音乐喷泉自动控制系统设计.docx
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音乐喷泉自动控制系统设计.docx
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音乐喷泉自动控制系统设计
小型音乐喷泉自动控制系统
摘要:
鉴于目前中、大型音乐喷泉投入大,许多小型企事业单位一是没有这么大场地,二是没有这么多资金投入,使音乐喷泉的应用得到了限制,而我见许多单位为了美化环境都设置了喷泉,但其控制十分单调,缺乏观赏性。
为了改变这个现状,我就利用我从事的技术工作的经验,将现代新技术应用到这一块来。
这就是我研究这个题目的初衷。
它适用于中小型企事业单位甚至家庭,具有可观的实用价值。
关键词:
音乐喷泉变频调速PLC自动控制触摸屏
前言:
自2008年到邯郸大学后,系统学习电气自动化知识对音乐喷泉操作进行了理论学习和考察。
学习电工专业课程《数字逻辑电路》、《PLC》、《电力拖动》之外,还自己学习电子方面的课程,如《音响》等,通过对市民乐园音乐喷泉系统的熟悉,发现该系统虽然效果好,功能多,宏伟壮观,但一次性投入实在太大,该系统单设计费用就花了200万人民币,更不用说总投入了,它不是一般单位和个人可以承受得了的。
而许多中小型企业大部分都为了美化环境而建了喷泉系统,但其控制单一,缺乏变化,令观赏性大打折扣。
所以,我就一直想设计一套一次性投入不大,但观赏性相对较强、可靠性又高的价廉物美的、适用于中小型企事业单位的小型音乐喷泉自动控制系统。
通过几年的理论学习,我认为自己具备了这个实力,于是决定开发这个项目。
正文
1、方案设想
对于小型企事业单位或家庭而言,要建立一个音乐喷泉系统,我认为一次性投入不能太大,与大型音乐喷泉系统相比,规模应大大缩小,功能也没有必要那么完备。
除具备随音乐变化外,再加上几种变化就可以满足需求。
就比原来仅仅单一手动调节水柱变化要强许多。
尤其对已有喷泉的单位,则投入将更小。
只需投入变频器一台或两台、PLC一台、触摸屏一个、DVD一台即可。
总投入应在2万元以内(如果原喷泉功率不是十分大的话),是任何一个单位或富裕家庭都能承受的水平。
我的设想是利用音乐的高低通过PLC控制变频器的输出频率,从而改变电动机转速,从而去改变水泵水柱的高低,利用变频器的多段速控制,不需要另外增加通讯模块,可降低成本,同时也具备15种转速变化之多,基本可以反映出音乐强弱变化的全貌。
另外,配备一话筒,可以测量人们喊话音量的大小(用水柱高低变化来衡量)。
具备一定的趣味性。
如果仅有水柱随音量变化而变化这一种功能,则功能太过单一。
所以,我设想当不播放音乐时,应该具备按一定的规律进行水柱高度和喷洒时间的自动控制功能,并且水柱的喷洒高度和时间可以由用户来调节(或者通过触摸屏修改)。
从而增加系统的实用性,提高系统的附加值。
而该功能可以通过PLC编程实现,且较容易实现和扩展。
2、方案可行性论证
从技术性角度来看,设系统所用技术均为现代新技术,具有很高的技术含量。
从系统的可靠性来看,所增加的设备、PLC、触摸屏、变频器,它们的使用寿命都相当长,尤其是PLC,故该系统可靠性高,后期维护维修费用十分小。
从经济性来看,对于企事业单位,2万元投入更是小菜一碟。
综上所述,该系统具有良好的开发价值,具有广阔的应用前景。
3、方案设计
①音乐喷泉自动控制设计
A、控制原理图
图
(一)音乐喷泉自动控制原理图
B、音频信号转换为PLC输入的设计
考虑到变频器和电动机及负载的惯性问题,决定每隔15秒采样一次音乐电平高低(采样频率过高,变频器、电机及水泵无法反应过来)。
该每隔5秒采样一次可以通过PLC自身实现,(依靠PLC输出对继电器定时控制),经ADC量化,编码为四位二进制数码(除0000外,0001-1111刚好15种变化,可以对应多段速的15段速控制),采用输出可以直接驱动发光二极管的ADC,可以将其输出直接作为PLC的输入,可以减少输入模块,降低成本,而音频—电平可以参照现有电平指示电路即可。
故得出音频转化为PLC的输入设计如下:
图
(二):
电平指示电路
注意:
该指示电路的电源由PLC自身供给,地与PLC输入COM连接。
C、音乐喷泉PLC程序设计
a、输入输出分配
由于音频采样及控制需4个输入,外加启动与停止共需6个输入输出控制变频器的多段速控制,15段速需PLC4个输出点,外加转向控制一个点,采集控制一个点,共需6个输出点,从而得出下表。
输入
输出
启动
SB0
X0
Y0
KA
模块
转换
A
X1
Y1
RH
B
X2
Y2
RM
C
X3
Y3
RL
D
X4
Y4
CS
停止
SB1
X5
Y5
STF
b、PLC与变频器接线图
c、输入输出逻辑分析
为了简化PLC程序的设计,如果将输入X1—X4的变化与输出Y1—Y4的变化一一完全相同,则只需要一条MOV传送指令即可实现音乐喷泉的适时控制。
d、变频器参数设置
变频器除了基本参数设置外,为了实现PLC输入控制电机转速,还需进行运行参数设置,PLC输入/输出及变频器运行参数见下表:
PLC输入状态
PLC输出状态
变频器运行
频率f(Hz)
参数号Pr
D
C
B
A
Y4
Y3
Y2
Y1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
5
Pr.4
0
0
1
0
0
0
1
0
8
Pr.5
0
0
1
1
0
0
1
1
11
Pr.26
0
1
0
0
0
1
0
0
14
Pr.6
0
1
0
1
0
1
0
1
17
Pr.25
0
1
1
0
0
1
1
0
20
Pr.24
0
1
1
1
0
1
1
1
23
Pr.27
1
0
0
0
1
0
0
0
26
Pr.232
1
0
0
1
1
0
0
1
29
Pr.236
1
0
1
0
1
0
1
0
32
Pr.234
1
0
1
1
1
0
1
1
35
Pr.238
1
1
0
0
1
1
0
0
38
Pr.233
1
1
0
1
1
1
0
1
41
Pr.237
1
1
1
0
1
1
1
0
45
Pr.235
1
1
1
1
1
1
1
1
50
Pr.239
注意:
变频器参数设定时要注意Pr.79和Pr.186中参数的修改。
Pr.79应设为3,Pr.186应设为8(变频器型号不同,参数号也不相同),基本参数设置中Pr.9(电子过流保护)应据电机容量设定。
由于泵类负载的转矩与转速的平方成正比,故不能向上调速,只能将频率限制在额定频率以下。
如果将频率调到额定频率以上,将可能烧电机和变频器。
e、梯形图设计
至此,简易小型音乐喷泉设计完毕。
②、话筒音量控制喷泉的设计
只需在图
(一)音频输入端加一个多路转换开关,一路接DVD的音频输出,一路接话筒经放大电路放大后的输出即可。
由于话筒转化为电信号的电平比DVD线路输出要低60—70dB,故话筒电压放大的放大电路放大倍数应设计在1000倍以上。
所以应采用多级放大,设两级放大,放大倍数接40×40设置,则总放大倍数可达1600。
应该可以满足要求,今采用两级直接耦合放大。
③自动变速程序设计
为了实现喷泉高度变化的多样性和观赏性,决定设计一种单极性正弦曲线变化程序,即水柱高度接正弦规律(单极性)变化。
由于前面音乐喷泉系统已设定了变频器的参数,而使用者一般难以懂得如何操作和修改变频器的参数。
故变频器的参数不宜修改,应与音乐喷泉系统的参数一致。
为了满足水柱变化快慢可调的要求(不同用户爱好不同)。
故各档位运行时间应可修改。
所以采用四按钮用于档位运行时间的增减。
实质是修改数据寄存器中的数值,即定时器的运行时间。
由于前面已用X0—X5,故设定X6、X7作为启动、停止。
X10、X11作为定时器定时时间的增减键。
故得增减时间程序如下:
为了满足用户要求,决定采用单循环与自动循环,依靠一个开关的两个状态来实现控制,设为X12控制。
从而得出自动变速单极性正弦式程序的状态转移图如下:
④、手动变速程序设计
由两个按钮实现手动增速和减速。
由于上面用到了X13,故用X14、X15作为增减速按钮输入。
X16作为手动变速的启动按钮输入,X17作为手动变速的停止按钮输入。
由此得出梯形图如下:
可简化为:
⑤、综合程序设计
对于小型音乐喷泉系统而言,具有上述4种功能已较完备了。
上面是分体设计,每步子程序均有启动与停止,会造成两个方面的困扰:
第一,开关按钮过多,不利于使用者操作;第二,浪费输入端子,从这两方面原因考虑,可将各程序的启动和停止合并用一个启动与停止。
由于上述运行方式有多种,而各种运行不能并存(即不能同时运行两种及两种以上的功能)。
故应对各功能的选用设置专用选择开关,防止程序出错,使PLC无所适从。
该选择开关应具备下列几档:
声乐控制、自动、单调、手动四个档位。
而启动与停止则各用1个输入,速度增减2个输入,时间长短控制2个输入,加上音乐ADC输出4个输入共需14个输入。
而输出没有变化,故总程序的I/O分配需重新分配。
为了防止程序的修改量最小,故仍选用X1—X4接ADC输出不变。
综合程序的I/O分配如下表所示:
输入
输出
启动
SB0
X0
Y0
KA
模
数
输
出
A
X1
Y1
RH
B
X2
Y2
RM
C
X3
Y3
RL
D
X4
Y4
CS
停止
SB1
X5
Y5
STF
声乐档
SA-1
X6
自动档
SA-2
X7
单周档
SA-3
X10
手动档
SA-4
X11
加速
SB2
X12
减速
SB3
X13
延时
SB4
X14
减时
SB5
X15
PLC与变频器由于输出未作改变,故其连接不变。
在此只画出总体程序的PLC接线图如下所示:
各分程序汇总后的综合程序梯形图及指令表见附录。
至此,综合程序设计完毕。
4、程序调试
经上机调试、仿真、监控,程序完成了预计逻辑要求,程序指令表见附录。
五、设计说明
1、该程序的调试与仿真试验是在实验室中进行的,所用变频器和PLC均是三菱公司的产品,故程序语言为三菱公司的(FX系列)。
2、实际应用该系统时,电机功率要求应据水泵要求选择。
变频器功率应据电机功率选择,PLC应据程序输入输出点数要求选择。
同时,考虑留一定的裕量,以备程序扩展时用。
3、本程序的逻辑功能、花样变化不是太多,可能无法满足所有用户的需求。
实际应用时,还可据用户要求增减适量的逻辑要求。
4、如果用户要求两台或两台以上的水泵。
如果没有异步花样要求,可采用一台变频器拖动多台电机,但应保证变频器容量大于各电机容量之和。
5、如果用户对控制面板质量、方便、美观方面要求较高,可采用触摸屏取代所有开关、按钮。
不过成本势必会增加。
同时功能也可以得到扩展。
6、该系统经在实验室模拟,可以达到预期要求,但运用到实际中仍然可能会出现一些问题,但应该不是很难解决。
下一步准备应用到实际中。
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