【正文】 提高自己的動腦能力和動手能力以及處事能力。本報告在具體分析基于可編程序控制器的廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計，對該控制系統(tǒng)進行了具體的研究和設(shè)計。同時，對可編程序控制器在工業(yè)應(yīng)用中的一些問題也進行了一定的討論。 項目的組織項目共分為5章：第1章對論文背景進行了綜述，著重介紹了可編程序控制器的有關(guān)基礎(chǔ)知識；第2章對音樂噴泉控制系統(tǒng)的要求、目的、任務(wù)、內(nèi)容、工作過程以及控制器的選擇進行了系統(tǒng)概述，并針對設(shè)計所需要的方案進行了選擇論證；第3章主要分析了系統(tǒng)的組成部分以及各部分器件的工作原理，對音樂噴泉控制系統(tǒng)的各種元件的選擇和參數(shù)確定等控制系統(tǒng)的硬件配置；第4章根據(jù)控制系統(tǒng)流程圖進行軟件設(shè)計；第5章為系統(tǒng)調(diào)試。9音樂噴泉的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計第2章 系統(tǒng)概述及方案論證本章主要介紹音樂噴泉PLC控制系統(tǒng)的基本要求，以及設(shè)計音樂噴泉PLC控制系統(tǒng)的目的和任務(wù)，并對完成此系統(tǒng)設(shè)計的方案進行選擇及論證等相關(guān)內(nèi)容。通過分析該控制系統(tǒng)的各部分的功能要求，以達到音樂噴泉PLC控制系統(tǒng)的最優(yōu)實現(xiàn)方法。 系統(tǒng)概述音樂噴泉作為一種人造環(huán)境工程項目，將音樂的美和噴泉有機的結(jié)合在一起，給人以賞心悅目的感受。目前，采用不同控制器來實現(xiàn)音樂噴泉的方法越來越多，究竟怎么樣實現(xiàn)才能達到最優(yōu)的控制以及給人最美的觀賞效果，本設(shè)計從諸多方面來分析、探討此問題的解決方案。 音樂噴泉控制系統(tǒng)的要求在諸多音樂噴泉控制系統(tǒng)中，不管是采用繼電器控制或電磁閥對音樂噴泉進行控制（開關(guān)及噴泉揚程控制），由于不能對電動機或其他控制閥進行調(diào)速，所以這些方式都存在反應(yīng)速度慢的弱點。因此，本設(shè)計的重點在于音樂與噴泉的同步實時性，在控制系統(tǒng)中采用了變頻調(diào)速，通過變頻器來控制電動機，從而達到快速反應(yīng)的目的，所以下面所介紹的是本設(shè)計對音樂噴泉控制系統(tǒng)所需要達到的要求、效果。顧名思義，音樂噴泉就是要求在音樂的伴隨下噴泉的高度、燈光的強度、色彩以及噴泉的造型隨音樂的音量而變化，通過對各種不同的音樂進行選擇播放，以及對不同音頻信號的采集、轉(zhuǎn)化等處理后，利用編制程序來實現(xiàn)對音樂噴泉的實時控制。 控制系統(tǒng)目的及任務(wù)本設(shè)計控制系統(tǒng)為廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的目的及任務(wù)如下：分析系統(tǒng)的工作原理和工藝過程；熟悉對PLC的選型以及相關(guān)參數(shù)的選擇；了解系統(tǒng)控制主電路：包括電源、各保護開關(guān)、電機及其外部電路的設(shè)計方法；掌握PLC的I/O地址分配以及PLC外部接線的方法；掌握軟件系統(tǒng)的設(shè)計方法，繪出梯形圖、列出指令表等。 控制系統(tǒng)內(nèi)容音樂噴泉控制系統(tǒng)內(nèi)容包括樂曲播放、水型與樂曲同步、水型的程序演示、彩色燈光的程序演示、水型的節(jié)奏隨動控制等。 樂曲播放　　音樂噴泉所播放的樂曲可以從電腦播放器播放，通過功率放大器，將所選歌曲分為兩路輸出，一路輸出到音箱設(shè)備，另一路輸出到A/D轉(zhuǎn)換模塊對音頻信號進行采樣。當操作員在樂曲數(shù)據(jù)庫中確定了演示樂曲后，隨后啟動該驅(qū)動器，正確地播放選定的樂曲。水型與樂曲同步控制當樂曲開始播放，水型會同步演示。在上一首樂曲結(jié)束和下一首樂曲開始的間歇期間，水型也會保持同步停止和繼續(xù)演示。此音樂噴泉控制系統(tǒng)能提供可調(diào)整的噴泉延時，使水型與樂曲達到同步的效果。水型的程序演示噴泉潛水泵電動機是受控制器內(nèi)部的程序控制，每一首樂曲可從控制器中相應(yīng)的找到對應(yīng)的固定程序數(shù)據(jù)，并可以將其對應(yīng)輸出。彩色燈光的程序演示與水型的演示程序類似，彩色燈光也由控制器系統(tǒng)程序控制。通過利用噴泉水泵的控制程序，將燈光控制也采用其同樣的方法，隨噴泉的變化相應(yīng)的水下彩色燈光也會變化、動作。水型的節(jié)奏隨動控制對于不同的音樂，其水型的跳躍和搖擺是與樂曲的節(jié)奏同步的，表演出音樂噴泉的激情和活力。這種水型的跳躍和搖擺變化也是由A/D對其音頻信號采集轉(zhuǎn)換后通過對應(yīng)的程序所表現(xiàn)出的。通過變頻器對潛水泵實現(xiàn)加速、減速等控制，以達到對不同音樂信號的不同觀賞感。 控制系統(tǒng)的簡要工作過程首先對音頻信號進行分配，一路直接經(jīng)功率放大器后輸出到外部音箱設(shè)備；另一路則對音頻信號進行采樣和A/D 轉(zhuǎn)換等預(yù)處理；其次，經(jīng)過PLC對數(shù)字量音頻信號（二進制）進行轉(zhuǎn)換,將其音頻信號轉(zhuǎn)換成實數(shù)，再通過在PLC內(nèi)部設(shè)定某種固定值或表格數(shù)據(jù)，與之相比較輸出采樣值的范圍；最后，通過對變頻器的高、中、低三個控制端進行開關(guān)量輸入，即輸入組合（001～111），以達到調(diào)節(jié)變頻器的7種頻率段，并能很好的控制潛水泵的轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速的快慢、音樂音頻信號各頻率對應(yīng)聲音信號的強度, 通過變頻控制系統(tǒng)就可以將音頻信號的變化用噴泉的水柱表現(xiàn)出來, 水柱的高低按線性比例反映音頻信號的幅度。, 系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)組成將在第三章進行詳細的闡述。 控制系統(tǒng)方案選擇及論證通過對本課題控制系統(tǒng)各方面知識的收集、整理和不斷地深入學(xué)習(xí)理解，以及對課題控制系統(tǒng)充分地介紹說明的基礎(chǔ)上，根據(jù)課題設(shè)計要求及目前廣場音樂噴泉在人們?nèi)粘Ｉ町斨袘?yīng)用的實際情況，對該系統(tǒng)采用繼電器、單片機以及PLC作為控制系統(tǒng)主要控制器件的優(yōu)缺點進行了比較，并進行方案選擇論證。 方案分析廣場音樂噴泉的控制系統(tǒng)，要求具備如下功能： 廣場樂曲播放； 水型與樂曲同步； 水型的演示的控制； 彩色燈光的控制； 強制停止功能。下面我們就如何能方便、簡單地實現(xiàn)音樂噴泉的以上功能及經(jīng)濟角度等方面，將在音樂噴泉控制系統(tǒng)中常用的各種控制控制器或控制電路的優(yōu)缺點進行簡單地比較。方案一：繼電器接觸器控制系統(tǒng)該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于理解和掌握，其設(shè)計成本也相對較低。但從應(yīng)用于該大型廣場音樂噴泉系統(tǒng)中來看，該系統(tǒng)有以下幾個缺點：接點易磨損，電接觸不好；在一個噴泉系統(tǒng)中，需要用到的繼電器、接觸器的數(shù)量是相當大的，因此，在此控制系統(tǒng)中，如果有一個觸點接觸不良，整個系統(tǒng)就會癱瘓，而且要找出故障元件是很難的，維修也相當煩瑣。接點閉合緩慢；接觸器動作緩慢以及過度延時是該系統(tǒng)的缺點之一，因為該控制系統(tǒng)要求與音樂同步，并能實時的表現(xiàn)出音樂信號的變化。另外，控制系統(tǒng)的能量消耗大、維修保養(yǎng)工作量大等缺點，從而降低了其經(jīng)濟性。維修困難是該系統(tǒng)的致命的弱點，由于使用繼電器控制，而繼電器的使用壽命不長，需經(jīng)常更換，而且在眾多繼電器中找故障非常困難。綜上所述，由于該系統(tǒng)有諸多弊病，繼電器接觸器系統(tǒng)僅僅應(yīng)用于反應(yīng)速度、精度、實時性要求不是很高的場合，隨著科技的進步，該型控制系統(tǒng)已逐漸被淘汰。方案二：單片機控制系統(tǒng)單片機控制系統(tǒng)比繼電器接觸器系統(tǒng)大大的降低成本。其優(yōu)點有：可以做成專用的控制系統(tǒng)，程序被固化，保密性強，可靠性較高，操作簡單，并且易于維護。在諸多小型音樂噴泉控制系統(tǒng)中，最適合的應(yīng)是單片機作為控制核心。適合于一般城市小廣場和普通住宅小區(qū)的小型音樂噴泉，由于其控制要求簡單，使用單片機完全可以滿足要求，而且因其成本低則更易于普及，是未來音樂噴泉的發(fā)展趨勢。在大型廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)各方面性能都需要滿足要求，就是在惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下，該系統(tǒng)也能置于有很強的電噪聲、電磁干擾、機械振動、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中。但是，如果利用單片機作為控制系統(tǒng)，其性能會受到相應(yīng)的影響，不能很好的適應(yīng)到極其惡劣的工業(yè)環(huán)境中去。另外，該系統(tǒng)帶負載的能力不夠強，在對負載要求不高、環(huán)境比較好的場合，單片機控制系統(tǒng)仍有較廣泛的應(yīng)用。不過，隨著人們生活水平的逐漸提高，越來越多的大型音樂噴泉成為了人們觀賞的焦點。而PLC技術(shù)的成熟與完善，能有很強的適應(yīng)工業(yè)控制環(huán)境的能力，作為利用PLC作為音樂噴泉控制器的控制系統(tǒng)，已經(jīng)漸漸超過了采用其它控制器來實現(xiàn)的音樂噴泉控制的控制系統(tǒng)。方案三：PLC控制系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，PLC技術(shù)已越來越成熟，應(yīng)用的范圍也越來越廣泛，幾乎滲透到了各行各業(yè)。而在很多的控制應(yīng)用系統(tǒng)中，以PLC為核心的控制系統(tǒng)逐漸成為理想的控制系統(tǒng)，其主要特點主要有：硬件的可靠性PLC是為了在惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下應(yīng)用而設(shè)計的，一個設(shè)計良好的PLC能置于有很強的電噪聲、電磁干擾、機械振動、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中。在硬件設(shè)計方面，首先是選用優(yōu)質(zhì)器件，再就是采用合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加固，簡化安裝，使它易于抗振動沖擊，對印制電路板的設(shè)計、加工及焊接都采取了極為嚴格的工藝措施，而且在電路、結(jié)構(gòu)及工藝上采取了一些獨特的方式。例如，在輸入/輸出電路中都采用了光電隔離措施，做到電浮空，既方便接地，又提高了其抗干擾性能；各個I/O端口都除采用了常規(guī)模擬器濾波以外，還加上了數(shù)字濾波；內(nèi)部采用了電磁屏蔽措施，防止輻射干擾；采用了較先進的電源電路，以防止由電源回路串入的干擾信號；采用了較合理的電路程序，一旦某模塊出現(xiàn)故障，進行在線插拔、調(diào)試時不會影響其他各機的正常運行。由于PLC本身具有很高的可靠性，所以發(fā)生故障的部位大多集中在輸入/輸出的部件上，以及如傳感器件、限位開關(guān)、光電開關(guān)、電磁電機等外圍裝置上，這樣便易于檢修和維護。編程簡單，使用方便用微機實現(xiàn)自動控制，常使用匯編語言編程，難于掌握，要求使用者具有一定水平的計算機硬件和軟件知識。PLC采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，容易掌握。例如，目前大多數(shù)PLC均采用的梯形圖語言編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀感，又顧及了大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及應(yīng)用微機的水平，很容易被電氣技術(shù)人員所接受，易于編程，程序改變時也容易修改，很靈活方便。這種面向控制過程、面向問題的編程方式，與目前微機控制常用的匯編語言相比，雖然在PLC內(nèi)部增加了解釋程序，增加了程序執(zhí)行時間，但對大多數(shù)的機電控制設(shè)備來說，這些時間是可以忽略的。接線簡單，通用性好PLC的接線只需將輸入信號的設(shè)備（按鈕、開關(guān)等）與PLC輸入端子連接，將接受輸出信號執(zhí)行控制任務(wù)的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與PLC輸出端子連接。接線簡單、工作最少，省去了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)接線和拆線的麻煩。PLC的編程邏輯提供了能隨要求而改變的“接線網(wǎng)絡(luò)”，這樣生產(chǎn)線的自動化過程就能隨意改變。這種性能使PLC具有很高的經(jīng)濟效益。用于連接現(xiàn)場設(shè)備的硬件接口實際上是PLC的組成部分，模塊化的自診斷接口電路能指出故障，并易于排除故障與替換故障部件，這樣的軟硬件設(shè)計就使現(xiàn)場電氣人員與技術(shù)人員易于使用。可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)PLC可連成功能很強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)可分為兩類：一類是低速網(wǎng)絡(luò)，采用主從方式通信，傳輸速率從幾千波特到上萬波特，傳輸距離為500—2500m；另一類為高速網(wǎng)絡(luò)，采用令牌傳送方式通信，傳輸速率為1M—10Mbps，傳輸距離為500—1000m，網(wǎng)上結(jié)點可達1024個。這兩類網(wǎng)絡(luò)可以級連，網(wǎng)上可兼容不同類型的可編程控制器和計算機，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò)。易于安裝，便于維護PLC安裝簡單而且功能強大，其相對小的體積使之能安裝在通常繼電器控制箱所需空間的一半的地方，在從繼電器系統(tǒng)改換到PLC系統(tǒng)的情況下，PLC小的模塊結(jié)構(gòu)使之能安裝在繼電器附近，并將連向已有接線端，其改換很方便，只要將輸入/輸出設(shè)備連向接線端即可。在大型安裝中，長距離輸入/輸出站點安放在最優(yōu)地點。長距離站通過同軸電纜獲雙扭線連向CPU，這種配置大大減少了物料和勞力，長距離子系統(tǒng)方法也意味著系統(tǒng)不同部分可在到達安裝場地前由PLC制造商預(yù)先連好線，這一方法大大減少了電氣技術(shù)人員的現(xiàn)場安裝時間。從一開始，PLC便以易維護作為設(shè)計目標。由于幾乎所有器件都是固態(tài)的，維護時只需更換模塊級插入式部件，故障檢測電路將診斷指示器嵌在每一部件中，就能指示是否正常工作，借助于編程設(shè)備可見輸入/輸出是ON還是OFF，還可寫編程指令來報告故