

48、计好的顺序启动运行，运行后各水柱根据音乐的节奏强弱进行高 低变化。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。2）灯光启动程序。喷泉灯光的变化过程，一般是事先设定好的程序， 当变频器得电，输出正向频率，水泵电机启动即调用灯光子程序。 沩氣嘮戇苌 鑿鑿槠谔應。音乐控制梯形图程序如图 4.3 所示。242015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）图 4.3 音乐控制梯形图程序（3）固定运行梯形图程序。固定运行梯形图程序是喷泉不需要用音乐 控制时的另一种控制方式。此时要停止变频器和音频信号的采集，只输出 控制水泵的信号。固定运行梯形图程序如图 4.4 所示。 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。25邓世甲：基于 PLC的音乐喷

49、泉控制系统设计音频采集和灯光系统的子程序如图 4.5 所示4.3.2 指令表程序转换指令表语句是一种与计算机汇编语言相似的助记符编程方式，用一系列操作指令组成的语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到PLC中去。系统指令表程序如图 4.6 所示。 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。262015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）27邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计图 4.6 系统指令表程序282015 届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）4.3.3 控制程序调试（1）开机梯形图程序的调试如图 4.7 为开机梯形图程序的调试。当 X0触点在 10s 内未得电，则辅 助继电器 M510得

50、电，喷泉自动切换为固定程序运行方式。 X2接点得电， 则 喷泉停止运行。 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。图 4.7 开机梯形图程序的调试（2）灯光系统梯形图程序的调试如图 4.8 所示为灯光系统梯形图程序的调试。29邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计（3）音乐控制梯形图程序的调试如图 4.9 为音乐控制梯形图程序的调试。当 X0 触点得电，则辅助继电器 M500接通图 4.9 音乐控制梯形图程序的调试302015 届电气工程及其自动化专业毕业设计(论文)(4) 固定运行梯形图程序的调试如图 4.10 为固定运行梯形图的调试。当 X1 触点得电，则辅助继电器 M510接通，控制主水柱水泵直接启动

51、运行，延时 10s 后，外圈水柱水泵启 动运行，固定程序一直循环运行。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。图 4.10 固定运行梯形图程序的调试4.4 系统的整体调试首先按照控制系统总电路原理图连接好电路， 使 PLC处于 STOP模式状 态，下载设计好的 PLC 控制程序，与此同时根据预先给定的变频器参数设 定变频器。 开启交流线路总电源和音乐信号控制部分电源， 使 PLC处于 RUN 模式状态下，按下 SB1按钮，启动音乐控制程序，变频器延时 30s 启动后，31邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计同时开启音源播放音乐， PLC 模拟量输入模块采集音频信号进行 A/D 转换 后，输入到变频器模拟量输入端口，控制变频器的输出频率，从而控制喷 泉水柱的高度随音乐节奏变化，同时音乐喷泉灯光系统也开始按预先设定 好的程序闪烁。当按下 SB3 按钮后，喷泉停止运行。 莹谐龌蕲