基于PLC的水幕电影和音乐喷泉控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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基于PLC的水幕电影和音乐喷泉控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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slivinglevelgraduallyimprove,peoplepaymoreandmoreattentiontothelivingenvironmentiscomfortableandbeautiful.Inthiskindofbackground,allkindsofmusicfountainsystemisgraduallypopularizedandapplied.Atthesametime,fromthewatercurtainofforeignfilmtechnologytooisgraduallycameintothelifeofpeople.ThispaperusesPLCtocontrolcenter,andtorealizethemusicfountainandthewatercurtainmoviesynchronouscontrol.Designthoughtmainlyforusethecollectedactivespeakersspeakerofthesignal,makefountainandmusicsynchronization,useofPLCandinvertertechnologytoachievethefountainandthespeedofthecontrolgroupstyle.Moreover,giventhelargethewatercurtainmoviecostly,thisarticlemainlyaimsatthecurtainsofwaterforperformingsmalltypethewatercurtainmoviethecontrolofthedesign.Throughtheexperiment,thesystemhasagoodtimeoffountainandmusicsynchronicities,canwellrealizesound,light,watercombination;
Thewatercurtainmoviepart,reducethecostandhasrelativelybroadapplicationprospects.
Keywords:
PLC,musicfountain,watercurtainmovie,controlsystem
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1绪言
喷泉和水幕电影均是将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体,提供水压的一般为水泵。
[1]喷泉景观概括来说可以分为两大类:
1、因地制宜,根据现场地形结构,仿照天然水景制作而成;
2、完全依靠喷泉设备人工造景。
[2]而水幕电影根据其规模大小可分为:
1、水帘型;
2、大型水幕;
3、水面型。
喷泉原是一种自然景观,是承压水的地面露头。
园林中的喷泉,一般是为了造景的需要,人工建造的具有装饰性的喷水装置。
喷泉可以湿润周围空气,减少尘埃,降低气温。
喷泉的细小水珠同空气分子撞击,能产生大量的负氧离子。
因此,喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。
随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高,现在许多城市的市民广场、文艺晚会中里都能看到水幕电影的身影。
随着科学技术突飞猛进的发展,在水幕电影中采用的主要是从国外的高新技术,在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一,使人们在精神上有种愉悦的感受。
1.1课题背景
社会的发展和进步,使人们对生活环境的要求较从前有很大提高。
在当今社会,人工音乐喷泉,它集光、色、音于一身,给人以美感。
并且随着经济的快速发展,耗资巨大的水幕电影也逐渐走进人们的生活。
在喷泉得到广泛应用的过程中,也出现了一些问题和不足,有些认识上的误区和不良倾向应该引起人们的重视。
否则将对喷泉行业的健康发展产生负面影响。
(1)方案设计上的盲目性,往往导致作品成为败笔,使作品难于长久存在。
(2)细部设计的不合理直接影响作品效果。
(3)质次价高的伪劣产品直接影响着有关厂商和公司的信誉。
(4)节能、节水、环保问题应引起足够的重视。
喷泉的水造型是通过细部设计来实现的,机、泵、管、阀门、喷头的合理选配,直接影响着喷水效果。
有些喷泉的设计,只注意了流量、工作压力等技术指标,忽视了流
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态效果这个重要因素,水造型效果差。
例如:
成功的超高水柱密实段长,破裂段和雾化段短,水柱直径和喷水高度比例合适,抗风能力强,喷水效果挺拔、雄伟。
而目前的一些超高水柱,水柱密实段短,破裂段和雾化段长,水柱直径与喷水高度相比显得细小单薄,抗风能力差,水柱很容易被吹散飘移,这就是有关参数选配不合理所致。
在整体水造型的组合效果上也存在差类似的问题。
细部设计不合理,是技术经济指标差的表现,需要在设计阶段给予解决。
各种水幕电影中,小型的垂直水帘,或许成本最低,但是成像范围过小,意义不大。
最大型的,新加坡的,固定的水幕景观电影,据悉投入超过1.3亿新加坡币;
国内不定期举办的,中型水幕景观,一般投入在2000万元人民币以上;
大型的、单一的、激光效果的水幕表演,据悉投入也在1000万元以上。
水幕工作时的电费、水费、场地费、人员费用等如同烧钱,而且后期维护成本甚高。
并且水幕电影只能在场地非常开阔的,室外区域举行,水池、湖面、河边、江边、海边,或能提供极好供水、排水系统的广场[3]等。
然而,无论是音乐喷泉还是水幕电影,其控制系统都存在着不可忽视的不足之处。
传统的喷泉控制一旦设计好控制电路,就不能随意改变喷水花样及喷水时间。
而水幕电影则具有成本太高,和受场地限制的缺陷。
喷泉的控制系统可采用单片机,可编程序控制器,甚至可采用工控机作控制核心。
水幕电影也可用三种方法进行控制:
编程控制、直接控制和实用程序控制。
若采用PLC控制,利用PLC体积小、功能强、可靠性高,且具有较大的灵活性和可扩展性的特点,通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关,就可以改变花式喷泉的喷水规律,从而不需要改变硬件就可变换出各式花样,适合应用于大型广场或景区的喷泉中。
将小型水幕电影(如水帘型)的技术进行完善,降低成本,扩大可以应用的范围。
1.2课题研究的目的及意义
1.2.1应用前景
随着音乐喷泉市场的需求越来越大,国内外关于音乐喷泉的研究与开发工作也蒸蒸日上。
如今,人们对喷泉的追求主要有一下几个方面:
1、大型化,譬如首尔“巨型喷泉”盘浦大桥给这座大桥带来了全新的惊喜;
2、智能化,随着生活节奏的加快,人们对智能化的追求越发强烈;
3、小型化,随着人们对住宅小区及别墅的环境的要求的提高,小型化喷泉已成为
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音乐喷泉发展的一个方向;
4、融入环境方向,譬如北京奥运村的喷泉给游客带来的视觉冲击。
1.2.2科学意义
采用PLC控制,可使控制系统具有更大的灵活性,有效解决单片机控制不稳定的问题,提高了系统运行的可靠性。
此外,PLC的定时功能、计数功能、步进功能,可灵活编写、增减和修改程序。
利用PLC体积小、功能强、可靠性高,且具有较大的灵活
[4]性和可扩展性的特点,通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关,就可以改变花式喷泉的喷水规律,从而不需要改变硬件就可以变换出合适花样。
而且,PLC还具有强大的自诊断功能,可以迅速方便的检查判断出故障,缩短检修时间,也不需要很多的外围设备和大量复杂的界限,可以缩短设计、施工和投产周期。
1.2.3理论价值
随着计算机硬件技术的飞速发展,新型喷泉与计算机的交互应用越来越广泛,音乐喷泉也越来越精密,使得越来越多的控制部分需要计算机来完成。
计算机控制灯光喷泉成为必然趋势。
因此,建立以PLC为核心的多媒体计算机音乐控制喷泉,采用基于组态程序的计算机控制系统来监控音乐、灯光、流水的变化,以获得较理想的效果。
1.3国内外研究的现状
自古以来,喷泉水景在我国园林建造中应用广泛,然而就其技术而言,一般系利用地形之高差或自然之水压,而形成镜池、溪流、涌泉、壁流、瀑布等,景观形式较为单一。
十多年来,国外喷泉技术装备大量进入国门,国内也建立了许多喷泉器材生产厂。
八十年代中期,深圳、佛山、上海等地相继建成了用微机控制的彩色音乐喷泉,其奇异的景观,声、光、景三者的相互协调和同步变化,令人耳目一新,给人以视听上的高度享受。
随着国民经济的高速发展及人民生活的普遍提高,喷泉水景已逐步成为美化城市改善环境的重要手段。
1.3.1国内现状
喷泉的控制技术是喷泉的重要组成部分,经历了声控、程控到微机控制的发展过程。
目前,生产喷泉器材的工厂在控制方面一般与科研机构、大专院校相结合,使我国自行设计建造的花样喷泉开始采用微机控制技术,进入电脑彩色音乐喷泉的初级阶段。
为了适应喷泉工程建设的需要,国内出现了众多的喷泉设备厂和喷泉设计专业公司,国内较著名的喷泉公司有天津市大德喷泉技术有限公司、北京金瀑布环境艺术有限公司、
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深圳市水体艺术设计有限公司等十几家专业公司。
喷泉与激光造影技术的结合则是我国在喷泉技术上的一项创举,这也是水幕电影的技术基础。
目前,国内的花样喷泉逐渐向智能化、分散化、综合化、多样化的方向发展,于是对喷泉控制系统的设计也提出了更高的要求。
1.3.2国外现状
在国际上,由于现在大多数喷泉使用单位对音乐喷泉的要求越来越高,他们想让喷泉具备更多的变化手段或表现形式,所以有越来越多的用户或者需要根据自己的喜好;
或者对音乐喷泉控制程序进行进一步研发和应用;
或者抱着游戏的态度对喷泉本身的水形变化根据音乐信号的特征进行有目的或随机的编排。
这就要求音乐喷泉控制系统中的组态软件、PLC编程软件、网络通讯架构和变频器必须具备“宏指令编辑功能”(即在组态界面专门开辟出的编辑菜单或子程序内填写相应的数据后存储形成新的控制程序)、开放式编程环境(即可以在线或离线编制与主控制程序相适应的符合国际标准的开放式程序写入到组态软件和PLC程序内形成新的控制程序)和快速稳定可靠的网络通讯功能。
1.4论文的主要内容
本文根据生活当中出现的一些情况,以音乐喷泉和水幕电影为研究对象,结合了大量资料及文献,研究两者基于PLC的控制问题,整理出一套可行性较高的控制系统。
本系统的研究内容主要包括:
1、音乐喷泉和水幕电影的发展情况,及所存在的一系列问题;
2、控制系统的组成;
3、音乐喷泉的控制和硬件配置;
4、水幕电影的控制和硬件配置;
5、程序的设计,再并通过仿真软件来实现。
在设计当中,考虑到喷泉中,一部分需要随音频起伏而发生变化,一部分则不需要发生变化,因此喷头需要分为两部分来分别控制。
前一部分通过变频器控制水泵频率变化达到形成不同花型的效果,后一部分则直接经由继电器控制喷出水柱。
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2控制系统总体设计
音乐喷泉及水幕电影通常用于广场、湖面、主题公园等。
电气设备包括水泵、灯光、音响、变频器、继电器等,总装机容量约在数千kW,由于系统是间歇变化工作,瞬间的电压波动和干扰特别严重,尤其是变频器控制的水泵电机高频电流变化,因此在对这两者进行实时控制时采用下位机和上位机的工作方式。
将用于操作控制的上位机安装在远离设备的控制机房内,并能观察到喷泉和电影全景的地方便于监视、控制。
下位机采PLC,本文论述的下位机采用三菱FX1N型号PLC;
上位机为计算机,与PLC进行通讯,实时对下位机进行监控。
2.1音乐喷泉及水幕电影控制系统的设计
图2.1控制系统总体框图
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2.1.1音乐喷泉部分的设计
如图2.1所示,从电脑声卡中采集音乐信号,此信号一路经由有源音响直接播放,成为外景音乐;
一路将从有源音响扬声器两端取得的电流信号,送入三菱FX1N型号PLC,进行A,D转换,并利用PLC对转换后的数字量进行滤波、限幅等处理,然后由模拟量模块中的D,A输出口进行D,A转换并输出为0—10V的直流电压信号,再将直流电压信号送入变频器的控制端子。
变频器接收到信号后开始快速起动,带动水泵电机转动并速随音乐频率的改变而改变,从而实现喷泉喷射的水花随着音乐优美的旋律而翩翩起舞。
2.1.2水幕电影部分的设计
水幕电影是通过高压水泵和特制水幕发生器,将水自下而上,高速喷出,雾化后形成扇形―银幕‖,由专用放映机将特制的录影带投射在―银幕‖上,形成水幕电影。
当观众在观摩电影时,扇形水幕与自然夜空融为一体,当人物出入画面时,好似人物腾起飞向天空或自天而降,产生一种虚无缥缈和梦幻的感觉,令人神往。
水幕电影投影机由计算机控制。
该投影机的发动机通过光学传感控制,精度高,其控制方法有三种:
水幕高达20余米,宽30-50米,各种VCD光盘或水幕专用影片均可在水幕上播放,影视效果奇特、新颖并是极佳的广告宣传工具,各种广场及阔旷的水面均可安装水幕电影。
2.2控制系统各部分的工作过程
2.2.1PLC在控制系统中的作用
[5]整个PLC控制系统对喷泉及水幕电影的控制主要有3种方式:
1、音控:
在程控状态检测到计算机上有音乐播放时,启动音控程序。
把从计算机声卡采集到的音乐节奏信号转换为模拟量作为PLC的输入信号,经PLC处理后控制变频器的运行,从而控制水泵的转速实现音控。
2、手控:
当开关选择为手控时,控制柜面板上控制水泵电机及水下彩灯的按钮开关可起作用,每个按钮都是PLC的一个输入点,可单独控制水泵的起停及彩灯的亮灭;
亦便于陕速维护与检修整个系统。
手控时可有选择性的决定是否启动水幕电影,如需启动,则将控制水幕的三个继电器开启,继而打开水泵,形成水幕。
3、程控:
当开关选择程控时,喷泉按照PLC内预先设计的“花样”程序循环运行。
在本系统中,三种控制方法均有其用武之地。
音控用于需要随音频变化的部分喷泉的控制;
手控用于不需要变化的部分喷泉,及水幕的开启与关闭的控制;
程控则用于喷
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泉花样的变化控制。
具体控制如下:
1、扫描技术
当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
2、输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
3、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即,在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;
相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
4、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
这时,才是PLC的真正输出。
同样的若干条梯形图,其排列次序不同,执行的结果也不同。
另外,采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。
当然,如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略,那么二者之间就没有什么区别了。
一般来说,PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等,即一个扫描周期等于自诊断、通
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讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
2.2.2变频器在控制系统中的作用
变频器是将频率固定(通常为工频50Hz)的交流电变换成频率连续可调(多数为0-400Hz)的三相交流电源,它首先通过整流将交流变成直流,经过平滑滤波,再经过逆
[6]变回路,把直流变成不同频率的交流。
当用于异步电动机调速时,可使电动机获得无级变速所需要的电压、电流和频率。
本系统中,变频器接收三菱PLC模拟模块处理后的0-10V直流电压信号,根据电压变化,按照内部编程进行水泵电机的变频调速,控制水泵电机的转速,获得相应的喷水压力和水花高度,获得与音乐频率相吻合的水花节奏和动感,其内部程序根据需要和要求按一定规律或规则进行编程。
变频器接线如图2.2所示。
图2.2变频器接线图
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2.2.3继电器在控制系统中的作用
继电器工作原理框图见图2.3。
图中的继电器由五个部件构成,从整体上看,只有两个输入端和两个输出端,但又在电气上断开继电器中输入端与输出端的联系。
在本控制系统中,由程序控制器即PLC产生控制信号,通过固态继电器带动水下彩灯、不需要变化的喷泉喷头,以及负责喷出水幕的水泵的工作(如图2.4)。
图2.3固态继电器工作原理图
图2.4控制系统原理图
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2.2.4水泵在控制系统中的作用
开泵前,吸入管和泵内必须充满液体。
开泵后,叶轮高速旋转,其中的液体随着叶片一起旋转,在离心力的作用下,飞离叶轮向外射出,射出的液体在泵壳扩散室内速度
[7]逐渐变慢,压力逐渐增加,然后从泵出口,排出管流出。
此时,在叶片中心处由于液体被甩向周围而形成既没有空气又没有液体的真空低压区,液池中的液体在池面大气压的作用下,经吸入管流入泵内,液体就是这样连续不断地从液池中被抽吸上来又连续不断地从排出管流出。
水泵的电气接线如图2.5。
图2.5水泵电气接线图
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2.2.5水幕电影的设计
水幕电影是通过高压水泵和特制水幕发生器,将水自上而下,高速喷出,雾化后形成扇形―银幕‖,由专用放映机将特制的录影带投射在―银幕‖上,形成水幕电影。
水幕电影投影机由机械装置、控制支架、通讯口、软件、时间信号界面及DMX512接口组成。
编程控
[8]制、直接控制和实用程序控制。
本系统中,PLC为水幕电影的主要控制终端,通过固态继电器,控制所连接的水泵的开合,以达到开启水幕和落下水幕的目的。
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3控制系统详细设计
3.1控制系统各器件的选择
3.1.1PLC的选择
PLC产品的种类繁多。
PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系
适用的场合也各有侧重。
因此,合理选用PLC,对于统、编程方式、价格等均各不相同,
提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC的机型选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。
选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。
现在应用最广泛的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。
三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、适用面广但是数据处理比西门子弱。
西门子PLC性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。
欧姆龙PLC欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求,东欧的老机床器件符号输进去好多都不认,按它的标准老图的标示都要变很不方便。
松下PLC超小型尺寸,轻松扩展,扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何
[9]电缆。
从I/O10点到最大I/O128点的选择空间。
本设计需要速度快稳定同时从价格等方面考虑我们选择三菱PLC本设计所使用的I/O口不是太多所以我们选择三菱FX-1N型PLC。
三菱电机推出的FX1N系列PLC是功能很强大的普及型微型PLC。
FX1N系列最多可控制128点,除了可以扩展输入输出,还具有模拟量控制和通讯,链接功能等的扩展性。
并且,FX1N具有以下优点:
1、集成型高性价比
2、机身小巧,高速运算
3、安心、宽裕的存储器规格
4、丰富的软元件范围
[10]5、面向海外的产品适合各种安全规格。
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所以,选择FX1N来控制本系统。
3.1.2变频器的选择
变频器按照工作原理分类,可分为四类,如下:
1、V/F控制的变频器
V/F控制的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制。
通过V/F(电压和频率的比)的保持一致而得到所需的转矩特性。
采用V/F控制的变频器控制电路结构简单,成本低,多用于对精度要求不高的通用变频器。
2、转差频率控制变频器
F控制的一种改进,这种控制需要由安装在电动机上速度转差频率控制方法是对V/
传感器检测出电动机的转速,构成速度闭环,速度调节器的输出为转差频率,而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。
由于通过控制转差频率来控制转矩的电流,与V/F控制相比,其加减速特性和限制电流的能力得到提高。
3、矢量控制变频器
矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式。
它的基本思路是:
将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量(励磁电流)和与其垂直产生转矩的电流分量(转矩电流),并分别加以控制。
由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位,即定
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