基于PLC的音乐喷泉控制系统设计

毕业设计（论文）题目基于PLC的音乐喷泉控制系统设计专业电气工程及其自动化班级11电气2班学生张军（20113264）指导教师李林职称工程师高科学院2015年摘要摘要音乐喷泉是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物，它集合声、光、色、形于一体，并产生千变万化的水景。随着可编程控制器的迅速发展，音乐喷泉对控制系统的要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需要用可编程控制器来实现。本课题结合任务书的要求，以音乐喷泉为研究对象，采用三菱PLC作为喷泉的控制器。设计的控制方式有两种：一种是固定程序运行方式。是按事先设计好的步骤一步一步进行，循环执行。另一种控制方式是通过音乐控制喷泉。是通过PLC的中断程序采集播放音乐的音频信号，PLC对采集的音频信号进行标准化算法，将运算的数据转换成模拟量，通过模拟量输出口输出去控制变频器的输出频率，从而控制水泵转速，达到控制喷泉水柱的高低跟随音乐强弱的变化。本次设计对音乐喷泉控制系统的总体功能进行了分析，并且对可编程控制技术、变频控制技术的应用、发展趋势作了简要介绍，以及音乐喷泉控制总体设计方案、电气系统的整体设计和PLC程序设计思路、变频参数设置。本次设计改善了音乐喷泉系统的控制品质，提高了音乐喷泉控制系统的稳定性。关键词：音乐喷泉，控制系统，可编程控制器，变频器ABSTRACTABSTRACTInrecentyears,musicfountainistheemergenceofagardenbuildingcombinedwithafancywatchaproduct,itscollectionofsound,light,color,shape,andgenerateskaleidoscopewaterscape.Alongwiththerapiddevelopmentoftheprogrammablecontroller,musicfountainisbecomingmoreandhighertotherequirementofcontrolsystem;makemoreandmoreneedtousePLCtorealizecontrolpart.Thistopiccombinedwiththerequirementsofthespecification,withmusicfountainastheresearchobject;adoptMitsubishiPLCasthecontrollerofthefountainmodel.Designofthecontrolmethodhastwokinds:oneisfixedprogramoperationmode.Accordingtodesignagoodstepsinadvancestepbystep,executioncycles.Anotherwayofcontrolisthroughthemusicfountaincontrol.ByPLCinterruptprogramaudiosignalcollectionandplaymusic,audiosignalofPLCtostandardizealgorithm,thealgorithmofdataintoanalogandoutputbyanalogoutputtocontroltheoutputfrequencyoffrequencyconverter,soastocontrolwaterpumpspeed,tocontrolthefountainwatercolumnheighttofollowmusicstrengthchanges.Thedesignofmusicfountaincontrolsystem'soverallfunctionisanalyzed,andtheprogrammablecontroltechnology,theapplicationofvariablefrequencycontroltechnology,thedevelopmenttrendsarebrieflyintroduced,aswellasthemusicfountaincontroloveralldesign,theoveralldesignoftheelectricsystemandPLCprogramdesignandparametersettingofinverter.Thisdesignimprovesthemusicfountainsystemcontrolquality;improvethestabilityofmusicfountaincontrolsystem.KEYWORDS:Musicalfountain，Controlsystem，PLC，frequency目录目录第1章绪论…………………………………………………………………11.1音乐喷泉的发展现状………………………………………………11.2本文主要研究内容及意义…………………………………………31.3本章小结……………………………………………………………3第2章PLC音乐喷泉控制系统方案确定……………………………………42.1音乐喷泉控制系统设计要求………………………………………42.2音乐喷泉控制系统方案选择………………………………………52.3本章小结……………………………………………………………6第3章音乐喷泉控制系统硬件设计…………………………………………73.1PLC的选型…………………………………………………………73.2变频器的选型………………………………………………………83.2.1变频调速原理………………………………………………93.2.2变频器参数设置……………………………………………133.3音乐喷泉控制系统总电路设计及工作原理分析………………………153.4本章小结…………………………………………………………………17第4章音乐喷泉控制系统软件设计…………………………………………184.1系统程序流程图……………………………………………………184.2系统I/O端口分配表………………………………………………184.3系统程序设计………………………………………………………194.3.1梯形图程序设计……………………………………………194.3.2指令表程序转换……………………………………………21目录4.3.3控制程序调试………………………………………………244.4系统整体调试………………………………………………………264.5本章小结……………………………………………………………27第5章总结与展望……………………………………………………………285.1总结…………………………………………………………………285.2展望…………………………………………………………………28致谢……………………………………………………………………………30参考文献………………………………………………………………………312015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）1第1章绪论1.1音乐喷泉的发展现状音乐喷泉是一种独特的人工景观，具有很大的观赏价值，通常用于大型广场、宽广的湖面、主题公园等。喷泉的形态、声音、色彩形成了一道人工的自然景观，同周围的自然环境、建筑环境交相辉映，给原环境增添了无限生机。给由钢筋混泥土组成的城市增添了自然气息，改善了城市环境的质量，为人们提供良好的聚集、散步、休闲的室外环境。由于人们对生活环境高的要求，已使音乐喷泉发展成为一种产业[1]。目前，我国生产音乐喷泉的公司有上百家，一些公司有很强的实力，国内比较著名的公司有：上海雨琦喷泉工程有限公司，长沙喜马拉雅音乐喷泉有限公司，南京泉杰景观工程有限公司等。这些公司在全国承接各类大型音乐喷泉等，从工程设计到制作、安装、调试提供一套完善的服务体系。但从实际使用的情况来看我国音乐喷泉公司生产的音乐喷泉同国外相比，其水平和质量还是有不小的差距。原因是水型和灯光实时跟踪音乐的“四大要素”（水、声、光、电）没有处理好[2]。我国现有的音乐喷泉在音乐节奏、强弱、节奏性、协调性、音乐内涵的表现等方面还存在不足之处。目前，国内外的音乐喷泉都只能演奏几首歌曲，这是因为音乐喷泉表演程序的设计、开发和调试非常繁琐。音乐喷泉控制系统是当今国际上先进的科技成果，集音乐控制、程序控制、人工智能于一体的工业现场控制系统。它的控制设备是多媒体工业PC、PLC或电脑音乐喷泉控制器，它能实现实时音控，自行识别乐曲旋律、节奏、乐感和音频的强弱。该系统是音乐喷泉在控制设备的指挥下，跟随乐曲旋律不断变化水型，并与音乐同步[15]。喷泉的控制系统可采用单片机、可编程控制器，甚至可采用工业控制邓世甲：基于PLC的音乐喷泉控制系统设计2机作为控制核心。其电气设备包括水泵、灯光、音响、变频器等。一个音乐喷泉艺术效果的表现力不仅与音乐喷泉的整体造型、喷头的空间造型、水泵的功率等硬件因素有关，还与喷泉的程序控制水平有关。硬件是音乐喷泉的基础，程序控制是音乐喷泉变化的灵魂。从德国人20世纪发明音乐喷泉到现在已有几十年的历史了，随着科学技术的飞速发展，音乐喷泉系统的控制水平和科技含量也越来越高，控制方法也越来越多。现将主要的集中控制技术总结如下[1]：（1）程序控制程序控制是利用预先编写好的计算机程序来控制喷泉的水形和灯光，使水形和灯光产生不同的变化效果，整个系统通过计算机操作界面控制和显示，可以实现多个程序的随机执行，系统反应快、灵敏度高，能够承受一定的压力和撞击，系统采用模块化结构，便于维护和升级。但是对于音乐特征的识别需要人工完成，即由设计人员对乐曲进行特征提取，编辑处理。这使得系统曲目受到限制，如有新的乐曲加入就需要操作员重新编程处理，会带来很大的工作量。（2）实时声控实时声控控制方式是目前国内绝大多数音乐喷泉设备公司采用的控制手段，它可以自动识别和响应任何音频信号，与程控方式相比，它省去了预先的编程过程，节约了成本，但这种控制方式也存在一些问题，首先，水型动作要比音乐滞后，喷泉动作与音乐不协调，其次，水型的出现组合与出现时间的长短是固定的，不论任何曲目，都会出现表演水型与音乐所表达的情感不一制。使人听觉感受和视觉感受不协调。第三，乐曲的情感段落与水型变化的时间不符，而且千篇一律。（3）预编程控制预编程控制是根据某一首乐曲的情感和意境，人工编制各种水型、动作、灯光、水泵的开启和关闭，使喷泉的表演与音乐的情感和意境相吻合。此功能在控制技术、计算机技术、通信技术方面有一定的综合难度。2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）3（4）变频控制音乐喷泉变频控制是众多控制系统中的一种。随着先进的控制理论和方法在喷泉控制系统中的应用，喷泉的控制系统不断的完善和升级，其中变频技术在喷泉控制系统中的应用也逐渐成熟，并逐步发展为水泵调速控制的主要方式。变频控制系统的应用会给大型音乐喷泉增色很多，可以使音乐喷泉的喷射高度随音乐信号大小变化，使音乐、水花、灯光融为一体，演出一场交响水诗。因而音乐喷泉变频调速技术具有广阔的应用前景。1.2课题研究的内容及意义音乐喷泉作为一种独特的人工景观，其产生的景观效果非常美丽。在广场、平静的湖面、公园设置一个音乐喷泉，将使原来静态的景观变成动态的景观，其产生的效果不是其他人工景观可以比拟的。正是这种原因推动了音乐喷泉的发展和研究[3]。本课题采用先进的控制设备，来研究音乐喷泉控制系统。第一，采用PLC控制技术，研究设计符合项目要求的控制程序。第二，采用变频技术。从扬声器两段采集的音频信号作为控制信号，去控制变频器的输出频率，控制水泵的转速，从而达到喷泉水柱根据音乐节奏变化。在设计中，要解决的问题主要有：水泵电机间歇工作所产生的瞬间电压波动和干扰；变频的高频大电流抑制；工程的造价及设备的性价比；同时还要考虑控制系统的可靠性和扩展性。1.3本章小结本章主要对音乐喷泉的发展现状做了简单的介绍，以及音乐喷泉控制系统现有的四种控制技术（程序控制