PLC控制的自动花样音乐喷泉系统设计毕业设计论文.doc
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1、i 毕业设计(论文) 题 目:PLC 控制的自动花样音乐喷泉系统 学生姓名: 学 号: 班 级: 指导教师: 完成日期: 2011-10-8 摘 要 自动喷泉采用了可编程控制器 PLC 和变频器,用软件实现 对自动喷泉运行的控制,可靠性大大提高。控制系统结构简单, 外部线路简化,可方便的增加或改变控制功能,也可以进行故 障自动检测与报警显示,提高运行安全性,并便于检修。用西 门子 S7200 方法编程,可以使设计思路清晰,编程简便。而 变频器调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功 率因素和节电效果,可以控制喷泉水位的高度,广泛的适用范 围及其它许多优点而获国内外公认为最有发展前途的调
2、速方式。 因此,可编程控制器 PLC 技术加变频器调速技术已成为现代喷 泉行业的一个热点。 随着人们生活水平的提高和建立绿色城市的向往,音乐喷 泉以其独特的魅力和特殊的功能,愈来愈成为休闲娱乐产业中 的一项重要产品,音乐喷泉的兴建也越来越多。 根据目前音乐喷泉的发展现状,完成了小型音乐喷泉系统 硬件结构设计和控制系统设计。控制系统的原理是利用 8051 单 片机汇编音乐程序或者通过 A/D 对音频信号进行采样和处理, 分级控制单相电动机,最终达到控制喷头流量的方法,也可以 采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制花型。音频信号还 影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化,从而使灯光色彩、灯光的 闪烁和喷
3、泉水姿随音乐节奏而变化。现代都市人久居闹市, 对 紫陌红尘中的千层蛛网万般世态颇多迷惑, 在繁杂的事务中不 知浓缩兜裹着多少奔波而且疲管的思绪。如果你确定自己正在 16 岁到 55 岁这个年龄段, 那我猜你的生活中或多或少都该有 些压力。在心中任它们堆积和增长可绝对不是个明智的选择, 于是, 便希冀一种闲情逸致, 向往一种宁静生活。而宁静的 心境,远非旅游所能满足, 唯有音乐, 才能让现代人放松自 我, 感觉宁静。当然,压力的来源也有很多种,但是忙碌的人 群还是在身边感受比较好,因此音乐喷泉是现代很有必要的热 点。 关键词:可编程控制器;变频器;控制;自动喷泉;音乐控制; 8051 单片机;A
4、/D 转换;音乐喷泉; iv 目 录 目目 录录 4 4 1 1 引言引言 6 6 1.11.1 论文研究的背景论文研究的背景 6 6 1.2 论文设计的内容 7 1.3 论文设计的目的和意义 8 2 2 系统控制方案的确定系统控制方案的确定 9 9 2.1 花式喷泉的概述 .9 2.2 采用 PLC 控制花式喷泉的优点 10 2.3 系统设计的基本步骤 10 2.5 花式喷泉控制系统的原理图 12 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 1212 3.1 可编程控制器(PLC)的选型 .12 3.1.1 PLC 概述.12 3.1.2 PLC 的选型13 3.2 变频器的选型 15 3.3 水泵的
5、选型 16 3.4 硬件接线图 .16 3.5 I/O 分配表 .17 3.6 音乐原理 .18 3.6.1 音乐控制模块 19 3.62 中央控制模块.20 4 4 系统软件设计系统软件设计 2323 4.1 PLC 梯形图概述 23 4.2 STEP 7-MICROWIN 32 软件的使用 .24 4.3 S7200_SIMULATION仿真软件的使用 28 4.4 系统工作过程分析 .31 4.5 控制系统程序设计.31 4.5.1 花式喷泉的第一种花样31 4.5.2 花式喷泉的第二种花样 34 4.5.3 花式喷泉的第三种花样 36 4.6 音乐软件管理 .39 4.6.1 整体音乐
6、模块 .39 4.6.2 音乐控制设计 40 4.6.3 定时时间的产生及工作方式的选择 42 总结总结 4545 致谢致谢 4646 1 第 1 章 引言 1.1 论文研究的背景 随着城市化进程的加速,花式喷泉可以在人们周围随处可 见。比如广场,大厦,小区等。花式喷泉是人造小气候,在炎 热的夏日可以起到增湿和降温的作用;也为水体充氧,有利于 水体增加自净能力,起到防止水体黑臭的作用。 花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键,而这 与花式喷泉的控制系统息息相关。花式喷泉可以根据自己的设 计,设计出各种各样的花样,加上灯光,能给人有种不错的视 觉享受。 1969 年美国数字设备公司( DE
7、C)研制出世界上第一台可编 程控制器,并成功地应用在美国( GM)的生产线上。但当时只能 进行逻辑运算,故称为可编程逻辑控制期,简称 PLC (programmable logic controller)。 70 年代后期,随着微电子技术和计算机的迅猛发展使 PLC 从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域,真正 成为一种电子计算机工业控制装置,故称为可编程控制器,简 称 PC (programmable contruller) .但由于 PC 容易与个人计 算机(programmable computer)相混淆,故人们仍习惯地用 PLC 作为可编程器的缩写。 引言 1985 年国际
8、电工委员会(IEC)对 PLC 的定义如下。 可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统,是专为在 工业环境下的应用而设计的工业控制器,它采用了可以编程的 存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、 计数和算术运算等操作的指令,并通过数字或模拟式的输入和 输出,控制各种类型机械的生产过程。 PLC 是继电器逻辑控制系统发展而来,所以它在数学处理、 顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种 作用:(l)逻辑运算(2)弱电控制强电。 PLC 是集自动控制技术,计算机技术和通讯技术于一体的一 种新型工业控制装置,已跃居工业自动化三大支柱 (PLC、ROBOT、CAD/CAM)
9、的首位。可编程控制器,简称 PLC。它 在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控 制设备。 具有: 可靠性高、抗干扰能力强。 1 设计、安装容易,维护工作量少。 2 功能强、通用性好。 3 开发周期短,成功率高。 4 体积小,重量轻、功耗低等特点。 5 具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、 重量轻等优点,已经广泛应用于自动化控制的各个领域,并已 成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统 相比系统更加可靠;价格上能与继电接触器控制系统竞争: 易于在现场变更程序;便于使用、维护、维修;能直接推动电 磁阀、接触器与于之相当的执行机构:能向中央执行机构:能 向中
10、央数据处理系统直接传输数据等。 因此,进行花式喷泉的 PLC 控制系统的设计,可以推动喷泉 行业的发展,扩大 PLC 在自动控制领域的应用,具有一定的经 济和理论研究的价值。 再者起初的音乐喷泉控制系统就是利用音乐的主要音素(频 率、振幅、音色和节拍)控制喷水的花型组合变化、水柱高低、 远近变化和灯光色彩组合,其原理是将声音信号转变为电信号, 经过放大及其它一些处理推动继电器或电子开关,再去控制设 在水路上的电磁阀的启闭,从而达到控制喷头水路的通断。 音乐喷泉是现代科技与艺术的综合,利用喷泉来表现音乐 的美感,令人赏心悦目。目前,有许多采用各式各样的控制系 统来实现的音乐喷泉, 取得了良好的效
11、果。但纵观这些音控产 品,有的利用音乐的时域变化来控制喷泉,有的将音乐分成几 个频段来控制喷泉的花型, 且多采用低频、中频和高频三个频 段来控制。缺点是都没有在频域上很好地展现音乐,因此不能 很好地体现音乐的内涵。 本项目针对这些问题,提出了一种新的方法来控制喷泉的 变化,本设计将通过对音乐音频信号的实时采样,再通过变频 器对潜水泵进行变频调速,利用各式喷头的喷射、摇摆、旋转 引言 来实现喷泉水柱高低、摇摆幅度、旋转速度来实时地展现音乐 的频谱。 1.2 论文设计的内容 本设计将在以下几个方面对花式喷泉的控制系统进行研究 和论证。 (1)花式喷泉类型的选择。综合花式喷泉的类别和各类的特 点和要
12、求,在本课题中主要研究能有三种喷水花样可供选择: 能够控制每环喷水管喷水的高度:喷水时要有灯光显示;可以 根据不同的季节、不同的场合可改变喷水的花样。将各种水型 及灯光,按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计,通过 计算机运行程序发出控制信号,使水型及灯光有各种各样的变 化。 (2)花式喷泉硬件系统的设计。本课题设计的花式喷泉要求 运行迅速准确度高,在花式喷泉的各层检测系统中用用存工业 自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好 的接近传感器,运用感应器的开关量信号输入给 PLC 来实现控 制。由于本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑 了花式喷泉的经济实用、稳定、灵活、
13、美观的需要。 (3)花式喷泉控制系统软件的设计。在本设计中选用了目前 运用最多的 PLC 编程语言梯形图,梯形图的编程能直观明了的 设计花式喷泉控制的要求,梯形图的编写运用 SWOPC- FXGP/WIN-C 编程软件,此软件支持全部的西门子 S7200 系列 的 PLC 编程,并且具有强大的诊断功能,能更快的查找出故障 的原因,从而大大缩短了维修时间。 1.3 论文设计的目的和意义 随着我国经济的高速发展,微电子技术、计算机技术和自 动控制技术也得到了迅速发展,交流变频调速技术已进入个崭 新的时代,其应用越来越广。而随着我国城市化进程的加快和 人口大量集聚,环境越来越重要,好的环境能使心身愉
14、快,做 事效率提高。其中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, 有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。 可编程序控制器(PLC)因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、 简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最为广泛的通 用工业控制装置,成为当代工业自动化的主要支柱之一。花式 喷泉控制要求接入设备使用简便,对应于系统组态的编程简单, 具有人性化的人机界面,配备应用程序库,加快编程和调试速 度。通过 PLC 对程序设计,提高了喷泉的控制水平,并改善了 喷泉的样式。 6 第 2 章 系统控制方案的确定 2.1 花式喷泉的概述 喷泉是一种将水或
15、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。 现代城市中的喷泉形式已十分丰富。随着构筑物的大小及 水压等的变化,喷泉或高或低、或珠或雾,精彩纷呈,可分为 以下 7 种。 (1)普通喷泉:只有简单的几种固定水型及灯光,随着电源 的开闭而控制喷泉的运行、水型和灯光变化。 (2)程控喷泉:将各种水型及灯光,按照预先设定的排列组 合进行控制程序的设计,通过计算机运行程序发出控制信号, 使水型及灯光有各种各样的变化。 (3)音乐喷泉:程序控制喷泉基础上加入了音乐控制系统, 计算机通过对音频及 MIDI 信号的识别,进行译码和编码,最终 将信号输出到控制系统,使喷泉的
16、造型及灯光的变化与音乐保 持同步。 (4)水幕激光喷泉:将激光器发出的激光束射在水幕喷头喷 出的水膜上,激光束由激光控制系统编程控制,可发出多种多 样的图案及色彩,照射在晶莹透明的水膜上,形成斑斓夺目的 奇异效果。 (5)水珍珠喷泉:利用特殊音波将水变成球体的喷水装置和 全频高速闪光灯的视觉图像效果的产品组成。 (6)游戏喷泉:又称感应泉,喷泉水柱根据游人的动作产生 反应,而且这种反应具有不确定性,是一种互动式喷泉,增强 了娱乐氛围。 (7)跳跳喷泉:又名光亮泉。是一种高科技水景艺术,水形 似根根晶莹透彻地冰柱,一串串飞向空中,轻舞飞扬。 2.2 采用 PLC 控制花式喷泉的优点 (1)控制方
17、式上看:PLC 软接线,只需改变控制程序就可轻 易改变逻辑或增加功能。 (2)工作方式上看:PLC 串行工作,不受制约。 (3)控制速度上看:PLC 通过半导体来控制,速度很快,无 触点,顾而无抖动一说。 (4)定时、记数看:PLC 时钟脉冲由晶振产生,精度高,定 时范围宽:有记数功能。 (5)可靠、维护看:PLC 无触点,寿命长,且有自我诊断功 能,对程序执行的监控功能,现场调试和维护方便。 2.3 系统设计的基本步骤 在花式喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点。 (1)深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。 (2)确定 I/O 设备。根据花式喷泉控制系统的功能要求,确 系统控制方
18、案的设定 定系统所需的输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择 开关等,常用的输出设备有指示灯等。 (3)根据 I/O 点数选择合适的 PLC 类型。 (4)分配 I/O 点,分配 PLC 的输入输出点,编制出输入输出 分配表或者输入输出端子的接线图。 (5)设计花式喷泉系统的梯形图程序,根据工作要求设计出 周密完整的梯形图程序,这是整个花式喷泉系统设计的核心工 作。 (6)将程序输入 PLC 进行软件测试,查找错误,使系统程序 更加完善。 2.4 系统控制方案 花式喷泉系统的控制要求如下。 (1)1、2 均为外环形状的喷水管,3 为内环形状的喷水管, 4 为星形喷水管。灯光系统由三条支路组
19、成,分别为绿色灯支 路(在 l,2 之间) 、黄色灯支路(在 2,3 之间) 、红色灯支路 (在 3,4 之间) 。 (2)该喷泉共有三种花样可供选择。按下启动按钮,喷泉即 开始工作,按下停止按钮,则停止喷水。喷泉的工作方式(即 喷水花样)由选择开关来实现。 (3)该花式喷泉有三种喷水花样可供选择。 第一种花样,4、3、2、1 隔 2 秒依次喷水,一起喷水 1 5 秒后停下,在按 1、2、3、4 的次序隔 2 秒依次喷水,再一起喷 15 秒后停下,以此规律循环。 第二种花样,l、3 同时喷水,延时 3 秒后 1、3 停喷,同 时 2、4 喷水,交替运行 5 次后 1、2、3、4 一起喷水,30
20、 秒后 停止,以此规律循环。 第三种花样,1、2、3、4 按顺序延时 2 秒喷水,然后一起 喷 30 秒后 1、2、3、4 再分别延时 2 秒停喷,以此规律循环。 (4)通过变频器可以控制每环喷水管的高度。在第一种花样 中,1、3 管为慢速正转喷水,2、4 管为中速正转喷水。 (5)灯光系统的控制:由 PLC 的 X5 输入端为灯光系统控制 的选择按钮,当需要灯光配合时,接通 X5 输入端。此时可实现 三路灯光的控制,即 3,4 任意一层喷水时,红色灯亮;2 喷水 时,黄色灯亮;所有的喷头喷水时,绿色灯亮。 花式喷泉池示意图如图 2-1 所示。 系统控制方案的设定 1 2 3 4 图图 2-1
21、2-1 花式喷泉池示意图花式喷泉池示意图 2.5 花式喷泉控制系统的原理图 在喷泉中,通过按钮开关信号来控制 PLC:因为有 4 层喷水, 因此用了 1 个变额器来控制 4 个水泵。 花式喷泉控制系统的原理图如图 2-2 所示。 按钮 开关信号PLC 电源 变频器水泵 图图 2-22-2 花式喷泉控制系统原理图花式喷泉控制系统原理图 2.6 音乐控制原理 2.61 乐曲播放 音乐喷泉所播放的乐曲可以从电脑播放器播放,通过功率 放大器,将所选歌曲分为两路输出,一路输出到音箱设备,另 一路输出到 A/D 转换模块对音频信号进行采样。当操作员在乐 曲数据库中确定了演示乐曲后,随后启动该驱动器,正确地
22、播 放选定的乐曲。 2.62 水型与乐曲同步控制 当乐曲开始播放,水型会同步演示。在上一首乐曲结束和下 一首乐曲开始的间歇期间,水型也会保持同步停止和继续演示。 此音乐喷泉控制系统能提供可调整的喷泉延时,使水型与乐曲 达到同步的效果。 2.63 水型的程序演示 喷泉潜水泵电动机是受控制器内部的程序控制,每一首乐曲 系统控制方案的设定 可从控制器中相应的找到对应的固定程序数据,并可以将其对 应输出。 2.64 彩色灯光的程序演示 与水型的演示程序类似,彩色灯光也由控制器系统程序控 制。通过利用喷泉水泵的控制程序,将灯光控制也采用其同样 的方法,随喷泉的变化相应的水下彩色灯光也会变化、动作。 2.
23、65 水型的节奏随动控制 对于不同的音乐,其水型的跳跃和摇摆是与乐曲的节奏同 步的,表演出音乐喷泉的激情和活力。这种水型的跳跃和摇摆 变化也是由 A/D 对其音频信号采集转换后通过对应的程序所表 现出的。通过变频器对潜水泵实现加速、减速等控制,以达到 对不同音乐信号的不同观赏感。 系统硬件设计 13 第 3 章 系统硬件设计 3.1 可编程控制器(PLC)的选型 3.1.1 PLC 概述 可编程控制器,英文称 Programmablc Controllcr,简称 PLC,木课题中用 PLC 作为它的简称。PLC 是用于工业现场的电 控制器。它源于继电器控制技术,但基于电子计算机。它通过 运行存
24、储在其内存中的程序,把经输入电路的物理过程得到的 输入信息,变换为所要求的输出信息,进而再通过输出电路的 物理过程去实现对负载的控制。 PLC 基于电子计算机,但并不等同于普通计算机。普通计 算机进行入出信息变换时,大多只考虑信息本身,信息入出的 物理过程一般不考虑的。而 PLC 则要考虑信息入出的可靠性、 实时性,以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环 境,如便于安装,便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及 可靠的物理实现,可以说是 PLC 实现控制的两个基本要点。PLC 可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继 电控制装置多的多、强的多。 PLC 有丰富的指令系统,有
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