【文章內(nèi)容簡介】 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。 5)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(dá)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(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)過軟 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)換成實數(shù)，再通過在軟 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。當(dāng)轉(zhuǎn)速的快慢、音樂音頻信號各頻率對應(yīng)聲音信號的強(qiáng)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。設(shè)每次對音頻信號的采樣時間為 , 系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)組成將在第三章進(jìn)行詳細(xì)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?dāng)中應(yīng)用的實際情況，對該系統(tǒng)采用繼電器、單片機(jī)以及軟 PLC 作為控制系統(tǒng)主要控制器件的優(yōu)缺點進(jìn)行了比較，并進(jìn)行方案選擇論證。 2 系統(tǒng)概述及方案論證 7 方案分析 廣場音樂噴泉的控制系統(tǒng)，要求具備如下功 能： A. 廣場樂曲播放； B. 水型與樂曲同步 ； C. 水型的演示 的控制； D. 彩色燈光的 控制； E. 強(qiáng)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(jì)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(jì)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(jìn)步，該 型 控制系統(tǒng)已逐漸被淘汰。 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。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(qiáng)，可靠性較高，操作簡單，并且易于維護(hù)。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(jī)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(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。 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。但是，如果利用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，其性能會受到相學(xué)士學(xué)位論文 8 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。 方案三 ：軟 PLC 控制系統(tǒng) 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，軟 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，以軟 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： 1)硬件的可靠性 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特的方式。由于軟 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(jī)等外圍裝置上，這樣便易于檢修和維護(hù)。 2)編程簡單，使用方便 軟 PLC 采用面向控制過程、面向問題的 “自然語言 ”編程，容易掌握。這種面向控制過程、面向問題的編程方式，與目前微機(jī)控制常用的匯編語言相比，雖然在軟 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(jī) 電控制設(shè)備來說，這些時間是可以忽略的。 3)接線簡單，通用性好 軟 PLC 的接線只需將輸入信號的設(shè)備（按鈕、開關(guān)等）與軟 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）與軟 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。 4)可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 軟 PLC 可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 5)易于安裝，便于維護(hù) 軟 PLC 安裝簡單而且功能強(qiáng)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)改換到軟 PLC 系統(tǒng)的情 況下，軟 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。 方案論證 對音樂噴泉的成敗最重要的是看噴出的水流量是否有音樂感。軟 PLC 的主要功能是對音樂信號進(jìn)行處理，再將處理后的信號傳輸?shù)较乱患壙刂圃O(shè)備，這樣就可以控制所需的水型及燈光按照音樂的節(jié)奏高低起伏和動感變化，使音樂噴泉真正達(dá)到了水上芭蕾的藝術(shù)效果。軟 PLC 所具有的準(zhǔn)確、精密、快速、穩(wěn)定的特點和多點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。 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；軟 PLC 控制等三種控制器。 2 系統(tǒng)概述及方案論證 9 綜上所 述 ，對這三種不同形式的控制器的比較，在廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)中，很顯然軟 PLC 作為控制器的優(yōu)勢比較明顯、突出。因此，在此次音樂噴泉控制系統(tǒng)中選用了軟 PLC 作為控制器的方案。 對選定方案的分析 A． 可行性分析 1）功能可行性分析： 由于系統(tǒng)各主要部分所需要滿足的功能步驟及要求大多是開關(guān)量信號，所以選擇可編程序邏輯控制器是完全能夠滿足其功能要求的。 2）系統(tǒng)可靠性分析：系統(tǒng)主要靠軟 PLC 內(nèi)部程序運行，從而達(dá)到實時性、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。 3）系統(tǒng)擴(kuò)展性分析：系統(tǒng)采用軟 PLC 作為控制器，其本身就具有極強(qiáng)的功能擴(kuò)展性，加之軟 PLC 產(chǎn)品的完整性，使得系統(tǒng)功能擴(kuò)展極其方便 。 4）系統(tǒng)可維護(hù)性分析： 系統(tǒng)采用先進(jìn)控制方式，大大降低了工程成本，并由于系統(tǒng)組態(tài)及結(jié)構(gòu)簡單，這使得可維護(hù)性增強(qiáng) 。 B． 技術(shù)性能 1）軟 PLC 選型：軟 PLC 的選擇是否能讓功能與任務(wù)相適應(yīng)；軟 PLC 的處理速度是否滿足實時控制的要求； 2）擴(kuò)展模塊的選擇： 開關(guān)量輸入模塊工作電壓的選擇；開關(guān) 量輸出模塊輸出方式的選擇；模擬量輸入模塊的模擬量值的輸入范圍考慮。 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。而綜合上述方案論證，大型廣場音樂噴泉采用軟 PLC 控制系統(tǒng)既能很好地滿足其性能要求，并能很好的實現(xiàn)音樂噴泉的各種功能，又經(jīng)濟(jì) 、 安全、方便實用。本文就是基于以上所介紹的軟 PLC 的諸多優(yōu)點而設(shè)計的。同時，在后續(xù)的設(shè)計中 將綜合 考慮控制系統(tǒng)的技術(shù)性能。 學(xué)士學(xué)位論文 10 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 11 3 系統(tǒng)硬件 設(shè)計 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、軟 PLC 控制系統(tǒng) I/O 點數(shù)的估算、元器件參數(shù)選擇、軟 PLC 外部硬件接線圖以及 控制系統(tǒng)主電路圖 等內(nèi)容 。 控制系統(tǒng)的組成部分 硬件系統(tǒng) 主要 由軟 PLC、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 、 變頻 器、潛水泵和燈光 組成。 通過軟 PLC對音頻信號的采樣、轉(zhuǎn)換來控制變頻器和故態(tài)繼電器的動作，從而達(dá)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 所示。 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(qiáng)弱等進(jìn)行檢測并將檢到的信號以電平、脈沖或數(shù)字形式送至軟 PLC 的電路。 學(xué)士學(xué)位論文 12 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(qiáng)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(qiáng)度與采樣過來轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量成比例 ,所以軟 PLC 要對采樣后的數(shù)字量進(jìn)行分段、轉(zhuǎn)換、比較才能輸出到相對應(yīng)的變頻器，以達(dá)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(dá)到了音樂噴泉的最基本要求。 軟 PLC 的選型 音樂噴泉邏輯控制系統(tǒng)的控制核心是軟 PLC， 在建立一個軟 PLC 控制系統(tǒng)時， 哪些信號需要輸入至軟 PLC，軟 PLC 需要驅(qū)動哪些負(fù)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(jìn)行分配輸入輸出設(shè)備。 因此， I/O 點數(shù)的確定，是設(shè)計整個軟 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 了軟 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 對軟 PLC 進(jìn)行選型，并進(jìn)一步進(jìn)行輸入 /輸出量的確定 。 軟 PLC 控制系統(tǒng) I/O 口的估算 本設(shè)計是廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計 ,根據(jù)軟 PLC 的 I/O節(jié)點使用原則 ,應(yīng)留出一定的 I/O 點以做擴(kuò)展時使用。在對系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行分析后，可以大概確定系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)。 1） 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 31 所示 表 31 系統(tǒng)數(shù)字量輸入所需各元器件功能及所占軟 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 停止按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)停止 2） 系統(tǒng) 模擬量輸入 所需點數(shù)估算 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 13 為了將 音頻信 號轉(zhuǎn)化成軟 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 32 所示 表 32 系統(tǒng)模擬量輸入所需各元器件功能及所占軟 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 3） 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 33 所示 表 33 系統(tǒng)數(shù)字量輸出所需各元器件功能及所占軟 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 軟 PLC 的選型 由以上對廣場音樂噴泉控制系統(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(kuò)展模塊 1 個 。 同時，考慮到該系統(tǒng)是單機(jī)系統(tǒng)，可選擇整體式結(jié)構(gòu)的軟 PLC。 軟 PLC 類型的選擇 1）硬件配置為：研華 PCL726 卡板 +電腦 一臺 +研華 ADAM5000E 模塊 研華 PCL726 卡板的功能 6路獨立 D/A 輸出 12 位分辨率雙緩沖 D/A 轉(zhuǎn)換器 16 路數(shù)字量輸入及 16 路數(shù)字量輸出