基于PLC的音乐喷泉控制系统设计(1)

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（ ） 指导教师 李林 职 称 工程师

高科学院

2015 年

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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

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ABSTRACT

In recent years, music fountain is the emergence of a garden building combined with a fancy watch a product, its collection of sound, light, color, shape, and generates kaleidoscope waterscape. Along with the rapid development of the programmable controller, music fountain is becoming more and higher to the requirement of control system; make more and more need to use PLC to realize control part.

This topic combined with the requirements of the specification, with music fountain as the research object; adopt Mitsubishi PLC as the controller of the fountain model. Design of the control method has two kinds: one is fixed program operation mode. According to design a good steps in advance step by step, execution cycles. Another way of control is through the music fountain control. By PLC interrupt program audio signal collection and play music, audio signal of PLC to standardize algorithm, the algorithm of data into analog and output by analog output to control the output frequency of frequency converter, so as to control water pump speed, to control the fountain water column height to follow music strength changes.

The design of music fountain control system's overall function is analyzed, and the programmable control technology, the application of variable frequency control technology, the development trends are briefly introduced, as well as the music fountain control overall design, the overall design of the electric system and PLC program design and parameter setting of inverter. This design improves the music fountain system control quality; improve the stability of music fountain control system.

KEY WORDS: Musical fountain，Control system，PLC，frequency

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目 录

第1章 绪论 …………………………………………………………………1

1.1 音乐喷泉的发展现状………………………………………………1 1.2 本文主要研究内容及意义…………………………………………3 1.3 本章小结……………………………………………………………3 第2章 PLC音乐喷泉控制系统方案确定……………………………………4

2.1 音乐喷泉控制系统设计要求………………………………………4 2.2 音乐喷泉控制系统方案选择………………………………………5 2.3 本章小结……………………………………………………………6 第3章 音乐喷泉控制系统硬件设计…………………………………………7

3.1 PLC的选型…………………………………………………………7 3.2 变频器的选型………………………………………………………8 3.2.1 变频调速原理………………………………………………9 3.2.2 变频器参数设置……………………………………………13 3.3 音乐喷泉控制系统总电路设计及工作原理分析………………………15 3.4 本章小结…………………………………………………………………17 第4章 音乐喷泉控制系统软件设计…………………………………………18

4.1 系统程序流程图……………………………………………………18 4.2 系统I/O端口分配表………………………………………………18 4.3 系统程序设计……………………………………………… ………19 4.3.1 梯形图程序设计……………………………………………19 4.3.2 指令表程序转换……………………………………………21

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4.3.3 控制程序调试………………………………………………24 4.4 系统整体调试………………………………………………………26 4.5 本章小结……………………………………………………………27 第5章 总结与展望……………………………………………………………28

5.1 总结…………………………………………………………………28 5.2 展望…………………………………………………………………28 致谢……………………………………………………………………………30 参考文献………………………………………………………………………31

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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

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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。

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（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、实时声控、预编程控制、变频控制）。介绍了本课题的研究内容和意义和在设计中要解决的主要问题等。

第2章 PLC音乐喷泉控制系统概述

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2.1 音乐喷泉控制系统设计要求

本次音乐喷泉建立在面积为20M2的广场上。整个音乐喷泉的平面示意图如图2.1所示。该音乐喷泉由中心区和围绕中心区的一个环构成。中心区是由一个喷头控制的最大高度为15M的主水柱，由一台7.5kw的潜水泵和三菱FR-F740变频器控制。中心区外面一圈有8个跑泉，由一台4kw潜水泵和三菱FR-F740变频器控制。另外中心区和外层之间有红、黄、绿3种彩灯共17盏。

图2.1 音乐喷泉平面示意图

本次音乐喷泉控制系统有两种工作方式：音乐控制方式和固定程序控制方式。

（1）音乐控制方式。当按下音控按钮后，延迟30s后音控程序启动，PLC输入输出模块开始采集音频信号并进行A/D转换作为PLC的输入信号，经PLC处理后控制变频器的运行，从而控制水泵的转速和彩灯的变换实现音控。

（2）固定程序控制方式。当按下程控按钮后，延迟30s后固定控制程序启动，首先主水柱运行，延时20s后外圈水柱运行，延时20s后主水柱停止，外圈水柱停止，延时20s后主水柱、外圈水柱同时运行。

根据系统结构音乐喷泉系统能否可靠、稳定的运行，取决于所采用的硬件设备和软件系统。为满足整个系统可靠、稳定运行的要求，音乐喷泉控制系统的设计应遵循以下原则[4]：

（1）系统硬件设备先进可靠，技术成熟，具有连接所需的不同参数信号的功能，与现场仪表及控制执行机构等设备的接口规范，系统结构简单。

（2）系统软件技术成熟、可靠，操作系统及开发平台版本新，功能先进、齐全，易于维护、调试。

（3）应用软件功能完善，实用性强，操作简单，系统运行稳定。 （4）整个系统技术先进，性能可靠，使用方便，能够实现对音乐喷泉系统的控制和管理。

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2.2 音乐喷泉控制系统方案选择

本次音乐喷泉控制系统的设计方案主要有两种可供选择，方案一： 控制系统是由单片机、延迟放大电路、光电隔离电路及电磁阀和变频器组成, 该控制方案是通过对音乐信号的处理,将其转换成汇编程序存入单片机, 使单片机唱歌,而且在改程序之中还 加入其他控制语句。单片机还需喷泉中的电磁阀和变频器的动作及灯光的变化,其中电磁阀对喷头控制原理是：预先根据设计的花形种类和变化方式,通过对电磁阀的开闭进行组合,编制不同的控制字制成表存入单片机,当单片机执行程序时,通过查表的方式去取不同的花形,以达到预想的花形变化,这样花形的变化就随音乐的节奏而变化。同样,单片机对变频器的控制也与之类似,只不过控制的编制是根据音乐的频率进行编制的,而且查表的方式也有所不同,因而变频器根据所接受的信号,输出不同的频率值,以控制水泵的转速,进而达到控制喷泉管路中的流量,就可以控制水柱的高度和花形大小了。灯光和音响是由同一个口，经过延迟放大电路后,使它们达到同步动作,而灯光之前必须接一个固态继电器,以驱动灯具,并使之与单片机隔离[5]。方案二：控制系统是由可编程控制器(PLC)和变频器构成。音乐分两路输出,一路经功率放大器送到外部音响,另一路经可编程控制器(PLC)送至变频控制器,再经变频器控制水泵。由于变频控制器范围是 5～50Hz,所以变频器就可以改变水泵的流量,从而改变喷泉的喷水效果，充分发挥变频调速的特点,它既可送入音乐信号形成音乐喷泉,也可在内存程序的指挥下做各种规律的运动,例如；缓慢上升,急速落下；急速上升, 缓慢下降；在半空中跳跃等。该控制器有三路电子开关,可直接驱动固态继电器,继而控制负载设备运行。其扩展功能可以使变频调速器控制的水型更具活力,当喷泉高度随音乐信号或程控信号增大而逐渐升高的同时,投入运行的水下灯和水型越来越多,喷泉则表现得越来越多彩和热烈；当喷泉高度随音乐信号或程控信号减弱而逐渐降低的同时,投入运行的水下灯和水型越来越少。这样,喷泉在音乐或程序的控制下,各色水下灯闪烁、变幻,各种水型起伏呼应,将为音乐喷泉增加观赏性和艺

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术的美感[5]。

鉴于上述二个方案的分析比较,由于各具优缺点。方案一控制系统简单,软件程序编制灵活,花形和流量控制也很灵活,只要改变预置的花形表和速度控制表, 无须改变程序就可达到不同设计效果,而且在考虑经济因素时可以撤去电磁阀, 直接改变喷头下方的球阀来组合成不同的单一花形,音乐喷泉在运行时只在花形大小和高度上发生变化。而方案二与方案一比较起来, 优点在于放音效果好, 能实现真人真唱,一直能唱出乐曲，且控制系统可靠性比方案一要高，因而，通过对比分析，并考虑到音乐喷泉控制系统需要可靠、稳定的运行要求，所以本次设计采用方案二作为音乐喷泉的控制方案，采用三菱FX1N-40MR型号PLC作为喷泉的控制器。

2.3 本章小结

本章主要是对音乐喷泉控制系统作了整体概述。首先对音乐喷泉的整体结构进行了介绍。然后分析了音乐喷泉的控制要求和现有的控制方式。最后对现有的控制方式进行分析比较，选择了PLC作为控制核心的控制系统。

第3章 音乐喷泉控制系统硬件设计

3.1 PLC的选用

选择适当型号的PLC是应用设计中至关重要的一步，在功能满足要求的前提下，应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点：

（1）I/O点数的选择。输入、输出点数是衡量PLC规模大小的重要指标。选择时应在实际使用点数的基础上留出15%～20%的备用量[6]。

（2）存储器容量的选择。一般小型的PLC存储容量是固定的，无法随意扩充和调整，选购时一定要注意，是否满足要求。 （3）PLC功能的选择。

1）对于开关量控制的应用系统，对控制速度要求不高，选用一般的

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低档机就能满足要求。

2）对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用项目，应选用带有A/D、D/A转换，四则运算功能的低档机。

3）对于控制比较复杂，功能要求较高的应用系统，低档机往往不能满足要求，这时可选用中型和大型的PLC组成一个分布式控制系统。

4）PLC运行速度的选择。PLC工作时，从输入信号到输出控制存在滞后现象，这对于一般的工业设备是允许的，但有些设备的实时要求较高，不能容忍这种滞后现象。但一般滞后时间应控制在几十ms之内。

（4）特殊I/O模块的选择。选择哪一种功能的输入/输出模块和哪一种输出形式，取决与控制系统中输入/输出系统的种类、参数要求和技术要求。另外，如果控制系统要求进行温度控制、位置控制、PID控制或波形控制，那么选择合适的智能模块会使系统设计变简单[7]。

（5）考虑对PLC通信联网功能的要求。如果PLC需要与别的通信设备连接，需要考虑PLC的通信联网能力。

考虑到上述因素，结合“体积小、价格实惠”的原则，本文选用三菱

FX1N40MR型号的PLC。其特点如下[8]：

（1）一体式可编程控制器：电源、 CPU、存储器、输入输出组成一个单元的可编程控制器，同时在 AC 电源 DC 输入型中内置传感器用 DC24V 电源。

（2） 输入输出最大128点：输入输出扩展设备最大可扩展至 128 点，扩展模块或扩展单元只可以使用FX0N系列和FX2N系列，另外也可和

FX0N—3A连接。

（3）不用编制复杂的程序，就能捕捉到最小10μs(X0， X1)或50μs(X2～X5)的短信号。

（4）功能强大的GX Works2 V1.31H 编程软件。由三菱公司设计开发，

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适用于FX1N40MR的编程，具有简单工程和结构化工程两种编程方式，支持梯形图、指令表、SFC、ST及结构化梯形图等编程语言，可实现程序编辑、参数设定、网络设定、程序监控、调试及在线更改、智能功能模块设置等功能。

3.2 变频器的选用

通用变频器的选择包括通用变频器的型号选择和容量选择两个方面，选择的原则是：首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速转矩负载，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等），应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器[16]。表3.1为不同类型变频器的主要性能、应用场合：

表3.1 不同类型变频器的主要性能、应用场合

[9]

本次设计的音乐喷泉控制系统中，变频器所驱动的负载为水泵，即泵类负载，故选择U/f开环控制。即选用三菱FR-F740系列变频器，FR-F740变频器是专为风机和水泵负载设计的。其特点如下[10]：

（1）功率范围：0.75～630KW；

（2）简易磁通控制方式，实现3Hz时输出转矩达120%； （3）采用最佳励磁方式，实现更高节能运行；

（4）内置PID，变频器/工频切换和可以实现多泵循环运行功能； （5）内置独立的RS485通讯口； （6）使用长寿命元件；

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（7）内置噪声滤波器（75K以上）；

（8）带有节能监控功能，节能效果一目了然。

3.2.1 变频调速原理

当向一台三相异步电动机的定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速顺时针旋转，转子导体开始是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势，由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感应电流。由于通电导体在磁场中要受电磁力的作用，所以有感应电流的转子导体在旋转磁场中也将受到电磁力的作用，作用于转子导体上的电磁力对转子的轴，产生电磁转矩与旋转磁场的旋转方向是一致的，从而驱动转子沿着旋转磁场的旋转方向旋转[11]。

当将三相异步电动机绕组任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机磁极对数和电源频率决定[17]。

异步电动机的同步转速为：

60f1n1 式(3.1)

p式（3.1）中 n1— 同步转矩，单位r/min； f1— 定子电源频率，单位HZ； p— 磁极对数。 异步电动机的转速为：

60f1(1s) 式(3.2) p式（3.2）中 s— 异步电动机的转差率，s(n1n)/n1。

nn1(1s)由式（3.2）可知，对于极对数固定的异步电动机，只需供电频率f1或

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电动机的转差率s中的任意一个改变就可以改变电动机的转速。改变转差率s的方法更多用在绕线式异步电动机的调速中，故对鼠笼式异步电动机改变供电频率f1是最好的调速方法。对鼠笼式异步电动机，一般情况下，转速率s很小，所以可近似地认为n∝n1∝f1，考虑到电机的运行性能，并使电动机得到充分利用，在变频的同时，电源电压应根据负载性质的不同作相应的变化，通常希望气隙磁通m维持额定值不变，因为若m增大，将使电动机磁路过分饱和，引起励磁电流增加，功率因数降低；若m减小，电动机容量将得不到充分利用[12]。

由电动机理论可知，三相异步电动机定子每项电动势的有效值为

E14.44kN1f1N1m 式 (3.3)

式(3.3)中 E1— 旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势，单位V； m— 每极磁通量，单位Wb； N1— 定子相绕组有效匝数； KN1— 基波绕组系数。

从电动势公式可知，因为U1E1，若要m为定值，则U1必须随频率的变化作正比变化，即：

U1f1定值 式（3.4） U1f1，f1表示变频后的量。 式（3.4）中U1另一方面，为了保证电动机允许的稳定性，希望变频调速时，电机的过载能力不变，即

mTm定值 式 (3.5) TN由最大转矩公式，并略去定子电阻R1，可得到：

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Tm1pU1 式（3.6） mm2)TNTN4f1(X1X22f1(L1L2)，与频率f1成正比，在忽略铁芯饱和的影响时，X1X2则式（3.6）还可以写成：

U mC21 式 (3.7)

f1TN2式(3.7)中C为常数，为保证变频前后m不变，要求

2U12U‘ 2'21' 式 (3.8)

f1TNf1TN即：

U1f1TN 式 (3.9) U1f1TN式(3.9)说明了在变频调速时，为使电动机的过载能力不变，电压U1的

，由式（3.9）可得，变化规律。显然，对于恒转矩负载，因为TNTNf1U1定值，这时既保证了电动机的过载能力m不变，又满足m为定U1f1值的要求。

但是，E1难于直接测量和控制。当E1和f1的值较高时，定子的漏阻抗压降比较小，如果忽略不计，就可以近似的保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，即认为U1=E1，保持U1/f1=常数即可，这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。

低频时，U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能再忽略。这时，认为的把电压U1抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性为b线，无补偿为a线。恒压频比控制特性如图3.1所示[13]。

图3.1 恒压频比控制方式

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（1）三菱FR-F740变频器介绍

1）如图3.2为三菱FR-F740变频器端子接线图[10]。

图3.2 三菱FR-F740变频器端子接线图

2）FR-F740变频器基本操作面板介绍 如图3.3为变频器基本操作面板[10]：

图3.3 变频器基本操作面板

（2）变频器参数设置

将电机的参数输入变频器，同时根据控制要求，将变频器相关参数也输入变频器[14]。FR-F740变频器的参数设置如表3.2所示：

表3.2 FR-F740变频器的参数设置

[10]

参数 Pr.160 Pr.13 Pr.14 Pr.19 Pr.9 Pr.3 Pr.80 Pr.59 Pr.73 Pr.1 Pr.2 Pr.571 Pr.11 Pr.79 设定值 1 0 1 380 15 50 7.5 2 1 50 20 5 5 3 说明 显示用户参数组中登记的参数 设定频率为50HZ 设定为变转矩负载 设定电动机的额定电压为380V 设定电动机的额定电流为15A 设定电动机的额定频率为50HZ 设定电动机的额定功率为7.5kw 设定由端子控制变频器的运行 频率由模拟量输入设定 电机运行的上限频率 电机运行的下限频率 电机启动时间 电机制动时间 设置端子4与端子5接通时电机正转，断开停止 I文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.

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Pr.78 1 不允许反转 在基本操作板上设置好上述参数后，可以运行变频器。当端子4和端子5接通时，电机按设置的下限频率20HZ开始运行，达到20HZ的启动时间为5s；断开端子4和端子5，电机从20HZ到停止的时间为5s。

3.3 音乐喷泉控制系统总电路设计及工作原理分析

（1）控制系统总电路设计：该控制系统的核心设备为可编程控制器（PLC）、模拟量输入输出模块、FR-F740变频器，其控制系统总电路原理图如图3.4所示。

图3.4 控制系统总电路原理图

（2）工作原理分析：从电路原理图可知，控制分为两部分。一部分是固定程序运行；另一部分是音乐控制部分。

1）音乐控制部分。当需要使用音乐喷泉时，此时可按下SB1按钮，PLC的模拟量输入输出模块将采集播放音乐的音频强度，将其进行A/D转换，比较运算，然后将结果输出到变频器的模拟量输入端口的4、5端，控制变频器的输出频率，从而控制水泵的转速，达到控制喷泉水柱高度的目的。

2）固定程序部分。当喷泉不使用音乐进行控制时，可按下SB2按钮，PLC运行固定程序，喷泉按事先设计好的程序运行。此时变频器不启动。变频器只在音乐控制时启动。原理图中水泵变频运行和固定程序运行是不能同时进行的，否则会给变频器反送电，烧毁变频器，所以，在水泵变频运行的接触器KM4、KM5和水泵固定程序运行的接触器KM1、KM2之间，加接了电气互锁。

3）灯光控制部分。无论喷泉运行音乐喷泉控制还是固定程序控制，喷泉的灯光都按事先设定好的程序运行。

3.4 本章小结

本章主要是音乐喷泉控制系统的硬件设计。首先对主要器件进行选型

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（PLC选用FX1N40MR型，变频器选用FR-F740型）。然后对PLC的特点、变频调速原理以及FR-F740型变频器的端子分配、变频器基本操作面板进行了介绍，对FR-F740型变频器参数进行设置。最后设计出音乐喷泉控制系统总电路图，并对电路原理进行简单的分析。

第4章 音乐喷泉控制系统软件设计

4.1 系统程序流程图

PLC的程序设计主要有经验法、顺序功能图设计法、逻辑流程图设计法

[15]

。根据实际情况先设计出程序流程图，PLC从开机，有一个选择性分支，

提供两种选择：一个是喷泉根据音乐节奏运行，另一个是喷泉按固定程序运行。其程序流程图如图4.1所示。

4.1 系统程序流程图

4.2 系统I/O端口分配表

I/O端口分配表是对系统的输入/输出点的地址分配，有了I/O端口分配表，能够反映程序里的地址分别代表什么，如果没有I/O端口分配表，就不知道程序写的是什么了，如果出错更不好修改。

音乐喷泉控制系统I/O端口分配表如表4.1所示。

表4.1 音乐喷泉控制系统I/O端口分配表

4.3 系统程序设计 4.3.1 梯形图程序设计

（1）开机梯形图程序设计。开机梯形图程序是一个选择性程序，要么是音乐控制的喷泉，要么是固定方式运行的喷泉，二者选择一种运行方式。梯形图设计时二者要加程序互锁。开机程序梯形图如图4.2所示。

图4.2 开机梯形图程序

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开机程序中，喷泉从固定程序切换到音乐控制时，因为固定程序控制中不用变频器,所以程序可以直接切换；但当音乐喷泉实行音乐控制，再切换到固定程序运行，因为变频器有个停车时间，所以切换时要延时，延时时间为变频器的停车时间，一般为10s。

（2）音乐控制程序。音乐喷泉程序相对复杂，其程序要启动变频器、灯光，要实时采集音频信号的变化，然后去控制变频器的输出频率。

1）喷泉水柱控制程序。控制喷泉的水泵启动后，主水柱、外圈水柱要按事先设计好的顺序启动运行，运行后各水柱根据音乐的节奏强弱进行高低变化。

2）灯光启动程序。喷泉灯光的变化过程，一般是事先设定好的程序，当变频器得电，输出正向频率，水泵电机启动即调用灯光子程序。

音乐控制梯形图程序如图4.3所示。

图4.3 音乐控制梯形图程序

（3）固定运行梯形图程序。固定运行梯形图程序是喷泉不需要用音乐控制时的另一种控制方式。此时要停止变频器和音频信号的采集，只输出控制水泵的信号。固定运行梯形图程序如图4.4所示。

图4.4 固定运行梯形图程序

音频采集和灯光系统的子程序如图4.5所示。

图4.5 音频采集和灯光系统的子程序

4.3.2 指令表程序转换

指令表语句是一种与计算机汇编语言相似的助记符编程方式，用一系列操作指令组成的语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到PLC中去。系统指令表程序如图4.6所示。

图4.6 系统指令表程序

4.3.3 控制程序调试

（1）开机梯形图程序的调试

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如图4.7为开机梯形图程序的调试。当X0触点在10s内未得电，则辅助继电器M510得电，喷泉自动切换为固定程序运行方式。X2接点得电，则喷泉停止运行。

图4.7 开机梯形图程序的调试

（2）灯光系统梯形图程序的调试

如图4.8所示为灯光系统梯形图程序的调试。

图4.8灯光系统梯形图程序的调试

（3）音乐控制梯形图程序的调试

如图4.9为音乐控制梯形图程序的调试。当X0触点得电，则辅助继电器M500接通

图4.9 音乐控制梯形图程序的调试

(4) 固定运行梯形图程序的调试

如图4.10为固定运行梯形图的调试。当X1触点得电，则辅助继电器M510接通，控制主水柱水泵直接启动运行，延时10s后，外圈水柱水泵启动运行，固定程序一直循环运行。

图4.10 固定运行梯形图程序的调试

4.4 系统的整体调试

首先按照控制系统总电路原理图连接好电路，使PLC处于STOP模式状态，下载设计好的PLC控制程序，与此同时根据预先给定的变频器参数设定变频器。开启交流线路总电源和音乐信号控制部分电源，使PLC处于RUN模式状态下，按下SB1按钮，启动音乐控制程序，变频器延时30s启动后，同时开启音源播放音乐，PLC模拟量输入模块采集音频信号进行A/D转换后，输入到变频器模拟量输入端口，控制变频器的输出频率，从而控制喷泉水柱的高度随音乐节奏变化，同时音乐喷泉灯光系统也开始按预先设定好的程序闪烁。当按下SB3按钮后，喷泉停止运行。

当按下SB2按钮后，延时10s后主水柱电机启动，运行10s后外圈水柱电机启动运行。喷泉按事先设定好的程序循环运行。当按下SB3按钮后，喷泉停止运行。

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4.5 本章小节

本章主要是音乐喷泉控制系统的软件设计。首先绘制出程序流程图，根据绘制出的流程图分配I/O端口。然后根据流程图和I/O端口分配表开始利用GX Works编程软件编写梯形图程序，梯形图程序包括音乐控制的梯形图程序和固定运行梯形图程序两部分。并且对编写好的梯形图程序进行仿真调试。最后对音乐喷泉控制系统进行整体调试。

第五章 总结与展望

5.1 总结

音乐喷泉的设计涵盖的专业非常广泛，包括音乐分析、喷水、电气、通讯和自动控制等技术。所以说音乐喷泉是人们将科技与精神集于一体的产物。

本文是关于音乐喷泉控制系统的设计，该控制系统采用可编程控制器（PLC）对整个系统进行控制，用变频器实现喷泉的变频控制。PLC是一种高可靠性的控制装置，影响PLC控制系统可靠性的主要因素是与PLC接口的输入信号元件和输出执行元件，在编程过程中主要是弄清楚输入输出元件的元件号以及它们在系统中的作用，变频器变频调速是一种非常高效的调速系统，变频调速应该注意变频器的参数设置等问题。

本论文属于设计开发型课题，结合所学知识，以可编程控制器为基础，对音乐喷泉基本流程做了详细的了解后，对喷泉控制系统进行设计。在设计过程中，基于老师指导、自我学习、向同学学习，通过学习使自身深入地了解电气控制系统各方面的知识，熟练掌握了PLC控制技术和变频调速技术等各方面的理论知识及应用。同时，通过实践，提高了自己的分析问题、解决问题及为人处事能力。

5.2 展望

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本次设计为了节约成本，没有使用触摸屏。如果需要使用触摸屏控制，也可通过触摸屏与PLC、变频器之间的通信，实现对喷泉的控制，这样将会使控制界面更友好，控制更方便。

音乐喷泉控制系统的开发是多方面的，其中计算机智能控制将是主要之一，或者说，智能音乐喷泉将是未来产品的发展趋势。目前音乐喷泉系统在计算机智能控制方面仍然是欠缺的，多数的喷泉系统是程序控制类型的。该类系统需要通过人工离线的预编辑程序处理。这不仅工作量很大，而且程序员对音乐中许多内容的表现只能进行简化处理，并缺乏准确性。一些具有实时控制功能的音乐喷泉系统也是处于初级阶段。这当中主要是以音量这一要素进行实时控制，并存在许多问题。例如，音乐与喷泉和谐、同步的控制问题。对于某些曲子和某些乐器的旋律，该系统表现力平淡，给人以不畅快的感觉等。目前还没有看到综合音乐中音量、音色、节拍、及旋律而实现音乐表现力的智能控制系统。应该说这一研究是极具难度的。这里不仅是包含了音乐信号的处理，同时它还体现了艺术的再创造。由此看来，“智能音乐喷泉系统”的研究与开发是一项长期的工作。可以认为，智能化音乐喷泉系统的研究与开发具有较大的经济效益与社会效益。

致谢

在论文即将完成之际，也意味着我的学业即将结束，在这一刻，我感到很兴奋，从论文的开始到顺利结束，有许多受人尊敬的老师、亲爱的同学们、朋友们给了我很多帮助，请接受我诚挚的感谢！

首先，我要感谢指导老师常老师！常老师治学严谨，有丰富的学识，待人热情，平易近人，所以，在毕业设计的过程中，我们有任何问题，都会大胆地向老师提出，常老师总是及时、耐心的帮助与回答。在提出问题、数据查找、系统设计、论文写作过程中的每个环节，常老师都给予了指导和帮助。我在这里向常老师表示衷心的感谢。

同时我还要感谢学校里所有的老师和部门领导，在这四年来感谢他们

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对我学习和生活上的关心和支持，他们不仅教我知识，还教我做事的原则，这些使我在设计过程中拥有一个良好的心态，使我的大学生活丰富多彩。

最后，我再次对所有帮助过我，关心和支持我的家人、老师、同学、朋友们致以崇高的敬意！谢谢

参考文献

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