基于plc音乐喷泉控制系统的设计

基于plc音乐喷泉控制系统的设计内容摘要：

且是为 众多 且 简单的电动机控制系统 提供动力的较好 驱动装置。 由于 其 全面而完备的控制功能，故在设置相关参数以后， MICROMASTER420 可用于更 优 的 控制系统。 MICROMASTER 420 用于单机驱动 的 控制 系统， 还 应用 与 集成 自动 控制 系统 中[11]。 MM420变频器的电路结构 MM420 变频器包括主电路和控制电路部分，主电路 功能是完成电能转换； 控制电路 则是 处理信息的收集、变换和传输。 其 电路图如图 3所示。 泰山学院本科毕业 论文 8 电源输入单相或三 相的交流电，整流电路将 恒压恒频的 交流电转换成恒定的直流电，供给逆变电路 的 是 主电路 的功能。 CPU 控制 逆变电路 ， 使恒定的直流电转换 成 U 和 f均可调的三相交流电 ， 供给电动机负载。 由图 3可知， MM420 变频器直流 与交流转换 是通过电容进行滤波的，因此 此变频器 属于电压型交 直 交变频器。 MM420 变频器的控制电路包括 CPU、模拟输入、模拟输出、数字输出、输出继电器触头、操作板 等 组成 了 为用户提供的 10V 直流电源 的 是端子 2。 当采取模拟电压信号输入方式输入给定频率时， 配备一个高精度的直流电源 是为 提高交流 变频调速系统的控制精度。 为用户提供了两对模拟电压给定输入端 的是 模拟输入 4端， 其 作为频率给定信号，经变频器内的 A/D转换器 (将模拟量转换为数字量 )， 供给 CPU的控制系统。 为用户提供了 3个完全可编程的数字输入端 是 数字输入端 7，数字信号经光电隔离输入 到 CPU，对电动机进行控制。 24V 直流电源端 是端子 8和 9，为变频器的控制电路提供 24V直流电源 [12]。 泰山学院本科毕业 论文 9 图 3 变频器电路图 泰山学院本科毕业 论文 10 3 系统总体介绍 PLC 和变频器 主要 完成 了音乐喷泉的控制过程 —— 音乐的频率信号控制 PLC；实现水泵转速变化 依靠改 变水泵电机的控制频率，进而利用水泵的转速变化 控制音乐喷泉的水柱高度变化， 以上过程 实现 了 音乐变化对喷泉的控制 的过程。 变频器接受来自 PLC 处理的音乐信号，输出频率不同的交流电， 使 水泵的喷水状态 发生 变化，实现了喷泉喷水随音乐高低呈现不同的形态。 同时通过 PLC控制彩灯，实现彩灯组与音乐节奏的同步变换。 音乐喷泉组成 音乐喷泉水池设计 此 小型音乐喷泉 的设计为： 喷头分三组 ， 外圈 设有 九个喷头，中圈 设有 六个喷头， 这两圈的 喷水口直径 ，此 两圈喷头由一个 12W 的潜水泵提供 动力 ；内圈只有一个 中心主 喷头 ，采 用集流直上喷头， 此 喷头喷水流量 较 大。 在 水泵大功率 工作 时，有壮观的喷水直径和高度 ，此 直流 喷头由一个 55W 的潜水泵提供水压。 两组彩灯分别安装在外圈和中圈喷头下，成交替闪烁 的工作状态。 使 音乐喷泉工作时喷水层次感明显，视觉效果良好。 喷泉水池直径约 ，喷头组最大直径 ，在外圈和中圈喷头向内倾斜的情况下很好的防止了水池喷水造成的向外溅水。 控制系统组成 音乐喷泉的控制系统由音乐信号处理电路（包括 F/V转换电路、模 /数转换电路、信号隔离电路）， PLC及变频控制电路，潜水泵和彩灯控制电路， 稳压电源电路和音响设备组成。 音乐喷泉控制系统硬件组成部分如图 4所示。 泰山学院本科毕业 论文 11 图 4 音乐喷泉控制系统硬件结构图 音乐信号的处理 音乐喷泉的乐曲 从 CD、 VCD 等播放器播放，通过功率放大器， 乐 曲 一路输出到音箱设备， 一路 由 A/D 转换模块对音频信号进行采样 处理 两路输出方式。 水型与乐曲同步 的 控制 水型会同 乐曲播放 同时 演示。 在乐曲之间转换 期间，水型也 保持同步停止 或继续演示。 为 使水型与乐曲达到同步的效果 ，此音乐喷泉 控制系统提供 了 可调整的 喷泉 延时 程序。 潜水泵 电动机 的控 制 控制器内部 的程序 来控制潜 水泵电动机 ， 使 每一 首 乐曲 可从控制器中相应的找到对应的固定程序数据，并可以将其对应输出。 彩色灯光 的控制 彩色灯光 由 控制器 系统程序控制。 彩色灯光会 通过控制程序随 音乐 的变化相应的水下 产生变化与 动作 ，达到视觉与听觉的完美统一，给人以精神的完美享受。 水型的节奏随动控制 不同的音乐 节奏同步 变化呈现 出 水型的跳跃和摇摆， 表现 出音乐喷泉的 视 调速端 调速端 DC5V DC5V 两组水下灯 两组潜水泵 CD VCD DVD 可编程序控制器 外部音箱 （左） 变频器1 SSR 变频器3 SSR M M 外部音箱 （右） 功率放大器 A/D 泰山学院本科毕业 论文 12 觉冲击力。 这种水型 变化 是 通过 A/D对其音频信号采集转换 后 通过对应的程序 控制， 经过 变频器对潜水泵实现加速 和 减速控制， 实现 对不同音乐信号 的直观感受。 泰山学院本科毕业 论文 13 4 控制系统的硬件设计 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， 首先 需要 把系统 所需 的输入 /输出数量 明确 ， 其次 按需要确定各控制动作的顺序和各控制装置彼此间的关系。 在确定控制系统各环节的关系后，进行分配输入 /输出设备 点。 因此 ， PLC音乐喷泉控制系统 的 设计 首先 要解决的问题 是 I/O点数的确定 ，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 PLC的输入 /输出点、内部 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 小型 音乐喷泉控制系统的设计 I/O点时 ,依据 PLC 的 I/O节点使用原则 ,应 预留出一定的 I/O 点 扩展时使用。 可以 根据 系统的控制要求 大 体 确定 控制 系统的输入输出点数。 估算 系统 数字量 输入点数 根据音乐的旋律 和 音频信号的大小来控制喷泉水柱 的 高低，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 1所示 表 1 系统数字量输入各元器 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 停止按钮 1 喷泉控制系统 停止 估算 系统 模拟量输入点数 将 音频信号转化成 PLC能识别 数字量信号 的过程中 需采用一个 A/D转换模块，因此 模拟量输入点为 1个。 如表 2所示 表 2 系统模拟量输入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 泰山学院本科毕业 论文 14 音频信号转换模块 1 音频信号大小 输入点数 ： 1 估算 系统 数字量 输出 点数 系统数字量输出 由 变频器开关量 控制和 灯光开 关量 控制 两个部分，变频器 包括 启动和调速两种控制量。 如 表 3所示 表 3 系统数字量输出各元器件功能及所占 PLC 点数 项目名称 输 出 点数 备 注 总点数 启动变频器开关量 8 控制变频器运行 输出总点数： 16 变频器速度开关量 4 选择变频器频率 水泵控制输出 2 水泵的控制 水下 灯 光控制输出 2 水下灯光的控制 PLC 的选型 由对 音乐喷泉控制系统的组成、工作过程、 I/O 点的估算分析可知， 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 16点，输出扩展模块 1个。 同时，该 控制 系统是单机系统， 故 可选择整体式结构的 PLC。 SIMATIC S7200系列 PLC 主要特点 ： 丰富的指令 、 内置集成功能 、 扩展模块；实时特性 强 ；通讯 功能良好 ；可靠性好，适应性强 ， 性价比高。 S7200 PLC 的硬件系统 S7200主要由 CPU模块、扩展模块和总线连接电缆 集成的模块化的 PLC。 （ 1） CPU 模块 该模块主要包括 CPU、电源和 I/O 点 三 部分。 CPU 主要负责程序的运行工作； CPU供电 以及 与 CPU 模块相连的其他模块的用电需求 都由此电源模块部分提供 ；该模块自 身 带 的 一定数量的开 关量 I/O 点， 若足以达到 控制 系统的 要求，则可以不需要 扩展 开关量 I/O模块。 （ 2）扩展模块 因为通常 CPU模块本身的 I/O 点有限、 且无模拟量 I/O 点，所以需要 一些特殊功能 扩展 模块 ： 数字量 I/O模块、模拟量 I/O 模块等。 泰山学院本科毕业 论文 15 （ 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设 有两种系统配置方式 ： 一是在面板 上进行 配置 ； 另一是在 DIN导轨进行 配置。 图 5和 图 6分别 表 示 了以上 两种系统配置方式。 图 5 第 1 种系统配 置图 图 6 第 2 种系统配置图 所以， 本设计选用西门子 S7200系列 CPU226 晶体管输出 型的 PLC。 它具有如下配置： 24 输入 ， 6输出 共 40 个数字量 I/O 点， 还可 连接 7个扩展摸 快 单元，包括模拟量扩展摸板， 这 足以 满足系统所需要的输入输出端口要求。 PLC 输入 /输出点分配 根据 控制 系统 的 要求，音乐信号处理模块转换的 8路开关量信号 由 PLC的数字量输入模块来接收 ，经 PLC内部 CPU 处理，通过输出模块控制彩灯和变频器，实现对变频器的数字控制。 控制系统 PLC的输入 /输出点分配如表 4和表 5。 表 4 PLC 输入点分配表 序号 点号 符 号 意义 1 Bit0 音频信号输入 2 Bit1 音频信号输入 3 Bit2 音频信号输入 4 Bit3 音频信号输入 5 Bit4 音频信号输入 6 Bit5 音频信号输入 7 Bit6 音频信号输入 8 Bit7 音频信号输入 9 K1 启动按钮 10 K2 停止按钮 S7200 I/O 模块 I/O 模块 面板 S72。