基于PLC控制的音乐喷泉电气控制系统毕业论文

目录5984第1章绪论 1TOC\o"1-1"\f\h\u47531.1设计背景 音频信号响度检测频率音频信号响度检测频率检测旋律检测PLC阀门彩灯电机PWM调制图3.1音乐喷泉控制系统硬件结构图3.2响度检测调制电路响度检测调制电路见图3.2示。图3.2响度检测调制电路本电路是音频信号响度的检测调制电路，选用的3个串联的TAS二极管作为稳压管，反向导通电压降为2.4V，3个运放均作为电压比较器，电压比较的3个基准分别为2.4V、4.8V、7.2V。音频响度检测调制电路的真值表表见表3.1所示。表3.1音频响度检测调制电路真值表输入电压(V)\输出HighvolMidvolLowvol0~2.40002.4~4.80014.8~7.20117.2+1113.3PLC选型在众多的PLC种类当中，有松下FP1系列PLC、西门子S7-200系列PLC、华光SU-6B系列PLC、三菱FX2N系列PLC等产品。SIMATICS7-200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SIMATICS7-200系列产品进行了结构分析。1、SIMATICS7-200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。2、S7-200PLC的硬件系统结构S7-200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。3、S7-200PLC的硬件系统配置S7-200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3.2和图3.3所示。S7-200I/O模块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3.3第1种系统配置图图3.4第2种系统配置图SIMATICS7-200系列PLC适用于各种场合中的检测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂的控制功能，尤其在集散自动化系统中更能充分发挥其强大的功能。因此，可选择西门子公司的SIMATICS7-200系列PLC。3.4PLC的I/O接线图SB2,SB1是喷泉的全局启动和停止按钮，SA1是第一组喷泉的分开关，SA2是第二组喷泉的分开关，SA3是第三组喷泉的分开关。单刀双掷开关SA4用于第一组喷泉的花式选择。X006~X010用于接收音频频率调制信号的档位输入，X011~X013用于接受音频响度调制信号的档位输入，输入端口的开关三极管用于把前级电路的电平信号转换为开关信号。KM1是用于控制总水闸开闭的接触器、KM2~KM5分别控制1组喷泉水泵1、1组喷泉水泵2、2组喷泉、3组喷泉的潜水泵。KM6~KM8用于控制1组喷泉的喷射高度，通过控制1组喷泉的3个水闸实现。HL1~HL4分别显示喷泉控制系统的状态和各组喷泉的启停状态。值得注意的是，PLC前级部分接入的开关三极管（PNP）是为了将调制电路输出的TTL电平信号转换为PLC能够识别的开关量。PLC的I/O接线图如图3.5所示。3.3.3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3.1。表3.2I/O分配表输入端输出端器件代号设备名称器件代号设备名称X000SB1喷泉总开关Y000KM1喷泉总水闸X001SA11组喷泉分开关Y001KM21组喷泉1X002SA22组喷泉分开关Y002KM31组喷泉2X003SA33组喷泉分开关Y003KM42组喷泉X004SA41组喷泉工作方式1Y004KM53组喷泉X005N/A1组喷泉工作方式2Y005KM61组喷泉水闸1组喷泉水闸X006SA5音乐频率档位1Y006KM71X007SA6音乐频率档位2Y007KM8X010SA7音乐频率档位3Y010L彩灯X011SA8音乐响度档位1Y011HL1喷泉开启指示灯X012SA9音乐响度档位2X013SA10音乐响度档位3X014SA11彩灯开关X015X0163.5变频器的选型及参数设置当今喷泉工程和高新技术的结合正是历史发展的必然。由于喷泉工程中采用了大量的高新技术从而使喷泉效果更加绚丽多彩、婀娜多姿，令人赏心悦目、流连忘返。随着科学技术突飞猛进的发展，变频调速器技术正大步走进喷泉控制领域，发挥着不可替代的作用。根据控制功能将通用变频器分3种类型。普通功能型V/F控制变频器，具有转矩控制功能的高功能型V/F控制变频器，以及矢量控制高性能变频器。根据负载的要求来选择变频器的类型。本设计中采用了三菱FR-S540S型变频调速器，该变频器接线端分布图如图3.3所示。主回路端子主回路端子控制回路输出端子控制回路输入端子图3.6变频器接线端子分布图该变频器调速仅通过外部的接点信号切换，即可选择各种速度(RH,RM,RL)。即使在变频器运行中，各种速度（频率）也可在0～120Hz范围内任意设定。具体接点信号（RH,RM,RL信号）ON/OFF怎样组合实现调速，并能阶段性地切换运行速度使用。根据表3.5所示数据的大小变化按内部编程进行电机变频调速，控制水泵电机的转速，获得相应的喷水压力和水花高度，获得与音乐间相吻合的水花节奏和动感。其内部程序根据需要和要求按一定规律或规则进行编程。表3.4多段调速设定表高速RH中速RM低速RL1速ONOFFOFF2速OFFONOFF3速OFFOFFON4速OFFONON5速ONOFFON6速ONONOFF7速ONONON3.6潜水泵与灯组参数选择整个系统的水泵使用三相潜水泵，功率视水池大小而定，每个水池中各安置1～2根粗水管，每根水管上安装2～3台水泵，被控喷水管上的水泵电机只控制1～2台（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）在一定基础上跳动喷射，以避免音乐间歇无喷水现象出现（也可调整变频器参数获得）。如下：22-20/20-0.5QS配用电动机额定功率（kw）水泵级数（单位不标注）额定扬程（m）额定流量（m3/h）充水式小型潜水电泵3.7PLC的外部硬件连接图PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地。电源部分包括PLC工作电源AC220V，其他输入/输出电源电压均为DC24V。PLC的外部硬件连接图见附录A。3.8控制系统主电路图控制系统主电路图主要包括变频器、潜水泵两个主要部分。变频器的电源线直接从三相交流电获得，分别接至R、S、T三个端子上，对应的输出到潜水泵，潜水泵则接至U、V、W三个端子上，该控制系统电路中有熔断、热继电器两大保护装置。而STF、RL、RM、RH则是控制调节输出，通过改变其端子组合去改变潜水泵的转速。具体控制系统主电路图如图3.5所示。图3.7控制系统主电路图第4章系统软件部分在对控制系统进行分析和硬件设计的基础上，根据PLC控制系统工艺流程和系统控制要求，对PLC进行了软件设计。NYNYYN开始将7组设定数据填入表中选择变频器读AIW0值将AIW0的值存入AC0，与内部设定量比较结束T37计时0.6s参数初始化YN按下启动按钮运行子程序调用子程序图4.1主程序流程图控制系统流程图的编制是在对控制系统进入深入的了解后，了解各种控制设备之间的关联；然后详细的了解每个被控设备的特性。分析完工艺流程和控制要求后，根据工艺的总体要和控制系统的具体情况，画出控制系统的流程图。1、控制系统软件流程整体思路分析框图见附录A。2、图4.1所示为主程序流程图当PLC运行时，PLC开始进行参数初始化，并开始扫描系统程序，当按下启动按钮，系统主程序将执行的步骤有：读入7组表数据，并选择变频器，开始计时每0.6s读一次AIW0中的值，将所读值存到累加器AC0中，用AC0与内部设定值相比较，然后判断具体调用哪个子程序，选定后运行子程序，结束。在此流程图中应注意：系统停止流程图、变频器的选择流程图以及子程序流程图将在下面另做解释。选择变频器变频器选择变频器变频器1#变频器2#变频器3#变频器4#VW500=0VW500=1VW500=2VW500=3NNNNYYYY图4.3选择变频器流程图NNY开始结束正常运行停止读AIW0的值按下停止按钮图4.2强制停止流程图3、图4.2是所示为强制停止流程图在系统需要关闭时，不管是出现何种情况的问题，都可以直接按下停止按钮即可，此时PLC会停止所有工作。在主程序部分，有一内容为选择变频器，由于本设计采用的是4组变频器循环，每个变频器的动作的时间相差0.6s。因此必须提前选择变频器，在选择变频器的时候，本设计中用到了加法、除法等基本指令，通过编程运算，当变量寄存器VW500中所存余数等于0时，选择变频器1#；当变量寄存器VW500中所存余数等于1时，选择变频器2#；当变量寄存器VW500中所存余数等于2时，选择变频器3#；当变量寄存器VW500中所存余数等于3时，选择变频器4#；这样依次循环，达到了根据表数据对应输出到某个变频器上的目的。4.2PLC控制系统梯形图的编制PLC控制系统梯形图分为两个主要部分：主程序和子程序。1、主程序启动，将系统参数初始化，该过程包括内部置位、复位输出继电器的初始化，另外将内部所需或用户本身设定的参数读入。表4.1所示为参数初始化时所需要填入相应表格中的7组数据，设计系统中采用填表指令ATT（AddToTable）将其逐一填入，为了减少梯形图的烦琐，该表数据填入只用一组来说明，在梯形图中从Network15~Network21都属于表数据填入，在此图中省略Network16~Network21。填表数据表如表4.1所示。表4.1填表数据从左至右填入表格相应数据存储单元表1121211VW20表2221221VW30表3233233VW40表4234243VW50表5345535VW60表6456564VW70表7575537VW80选择变频器，通过加法指令将C0+3存入寄存器VW200中（C0=1、2、3……可按计数器设定值递增）。再用除法指令将VW200除4，将结果存入VD500中，然后将VD500高16位VW500中所存余数与0、1、2、3比较，当等于0时选择变频器1，依次类推。选择表格数据输出，首先将音频信号模拟量输入到A/D转换模块EM231，将其转化为数字量，并存放在寄存器AIW0中，然后把AIW0中的数字量按每0.6s读取一次，存放到累加器AC0中，再与内部十六进制16#0000～16#0FFF分成7段比较，当AC0中的值大于且小于某一个范围值时，输出相应的表格数据。调用子程序，当比较后若选择表1数据时，调用子程序0；表2数据对应调用子程序1；依次类推。2、子程序此控制系统共7个子程序，在此只对一个子程序做详细的介绍，其他依次类推即可。在上述流程图中可知，每选择的一组表数据，对应的是输出到四个变频器，这四个变频器形成一个循环过程，四个变频器之间的动作时间差为0.6s，这样就可以实现对音乐旋律的起浮用喷头喷水高低或变化幅度来具体表达，达到音乐、喷泉和谐一体。当系统调用子程序0时，可以有四组变频器可以输出。在此，根据主程序中所选择对应的变频器与选择表1数据组合输出，例如：选择变频器时，内部继电器M0.3有输出；选择表1数据，继电器M0.7有输出；此时应该是系统将表1数据输出到第1个变频器。当选择变频器2时，将表数据输出到第2个变频器。在选择了表数据与对应变频器后，通过计时，每隔0.4s读一次表中的数据，将所读出的数据与0～7之间的数据相比较，当等于其中某一个数值时，输出对应的设定速度。等到将表中6个数据全部输出完，将继续等待下一个选择。具体梯形图编制见附录B。第5章系统调试部分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。在本设计中采用的西门子S7-200系列CPU226型的PLC，另加配套实验箱，以及手编器、数据线以及导线等硬件设备。在完成以上多个步骤后，确定出I/O口的点数，将各个输入/输出端子和实际控制系统中的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。将STEP_7-MicroWIN_V4_SP3安装好后，喷泉控制系统的梯形图编制可利用STEP_7-MicroWIN_V4_SP3软件来完成，正常工作时将程序或梯形图倒入到PLC中，若要修改程序，先将PLC设定在PROG状态下，运行STEP_7-MicroWIN_V4_SP3软件，打开全自动洗衣机程序或梯形图，即可在线调试。将所设计的程序倒输入PLC后，将PLC设定在RUN状态下，即可进行调试。初次调试并不成功，在没接触过实践之前的理论上的程序以及梯形图都只是自认为可以实现，将程序输入后，运行结果不理想，在完成一部分动作后，再不会向下运行了，错误的原因在于没有考虑到循环的整个回路过程所需要的时间，即运行每条指令所需要的时间；另外，在梯形图设计中没有考虑上下级连接的关系，在暂停的时候所用的触发信号只是短暂的一个脉冲信号，在没能保证定时器记时完毕的前提下就已经将定时器断开，所以定时器也就不起作用了。在经过多次修改后，将所有课题要求的内容设计完毕，并进一步简化了设计思路，在保证实现要求中的所有功能外，尽可能的使所设计的程序、梯形图更加简便。结论随着我国国力的不断增强,人民生活水平的不断提高,现在在许多城市的广场上都能看到音乐喷泉。音乐喷泉顾名思义,就是指喷泉的水形根据播放音乐的旋律有规律地进行变化,在人的视觉和听觉上形成和谐的统一,使人在精神上有愉悦的感受。音乐喷泉的设计涉及到的专业非常广泛,包括音乐分析、给排水、电气、通讯和自动控制,所以说音乐喷泉这个行业是一个综合性非常强的行业,一个音乐喷泉工程的成功实施需要以上方面的专业人员紧密地配合才能完成。本设计主要完成的是音乐喷泉控制系统的设计，具体广场各喷头、灯光的布局在此不做详细说明设计。本控制系统是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应用。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，这些在此设计的第三章都有非常清楚的介绍。本课题是应用设计型课题，是本人结合所学知识，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。在整个设计的过程中，在自我学习、向人学习的前提下，我深入地了解电气控制系统各方面的知识，熟练地掌握了PLC控制技术各方面的理论知识及其应用，逐渐提高了对电气控制系统进行设计的实际工作能力，懂得了运用所学的理论知识与实际情况相结合。同时，通过学习各方面的知识，不断地提升了自己；通过实际应用，逐渐地提高了自己的动脑能力和动手能力以及处事能力.致谢在毕业课题设计即将完成之际，也意味着我三年学业即将圆满完成，此时此刻，我的心情无法平静，从开始进入课题到课题设计的顺利完成，有多少可敬的老师、亲爱的同学和朋友给了我无尽的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！首先，我要感谢我的指导老师！老师治学严谨，学识渊博，待人热情，平易近人，使我们在毕业设计的过程中遇到难题时，能够大胆的向老师提出问题，老师也总是及时而又耐心的帮我解答。在选题后，进行资料查询、调研、开题、研究设计和撰写每一个环节，都得到了老师的悉心指导和帮助。在此我向老师表示衷心的感谢！同时，我还要感谢大学三年间所有任课老师和系部领导，感谢他们在这三年里对我学习上和上活上的关心与支持，他们不仅传授了我丰富的知识，还教会了我为人处事的原则，这些都让我在设计的过程中有一个良好的心态，并能让我终身受益。最后，我再次对所有帮助我、关心我和支持我的老师、家人、同学、朋友致以最崇高的敬意！谢谢大家附录[1]常斗南.可编程序控制器·原理·应用·实验[M].北京：机械工业出版社，1998.7[2]台方．可编程序控制器应用教程[M]．北京：中国水利水电出版社，2001.[3]田瑞庭．可编程序控制器应用技术[M]．北京：机械工业出版社，1994.[4]程健,曾以亮.PLC应用开发中的串口通信和模拟量处理[J].自动化与仪表,2002,(05).[5]廖常初．PLC编程及应用．北京：机械工业出版社[M]，2002，220-235[6]王慧.PLC应用系统可靠性设计浅谈[J].化工自动化及仪表,1998,(03).[7]张清.HYPERLINK"64/kns50/detail.aspx?filename=LJMG811.006&dbname=CJFD1998&filetitle=PLC%e5%ba%94%e7%94%a8%e