硕士论文音乐喷泉电气控制系统的设计与实施

1、硕士论文音乐喷泉电气控制系统的设计与实施 天津大学工程硕士学位论文 音乐喷泉电气控制系统的设计与实施 and of Design Electrical Implementation Control for Musical System Fountain 学科专业 电氢王猩 研究生 童 壶 这 指导教师 陵童亡麴握 企业教师 奎丝直级王猩!重 天津大学电气与自动化工程学 二零一零年十一月 一奄一苓牛卞一月 独创性声明 。 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗

2、盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谫 意。 ? 学位论文作者签名：童克波 签字同期： 厶【。年Iz月彳Fl 学位论文版权使用授权书 特授 索， 向国 学位 签字 摘要 本论文源于兰州石化职业技术学院景观音乐喷泉的电气控制系统改造项目。 改造目的有两个：一是增加喷泉系统运行的可靠性：二是增加喷泉系统运行的方 式。为达到上述目的，改造后的电气控制系统采用西门子公司生产的S7200可编 程控制器、MM430变频器组成。并将原有的控制方式改为两种：一种固定程序 运行方式。是按事先设定好的步骤一步一步进行，循环执行

3、。另一种运行方式是 音乐控制的喷泉。是通过PLC的中断程序采集播放音乐音频信号，PLC对采集的 音频信号进行标准化运算，将运算的数据转换成模拟量，通过EM235的模拟量输 出口输出去控制变频器的输出频率，从而控制水泵电机转速，达到控制喷泉水柱 的高低跟随音乐节奏强弱而变化。这一种运行方式集声、光、形于一体，形式热 烈，多用于节假日或学院重大活动时使用。 本文首先对可编程控制技术、变频控制技术的应用、发展趋势作了简要介绍， 然后说明了兰州石化职业技术学院景观音乐喷泉的改造背景。以及景观音乐喷泉 的系统总体设计方案、电气系统的整体设计和PLC程序设计思路、变频器参数设 置。 本文提出的控制方案可满

4、足许多类似的控制场合的需要，以及一般的工业控 制都有参考价值。 关键词：音乐喷泉；PLC控制；变频调速；电气控制系统 ABSTRACT The stemsfromrenovationofelectricalcontrol formusical paper projcot system fountaininLanzhou ofvocational of petrochemicalcollege technologyThepurpose musicalfountain forboth of renovation stability sides：First，improvingoperation mo

5、deofmusicalfountain this aim, system；Second，increasingrunning systemFor S7200 therenovationofelectricalcontrol uses logic project system programmable k which Siemens converter controller,MM430 manufacturingby company frequency t At same controlmodeintwo was in the original ways：Onerunning time，chang

6、ing one fed accordto one or programs，runningpredeterminedstepsby cyclingAnother musicaudio the was inmusical collects running control,It signalsthroughinterrupt of PLC theaudio tostandardize PLC，thenprogress signal operations，and program conversethe datainto the ofEM235forthe throughanalogoutput ope

7、ration analog of theinverter's motor Can purposecontrolling outputfrequency,therebypump speed watercolumn tofollow alsobecontrolledtomakethelevelofthefountain strength themusic ofthiscontrolmode fountain rhythmchangesTheadvantage is，musical both and usesin or at activity using sound，lightshapeSo

8、mainly holidayimportant school Thisarticlefirstintroduces control programmablelogic and trendof conversioncontrol developmentfrequency technology,thenexplained ofmusicalfountaininLanzhou of transformation college background petrochemical vocational wellasoverall scheme，electrical I technologyAs des蟾

9、n systemdesign, 一 fountain PLC converter formusical parameterSettings programdesign,frequency control 一 system of similar thisarticle needs Thecontrol satisfy many by may planproposed control referencevaluefor industrialcontrolaswell situations，has general Words：musical control Key fountain；PLCcontr

10、ol；frequencycontrol；electrical system 目 录 第一章绪论l 11音乐喷泉的现状1 12音乐喷泉电气控制系统改造项目简介3 121音乐喷泉课题来源3 122音乐喷泉控制系统介绍3 13课题研究的内容和意义4 第二章PLC控制系统设计的一般方法5 21 PLC产生的历史背景及发展趋势5 _ 22 PLC控制系统与其它控制系统的区别7 一 221 PLC控制系统与接触继电器控制系统的区别7 222PLC控制系统与工控计算机控制系统的区别8 223 PLC控制系统与集散控制系统的区别9 23 PLC的结构和工作原理9 231 PLC的硬件构成9 232 PLC的软

11、件构成12 233 PLC的编程语言14 234PLC的工作原理15 24 PLC控制系统的设计原则一16 25 PLC控制系统的设计步骤17 26 PLC程序设计方法17 第三章变频调速原理19 31变频器的基本结构19 32变频调速的基本原理21 ， 33变频调速的优点25 争 34西门子MM430变频器性能介绍26 341 342 MM430变频器使用注意事项29 343 MM430变频器常用参数简介30 344使用外接电位器控制变频器的输出频率34 第四章喷泉控制系统控制电路设计35 41元器件的选用35 411 PLC的选用35 412变频器的选用36 42 PLC与变频器外部电路的

12、设计39 421变频器外部电路的设计39 422 PLC外部电路的设计39 423 电气控制系统的可靠性设计40 424 电气控制系统的抗干扰措施41 43 电气控制系统总电路设计及其工作原理分析42 第五章 电气控制系统的软件设计及参数设置44 51 PLC程序设计44 52变频器参数设置52 第六章结论与展望54 参考文献55 发表论文和参加科研情况说明57 致 谢58 ， 争 第一章绪论 第一章绪论弗一早瑁比 人类社会的发展，加强了对生存环境的要求。在很多地方都可见到人工音乐 喷泉，它是人工环境中再现自然的一种特殊手段，是现代科技与艺术的综合。它 集光、形、音于一身，给人以美感【11。音

13、乐喷泉是人工环境中观赏价值最高、最 富有生命力的理想工程之一。步入音乐喷泉世界，喷泉、彩灯伴随着优雅的乐曲， 交相辉映，时而欢快，时而抒情，时而激昂，给人以心旷神怡的感觉。 由于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【2】。喷泉的形态、声音、色彩，形成了一道人工 的自然景观【31，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。给由钢筋混凝土组成的城市增添了人工环境中的自然气息，改善了城市环境 的质量，为人们提供了良好的聚集、散步、休闲的室外环境【31。可以说，由于人 们对生存环境的高要求，已使音乐喷泉发展为一种产业，不仅具有

14、很高的经济效 益，还有很好的社会效益。 目前，我国生产音乐喷泉公司有上百家，一些公司有相当的实力，国内比较 著名的喷泉公司有：上海雨琦喷泉工程，长沙喜马拉雅音乐喷泉有限公 司，上海佳景园喷泉设备，南京泉杰景观工程等。这些公司都 充分弘扬水文化，做好水文章，设计的喷泉水景集声、光、水三维于一体，营造 出了更奇、更新、更美的人文景观，这些公司在全国承接了各类大型音乐喷泉、 程控喷泉、激光水幕电影、水景等工程等，从工程设计到制作、安装、调试，提 供一整套完善的服务体系。从公司自我介绍中，可以看出其产品百花争艳，景象 万千。 但从实际使用中的情况看，我国生产音乐喷泉的公司所生产的音乐喷泉同国 外相比，

15、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 远远没有做到位【31。我国现有的音乐喷泉在音乐节 奏、强弱、协调性、音乐内涵的表现等方面都还存在很大的不足之处。目前国内 外的音乐喷泉都只能表演几首乐曲，这是因为音乐喷泉表演程序的设计、开发和 调试非常费事、费力，需要音乐、计算机、控制等专业专家的合作【31。 音乐喷泉控制系统是综合当今国际上先进科技成果，集音乐控制、程序控制、 人工智能控制技术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 第一章绪论 机、PLC或电脑音乐喷泉主控器，它能实现全程实时音控，自行识别乐曲旋律。 节奏、乐感和音频强

16、弱度。该系统使音乐喷泉在控制设备指挥下，跟随音乐旋律 不断变换水型，并与音乐同步【221。 喷泉的控制系统可采用单片机，可编程控制器，甚至可采用工控机作控制 核心。其电气设备包括水泵、灯光、音响、变频器、配电屏等，总装机容量约在 数十kW。一个音乐喷泉艺术效果的表现力不仅与喷泉的整体造型、喷头的空间 布局、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。因此一个音 乐喷泉从设计到完成需要土木、机械、给排水、自动控制等各种专业人才的通力 合作才能完成【4】。其中硬件是音乐喷泉的基础，程序控制是音乐喷泉变化的灵魂， 是青乐喷泉千变万化，随着音乐翩翩起舞的决定因素。如果没有音乐喷泉的程序 控制

17、部分，喷泉将只是静态的、缺乏生气与活力的造型【23】。 音乐喷泉从德国人发明到世界各地兴起己走过了几十年的时间，音乐喷泉的 控制水平越来越高，控制方法越来越多。到目前为止其控制形式逐渐形成了以下 几种主要方式。 1 程控喷泉。程控喷泉是将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合 进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种 各样的变化。是按照预先编写好的程序运动动作。多个程序随机执行，反应快， 灵敏度高。利用高性能工业控制计算机作为用户终端，操作界面及控制程序安装 在工业控制计算机内，操纵变频器来控制相应负载动作。系统的高适应性，高可 靠性，性能超群，能承受震动，撞击，

18、灰尘和大的温差变化【241。利用模块化结构， 简化了系统的维护，便于系统升级。若加上彩色灯光便成为“彩色程控喷泉”。 2 实时声控：为目前国内绝大多数公司普遍采用的一种控制方式，它的 特点是可响应任何音源信号，现场演奏卡拉OK等，但此种控制方式有一些缺点。 首先，水型动作要比音乐滞后，使人感觉喷泉动作与音乐不协调【25】26】。其次， 水型的出现组合与出现时间长短，为固定重复的，而且不论任何曲目。所以会出 现表演水型与音乐所表达的情感不一致。如激昂的乐符，可能出现摆动水型，而 铷 轻柔旋律时，又出现高大的水体，使人听觉感受与视觉感受不一致。第三，乐曲 的情感段落与水型变化时间不符，而且千篇一律

19、。 。 3 预编控制方式：是根据某一首乐曲的情感与意境，人工编制各种水型、 动作、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【271。 此功能在控制技术、计算机技术、通讯技术方面有一定的综合难度。 4 计算机管理音乐喷泉控制系统：它是由一台多媒体工业PC机作为上 位机，若干台电脑喷泉控制器和电脑跑泉控制器作为下位机，组成的一个集成控 制系统【28】。 2 以归属于上面几种，音乐喷泉 ，使喷泉的水型、灯光与乐声 到美丽的景色。 本课题源于我院广场大型景观音乐喷泉控制系统的改造工程。改造前的控 制系统采用单片机控制，运行方式单调，用户不能修改和增加喷泉水型，系统稳 定性较差，运行

20、一段时间后，控制系统损坏。 本课题主要针对上述问题，对整个控制系统进行改造，并增加新的内容。 为改善系统的稳定性和可靠性，使用PLC作为核心控制设备，使喷泉既能实现 音乐控制，又能实现程序控制。 122音乐喷泉控制系统介绍 该音乐喷泉建立在对着学院大门的广场中央，广场面积100M2。整个音乐 喷泉的平面示意图如图1-1所示。 图11音乐喷泉平面示意图 该音乐喷泉由中心区和围绕中心区的2个环构成。中心区由两部分组成： kw的潜水泵和 一是由6个喷头控制的最大高度为15M高的主水柱，由一台75 第一章绪论 珏门子MM430变频器控制；二是在主水柱两旁各有一个由3个喷头控制的副水 柱，由两台4kw的

21、潜水泵和西门子MM430变频器控制。中心区外有2层跑泉， 里面一层有72个喷头，由一台4kw的潜水泵和西门子MM430变频器控制。外 面一层有120个喷头，由一台4kw的潜水泵和西门子MM430变频器控制。 另外主水柱旁有红、黄、绿、白4种颜色的彩灯4盏，副水柱里各有1盏 红色的彩灯，里层和中心区之间有红、黄、绿3种颜色的彩灯共12盏，里层和 外层之间有红、黄、绿3种颜色的彩灯共14盏。 13课题研究的内容和意义 。 音乐喷泉作为一种才兴起的独特人工景观，其产生的景观效果己获得了人民 大众的认可【4】。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

22、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、研究，同时也使音乐喷泉、音乐瀑布、音乐水景逐渐 发展成为了一种产业。 作为音乐喷泉，不可能在一天内长时间表演，这里因为：音乐喷泉耗电量大， 长时间开启会使之缺乏新鲜感，尤其在白天无灯光时，效果欠佳。喷泉作为整个 广场的一景，除音乐表演外还需考虑作为固定景点时水型的艺术效果。固定水型 的使用时间是最长的。因此，喷泉水型设计与选择上除考虑表演音乐时的美感外， 同时还要考虑作为水景时的效果，所以控制上应设置不同的功能。 音乐喷泉控制系统集合音乐控制、可编程序控制、人工智能控制技术，综合 当今国际上最流行的先进科技成果，是一种工业现场控

23、制系统【291。 本课题是以实际工程为背景，采用先进的控制设备，来研究音乐喷泉控制系 统的实现技术。第一，采用PLC控制技术，研究设计了符合项目要求的控制程序。 1 第二，采用变频技术。从扬声器两端取得的音乐信号作为控制信号，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强弱的变化而变化。 和 工程研究中，要解决的问题主要有：水泵电机间歇工作产生的瞬间电压波动 和干扰；变频的高频大电流的抑制；设备抗干扰和恶劣的工作环境的能力；工程 的造价和设备的性能价格比等因素。同时还要考虑系统的可操作性和扩展性。综 合这些因素，采用PLC作为主控制设备。 4 所有任 分析被 或IPC 型

24、的过 程控制系统就适合DCS来做。而PLC最适合的控制对象是：工业环境较差，而对 安全性、可靠性要求高，系统工艺复杂，输入输出以开关量为主的工业自控系 统或装置伫9131J。其实，现在的PLC对模拟量也有很强的处理能力。所以在大多 数工业控制系统中，PLC已取代工控机 IPC 作为主控器来完对成复杂的工业 自动控制任务。 本章主要探讨使用PLC作为主控器来实现自动控制的设计方法，以及PLC型 号的选择，系统设计原则，系统抗干扰的措施等。旨在总结一些设计经验及方法。 21 PLC产生的历史背景及发展趋势 1 PLC的发展历史。20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、 接触器及其触点按一定的

25、逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械， 这就是大家所熟悉的传统的继电接触器控制系统。由于它结构简单、容易掌握、 价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中 一直占主导地位【5】。但是以各种继电器为主要元件的电气控制线路可能需要成千 只继电器来构成，需要使用成千上万根导线来连接，安装这些继电器需要大量的 继电器控制柜，且占据大量的空间。运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电 能。为保证控制系统的正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护。系统 出现故障，排除故障又非常困难。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加 很多的继电器或控制柜，系统改造的工作量极大

26、。所以通用性和灵活性较差。 到20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展， 人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出电 路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。 20世纪60年代末，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不 断更新，它必然要求加工的生产线亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置【5】。 为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，1968年美国通用汽车制造公司 GM 第二章PLC控制系统设计的一般方法 公开招标，对控制系统提出具体要求，归纳其要求，其核心是：该设备要使用计 算机技术，能让以前的电气技术人员很容易掌握

27、的编程语言，该设备与被控制设 备连接方便，不需要使用特别的供电方式【30】【321。 根据这些要求，美国数字设备公司 DEC公司 于1969年研制开发出了世 界上第一台可编程序控制器PDP1433】，并在GM公司的汽车生产线上首次应用 Controller ， 成功。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器 ProgrammableLogic 简称PLC，可编程序控制器由此诞生【341。由于它主要用来取代继电接触器逻辑 控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等【51。 PLC诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，一日本、德国、法国等国 家也相继研制成各自的PLC。 PLC自问世以来，经过

28、近40年的发展，在美、德、日、法等工业发达国家 已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断 翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。 目前，世界上有200多个厂家生产PLC，著名的有，美国：AB通用电气公 司、德州仪器公司；日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工等公司；德国：西门 子公司；法国：TE施耐德公司；韩国：三星、LG公司等【6】。 2 技术发展动向。 1 产品向小型化、专业化、低成本方向发展。20世纪80年代初，小型PLC 在价格上还高于小系统用的继电器控制装置。随着微电子技术的发展，新型器件 大幅度的提高功能和降低价格，使PLC结构更为紧凑，相当于一本精装

29、书的大 小，操作使用十分简例34】。PLC的功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的 功能移植到小型PLC上，如模拟量处理、数据通讯和复杂的功能指令等，但价 格不断下降，真正成为继电器控制系统的替代产品。 2 向大容量，高速度方向发展。大型PLC采用多微处理器系统，有的采用 、， 32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控 制和数据处理的功能。另外，存储容量大大增加【5】。 _ 3 与计箕机联系密切。从功能上看，PLC不仅能完成逻辑运算，且计算机 的复杂运算功能在PLC中也进一步得到利用；从结构上看，计算机的硬件和技 术越来越多地应用到PLC；从语言上看，PLC已不再是单纯用梯形图语言，而 且可用多种语言编程，如类似计算机汇编语言的语句表，甚至可直接用计算机高 级语言编程；在通讯方面，PLC与计算机可直接相连并进行信息传递。 4 模块化。PLC的扩展模块发展迅速。功能明确化、专业化的复杂功能由 专门模块来完成，主机仅仅通过通讯设备向模块发布命令和测试状态，这使得 PLC的系统功能进一步增强，控制系统设计进一步简化。 6 第二章PLC控制系统设计的一般方法 5 网络与通讯能力增强。计算机与PLC之间以及各个PLC之间的联网和 通讯的能力不断增强，使工业网络可以有效地节省资源、降低成本、提高系统可 靠性和