【正文】 指能對樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強(qiáng)弱等進(jìn)行檢測并將檢到的信號以電平、脈沖或數(shù)字形式送至 PLC的電路。 17 第 3 章 系統(tǒng)硬件 部分 本章主要介紹廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的基本組成部分、控制過程、各部分元器件的工作原理、 PLC 控制系統(tǒng) I/O 點(diǎn)數(shù)的估算、元器件參數(shù)選擇、 PLC 外部硬件接線圖以及 控制系統(tǒng)主電路圖 等內(nèi)容 。 從與其它噴泉控制系統(tǒng)對比中可以看出，本次設(shè)計的控制系統(tǒng)中主要控制器必須滿足系統(tǒng)的可行性、可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性等要求。 （ 2）系統(tǒng)可靠性分析：系統(tǒng)主要靠 PLC 內(nèi)部程序運(yùn)行，從而達(dá)到實(shí)時性、準(zhǔn)確性得到很大改善，使系統(tǒng)可靠性得到了進(jìn)一步的保證。 通過對上述方案分析可知，該系統(tǒng)從理論上講，可以采用的控制器有：繼電器 接觸器控制；單片機(jī)控制； PLC 控制等三種控制器。一旦安裝后，其作用立即顯現(xiàn)，其收益也馬上實(shí)現(xiàn)，像其他智能設(shè)備一樣 ,PLC 的潛在優(yōu)點(diǎn)還取決于應(yīng)用時的創(chuàng)造性。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(dá)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。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(diǎn)可達(dá) 1024 個。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。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(jī)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。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(jìn)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(jìn)行在線插拔、調(diào)試時不會影響其他各機(jī)的正常運(yùn)行。而 PLC 技術(shù)的成熟與完善， 能有很強(qiáng)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(shí)現(xiàn)的音樂噴泉控制的控制系統(tǒng)。 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(qiáng)的電噪聲、電磁干擾、機(jī)械振動、極端溫度和濕度很 大的環(huán)境中 。 方案二 ：單片機(jī)控制系統(tǒng) 單片 機(jī)控制系統(tǒng)比繼電器 接觸器系統(tǒng)大大的降低成本。 接點(diǎn)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(diǎn)之一，因?yàn)樵摽刂葡到y(tǒng)要求與音樂同步，并能實(shí)時的表現(xiàn)出音樂信號的變化。 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(qiáng)制停止 功能。 控制系統(tǒng)的簡要工作過程 首先對音頻信號進(jìn)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(jìn)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(jìn)制）進(jìn)行轉(zhuǎn)換 ,將其音頻信號轉(zhuǎn)換成實(shí)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(jìn)行開關(guān)量輸入，即輸入組合（ 001～ 111），以達(dá)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。 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。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。 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。 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(jìn)行控制（開關(guān)及噴泉揚(yáng)程控制），由于不能對電動機(jī)或其他控制閥進(jìn)行調(diào)速，所以這些方式都存在反應(yīng)速度慢的弱點(diǎn)。 8 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(jìn)行選擇及論證等相關(guān)內(nèi)容。同時，通過學(xué)習(xí)各方面的知識，不斷地提升自己，通過實(shí)際應(yīng)用，逐漸地提高自己的動腦能力和動手能力以及處事能力。目前應(yīng)用較多的是間接變頻器即交 直 交變頻器。 并且極其精確地運(yùn)行，驅(qū)動普通電機(jī)能達(dá)到最佳的控制效果，操作簡單靈活，具有擴(kuò)展功能 [10]。矢量控制的重要性能是使異步電動機(jī)具有直流電動機(jī)的調(diào)速特性，并且與直流電動機(jī)系統(tǒng)比較，有無需維修，不需抑制電流變化率，可以謀求電流控制的快速響應(yīng)；磁場控制范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。變頻器不僅可以節(jié)省能源，還可以改善控制性能，提高生產(chǎn)效率。 功能完善、模塊功能和網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大 現(xiàn)在 PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)、順序控制等功能，而且還具有 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能。而且 PLC的軟件功能取代了原來的繼電器控制中間繼電器、計時器、計數(shù)器等一些器件，所以硬件安裝上的工作量相應(yīng)減少 [8]。而 5 在 PLC 控制系統(tǒng)中，當(dāng)控制要求改變時，不改動 PLC 外部接線，只需修改程序即可。 在軟件方面， PLC 的監(jiān)控定時器可用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運(yùn)算處理器的延遲，保證在程序出錯和程序調(diào)試時，避免因程序錯誤而出現(xiàn)死循環(huán)；當(dāng) CPU、電池、 I/O 口、通信等出現(xiàn)異常時， PLC 的自診斷功能可以檢測到這些錯誤，并采取相應(yīng)的措施，以防止故障擴(kuò)大；停電時，后備電池和正常工作時一樣，進(jìn)行對用戶程序及動態(tài)數(shù)據(jù)的保護(hù)，確保信息不丟失 [6]。 1973 年，歐洲一些國家也研制出了自己的 PLC。在 60 年代初，美國汽車制造業(yè)競爭越發(fā)激烈，而汽車的 每一次更新的周期越來越短，這樣對汽車流水線的自動控制系統(tǒng)更新就越來越頻繁，原來的繼電器控制就需要經(jīng)常地 4 重新設(shè)計和安裝，從而延緩了汽車的更新時間。 可編程序控制器概述 可編程序控制器簡稱 PLC，是 20 世紀(jì) 60年代以來發(fā)展極為迅速、應(yīng)用面極廣的自動化控制裝置，是現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱之一 [1]。目前，有許多采用各式各樣的控制系統(tǒng) 來實(shí)現(xiàn)的音樂噴泉， 取得了良好的效果。本文通過設(shè)計一個實(shí)用型廣場 音樂噴泉的 PLC 控制系統(tǒng) ，介紹 PLC在音樂噴泉控制控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。當(dāng)變頻控制技術(shù)引入音樂噴泉控制系統(tǒng)，可以使水柱隨著音樂快慢變化，仿佛是在隨著音樂翩翩起舞，引人入勝。 音樂噴泉是現(xiàn)代科技與藝術(shù)的綜合，利用噴泉來表現(xiàn)音樂的美感，令人賞心悅目。 本 項(xiàng)目 針對這些問題，提出了一種新的方法來控制噴泉的變化，本設(shè)計將通過對音樂音頻信號的實(shí)時采樣， 再通過變頻器對潛水泵進(jìn)行變頻調(diào)速， 利用各式噴頭的噴射、搖擺、旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)噴泉水柱高低、搖擺幅度、旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)時地展現(xiàn)音樂的頻譜。 PLC 的 發(fā)展概況 20世紀(jì) 60 年代以前，汽車流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都采用傳統(tǒng)的繼電器控制。 1971 年，日本引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，并開始生產(chǎn)自己的 PLC。 高可靠性 在硬件方面，由于采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源，并且對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，加上合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后加固、簡化安裝，因此 PLC具有很強(qiáng)的抗振動沖擊的性能；無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成大量的開關(guān)動作，就不會出現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)中的器件老化、脫焊、觸點(diǎn)電弧等問題；所有的輸入 /輸出（ I/O）接口都采用了光電隔離措施，使外部電路和 PLC 內(nèi)部電路能有效的進(jìn)行隔離； PLC 采用 模塊式 的結(jié)構(gòu)，可以在其中一個模塊出現(xiàn)故障時迅速地判斷出故障的模塊并進(jìn)行更換，這樣就能 夠 盡量縮短系統(tǒng)維修 的時間 [5]。這樣，控制系統(tǒng)就不再需要大量硬件裝置，用戶只需根據(jù)控制需要設(shè)計 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線即可。 易于安裝、調(diào)試、維修 在安裝時，由于 PLC 的輸入 /輸出接口已經(jīng)做好，因此可以直接和外部設(shè)備相連，而不再需要專用的接口電路。 在維修方面， PLC 完善的診斷 和顯示功能，可以通過模塊上的顯示或編程器等很容易地找出故障的模塊，而且由于模塊化設(shè)計，因此只需要對錯誤的模塊進(jìn)行更換即可。 變 頻器的工作原理 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及計算 機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變頻器已經(jīng)成為電器調(diào)速的主流，成為現(xiàn)代工業(yè)的組成部分。隨著變頻器的發(fā)展，采用矢量控制的變頻器開始普及。由于變頻器變頻調(diào)速性能好，因而現(xiàn)在以被鋼鐵、石油、紡織、造紙、建材等行業(yè)采用并大力推廣。直接變頻器將工頻交流一次變換為可控頻率交流，沒有中間直流環(huán)節(jié)，即所謂的交 交變頻器。主要任務(wù)是在自我學(xué)習(xí)、向人學(xué)習(xí)的前提下，深入地了解電氣控制系統(tǒng)各方面的知識，熟練地掌握 PLC 控制技術(shù)各方面的理論 知識及其應(yīng)用，逐漸提高對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的實(shí)際工作能力，懂得運(yùn)用所學(xué)的理論知識與實(shí)際情況相結(jié)合。 項(xiàng)目 的組織 中間直流電路 整流電路 逆變電路 控 制 電 路 交流電 交流電 商用電源 電壓頻率可控 7 項(xiàng)目 共分為 5章：第 1章對論文背景進(jìn)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(jìn)行了系統(tǒng)概述，并針對設(shè)計所需要的方案進(jìn)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(jìn)行軟件設(shè)計 ；第 5章為系統(tǒng)調(diào)試。目前，采用不同控制器來實(shí)現(xiàn)音樂噴泉的方法越來越多，究竟怎么樣實(shí)現(xiàn)才能達(dá)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。 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(hù)開關(guān)、電機(jī)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。 水型與樂曲同步控制 當(dāng)樂曲開始播放，水型會同步演示。 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。通過變頻器對潛水泵實(shí)現(xiàn)加速、減速等控制，以達(dá)到對不同音樂信號的不同觀賞感。 11 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?dāng)中應(yīng)用的實(shí)際情況，對該系統(tǒng)采用繼電器、單片機(jī)以及PLC 作為控制系統(tǒng)主要控制器件的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，并進(jìn)行方案選擇論證。 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(diǎn)： 接點(diǎn)易磨損，電接觸不好； 12 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(dāng)大的，因此，在此控制系統(tǒng)中，如果有一個觸點(diǎn)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(dāng)煩瑣。 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(shí)時性要求不是很高的場合，隨著科技的進(jìn)步，該 型 控制系統(tǒng)已逐漸被淘汰。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(jī)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。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(diǎn)。 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(yán)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(dú)特的方式。 PLC 采用面向控制過程、面向問題的 “ 自然語言 ” 編程，容易掌握。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。 可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) PLC 可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 15 在大型安裝中，長距離輸入 /輸出站點(diǎn)安放在最優(yōu)地點(diǎn)。 PLC 的這些及其他一些特性使之成為任何一個控制系統(tǒng)的有益部分。 PLC 所具有的準(zhǔn)確、精密、快速、穩(wěn)定的特點(diǎn)和多點(diǎn)控制的功能已使它成為現(xiàn)代高技術(shù)音樂噴泉工程中不可缺少的設(shè)備