课程设计（论文）PLC在音乐喷泉控制系统中的应用.doc

PLC 在音乐喷泉控制系统中的应用申彪（云南国防工业职业技术学院机电一体化技术）【摘要】： 为了改进音乐喷泉的效果,采用PLC 多点控制系统代替大量的继电器线路,通过PLC 对音乐喷泉控制系统的SSR、彩灯、射灯、水泵的多点控制,编写一些程序和简单的连接实现大量的开关量按照逻辑条件进行顺利动作和进行连锁保护动作的控制。结果表明,PLC 的应用不仅能够进行多种水型切换,而且能控制喷泉随音乐上下起伏,同时花式更改方便,SFC 编程设计思路清晰。【关键词】： PLC 音乐喷泉 控制系统 PLC in Musical Fountain Control Systemps Appl icationShenbiao(Yunnan national defense industry of electromechanical integration technology of Career Technical College)【Abstract】： In order to improve the effect of musical fountain , PLC , multi2point cont rol system , is applied to replace a large number of relay circuit s. PLC can cont rol SSR , the colorde lantern , the spotlight and t he water p ump in musical founain multi2point s cont rol system by writing some procedures and simple connec2 tions , and carry on t he smoot h movement and accomplish logic chain of protection for the cont rol of move2 ment according to t he logical condition. The result indicates t hat PLC can not only achieve water2switc2 hing , but al so cont rol musical fountain up and down wit h music. The PLC make floral formula change eas2 ily and t he design of programming SFC is clear .【Key words】: PLC ; Music Fountain ; cont rol system ; 目录一、 喷泉设计概况.1（一）喷头布置.1（二）水下彩灯布置.1（三）水泵布置.1（四）灯光的控制.1（五）时间同步.2 （六）音乐选曲、PLC 控制程序的编制.2 （七）程序调试.3 （八） 声音输出.3 （九） PLC 的配置.3二、 音乐喷泉设置.3（一）水泵控制.4 （二）水形花样.4 （三）二至五圈单个喷S30.5 （四）三至五圈组喷且最后全喷S3.1.5 （五）六圈抖动和第一圈直喷.6 （六）雷达扫描S33.6 （七）第二、三、五圈对跑.6三、 PLC控制系统方案.7 （一）控制电路的硬件设计.7 （二）控制电路的软件设计.9四、结论.14五、参考文献.15六、致谢.16随着国民经济的发展,城市建设日新月异,喷泉水景逐渐成为了城市中一道靓丽的景观。在大型公园、广场、楼盘社区随处可见,只是规模大小、控制方式存在差别。特别是利用现代化的控制技术,将喷泉的造型(根据喷头分布情况组成的花形)、音乐、灯光三种元素进行有机地结合,相互映衬,使喷泉展现出美轮美奂的景象,享有“水上芭蕾”的美誉。一、 喷泉设计概况(一) 喷头的布置 在20 m 直径的园内做旱地式喷泉。中心为一搀气喷的喷柱,喷8 m ,类似雪松,标号P1 ;第二圈向外斜喷,喷高4 m ,标号P2 ;三至五圈是喷柱足够粗的万向直喷,标号分别为P3 , P4 ,P5 ;第六圈由礼花喷和向内斜喷组成,标号P6 。它们都受控制且可配合音乐进行喷射。二至五圈共176 个喷头,每个喷头安装电磁阀由PLC 控制其开闭以达到喷射花样繁多的目的;第一和第六圈不安装电磁阀直接控制电机的运转来实现喷射花样的变化。 (二) 水下彩灯的布置使用L ED 灯(50 粒) ,双重防水。每个喷头下安装2 个,中心喷安装8 个。共632 盏;每盏都受控于PLC ,可根据花样的喷射要求而亮灭。 (三)水泵的布置该系统共安装16 台水泵。其中第一圈1 台,功率为3 kW;第二圈、第三圈各2 台,每台2. 2 kW;第四圈2台,每台3 kW;第五圈3 台,每台2. 2 kW;第六圈5 台,每台2. 2 kW;排污泵1 台,5. 6 kW。水泵布置见图1 所示。 (四)灯光的控制根据灯光的颜色(最好选取红、黄、蓝三原色)、安装位置、照射角度,进行灯光工作状态的排列组合,编制相应的子程序,赋予对应的工作时间数值,与水泵花形的时间类型、数值相一致,其颜色可以一致,也可以不一致体现动感,还可以进行某两种或某三种颜色的叠加,生成另外不同的颜色,丰富灯光的色彩。 (五)时间同步 这是整个音乐程控喷泉控制中最重要、最关键的环节,因为音乐程控喷泉展示整体效果的协调性直接与时间同步有着非常密切的关系,如果时间同步有差异,会导致音乐、花形和灯光不是一个整体,观赏效果大打折扣,所以此环节是核心环节。“时间同步”在这里包含了三个层面的时间。 是指音乐播放时间段的精度和PLC控制程序时间段的精度相一致,而且两者之间的关系是同时开始、同时停止; 根据音乐曲设置样式目的节奏、气势所划分的播放时间长度,要与相对应的水泵、灯光子程序所持续工作的时间长度一致,也就是水泵花形和灯光要随着音乐曲目产生的变化而变化,否则观赏时会出现音乐、花形和灯光三者之间的关系不够紧密,有一种脱节不搭调的感觉; 在同一时间段内,水泵花形与灯光子程序的工作持续或间断时间相一致,时间具体数值要考虑人体的视觉暂留时间,这样水泵花形和灯光会形成一个整体,同时开始、同时结束,整齐划一,花形程序和灯光程序可以一对一,也可以多对多,丰富观赏的效果。 PLC 时间与播放音乐软件之间也存在时间跟踪、同步问题。利用Windows 媒体播放器提供的ActiveX 接口,可以直接在监控软件中(例如西门子的WinCC)调用播放器来播放音乐,并同时得到当前音乐播放的位置。得到了音乐以及当前的播放信息,就可以比较方便地通过编程来实现整首歌中各个时间段喷泉所需要展现的各种花型。例如这里选择给时间分段,在音乐的基本小节整数倍长度的小的时间段上预先编制好喷泉的各种基本动作,后期编制整体花型时会更加方便管理。当然,在整个过程中,喷泉也可以脱离音乐来单独运转,方便日常的维护和花型的调试。(六)音乐选曲、PLC 控制程序的编制音乐选曲应选取节奏变化明显、气势抑扬顿挫的曲目,尽量不要选取节奏区别不明显、气势变化不突出的曲目,否则会给程序中花型的编制带来较大的困难,同时也可能导致喷泉整体效果不明显。一旦音乐曲目选定,就要划分播放的时间段,可以根据节奏、乐感进行划分,也可以借助专业音乐软件进行划分,并记录好已划分的时间段。这个过程需要反复推敲,确保划分时间段的准确性,以便最终能够得到更好的整体效果。然后,根据已划分好的时间段编制程序,所选取的程序要与当段音乐所表现的内涵、气势和情感相协调,充分体现效果。这里采取调用子程序的办法来完成整首曲的花型效果,在编制整首曲的花型时仅仅是在预先设定好的基本动作的基础上进行编排,修改曲目对应的动作谱,事半功倍。于是,在每个时间小节的开头,只需要开启这个时间段配合乐曲的基本花型动作的子程序(包括水泵和灯光程序),这样就比较容易做到音乐、喷泉、灯光的紧密结合。(七) 程序调试程序编制完成后,制作PLC 工作时的工作界面(能够远程表现喷泉当前的运行状态),可以看到在整首乐曲的所有时间段内的所有程序以及在同一时间段内,开启和关闭的水泵和灯光的动作谱和演示每一时刻的各个执行元件的执行状态,这样可以在现场看效果,通过观赏,询问记录他人的感受,记录下觉得需要进行调整的部分,修改程序中相应的动作谱的内容,改变相应的子程序的调用次序,从而使得喷泉和灯光和音乐配合的更好。(八) 声音输出可以直接将电脑的声卡输出的音频信号接入调音台与功率放大器、均衡器、压限器等音响设备串接,最后从现场的音箱输出音乐。(九) PLC 的配置根据控制点数就可以确定PLC 的硬件配置方案。根据喷泉整体的水泵台数,1台接触器控制的水泵对应PLC模块上的1 个数字量输出点,1台变频器控制的水泵对应PLC 模块上的1 个模拟量输出点,1 组单独控制的LED 灯光对应1个数字量输出点,根据它们的总数来配置PLC 的硬件组成。例如PLC 选用32 点数字量输出模块时,通过计算就能得到该种类模块所需要的数量。根据具体的工作环境,还可能相应的需要选择避雷设备,来完成对系统的保护。二、音乐程控喷泉设置喷泉是利用水泵工作所产生的压力,从喷头喷射出水柱,将若干台水泵按照一定的型号、位置进行安装,结合不同类型的喷头,就可以产生各种各样的花形。我们可以将每一台水泵视为一个工作点,编制程序,通过PLC 的模块实现对每个点的控制,也就是通过对每台水泵执行回路中的接触器或传动装置进行控制,达到控制水泵工作状态的目的。为展示喷泉的艺术感,通常会配以相应的曲目,根据所选曲目的节奏快慢、抑扬顿挫,编制相应的水泵控制程序来体现音乐的内涵。其中,最重要的环节就是时间同步,即将乐曲的播放时间根据节奏、乐感分解为若干个时间段,在每个时间段内编制相应的水泵、灯光控制程序,调整曲目播放的时间精度和PLC 编程的时间精度相同,而且在同一时间段内,水泵和灯光的子程序工作时间相同,从而在视觉上达到同步的观赏效果。在夜间配合灯光来提升喷泉的观赏效果,选用可编程控制的LED 灯光,通过RS485 接口接入控制器,可完成对其的集中控制。根据灯光颜色、照射花形的角度、音乐曲目进行编制程序,灯光工作时间也要和音乐、水泵的时间同步,其原理与控制水泵原理相同,在这里不再赘述。(一)水泵的控制根据水泵的型号、花形及分布位置,进行统一编号,并与PLC 模块的点数编号一一对应,将同一花形的水泵进行编组,对每组花形的水泵的工作先后顺序、工作方式(整体还是单独)进行排列组合,编制相应的子程序并进行编号,赋予对应的工作时间数值,控制水泵的工作时间,工作时间类型可持续,也可以间断,两者的表现形式为静态和动态。另外,通过添加变频器来表现柔美曲目的花形,增添喷泉的美感。在PLC 和变频器之间建立对应的等量关系,将PLC 的数字信号转换为变频器控制水泵转速的模拟信号,实现水泵的动态工作状态,然后根据花形的形状要求对其进行排列组合,编制相应的子程序并进行编号。(二)水形花样喷泉的喷射效果则取决于控制器设置的水形花样和艺术性,这部分是喷泉美感成功的关键。使用PLC 进行花样控制非常简单容易,以后如果想改变、增加喷泉的水形,也不需要改变硬件,只要改变PLC 编程程序就可实现。该花式喷泉有6 种喷水花样可供选择。时空隧道S23第三圈、第五圈交替喷,第一圈保持。(第三圈所有电磁阀、电机打开保持0. 8 s 后第五圈所有电磁阀、电机打开保持0. 8 s ,交替喷;其间第一圈一直处于喷射状态,15 s 后停止) 。然后三至五圈交替喷后同时喷。(第三圈先喷;5 s 后第四圈喷,第三圈电机停;保持5 s 后第五圈喷第四圈电机停;5 s 后三至五圈同时喷保持30 s ;第一圈一直处于喷射状态) 。最后重复上述动作两次。(三) 二至五圈单个喷S30跑泉:两个喷头为一组喷射,从第二圈前两个开始依次打开,每新开一组关闭前一组,到第九组时同时再开第一组,两组以间隔八组的距离同开同关,形成前后浪结构,到第五圈最后两个结束,再反向从第五圈最后一组开始,到第二圈结束。当有新一圈喷头打开时,新一圈的电机同时打开,当某一圈所有的喷头关闭时,该圈电机关闭。(四) 三至五圈组喷且最后全喷S31第一段4 个喷头为一组,从第三圈前4 个开始依次打开,每新开一组关闭前一组到第五圈最后4 个结束,每一组工作0. 2 s ,如此循环。第二段三至五圈所有电机和电磁阀同时打开喷射,同时关闭,直喷。(五) 第六圈抖动和第一圈直喷S32第一圈和第六圈电机同时开,第一圈、第六圈分别抖动,第一圈水柱产生竹节,第六圈产生隧道。(六) 雷达扫描S33第一段位于同一径向位置上的三至五圈喷头从各圈首个依次同时打开并保持,直到所有喷头全部打开后再从首个依次关闭,直到全部关闭;第二段位于同一径向位置上的三至五圈电磁阀从每圈首个依次同时打开并保持,直到一半喷头打开后再从首个依次关闭;此花样喷射效果类似于雷达屏幕的扫描。(七) 第二、三、五圈对跑S34第一段第一圈抖动,第二、五圈对跑。第一圈电机打开并产生抖动花样,第二圈喷头从第一个开始按逆时针依次打开,每个保持0. 1 s ,到第二圈最后再反向从第二圈最后一个开始按顺时针依次打开,同时第五圈按顺时针依次打开,每个保持0. 1 s。最后,同时打开第二圈和第五圈电磁阀,保持3. 2 s 后关闭。第二段第三圈电磁阀从第一个开始按顺时针依次打开,每个保持0. 1 s ,再反向从第三圈最后一个开始,到第三圈结束。最后同时打开第三圈电磁阀。花样结构的剖析见表1 所示。表1 关于花样结构的剖析序号花样名称程序分段第一段第二段第三段第四段三至五圈交替三、五圈交替三至五圈交替三至五圈全喷二至五圈单个喷单个喷、前后浪 三至五圈逐组喷逐组喷全喷 第六圈抖动、第一圈直喷抖动、直喷 雷达扫描全圈喷停留半圈喷停留 第二、三、五圈对跑第一圈抖动、第二、五圈对跑第三圈单喷。三、PLC控制系统设计方案PLC 控制设备实施对喷泉的控制有3 种(1) 音控音乐模块采集到音乐的节奏信号后转换为开关信号作为PLC 的第四号输入点(X004) 的输入信号, PLC 按程序运行,输出控制电机和喷头开闭。(2) 手控当开关选择为手控时,控制柜面板上控制各路水泵及各圈彩灯的按钮开关可起作用,每个按钮都是PLC 的一个输入点,可单独控制每一圈的水泵起停及每一圈彩灯的亮灭;另外,面板上还有三个特色花样的按钮,分别是时空隧道、第六圈抖动和交替抖动,当按下其中一个时,喷泉按照该特色花样运行。(3) 程控选择开关打至程控时,喷泉按照PLC 内已存的花样循环运行。(一)控制电路的硬件设计PLC 输入输出分配本控制系统采用日本三菱公司PLC 的FX 2N248 MR20011 台,扩展单元: 三菱FX2N248 ER 1 台, 扩展模块: 三菱FX 2N216EYR 9 块,共计188 个输出点。喷泉控制系统PLC 输入输出分配图4 如图2 所示。PLC 控制回路音乐喷泉需要用到水泵、电磁阀、彩灯等器件,PLC 按照程序对这些器件进行控制,以实现音乐喷泉不同的花样和程控、音控、手控之间的转换。其PLC 多点控制回路见图。采用可编程序控制器PLC 控制,通过程序软件,发出控制指令信号,以控制相应的“固态继电器”,进而使电磁阀、彩灯、射灯、水泵按照预先编制好的花样来动作,以达到喷泉控制的要求。(二)控制电路的软件设计采用SFC(顺序功能图) 的编程方法设计控制程序。SFC编程方法与传统设计法相比,可以让编程者每次只考虑一个状态,而不用考虑其它的状态,使编程更容易,尤其适合工序步进顺控类型的控制程序的设计。由于该花式喷泉有3 种工作方式可供选择,在设计SFC 图时,采用SFC 中的选择分支来实现,即每一分支对应一种工作方式1 。SFC 图见图8 和图9 所示。四、结论采用PLC 控制音乐喷泉,实现了3 种方式控制喷水,因而使整个控制系统具有更大的灵活性。用PLC来控制喷泉控制系统,有效的解决单片机控制的不稳定性,提高了系统运行的可靠性,同时,SFC 编程方法与传统设计法相比,让编程者每次只考虑一个状态,而不用考虑其它的状态,使编程更容易。PLC 的定时功能,计数功能,步进功能,可灵活地编写、增减和修改程序。而且, PLC 还具有很强的自诊断功能,迅速方便的检查判断出故障,缩短检修时间,也不需要很多配套的外围设备和大量复杂的接线,因而大大缩短设计、施工和投产周期。参考文献：1 郭艳萍, 李晓波. PLC 在花式喷泉控制中的应用J . 漯河职业技术学院学报, 2003 , 2 (3) : 14216.2 郭凯. 可编程序控制器TCPLC0806 在户外喷泉上的应用J . 实用电子制作, 2006 (4) : 13.3 孟昭军, 付强, 王文德. 浅论人工喷泉的控制技术J . 城市技术监督, 1999 (8) : 37.4 殷培峰. 基于PLC 喷泉控制系统的设计与应用J . 兰州石化职业技术学院学报, 2006 致谢: 在学校良好的工作环境和积极向上的学术气氛中，我顺利地如期地完成本次论文，在此，我向机电工程学院的各位领导，老师和同学表示衷心的谢意。首先我要感谢我的指导老师老师，感谢他精心审阅我的本次论文，提出了许多宝贵意见，使设计增色不少。他学识渊博，思维敏锐，治学严谨，平易近人。在毕业设计期间，他给了我很多思想上和技术上的指导和帮助。在本次设计中，我遇到一些我不理解的问题，难以进行下一步时，都在刘老师耐心的指导下我才得以搞懂，并顺利进行。我还要感谢教过我的全体教师。没有他（她）们三年来对我的谆谆教导，我很难独立完成毕业论文。感谢所有关心、爱护、帮助我的人！谢谢你们！祝你们身体健康，心想事成，工作顺利！