基于西门子PLC的声控喷泉系统设计

摘要根据中国传统人工喷泉系统的特点死板设计,为了是喷泉效果更好,本文中使用了PLC控制器,通过采用随意调整控制程序以及设定相应参数的方法,可以按照实际需求更改传统人造喷泉的喷水花样以及规则,既节省了人力、物力等资源,也表现出了智能科技化。本次毕业设计先对人造喷泉的发展现状和本文主要研究内容进行简要概述，随后对本文中所研究的声控喷泉进行总体方案确定，再其次，根据以确定的声控喷泉控制系统总体方案，完成了详细的硬件控制系统设计，在对可编程PLC控制技术、脉宽调制控制技术的应用和发展趋势作了简要介绍的基础上，初步确定西门子PLC的选型，步进电机的选型和其他配套电气元器件的选型等内容，并根据所选硬件完成电气控制系统的初步搭建；再其次，利用上述所设计的硬件控制系统，结合西门子S7-1200PLC控制器的逻辑控制思路以及变频器参数设置方法，对本课题所研究的声控喷泉的控制系统进行相应的软件程序设计，设计相应的梯形图程序，为后续系统控制程序的调试工作奠定了基础。

关键词：声控喷泉；西门子PLC；变频器；梯形图语言；逻辑控制AbstractAccordingtothecharacteristicsofthetraditionalChineseartificialfountainsystemrigiddesign,inordertoachievecaneasilychangethefunctionofsprinklerformandinjectionrules,thisarticleusedthePLCcontroller,throughtherandomadjustmentcontrolproceduresandsetcorrespondingparameters,canchangethetraditionalartificialfountainsprinklerpatternandrulesaccordingtotheactualneeds,bothsavehumanandmaterialresources,alsoshowstheintelligentscienceandtechnology.Thegraduationdesignfirstbrieflysummarizesthedevelopmentsituationofartificialfountainandthemainresearchcontentofthisarticle,Theoverallschemewassubsequentlydeterminedforthesound-controlledfountaininvestigatedinthispaper,Secondly,Accordingtotheoverallschemeofthesoundcontrolfountaincontrolsystemtodetermine,Adetailedhardwarecontrolsystemdesignwascompleted,PreliminarydeterminetheselectionofSiemensPLC,Selectionofstepmotorandselectionofothersupportingelectricalcomponents,Andtocompletethepreliminaryconstructionoftheelectricalcontrolsystemaccordingtotheselectedhardware;Secondly,Usingthehardwarecontrolsystemdesignedabove,CombinedwiththelogiccontrolideaofSiemensS7-1200PLCcontrollerandthefrequencyconverterparametersettingmethod,Thesoftwareprogrammingofthesoundcontrolfountainstudiedinthisproject,Designthecorrespondingtrapezoidalchartprocedures,Itlaysthefoundationforthesubsequentcommissioningofthesystemcontrolprocedures.Keywords:soundcontrolfountain;SiemensPLC;frequencyconverter;trapezoidaldiagramlanguage;logiccontrol目录TOC\o"1-2"\h\u12690摘要 117597Abstract 22440第一章绪论 1220651.1选题的背景 174951.2课题的研究意义 115981.3课题研究现状和发展 1981.4本文主要研究内容 125550第二章声控喷泉总体设计方案的确定 1125912.1任务及功能分析 1231862.2控制系统的选择 11352.3喷泉外观的设计 1256612.4控制系统总体方案 1175462.5解决系统时间滞后硬件的方案选择 173642.6喷泉的管网设计 157352.7元件的选型及论证 165232.8本章小结 17031第三章声控喷泉硬件控制系统设计 187773.1控制系统的硬件结构设计 172183.2控制系统电路设计 195443.3乐曲信号的采集 1327083.4步进电机选型 1165183.5步进电机与流量阀的连接设计 1146673.6流量阀的概述 1232453.6其他电气元件的选择 1235571、电源 1193472、灯泡 1302023.7本章小结 121378第四章软件系统设计 132994.1软件系统总体方案 1292474.2编程语言和编程软件 1141774.3部分梯形图程序设计 1192794.4HMI模拟画面仿真 1237354.5本章小结 16996第五章总结 114257参考文献 12034谢辞 1第一章绪论1.1选题的背景为了满足喷泉市场越来越丰富的需求，并且安全可靠，各种喷泉相相问世，并逐渐向微型化和盈利性的趋势发展。音响喷泉的系统控制变得尤其敏锐，如MCU、PLC、DSP等，都运用在音乐喷泉中。当然，它们也有长处和弱点。本文旨在旅游景点设置的一种小型“音乐喷泉”。采取PLC作为音乐喷泉控制体系规划的控制核心，主要实现PLC的回放，负责多个步进电机的正反转动作和水泵的行动，解决系统信号与水柱不同步的麻烦。[1]1.2课题的研究意义音乐喷泉是通过各个部分的程序来结合实现的，机、泵、管、阀门、喷头、控制器、电磁阀、继电器等的合理选配，直接影响整体效果，特别是声控喷泉的控制系统设计，不仅要能实现精准控制，使喷泉整体显得更智能化，而且还要满足高可靠性、高稳定性、高寿命、高安全性等方面的性能要求，因此设计一款智能化的声控喷泉控制系统己经成为当下喷泉工程企业急需解决的问题。[3]设计一款低成本、高性能的声控喷泉控制系统，不仅能使现代喷泉的控制更加智能化、精准化，既节约使用成本，又符合绿色环保可持续发展的理念；而且还能提升人们对使用声控喷泉场合的直观科技感和体验感，使人们生活幸福感得以一定程度地提高。对于国内外各类喷泉设备公司、景观工程公司等而言，设计一款自动化程度高的高性价比声控喷泉控制系统可以为他们带来一定的经济效益和社会效益。1.3课题研究现状和发展1、喷泉的国内外研究现状喷泉作为一种建筑艺术的体现和人造景观的智慧结晶，在国内外有着悠久的历史。现代喷泉工程涉及流体力学、液压控制、灯光技术、音乐编舞、环境艺术设计等多个学科。因此，可以说现代喷泉是一项集多学科、多领域于一体的系统工程。[5]在海外,喷泉问世于初期的欧洲城市。1930年,意大利人伯特皮特乔(OttoPitejo)初次明确提出喷泉与日常生活紧密结合的念头,并设计方案了中小型音乐喷泉设备适用于酒店餐厅和大型商场,接着慢慢发展壮大为进口替代和多元化。接着的几十年里,音乐喷泉的发展趋势更为多种多样,1952年夏季在西柏林工业生产展会上解开了一个那时候更专业的音乐喷泉的造型艺术面具,吃惊了全球,以后一位纽约市摄像师将其引入纽约市的广播节目歌曲服务厅,此后,音乐喷泉在全球范畴内获得应用推广。[6]

在中国,伴随着在我国改革制度的持续执行,上世纪80时代中后期,在我国还引入并设计制作修建了一批音乐喷泉,对净化环境，活跃性老百姓文化活动具有了不错的功效。现阶段中国音乐喷泉企业有数家,这些企业都是在充足发扬水文化,将河水，喷泉水景观设计融声，光，水，3d于一体,打造大量，升级，更强的自然景观,这种企业在国内各地承揽了各种各样大中型歌曲喷泉，程控喷泉，从建筑工程设计到生产制造，安装，调节,给予一整套健全的保障体系。2、喷泉控制系统的研究现状对于音乐喷泉而言，为了实现音乐喷泉随音乐律动变化水柱高低的要求，控制系统设计非常关键。如声控喷泉，就是通过控制系统部分来完成任务；否则,喷泉的造型只能以默认固定的方式运行，缺乏灵活性。国内外学者、喷泉生产设计机构等在喷泉控制系统的研究中，经常采用的核心控制器有：DSP、单片机控制以及PLC控制等等，DSP技术源自欧洲，是最初始的喷泉控制技术，当控制电路设计好之后，无法随意更改喷水的花样和喷水发射的时间。单片机是一种微型控制器，其具备成本低、体积小、编程方便等特点，因此其往往被用于各类嵌入式系统的开发中去，但由于其使用时需配套大量外围电路，导致系统整体可靠性较低，故其在声控喷泉操纵系统中的应用并不多见。PLC是一种小型计算机，其一般分为硬件系统和软件系统，硬件系统主要由CPU、存储器、输入输出、电源、拓充单元和其余外围设备组成，这些模块彼此之间的通信可通过总线技术来实现[6]。由于PLC的体积较小，可根据需要灵活自主搭配各I/O拓展模块，因而若将其应用于声控喷泉的控制系统中，在不改变系统硬件的情况下，通过控制PLC程序改变，实现喷泉喷水效果的改变，依靠着PLC的这种灵活性，在很多商场甚至是娱乐场所中的喷泉大多使用PLC作为其核心控制器。除此以外，PLC的喷泉系统还包括了自我诊疗功能，该功能可以提升整个系统实现对所发生的问题及时做出相应的判断，从而使系统检修时间缩短，大大提高控制系统的稳定性以及可靠性。综合国内外在声控喷泉控制系统中的研究现状，归纳得出常见的声控喷泉控制技术主要有以下三种[7]：(1)完全编程。通过提前编写程序来让所控制部件按照要求运行，包括喷泉水的类型和灯光的变换都是事先设计好的。它的优点是简单、易于实现。缺点是控制效果单调，对于采集到的声音信号只有预先设计好的控制效果，而当添加新的语音控制方式时，如果原有的控制程序不能得到理想的控制效果，必须修改程序才能进行，费时费力。(2)即时音频控制方法。声音操纵方法是依据声音数据信号实时处理喷泉实际效果的一种方式。与程控方法对比,当接受到新的声音数据信号时,不用更改原来的管理程序,操纵实际效果可以非常好地融洽。但因为需要实时传送信息，所以对传感器控制要求非常高,即时可操控性无法得到合理确保,还因程序处理时间滞后，所以容易造成洒水装置与程序处理时间不匹配。(3)预编程控制模式。在充分理解每个声音的情感和意境的基础上，设计相应的控制效果。系统的两部分相互独立，解决了上述声控方式中的水型滞后问题。但在系统中加入新的语音控制方式时，用户需要在控制系统中进行补充设计，不利于音库的扩展，语音控制效果受到一定限制。3、发展趋势现阶段，使用微型计算机来控制喷泉已经成为必然的趋势。未来，随着计算机技术、电子技术、通信技术等高科技的发展，自动识别声音信号、水型智能化的声控音乐喷泉将是未来的主流发展方向之一[8]。并且，在公园、商场以及居民建筑中，各种不同规模、不同功能的声控喷泉也会越来越多，多功能的、高智能化的、高可靠性的、低成本的自动化声控喷泉也会越来越受到市场的欢迎。1.4本文主要研究内容音乐喷泉的设计原理是:依据声音分贝来控制喷泉水柱的高低变化和粗细,为了更好地让水柱的高度和尺寸的花瓣样式的变动和乐曲的节奏感同歩转变,流水由步进电机推动控制的流量阀调整,该电机为三相步进电机电机。因而，只需控制好步进电机的转速比，就会有很有可能控制管路中的总流量。步进电机联接开关电源时，转速比不会改变;运用PLC控制电机转速比时，可灵便更改管路内的总流量，使喷泉运作时花型图案转变更为灵便。伴随着歌曲喷泉的应用更加普遍，牵涉到愈来愈多的控制方式，如PLC，上位机软件，触摸显示屏等，因而喷泉的控制包含了智能化的所有课程，品牌形象形象化。

尽管喷泉的类型多种多样，如城市广场喷泉，旅游景点喷泉，旱泉，跑泉，激光器喷泉，层.流喷泉，趣味性喷泉，水幕电影这些，这种喷泉洒水时的花型都具备形态各异的实际效果，但都是一个相同的特性：即产生水形的基本上信道全是由水泵，管路，闸阀和打印机喷头构成。因而，歌曲喷泉工程项目中毫无疑问也会安装很多的电磁阀门，花灯，水泵和造成其他机械设备姿势的电机。为了更好地做到听觉系统，视觉效果的融洽统一，控制系统软件应能依据歌曲的节奏感，节奏和情感颜色输出，造成各种各样不一样的情况组成来控制水形和灯光效果即时转变，这也是音乐喷泉广场的控制有别于工业生产控制的主要特点。

不一样的水形有不一样的控制方式。从音乐喷泉控制的视角看来，大部分可以分成四类:第一类是水形，运行水泵立即给管路和喷头充压，实际效果是喷头的水柱在停启时有一个衔接提高全过程；在第二种水型中，必须根据变频调速器控制水泵的转速比，做到水柱的持续提高实际效果；第三种水型，充压洒水时，运行驱动电机控制打印机喷头晃动，完成花形转变；第四种水型在立即运行水泵给管路充压后，必须根据控制器迅速控制很多真空电磁阀的打开和关掉，使打印机喷头可以两种方法喷涌，进而产生说白了的跑泉运作和水柱弹跳实际效果。

根据以上剖析，本课题研究将与此同时选用第三种水形和第四种水形，即控制系统软件须控制伺服电机的姿势，完成对阀的控制，让音乐喷泉在操作时，可以见到水柱的持续升降机和花型图案的尺寸转变实际效果。再添加真空电磁阀，通过程序控制相对应的真空电磁阀启闭情况，就可以获得不一样的花形。因为牵涉到水泵，真空电磁阀，喷头的挑选，故需开展音乐喷泉造型设计系统软件的管道网开展设计方案测算（流量计算，损害测算等），这将做为水泵，真空电磁阀，喷头挑选的根据；与此同时要开展控制系统设计方案（硬件开发和软件开发），是为了更好地完成PLC的操纵，花型变化，及其歌曲数据信号和花型的不对称性解决。声控喷泉总体设计方案的确定本章节需要进行研究的内容是根据上一章的工作计划，主要进行声控喷泉控制系统任务及功能分析，列出控制系统方案进行比较，确定元件的选型及论证。2.1任务及功能分析鉴于声控喷泉的目前发展情况，结合资料的查询，本文主要设计一种基于PLC的小型声控喷泉控制系统。于是对该声控喷泉控制系统进行总体结构的分析，实现硬件方面以及程序编程方面的设计，简单介绍本文所选用的元件，通过模块实现各部分的功能，并制作相应的总体示意图。通过以PLC为核心的声控制喷泉的设计，实现了声音的采集、乐曲的播放、步进电机的自动控制以及灯光的控制。最后达到一定的稳定性、充分体现高性价比的原则，并且使用便利、结构简单、实现了智能化的声控喷泉，满足现代都市人们的需求。2.2控制系统的选择在音乐喷泉控制系统中，采用单片机设计操纵基本原理，以晶闸管做为输出功率电子开关，因为晶闸管承担过压，过电流量的工作能力较弱，因此不可以长期运作。但采用PLC能合理的处理这一难题，与此同时PLC具备较强的自确诊作用，快速便捷的查验常见故障，减少维修时间，因此，保证控制系统的稳定性，可靠性。但成本费较高。相较为下挑选以PLC做为控制板。2.3喷泉外观的设计因为本喷泉为室内景观喷泉，需要放置在室内空旷的地方，所以选择如图2-1所示作为本喷泉设计方案。根据人的双眼视觉范围（垂直视角在30度,水平视角在45度）,确定喷泉的高度与宽度，以达到最佳的观景效果。[9]1—花柱喷2、3、4、5—树冰喷头6、7、8、9—万向直流喷头图2-1喷泉平面造型2.3.1水泵与喷头的安装水泵安装计划方案：本计划方案采用十字形供电方法，将水泵设定在喷池中间，一样是因为让流水快速流至每一个喷头，自然还可以采用在外侧或内孔安装水泵，用一短接管将内外几圈的自来水管相互连接，就可以向每个喷头供电了，可是这类方法使间距水泵很远的喷头的水流高度变化会落后于间距水泵较近的同特性的洒水高度变化，造成的滞后效应较十字形供电方法的滞后效应大。设定了九个不同花形喷头，分内外几圈布局，在蓄水池的核心还设定了一个花柱喷头，喷泉造型设计如图所示2.1所显示。与此同时欣赏效果非常的好，可供从全方位看到一样的样式，这样的结构在喷泉效果的展出是个不错的选择。

2.3.2喷泉高度宽度计算依照人的双眼视觉范围（垂直视角在30度,水平视角在45度）,确定喷泉的高度与宽度.D1=cot式中D1—合适视距H—景物高h—人眼高根据音乐喷泉工作场合使用特点，故选用平行状态下可观察的视角为距离地面2.5m左右较为贴切，由式（2.1）可得喷水池的宽度为W=D2因为中小型喷泉的竖直适合视距约为洒水高的3倍,喷泉景色适合的视距约为景色总宽的1.2倍,因而喷泉的洒水高度按较大为3m高的水流开展设计方案,总宽也按3m开展设计方案。2.4控制系统总体方案该声控喷泉的控制系统主要由可编程控制器PLC和步进电机构成，控制系统设计宗旨是：通过外界声音的振幅来实现对所研究的喷泉的9个喷头出水量的精准控制。声音分为两路，一个通过功放传输给外部连接的喇叭，一路由PLC经过数模转换、脉宽调制发送给步进驱动器，有驱动器通过步进电机控制流量阀的压力大小。通过阀的开度改变水流大小，以达到喷泉喷水的变化。这样就可以通过改变程序来指挥喷泉做出各种动作。[10]2.5解决系统时间滞后硬件的方案选择由于PLC需要花费一些时间来收集和进行数据的处理，并且还需要一定的时间来完成水泵抽水的工作。出具两种方案。方案一：由于也有延时性，故计算出双方运行所差距具体时间通过提前运行来完成声音与程序相匹配。方案二：设计一个延时程序，首先对系统进行一个简单的分析，设计延时参数，达到可以使乐曲和水柱同步变化的结果。乐曲元素的提前处理通常用在工业计算机和具有强大数字处理功能的其他控制系统中，如果单单使用简单微控制器进行控制，一般是不能达到先前预定的目标。因此，采用延时参数的方法可以有效控制乐曲的延迟。该解决方案简单易懂。故选择方案二。2.6喷泉的管网设计根据本文2.3.2计算所得想要达到预定的高度需要对喷头及管网进行选择。2.6.1喷泉喷头选择1、水平射程和喷水高度影响喷头水平射程的要素很多，但主要因数是工作压力，喷嘴半径和喷射弧度,射流曲线轨迹几个主要参数见图2-2。图2-2倾斜射流曲线轨迹图中：L1—射流上升部分的水平投影（m）L2—射流下降部分的水平投影（m）R—水平射程（m）h—射流高度（m）α—倾斜射流的仰角（度）2、流量计算表2.1各喷头的型号喷头的流量可按下列公式计算：[1]式（2.27）式中—喷头的流量喷头的流量系数—喷嘴的过水面积g—重力加速度由此可计算出主管道总流量为：Q总=通过上面计算最终选择WX-117喷头4个，HZ-112喷头1个，SB-219喷头4个。如表2.1所示2.6.2配水管网的选择配水管网的运算主要是明确管径和水头损失。由水力学公式得知将其代入上式，移项得：式（2.36）式中D—管径Q—流量 A—水管的过水断面积（通流面积）π—圆周率V—流速查标准管道直径系列无48mm的管径，因此需对其进行修正，查标准管径系列取D=50mm.2.7元件的选型及论证2.7.1PLC的选型现阶段每个厂家生产的PLC其知名品牌，规格型号，作用不尽相同。在中国较为知名的国际品牌一般有日本的三菱，康佳，omron及其德国的西门子PLC等,在型号挑选上依据自身所了解的PLC编程手机软件为参照在本设计方案中我选用德国的西门子PLC中小型PLC商品S7-1200型号为标准。S7-1200PLC它适用各个领域,各种各样中小型场所中的自动识别，监管与在操纵,具备极性能卓越，价格对比。博图软件在研发的历程之中非常容易改动程序流程,大大减少了系统软件的研发时间。由于1212CCPU自身的I/O输出点不足，所以增加了一块SM1223的数字量输出模块。这样就完全满足了本控制系统的控制要求。2.7.2水泵及电机的选择潜水泵因为是彻底放于水里工作的，自身转动时所产生的热量也都由水体本身进行了冷却，并且不接触空气所以不怕发生生锈的情况,因此不容易造成过高的温度,效能较高,既降低了机械设备损害又减小了阻力。查JB/T8092-1996规范[8]挑选潜水泵的型号列于表2.5。表2.5潜水泵的主要技术参数表2.8本章小结本章主要对喷泉整体方案进行了确定，列出了两种选择进行比较。最后确定了喷泉外观布局、相关元件，为下文坐下铺垫。声控喷泉硬件控制系统设计本章节的主要内容是完成电路原理设计，先通过介绍各个元件以及设计各部分电路，并做对应的电路分析，从而完成整个喷泉控制系统的电路设计。3.1控制系统的硬件结构设计歌曲喷泉自动控制系统具备基准点数大,实用性规定高的特性。依据其特性,其硬件配置选用PLC模拟量输入键入plc模块伺服电机真空电磁阀构成。这类构成可以有效的达到音乐喷泉控制的规定。还具备硬件配置和配件节约项目投资,便于调节和保护的优势。音乐喷泉控制系统软件的硬件配置构造框架图如图所示3-1所显示。图3-1声控喷泉硬件控制系统结构框图3.2控制系统电路设计3.2.1S7-1200PLC概述S7-1200PLC它适用各个领域,各种各样中小型场所中的自动识别，监管与在控制,具备极性能卓越/价格对比。S7-1200的快速输出可以用以步进电机或交流伺服电机的速度和部位控制。根据一个轴加工工艺目标和PLCopen健身运动控制命令,他们可以输出脉冲宽度调制信号来控制步进电机速度，阀部位或加温部件的pwm占空比。除开回到起点和启动作用之外,还适用肯定部位控制，相对位置控制和速度控制。轴加工工艺目标有专用型的组态软件对话框，调节对话框和确诊对话框。博图软件在研发的历程之中非常容易改动程序流程,大大减少了系统软件的研发时间。3.2.2PLCI/O分配本喷泉的核心软件控制系统主要控制了三个步进电机和一个潜水泵，接收外部传感器所输入的传感器信号。具体输入输出接口如图3-2。图3-2程序设计IO分配表3.2.3PLC电气原理图设计本文所设计的声控喷泉的控制系统拟选用CPU1212CDC/DC/DC型的S7-1200PLC，外接SM1223DC/RLY型的数字量扩展模块，其外部接线图如图3.3所示[12]，其中，L+与M分别接24VDC电源。图3.3S7-1200PLC的外部接线图3.3乐曲信号的采集

这一部分是音乐喷泉的关键技术。控制音乐喷泉的外界声频信号有多种多样来源于,在其中之一是来源于音箱系统的音频输出。该信号还需要通过转换电源电路变大，过滤，限制振幅和检验波形,更改成与歌曲分贝百分比所挂勾的包括检波信号送至数据采集中控中心。所检测数据幅度值为0-10V。控制出水的高度也有许多办法，通过本文所选需求，故选用简单类型。最简单的方法是将数据采集中控中心所得数据通过更改驱动装置来实现控制水泵的转速，使所喷出来的水花随着声音大小而实现水泵喷出的相应变化。通过外部声源实现水型随变方案，根据对所接受到的音乐分贝高度检测进行处理分析，给出既定值的判断依据和相应的阈值。通过科技进步发展，计算机处理问题的方法方式速度趋于成熟化，当满足了音质要求之后，将音乐的音波输入计算机控制中心，能时实时检测变频音乐的形态变化，来实现通过音乐分贝调整音乐喷泉高度的要求，同时控制喷泉的运行。3.4步进电机选型3.4.1步进电机原理及其控制步进电机是通过将接收到的脉冲量变为相应的角度偏差或线性移动的电机。通过改变其芯片所控制的驱动输出的脉冲的数量来对步进电机的转动大小调节，改变控制器的脉冲输出周期而变化输出的速度，完成调整速度的目的。被广泛用在不需要反馈信息的场合[14]。3.4.2步进电机的选型考虑到音乐喷泉需要实现分别控制同时进行的处理要求，故选用步进电机，因其没有累计误差的特点，可以非常契合音乐喷泉控制要求，通过PLC程序控制，对步进电机发送脉冲信号不同的频率，可以实现根声音强度调节水流高度的要求。对于所需电流大小，考虑到音乐喷泉控制阀所需功率，系统正常工作不需要太大的电流，为了节能环保和防止电流过大引起的烧毁，故选用中小型三相步进电机。[15]通过查阅资料，kinco3S57Q-04056型号三相步进电机是可以符合本次声控喷泉的设计要求的。3.4.3步进驱动器的选择步进电机的驱动相当于一种次核心软件,在从主要内核软件控制器处接收到命令信号之后,就完成了与命令有关的各种运算来实现对步进电机的控制,使步进电机能够根据命令去实现工作任务。由于驱动器与步进电机二者之间存在着控制与被控制之间的相互关联,因此二者工作的完成需要产品厂家和型号做好一样。依照驱动器相关的技术要求来看，驱动器的分类还要考虑输出的脉冲的频度和步进电机的方向[16]。此外，为了提高对步进电机的操纵标准，选择附带细分功能的驱动器。综合以上情况，最终挑选步科3M458型号的步进电机驱动器。步进驱动器参数如表3.1所示。表3.1步进驱动器参数3.4.4步进驱动器外部电路设计驱动器为PLC给出的脉冲宽度调整好的信息开操控电机的动作，用不同的频率改变电机的转动角度。步进驱动器的输出频率控制，是通过在其模拟量输入端口PLS+方向输入端口DIR+加模拟电压来控制驱动器的输出频率。控制电路连接见图3-4所示。图3-4步进驱动器的主电路及控制电路3.5步进电机与流量阀的连接设计PLC发送的脉冲标号列表经过驱动放大电路指挥电机的运行。PLC发送的脉冲标号列表经过驱动放大电路,指示电机的正常工作。PLC每产生一次信号,步进电机就会向前运动一定的距离或后退。通过调节信号的频率变化步进电机的大小,并通过与滚珠丝杠所连接的机构,推动阀心水平移动以改变阀门的开启程度。[17]步进电机联动控制螺杆转动,把相对的角度通过比例变为直线距离。系统中恒压调速流量阀与步进电机连接的结构示意图如图3-5所示。在建立该环节时，假设消除所有的不良因素。图中m为流量阀阀芯的质量;θ0(t)为电机轴的转角输入,流量阀芯的位移X0(t)为输出。图3-5流量阀与步进电机的连接结构3.6流量阀的概述液压阀是由阀体阀芯和通过驱动阀芯在阀内做相对运动的控制装置。根据阀芯形状，分为球阀、滑阀，锥阀。阀体除有与阀芯大小相匹配的阀体孔或阀座孔以外,尚有外燃管的进油口、出油嘴和放油嘴的滑舌;;而驱动阀芯在阀体内作相对运动的机械装置可能是多种多样的,在特定情形下,也可能是以液压驱动。液压阀原理上是利用阀芯在阀体内的相对运动来控制阀口的打开与关闭,从而实现对压力、流量和方向的操纵。3.6其他电气元件的选择1、电源由于本设计中S7-1200PLC、步进驱动器的供电电压一般是24V的直流电源，而水泵的供电电压均是380V交流电，故本设计中电源仍然采用380V交流电，使用开关电源把380V的交流电变为可以让控制器可工作的直流24V电。本设计选用明伟品牌S-120-24型号的开关电源，实物如图3-6所示。图3-6S-120-24开关电源实物图2、灯泡灯泡选用型号为合丰LED水底七彩灯，其实物如图3-7所示。当系统运行时，灯光会自动开启运行。图3-7合丰LED水底七彩灯实物图3.7本章小结本章对主要部件进行了选择和连接，并对它们的运行方式进行概述。完成整体电气原理图，为下面的程序撰写打好了基础。第四章软件系统设计4.1软件系统总体方案在硬件系统搭建好之后，就需要软件来支撑整个系统的运行。用程序来优化调整整个方案的成型，让它成为一个拥有大脑的完整成果。整个工程根据实用性要求的出发点，设计了俩个支路，一个为声控方案，一个是程控方法运行。其系统软件架构图如图4-1所示。图4-1控制系统软件流程图4.2编程语言和编程软件本系统的软件设计采用了现在PLC比较通用的机器语言——梯形图语言，TIA博途软件是西门子公司自主研发的一个专门解决现阶段集成领域集程序编写画面模拟等为一体的专门解决方案[13]。本设计中借助TIA15博途软件，可以能够快速、直观地设计和进行后期的修改喷泉的控制系统，该款软件界面如图4-2所示。图4-2TIA12博途软件界面图4.3部分梯形图程序设计1、主程序。主程序是PLC开机程序，是一个选择性程序，二者只能选一，要么是音乐控制的喷泉，要么是固定方式运行的喷泉，同时启动水泵的供能。程序梯形图如图4-3所示。图4-3开机程序梯形图语言2、声音控制程序。声音控制喷泉的程序相对复杂，声控模式中，系统根据采集的音频信号，实时调节步进驱动器的频率，从而使喷泉柱随音乐的起伏而高低变化。如图4-4启动步进电机与PLC所组态的工艺对象，如图4-5声控模式调节步进驱动器频率程序。图4-4启动步进电机轴图4.5音控模式调节步进频率3、喷泉固定运行程序。由PLC的另一套程序控制。如图4-6模拟高度给定程序、4-7程控跑泉模式程序、4-8延时程序为程控喷泉运行方式。图4-6模拟高度给定程序图4-7程控模式程序图4-8延时程序4、传感器信号模拟量给定程序。通过传感器接收的外部功放音频的分贝如图4-9传感器信号模拟量给定程序。图4-9传感器信号模拟量给定程序4.4HMI模拟画面仿真因为实物产品现阶段难以实现，所以对喷泉的运行状态进行仿真。以验证喷泉程序的可操作性如下图4-10。图4-10HMI模拟画面4.5本章小结本章完成了喷泉的整体流程图，对编程所用到的开发软件进行了简单的介绍，对声控喷泉的程序编写，实时的对出现的问题进行调试、更改。第五章总结人造喷泉的设计涵盖的专业非常广泛，包括声音音频和振幅的分析、水力、电气、通讯和自动控制等技术。通过对PLC、电路设计、程序设计等学识的归纳使用。本文较为细致地研究了声控喷泉的实施过程及其控制方法。本次毕业设计先对人造喷泉的发展现状和本文主要研究内容进行简要概述，随后对本文中所研究的声控喷泉进行总体方案确定，再其次，根据预先想好的最优方案，对喷泉外部各个