基于软plc的音乐喷泉设计

基于软plc的音乐喷泉设计内容摘要：

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会变化、动作。 5)水型的节奏随动控制 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，以达到对不同音乐信号的不同观赏感。 控制系统的简要工作过程 首先 对音频信号进行分配，一路直接经功率放大器后输出到外部音箱设备；另一路则对音频信号进行采样和 A/D 转换等预处理；其次，经过软 PLC 对数字量音频信号（二进制）进行转换 ,将其音频信号转换成实数，再通过在软 PLC 内部设定某种固定值或表格数据，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度 , 通过变频控制系统就可以将音频信号的变化用喷泉的 水柱表现出来 , 水柱的高低按线性比例反映音频信号的幅度。 设每次对音频信号的采样时间为 , 系统总的结构组成将在第三章进行详细的阐述。 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、单片机以及软 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。 2 系统概述及方案论证 7 方案分析 广场音乐喷泉的控制系统，要求具备如下功 能： A. 广场乐曲播放； B. 水型与乐曲同步 ； C. 水型的演示 的控制； D. 彩色灯光的 控制； E. 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。 方案一： 继电器 接触器控制系统 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低。 但从应用于该大型广场音乐喷泉系统中来看，该系统有以下几个缺点： 接点易磨损，电接触不好； 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很难的，维修也相当烦琐。 接点闭合缓慢； 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常困难。 综上所述，由于该系统有诸多弊病，继电器 接触器系统仅仅应用于反应速度、精度、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。 方案二：单片机控制系统 单片机控制系统比继电器 接触器系统大大的降低成本。 其优点有：可以做成专用的控制系统，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，是未来音乐喷泉的发展趋势。 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，其性能会受到相学士学位论文 8 应的影响，不能很好的适应到极其恶劣的工业环境中去。 方案三 ：软 PLC 控制系统 经过数十年的发展，软 PLC 技术已越来越成熟，应用的范围也越来越广泛，几乎渗透到了各行各业。 而在很多的控制应用系统中，以软 PLC 为核心的控制系统逐渐成为理想的控制系统，其主要特点主要有： 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的方式。 由于软 PLC 本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入 /输出的部件上，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，这样便易于检修和维护。 2)编程简单，使用方便 软 PLC 采用面向控制过程、面向问题的 “自然语言 ”编程，容易掌握。 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，虽然在软 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 软 PLC 的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与软 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）与软 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。 4)可连接为控制网络系统 软 PLC 可连成功能很强的网络系统。 5)易于安装，便于维护 软 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软 PLC 系统的情 况下，软 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。 方案论证 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。 软 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。 软 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它成为现代高技术音乐喷泉工程中不可缺少的设备。 通过对上述方案 分析可知，该系统从理论上讲，可以采用的控制器有：继电器 接触器控制；单片机控制；软 PLC 控制等三种控制器。 2 系统概述及方案论证 9 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，很显然软 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了软 PLC 作为控制器的方案。 对选定方案的分析 A． 可行性分析 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求大多是开关量信号，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：系统主要靠软 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：系统采用软 PLC 作为控制器，其本身就具有极强的功能扩展性，加之软 PLC 产品的完整性，使得系统功能扩展极其方便。 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，并由于系统组态及结构简单，这使得可维护性增强。 B． 技术性能 1）软 PLC 选型：软 PLC 的选择是否能让功能与任务相适应；软 PLC 的处理速度是否满足实时控制的要求； 2）扩展模块的选择： 开关量输入模块工作电压的选择；开关 量输出模块输出方式的选择；模拟量输入模块的模拟量值的输入范围考虑。 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软 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软 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。 学士学位论文 10 3 系统硬件设计 11 3 系统硬件 设计 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、软 PLC 控制系统 I/O 点数的估算、元器件参数选择、软 PLC 外部硬件接线图以及 控制系统主电路图 等内容。 控制系统的组成部分 硬件系统 主要 由软 PLC、 A/D 转换模块 、 变频 器、潜水泵和灯光 组成。 通过软 PLC对音频信号的采样、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 所示。 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软 PLC 的电路。 学士学位论文 12 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 ,所以软 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。 软 PLC 的选型 音乐喷泉逻辑控制系统的控制核心是软 PLC， 在建立一个软 PLC 控制系统时， 哪些信号需要输入至软 PLC，软 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，是设计整个软 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 了软 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 对软 PLC 进行选型，并进一步进行输入 /输出量的确定。 软 PLC 控制系统 I/O 口的估算 本设计是广场音乐喷泉控制系统的设计 ,根据软 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。 1） 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 31 所示 表 31 系统数字量输入所需各元器件功能及所占软 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 2） 系统 模拟量输入 所需点数估算 3 系统硬件设计 13 为了将 音频信 号转化成软 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 32 所示 表 32 系统模拟量输入所需各元器件功能及所占软 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 3） 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 33 所示 表 33 系统数字量输出所需各元器件功能及所占软 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 软 PLC 的选型 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软 PLC。 软 PLC 类型的选择 1）硬件配置为：研华 PCL726 卡板 +电脑 一台 +研华 ADAM5000E 模块 研华 PCL726 卡板的功能 6路独立 D/A 输出 12 位分辨率双缓冲 D/A 转换器 16 路数字量输入及 16 路数字量输出。