【文章內(nèi)容簡介】 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。 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(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)計是廣場音樂噴泉控制系統(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。 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。 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。 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類型的選擇在眾多的PLC種類當(dāng)中，有松下FP1系列PLC、西門子S7200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(dāng)中詳細(xì)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(fù)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。S7200I/O模塊I/O模塊I/O模塊I/O模塊DIN導(dǎo)軌S7200I/O模塊I/O模塊面板 第1種系統(tǒng)配置圖 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(dāng)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；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(xì)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)。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(dāng)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32000～+32000，電流0～+32000。（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。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/。 數(shù)字量輸入部分： 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SB11啟動停止按鈕SB21停止 模擬量輸入部分： 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： 數(shù)字量輸出地址分配表信號名稱外部元件輸出地址啟動變頻器1（正轉(zhuǎn)）STF工作繼電器STF變頻器1低速RL工作繼電器RL變頻器1中速RM工作繼電器RM變頻器1高速RH工作繼電器RH啟動變頻器2（正轉(zhuǎn)）STF工作繼電器STF變頻器2低速RL工作繼電器RL變頻器2中速RM工作繼電器RM變頻器2高速RH工作繼電器RH啟動變頻器3（正轉(zhuǎn)）STF工作繼電器STF變頻器3低速RL工作繼電器RL變頻器3中速RM工作繼電器RM變頻器3高速RH工作繼電器RH啟動變頻器4（正轉(zhuǎn)）STF工作繼電器STF變頻器4低速RL工作繼電器RL變頻器4中速RM工作繼電器RM變頻器4高速RH工作繼電器RH第1組潛水燈HL0第2組潛水燈HL1第3組潛水燈HL2第4組潛水燈HL3第5組潛水燈HL4第6組潛水燈HL5第7組潛水燈HL6主電路電源