广场音乐喷泉的PLC控制系统

1第1章绪论当今喷泉工程和高新技术的结合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。当变频控制技术引入音乐喷泉控制系统，可以使水柱随着音乐快慢变化，仿佛是在随着音乐翩翩起舞，引人入胜。本文通过设计一个实用型广场音乐喷进一步熟悉PLC控制系统的设计步骤和方法，培养理论联系实际及知识的综合运用能力。本章对这一课题的设计背景及控制系统中PLC、变频器的基本知识进行简单的介起初的音乐喷泉控制系统就是利用音乐的主要音素(频率、振幅、音色和节拍)控制喷水的花型组合变化、水柱高低、远近变化和灯光色彩组合，其原理是将声音信号转变为电信号，经过放大及其它一些处理推动继电器或电子开关，再去控制设在水路观这些音控产品，有的利用音乐的时域变化来控制喷泉，有的将音乐分成几个频段来本设计针对这些问题，提出了一种新的方法来控制喷泉的变化，本设计将通过对音乐音频信号的实时采样，再通过变频器对潜水泵进行变频调速，利用各式喷头的喷射、摇摆、旋转来实现喷泉水柱高低、摇摆幅度、旋转速度来实时地展现音乐的频谱。可编程序控制器简称PLC,是20世纪60年代以来发展极为迅速、应用面极广的2可编程序控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，先已广泛应用于工业控制的各个领域。他以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算，并通过数字量和模拟20世纪60年代以前，汽车流水线的自动控制系统基本上都采用传统的继电器控制。在60年代初，美国汽车制造业竞争越发激烈，而汽车的每一次更新的周期越来越短，这样对汽车流水线的自动控制系统更新就越来越频繁，原来的继电器控制就需要经常地重新设计和安装，从而延缓了汽车的更新时间。所以人们就想能有一种通用性和灵PLC在食品、制造和冶金等其他工业部门相继得到了应用。1971年，日本引进了这项技术，并开始生产自己的PLC。1973年，欧洲一些国家也研制出了自己的PLC。1974年，我国也开始仿照美国的PLC技术研制自己的PLC,终于在1977年研PLC是传统的继电器技术和计算机技术想结合的产物，所以在工业控制方面，它加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强的抗振动冲击的性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；所有的输入/输出(I/O)接口都采用了光电隔离措施，使个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能够尽量缩短系统维3迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池、施，以防止故障扩大；停电时，后备电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态由于采用了上述有效措施，保证了PLC的高可靠性，从而使PLC的平均无故障时2、应用灵活、使用方便模块化的PLC设计，使用户能根据自己控制系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需要的PLC的模块并进行资源配置和PLC编程。这样，控制系统就不再需要大量硬件装置，用户只需根据控制需要设计PLC的硬件配置和I/O的外部接线即可。而在PLC控制系统中，当控制要求改变时，不改动PLC外部接线，只需修改程序PLC的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。虽然PLC是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能力，只要用户具而不再需要专用的接口电路。而且PLC的软件功能取代了原来的继电器控制中间继电PLC的调试可先在实验室模拟完成，模拟调试完成后再现场安装、调试。这样就在维修方面，PLC完善的诊断和显示功能，可以通过模容易地找出故障的模块，而且由于模块化设计，因此只需要对错误的模块进行更换即5、功能完善、模块功能和网络功能强大现在PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D、D/A转换、数值运算和数据处理等功能。因此，它既可以对开关量进行控制，又4可以对模拟量进行控制。由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的多种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统[9。1.3变频器的工作原理随着电力电子技术、微电子技术及计算机技术的发展，变频器已经成为电器调速的主流，成为现代工业的组成部分。变频器不仅可以节省能源，还可以改善控制性能，提高生产效率。工业中使用的变频器可分为通用变频器和专用变频器。通用变频器主要用于工业驱动交流电动机；专用变频器用于特定的控制对象。随着变频器的发展，采用矢量控制的变频器开始普及。矢量控制的重要性能是使异步电动机具有直流电动机的调速特性，并且与直流电动机系统比较，有无需维修，不需抑制电流变化率，可以谋求电流控制的快速响应；磁场控制范围广等优点。无速度传感器矢量控制变频器可以在各种转速下提供不变的转矩，在整个调速范围内不但给出160%的过载转矩，同时还可以进行滑差补偿。中小容量的变频器正向降低噪音，减少谐波对电源的影响、提高低速是的转矩等方向发展。由于变频器变频调速性能好，因而现在以被钢铁、石油、纺织、造纸、建材等行业采用并大力推广。并且极其精确地运行，驱动普通电机变频器的基本构成，从结构上看，变频器可分为直接变频和间接变频两类。间接变频器先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流，因此又称它为有中间直流环节的变频装置或交-直-交变频器。直接变频器将工频交流一次变换为可控频率交流，没有中间直流环节，即所谓的交-交变频器。目前应用较多的是间接变频器即交-直-交变频器。因此，可以认为，变频器的基本构成如5图1.1变频器的基本构成本论文是本人的毕业设计论文，需要本人结合所学知识，以可编程序控制器为基础，对包装机组自动控制系统进行自动化控制。主要任务是在自我学习、向人学习的前提下，深入地了解电气控制系统各方面的知识，熟练地掌握PLC控制技术各方面的理论知识及其应用，逐渐提高对电气控制系统进行设计的实际工作能力，懂得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，不断地提升自通过实际应用，逐渐地提高自己的动脑能力和动手能力以及处事能本论文在具体分析基于可编程序控制器的广场音乐喷泉控制系统设计，对该控制系统进行了具体的研究和设计。同时，对可编程序控制器在工业应用中的一些问题也论文共分为5章：第1章对论文背景进行了综述，着重介绍了可编程序控制器的有关基础知识；第2章对音乐喷泉控制系统的要求、目的、任务、内容、工作过程以及控制器的选择进行了系统概述，并针对设计所需要的方案进行了选择论证；第3章主要分析了系统的组成部分以及各部分器件的工作原理，对音乐喷泉控制系统的各种元件的选择和参数确定等控制系统的硬件配置；第4章根据控制系统流程图进行软件设计；第5章为系统调试。6第2章系统概述及方案论证本章主要介绍广场音乐喷泉控制系统的基本要求，以及设计广场音乐喷泉控制系统的目的和任务，并对完成此系统设计的方案进行选择及论证等相关内容。通过分析该控制系统的各部分的功能要求，以达到广场音乐喷泉控制系统的最优实现方法。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。目前，采用不同控制器来实现音乐喷泉的方法越来越多，究竟怎么样实现才能达到最优的控制以及给人最美的观赏效果，本设计从诸多方面来分析、探讨此问题的解决方案。在诸多音乐喷泉控制系统中，不管是采用继电器控制或电磁阀对音乐喷泉进行控制(开关及喷泉扬程控制),由于不能对电动机或其他控制阀进行调速，所以这些方式都存在反应速度慢的弱点。因此，本设计的重点在于音乐与喷泉的同步实时性，在控制系统中采用了变频调速，通过变频器来控制电动机，从而达到快速反应的目的，所以下面所介绍的是本设计对音乐喷泉控制系统所需要达到的要求、效果。顾名思义，音乐喷泉就是要求在音乐的伴随下喷泉的高度、灯光的强度、色彩以及喷泉的造型随音乐的音量而变化，通过对各种不同的音乐进行选择播放，以及对不同音频信号的采集、转化等处理后，利用编制程序来实现对音乐喷泉的实时控制。本设计控制系统为广场音乐喷泉控制系统，该控制系统的目的及任务如下：1、分析系统的工作原理和工艺过程；2、熟悉对PLC的选型以及相关参数的选择；3、了解系统控制主电路：包括电源、各保护开关、电机及其外部电路的设计方法；75、掌握软件系统的设计方法，绘出梯形图、列出指令表等。音乐喷泉控制系统内容包括乐曲播放、水型与乐曲同步、水型的程序演示、彩色信号进行采样。当操作员在乐曲数据库中确定了演示乐曲后，随后启动该驱动器，正2、水型与乐曲同步控制当乐曲开始播放，水型会同步演示。在上一首乐曲结束和下一首乐曲开始的间歇期间，水型也会保持同步停止和继续演示。此音乐喷泉控制系统能提供可调整的喷泉喷泉潜水泵电动机是受控制器内部的程序控制，每一首乐曲可从控制器中相应的与水型的演示程序类似，彩色灯光也由控制器系统程序控制。通过利用喷泉水泵的控制程序，将灯光控制也采用其同样的方法，随喷泉的变化相应的水下彩色灯光也对于不同的音乐，其水型的跳跃和摇摆是与乐曲的节奏同步的，表演出音乐喷泉的激情和活力。这种水型的跳跃和摇摆变化也是由A/D对其音频信号采集转换后通过8对应的程序所表现出的。通过变频器对潜水泵实现加速、减速等控制，以达到对不同路则对音频信号进行采样和A/D转换等预处理；其次，经过PLC对数字量音频信号表格数据，与之相比较输出采样值的范围；最后，通过对变频器的高、中、低三个控制端进行开关量输入，即输入组合(001～111),以达到调节变频器的7种频率段，并能很好的控制潜水泵的转速。当转速的快慢、音乐音频信号各频率对应声音信号的强2.2控制系统方案选择及论证通过对本课题控制系统各方面知识的收集、整理和不断地深入学习理解，以及对课题控制系统充分地介绍说明的基础上，根据课题设计要求及目前广场音乐喷泉在人们日常生活当中应用的实际情况，对该系统采用继电器、单片机以及PLC作为控制系统主要控制器件的优缺点进行了比较，并进行方案选择论证。1□广场乐曲播放；2□水型与乐曲同步；3□水型的演示的控制；4□彩色灯光的控制：5□强制停止功能。下面我们就如何能方便、简单地实现音乐喷泉的以上功能及经济角度等方面，将9在音乐喷泉控制系统中常用的各种控制控制器或控制电路的优缺点进行简单地比较。该系统与其他系统相比，结构比较简单，易于理解和掌握，其设计成本也相对较在一个喷泉系统中，需要用到的继电器、接触器的数量是相当大的，因此，在此控制系统中，如果有一个触点接触不良，整个系统就会瘫痪，而且要找出故障元件是接触器动作缓慢以及过度延时是该系统的缺点之一，因为该控制系统要求与音乐同步，并能实时的表现出音乐信号的变化。另外，控制系统的能量消耗大、维修保养工作量大等缺点，从而降低了其经济性。维修困难是该系统的致命的弱点，由于使用继电器控制，而继电器的使用寿命不长，需经常更换，而且在众多继电器中找故障非度、实时性要求不是很高的场合，随着科技的进步，该型控制系统已逐渐被淘汰。单片机控制系统比继电器-接触器系统大大的控制系统，程序被固化，保密性强，可靠性较高，操作简单，并且易于维护。在诸多小型音乐喷泉控制系统中，最适合的应是单片机作为控制核心。适合于一般城市小广场和普通住宅小区的小型音乐喷泉，由于其控制要求简单，使用单片机完全可以满足要求，而且因其成本低则更易于普及，是未在大型广场音乐喷泉控制系统中，控制系统各方面性能都需要满足要求，就是在恶劣的工业环境条件下，该系统也能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。但是，如果利用单片机作为控制系统，其性能会受到相另外，该系统带负载的能力不够强，在对负载要求不高、环境比较好的场合，单片机控制系统仍有较广泛的应用。不过，随着人们生活水平的逐渐提高，越来越多的大型音乐喷泉成为了人们观赏的焦点。而PLC技术的成熟与完善，能有很强的适应工业控制环境的能力，作为利用PLC作为音乐喷泉控制器的控制系统，已经渐渐超过了透到了各行各业。而在很多的控制应用系统中，以PLC为核心的控制系统逐渐成为理1、硬件的可靠性在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特各个/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰：采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上，这样便易于2、编程简单，使用方便用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前大多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平，很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这些时间是可以忽略的。3、接线简单，通用性好PLC的接线只需将输入信号的设备(按钮、开关等)与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件(接触器、电磁阀等)与PLC输出端子连接。接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”,这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使PLC具有很高的经济效益。用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。4、可连接为控制网络系统PLC可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为500—2500m;另·类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M—10Mbps,传输距离为500—1000m,网上结点可达1024个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。5、易于安装，便于维护PLC安装简单而且功能强大，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近，并将连向已有接线端，其改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地双扭线连向CPU,这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指报告故障。对音乐喷泉的成败最重要的是看喷出的水流量是否有音乐感。PLC的主要功能是对音乐信号进行处理，再将处理后的信号传输到下一级控制设备，这样就可以控制所需的水型及灯光按照音乐的节奏高低起伏和动感变化，使音乐喷泉真正达到了水上芭蕾的艺术效果。PLC所具有的准确、精密、快速、稳定的特点和多点控制的功能已使通过对上述方案分析可知，该系统从理论上讲，可综上所述，对这三种不同形式的控制器的比较，在广场音乐喷泉控制系统中，很显然PLC作为控制器的优势比较明显、突出。因此，在此次音乐喷泉控制系统中选用(1)功能可行性分析：由于系统各主要部分所需要满足的功能步骤及要开关量信号，所以选择可编程序逻辑控制器是完全能够满足其功能要求的。(2)系统可靠性分析：系统主要靠PLC内部程序运行，从而达到实时性、准确性得到很大改善，使系统可靠性得到了进一步的保证。(3)系统扩展性分析：系统采用PLC作为控制器，其本身就具有极强的功能扩展(4)系统可维护性分析：系统采用先进控制方式，大大降低了工程成本，并由于(2)扩展模块的选择：开关量输入模块工作电压的选择；开关量输出模块输出方从与其它喷泉控制系统对比中可以看出，本次设计的控制系统中主要控制器必须满足系统的可行性、可靠性、可扩展性、可维护性等要求。而综合上述方案论证，大型广场音乐喷泉采用PLC控制系统既能很好地满足其性能要求，并能很好的实现音乐喷泉的各种功能，又经济、安全、方便实用。本文就是基于以上所介绍的PLC的诸多优点而设计的。同时，在后续的设计中将综合考虑控制系统的技术性能。第3章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外部硬件接线图硬件系统主要由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故态继电器的动作，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。音乐喷泉控制系统硬件组成部分如变频器2#变频器3#变频器4#(左)(右)图3.1音乐喷泉控制系统硬件结构图在这里，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PLC要对采样后的数字量进行分段、转换、比较才能输出到相对应的变频器，以达到因为有了它，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。在确定控制系统各环节的相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、内部辅助继电器、定时器、计数器之后，就可以对PLC进行选型，并进一步的I/O点以做扩展时使用。在对系统的控制要求进行分析后，可以大概确定系统的输入输出点数。本系统是根据音乐的旋律、音频信号的大小来控制喷泉水柱高低的，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3.1所示项目名称输入点数总点数启动按钮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、系统模拟量输入所需点数估算为了将音频信号转化成PLC能识别的数字量信号，这里需采用一个模拟量/数字量转换模块，所以模拟量输入点为1个。如表3.2所示项目名称模拟量输入点数总点数音频信号变送模块l音频信号大小输入点数：13、系统数字量输出所需点数估算系统数字量输出分为控制变频器开关量、控制灯光开关量两个部分，其中变频器有启动和调速两种控制量。如表3.3所示项目名称输入点数总点数启动变频器开关量5控制变频器运行输出总点数：24变频器速度开关量选择变频器频率水下等光控制输出7水下灯光的控制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2点，模拟量输入模块1个，数字量输出点24点，输出扩展模块1个。同时，考虑到该系统是单机系统，可选择整体式结构的PLC。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。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(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1/0点，所以有时需要数字量I/O模块、模拟量L/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1/0模块和PLC或其他的扩展模块连接在一起。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。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另外，由于在S7-200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S7-200系列CPU226晶体管输出型的PLC,其中24输入/16输出共40个数字量I/O点，并可连接7个扩展摸板单元，包括模拟量扩本系统设计采用的是西门子S7-200型CPU226的PLC,它有24输入/16输出共40个数字量I/0点，由于该系统输出点数需要24点，所以采用数字量扩展模块。S7-200系列目前可以提供三大类共9种数字量输入输出扩展模块。1、EM221,数字量输入(DI)扩展模块，具有8点DC输入，光电耦合器隔离。2、EM222,数字量输出(DO)扩展模块，有2种输出类型：8点DC24V输出；8点继电器输出型。3、EM223,数字量混合输入/输出(DI/DO)扩展模块，有6种输出类型：DC24V输入4点/输出4点：DC24V输入4点/继电器输出4点：DC24V输DC24V输入8点/继电器输出8点；DC24V输入16点/输出16点；DC24V输入16点/继电器输出16点。由上述所需扩展输出点数可知，此系统采用数字量输出扩展模块EM222,8点DC24V输出型。3.3.2.3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。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10~100us,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。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：0～10V,0～5V,±2.5V,±5V。(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0～20mA。(2)数据字格式：电压-32000～+32000,电流0～+32000。(3)分辨率：电压12位，电流11位。(1)模拟量输入4路，模拟量输出1路。(2)差分输入，电压：0～10V,0～5V,0～1V,0～500m,±10V,±5V,±2.5V,±1V电流：0～20mA。(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。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3.4和表3.5所示。1、数字量输入部分：如表3.4所示信号名称外部元件输入地址启动按钒1启动停止按钮1停止2、模拟量输入部分：如表3.5所示模拟量输入地址分配表信号名称外部元件输入寄存器A/D转换数字量EM231模块3、数字量输出部分：如表3.6所示表3.6数字量输出地址分配表信号名称外部元件输出地址启动变频器1”(正转)STF工作继电器变频器1低速RL工作继电器变频器1*中速RM工作继电器变频器1*高速RH工作继电器启动变频器2*(正转)STF工作继电器变频器2*低速RL工作继电器变频器2中速RM工作继电器变频器2"高速RH工作继电器启动变频器3*(正转)STF工作继电器变频器3*低速RL工作继电器变频器3*中速RM工作继电器变频器3*高速RH工作继电器启动变频器4*(正转)STF工作继电器变频器4低速RL工作继电器变频器4中速RM工作继电器变频器4高速RH工作继电器第1组潜水灯第2组潜水灯第3组潜水灯第4组潜水灯第5组潜水灯第6组潜水灯第7组潜水灯主电路电源接触器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3.4所示。◎主回路端子O控制回路输入端子电源外部晶体管公共端直流24V电源接点输入公共(源型)变频器正转启动PSTF反转启动STR接点输入公共*SD'*4控制回路输入信号(不允许输入电压)频率设定信号(模拟)频率设定器频率设定器3-电流输入(-)电流输入(-)控制回路输出端工接地(FR-BEL:选件)++卸去此短路片。RUN●运行●集电极开路输出公共端运行状态输出集电极5接地接地电阻10062以下接地线尺寸：2mm³图3.4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3.5多段调速设定表低速RL1速2速3速5速6速7速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)。本设计中采用的是QS20-20/2-0.5型喷泉专用泉，该泵如下特点：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。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。结构特点：该电机为白循环充水式冷却：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；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。配用电动机额定功率一水泵级数(单位不标注)一额定流量(m³/h)—充水式小型潜水电泵为提高负载能力，驱动更多更大灯组负载，在可编程序控制器输出端外接无触点固态继电器，以增大驱动能力，并与强功率电路电气隔离(光隔离),提高抗干扰性能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编排程序，与对应7组表数据输出同步变化。由于本设计主要考虑的是喷泉的控制系统，具体水泵、灯光等器件将如何选择、编排、布置问题，在此不作详细介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。在整个PLC外部硬件连接图中，包括数字量、模拟量的输入接线和数字量输出接1、数字量输入数字量输入点有两个分别为10.0和I0.1,其中10.0为启动按钮，当按下10.0系统会停止所有程序的扫描，并能控制到此时无输出，而且同另外，当外部水泵电源线路中过载热继电器保护装置FR出现动作时，也同样可以模拟量输入通过PLC的扩展插口直接利用数据线连接，不需要另外占用端子排上的端口。因为音频信号的直接来源于CD、VCD、DVD等设备，而不是通过功放将音频信号功率大后再输入转换模块的，所以，当音频信号以电流0~20mA的形式时，可直接接入模拟量转换模块EM231,通过编制程序可直接从模拟量转换EM231中的变量数字量输出包括：变频器和潜水灯两部分。由于采用的是西门子S7-200系列Q0.0~Q1.7分别分成8个一组接至相应的4组变频器控制端子，其中STF为启动变频器正转端，高速RH端、中速RM端以及低速RL端为组合调速端，通过三个端子可组合成为7速调节，从而使得潜水泵的速度变化也会相应的跟着有所改变。态继电器的通断，将改变7组灯光的变化组合，其中Q2.7输出控制主电路电源通断。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，对应的输出到潜水控制系统主电路图如图3.5所示。L1L2||L3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。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Y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AlW0中的值，将所读值存到累加器AC0中，用ACO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。NYYNYNYNYN3、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。4、图4.3是所示为变频器选择流程图在主程序部分，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中所存余数等丁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。子程序开始选择变频器0变频器1#1表1数据输出2变频器3#表1数据输出3表1数据输出将表VW20中的NYQ0.1输出第1速将表VW20中的NY20.1输出第1速将表VW20中的NYQ0.1输出第1速NYQ0.1输出第1速图4.4子程序0流程图5、图4.4所示为子程序0的流程图，该图表示每一组数据有对应输出到4个变频器上的可能，本设计将其考虑进去了。如：假设四次采样都是对应第1组数据输出，那么第一次的应该输出到变频器1#,第2次的应该输出到变频器2#,依次类推即可。PLC的位操作指令主要实现逻辑控制和顺序控制，传统的继电器-接触器控制系统(1)基本逻辑指令a)装载指令LD(Load),LDN(Loadb)触点串联指令A(And),AN(Andc)触点并联指令0(Or),ON(OrNot)与线圈驱动指令=(Out)Not)d)置位/复杂位指令S(Set)/R(Reset)(2)定时器指令：接通延时定时器指令TON(On-DelayTimer)(3)计数器指令：递增计数器指令CTU(CounterUp)(4)比较指令：整数比较指令运算指令包括算术运算指令和逻辑运算指令。算术运算包括加法、减法、乘法、除法及一些常用的数学函数；在算术运算中，数据类型为整型INT,双整型DINT和实数REAL。逻辑运算包括逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑异或，以及数据比较，数据类型为字节型BYTE,字型WORD,双字型DWORD。(1)加法指令：整数加法指令+1(2)除法指令：完全整数除法指令DIV(1)填表指令ATT(AddToTable)(2)表中取数指令：先进先出指令FIFO(FirstInputFirstOutput)5、转换指令：字节与整数转换指令BTI(ByteToInteger)PLC控制系统梯形图分为两个主要部分：主程序和子程序。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。从左至右填入表格相应数据存储单元表1121211表2221221表3233233234243表5345535表6456564表7575537选择变频器，通过加法指令将C0+3存入寄存器VW200中(CO=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，当等丁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AIWO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#OFFF分成7段比较，当ACO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。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4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若要修改程序，先将PLC设定在PROG状态下，运行STEP_7-MicroWIN_V4_SP3软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。随着我国国力的不断增强，