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泰 山 學(xué) 院 本科 畢業(yè)論文 基于 樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計 所 在 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 申請學(xué)士學(xué)位所屬學(xué)科 工 學(xué) 年 級 二〇一 一 級（ 3+2） 學(xué) 生 姓 名 、 學(xué) 號 王魯靜 2011170294 指導(dǎo)教師姓名 、 職稱 陳宏圣 副教授 完 成 日 期 二〇一 三 年五月 摘要 I 摘要音樂噴泉作為一種人造環(huán)境工程項(xiàng)目，將音樂的美和噴泉有機(jī)的結(jié)合在一起，給人以賞心悅目的感受。 隨著可編程控制器在我國的迅速發(fā)展，對音樂噴泉的控制要求也越來越高，使得越來越多的控制部分 由 可編程控 制器來實(shí)現(xiàn)。 使用 有使用方便，運(yùn)行可靠，控制程序設(shè)計簡單等優(yōu)點(diǎn)。 此論文是制作 一個以小型 頻器控制水柱高度，以音頻采集為基礎(chǔ)的小型音樂噴泉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制核心選用 7泵的控制選用 20變頻器 。 主要包括控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計、硬件系統(tǒng)的設(shè)計以及變頻器參數(shù)設(shè)置。 關(guān)鍵詞 ： 音樂噴泉，可編程控制器，變頻器 I he as an be of a s of by LC to is to of a LC as to of on of by s 20 of LC 錄 錄 引 言 1 2 變頻器基礎(chǔ) 頻器概述 頻器技術(shù)的發(fā)展 頻器的分類 變頻器的工作原理以及控制方式 變頻器的工作原理 變頻器的控制方式 20概述 3 系統(tǒng)總體介紹 0 音樂噴泉組成 0 音樂噴泉水池設(shè)計 0 控制系統(tǒng)組成 0 4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3 （頻率，振幅，音調(diào)和節(jié)奏） 與 花型組合控制噴泉，水柱高度，距離變換和光的顏色組合 與 亮度變化。音樂噴泉是人工噴泉現(xiàn)代控制技術(shù)的使用，是 融合了 基于程序控制的音樂噴泉控制系統(tǒng)，通過水和輕音樂噴泉控制相結(jié)合的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)光與色的組合、音樂的情緒、噴泉的生動豐富的表演內(nèi)涵。 隨著可編程控制技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器和變頻器技術(shù)在噴泉控制領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。 即 使用一個小型 音樂噴泉控制系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)控制噴泉燈，水泵，接線簡單、編程與音樂節(jié) 奏和情感以及流水燈的多點(diǎn)結(jié)合，便于適合追求時尚家居生活和娛樂。 目前， 音樂噴泉的控制中最常出現(xiàn)的是實(shí)時控制 。 小型 得推廣。在設(shè)計過程中，采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)音樂噴泉的控制。尤其是在現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化領(lǐng)域的控制網(wǎng)絡(luò)中開辟了一個新的發(fā)展空間。 設(shè)計是依據(jù) 易于 形成一個 整體 的 工業(yè)控制系統(tǒng) ， 便 于擴(kuò)充功能的原則。 考慮到 音樂噴泉系統(tǒng)的 控制 復(fù)雜性， 若 采用繼電器控制， 其 控制可靠性 較 差。若采取 由程序控制，是一種軟連接，大大的提高了可靠性 ?？删幊炭刂破魇且魳穱娙目刂坪诵?，可編程控制器是整個系統(tǒng)的“大腦”，開關(guān)量轉(zhuǎn)換音樂頻率來控制噴泉的變化和閃爍的燈光都是通過程序?qū)崿F(xiàn)的。可編程控制器，簡化了控制電路，提高工作速度和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性，而且還增強(qiáng)了噴泉工程的自動化及智能化。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 2 1 礎(chǔ)知識簡介 在繼電器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)的技術(shù) 借助于計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)。 然只有 30年，但今天已在該行業(yè)快速發(fā)展 。 現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱產(chǎn)業(yè) 為 用時間，計算 、 算術(shù) 、 邏輯 程序控制 ，并通過數(shù)字和模擬 I/O 實(shí)現(xiàn)各種具體的生產(chǎn)工藝 的控制 。目前廣泛使用的 為 機(jī)械和電氣控制，電氣控制，數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)通信和運(yùn)輸 等領(lǐng)域 。 產(chǎn)生和發(fā)展 頒布 了 可編程控制器 （ 含義 ：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用一類可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種 類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計” ??3 。 速 ， 故 其實(shí)現(xiàn)的 功能 豐富 ，應(yīng)用范圍 廣 ， 開發(fā) 了 實(shí)現(xiàn) 各種 功能需求 的 未來 發(fā)展趨勢 為 ：小型化、 專用化 、 易用化 ； 大容量、高速度、信息化 ；智能 I/發(fā)展 ； 人機(jī)界面研發(fā)與發(fā)展 ； 開放性和 程序語言的 標(biāo)準(zhǔn)化 ； 過程控制領(lǐng)域 應(yīng)用； 增強(qiáng) 通信聯(lián)網(wǎng)功能 。 特點(diǎn)與應(yīng)用 1． 能夠 高速發(fā)展， 除 工業(yè)自動化的客觀 需求 之 外，主要是由于它自身 還有 很多獨(dú)特 的 優(yōu)點(diǎn)。 具有特殊結(jié)構(gòu)的工業(yè)控制計算機(jī)， 與 普通 計算機(jī)相比具有更強(qiáng)的 能夠與 工業(yè)過程 相接 的接口，同時 具備 適用于控制要求的程序設(shè)計語言 是可編程控制器實(shí)質(zhì) ?？删幊炭刂破魇菍⒂嬎銠C(jī)技術(shù)和電器控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起 的技術(shù) 。其特點(diǎn)主要 體現(xiàn)在： 可靠性高，抗干擾性強(qiáng) ； 編程簡單、使用方便 ； 易于安裝、調(diào)試、維修 ； 功能完善，通用性強(qiáng) ； 體積小， 能耗低 [2]。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 3 2. 基于 勢 ，在工業(yè)控制中 倍受青睞 。 蓋了幾個 方面 ： 開關(guān) 量的 邏輯和順序控制；模擬 量 控制； 運(yùn)動控制；過程 控制；數(shù)據(jù)處理；信號連鎖系統(tǒng)；通信 及聯(lián)網(wǎng) ； 時間控制 。 工作原理及工作過程 與普通微機(jī)類似， 由 硬件和軟件組成 。 常地 運(yùn)行 只能依靠于軟件的控制 。 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件 為 軟件 系統(tǒng)的兩個部分 。 基本 運(yùn)行過程如下 ： 1） 輸入 處理階段 ： 2）程序執(zhí)行 ： 用戶程序中的指令 按次序被 掃描 ， 然后依據(jù) 輸入狀態(tài)和指令內(nèi)容 執(zhí)行 邏輯運(yùn)算； 3） 輸出 處理階段 ：根據(jù) 程序執(zhí)行 的結(jié)果，各輸出點(diǎn) 相應(yīng)的控 制信號 由 輸出狀態(tài)寄存器并行發(fā) 出，實(shí)現(xiàn) 控制系統(tǒng) 的邏輯控制功能。掃描周期 即 每執(zhí)行一遍 程序 所需的時間。 掃描周期 通常 只有 零點(diǎn)零幾 秒。 然而事實(shí)上， 一系列不斷重復(fù)的順序操作 是很多 機(jī)械設(shè)備的工作過程， 而這與 工作 原理類似 。 所以 ，程序 可以和 機(jī)器的 操作步驟相 對應(yīng)， 而且 制 過程簡單易懂 ， 正確率高 ，修改 簡便 ， 因而 軟件的開發(fā)費(fèi)用 及 開發(fā)周期 都有可觀的改變 。 行 故障自診斷 以及 與編程器的通信 ， 此過程的意義在于 提高工作的 準(zhǔn)確 性，及時接收 外部 控制 指令 。 所 示。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 4 電 源 開 啟內(nèi) 部 處 理輸 入 處 理 （ 輸 入 刷 新 、 遠(yuǎn) 程 I / O ）通 信 服 務(wù) （ 外 設(shè) 、 C P U 、 總 線 ）更 新 時 鐘 、 系 統(tǒng) 內(nèi) 部 寄 存 器C P U 運(yùn) 行 方 式 為 R U N ？執(zhí) 行 用 戶 程 序執(zhí) 行 輸 出 刷 新 過 程執(zhí) 行 自 診 斷 過 程存 放 自 診 斷 錯 誤 結(jié) 果C P U 強(qiáng) 制 為 S T O P 方 式自 診 斷 錯 誤 為 致 命 錯 誤P L C 正 常 ？ O P 圖 1 掃描工作流程 [4] 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 5 2 變頻器基礎(chǔ) 變頻器概述 實(shí)現(xiàn)把 電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電 功能 裝置稱 為 “變頻器”。 變換器是電力電子裝置的電源轉(zhuǎn)換成各種頻率的交流電源來實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速電機(jī)的使用，運(yùn)動控制系統(tǒng)的 功率變 換器。變頻技術(shù)是一種高新技術(shù) —— 集 自動控制， 電力電子技術(shù) ，微電子技術(shù)，通訊技術(shù) 于一體 。變頻器具有速度快，省電，節(jié)能，可靠，高效，廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域 。 頻器技術(shù)的發(fā)展 有 交流異步電動機(jī)調(diào)速 功能的 變頻器 ，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過交 流 、直流調(diào)速 控制方式， 擁有 結(jié)構(gòu)簡單、 寬 調(diào)速范圍、 高 調(diào)速精度、安裝調(diào)試 簡便 、使用方便、保護(hù)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著 等優(yōu)點(diǎn) ，是交流電動機(jī)調(diào)速的 主導(dǎo) 技術(shù)。 運(yùn)動控制系統(tǒng) 中 ，起 功率 變換 作用的 是 器 變頻器 ，運(yùn)動控制 技術(shù) 是多學(xué)科 綜合 的高新技術(shù)，是自動化技術(shù)的“前沿” 。 變頻器的分類 （ 1） 按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類： ① 式； ② ③ 高載波變頻率的 7]。 （ 2） 按控制方式分類： ① 電壓 /頻率 控制； ② 轉(zhuǎn)差頻率控制； ③ 矢量控制。 （ 3） 按用途分類： ① 通用變頻器； ② 高性能專用變頻器； ③ 高頻變頻器；④ 小型變頻器 [7]。 變頻器的工作原理以及控制方式 變頻器的工作原理 變頻器是把工頻電 轉(zhuǎn) 換為 其它 頻率 的交流電， 來適應(yīng) 交流電動機(jī)變頻調(diào)速的需求 。 變頻器 目前主要應(yīng)用的 變頻方式 是交 交方式 ，直流電 是工頻電流經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換來的 ， 再 把 由直流電轉(zhuǎn)換的頻率、電壓均可控制的交流電 供給電動機(jī)。變頻器的電路 有 整流器、直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路 4個部分組成 [8]。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 6 交流電動機(jī) 同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式 為 ： n = 60 f (1? s) / p （ 公式 1） 式中： n— 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速； f— 異步電動機(jī)的頻率； s— 電動機(jī)轉(zhuǎn)差率； p—電動機(jī) 磁 極對數(shù)。 由 公式 1知 ，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率成正比， 因此 改變頻率 f 即可改變電動機(jī) 的轉(zhuǎn)速 。 變頻器就是利用改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié) ，是一種理想調(diào)速 方式 [8]。 變頻器 的工作過程：一 是將交流電 轉(zhuǎn)換為 直流電 ， 然后 再利 用電子元件 使 直流電 變?yōu)榻涣麟?。 變頻器 一般 用可控硅 組裝成 頻率 可調(diào) 的裝置 ， 使頻率 可調(diào) ， 從而調(diào)控 電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù) ， 使轉(zhuǎn)數(shù) 產(chǎn)生 變化。 一般整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等部分 組成 了 其變換電路 。 變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖 2所示 。 整 流 電 路 直 流 中 間 電 路 逆 變 電 路控 制 電 路交 流 電商 用 電 源交 流 電頻 率 和 電 壓 可調(diào) 的 交 流 電圖 2 變頻器的基本構(gòu)成 [9] 變頻器的控制方式 開環(huán)控制和閉環(huán)控制是 變頻器 兩種 控制方式， 閉環(huán)控 制 進(jìn)行電動機(jī)速度 的 反饋。開環(huán)控制有 電壓 /頻率 控制方式，閉環(huán)控制 分為 轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制。 (1) 電壓 /頻率 控制 要在 改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時， 有必要 的 措施 來保 障 電動機(jī)的氣隙磁通處于高效狀態(tài) ， 以便獲得理想的轉(zhuǎn)矩速度特性 。這 是 電壓 /頻率 控制的 目的 。這種類型的 變頻器結(jié)構(gòu)簡單，開環(huán)控制 是其采用的控制方 法 ， 固其 精度和動態(tài)特性 不是 很 好的 ， 因此，若要在低電壓區(qū)得到較大的調(diào)速范圍是比較困難的 。 因此， 一般是對控制性能要求不高的 場合采用這種控制方式的 變頻器。 ⑵ 轉(zhuǎn)差頻率控制 方式 ： 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 7 其 適用于自動控制系統(tǒng) 是因?yàn)榫哂兴俣日{(diào)節(jié)器，利用速度反饋進(jìn)行速度閉環(huán)控制，速度的靜差小 。單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 是轉(zhuǎn)差頻率控制方式之一 。 采用此方式 的變頻器具有良好的穩(wěn)定性 ， 急速的加減速 特性， 負(fù)載變動 ， 響應(yīng)特性 ，其原因是 采用了此種方式 的 變頻器中有電流負(fù)反饋 環(huán)節(jié)，對頻率和電流進(jìn)行 調(diào)控 [10] 。 ⑶ 矢量控制 方式 ： 異步電動機(jī)和直流電動機(jī)具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理 是矢量控制的基本核心思想 ，即磁場和與其相垂直的電流的積 是電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩 ， 異步電動機(jī)的定子電流 是可以分為產(chǎn)生磁場的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 。 若 要 達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的 ，可以通過控制電動機(jī)定子電流的大小和相位，即可對電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行 分別 控制 [9]。 20 概述 適用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器 。此 系列 型號 種類 繁多 ，電源電壓 可有單相 到三相 ，額定功率 由 120W 到 11用。微處理器控制 此 變頻器 ， 其功率輸出器件 采用絕緣柵雙極型晶體管（ 。因此， 運(yùn)行可靠性 較高 以及 實(shí)現(xiàn)多 功能 是 其 特性 。電動機(jī)運(yùn)行噪聲 之所以降低是因?yàn)?以選擇 。 能 同時為 變頻器和電 動機(jī)提供良好的保護(hù) 是其 完備 的保護(hù)功能 。 有可調(diào) 的工廠設(shè)置參數(shù) ，并且是為 眾多 且 簡單的電動機(jī)控制系統(tǒng) 提供動力的較好 驅(qū)動裝置。由于 其 全面而完備的控制功能，故在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后， 用于更 優(yōu) 的 控制系統(tǒng)。 20 用于單機(jī)驅(qū)動 的 控制 系統(tǒng)， 還 應(yīng)用 與 集成 自動 控制 系統(tǒng) 中[11]。 頻器的電路結(jié)構(gòu) 電路 功能是完成電能轉(zhuǎn)換； 控制電路 則是 處理信息的收集、變換和傳輸 。 其 電路圖如圖 3所示 。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 8 電源輸入單相或三 相的交流電，整流電路將 恒壓恒頻的 交流電轉(zhuǎn)換成恒定的直流電，供給逆變電路 的 是 主電路 的功能。 制 逆變電路 ， 使恒定的直流電轉(zhuǎn)換 成 U和 供給電動機(jī)負(fù)載。由圖 3可知， 頻器直流 與交流轉(zhuǎn)換 是通過電容進(jìn)行濾波的，因此 此變頻器 屬于電壓型交 交變頻器。 擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸出、輸出繼電器觸頭、操作板 等 組成 了 為用戶提供的 10V 直流電源 的 是端子 1、 2。當(dāng)采取模擬電壓信號輸入方式輸入給定頻率時， 配備一個高精度的直流電源 是為 提高交流 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制精度 。 為用戶提供了兩對模擬電壓給定輸入端 的是 模擬輸入 3、 4端， 其 作為頻率給定信號，經(jīng)變頻器內(nèi)的 A/將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 )， 供給 控制系統(tǒng)。 為用戶提供了 3個完全可編程的數(shù)字輸入端 是 數(shù)字輸入端 5、 6、 7，數(shù)字信號經(jīng)光電隔離輸入 到 電動機(jī)進(jìn)行控制。 24端子 8和 9，為變頻器的控制電路提供 2412]。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 9 圖 3 變頻器電路圖 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 10 3 系統(tǒng)總體介紹 要 完成 了音樂噴泉的控制過程 —— 音樂的頻率信號控制 現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速變化 依靠改 變水泵電機(jī)的控制頻率，進(jìn)而利用水泵的轉(zhuǎn)速變化 控制音樂噴泉的水柱高度變化， 以上過程 實(shí)現(xiàn) 了 音樂變化對噴泉的控制 的過程 。變頻器接受來自 出頻率不同的交流電， 使 水泵的噴水狀態(tài) 發(fā)生 變化，實(shí)現(xiàn)了噴泉噴水隨音樂高低呈現(xiàn)不同的形態(tài)。同時通過 制彩燈，實(shí)現(xiàn)彩燈組與音樂節(jié)奏的同步變換。 音樂噴泉組成 音樂噴泉水池設(shè)計 此 小型音樂噴泉 的設(shè)計為： 噴頭分三組 ， 外圈 設(shè)有 九個噴頭，中圈 設(shè)有 六個噴頭， 這兩圈的 噴水口直徑 兩圈噴頭由一個 12力 ；內(nèi)圈只有一個 中心主 噴頭 ，采 用集流直上噴頭， 此 噴頭噴水流量 較 大 。在 水泵大功率 工作 時，有壯觀的噴水直徑和高度 ，此 直流 噴頭由一個 55組彩燈分別安裝在外圈和中圈噴頭下，成交替閃爍 的工作狀態(tài) 。 使 音樂噴泉工作時噴水層次感明顯，視覺效果良好。噴泉水池直徑約 頭組最大直徑 外圈和中圈噴頭向內(nèi)傾斜的情況下很好的防止了水池噴水造成的向外濺水。 控制系統(tǒng)組成 音樂噴泉的控制系統(tǒng)由音樂信號處理電路（包括 F/ /數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號隔離電路）， 水泵和彩燈控制電路， 穩(wěn)壓電源電路和音響設(shè)備組成。 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件組成部分如圖 4所示。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 11 圖 4 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 1、 音樂信號的處理 音樂噴泉的樂曲 從 過功率放大器， 樂 曲 一路輸出到音箱設(shè)備， 一路 由 A/理 兩路輸出方式 。 2、水型與樂曲同步 的 控制 水型會同 樂曲播放 同時 演示。 在樂曲之間轉(zhuǎn)換 期間，水型也 保持同步停止 或繼續(xù)演示。 為 使水型與樂曲達(dá)到同步的效果 ，此音樂噴泉 控制系統(tǒng)提供 了 可調(diào)整的 噴泉 延時 程序 。 3、 潛水泵 電動機(jī) 的控 制 控制器內(nèi)部 的程序 來控制潛 水泵電動機(jī) ， 使 每一 首 樂曲 可從控制器中相應(yīng)的找到對應(yīng)的固定程序數(shù)據(jù)，并可以將其對應(yīng)輸出 。 4、彩色燈光 的控制 彩色燈光 由 控制器 系統(tǒng)程序控制。 彩色燈光會 通過控制程序隨 音樂 的變化相應(yīng)的水下 產(chǎn)生變化與 動作 ，達(dá)到視覺與聽覺的完美統(tǒng)一，給人以精神的完美享受 。 5、水型的節(jié)奏隨動控制 不同的音樂 節(jié)奏同步 變化呈現(xiàn) 出 水型的跳躍和搖擺， 表現(xiàn) 出音樂噴泉的 視 調(diào)速端 調(diào)速端 組水下燈 兩組潛水泵 編程序控制器 外部音箱 （左） 變頻器1# 頻器3# M 外部音箱 （右） 功率放大器 A/D 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 12 覺沖擊力 。這種水型 變化 是 通過 A/ 通過對應(yīng)的程序 控制， 經(jīng)過 變頻器對潛水泵實(shí)現(xiàn)加速 和 減速控制， 實(shí)現(xiàn) 對不同音樂信號 的直觀感受 。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 13 4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 音樂噴泉邏輯控制系統(tǒng)的控制核心是 在建立一個 哪些信號需要輸入至 以及采用何種編程方式，都會影響到其內(nèi)部 I/首先 需要 把系統(tǒng) 所需 的輸入 /輸出數(shù)量 明確 ， 其次 按需要確定各控制動作的順序和各控制裝置彼此間的關(guān)系。在確定控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的關(guān)系后，進(jìn)行分配輸入 /輸出設(shè)備 點(diǎn) 。 因此 ， 設(shè)計 首先 要解決的問題 是 I/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 輸出點(diǎn)、內(nèi)部 繼電器、定時器、 計 數(shù)器之后，就可以 對 進(jìn)一步進(jìn)行輸入 /輸出量的確定 。 制系統(tǒng) I/O 口的估算 小型 音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計 I/依據(jù) I/應(yīng) 預(yù)留出一定的 I/展時使用。 可以 根據(jù) 系統(tǒng)的控制要求 大 體 確定 控制 系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)。 1、 估算 系統(tǒng) 數(shù)字量 輸入點(diǎn)數(shù) 根據(jù)音樂的旋律 和 音頻信號的大小來控制噴泉水柱 的 高低，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。 如表 1所示 表 1 系統(tǒng)數(shù)字量輸入各元器 件功能及所占 項(xiàng)目名稱 輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 啟動按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)啟動 輸入點(diǎn)數(shù)： 2 停止按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng) 停止 2、 估算 系統(tǒng) 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 將 音頻信號轉(zhuǎn)化成 字量信號 的過程中 需采用一個 A/此 模擬量輸入點(diǎn)為 1個。 如表 2所示 表 2 系統(tǒng)模擬量輸入各元器件功能及所占 項(xiàng)目名稱 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 14 音頻信號轉(zhuǎn)換模塊 1 音頻信號大小 輸入點(diǎn)數(shù) ： 1 3、 估算 系統(tǒng) 數(shù)字量 輸出 點(diǎn)數(shù) 系統(tǒng)數(shù)字量輸出 由 變頻器開關(guān)量 控制和 燈光開 關(guān)量 控制 兩個部分，變頻器 包括 啟動和調(diào)速兩種控制量。 如 表 3所示 表 3 系統(tǒng)數(shù)字量輸出各元器件功能及所占 項(xiàng)目名稱 輸 出 點(diǎn)數(shù) 備 注 總點(diǎn)數(shù) 啟動變頻器開關(guān)量 8 控制變頻器運(yùn)行 輸出總點(diǎn)數(shù)： 16 變頻器速度開關(guān)量 4 選擇變頻器頻率 水泵控制輸出 2 水泵的控制 水下 燈 光控制輸出 2 水下燈光的控制 選型 由對 音樂噴泉控制系統(tǒng)的組成、工作過程、 I/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，數(shù)字量輸出點(diǎn) 16 點(diǎn)，輸出擴(kuò)展模塊 1個 。 同時，該 控制 系統(tǒng)是單機(jī)系統(tǒng)， 故 可選擇整體式結(jié)構(gòu)的 1、 7 豐富的指令 、 內(nèi)置集成功能 、 擴(kuò)展模塊；實(shí)時特性 強(qiáng) ；通訊 功能良好 ；可靠性好，適應(yīng)性強(qiáng) ， 性價比高。 2、 硬件系統(tǒng) 展模塊和總線連接電纜 集成的模塊化的 （ 1） 該模塊主要包括 源和 I/ 部分。 及 與 塊相連的其他模塊的用電需求 都由此電源模塊部分提供 ；該模塊自 身 帶 的 一定數(shù)量的開 關(guān)量 I/若足以達(dá)到 控制 系統(tǒng)的 要求，則可以不需要 擴(kuò)展 開關(guān)量 I/O 模塊。 （ 2）擴(kuò)展模塊 因?yàn)橥ǔ?、 且無模擬量 I/以需要 一些特殊功能 擴(kuò)展 模塊 ： 數(shù)字量 I/擬量 I/ 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 15 （ 3）總線連接電纜 總線連接電纜用來把 I/其他的擴(kuò)展模塊連接在一起。 3、 兩種系統(tǒng)配置方式 ： 一是在面板 上進(jìn)行 配置 ； 另一是在 置。圖 5和 圖 6分別 表 示 了以上 兩種系統(tǒng)配置方式 。 圖 5 第 1種系統(tǒng)配 置圖 圖 6 第 2種系統(tǒng)配置圖 所以， 本設(shè)計選用西門子 的 具有如下配置： 24輸入 ， 6輸出 共 40個數(shù)字量 I/O 點(diǎn)， 還可 連接 7個擴(kuò)展摸 快 單元，包括模擬量擴(kuò)展摸板， 這 足以 滿足系統(tǒng)所需要的輸入輸出端口要求。 入 /輸出點(diǎn)分配 根據(jù) 控制 系統(tǒng) 的 要求，音樂信號處理模塊轉(zhuǎn)換的 8路開關(guān)量信號 由 經(jīng) 過輸出模塊控制彩燈和變頻器，實(shí)現(xiàn)對變頻器的數(shù)字控制?？刂葡到y(tǒng) 輸出點(diǎn)分配如表 4 和表 5。 表 4 序號 點(diǎn)號 符 號 意義 1 頻信號輸入 2 音頻信號輸入 3 音頻信號輸入 4 音頻信號輸入 5 音頻信號輸入 6 音頻信號輸入 7 音頻信號輸入 8 頻信號輸入 9 啟動按鈕 10 停止按鈕 #水泵工作 2 #水泵工作 3 #彩燈工作 4 #彩燈工作 5 頻器速度一 6 頻器速度二 7 頻器速度三 8 變頻器運(yùn)行 制接線圖 制 啟動按鈕 ， 子 控制 停止按鈕 ， 關(guān)量信號，兩個 接由 水泵的起停 由 變頻器的輸出頻率選擇 由 所示。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 17 S 7 - 2 0 0P L U 2 2 6D C / D C / D . 0I 0 . 1I 0 . 2I 0 . 3I 0 . 4I 0 . 5I 0 . 6I 0 . 7I 1 . 0I 1 . 11 . 2Q 0 . 3Q 0 . 6Q 0 . 7 +2 L +2 . 5Q 1 . 2Q 1 . 1Q 1 . 0K 1K 2開關(guān)量信號停 止啟 動K M 1K M 21 # 水 泵 啟 停 控 制 繼 電 器2 # 水 泵 啟 停 控 制 繼 電 器1 # 彩 燈 亮 滅 控 制2 # 彩 燈 亮 滅 控 制變 頻 器 速 度 1變 頻 器 速 度 2變 頻 器 運(yùn) 行 A I N +變 頻 器 速 度 3變 頻 器 A I N 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 18 5 變頻器及控制參數(shù)設(shè)計 變頻器的主要任務(wù)是把工頻電 轉(zhuǎn)換 為 其他 頻率的交流電，滿足交流電動機(jī)的調(diào)速 變化。 本系統(tǒng)中變頻器用來接受 經(jīng) 理的音樂控制 開 關(guān)量 信號，輸出頻率不同的交流電， 達(dá)到 水泵的 噴水狀態(tài)不斷變化 的設(shè)計目的 ，實(shí)現(xiàn) 噴泉噴水 與 音樂 樂律達(dá)到和諧的統(tǒng)一 。 根據(jù) 現(xiàn)場 音樂控制水柱， 使 水柱與音樂同步， 但 水泵控制水柱，水泵 又由 異步電動機(jī) 控制。 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 是通過頻率變化而改變的，但工頻電的頻率是恒定的 ， 而 變頻器是專門電機(jī)調(diào)速的裝置。 所以可由 變頻器 間接 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 從而使水 柱 高度 發(fā)生變化。 變頻器設(shè)計 變頻器選型 基于控制系統(tǒng)相對簡單，本次設(shè)計選用 以用來控制三相交流電動機(jī)速度 ，適用于變頻驅(qū)動裝置。 備可控 的工廠設(shè)置參數(shù)，它是 為 數(shù)量眾多 且 簡單的控制系統(tǒng)供電的理想變頻裝置。 變頻器控制接線圖 其硬件連接圖如圖 8所示， 子連接 控制變頻器起停。 出口 子上，通過 出 由設(shè)置參數(shù)決定的決定的預(yù)置頻率。 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 19 圖 8 變頻器設(shè)計連接圖 頻器操作面板 利用 M 420變頻器的各個參數(shù)。 位數(shù)字的 7段顯示 ，用于顯示參數(shù)序號 以及 數(shù)值、報警和故障信息以及該參數(shù)的設(shè)定值和 真實(shí) 值， 但。 表 6 13] 1 Q 1 Q 1 Q 1 0 V 西門 子 420 變頻器 5 . 0 . 1 . 2 M V I L N F 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 20 變頻器參數(shù)設(shè)置方法 用 面以更改過濾功能參數(shù) 見 圖 9；并以選擇命令 /設(shè)定值源 圖 10。 圖 9 改變過濾功能參數(shù) 3] 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 21 圖 10 修改選擇命令 /設(shè)定值源下標(biāo)參數(shù) 3] 變頻器參數(shù)設(shè)置 變頻器一般設(shè)置的 參數(shù) 包括 ：①電 動 機(jī)參數(shù) ;可 由 電 動 機(jī)銘牌 獲得 ， 例 如電 動機(jī) 的額定 電壓、 額定 功率、 額定 電流 以及額定 轉(zhuǎn)速 。② 控制 電 動 機(jī)啟動 、 停止方式 有 變頻器 控制 面板 和 端子 兩種 。③ 控制 變頻器 工作 頻率方式 有 變頻器面板、電位器（設(shè)置 相 應(yīng) 的 頻率 區(qū)域 ） 還是 多個 固定 的 頻率（ 控制 變頻器端子 來 對應(yīng)頻率） 。④變頻器 工作 的 最小 頻率和 最大頻率， 增 加 或減少 減速時間等。⑤變頻器控制方式。 在本系統(tǒng)中需要是設(shè)置的參數(shù)有： （ 1） 30”， 1”， —— 變頻器復(fù)位到工廠設(shè)定值 （ 2） 2” —— 擴(kuò)展用戶的參數(shù)訪問范圍 （ 3） 2” —— 由模擬端子 /數(shù)字輸入控制變頻器 （ 4） 17” —— 固定頻率值設(shè)定方式 2 （ 5） 17” —— 固定頻率值設(shè)定方式 2 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 22 （ 6） 17” —— 固定頻率值設(shè)定方式 2 （ 7） 1” —— 正轉(zhuǎn)啟動 （ 8） 3” —— 固定頻率設(shè)定值 （ 9） 20” —— 固定頻率 1為 20 10） 25” —— 固定頻率 2為 25 11） 30” —— 固定頻率 3為 30 12） 35” —— 固定頻率 4為 35 13） 40” —— 固定頻率 5為 40 14） 45” —— 固定頻率 6為 45 15） 50” —— 固定頻率 7為 50變頻器控制說明 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計說明 變頻器由數(shù)字信號控制，將 2”，控制編碼形式為 現(xiàn)變頻器對水泵電機(jī)多段調(diào)速控制。變頻信號由 入變頻器為用戶提供的 3個完全可編程的數(shù)字輸入端， 3個數(shù)字輸入量控制變頻器的 7種頻率輸出 ，通過參數(shù)設(shè)置 7種不同的固定頻率。數(shù)字信號經(jīng)光電隔離輸入 理后通過逆變器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。變頻器設(shè)置水泵正轉(zhuǎn)啟動。數(shù)字輸入與對應(yīng)頻率如表 7所示 。 表 7 數(shù)字輸入與對應(yīng)頻率 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 頻率值（ 20 25 30 35 40 45 50 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 23 相關(guān)參數(shù)的說明 （ 1）按照下面的數(shù)值設(shè)定參數(shù)（用 必要的通訊選件） ，可使 變頻器的全部參數(shù)復(fù)位 到 工廠的缺省設(shè)定值 。 （ 2） 2”，變頻器的參數(shù)有 4個用戶訪問級 ， 1 標(biāo)準(zhǔn)訪問級 、2擴(kuò)展訪問級 、 3專家訪問級 、 4維修級。訪問的等級由參數(shù) 在很多應(yīng)用情況下 ，只要訪問 1（ 1）和 2（ ）。每組功能中出現(xiàn)的參數(shù)號取決于 設(shè)定的訪問級。該參數(shù)的 設(shè)定范圍為 0— 4，缺省值為 1。 （ 3） 2”，選擇數(shù)字的命令信號源 ： 最小值： 0；缺省值： 2；最大值： 6。 此 參數(shù) 改變 時，同時 會 使所選項(xiàng)目的全部設(shè)置值 恢復(fù)到 工廠的缺省設(shè)置值。例如：把 定值由 1 改為 2 時，所有的 數(shù)字輸入都將復(fù)位為缺省的設(shè)置值。 （ 4） 17”，用來選擇數(shù)字輸入 1的功能。該參數(shù) 設(shè)定范圍為0—— 99，缺省值為 1。本系統(tǒng)中設(shè)置 “ 17” ， 即固定頻率設(shè)定值（ 固定頻率值設(shè)定方式 3）。 （ 5） 17”，用來選擇數(shù)字輸入 2的功能。該參數(shù) 設(shè)定范圍為 0—— 99，缺省值為 12。本系統(tǒng)中設(shè)置 “ 17” ， 即固定頻率設(shè)定值（ 固定頻率值設(shè)定方式 3）。 （ 6） 17”，用來選擇數(shù)字輸入 3的功能。該參數(shù)的最小值為0，最大值為 99，缺省值為 9。本系統(tǒng)中設(shè)置 17”即固定頻率設(shè)定值（ 固定頻率值設(shè)定方式 3）。 （ 7）參數(shù)為“ 1”，用來選擇數(shù)字輸入 4 的功能。 定范圍為 0—— 99， 缺省值為 0。本系統(tǒng)中設(shè)置 1”，即 1 通正轉(zhuǎn) / 停車命令 1）。 （ 8） 3” 。 該參數(shù)選擇頻率設(shè)定值的信號源。在下面給出的可供選擇的設(shè)定值表中，主設(shè)定值由最低一位數(shù)字來選擇（即 0 到 6），而附加設(shè)定值由最高一位數(shù)字來選擇（ 即 中， x=1－ 6）。只有一位數(shù)字泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 24 時，表示只有主設(shè)定值，沒有附加設(shè)定值。本系 統(tǒng)設(shè)置 3”選擇固定頻率設(shè)定值 。 （ 9） 20” 。 該參數(shù)定義固定頻率 1 的設(shè)定值。為了使用固定頻率功能，用 擇固定頻率的操作方式，在“直接選擇” 的 操作方式下，還需要一個 令才能使變頻器投入運(yùn)行。 有三種選擇 設(shè)定 頻率的方法： （ 1） 直接選擇（ 15） 運(yùn)用此 操作方式，數(shù)字輸入 與 固定頻率 是一一對應(yīng)的 。 若多個設(shè) 定頻率輸入 要同時激活，這幾個數(shù)字的總和就是選定頻率 。例如： 2） 直接選擇 + 令（ 16） 選擇固定頻率時，既有選定的固定頻率，又帶有 令，把它們組合在一起。例如： 3） 二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（ ）選擇 + 令（ 17），使用 這種方法最多可以 設(shè)定 8個固定頻率。各個固定頻率的數(shù)值根據(jù)表 7所示選擇。 表 8 數(shù)字輸入與對應(yīng)頻率 參數(shù) 狀態(tài) 1000 激活 不激活 不激活 激活 不激活 激活 激活 激活 不激活 激活 激活 激活 活 不激活 不激活 活 不激活 激活 活 激活 不激活 活 激活 激活 （ 10） 數(shù)設(shè)置 同 [11] 泰山學(xué)院本科畢業(yè) 論文 25 6 控制系統(tǒng) 軟件 設(shè)計 及調(diào)試 音樂噴泉的控制 系統(tǒng) 主要 由 首先 音樂的頻率信號控制 ， 然后 變頻器接受來自 可編程控制器 的開關(guān)量信號， 達(dá)到 控制變頻器輸出頻率不同的交 流電，從而使水泵的噴水狀態(tài)不斷變化 的目的 ，實(shí)現(xiàn)噴泉噴水隨音樂高低呈現(xiàn)不同的 狀態(tài) 。同時 現(xiàn)彩燈組與音樂節(jié)奏的同步變換。 制流程 初始化 先檢測啟動按鈕 的狀態(tài) ， 然后 選擇控制電動機(jī)的啟動，如果停止按鈕按下則調(diào)至電機(jī)停止控制程序，停止電機(jī)工作。變頻器啟動的初始條件 為 電動機(jī)啟動信號 ， 只要 其中一臺電動機(jī)啟動工作即可 使 變頻器 工作 。 根據(jù) 制 輸出，進(jìn)而達(dá)到選擇預(yù)置變頻器輸出頻率的目的 。變頻器預(yù)