【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 變頻器 水泵圖 22 花式噴泉控制系統(tǒng)原理圖 音樂(lè)控制原理 樂(lè)曲播放音樂(lè)噴泉所播放的樂(lè)曲可以從電腦播放器播放，通過(guò)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(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣。當(dāng)操作員在樂(lè)曲數(shù)據(jù)庫(kù)中確定了演示樂(lè)曲后，隨后啟動(dòng)該驅(qū)動(dòng)器，正確地播放選定的樂(lè)曲。 水型與樂(lè)曲同步控制當(dāng)樂(lè)曲開(kāi)始播放，水型會(huì)同步演示。在上一首樂(lè)曲結(jié)束和下一首樂(lè)曲開(kāi)始的間歇期間，水型也會(huì)保持同步停止和繼續(xù)演示。此音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)能提供可調(diào)整的噴泉延時(shí)，使水型與樂(lè)曲達(dá)到同步的效果。 水型的程序演示噴泉潛水泵電動(dòng)機(jī)是受控制器內(nèi)部的程序控制，每一首樂(lè)曲可從控制器中相應(yīng)的找到對(duì)應(yīng)的固定程序數(shù)據(jù)，并可以將其對(duì)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(guò)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(huì)變化、動(dòng)作。 水型的節(jié)奏隨動(dòng)控制對(duì)于不同的音樂(lè)，其水型的跳躍和搖擺是與樂(lè)曲的節(jié)奏同步的，表演出音樂(lè)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(duì)其音頻信號(hào)采集轉(zhuǎn)換后通過(guò)對(duì)應(yīng)的程序所表現(xiàn)出的。通過(guò)變頻器對(duì)潛水泵實(shí)現(xiàn)加速、減速等控制，以達(dá)到對(duì)不同音樂(lè)信號(hào)的不同觀賞感。第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 可編程控制器(PLC)的選型 PLC 概述 可編程控制器，英文稱 Programmablc Controllcr，簡(jiǎn)稱 PLC，木課題中用PLC 作為它的簡(jiǎn)稱。PLC 是用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電控制器。它源于繼電器控制技術(shù)，但基于電子計(jì)算機(jī)。它通過(guò)運(yùn)行存儲(chǔ)在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過(guò)程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進(jìn)而再通過(guò)輸出電路的物理過(guò)程去實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的控制。 PLC 基于電子計(jì)算機(jī)，但并不等同于普通計(jì)算機(jī)。普通計(jì)算機(jī)進(jìn)行入出信息變換時(shí)，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過(guò)程一般不考慮的。而 PLC則要考慮信息入出的可靠性、實(shí)時(shí)性，以及信息的實(shí)際使用。特別要考慮怎么適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，便于維修及抗干擾等問(wèn)題，入出信息變換及可靠的物理實(shí)現(xiàn)，可以說(shuō)是 PLC 實(shí)現(xiàn)控制的兩個(gè)基本要點(diǎn)。PLC 可以通過(guò)它的外設(shè)或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電控制裝置多的多、強(qiáng)的多。 PLC 有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的 I/O 接口、通信接口，有大容量的內(nèi)存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下基本的功能。 邏輯處理功能；○ 1 數(shù)據(jù)運(yùn)算功能；○ 2 準(zhǔn)確定時(shí)功能：○ 3 高速計(jì)數(shù)功能；○ 4 中斷處理（可以實(shí)現(xiàn)各種內(nèi)外中斷）功能；○ 5 程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；○ 6 聯(lián)網(wǎng)通信功能；○ 7 自檢測(cè)、白診斷功能；○ 8 可以說(shuō)，凡普通小型計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的功能，PLC 幾乎也都可以做到。 像 PLC 這樣。有很豐富的功能，是別的電控器所沒(méi)有的，更是傳統(tǒng)的繼電控制電路所無(wú)法比擬的。豐富的功能為 PLC 的廣泛應(yīng)用提供了可能，同時(shí)，也為自動(dòng)門行業(yè)的遠(yuǎn)程化、信息化及智能化創(chuàng)造了條件。 PLC 的選型 在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析。工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 (1)輸入輸出(I/O)點(diǎn)數(shù)的估算。 I/O 點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加 1O%～20%的可擴(kuò)展。余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。 (2)存儲(chǔ)器容量的估算。 存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。 存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不司公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)的 10～15 倍，加上模擬 I/O 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16 位為一個(gè)字） ，另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。因此本課題的 PLC 內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲(chǔ) 2022 條梯形圖，這樣才能在以后的改造過(guò)程中有足夠的空間。 (3)控制功能的選擇。 該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。 控制功能○ 1 PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場(chǎng)合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高 PLC 的處理速度和節(jié)省存儲(chǔ)器容量。 編程功能○ 2 離線編程方式：PLC 和編程器公用一個(gè) CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU 只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU 和編程器有各自的 CPU，主機(jī)CPU 負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。 五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言：順序功能圖(SFC)、梯形圖(LD)、功能模塊圖(FBD)三種圖形化語(yǔ)言和語(yǔ)句表(IL)、結(jié)構(gòu)文本(ST)兩種文本語(yǔ)言；選用的編程語(yǔ)言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)(IEC6113123)，同時(shí)，還應(yīng)支持多種語(yǔ)言編程形式，如 C，Basic等，以滿足特殊控制場(chǎng)合的控制要求。 診斷功能○ 3 PLC 的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過(guò)硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過(guò)軟件對(duì) PLC 內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過(guò)軟件對(duì) PLC 的 CPU 與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。 PLC 的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。 (4)機(jī)型的選擇。通過(guò)對(duì)輸入／輸出點(diǎn)的選擇、對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇、對(duì) I/O 響應(yīng)時(shí)間的選擇以及輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型的分許。西門子 S7 系列 PLC 體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力、功能更強(qiáng)、可靠性更高等特點(diǎn)。該控制系統(tǒng)選用西門子 S7—200 系列 PLC，它是超小型化的 PLC，它適用于各行個(gè)業(yè)，各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。S7—200 PLC 的強(qiáng)大功能使其無(wú)論單擊運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。S7—200 PLC 可提供 4 種不同基本型號(hào)的 8 種 CPU。 變頻器的選型我設(shè)計(jì)的是通過(guò)變頻器調(diào)速技術(shù)來(lái)控制每環(huán)噴水管的高度。我選用的是FRS520 (S)E 系列變頻調(diào)速器。 水泵的選型由于噴泉的水泵必須滿足大功率快速精確起停，而且其輸出功率必須能夠精確的進(jìn)行控制。我選用品牌為 DESHB(德士比)的 噴泉泵。具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊：無(wú)需引水、使用簡(jiǎn)便：雙端密封、電器保護(hù)；設(shè)計(jì)合理、性能優(yōu)良：經(jīng)久耐用、安全可靠。并且水泵出口采用圓法蘭結(jié)構(gòu)，電機(jī)為F 級(jí)絕緣，適用于音樂(lè)噴泉等場(chǎng)合對(duì)電機(jī)頻繁啟動(dòng)的要求，葉輪具有防松裝置，不怕反轉(zhuǎn)。其實(shí)物圖見(jiàn)其 31 所示。圖 31 QYP 噴泉泵的實(shí)物圖 硬件接線圖PLC 的輸入與輸出最好分開(kāi)走線，開(kāi)關(guān)量與模擬量也要分開(kāi)敷設(shè)。模擬量信號(hào)的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地。電源部分包括 PLC 工作電源 AC220V，其他輸入/輸出電源電壓均為 DC24V。 PLC 的外部硬件連接圖見(jiàn)附錄 A。在整個(gè) PLC 外部硬件連接圖中，包括數(shù)字量、模擬量的輸入接線和數(shù)字量輸出接線三個(gè)部分：數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入點(diǎn)有兩個(gè)分別為 和 ，其中 為啟動(dòng)按鈕，當(dāng)按下 時(shí)，PLC 進(jìn)入程序運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)程序進(jìn)行循環(huán)掃描； 為停止按鈕，當(dāng)按下 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止所有程序的掃描，并能控制到此時(shí)無(wú)輸出，而且同時(shí)將所有置位信號(hào)復(fù)位。另外，當(dāng)外部水泵電源線路中過(guò)載熱繼電器保護(hù)裝置 FR 出現(xiàn)動(dòng)作時(shí)，也同樣可以將 PLC 系統(tǒng)所有工作立即停止。模擬量輸入模擬量輸入通過(guò) PLC 的擴(kuò)展插口直接利用數(shù)據(jù)線連接，不需要另外占用端子排上的端口。因?yàn)橐纛l信號(hào)的直接來(lái)源于 CD、VCD、DVD 等設(shè)備，而不是通過(guò)功放將音頻信號(hào)功率大后再輸入轉(zhuǎn)換模塊的，所以，當(dāng)音頻信號(hào)以電流 0~20mA的形式時(shí)，可直接接入模擬量轉(zhuǎn)換模塊 EM231，通過(guò)編制程序可直接從模擬量轉(zhuǎn)換 EM231 中的變量寄存器中讀取數(shù)據(jù)。數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出包括：變頻器和潛水燈兩部分。由于采用的是西門子 S7200 系列 CPU226 型的 PLC，根據(jù)輸出點(diǎn)數(shù)可知，需加數(shù)字量擴(kuò)展模塊 EM222。圖中所示輸出 ~ 分別分成 8 個(gè)一組接至相應(yīng)的 4 組變頻器控制端子，其中STF 為啟動(dòng)變頻器正轉(zhuǎn)端，高速 RH 端、中速 RM 端以及低速 RL 端為組合調(diào)速端，通過(guò)三個(gè)端子可組合成為 7 速調(diào)節(jié)，從而使得潛水泵的速度變化也會(huì)相應(yīng)的跟著有所改變。另外，數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊 EM222 的 ~ 所接為固態(tài)繼電器，通過(guò)控制固態(tài)繼電器的通斷，將改變 7 組燈光的變化組合，其中 輸出控制主電路電源通斷。系統(tǒng)的硬件連接圖即 PLC 和系統(tǒng)中各個(gè)硬件的連線。具體的如圖 32，33所示。QSL231上 保 護(hù) 開(kāi) 關(guān)下 保 護(hù) 開(kāi) 關(guān) KM停 止 按 鈕啟 動(dòng) 按 鈕選 擇 開(kāi) 關(guān) 1的 位 置選 擇 開(kāi) 關(guān) 2的 位 置選 擇 開(kāi) 關(guān) 3的 位 置燈 控 按 鈕 DC12V電 源 指 示控 制 管 噴 水控 制 2管 噴 水控 制 3管 噴 水控 制 4管 噴 水紅 色 燈黃 色 燈綠 色 燈 L123UVWRMLSTFDNL32COM+D4V0Y23COMY56710Y2COM4X1XV變頻器PFN3R圖 32 硬件接線圖 MFR1KM12QSFR2KM34QSMFR3KM56QS4FR4KM78QS5QS1L23PHUVW變 頻 器QSL23圖 33 變頻器和水泵的接線圖 I/O 分配表及估算序號(hào) 輸出 說(shuō)明1 Y0 電源指示2 Y1 控制 1 管噴水3 Y2 控制 2 管噴水4 Y3 控制 3 管噴水5 Y4 控制 4 管噴水6 Y5 紅色燈7 Y6 黃色燈8 Y7 綠色燈9 Y8 中速10 Y9 慢速11 Y10 正轉(zhuǎn)表 34 I/O 分配點(diǎn)輸出說(shuō)明序號(hào) 輸入 說(shuō)明1 X0 停止按鈕2 X1 啟動(dòng)按鈕3 X2 選擇開(kāi)關(guān) 1 的位置4 X3 選擇開(kāi)關(guān) 2 的位置5 X4 選擇開(kāi)關(guān) 3 的位置6 X5 燈控按鈕表 35 I/O 分配點(diǎn)輸入說(shuō)明 控制系統(tǒng) I/O 口的估算本設(shè)計(jì)是音樂(lè)噴泉 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),根據(jù) PLC 的 I/O 節(jié)點(diǎn)使用原則,應(yīng)留出一定的 I/O點(diǎn)以做擴(kuò)展時(shí)使用。在對(duì)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(diǎn)數(shù)。 系統(tǒng)數(shù)字量輸入所需點(diǎn)數(shù)估算本系統(tǒng)是根據(jù)音樂(lè)的旋律、音頻信號(hào)的大小來(lái)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(dòng)、停止兩個(gè)功能。如表 所示項(xiàng)目名稱 輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù)啟動(dòng)按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)啟動(dòng)停止按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)停止輸入點(diǎn)數(shù)：2表 系統(tǒng)數(shù)字量輸入所需各元器件功能及所占 PLC 點(diǎn)數(shù) 系統(tǒng)模擬量輸入所需點(diǎn)數(shù)估算為了將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成 PLC 能識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，這里需采用一個(gè)模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊，所以模擬量輸入點(diǎn)為 1 個(gè)。如表 所示項(xiàng)目名稱 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù)音頻信號(hào)變送模塊 1音頻信號(hào)大小 輸入點(diǎn)數(shù)：1表 系統(tǒng)模擬量輸入所需各元器件功能及所占 PLC 點(diǎn)數(shù) 系統(tǒng)數(shù)字量輸出所需點(diǎn)數(shù)估算系統(tǒng)數(shù)字量輸出分為控制變頻器開(kāi)關(guān)量、控制燈光開(kāi)關(guān)量?jī)蓚€(gè)部分，其中變頻器有啟動(dòng)和調(diào)速兩種控制量。如表 所示項(xiàng)目名稱 輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù)啟動(dòng)變頻器開(kāi)關(guān)量5 控制變頻器運(yùn)行變頻器速度開(kāi)關(guān)量12 選擇變頻器頻率水下等光控制輸出7 水下燈光的控制輸出總點(diǎn)數(shù)：24表 系統(tǒng)數(shù)字量輸出所需各元器件功能及所占 PLC 點(diǎn)數(shù) 音樂(lè)原理音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)以 AT89S52 單片機(jī)為核心，通過(guò) I/O 口實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，彩燈的閃爍以及液晶屏的顯示和音樂(lè)的播放，其系統(tǒng)原理框圖如圖 31所示：圖 37 音樂(lè)噴泉控制框圖主要用到的器件有：AT89S52 單片機(jī)、LCD1602 液晶顯示屏、直流電機(jī)、L298N 芯片、蜂鳴器、調(diào)微器、9012 三極管、12M 晶振、二極管、各類阻值的電阻和電容等。 音樂(lè)控制模塊音樂(lè)聽(tīng)起來(lái)有的高，有的低，這就叫高音。高音是有發(fā)音物體振動(dòng)頻率的高低決定的，頻率高的就高，頻率低的就低。不同高音的音樂(lè)是用 C、D、E、F、A、G 來(lái)表示的，這 7 個(gè)字母就是音樂(lè)的