【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(duì)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(hào)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(duì)音樂信號(hào)的采樣，根據(jù)控制精度的需要,人耳的聽覺,音樂信號(hào)的特點(diǎn)。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PLC要對(duì)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(duì)應(yīng)的變頻器，以達(dá)到控制水泵旋轉(zhuǎn)速度。因?yàn)橛辛怂?，音樂已不再僅是背景音樂，音樂已用來控制整個(gè)噴池噴頭的動(dòng)作與否，因而已達(dá)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(gè)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，哪些信號(hào)需要輸入至PLC，PLC需要驅(qū)動(dòng)哪些負(fù)載,以及采用何種編程方式，都會(huì)影響到其內(nèi)部I/O點(diǎn)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(dòng)作的順序和各個(gè)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(diǎn)數(shù)的確定，是設(shè)計(jì)整個(gè)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(jì)，也是系統(tǒng)軟件編寫的前提。在估算了PLC的輸入輸出點(diǎn)、內(nèi)部輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器之后，就可以對(duì)PLC進(jìn)行選型，并進(jìn)一步進(jìn)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(jì)是廣場音樂噴泉控制系統(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)音樂的旋律、音頻信號(hào)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(dòng)、停止兩個(gè)功能。 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)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)輸入點(diǎn)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(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)。 系統(tǒng)模擬量輸入所需各元器件功能及所占PLC點(diǎn)數(shù)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關(guān)量、控制燈光開關(guān)量兩個(gè)部分，其中變頻器有啟動(dòng)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(diǎn)數(shù)項(xiàng)目名稱輸入點(diǎn)數(shù)備 注總點(diǎn)數(shù)啟動(dòng)變頻器開關(guān)量5控制變頻器運(yùn)行輸出總點(diǎn)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(duì)廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的組成、工作過程、I/O點(diǎn)的估算等分析可知，系統(tǒng)中實(shí)際需要數(shù)字量輸入點(diǎn)2點(diǎn),模擬量輸入模塊1個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)24點(diǎn)，輸出擴(kuò)展模塊1個(gè)。同時(shí)，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(kuò)展模塊多，適合很多控制系統(tǒng)選擇，在本設(shè)計(jì)當(dāng)中詳細(xì)的對(duì)SIMATIC S7200系列產(chǎn)品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。SIMATIC S7200 系列 PLC其主要特點(diǎn)是：它有豐富的指令、內(nèi)置集成功能、擴(kuò)展模塊；具有實(shí)時(shí)特性；強(qiáng)勁的通訊能力；可靠性好，適應(yīng)性強(qiáng)以及性能價(jià)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(kuò)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(diǎn)3部分。CPU主要負(fù)責(zé)程序的運(yùn)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(diǎn)，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(kuò)展模塊由于CPU模塊本身的I/O點(diǎn)非常有限、而且無模擬量I/O點(diǎn)，所以有時(shí)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(kuò)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(jìn)行配置，另一種是在DIN導(dǎo)軌上進(jìn)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(dòng)化。S7200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，尤其在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中更能充分發(fā)揮其強(qiáng)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(hào)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(hào)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(jì)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(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，并可連接7個(gè)擴(kuò)展摸板單元，包括模擬量擴(kuò)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(kuò)展模板的選擇本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是西門子S7200型CPU226的PLC，它有24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，由于該系統(tǒng)輸出點(diǎn)數(shù)需要24點(diǎn)，所以采用數(shù)字量擴(kuò)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(kuò)展模塊。EM221，數(shù)字量輸入（DI）擴(kuò)展模塊，具有8點(diǎn)DC輸入，光電耦合器隔離。EM222，數(shù)字量輸出（DO）擴(kuò)展模塊，有2種輸出類型：8點(diǎn)DC24V輸出；8點(diǎn)繼電器輸出型。EM223，數(shù)字量混合輸入/輸出（DI/DO）擴(kuò)展模塊，有6種輸出類型：DC24V輸入4點(diǎn)/輸出4點(diǎn)；DC24V輸入4點(diǎn)/繼電器輸出4點(diǎn)；DC24V輸入點(diǎn)/輸出點(diǎn)；DC24V輸入8點(diǎn)/繼電器輸出8點(diǎn)；DC24V輸入16點(diǎn)/輸出16點(diǎn)；DC24V輸入16點(diǎn)/繼電器輸出16點(diǎn)。由上述所需擴(kuò)展輸出點(diǎn)數(shù)可知，此系統(tǒng)采用數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊EM222，8點(diǎn)DC24V輸出型。 模擬量擴(kuò)展單元摸板選擇 對(duì)與整個(gè)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(jì)是否合理的一個(gè)重要依據(jù)。因此，本設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)變成PLC可以處理的數(shù)字量信號(hào)。通常生產(chǎn)現(xiàn)場可能有多路模擬信號(hào)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(jìn)入模板前，對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)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(hào)，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行多中選一，再將已選中的那路信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)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(shí)間一般為10~100us，A/D轉(zhuǎn)換器是在控制的控制下，完成啟動(dòng)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(hào)的二進(jìn)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(dòng)器，送入中間寄存器。當(dāng)CPU需要讀取本通道輸入信號(hào)時(shí)，再由中間寄存器取出，經(jīng)總線驅(qū)動(dòng)后送入數(shù)據(jù)總線。經(jīng)數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)的輸出數(shù)據(jù)也可以不經(jīng)中間寄存器而直接進(jìn)入總線驅(qū)動(dòng)，供CPU立即讀取。A/D模塊的選擇西門子S7200型PLC的模擬量擴(kuò)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(shí)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(shí)間：250us。（4）穩(wěn)定時(shí)間：電壓100us，電流2ms。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kuò)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(jì)的關(guān)鍵部分是設(shè)計(jì)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(hào)、各擴(kuò)展模塊的型號(hào)以及本機(jī)的I/O地址，為了明確每個(gè)輸入端傳入數(shù)據(jù)的意義和每個(gè)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(hào)名稱外部元件輸入地址備 注啟動(dòng)按鈕SB11啟動(dòng)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(hào)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(hào)名稱外部元件輸出地址啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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