【文章內(nèi)容簡介】 硬件系統(tǒng) 主要 由 PLC、 A/D轉(zhuǎn)換模塊 、 變頻 器、潛水泵和燈光 組成。 通過 PLC對外部音頻信號的采樣、轉(zhuǎn)換來控制變頻器和故態(tài)繼電器的動作，從而 達到控制系統(tǒng)的要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)對音樂和噴泉的實時的完美結(jié)合。 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件組成部分如圖 。 18 圖 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的控制過程 在這里，輸入轉(zhuǎn)換電路是指能對樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強弱等進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。 在此控制系統(tǒng)中，利用 A/D模塊 對音樂信號的采樣， 根據(jù)控制精度的需要 ,人耳的聽覺 ,音樂信號的特點。由于人耳聽到的是廣場上播放樂曲的聲音 ,而人眼看到的是噴頭的水流量 ,聲音強度與水流量并不是線性關(guān) 系。而與潛水泵的速度成線性關(guān)系 ,閥門噴出的水流量高度與潛水泵的旋轉(zhuǎn)速度變化成比例 ,潛水泵的旋轉(zhuǎn)速度又與給變頻器所設(shè)定的頻率以及頻率變化速度成比例。聲音強度與采樣過來轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量成比例 ,所以 PLC要對采樣后的數(shù)字量進行分段、轉(zhuǎn)換、比較才能輸出到相對應(yīng)的變頻器，以達到控制水泵旋轉(zhuǎn)速度。 因為有了它，音樂已不再僅是背景音樂，音樂已用來控制整個噴池噴頭的動作與否，因而已達到了音樂噴泉的最基本要求。 ….. ….. 電腦播放器 可編程序控制器 外部音箱 （左） 變頻器 1 SSR 變頻器 2 變頻器 4 變頻器 3 SSR SSR M M M M 外部音箱 （右） DC5V 調(diào)速端 DC5V DC5V 調(diào)速端 調(diào)速端 調(diào)速端 四組潛水泵 七組水下燈 功率放大器 A/D 19 PLC 的選型 音樂噴泉邏輯控制系統(tǒng)的控制核心是 PLC， 在建立一個 PLC控制系統(tǒng)時， 哪些信號需要輸入至 PLC， PLC需要驅(qū)動哪些負載 ,以及采用何種編程方式，都會影響到其內(nèi)部 I/O點數(shù)的分配， 必須首先把系統(tǒng)需要的輸入，輸出數(shù)量確定下來，然后按需要確定各種控制動作的順序和各個控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。在確定控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的相互關(guān)系之后，就可以進行分配輸入輸出設(shè)備。 因此， I/O點數(shù)的確定，是設(shè)計整個 PLC音樂噴泉控制系統(tǒng)首先需要解決的問題，它不僅決定著系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，也是系統(tǒng)軟件編寫的前提。 在 估算 了 PLC的輸入輸出點、內(nèi)部輔助繼電器、定時器、 計 數(shù)器之后，就可以 對 PLC進行選型，并進一步進行輸入 /輸出量的確定 。 PLC控制系統(tǒng) I/O口的估算 本設(shè)計是音樂噴泉 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計 ,根據(jù) PLC 的 I/O節(jié)點使用原則 ,應(yīng)留出一定的 I/O點以做擴展時使用。在對系統(tǒng)的控制要求進行分析后，可以大概確定系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)。 系統(tǒng) 數(shù)字量 輸入所需點數(shù)估算 本系統(tǒng)是根據(jù)音樂的旋律、音頻信號的大小來控制噴泉水柱高低的，所以其數(shù)字量輸入只需要滿足系統(tǒng)啟動、停止兩個功能。 如表 表 系統(tǒng)數(shù)字量輸入所需各元器件功能及所占 PLC點數(shù) 項目名稱 輸入點數(shù) 備 注 總點數(shù) 啟動按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)啟動 輸入點數(shù)： 2 20 停止按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)停止 系統(tǒng) 模擬量輸入 所需點數(shù)估算 為了將 音頻信號轉(zhuǎn)化成 PLC 能識別的數(shù)字量信號，這里需采用一個模擬量 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊，所以模擬量輸入點為 1個。 如表 表 系統(tǒng)模擬量輸入所需各元器件功能及所占 PLC點數(shù) 項目名稱 模擬量輸入點數(shù) 備 注 總點數(shù) 音頻信號變送模塊 1 音頻信號大小 輸入點數(shù) ： 1 系統(tǒng) 數(shù)字量 輸出所需點數(shù)估算 系統(tǒng)數(shù)字量輸出分為控制變頻器開關(guān)量、控制燈光開關(guān)量兩個部分，其中變頻器有啟動和調(diào)速兩種控制量。 如 表 表 系統(tǒng)數(shù)字量輸出所需各元器件功能及所占 PLC 點數(shù) 項目名稱 輸入點數(shù) 備 注 總點數(shù) 啟動變頻器開關(guān)量 5 控制變頻器運行 輸出總點數(shù)： 24 變頻器速度開關(guān)量 12 選擇變頻器頻率 水下等光控制輸出 7 水下燈光的控制 PLC 的選型 由以上對音樂噴泉 PLC 控制系統(tǒng)的組成、工作過程、 I/O點的估算等分析可知， 系統(tǒng)中實際需要數(shù)字量輸入點 2點 ,模擬量輸入模塊 1個，數(shù)字量輸出點 24點，輸出擴展模塊 1 個 。 同時，考慮到該系統(tǒng)是單機系統(tǒng)，可選擇整體式結(jié)構(gòu)的PLC。 PLC類型的選擇 21 在眾多的 PLC 種類當中，有松下 FP1 系列 PLC、西門子 S7200， s7300 系列 PLC、華光 SU6B 系列 PLC、三菱 FX2N 系列 PLC 等產(chǎn)品。 SIMATIC S7200 系列 PLC 的價格便宜，應(yīng)用比較廣泛，可擴展模塊多，適合很多控制系統(tǒng)選擇，在本設(shè)計當中詳細的對 SIMATIC S7200 系列產(chǎn)品進行了結(jié)構(gòu)分析。 SIMATIC S7200 系列 PLC 其主要特點是：它有豐富的指令 、 內(nèi)置集成功能 、 擴展模塊； 具有 實時特性；強勁的通訊能力；可靠性好，適應(yīng)性強 以及 性能價格比高。 S7200PLC 的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) S7200 是模塊化的 PLC，它主要由 CPU模塊、擴展模塊和總線連接電纜構(gòu)成。 （ 1） CPU 模塊 該模塊主要包括 CPU、電源和 I/O 點 3 部分。 CPU 主要負責(zé)程序的運行等工作；模塊的電源不僅向 CPU 供電，還要滿足與 CPU 模塊相連的其他模塊的用電需求；該模塊本身自帶一定數(shù)量的開關(guān)量 I/O 點，如果能夠滿足控制要求，則可以不再需要開關(guān)量 I/O 模塊。 （ 2）擴展模塊 由于 CPU 模塊本身的 I/O 點非常有限、而且無模擬量 I/O 點，所以有時需要數(shù)字量 I/O 模塊、模擬量 I/O 模塊等一些特殊功能模塊。 （ 3）總線連接電纜 總線連接電纜用來把 I/O 模塊和 PLC 或其他的擴展模塊連接在一起。 S7200PLC 的硬件系統(tǒng)配置 S7200 有兩種系統(tǒng)配置方式，一種是在面板上進行配置，另一種是在 DIN導(dǎo)軌上進行配置。兩種系統(tǒng)配置方式分別如圖 圖 。 22 圖 第 1種系統(tǒng)配置圖 圖 第 2種系統(tǒng)配置圖 SIMATIC S7200 系列 PLC 適用于各種場合中的檢測及控制的自動化。S7200 系列的強大功能使其 無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，尤其在集散自動化系統(tǒng)中更能充分發(fā)揮其強大的功能。因此，可選擇西門子公司的 SIMATIC S7200 系列 PLC。 另外，由于在 S7200 系列 中，輸出信號有兩種類型：繼電器輸出型和 DC輸出（晶體管輸出）型，而在此系統(tǒng)當中只有直流電壓信號輸出，沒有交流電壓輸出，所以選擇了晶體管輸出型 PLC。 綜上所述， 本設(shè)計選用了西門子 S7200 系列 CPU226 晶體管輸出 型的 PLC，其 中 24 輸入 /16 輸出 共 40 個數(shù)字量 I/O 點，并可連接 7 個擴展摸板單元，包括模擬 量擴展摸板， 這已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)所需要的輸入輸出端口要求。 PLC 數(shù)字量擴展模板的選擇 本系統(tǒng)設(shè)計采用的是西門子 S7200 型 CPU226 的 PLC，它有 24 輸入 /16輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點， 由于 該系統(tǒng)輸出點數(shù)需要 24 點，所以采用數(shù)字量擴展模塊。 S7200 系列目前可以提供三大類共 9種數(shù)字量輸入輸出擴展模塊。 EM221，數(shù)字量輸入（ DI）擴展模塊，具有 8 點 DC 輸入，光電耦合器隔離。 EM222，數(shù)字量輸出（ DO）擴展模塊，有 2種輸出類型： 8點 DC24V 輸出；S7200 I/O 模塊 I/O 模塊 面板 S7200 I/O模塊 I/O模塊 I/O模塊 I/O模塊 DIN 導(dǎo)軌 23 8 點繼電器輸出型。 EM223，數(shù)字量混合輸入 /輸出（ DI/DO）擴展模塊，有 6種輸出類型： DC24V輸入 4 點 /輸出 4點； DC24V 輸入 4 點 /繼電器輸出 4 點； DC24V 輸入點 /輸出點；DC24V 輸入 8點 /繼電器輸出 8 點； DC24V 輸入 16點 /輸出 16點； DC24V 輸入 16點 /繼電器輸出 16點。 由上述 所需擴展輸出點數(shù)可知，此系統(tǒng)采用數(shù)字量輸出擴展模塊 EM222， 8點 DC24V 輸出型。 模擬量擴展單元摸板選擇 對與整個音樂噴泉 PLC 控制系統(tǒng)來說，硬件的組成及選擇都是關(guān)系到設(shè)計是否合理的一個重要依據(jù)。因此， 本設(shè)計硬件系統(tǒng)由主控制器 PLC、 A/D 轉(zhuǎn)換器模塊、變 頻器、 潛水泵、音箱設(shè)備以及燈光等多部分組成。 在上述章節(jié)中介紹了PLC主控制器的選擇， 下面將詳細介紹音樂噴泉控制系統(tǒng) A/D轉(zhuǎn)換器模塊 的選擇。 模擬量輸入接口模板的簡介 模擬量輸入接口模板的任務(wù)是把現(xiàn)場中被測的模擬量信號轉(zhuǎn)變成 PLC 可以處理的數(shù)字量信號。通常生產(chǎn)現(xiàn)場可能有多路模擬信號需要采集，各模擬量的類型和參數(shù)都可能不同，這就需要在進入模板前，對模擬量信號進行轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，把它們變換成輸入模板能統(tǒng)一處理的電信號，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進行多中選一，再將已選中的那 路信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束進行必要處理后，送入數(shù)據(jù)總線供CPU 存取，或存入中間寄存器備用。 A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入模板的關(guān)鍵器件，它完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時間一般為 10~100us， A/D 轉(zhuǎn)換器是在控制的控制下，完成啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果等工作過程。通常， A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果是以帶符號的二進制形式出現(xiàn)。 24 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)光電隔離，再經(jīng)數(shù)據(jù)驅(qū)動器，送入中間寄存器。當 CPU需要讀取本通道輸入信號時，再由中間寄存器取出，經(jīng)總線驅(qū)動后送入數(shù)據(jù)總線。經(jīng)數(shù)據(jù)線驅(qū)動的輸出數(shù)據(jù)也可以不經(jīng)中間寄存器而直接進入總線 驅(qū)動，供 CPU 立即讀取。 A/D 模塊的選擇 西門子 S7200 型 PLC 的模擬量擴展單元模板類型有以下三種： 第一種： EM231， 4路 12 位模擬量輸入（ AI）模板 （ 1）差分輸入，輸入范圍：電壓： 0～ 10V， 0～ 5V， +， +5V。 電流： 0～ 20mA。 （ 2）轉(zhuǎn)換時間： 250us。 （ 3）最大輸入電壓 30VDC，最大輸入電流 32mA。 第二種： EM232， 2路 12 位模擬量輸出（ AO）模板 （ 1）輸出范圍：電壓 +10V，電流 0～ 20mA。 （ 2）數(shù) 據(jù)字格式：電壓 32020～ +32020，電流 0～ +32020。 （ 3）分辨率：電壓 12 位，電流 11 位。 第三種： EM235，模擬量混合輸入 /輸出（ AI/AO）模板 （ 1）模擬量輸入 4路，模擬量輸出 1路。 （ 2）差分輸入，電壓： 0～ 10V， 0～ 5V， 0～ 1V， 0～ 500mV， 0～ 100mV， 0～50mV， +10V， +5V， +， +1V， +500mV， +250mV， +100mV，+50mV， +25mV。 電流： 0～ 20mA。 （ 3）轉(zhuǎn)換時間： 250us。 （ 4）穩(wěn)定時 間：電壓 100us，電流 2ms。 25 在本系統(tǒng)設(shè)計中，只需要考慮模擬量的輸入模板，不需要模擬量輸出模板，所以首選擴展模塊為 EM231， 4路 12位模擬量輸入（ AI）模板。 控制系統(tǒng)的 I/O 地址分配 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的關(guān)鍵部分是設(shè)計 PLC 的外部電路，即畫出 PLC的外部硬件連線圖。根據(jù)以上所選的 CPU 模塊型號、各擴展模塊的型號以及本機的I/O 地址， 為了明確每個輸入端傳入數(shù)據(jù)的意義和每個輸出線圈所控制的量，給出 I/O資源配置表如表 和 表 。 數(shù)字量輸入部分： 如表 所示 表 數(shù) 字量 輸入地址分配表 信號名稱 外部元件 輸入地址 備 注 啟動按鈕 SB1 1啟動 停止按鈕 SB2 1停止 模擬量輸入 部分 ： 如表 表 模擬量 輸入地址分配表 信號名稱 外部元件 輸入寄存器 備 注 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量 EM231模塊 AIW0 — 數(shù)字量輸出部分 ： 如表 表