基于PLC控制的音乐喷泉电气控制系统设计.docx

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基于PLC控制的音乐喷泉电气控制系统设计

第一部分设计任务与调研

1.1PLC基础知识简介

在继电器控制技术的基础上发展起来的一种先进的技术PLC，还借助于计算机技术和现代通信技术。

PLC自产生至今，虽然只有30年，但今天已在该行业快速发展。

现代工业自动化的三大支柱产业为PLC技术，CAD／CAM技术和机器人技术。

PLC技术主要是以微处理器为核心，应用时间，计算、算术、逻辑程序控制，并通过数字和模拟I/O实现各种具体的生产工艺的控制。

目前广泛使用的为机械和电气控制，电气控制，数据采集，网络通信和运输等领域。

1.2PLC的产生和发展 

IEC在二十世纪九十年代年颁布了可编程控制器（PLC）的含义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计。

它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩展其功能的原则设计”[]3。

PLC发展迅速，故其实现的功能丰富，应用范围广，开发了实现各种功能需求的PLC系统，PLC的未来发展趋势为：

小型化、专用化、易用化；大容量、高速度、信息化；智能I/O模块的发展；人机界面研发与发展；开放性和程序语言的标准化；过程控制领域应用；PLC的冗余特性；增强通信联网功能。

1.3PLC的特点与应用

PLC特点：

PLC技术能够高速发展，除工业自动化的客观需求之外，主要是由于它自身还有很多独特的优点。

具有特殊结构的工业控制计算机，与普通计算机相比具有更强的能够与工业过程相接的接口，同时具备适用于控制要求的程序设计语言是可编程控制器实质。

可编程控制器是将计算机技术和电器控制技术有机地结合在一起的技术。

其特点主要体现在：

可靠性高，抗干扰性强；编程简单、使用方便； 易于安装、调试、维修；功能完善，通用性强；体积小，能耗低。

PLC应用

基于PLC自身优势，在工业控制中倍受青睐。

PLC的主要应用领域涵盖了几个方面：

开关量的逻辑和顺序控制；模拟量控制；运动控制；过程控制；数据处理；信号连锁系统；通信及联网；时间控制。

1.4PLC的工作原理及工作过程

与普通微机类似，PLC亦是由硬件和软件组成。

PLC的正常地运行只能依靠于软件的控制。

系统软件和应用软件为软件系统的两个部分。

（1）输入处理阶段：

PLC把所有外部输入电路的状态输入映像寄存器； 

（2）程序执行：

用户程序中的指令按次序被扫描，然后依据输入状态和指令内容执行逻辑运算； 

（3）输出处理阶段：

根据程序执行的结果，各输出点相应的控制信号由输出状态寄存器并行发出，实现控制系统的逻辑控制功能。

扫描周期即每执行一遍程序所需的时间。

PLC 的扫描周期通常只有零点零几秒。

然而事实上，一系列不断重复的顺序操作是很多机械设备的工作过程，而这与PLC 的工作原理类似。

所以，PLC 的程序可以和机器的操作步骤相对应，而且PLC程序编制过程简单易懂，正确率高，修改简便，因而软件的开发费用及开发周期都有可观的改变。

PLC通常在每次扫描期间进行故障自诊断以及与编程器的通信，此过程的意义在于提高工作的准确性，及时接收外部控制指令。

PLC的扫描工作流程图：

STOP

Y

N

图1PLC的扫描工作流程图

1.5变频器基础

实现把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电功能装置称为“变频器”。

变换器是电力电子装置的电源转换成各种频率的交流电源来实现变频调速电机的使用，运动控制系统的功率变换器。

变频技术是一种高新技术——集自动控制，电力电子技术，微电子技术，通讯技术于一体。

变频器具有速度快，省电，节能，可靠，高效，广泛应用在各种领域。

1.6变频器技术的发展

有交流异步电动机调速功能的变频器，其性能远远超过交流、直流调速控制方式，拥有结构简单、宽调速范围、高调速精度、安装调试简便、使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著等优点，是交流电动机调速的主导技术。

运动控制系统中，起功率变换作用的是器变频器，运动控制技术是多学科综合的高新技术，是自动化技术的“前沿”

1.6.1变频器的分类

（1）按输出电压调节方式分类：

①PAM方式；②PWM方式；③高载波变频率的PWM方式。

（2）按控制方式分类：

①电压/频率控制； ②转差频率控制；③矢量控制。

（3）按用途分类：

①通用变频器；②高性能专用变频器；③高频变频器；④小型变频器。

1.7变频器的工作原理以及控制方式

1.7.1变频器的工作原理

变频器是把工频电转换为其它频率的交流电，来适应交流电动机变频调速的需求。

变频器目前主要应用的变频方式是交-直-交方式，直流电是工频电流经过整流器转换来的，再把由直流电转换的频率、电压均可控制的交流电供给电动机。

变频器的电路有整流器、直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成。

1.7.2变频器的控制方式

开环控制和闭环控制是变频器两种控制方式，闭环控制进行电动机速度的反馈。

开环控制有电压/频率控制方式，闭环控制分为转差频率控制和矢量控制。

1.8MICROMASTER420概述

MICROMASTER420 为适用于控制三相交流电动机速度的变频器。

此系列型号种类繁多，电源电压可有单相到三相，额定功率由120W 到11KW可供选用。

微处理器控制此变频器，其功率输出器件采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

因此，运行可靠性较高以及实现多功能是其特性。

电动机运行噪声之所以降低是因为PWM的开关频率可以选择。

能同时为变频器和电动机提供良好的保护是其完备的保护功能。

MICROMASTER420具有可调的工厂设置参数，并且是为众多且简单的电动机控制系统提供动力的较好驱动装置。

由于其全面而完备的控制功能，故在设置相关参数以后，MICROMASTER420可用于更优的控制系统。

MICROMASTER 420用于单机驱动的控制系统，还应用与集成自动控制系统中。

第二部分设计说明

变频器的主要任务是把工频电转换为其他频率的交流电，满足交流电动机的调速变化。

本系统中变频器用来接受经PLC处理的音乐控制开关量信号，输出频率不同的交流电，达到水泵的喷水状态不断变化的设计目的，实现喷泉喷水与音乐乐律达到和谐的统一。

根据现场音乐控制水柱，使水柱与音乐同步，但水泵控制水柱，水泵又由异步电动机控制。

异步电动机的转速是通过频率变化而改变的，但工频电的频率是恒定的，而变频器是专门电机调速的装置。

所以可由变频器间接控制电机的转速，从而使水柱高度发生变化。

2.1变频器设计

2.1.1变频器选型 

基于控制系统相对简单，本次设计选用MM420变频器来控制潜水泵的转速。

MM420通用变频器，可以用来控制三相交流电动机速度，适用于变频驱动装置。

MICROMASTER420 具备可控的工厂设置参数，它是为数量众多且简单的控制系统供电的理想变频装置。

2.1.2变频器控制接线图

其硬件连接图如图所示，MM420变频器的AIN+端子连接PLC的Q1.5输出口，控制变频器起停。

PLC输出口Q1.0—Q1.2连接到变频器DIN1—DIN3端子上，通过PLC输出的开关量控制变频器输出由设置参数决定的决定的预置频率。

图2变频器设计连接图 

2.2MM420变频器操作面板

利用BOP可以更改MM 420变频器的各个参数。

BOP具有5位数字的7段显示，用于显示参数序号以及数值、报警和故障信息以及该参数的设定值和真实值，但BOP不能存储参数信息。

图2

BOP上的按钮及其功能图

2.3变频器参数设置方法

用BOP可以更改参数的数值，下面以更改过滤功能参数P0004为例介绍数值的更改步骤。

如图3。

图3

并以选择命令/设定值源P0719为例说明如何修改参数的数值，如图4。

图4

2.4变频器参数设置

变频器一般设置的参数包括：

①电动机参数;可由电动机铭牌获得，例如电动机的额定电压、额定功率、额定电流以及额定转速。

②控制电动机启动、停止方式有变频器控制面板和端子两种。

③控制变频器工作频率方式有变频器面板、电位器（设置相应的频率区域） 还是多个固定的频率（控制变频器端子来对应频率） 。

④变频器工作的最小频率和最大频率，增加或减少减速时间等。

⑤变频器控制方式。

在本系统中需要是设置的参数有：

（1） P0010参数为“30”， P0970参数设定为“1”，——变频器复位到工厂设定值 

（2） P0003参数为“2”—— 扩展用户的参数访问范围 

（3） P0700参数为“2”—— 由模拟端子/数字输入控制变频器 

（4） P0701参数为“17”——固定频率值设定方式2 

（5） P0702参数为“17”——固定频率值设定方式2

（6） P0703参数为“17”——固定频率值设定方式2 

（7） P0704参数为“1”—— 正转启动 

（8） P1000参数为“3”—— 固定频率设定值 

（9） P1001参数为“20”——固定频率1为20Hz。

（10） P1002参数为“25”——固定频率2为25Hz。

（11） P1003参数为“30”——固定频率3为30Hz。

（12） P1004参数为“35”——固定频率4为35Hz。

（13） P1005参数为“40”——固定频率5为40Hz。

（14） P1006参数为“45”——固定频率6为45Hz。

（15） P1007参数为“50”——固定频率7为50Hz。

2.5变频器控制说明

2.5.1系统参数设计说明

变频器由数字信号控制，将P0700参数设置为“2”，控制编码形式为BCD码，实现变频器对水泵电机多段调速控制。

变频信号由PLC发出，接入变频器为用户提供的3个完全可编程的数字输入端，3个数字输入量控制变频器的7种频率输出，通过参数设置7种不同的固定频率。

数字信号经光电隔离输入CPU，处理后通过逆变器实现对电机的控制。

变频器设置水泵正转启动。

数字输入必须与图5相对应。

图5

2.5.2相关参数的说明

（1）按照下面的数值设定参数（用BOP，AOP或必要的通讯选件），可使变频器的全部参数复位到工厂的缺省设定值。

（2）P0003参数为“2”，变频器的参数有4个用户访问级，1标准访问级、2扩展访问级、3专家访问级、4维修级。

访问的等级由参数P0003选择。

在很多应用情况下，只要访问1（P0003=1）和2（P0003=2）。

每组功能中出现的参数号取决于P0003中设定的访问级。

该参数的设定范围为0—4，缺省值为1。

（3）P0700参数为“2”，选择数字的命令信号源：

最小值：

0；缺省值：

2；最大值：

6。

此参数改变时，同时会使所选项目的全部设置值恢复到工厂的缺省设置值。

例如：

把P0700设定值由1改为2时，所有的数字输入都将复位为缺省的设置值。

（4）P0701参数为“17”，用来选择数字输入1的功能。

该参数设定范围为0——99，缺省值为1。

本系统中设置P0701为“17”，即固定频率设定值（固定频率值设定方式3）。

（5）P0702参数为“17”，用来选择数字输入2的功能。

该参数设定范围为0——99，缺省值为12。

本系统中设置P0702为“17”，即固定频率设定值（固定频率值设定方式3）。

（6）P0703参数为“17”，用来选择数字输入3的功能。

该参数的最小值为0，最大值为99，缺省值为9。

本系统中设置P0703为“17”即固定频率设定值（固定频率值设定方式3）。

（7）参数为“1”，用来选择数字输入4的功能。

P0704的设定范围为0——99，缺省值为0。

本系统中设置P0704参数为“1”，即1ON/OFF1（接通正转/停车命令1）。

（8）P1000参数为“3”。

该参数选择频率设定值的信号源。

在下面给出的可供选择的设定值表中，主设定值由最低一位数字来选择（即0到6），而附加设定值由最高一位数字来选择（即x0到x6，其中，x=1－6）。

只有一位数字24时，表示只有主设定值，没有附加设定值。

本系统设置P1000参数为“3”选择固定频率设定值。

（9）P1001参数为“20”。

该参数定义固定频率1的设定值。

为了使用固定频率功能，用P1000选择固定频率的操作方式，在“直接选择”的操作方式下，还需要一个ON命令才能使变频器投入运行。

有三种选择设定频率的方法：

（1）直接选择（P0701-P0703=15）运用此操作方式，数字输入与固定频率是一一对应的。

若多个设定频率输入要同时激活，这几个数字的总和就是选定频率。

例如：

FF1+FF2+FF3

（2）直接选择+ON命令（P0701-P0703=16）选择固定频率时，既有选定的固定频率，又带有ON命令，把它们组合在一起。

例如：

FF1+FF2+FF3（3）二进制编码的十进制数（BCD码）选择+ON命令（P0701-P0703=17），使用这种方法最多可以设定8个固定频率。

各个固定频率的数值根据图6所示选择。

图6

P1002——P1007参数设置同P1001参数设置规则

第三部分设计成果

将音乐信号放大到0~9V后，分三路分别送入响度、频率和旋律信号检测调制电路，信号检测和调制电路根据当前信号分量值与预设值进行比较，输出高、中、低三个档次，并转换为开关量输入到PLC。

PLC根据档位，来控制多级水闸的开合、PWM波形的占空比等，进而控制喷泉的花式。

旋律部分由于需要调制成占空比连续可调的PWM波，使用PLC并不方便，所以使用了外置的PWM调制电路。

系统框架图如图7所示

图7系统框架图

3.1响度检测调制电路

响度检测调制电路见图8所示。

图8响度检测调制电路

本电路是音频信号响度的检测调制电路，选用的3个串联的TAS二极管作为稳压管，反向导通电压降为2.4V，3个运放均作为电压比较器，电压比较的3个基准分别为2.4V、4.8V、7.2V。

音频响度检测调制电路的真值表见表1。

输入电压（V）\输出

Highvol

Midvol

Lowvol

0~2.4

0

0

0

2.4~4.8

0

0

1

4.8~7.2

0

1

1

7.2+

1

1

1

表1音频响度检测调制电路真值表

3.2频率检测调制电路

音频频率检测调制电路见图9所示。

图9音频频率检测调制电路

3.3旋律检测调制电路和PMW调制电路

音频旋律检测调制电路见图10所示。

图10音频旋律检测调制电路

音频信号经包络检波后获得单极性旋律信号，这是一个模拟量，随后经过进一步的处理用于PWM调制。

PWM调制电路见图11所示。

图11PWM调制电路

3.4控制系统的I/O接口分配

控制系统的主要逻辑器件便是PLC，为了实现缸体加工机床的功能，总共需要用的PLC的23个接口，其中包括输入点13个，输出点10个。

PLC的I/O分配见表1所示

输入端

输出端

器件

代号

设备名称

器件

代号

设备名称

X000

SB1

喷泉总开关

Y000

KM1

喷泉总水闸

X001

SA1

1组喷泉分开关

Y001

KM2

1组喷泉1

X002

SA2

2组喷泉分开关

Y002

KM3

1组喷泉2

X003

SA3

3组喷泉分开关

Y003

KM4

2组喷泉

X004

SA4

1组喷泉工作方式1

Y004

KM5

3组喷泉

X005

N/A

1组喷泉工作方式2

Y005

KM6

1组喷泉水闸

1组喷泉水闸

X006

SA5

音乐频率档位1

Y006

KM7

1X007

SA6

音乐频率档位2

Y007

KM8

X010

SA7

音乐频率档位3

Y010

L

彩灯

X011

SA8

音乐响度档位1

Y011

HL1

喷泉开启指示灯

X012

SA9

音乐响度档位2

X013

SA10

音乐响度档位3

X014

SA11

彩灯开关

X015

X016

表2I/O分配表

3.5PLC的选型

作为音乐喷泉的主要控制单元，需要保证功能适用和稳定性强的同时，也要考虑到成本因素。

综合I/O接口需求、体积、价格等因素，三菱（Mitsubishi）公司的FX2N系列应该是最好的选择。

MitsubishiFX2N是FX家族中最高端的系列，它体积小（182mm*90mm*82mm）却提供了极快的程序执行速度。

由于需要13个输入点和10个输出点，MitsubishiFX2N32-MR是最好的选择。

MitsubishiFX2N32-MR提供了16个输入点和16个输出点，留出冲充足的余量，而且还支持AC100V~220V,50/60HZ的电源输入。

3.6PLC的I/O接线图

PLC的I/O接线图如图12所示。

图12PLCI/O接线图

SB2,SB1是喷泉的全局启动和停止按钮，SA1是第一组喷泉的分开关，SA2是第二组喷泉的分开关，SA3是第三组喷泉的分开关。

单刀双掷开关SA4用于第一组喷泉的花式选择。

X006~X010用于接收音频频率调制信号的档位输入，X011~X013用于接受音频响度调制信号的档位输入，输入端口的开关三极管用于把前级电路的电平信号转换为开关信号。

KM1是用于控制总水闸开闭的接触器、KM2~KM5分别控制1组喷泉水泵1、1组喷泉水泵2、2组喷泉、3组喷泉的潜水泵。

KM6~KM8用于控制1组喷泉的喷射高度，通过控制1组喷泉的3个水闸实现。

HL1~HL4分别显示喷泉控制系统的状态和各组喷泉的启停状态。

值得注意的是，PLC前级部分接入的开关三极管（PNP）是为了将调制电路输出的TTL电平信号转换为PLC能够识别的开关量。

3.7喷泉设备选型

3.7.1外圈喷头选型

第一组喷头位于喷泉最外围，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以A组喷头选择直上喷头。

直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。

可调节射流的方向。

喷头材质：

铸铜、不锈钢，如图13所示。

图13直上喷头实物图及安装简图

3.7.2中圈喷头选型

第二组喷头位于喷泉的中环，通过内部的电机控制喷头旋转，喷头喷出的小水柱在空中留下弧线。

多条水柱在空中交汇的形状与喷头旋转的速度相关。

旋转喷头效果见图14所示。

图14旋转喷头效果图

3.7.3中心喷头选择

位于喷泉最中心的第3组喷头是由多个喷头组成的蒲公英水球，在光照下可现象出不同的颜色，神秘而奇妙。

喷头均由高级装饰不锈钢材料制造，造型独特。

喷水效果相当于半个水球。

对水质要求高，必须安装过滤器，单独或与其他喷头组合成景。

蒲公英喷头效果图见图15所示。

图15蒲公英喷头效果图

3.7.4水阀选择

喷泉常用的阀门有球阀、蝶阀、闸阀、止回阀、水下液压阀、水下电磁阀、水下数控阀等。

本设计的喷泉采用PLC控制同时在工作时会接触水，所以选择AC220V水用电磁阀。

如图16所示。

如图16AC220V水用电磁阀

3.7.5彩灯选择

该喷泉用3组彩灯分别为红，绿，蓝。

从里到外分别对应1组用红色的彩灯，2组为绿色的彩灯，中央的蒲公英水球处为蓝色彩灯。

每一个喷头处对应一个相应颜色的彩灯。

因为喷泉用彩灯都是安装在水下所以对光线的要求高，对安全性能的要求也要很高，同时对使用寿命要求要长。

LED水下灯能够达到上述的要求，所以本设计选择AC36VLED水下灯，如图17所示

图17AC36VLED水下灯

3.8系统软件设计

系统的软件部分，主要是PLC的梯形图程序，梯形图程序包含喷泉总进水闸的开关控制、3组喷泉的分开关、第1组喷泉工作方式的选择与花式产生、分档的PWM发生器和喷泉工作状态指示灯等逻辑部分。

PLC的梯形图程序见图4.1所示。

当X000闭合时，线圈Y000得电，控制喷泉的总水闸打开。

同时作为软件开关辅助继电器M0得电，使接下去的程序得以执行。

T1、T2用于1组喷泉的花式产生，奇数和偶数喷泉轮流喷射。

Y003控制的是第2组喷泉的潜水泵接触器，而控制喷泉旋转电机速度由于需要连续的调速，所以使用了外置的音频旋律PWM调制信号。

Y010输出控制彩灯，三档根据音频频率调制的PWM波输出可以按档次调节彩灯的亮度。

值得说明的是，D100是PLC的数据寄存器，在这里主要是用于PWM的TON时常

PLC的梯形程序图

3.9软件模拟仿真

本次仿真调试使用的是三菱GXDEVELOPER工作环境，通过使用GXSIMULATOR插件进行逻辑仿真。

仿真结果表如表3所示。

输入条件

输出点状态

喷泉状态

按下SB2

Y000得电

喷泉总水闸打开

SA1闭合，SA4打1档

Y001,Y002得电

外圈直射喷头工作

SA1闭合，SA4打2档

Y001,Y002轮流得电

外圈直射喷头按奇偶轮流（2S）喷射

SA2闭合

Y003得电

中圈旋转喷头工作

SA3闭合

Y004得电

中心蒲公英喷头工作

SA5按下

Y010得电

彩色LED灯点亮

X011~X013：

000

001

011

111

Y005~Y007：

000

001

011

111

输入档位控制水闸开闭，进而控制外圈直射喷头水柱高低变化

X006~X007:

000

001

011

111

GXSIMULATOR无法仿真高速指令

表3

第四部分结束语

随着我国国力的不断增强,人民生活水平的不断提高,现在在许多城市的广场上都能看到音乐喷泉。

音乐喷泉,顾名思义,就是指喷泉的水形根据播放音乐的旋律有规律地进行变化,在人的视觉和听觉上形成和谐的统一,使人在精神上有愉悦的感受。

音乐喷泉的设计涉及到的专业非常广泛,包括音乐分析、给排水、电气、通讯和自动控制,所以说音乐喷泉这个行业是一个综合性非常强的行业,一个音乐喷泉工程的成功实施需要以上方面的专业人员紧密地配合才能完成。

本项目主要完成的是音乐喷泉控制系统的设计，具体广场各喷头、灯光的布局在此不做详细说明设计。

本控制系统是采用可编程序控制器（PLC）对整个系统进行控制，用变频器实现喷泉的调速应用。

PLC是一种高可靠性的控制装置，影响PLC控制系统可靠性的主要因素是与PLC接口的输入信号元件和输出执行元件，在编程过程中主要是搞清楚各输入输出元件的元件号以及它们在系统中的作用，变频器调速是一种非常高效的调速系统，变频器调速应该注意变频器的设置等问题，这些在本项目报告的第三章都有非常清楚的介绍。

本项目是应用设计型课题，是本小组结合所学知识，以可编程序控制器为基础，对音乐喷泉基本流程有详细的了解以及对其喷泉控制系统的自动化控制进行设计。

在整个设计的过程中，在团队学习、向人学习的前提下，深入地了解电气控制系统各方面的知识，熟练地掌握了PLC控制技术各方面的理论知识及其应用，逐渐提高了对电气控制系统进行设计的实际工作能力，懂得了运用所学的理论知识与实际情况相结合。

同时，通过学习各方面的知识，不断地提升了自己；通过实际应用，逐渐