plc控制音乐喷泉毕业设计(编辑修改稿)

plc控制音乐喷泉毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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图。 18 图 音乐喷泉控制系统硬件结构图 系统的控制过程 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检到的信号以电平、脉冲或数字形式送至 PLC的电路。 在此控制系统中，利用 A/D模块 对音乐信号的采样， 根据控制精度的需要 ,人耳的听觉 ,音乐信号的特点。 由于人耳听到的是广场上播放乐曲的声音 ,而人眼看到的是喷头的水流量 ,声音强度与水流量并不是线性关 系。 而与潜水泵的速度成线性关系 ,阀门喷出的水流量高度与潜水泵的旋转速度变化成比例 ,潜水泵的旋转速度又与给变频器所设定的频率以及频率变化速度成比例。 声音强度与采样过来转换后的数字量成比例 ,所以 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，以达到控制水泵旋转速度。 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否，因而已达到了音乐喷泉的最基本要求。 ….. ….. 电脑播放器 可编程序控制器 外部音箱 （左） 变频器 1 SSR 变频器 2 变频器 4 变频器 3 SSR SSR M M M M 外部音箱 （右） DC5V 调速端 DC5V DC5V 调速端 调速端 调速端 四组潜水泵 七组水下灯 功率放大器 A/D 19 PLC 的选型 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， 哪些信号需要输入至 PLC， PLC需要驱动哪些负载 ,以及采用何种编程方式，都会影响到其内部 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互关系之后，就可以进行分配输入输出设备。 因此， I/O点数的确定，是设计整个 PLC音乐喷泉控制系统首先需要解决的问题，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，并进一步进行输入 /输出量的确定。 PLC控制系统 I/O口的估算 本设计是音乐喷泉 PLC控制系统的设计 ,根据 PLC 的 I/O节点使用原则 ,应留出一定的 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。 系统 数字量 输入所需点数估算 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 表 系统数字量输入所需各元器件功能及所占 PLC点数 项目名称 输入点数 备 注 总点数 启动按钮 1 喷泉控制系统启动 输入点数： 2 20 停止按钮 1 喷泉控制系统停止 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 表 系统模拟量输入所需各元器件功能及所占 PLC点数 项目名称 模拟量输入点数 备 注 总点数 音频信号变送模块 1 音频信号大小 输入点数 ： 1 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 表 系统数字量输出所需各元器件功能及所占 PLC 点数 项目名称 输入点数 备 注 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 12 选择变频器频率 水下等光控制输出 7 水下灯光的控制 PLC 的选型 由以上对音乐喷泉 PLC 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。 PLC类型的选择 21 在众多的 PLC 种类当中，有松下 FP1 系列 PLC、西门子 S7200， s7300 系列 PLC、华光 SU6B 系列 PLC、三菱 FX2N 系列 PLC 等产品。 SIMATIC S7200 系列 PLC 的价格便宜，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 SIMATIC S7200 系列产品进行了结构分析。 SIMATIC S7200 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。 S7200PLC 的硬件系统结构 S7200 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。 （ 1） CPU 模块 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，则可以不再需要开关量 I/O 模块。 （ 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 I/O 点，所以有时需要数字量 I/O 模块、模拟量 I/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 I/O 模块和 PLC 或其他的扩展模块连接在一起。 S7200PLC 的硬件系统配置 S7200 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 图。 22 图 第 1种系统配置图 图 第 2种系统配置图 SIMATIC S7200 系列 PLC 适用于各种场合中的检测及控制的自动化。 S7200 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 SIMATIC S7200 系列 PLC。 另外，由于在 S7200 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 S7200 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 量扩展摸板， 这已经可以满足系统所需要的输入输出端口要求。 PLC 数字量扩展模板的选择 本系统设计采用的是西门子 S7200 型 CPU226 的 PLC，它有 24 输入 /16输出共 40 个数字量 I/O 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。 S7200 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。 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。 EM222，数字量输出（ DO）扩展模块，有 2种输出类型： 8点 DC24V 输出；S7200 I/O 模块 I/O 模块 面板 S7200 I/O模块 I/O模块 I/O模块 I/O模块 DIN 导轨 23 8 点继电器输出型。 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 输入点 /输出点；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。 模拟量扩展单元摸板选择 对与整个音乐喷泉 PLC 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器 PLC、 A/D 转换器模块、变 频器、 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简介 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，或存入中间寄存器备用。 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，读取转换结果等工作过程。 通常， A/D 转换的结果是以带符号的二进制形式出现。 24 转换后的数据经光电隔离，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。 A/D 模块的选择 西门子 S7200 型 PLC 的模拟量扩展单元模板类型有以下三种： 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， +， +5V。 电流： 0～ 20mA。 （ 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 32020～ +32020，电流 0～ +32020。 （ 3）分辨率：电压 12 位，电流 11 位。 第三种： EM235，模拟量混合输入 /输出（ AI/AO）模板 （ 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～ 500mV， 0～ 100mV， 0～50mV， +10V， +5V， +， +1V， +500mV， +250mV， +100mV，+50mV， +25mV。 电流： 0～ 20mA。 （ 3）转换时间： 250us。 （ 4）稳定时 间：电压 100us，电流 2ms。 25 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。 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 和 表。 数字量输入部分： 如表 所示 表 数 字量 输入地址分配表 信号名称 外部元件 输入地址 备 注 启动按钮 SB1 1启动 停止按钮 SB2 1停止 模拟量输入 部分 ： 如表 表 模拟量 输入地址分配表 信号名称 外部元件 输入寄存器 备 注 A/D转换数字量 EM231模块 AIW0 — 数字量输出部分 ： 如表 表。