1、燈光音樂噴泉系統設計 光機電一體化系統設計課程設計 題 目： 燈光音樂噴泉系統設計 院 別： 專 業： 機械電子工程 班 級： 姓 名： 方曉紅 學 號： 2010 指導教師： 二零一四 年 一 月 十五 日 目錄第一章 緒論3第二章 系統的總體設計要求42.1系統控制要求42.2音樂噴泉系統構成及框圖42.3 音樂噴泉的工作原理5第三章 音樂噴泉系統總體結構設計63.1 PLC的特點63.2 變頻器的工作原理63.3 音樂噴泉控制系統的要求83.4 控制系統內容83.5控制系統的簡要工作過程93.6 PLC控制系統9第四章 音樂噴泉的控制系統設計104.1 控制系統的組成部分104.2 系統

2、的控制過程104.4 變頻器的選型及參數設置174.6潛水泵與燈組參數選擇184.7 PLC的外部硬件連接圖194.8控制系統主電路圖20第五章 軟件流程圖和主程序215.1 控制系統基本流程圖225.2 本次設計所用指令介紹255.3 PLC控制系統梯形圖的編制265.4噴泉控制系統的程序27第一章 緒論噴泉原是一種自然景觀，是承壓水的地面露頭。園林中的噴泉，一般是為了造景的需要，人工建造的具有裝飾性的噴水裝置。噴泉可以濕潤周圍空氣，減少塵埃，降低氣溫。噴泉的細小水珠同空氣分子撞擊，能產生大量的負氧離子。因此，噴泉有益于改善城市面貌和增進居民身心健康。隨著城市化進程的加速，隨著我國人民物質和

3、精神生活水平的不斷提高，現在許多城市的市民廣場、單位居民生活區里都能看到各種形式的噴泉。隨著科學技術突飛猛進的發展，在噴泉工程中采用了大量的高新技術，在人們的視覺和聽覺上形成和諧的統一，使人們在精神上有種愉悅的感受。噴泉運行的靈活性是評價噴泉優劣的關鍵，而這與噴泉的控制系統息息相關。噴泉可以根據自己的設計，設計出各種各樣的花樣，加上燈光，能給人有種不錯的視覺享受。噴泉是一種將水或其他液體經過一定壓力通過噴頭灑出來具有一定形狀的組合體，提供水壓的一般為水泵?，F代城市中的噴泉形式已十分豐富。隨著構筑物的大小及水壓等的變化，噴泉或高或低、或珠或霧，精彩紛呈。燈光音樂噴泉是在程序控制噴泉的基礎上加入了

4、燈光音樂控制系統，計算機通過對音頻及MIDI信號的識別，進行譯碼和編碼，最終將信號輸出到控制系統，使噴泉的造型及燈光的變化與音樂保持同步。為展示噴泉的藝術感,通常會配以相應的曲目,根據所選曲目的節奏快慢、抑揚頓挫,編制相應的水泵控制程序來體現音樂的內涵。其中,最重要的環節就是時間同步,即將樂曲的播放時間根據節奏、樂感分解為若干個時間段,在每個時間段內編制相應的水泵、燈光控制程序,調整曲目播放的時間精度和PLC編程的時間精度相同,而且在同一時間段內,水泵和燈光的子程序工作時間相同,從而在視覺上達到同步的觀賞效果。在夜間配合燈光來提升噴泉的觀賞效果,根據燈光顏色、照射花形的角度、音樂曲目進行編制程

5、序,燈光工作時間也要和音樂、水泵的時間同步,其原理與控制水泵原理相同,在這里不再贅述。第二章 系統的總體設計要求2.1系統控制要求設計在廣場等地方使用的燈光音樂噴泉，使用PLC作為控制器?？刂埔螅海?）要求同時有燈光指示。（2）可采用手動和自動方式控制噴泉工作模式。（3）可自動定時開關。2.2音樂噴泉系統構成及框圖 圖2.1系統的整體結構框圖 圖2.2 噴泉的平面布局圖2.3 音樂噴泉的工作原理 音樂噴泉的工作原理是，根據播放的音樂來控制水柱，達到與音樂同步的效果，而水柱是由水泵來控制的，而水泵是由三相異步電動機組成的，三相異步電動機的轉速如果通入工頻電源，轉速是不變化的，變頻器是專門針對電

6、機調速的裝置。由變頻器控制電機的轉速，使水柱發生變化。 改變頻率就改變了電機的轉速，也就改變了水泵的壓力，音樂的不同頻率經單片機處理送到變頻電機的控制端，使電機轉速隨音樂的音調，節奏，和強弱變化，水泵的壓力隨之變化，噴岀的水就有了高低變化，而且是由幾套設備對多組噴嘴實施控制噴泉的形成是水泵。 將音樂的節奏和強度轉變為控制信號，此信號再控制一個電壓控制器件，電源經過這個電壓控制器件后，輸出電壓也隨音樂的變化而改變，從而控制水泵電機。第三章 音樂噴泉系統總體結構設計3.1 PLC的特點PLC是傳統的繼電器技術和計算機技術想結合的產物，所以在工業控制方面，它具有繼電器控制或通過計算機所無法比擬的特點

7、。1、高可靠性2、應用靈活、使用方便3、面向控制過程的編程語言，容易掌握4、易于安裝、調試、維修5、功能完善、模塊功能和網絡功能強大3.2 變頻器的工作原理隨著電力電子技術、微電子技術及計算機技術的發展，變頻器已經成為電器調速的主流，成為現代工業的組成部分。變頻器不僅可以節省能源，還可以改善控制性能，提高生產效率。工業中使用的變頻器可分為通用變頻器和專用變頻器。通用變頻器主要用于工業驅動交流電動機；專用變頻器用于特定的控制對象。隨著變頻器的發展，采用矢量控制的變頻器開始普及。矢量控制的重要性能是使異步電動機具有直流電動機的調速特性，并且與直流電動機系統比較，有無需維修，不需抑制電流變化率，可以

8、謀求電流控制的快速響應；磁場控制范圍廣等優點。無速度傳感器矢量控制變頻器可以在各種轉速下提供不變的轉矩，在整個調速范圍內不但給出160%的過載轉矩，同時還可以進行滑差補償。中小容量的變頻器正向降低噪音，減少諧波對電源的影響、提高低速是的轉矩等方向發展。由于變頻器變頻調速性能好，因而現在以被鋼鐵、石油、紡織、造紙、建材等行業采用并大力推廣。并且極其精確地運行，驅動普通電機能達到最佳的控制效果，操作簡單靈活，具有擴展功能。變頻器的基本構成，從結構上看，變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩類。間接變頻器先將工頻交流電源通過整流器變成直流，然后再經過逆變器將直流變換為可控頻率的交流，因此又稱它為有中間直流

9、環節的變頻裝置或交-直-交變頻器。直接變頻器將工頻交流一次變換為可控頻率交流，沒有中間直流環節，即所謂的交-交變頻器。目前應用較多的是間接變頻器即交-直-交變頻器。因此，可以認為，變頻器的基本構成如圖1.1所示。中間直流電路整流電路逆變電路控 制 電 路交流電交流電商用電源電壓頻率可控 圖3.1 變頻器的基本構成73.3 音樂噴泉控制系統的要求在諸多音樂噴泉控制系統中，不管是采用繼電器控制或電磁閥對音樂噴泉進行控制（開關及噴泉揚程控制），由于不能對電動機或其他控制閥進行調速，所以這些方式都存在反應速度慢的弱點。因此，本設計的重點在于音樂與噴泉的同步實時性，在控制系統中采用了變頻調速，通過變頻器

10、來控制電動機，從而達到快速反應的目的，所以下面所介紹的是本設計對音樂噴泉控制系統所需要達到的要求、效果。顧名思義，燈光音樂噴泉就是要求在音樂的伴隨下噴泉的高度、燈光的強度、色彩以及噴泉的造型隨音樂的音量而變化，通過對各種不同的音樂進行選擇播放，以及對不同音頻信號的采集、轉化等處理后，利用編制程序來實現對音樂噴泉的實時控制。3.4 控制系統內容音樂噴泉控制系統內容包括樂曲播放、水型與樂曲同步、水型的程序演示、彩色燈光的程序演示、水型的節奏隨動控制等。1、樂曲播放音樂噴泉所播放的樂曲可以從CD、VCD、DVD等播放器播放，通過功率放大器，將所選歌曲分為兩路輸出，一路輸出到音箱設備，另一路輸出到A/

11、D轉換模塊對音頻信號進行采樣。當操作員在樂曲數據庫中確定了演示樂曲后，隨后啟動該驅動器，正確地播放選定的樂曲。2、水型與樂曲同步控制當樂曲開始播放，水型會同步演示。在上一首樂曲結束和下一首樂曲開始的間歇期間，水型也會保持同步停止和繼續演示。此音樂噴泉控制系統能提供可調整的噴泉延時，使水型與樂曲達到同步的效果。3、水型的程序演示噴泉潛水泵電動機是受控制器內部的程序控制，每一首樂曲可從控制器中相應的找到對應的固定程序數據，并可以將其對應輸出。4、彩色燈光的程序演示與水型的演示程序類似，彩色燈光也由控制器系統程序控制。通過利用噴泉水泵的控制程序，將燈光控制也采用其同樣的方法，隨噴泉的變化相應的水下彩

12、色燈光也會變化、動作。5、水型的節奏隨動控制對于不同的音樂，其水型的跳躍和搖擺是與樂曲的節奏同步的，表演出音樂噴泉的激情和活力。這種水型的跳躍和搖擺變化也是由A/D對其音頻信號采集轉換后通過對應的程序所表現出的。通過變頻器對潛水泵實現加速、減速等控制，以達到對不同音樂信號的不同觀賞感。3.5控制系統的簡要工作過程首先對音頻信號進行分配，一路直接經功率放大器后輸出到外部音箱設備；另一路則對音頻信號進行采樣和A/D 轉換等預處理；其次，經過PLC對數字量音頻信號（二進制）進行轉換,將其音頻信號轉換成實數，再通過在PLC內部設定某種固定值或表格數據，與之相比較輸出采樣值的范圍；最后，通過對變頻器的高

13、、中、低三個控制端進行開關量輸入，即輸入組合（001111），以達到調節變頻器的7種頻率段，并能很好的控制潛水泵的轉速。當轉速的快慢、音樂音頻信號各頻率對應聲音信號的強度, 通過變頻控制系統就可以將音頻信號的變化用噴泉的水柱表現出來, 水柱的高低按線性比例反映音頻信號的幅度。設每次對音頻信號的采樣時間為0.6s, 系統總的結構組成將在第三章進行詳細的闡述。3.6 PLC控制系統經過數十年的發展，PLC技術已越來越成熟，應用的范圍也越來越廣泛，幾乎滲透到了各行各業。而在很多的控制應用系統中，以PLC為核心的控制系統逐漸成為理想的控制系統，其主要特點主要有：1、硬件的可靠性2、編程簡單，使用方便3

14、、接線簡單，通用性好4、可連接為控制網絡系統5、易于安裝，便于維護第四章 音樂噴泉的控制系統設計4.1 控制系統的組成部分硬件系統主要由PLC、A/D轉換模塊、變頻器、潛水泵和燈光組成。通過PLC對外部音頻信號的采樣、轉換來控制變頻器和故態繼電器的動作，從而達到控制系統的要求，并能夠實現對音樂和噴泉的實時的完美結合。音樂噴泉控制系統硬件組成部分如圖4.1所示。.CDVCDDVD可編程序控制器外部音箱（左）變頻器1#SSR變頻器2#變頻器4#變頻器3#SSRSSRMMMM外部音箱（右）DC5V調速端DC5VDC5V調速端調速端調速端四組潛水泵七組水下燈功率放大器A/D 圖4.1 音樂噴泉控制系統

15、硬件結構圖4.2 系統的控制過程在這里，輸入轉換電路是指能對樂曲啟停、樂曲節奏和聲音強弱等進行檢測并將檢到的信號以電平、脈沖或數字形式送至PLC的電路。在此控制系統中，利用A/D模塊對音樂信號的采樣，根據控制精度的需要,人耳的聽覺,音樂信號的特點。由于人耳聽到的是廣場上播放樂曲的聲音,而人眼看到的是噴頭的水流量,聲音強度與水流量并不是線性關系。而與潛水泵的速度成線性關系,閥門噴出的水流量高度與潛水泵的旋轉速度變化成比例,潛水泵的旋轉速度又與給變頻器所設定的頻率以及頻率變化速度成比例。聲音強度與采樣過來轉換后的數字量成比例,所以PLC要對采樣后的數字量進行分段、轉換、比較才能輸出到相對應的變頻器

16、，以達到控制水泵旋轉速度。因為有了它，音樂已不再僅是背景音樂，音樂已用來控制整個噴池噴頭的動作與否，因而已達到了音樂噴泉的最基本要求。4.3 PLC的選型 音樂噴泉邏輯控制系統的控制核心是PLC，在建立一個PLC控制系統時，哪些信號需要輸入至PLC，PLC需要驅動哪些負載,以及采用何種編程方式，都會影響到其內部I/O點數的分配，必須首先把系統需要的輸入，輸出數量確定下來，然后按需要確定各種控制動作的順序和各個控制裝置彼此之間的相互關系。在確定控制系統各環節的相互關系之后，就可以進行分配輸入輸出設備。因此，I/O點數的確定，是設計整個PLC音樂噴泉控制系統首先需要解決的問題，它不僅決定著系統硬件

17、部分的設計，也是系統軟件編寫的前提。在估算了PLC的輸入輸出點、內部輔助繼電器、定時器、計數器之后，就可以對PLC進行選型，并進一步進行輸入/輸出量的確定。4.3.1 PLC控制系統I/O口的估算本設計是廣場音樂噴泉控制系統的設計,根據PLC 的I/O節點使用原則,應留出一定的I/O點以做擴展時使用。在對系統的控制要求進行分析后，可以大概確定系統的輸入輸出點數。1、系統數字量輸入所需點數估算本系統是根據音樂的旋律、音頻信號的大小來控制噴泉水柱高低的，所以其數字量輸入只需要滿足系統啟動、停止兩個功能。如表4.1所示表4.1 系統數字量輸入所需各元器件功能及所占PLC點數項目名稱輸入點數備 注總點

18、數啟動按鈕1噴泉控制系統啟動輸入點數：2停止按鈕1噴泉控制系統停止2、系統模擬量輸入所需點數估算為了將音頻信號轉化成PLC能識別的數字量信號，這里需采用一個模擬量/數字量轉換模塊，所以模擬量輸入點為1個。如表4.2所示表4.2 系統模擬量輸入所需各元器件功能及所占PLC點數項目名稱模擬量輸入點數備 注總點數音頻信號變送模塊1音頻信號大小輸入點數：13、系統數字量輸出所需點數估算系統數字量輸出分為控制變頻器開關量、控制燈光開關量兩個部分，其中變頻器有啟動和調速兩種控制量。如表4.3所示表4.3 系統數字量輸出所需各元器件功能及所占PLC點數項目名稱輸入點數備 注總點數啟動變頻器開關量5控制變頻器

19、運行輸出總點數：24變頻器速度開關量12選擇變頻器頻率水下等光控制輸出7水下燈光的控制4.3.2 PLC的選型由以上對廣場音樂噴泉控制系統的組成、工作過程、I/O點的估算等分析可知，系統中實際需要數字量輸入點2點,模擬量輸入模塊1個，數字量輸出點24點，輸出擴展模塊1個。同時，考慮到該系統是單機系統，可選擇整體式結構的PLC。4.3.2.1 PLC類型的選擇在眾多的PLC種類當中，有松下FP1系列PLC、西門子S7-200系列PLC、華光SU-6B系列PLC、三菱FX2N系列PLC等產品。SIMATIC S7-200 系列 PLC的應用比較廣泛，可擴展模塊多，適合很多控制系統選擇，在本設計當中

20、詳細的對SIMATIC S7-200系列產品進行了結構分析。1、SIMATIC S7-200 系列 PLC其主要特點是：它有豐富的指令、內置集成功能、擴展模塊；具有實時特性；強勁的通訊能力；可靠性好，適應性強以及性能價格比高。2、S7-200PLC的硬件系統結構S7-200是模塊化的PLC，它主要由CPU模塊、擴展模塊和總線連接電纜構成。（1）CPU模塊該模塊主要包括CPU、電源和I/O點3部分。CPU主要負責程序的運行等工作；模塊的電源不僅向CPU供電，還要滿足與CPU模塊相連的其他模塊的用電需求；該模塊本身自帶一定數量的開關量I/O點，如果能夠滿足控制要求，則可以不再需要開關量I/O模塊。

21、（2）擴展模塊由于CPU模塊本身的I/O點非常有限、而且無模擬量I/O點，所以有時需要數字量I/O模塊、模擬量I/O模塊等一些特殊功能模塊。（3）總線連接電纜 總線連接電纜用來把I/O模塊和PLC或其他的擴展模塊連接在一起。3、S7-200PLC的硬件系統配置S7-200有兩種系統配置方式，一種是在面板上進行配置，另一種是在DIN導軌上進行配置。兩種系統配置方式分別如圖4.2和圖4.3所示。S7-200I/O模塊I/O模塊I/O模塊I/O模塊DIN導軌S7-200I/O模塊I/O模塊面板圖4.2 第1種系統配置圖 圖4.3 第2種系統配置圖SIMATIC S7-200 系列 PLC適用于各種場

22、合中的檢測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜的控制功能，尤其在集散自動化系統中更能充分發揮其強大的功能。因此，可選擇西門子公司的SIMATIC S7-200 系列 PLC。另外，由于在S7-200 系列中，輸出信號有兩種類型：繼電器輸出型和DC輸出（晶體管輸出）型，而在此系統當中只有直流電壓信號輸出，沒有交流電壓輸出，所以選擇了晶體管輸出型PLC。綜上所述，本設計選用了西門子S7-200系列 CPU226晶體管輸出型的PLC，其中24輸入/16輸出共40個數字量I/O點，并可連接7個擴展摸板單元，包括模擬量擴展摸板，這已經可以滿足系統所需要

23、的輸入輸出端口要求。4.3.2.2 PLC數字量擴展模板的選擇本系統設計采用的是西門子S7-200型CPU226的PLC，它有24輸入/16輸出共40個數字量I/O點，由于該系統輸出點數需要24點，所以采用數字量擴展模塊。S7-200系列目前可以提供三大類共9種數字量輸入輸出擴展模塊。1、EM221，數字量輸入（DI）擴展模塊，具有8點DC輸入，光電耦合器隔離。2、EM222，數字量輸出（DO）擴展模塊，有2種輸出類型：8點DC24V輸出；8點繼電器輸出型。3、EM223，數字量混合輸入/輸出（DI/DO）擴展模塊，有6種輸出類型：DC24V輸入4點/輸出4點；DC24V輸入4點/繼電器輸出4

24、點；DC24V輸入點/輸出點；DC24V輸入8點/繼電器輸出8點；DC24V輸入16點/輸出16點；DC24V輸入16點/繼電器輸出16點。由上述所需擴展輸出點數可知，此系統采用數字量輸出擴展模塊EM222，8點DC24V輸出型。4.3.2.3 模擬量擴展單元摸板選擇 對與整個音樂噴泉控制系統來說，硬件的組成及選擇都是關系到設計是否合理的一個重要依據。因此，本設計硬件系統由主控制器PLC、A/D轉換器模塊、變頻器、潛水泵、音箱設備以及燈光等多部分組成。在上述章節中介紹了PLC主控制器的選擇，下面將詳細介紹音樂噴泉控制系統A/D轉換器模塊的選擇。1、模擬量輸入接口模板的簡介模擬量輸入接口模板的任

25、務是把現場中被測的模擬量信號轉變成PLC可以處理的數字量信號。通常生產現場可能有多路模擬信號需要采集，各模擬量的類型和參數都可能不同，這就需要在進入模板前，對模擬量信號進行轉換和預處理，把它們變換成輸入模板能統一處理的電信號，經多路轉換開關進行多中選一，再將已選中的那路信號進行A/D轉換，轉換結束進行必要處理后，送入數據總線供CPU存取，或存入中間寄存器備用。A/D轉換器是模擬量輸入模板的關鍵器件，它完成模擬量到數字量的轉換。轉換時間一般為10100us，A/D轉換器是在控制的控制下，完成啟動A/D轉換，讀取轉換結果等工作過程。通常，A/D轉換的結果是以帶符號的二進制形式出現。轉換后的數據經光

26、電隔離，再經數據驅動器，送入中間寄存器。當CPU需要讀取本通道輸入信號時，再由中間寄存器取出，經總線驅動后送入數據總線。經數據線驅動的輸出數據也可以不經中間寄存器而直接進入總線驅動，供CPU立即讀取。4.3.2.4 A/D模塊的選擇西門子S7-200型PLC的模擬量擴展單元模板類型有以下三種：第一種：EM231，4路12位模擬量輸入（AI）模板（1）差分輸入，輸入范圍：電壓：010V，05V，+2.5V，+5V。 電流：020mA。（2）轉換時間：<250us。（3）最大輸入電壓30VDC，最大輸入電流32mA。第二種：EM232，2路12位模擬量輸出（AO）模板（1）輸出范圍：電壓+1

27、0V，電流020mA。（2）數據字格式：電壓-32000+32000，電流0+32000。（3）分辨率：電壓12位，電流11位。第三種：EM235，模擬量混合輸入/輸出（AI/AO）模板（1）模擬量輸入4路，模擬量輸出1路。（2）差分輸入，電壓：010V，05V，01V，0500mV，0100mV，050mV，+10V，+5V，+2.5V，+1V，+500mV，+250mV，+100mV，+50mV，+25mV。 電流：020mA。（3）轉換時間：<250us。（4）穩定時間：電壓100us，電流2ms。在本系統設計中，只需要考慮模擬量的輸入模板，不需要模擬量輸出模板，所以首選擴展模塊為

28、EM231，4路12位模擬量輸入（AI）模板。4.3.3 控制系統的I/O地址分配PLC控制系統硬件設計的關鍵部分是設計PLC的外部電路，即畫出PLC的外部硬件連線圖。根據以上所選的CPU模塊型號、各擴展模塊的型號以及本機的I/O地址，為了明確每個輸入端傳入數據的意義和每個輸出線圈所控制的量，給出I/O資源配置表如表3.4和表3.5所示。數字量輸入部分：如表3.4所示表4.4 數字量輸入地址分配表信號名稱外部元件輸入地址備 注啟動按鈕SB1I0.01啟動停止按鈕SB2I0.11停止模擬量輸入部分：如表4.5所示表4.5 模擬量輸入地址分配表信號名稱外部元件輸入寄存器備 注 A/D轉換數字量EM

29、231模塊AIW03、數字量輸出部分：如表4.6所示表4.6 數字量輸出地址分配表信號名稱外部元件輸出地址啟動變頻器1#（正轉）STF工作繼電器STFQ0.0變頻器1#低速RL工作繼電器RLQ0.1變頻器1#中速RM工作繼電器RMQ0.2變頻器1#高速RH工作繼電器RHQ0.3啟動變頻器2#（正轉）STF工作繼電器STFQ0.4變頻器2#低速RL工作繼電器RLQ0.5變頻器2#中速RM工作繼電器RMQ0.6變頻器2#高速RH工作繼電器RHQ0.7啟動變頻器3#（正轉）STF工作繼電器STFQ1.0變頻器3#低速RL工作繼電器RLQ1.1變頻器3#中速RM工作繼電器RMQ1.2變頻器3#高速RH

30、工作繼電器RHQ1.3啟動變頻器4#（正轉）STF工作繼電器STFQ1.4變頻器4#低速RL工作繼電器RLQ1.5變頻器4#中速RM工作繼電器RMQ1.6變頻器4#高速RH工作繼電器RHQ1.7第1組潛水燈HL0Q2.0第2組潛水燈HL1Q2.1第3組潛水燈HL2Q2.2第4組潛水燈HL3Q2.3第5組潛水燈HL4Q2.4第6組潛水燈HL5Q2.5第7組潛水燈HL6Q2.6主電路電源接觸器KM1Q2.74.4 變頻器的選型及參數設置當今噴泉工程和高新技術的結合正是歷史發展的必然。由于噴泉工程中采用了大量的高新技術從而使噴泉效果更加絢麗多彩、婀娜多姿，令人賞心悅目、流連忘返。隨著科學技術突飛猛進

31、的發展，變頻調速器技術正大步走進噴泉控制領域，發揮著不可替代的作用。根據控制功能將通用變頻器分3種類型。普通功能型V/F控制變頻器，具有轉矩控制功能的高功能型V/F控制變頻器，以及矢量控制高性能變頻器。根據負載的要求來選擇變頻器的類型。本設計中采用了三菱FR-S540S型變頻調速器，該變頻器接線端分布圖如圖4.4所示。主回路端子控制回路輸出端子控制回路輸入端子 圖4.4 變頻器接線端子分布圖該變頻器調速僅通過外部的接點信號切換，即可選擇各種速度(RH,RM,RL)。即使在變頻器運行中，各種速度（頻率）也可在0120Hz范圍內任意設定。具體接點信號（RH,RM,RL信號）ON/OFF怎樣組合實現

32、調速，并能階段性地切換運行速度使用。根據表4.5所示數據的大小變化按內部編程進行電機變頻調速，控制水泵電機的轉速，獲得相應的噴水壓力和水花高度，獲得與音樂間相吻合的水花節奏和動感。其內部程序根據需要和要求按一定規律或規則進行編程。表4.5 多段調速設定表高速RH中速RM低速RL1速ONOFFOFF2速OFFONOFF3速OFFOFFON4速OFFONON5速ONOFFON6速ONONOFF7速ONONON 4.5 水泵的選型 泵是一種面大量廣通用型號機械設備，它廣泛地應用于石油、化工、電力、冶金、礦山、選船、輕工、農業、民用和國防各部門，在國民經濟中占有重要的地位。泵的電能消耗起了積極作用。但

33、是目前在國民經濟各個領域中，由于選型不合理，許多的泵處于不合理運行狀況，運行效率低，浪費了大量能量。還有的泵由于選型不合理，根本不能使用，或者使用維修成本增加，經濟效益低。由此可見，合理選泵對節約能源同樣具有重要意義。所謂合理選泵，就是要綜合考慮泵機組和泵站的投資和運行費用等綜合性的技術經濟指標，使之符合經濟、安全、適用的原則。具體來說，有以下幾個方面：必須滿足使用流量和揚程的要求，即要求泵的運行工次點經常保持在高效間運行，這樣既能剩動力又不易損壞。所選擇的水泵既要體積小、重量輕、造價便宜，又要具有良好的特性和較高的效率。具有良好的抗氣蝕性能，這樣既能減小泵房的開挖深度，又不使水泵發生氣蝕，運

34、行平衡、壽命長。4.6潛水泵與燈組參數選擇整個系統的水泵使用三相潛水泵，功率視水池大小而定，每個水池中各安置12 根粗水管，每根水管上安裝23 臺水泵，被控噴水管上的水泵電機只控制12 臺（不全控），不受控的水泵工作保持一定的水柱（花）高度，而受控的水泵工作使水柱（花）在一定基礎上跳動噴射，以避免音樂間歇無噴水現象出現（也可調整變頻器參數獲得）。本設計中采用的是QS20-20/2-0.5型噴泉專用泵，該泵如下特點：電機性能：采用優質材料DR470，增加電機繞組的匝數及線徑使水泵耐頻繁起動。水力部分：采用優秀水力模型設計，使水泵流量、揚程、效率三者更為合理。結構特點：該電機為自循環充水式冷卻；電

35、纜用三相四線JHS型噴泉專用電纜；葉輪采用了防松動裝置；濾網護罩采用全不銹鋼材料；電機內腔定轉子采用進口涂料，提高了水下電機耐腐蝕性，通過以上結構改進使之更適于噴泉工程專業要求。2-20/20-0.5QS配用電動機額定功率（kw）水泵級數（單位不標注）額定揚程（m）額定流量（m3/h）充水式小型潛水電泵為提高負載能力，驅動更多更大燈組負載，在可編程序控制器輸出端外接無觸點固態繼電器，以增大驅動能力，并與強功率電路電氣隔離(光隔離)，提高抗干擾性能和安全性能。整個噴泉的燈光以暖色調為主，突出中心部分應用水景造型配以不同顏色的燈光襯托， 采用水下彩燈，以紅、黃、綠、蘭四色搭配中心主噴以紅色為主，燈

36、光明亮隨編排程序，與對應7組表數據輸出同步變化。由于本設計主要考慮的是噴泉的控制系統，具體水泵、燈光等器件將如何選擇、編排、布置問題，在此不作詳細介紹。4.7 PLC的外部硬件連接圖PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端接地。電源部分包括PLC工作電源AC220V，其他輸入/輸出電源電壓均為DC24V。 PLC的外部硬件連接圖見附錄A。在整個PLC外部硬件連接圖中，包括數字量、模擬量的輸入接線和數字量輸出接線三個部分：1、數字量輸入數字量輸入點有兩個分別為I0.0和I0.1，其中I0.0為啟動按鈕，當按下I0.0時，PLC進

37、入程序運行狀態，并對程序進行循環掃描；I0.1為停止按鈕，當按下I0.1時，系統會停止所有程序的掃描，并能控制到此時無輸出，而且同時將所有置位信號復位。另外，當外部水泵電源線路中過載熱繼電器保護裝置FR出現動作時，也同樣可以將PLC系統所有工作立即停止。2、模擬量輸入模擬量輸入通過PLC的擴展插口直接利用數據線連接，不需要另外占用端子排上的端口。因為音頻信號的直接來源于CD、VCD、DVD等設備，而不是通過功放將音頻信號功率大后再輸入轉換模塊的，所以，當音頻信號以電流020mA的形式時，可直接接入模擬量轉換模塊EM231，通過編制程序可直接從模擬量轉換EM231中的變量寄存器中讀取數據。3、數

38、字量輸出數字量輸出包括：變頻器和潛水燈兩部分。由于采用的是西門子S7-200系列CPU226型的PLC，根據輸出點數可知，需加數字量擴展模塊EM222。圖中所示輸出Q0.0Q1.7分別分成8個一組接至相應的4組變頻器控制端子，其中STF為啟動變頻器正轉端，高速RH端、中速RM端以及低速RL端為組合調速端，通過三個端子可組合成為7速調節，從而使得潛水泵的速度變化也會相應的跟著有所改變。另外，數字量輸出擴展模塊EM222的Q2.0Q2.7所接為固態繼電器，通過控制固態繼電器的通斷，將改變7組燈光的變化組合，其中Q2.7輸出控制主電路電源通斷。4.8控制系統主電路圖控制系統主電路圖主要包括變頻器、潛

39、水泵兩個主要部分。變頻器的電源線直接從三相交流電獲得，分別接至R、S、T三個端子上，對應的輸出到潛水泵，潛水泵則接至U、V、W三個端子上，該控制系統電路中有熔斷、熱繼電器兩大保護裝置。而STF、RL、RM、RH則是控制調節輸出，通過改變其端子組合去改變潛水泵的轉速。具體控制系統主電路圖如圖4.5所示。 圖4.5 控制系統主電路圖第五章 軟件流程圖和主程序在對控制系統進行分析和硬件設計的基礎上，根據PLC控制系統工藝流程和系統控制要求，對PLC進行了軟件設計。NYYN開 始將7組設定數據填入表中選擇變頻器讀AIW0值將AIW0的值存入AC0，與內部設定量比較結 束T37計時0.6s參數初始化YN

40、按下啟動按鈕運行子程序調用子程序圖5.1 主程序流程圖5.1 控制系統基本流程圖控制系統流程圖的編制是在對控制系統進入深入的了解后，了解各種控制設備之間的關聯；然后詳細的了解每個被控設備的特性。分析完工藝流程和控制要求后，根據工藝的總體要和控制系統的具體情況，畫出控制系統的流程圖。1、控制系統軟件流程整體思路分析框圖見附錄A。2、圖5.1所示為主程序流程圖當PLC運行時，PLC開始進行參數初始化，并開始掃描系統程序，當按下啟動按鈕，系統主程序將執行的步驟有：讀入7組表數據，并選擇變頻器，開始計時每0.6s讀一次AIW0中的值，將所讀值存到累加器AC0中，用AC0與內部設定值相比較，然后判斷具體

41、調用哪個子程序，選定后運行子程序，結束。在此流程圖中應注意：系統停止流程圖、變頻器的選擇流程圖以及子程序流程圖將在下面另做解釋。選擇變頻器變頻器 1 #變頻器 2 #變頻器 3 #變頻器 4 #VW500=0VW500=1VW500=2VW500=3NNNNYYYY圖5.3 選擇變頻器流程圖NY開 始結 束正常運行停止讀AIW0的值按下停止按鈕圖5.2 強制停止流程圖 3、圖5.2是所示為強制停止流程圖在系統需要關閉時，不管是出現何種情況的問題，都可以直接按下停止按鈕即可，此時PLC會停止所有工作。4、圖5.3是所示為變頻器選擇流程圖在主程序部分，有一內容為選擇變頻器，由于本設計采用的是4組變

42、頻器循環，每個變頻器的動作的時間相差0.6s。因此必須提前選擇變頻器，在選擇變頻器的時候，本設計中用到了加法、除法等基本指令，通過編程運算，當變量寄存器VW500中所存余數等于0時，選擇變頻器1#；當變量寄存器VW500中所存余數等于1時，選擇變頻器2#；當變量寄存器VW500中所存余數等于2時，選擇變頻器3#；當變量寄存器VW500中所存余數等于3時，選擇變頻器4#；這樣依次循環，達到了根據表數據對應輸出到某個變頻器上的目的。計時0.4s計時0.4s計時0.4sYVW28=1VW28=2計數6次Q0.2輸出第2速Q0.1輸出第1速輸出完畢變頻器3#復位將表VW20中的數據讀到VW26中將表V

43、W20中的數據讀到VW27中0123YNYNYNYNNYNYNYNYN子程序開始表1數據輸出變頻器1#變頻器2#變頻器3#變頻器4#表1數據輸出表1數據輸出表1數據輸出選擇變頻器VW=？VW29=1VW29=2計數6次Q0.2輸出第2速Q0.1輸出第1速輸出完畢變頻器4#復位VW27=1VW27=2計數6次Q0.2輸出第2速Q0.1輸出第1速輸出完畢變頻器2#復位將表VW20中的數據讀到VW28中子程序返回VW26=1VW26=2計數6次Q0.2輸出第2速Q0.1輸出第1速輸出完畢變頻器1#復位YNYNYN計時0.4s將表VW20中的數據讀到VW29中子程序返回子程序返回子程序返回Y 圖5.4

44、 子程序0流程圖5、圖5.4所示為子程序0的流程圖，該圖表示每一組數據有對應輸出到4個變頻器上的可能，本設計將其考慮進去了。如：假設四次采樣都是對應第1組數據輸出，那么第一次的應該輸出到變頻器1#，第2次的應該輸出到變頻器2#，依次類推即可。5.2 本次設計所用指令介紹1、位操作指令PLC的位操作指令主要實現邏輯控制和順序控制，傳統的繼電器-接觸器控制系統完全可以用S7-200的位操作指令來完成。（1）基本邏輯指令a) 裝載指令LD（Load），LDN（Load Not）與線圈驅動指令=（Out）b) 觸點串聯指令A（And），AN（And Not）c) 觸點并聯指令O（Or），ON（Or N

45、ot）d) 置位/復雜位指令S（Set）/R（Reset）（2）定時器指令：接通延時定時器指令TON（On-Delay Timer）（3）計數器指令：遞增計數器指令CTU（Counter Up）（4）比較指令：整數比較指令2、運算指令運算指令包括算術運算指令和邏輯運算指令。算術運算包括加法、減法、乘法、除法及一些常用的數學函數；在算術運算中，數據類型為整型INT，雙整型DINT和實數REAL。邏輯運算包括邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯異或，以及數據比較，數據類型為字節型BYTE，字型WORD，雙字型DWORD。（1）加法指令：整數加法指令+I（2）除法指令：完全整數除法指令DIV3、數據處理指令

46、數據處理指令包括數據傳送、移位、交換、填充指令。4、表功能指令（1）填表指令ATT（Add To Table）（2）表中取數指令：先進先出指令FIFO（First Input First Output）5、轉換指令：字節與整數轉換指令BTI（Byte To Integer）5.3 PLC控制系統梯形圖的編制PLC控制系統梯形圖分為兩個主要部分：主程序和子程序。1、主程序啟動，將系統參數初始化，該過程包括內部置位、復位輸出繼電器的初始化，另外將內部所需或用戶本身設定的參數讀入。表4.1所示為參數初始化時所需要填入相應表格中的7組數據，設計系統中采用填表指令ATT（Add To Table）將其逐

47、一填入，為了減少梯形圖的煩瑣，該表數據填入只用一組來說明，在梯形圖中從Network15Network21都屬于表數據填入，在此圖中省略Network16Network21。填表數據表如表4.1所示。表4.1 填表數據從左至右填入表格相應數據存儲單元表1121211VW20表2221221VW30表3233233VW40表4234243VW50表5345535VW60表6456564VW70表7575537VW80選擇變頻器，通過加法指令將C0+3存入寄存器VW200中（C0=1、2、3可按計數器設定值遞增）。再用除法指令將VW200除4，將結果存入VD500中，然后將VD500高16位VW5

48、00中所存余數與0、1、2、3比較，當等于0時選擇變頻器1，依次類推。選擇表格數據輸出，首先將音頻信號模擬量輸入到A/D轉換模塊EM231，將其轉化為數字量，并存放在寄存器AIW0中，然后把AIW0中的數字量按每0.6s讀取一次，存放到累加器AC0中，再與內部十六進制16#000016#0FFF分成7段比較，當AC0中的值大于且小于某一個范圍值時，輸出相應的表格數據。調用子程序，當比較后若選擇表1數據時，調用子程序0；表2數據對應調用子程序1；依次類推。2、子程序此控制系統共7個子程序，在此只對一個子程序做詳細的介紹，其他依次類推即可。在上述流程圖中可知，每選擇的一組表數據，對應的是輸出到四個

49、變頻器，這四個變頻器形成一個循環過程，四個變頻器之間的動作時間差為0.6s，這樣就可以實現對音樂旋律的起浮用噴頭噴水高低或變化幅度來具體表達，達到音樂、噴泉和諧一體。當系統調用子程序0時，可以有四組變頻器可以輸出。在此，根據主程序中所選擇對應的變頻器與選擇表1數據組合輸出，例如：選擇變頻器時，內部繼電器M0.3有輸出；選擇表1數據，繼電器M0.7有輸出；此時應該是系統將表1數據輸出到第1個變頻器。當選擇變頻器2時，將表數據輸出到第2個變頻器。在選擇了表數據與對應變頻器后，通過計時，每隔0.4s讀一次表中的數據，將所讀出的數據與07之間的數據相比較，當等于其中某一個數值時，輸出對應的設定速度。等

50、到將表中6個數據全部輸出完，將繼續等待下一個選擇。5.4噴泉控制系統的程序0 LD M80021 SET S03 STL S04 LD X0015 SET Y0046 SET S218 STL S219 OUT T0 K3012 LDT T0 13 SET Y00014 LD T015 SET S2217 STL S2218 RST Y00019 OUT T1 K3022 LDI T123 SET Y00124 LD T125 SET S2327 STL S2328 RST Y00129 OUT T232 LDI T233 SET Y00234 LD T235 SET S2437 STL S2438 RST Y00239 OUT T3 K3042 LDI T343 SET Y00344 LD T345 SET S2547 STL S2548 RST Y00349 OUT T4 K5052 LDI T4 53 SET Y00054 SET Y00155 LD T456 SET S2658 STL S2659 RST Y00060 RST