毕业设计(论文)基于PLC的音乐喷泉系统设计.doc
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1、目录第一章 绪论1.1 音乐喷泉的现状及发展趋势1.2控制系统的方案论证1.3 对选定方案的分析1.4 课题研究的内容及意义第二章 关于课题的基础知识2.1 音乐的特征分析2.11音的基本性质2.12音乐的基本乐理2.13 音乐信号的采集2.14 采样定理2.2 喷头的选择2.3 灯光的选择第三章 PLC的选用3.1PLC的应用领域3.2 PLC的应用特点3.1 PLC型号的选择3.2 PLC的网络设计3.3软件编制3.4 确定所选PLC3.5 喷泉I/O分配3.5.1 PLCI/O分配简介3.5.2 开关量输出模块的选择3.5.3 模拟量IO模块的选择3.5.4 特殊功能模块的选择3.5.5
2、 系统I/O分配表 3 PLC基础知识简介3.1 PLC的产生和发展3.2 PLC的特点与应用3.3 PLC的工作原理及工作过程3.1 PLC控制系统I/O口的估算3.2 PLC的选型3.3 PLC输入/输出点分配3.4 PLC控制接线图第四章 变频器的选用4 变频器基础4.1 变频器概述4.2 变频器技术的发展4.2.1 变频器的分类4.3 变频器的工作原理以及控制方式4.3.1 变频器的工作原理4.3.2 变频器的控制方式4.4 MICROMASTER 420概述4.5 MM420变频器的电路结构4 变频器及控制参数设计4.1 变频器设计4.1.1 变频器选型4.2.2 变频器控制接线图4
3、.2 MM420变频器操作面板4.3 变频器参数设置方法4.4 变频器参数设置4.5 变频器控制说明4.5.1 系统参数设计说明4.5.2 相关参数的说明第五章 水泵的选用5,1水泵的主要性能参数及运行特点5.2水泵的分类及工作原理5.3喷泉专用泵的特点与应用第六章 结论与展望第一章 引言1、1音乐喷泉的现状及发展趋势音乐喷泉作为一种独特的人工景观,具有很大的观赏价值,国内各大城市或在广场或在公园都有它的身影。可以说,音乐喷泉已经成为一种娱乐产业,具有很高的经济效益和社会效益。为了适应喷泉工程建设的需要,国内出现了众多的喷泉设备厂和喷泉设计专业公司。根据中国水景喷泉委员会企业资质等级名单,国内
4、比较著名的喷泉公司有:天津市大德喷泉科技有限公司、北京东方光大安装工程集团有限公司、深圳市水体艺术设计有限公司等十几家专业公司。决定音乐喷泉艺术效果的一般有下面几个因素,控制水平、喷头设计和喷泉的空间布局等。因此可以说音乐喷泉涉及到众多的学科,一个大型音乐喷泉项目的完成需要机械、给水排水、自动控制等各种专业人才的通力合作才能完成。其中音乐喷泉的控制是一个关键技术,音乐喷泉之所以能够千变万化,随着音乐翩翩起舞,起决定作用的就是它的控制部分,否则喷泉的造型将只能是静态的、缺乏生气与活力。因此,本课题主要对音乐喷泉的控制系统部分进行研究。1、2音乐喷泉控制系统介绍该音乐喷泉建立在广场中央,整个音乐喷
5、泉的平面示意图如图1-1所示。图1音乐喷泉平面示意图该音乐喷泉由中心区和围绕中心区的2个环构成。中心区由两部分组成:一是由6个喷头控制的最大高度为15M高的主水柱,由一台75 kw的水泵和西门子MM430变频器控制;二是在主水柱两旁各有一个由3个喷头控制的副水柱,由两台4kw的水泵和西门子MM430变频器控制。中心区外有2层跑泉,里面一层有72个喷头,由一台4kw的水泵和西门子MM430变频器控制。外面一层有120个喷头,由一台4kw的水泵和西门子MM430变频器控制。另外主水柱旁有红、黄、绿、白4种颜色的彩灯4盏,副水柱里各有1盏红色的彩灯,里层和中心区之间有红黄、绿3种颜色的彩灯共12盏,
6、里层和外层之间有红、黄、绿3种颜色的彩灯共14盏。第二章 控制系统论证及控制系统整体设计2.1控制系统的方案论证音乐喷泉的控制系统,要求具备如下功能:1、乐曲播放;2、水型与乐曲同步;3、水型的演示的控制;4、彩色灯光的控制;5、强制停止功能。现在音乐喷泉的控制系统主要有4种,这4种控制系统是继电器-接触器控制系统、单片机控制系统、计算机音乐喷泉控制系统、PLC控制系统。因为本课题选择用PLC,下面我们就论证PLC控制系统如何能方便、简单地实现音乐喷泉的以上功能。经过数十年的发展,PLC技术已越来越成熟,应用的范围也越来越广泛,几乎渗透到了各行各业。而在很多的控制应用系统中,以PLC为核心的控
7、制系统逐渐成为理想的控制系统,其主要特点主要有:1、硬件的可靠性PLC是为了在恶劣的工业环境条件下应用而设计的,一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。在硬件设计方面,首先是选用优质器件,再就是采用合理的系统结构,加固,简化安装,使它易于抗振动冲击,对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施,而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如,在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施,做到电浮空,既方便接地,又提高了其抗干扰性能;各个I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外,还加上了数字滤波;内部采用了电磁屏蔽措施,防止辐射干扰;采用
8、了较先进的电源电路,以防止由电源回路串入的干扰信号;采用了较合理的电路程序,一旦某模块出现故障,进行在线插拔、调试时不会影响其他各机的正常运行。由于PLC本身具有很高的可靠性,所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上,以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上,这样便易于检修和维护。2、编程简单,使用方便用微机实现自动控制,常使用汇编语言编程,难于掌握,要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程,容易掌握。例如,目前大多数PLC均采用的梯形图语言编程方式,既继承了传统控制线路的清晰直观感,又顾及了大多数电气技术人员的读图
9、习惯及应用微机的水平,很容易被电气技术人员所接受,易于编程,程序改变时也容易修改,很灵活方便。这种面向控制过程、面向问题的编程方式,与目前微机控制常用的汇编语言相比,虽然在PLC内部增加了解释程序,增加了程序执行时间,但对大多数的机电控制设备来说,这些时间是可以忽略的。3、接线简单,通用性好PLC的接线只需将输入信号的设备(按钮、开关等)与PLC输入端子连接,将接受输出信号执行控制任务的执行元件(接触器、电磁阀等)与PLC输出端子连接。接线简单、工作最少,省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”,这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能
10、使PLC具有很高的经济效益。用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分,模块化的自诊断接口电路能指出故障,并易于排除故障与替换故障部件,这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。4、可连接为控制网络系统PLC可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类:一类是低速网络,采用主从方式通信,传输速率从几千波特到上万波特,传输距离为5002500m;另一类为高速网络,采用令牌传送方式通信,传输速率为1M10Mbps,传输距离为5001000m,网上结点可达1024个。这两类网络可以级连,网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机,从而组成控制范围很大的局部网络。5、易于安装,便于维护PL
11、C安装简单而且功能强大,其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方,在从继电器系统改换到PLC系统的情况下,PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近,并将连向已有接线端,其改换很方便,只要将输入/输出设备连向接线端即可。在大型安装中,长距离输入/输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU,这种配置大大减少了物料和劳力,长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线,这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。从一开始,PLC便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的,维护时只需更换模块级插入式部件,故障检测电路将
12、诊断指示器嵌在每一部件中,就能指示是否正常工作,借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF,还可写编程指令来报告故障。PLC的这些及其他一些特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后,其作用立即显现,其收益也马上实现,像其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。2.2 对选定方案的分析1、可行性分析(1) 功能可行性分析:由于系统各主要部分所需要满足的功能步骤及要求大多是开关量信号,所以选择可编程序逻辑控制器是完全能够满足其功能要求的。(2)系统可靠性分析:系统主要靠PLC内部程序运行,从而达到实时性、准确性得到很大改善,使系统可靠性得到了进一步的保证。(3)系统扩展
13、性分析:系统采用PLC作为控制器,其本身就具有极强的功能扩展性,加之PLC产品的完整性,使得系统功能扩展极其方便。(4)系统可维护性分析:系统采用先进控制方式,大大降低了工程成本,并由于系统组态及结构简单,这使得可维护性增强。2、技术性能(1)PLC选型:PLC的选择是否能让功能与任务相适应;PLC的处理速度是否满足实时控制的要求;(2)扩展模块的选择:开关量输入模块工作电压的选择;开关量输出模块输出方式的选择;模拟量输入模块的模拟量值的输入范围考虑。从与其它喷泉控制系统对比中可以看出,本次设计的控制系统中主要控制器必须满足系统的可行性、可靠性、可扩展性、可维护性等要求。而综合上述方案论证,大
14、型广场音乐喷泉采用PLC控制系统既能很好地满足其性能要求,并能很好的实现音乐喷泉的各种功能,又经济、安全、方便实用。本文就是基于以上所介绍的PLC的诸多优点而设计的。同时,在后续的设计中将综合考虑控制系统的技术性能。2.3 控制系统整体设计音乐喷泉控制系统具有控制点数多,实时性要求高的特点。根据其特点,其硬件采用PLC模块+模拟量输入模块+模拟量输出模块+变频器组成。这种组成可以很好的满足音乐喷泉控制的要求。还具有硬件和备件投资省,易于调试和维护的优点。喷泉控制系统的结构框图如所示。喷泉水泵 音乐模拟量输出变频器灯光 放大I/O扩展PLC模拟量输入图2.1喷泉控制系统的结构框图.1.4 课题研
15、究的内容及意义第二章 关于课题的基础知识2.1 音乐的特征分析2.11音的基本性质自然界中的声音是由各种各样的发声体振动产生的。按照发声体振动方式的不同可以把声音分为乐音和噪音两大类,乐音是发声体有规则的振动产生的,它是组成音乐的主要材料。噪音则是由发声体无规则的振动产生的,噪音没有固定的音高;声音按照物理特性的区别又可以分为纯音和复合音(复音)。纯音是单一频率成分的音,如音叉发出的声音;复合音则是由两种以上频率成分构成的音,在听觉上是多于一个音调的声音。自然界绝大多数发声体发出的声音都是复合音,如语音、乐音或噪音。音有音高、音长、音强和音色四种特征,它们分别与发声体振动的频率、持续时间、振幅
16、和频谱分布等物理量相对应。音的高低是由物体在一定时间内的振动次数(即频率)决定的,振动次数多,音则高;振动次数少,音则低。音的长短是由振动的延续时间的不同而决定的。振动的延续时间长,音则长;振动的延续时间短,音则短。音的强弱是由于振幅的大小而决定的。振幅大,音则强;振幅小,音则弱。音色则由于发声体的性质、形状及其泛音的多少等不同而不同。自然界中能为人的听觉所感受的音是非常多的,然而并不是所有的音都可以作为音乐的基本材料。在音乐中所使用的音,是能够表达人类的生活和思想感情的,这些音被组成为一个固定的体系,用来表现音乐思想和塑造音乐形象。一个个孤立的音,是无法塑造音乐形象的。在音乐中使用的音总是按
17、照一定的关系连结在一起,表达一定的音乐思想。组成一首乐曲的三个基本要素为旋律、节奏和和声。而在这三种要素中,旋律和节奏是不可缺少的,因此对一首乐曲的旋律和节奏的认知是必要且必须准确的。同时乐曲的调式调性也很好的表征了乐曲的特点,如果能很好的提取出音乐的调式特性,在一定程度上可以辅助演奏者对乐曲特征的感知与表现。2.12音乐的基本乐理理解基本乐理是进行音乐信号识别和深入研究的第一步,下面介绍一些基本乐理概念音符,音乐的最基本要素,是记录乐音及其时值长短的符号,基本音符代表一个四分音符的长度。音长,指音的长短,它是由发音体振动持续的时值来决定的。振动持续的时间越长,音越长;反之,持续的时值越短,音
18、则越短。音高,指音的高低,它是由发音体振动的频率(每秒振动的次数)来决定的,振动的频率高,音则高;反之,频率低,音则低。在音乐上,音高是与具体的音符一一对应的,即每个音符的基频是有严格规定的,这就是音乐的“律制”。如大字组的C为654Hz,小字组的c为1308Hz。通常,在音乐上使用的音高在16Hz-7000Hz的范围内。音量(力度),指音的强弱,它是由发音体振动的幅度大小来决定的。振幅大,音则强:反之,振幅小,音则弱。音色,指音的色彩,它是由发音体振动的方式、形状、成分及发音体的品质等因素来决定的。2.13 音乐信号的采集本文的研究针对的是采用外部音源的喷泉系统,因此在对音乐信号进行特征识别
19、前首先要完成对模拟音乐信号的采集。音乐信号的采集主要包括音频放大和AD转换两个过程,下面分别进行分析。外部音源信号的幅度一般较弱,因此必须要对原信号进行放大处理后才能送入A/D转换器。本文选择了LM386芯片设计音频放大电路。LM386是美国国家半导体公司(NS)推出的系列功率放大集成电路的一种,LM386具有功耗低、工作电压范围宽、所需外围元件少等特点,在电子设备的音频放大电路设计中应用非常广泛,它使用了lO只晶体管构成了输入级、电压增益和电流驱动级。其中TIT6组成PNP型复合差分放大器,T5、T6为镜像恒流源,作为T3、T4的有源负载,使输入级有稳定的增益。电压增益级由接成共发射极状态的
20、T7承担,其负载也使用了恒流源,整个集成功放的开环增益主要由该级决定。T8、T9复合为一个PNP管,和T10共同组成互补对称射极输出电路,以供给负载以足够的电流。Dl、132提供了T8、T9、T10所需的偏置,使末级偏置在甲乙类状态。RS-R7构成内部反馈环路闭。从图21可以看出,LM386采用双列8脚封装结构,它的工作电压范围为412v,静态电流4mA,最大输出功率660mw,最大电压增益46dB,增益带宽300kHz,谐波失真02。图21 LM386封装形式及引脚定义LM386提供了两种典型放大电路的设计方案。一种是在LM386的1脚和8脚之间不接其他元件,此时放大电路的增益仅由内部电阻R
21、5、R7决定,为20倍数(26dB),这种方式外部电路元件最少,也最为经济。另一种通过在l脚和8脚之间串接不同的阻容元件,改变放大电路的交流反馈量,从而改变放大电路的闭环增益。音乐信号的放大采集如图22所示。外部音源(声卡、CD机等)的模拟音乐信号分左、右声道分别进入放大电路,经过信号放大后,得到幅值放大后的音频信号。从图42可以看出放大电路的具体设计。在LM386的l脚和8脚之问串接一个lO微法的电容CA,使内部电阻R6被交流旁路,放大电路的增益能达到最大值,200倍数(46dB)。再对音频放大电路的外围电路进行设计,电路中电容C1、C6作为隔直电容,电位器Pl用于调节音量的大小,元件R2、
22、c5有助于旁路高频噪音和改善输出的音质。电容C3作为去耦电容,一方面是本集成电路的蓄能电容,另一方面旁路掉该器件的高频噪声。电容C2则是作为旁路电容,将信号的中高频噪音旁路到地网。经过放大电路的音频信号就送入AD转换器进行采样,这里AD转换器要设置为双极性,即能接收负信号。图22音乐信号放大2.14 采样定理采样是指用一较高频率的开关脉冲对模拟信号进行取样,取出脉冲到来时刻所对应的模拟信号的幅度,这样就可以得到一连串幅度变化的离散脉冲。用这些离散脉冲序列代替原来时间上连续的信号,也就是在时间上将模拟信号离散化踟如图22所示,在对音乐信号进行放大处理后,就要通过A/D转换将模拟信号采集进计算机,
23、这就是音乐信号的采样我们在对一个连续的音乐信号进行采样时,为了使采样后的样本序列能够包含足够的信息以使其能够较正确地重现原来的模拟信号,在采样时应当使采样频率满足采样定理的要求。采样定理的描述为“对一个模拟信号进行离散化时,只要满足采样频率正大于或等于被采样信号的最高频率fm的2倍,就可以通过理想的低通滤波器,从样本值序列信号中无失真地恢复出原始模拟信号”,这里的fm称为香农频率,这个采样定理又称为香农采样定理。实际应用中为了较好的防止频谱混叠失真,采样频率一般要稍大于信号最高频率的2倍。比如乐曲的音域频段如果在50Hz-4000Hz内,就要将AD转换器的采样频率选定为10kHz,才能满足香农
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