基于plc控制系統(tǒng)的人造噴泉設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　機(jī)電工程學(xué)院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目 基于PLC控制系統(tǒng)的人造噴泉</p><p>　　設(shè)計(jì) </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) 機(jī)電一體化 &

2、lt;/p><p>　　班 級(jí) 機(jī)電1402 </p><p>　　學(xué) 號(hào) 2014062133 </p><p>　　姓 名 張敬豪 </p><p>　　指導(dǎo)教師 胡冬生 &

3、lt;/p><p>　　年 月 日 </p><p>　　基于PLC控制系統(tǒng)的人造噴泉設(shè)計(jì)</p><p>　　【摘要】 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平不斷的提高，對(duì)景觀設(shè)計(jì)的要求也在不斷提高，人造噴泉是十分重要的景點(diǎn)之一，因此不管在公園設(shè)計(jì)中、還是在城市規(guī)劃中、又或者在小區(qū)設(shè)計(jì)中，人造噴泉的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是至關(guān)重要的。</p><p&g

4、t;　　人造噴泉主要有音控系統(tǒng)，程控系統(tǒng)兩種控制方式，控制系統(tǒng)采用以可編程序控制器PLC為核心的SIMATICS7-200Micro，電氣設(shè)備裝置主要有潛水泵、變頻器、電磁閥、電機(jī)，外置設(shè)備主要有計(jì)算機(jī)、燈光、音響。相較于傳統(tǒng)的人造噴泉系統(tǒng)編寫(xiě)完程序設(shè)計(jì)好系統(tǒng)控制電路，就不可輕易修改噴頭噴水樣式及規(guī)律，現(xiàn)今人們利用PLC控制系統(tǒng)，可以隨時(shí)修改程序以及設(shè)置參數(shù)，或改變選擇開(kāi)關(guān)方式就能人造噴泉的噴水花樣及其規(guī)律，節(jié)約人力物力資源。</

5、p><p>　　本次課題設(shè)計(jì)對(duì)人造噴泉控制系統(tǒng)的總體功能進(jìn)行了分析，并且對(duì)可編程PLC控制技術(shù)、變頻調(diào)控控制技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)作了簡(jiǎn)要介紹，以及人造噴泉控制總體設(shè)計(jì)方案、電氣系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)思路、變頻參數(shù)設(shè)置做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。本課題設(shè)計(jì)針對(duì)人造噴泉設(shè)計(jì)理論與原理、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)以及最后的PLC系統(tǒng)整體調(diào)試都做了詳細(xì)介紹。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 人造噴泉 PL

6、C控制系統(tǒng) 變頻器</p><p>　　Design of artificial fountain based on PLC control system</p><p>　　[Abstract] With the development of society, people's living standards have been improving, the landscap

7、e design requirements are constantly improve, fountain is one of the important attractions in the park, so no matter in the design or in the city or in the area of planning, design, design and application of artificial f

8、ountain is essential.</p><p>　　The main fountain sound control system, two control modes of control system, control system adopts PLC programmable controller as the core of the SIMATIC S7-200 Micro, electric

9、al equipment mainly include submersible pump, solenoid valve, motor, inverter, external equipments include computer, lighting, sound. Artificial fountain system compared with the traditional writing end circuit control p

10、rogram design system, can not easily modify the water style and rules, nowadays people use the PLC contr</p><p>　　The design of the overall function of the fountain control system are analyzed, and the progr

11、ammable PLC control technology, application of frequency control technology to control the trend of development are briefly introduced, and the artificial fountain control scheme design, the design of the whole system an

12、d PLC program design, inverter parameter settings are briefly described this topic designed for fountain design theory and principle, hardware circuit design, software design and the over</p><p>　　[Keywords]

13、 Fountain PLC control system Frequency converter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></p><p><b>　　第一章 緒論2</b></p><p>　　1.1

14、人造噴泉研究背景及意義2</p><p>　　1.2人造噴泉發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3課題主要研究?jī)?nèi)容4</p><p>　　第二章 人造噴泉設(shè)計(jì)方案選擇5</p><p>　　2.1 人造噴泉的設(shè)計(jì)方案5</p><p>　　2.2 音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)方案選擇6</p><

15、;p>　　2.3 本章小結(jié)7</p><p>　　第三章 人造噴泉控制系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖8</p><p>　　3.2 PLC的選型8</p><p>　　3.2.1 可編程控制器PLC的基本知識(shí)8</p><p>　　3.2.2 可編程控制器PLC的

16、基本工作原理11</p><p>　　3.2.3 PLC的選型12</p><p>　　3.3 變頻器的選型13</p><p>　　3.3.1變頻器的基本原理13</p><p>　　3.3.2變頻器的選用16</p><p>　　3.3.3變頻器的參數(shù)設(shè)置18</p><p&g

17、t;　　3.4 其它元器件選用20</p><p>　　3.5 控制系統(tǒng)的搭建22</p><p>　　3.5.1PLC系統(tǒng)I/O端口分配表22</p><p>　　3.5.2PLC 與變頻器外部電路的設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.5.3電氣控制連接圖24</p><p>　　3.6 本章小結(jié)26

18、</p><p>　　第四章 人造噴泉軟件程序設(shè)計(jì)與仿真27</p><p>　　4.1 PLC系統(tǒng)控制流程27</p><p>　　4.2 PLC系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與調(diào)試27</p><p>　　4.2.1梯形圖程序設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.2.2系統(tǒng)控制程序的調(diào)試32</p><

19、p>　　4.3 本章小節(jié)35</p><p><b>　　結(jié) 論36</b></p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>　　引 言</b></p>

20、;<p>　　噴泉是流動(dòng)的藝術(shù)，美輪美奐的噴泉給人以無(wú)限的享受?，F(xiàn)代社會(huì)人造噴泉應(yīng)用于大型公園、廣場(chǎng)、園林建筑以及娛樂(lè)水景場(chǎng)所中，是一種不可缺少的景色。人造噴泉是一種集水、聲、光、色于一體千變?nèi)f化的水景設(shè)施，具有廣闊的應(yīng)用前景。人造噴泉根據(jù)人為要求，融合可編程控制系統(tǒng)，通過(guò)可編程控制程序變換各式水上景色，與音樂(lè)結(jié)合的噴泉系統(tǒng)，更是隨時(shí)根據(jù)音樂(lè)的音調(diào)與節(jié)奏旋律變化兒變化出千姿百態(tài)的美麗景色，實(shí)現(xiàn)聆聽(tīng)音樂(lè)欣賞噴泉的生動(dòng)效果。&

21、lt;/p><p>　　隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用于人造噴泉設(shè)計(jì)領(lǐng)域的可編程系統(tǒng)控制技術(shù)，變頻器調(diào)控技術(shù)都已成為不可替代的產(chǎn)物。人造噴泉中按照控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式和控制方法，對(duì)人造噴泉控制系統(tǒng)的進(jìn)行分類(lèi)，其中包括:程序控制、實(shí)時(shí)聲控、預(yù)編控制方式和變頻控制方式，本課題應(yīng)用的控制方式為程控及音控。</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)在人造噴泉設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景，運(yùn)用PLC控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)實(shí)

22、時(shí)控制連接，通過(guò)PLC通信功能與編程性能，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的實(shí)時(shí)通信控制。利用可編程控制器，簡(jiǎn)化了控制電路，提高工作速度和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性，而且還增強(qiáng)了噴泉工程的自動(dòng)化及智能化。</p><p>　　在人造噴泉的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，通過(guò)PLC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，噴泉與音樂(lè)的時(shí)間同步設(shè)置，PLC輸入輸出點(diǎn)的分配設(shè)置，音控與程控兩種系統(tǒng)控制方式的合理調(diào)試，潛水泵應(yīng)用于不同狀態(tài)下的選型。</p><p&

23、gt;<b>　　緒論</b></p><p>　　人造噴泉研究背景及意義</p><p>　　水景觀是世界上最古老的景觀形態(tài)，噴泉作為現(xiàn)代水景的主要形式，正在成為當(dāng)前我國(guó)城市公共空間景觀設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。</p><p>　　我國(guó)最早的人工噴泉是乾隆十二年至二十四年（1747-1759）修建于圓明園西洋樓前的三座噴泉建筑群，分別稱(chēng)作諧奇

24、趣、大水法、海晏堂，設(shè)計(jì)者是法國(guó)傳教士蔣友仁和意大利傳教士郎世寧，建筑形式是歐洲文藝復(fù)興后期巴洛克風(fēng)格，造園形式為勒·諾特風(fēng)格，在造園和建筑裝飾方面仍然保留了大量中國(guó)傳統(tǒng)手法[1]。</p><p>　　雖然古代中國(guó)只喜歡天造之泉，但是歐洲人自古卻將噴泉視同人工建筑，西方建筑史上的變革與演進(jìn)，噴泉建筑從未錯(cuò)過(guò)。無(wú)論巴洛克、哥特式、文藝復(fù)興，甚至工業(yè)時(shí)期的現(xiàn)代主義建筑風(fēng)格，都可以找到同類(lèi)的噴泉建筑。無(wú)論古

25、今，噴泉在歐洲城市中都代表公共生活，噴泉和廣場(chǎng)都是城市公共空間的強(qiáng)力標(biāo)志。一個(gè)古典噴泉建筑，必定具有具象雕塑，而雕塑形象必然含有文化中的共識(shí)至于泉水的噴高其實(shí)不重要，那是現(xiàn)代噴泉所強(qiáng)調(diào)的特點(diǎn)，在歷史上噴泉的作用如果正本清源地追究，噴泉出現(xiàn)在人類(lèi)聚居區(qū)的根本原因是這個(gè)聚居區(qū)人丁興旺，實(shí)力雄厚，所以，歐洲歷史上的噴泉通常都具有強(qiáng)權(quán)的寓意。</p><p>　　從噴泉形態(tài)的歷史演變來(lái)看，噴泉出現(xiàn)過(guò)兩種形式，有雕塑的古典

26、噴泉，沒(méi)有雕塑，而靠宏大的水量塑造形體的現(xiàn)代噴泉。古典噴泉有固定的結(jié)構(gòu)形式地面上有蓄水池，水池中央有上下兩個(gè)水盂或溢水池，一個(gè)主題和水有關(guān)的雕塑。古典噴泉通常代表強(qiáng)權(quán)，比如羅馬歷史上修建的諸多噴泉大多象征教宗的崇高地位或者具有紀(jì)念意義?，F(xiàn)代噴泉可以不依賴(lài)給排水設(shè)備之外的任何建筑物，蓄水池、雕塑都不是必要的?，F(xiàn)代噴泉將水形本身塑造為動(dòng)態(tài)的雕塑。在新技術(shù)和新藝術(shù)形式的推動(dòng)下，現(xiàn)代噴泉呈現(xiàn)出劇場(chǎng)化和互動(dòng)性的發(fā)展趨勢(shì)。劇場(chǎng)化是指人們欣賞噴泉景觀

27、時(shí)如同欣賞舞臺(tái)劇一樣，聲、光、色、形、意同時(shí)呈現(xiàn)，相互呼應(yīng)，令觀眾多感官全身心地投入于其中?；?dòng)性則是指噴泉的變化可以部分地由觀眾決定。這種趨勢(shì)加強(qiáng)了城市公共空間的娛樂(lè)性，為城市生活帶來(lái)了新的活力[2]。</p><p>　　噴泉作為一項(xiàng)建筑藝術(shù)，在國(guó)內(nèi)外均有較悠久的歷史。音樂(lè)噴泉的構(gòu)思及萌生則是上世紀(jì)30年代開(kāi)始的，1930年，德國(guó)的奧圖皮士特霍首先提出了噴泉與音樂(lè)相結(jié)合的設(shè)想，并設(shè)計(jì)成小型裝置應(yīng)用于酒店及商場(chǎng)

28、，其后則逐漸發(fā)展到大型化及多樣化。繼承父業(yè)使音樂(lè)噴泉更為多姿多彩，并于1952年夏在西柏林工業(yè)展覽會(huì)上進(jìn)行展示，經(jīng)紐約一攝影師將其引進(jìn)應(yīng)用于紐約無(wú)線電音樂(lè)廳，從此，音樂(lè)噴泉陸續(xù)在世界各地應(yīng)用推廣。目前，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家己有制造音樂(lè)噴泉成套裝置的專(zhuān)業(yè)工廠，如美國(guó)的WALTZING，MIDAS，加拿大的PEM，意大利的NeonALPina，日本的KAWAMURA等公司。隨著我國(guó)改革開(kāi)放政策的不斷實(shí)施，80年代中期，我國(guó)也相繼引進(jìn)和自行設(shè)計(jì)建

29、造了多座音樂(lè)噴泉，為美化環(huán)境，活躍人們的文化生活起到了良好的作用[3]。目前，我國(guó)生產(chǎn)音樂(lè)噴泉公司有上百家，一些公司有相當(dāng)?shù)膶?shí)力，國(guó)內(nèi)比較著名的噴泉公司有：上海雨琦噴泉工程有限公司，長(zhǎng)沙喜馬拉雅音樂(lè)噴泉有限公司，上海佳景園噴泉設(shè)備有限公司，南京泉杰景觀工程有限公司等。這些公司都充分弘揚(yáng)水文化，做好水文章，設(shè)計(jì)的噴泉水景集聲、光、水三維于一體，營(yíng)造出了更奇、更新、更美的</p><p>　　現(xiàn)代音樂(lè)噴泉就是這種信息

30、技術(shù)下的產(chǎn)物。音樂(lè)噴泉是利用播放或現(xiàn)場(chǎng)演奏音樂(lè)作為控制信號(hào)控制噴嘴、電泵和燈光的噴泉。噴泉的控制系統(tǒng)同時(shí)控制聲、燈光電泵功率及噴嘴的開(kāi)合搖擺，來(lái)塑造出隨著聲光變換而變化的水形，組合而產(chǎn)生不同形狀、不同色彩、配合音樂(lè)節(jié)奏而構(gòu)成的綜合水景。</p><p>　　人造噴泉作為一種才興起的獨(dú)特人工景觀，其產(chǎn)生的景觀效果已獲得了廣大群眾的認(rèn)可[5]在寬廣的廣場(chǎng)、平靜的湖面、靜謐的公園設(shè)置一個(gè)人造噴泉，將使原來(lái)靜態(tài)的人工景觀

31、變成動(dòng)態(tài)的美學(xué)景觀，它將水體、燈光、音樂(lè)的變化與周?chē)h(huán)境建筑、園林結(jié)合在一起，創(chuàng)造出各種變化多端、風(fēng)格迥異的藝術(shù)氛圍，給人以無(wú)窮的視聽(tīng)享受，其造成的環(huán)境藝術(shù)效果不是其他人工景觀可以比擬的。它不僅可以增加周?chē)諝鉂穸龋瑴p少空氣中的塵埃，降低空氣溫度，更為人們的生活增添了不少情趣?？梢哉f(shuō)，音樂(lè)噴泉己經(jīng)成為一種娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。</p><p><b>　　人造噴泉發(fā)展現(xiàn)狀</b&

32、gt;</p><p>　　工業(yè)化令噴發(fā)式噴泉普遍出現(xiàn)而且形式多樣。概括總結(jié)可以分為七種應(yīng)用形式：水池噴泉、旱池噴泉、淺池噴泉、表演噴泉、室內(nèi)噴泉、自然噴泉、水幕電影。</p><p>　　音樂(lè)噴泉從德國(guó)人發(fā)明到世界各地興起已走過(guò)了幾十年的時(shí)間，音樂(lè)噴泉的控制水平越來(lái)越高，控制方法越來(lái)越多。本課程設(shè)計(jì)介紹的為常見(jiàn)的兩種人造噴泉控制技術(shù)方式：</p><p>　　程控

33、：程控噴泉是按照預(yù)先編寫(xiě)好的程序運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，多個(gè)程序隨機(jī)執(zhí)行，反應(yīng)快，靈敏度高。利用高性能工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為用戶(hù)終端，操作界面及控制程序安裝在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)，操縱變頻器來(lái)控制相應(yīng)負(fù)載動(dòng)作。系統(tǒng)的高適應(yīng)性，高可靠性，性能超群，能承受震動(dòng)，撞擊，灰塵和大的溫差變化。利用模塊化結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的維護(hù)，便于系統(tǒng)升級(jí)。程控噴泉是將各種水型及燈光，按照預(yù)先設(shè)定的排列組合進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序發(fā)出控制信號(hào)，使水型及燈光有各種各樣的變化

34、。</p><p>　　音控：音樂(lè)表演噴泉是在程序控制噴泉的基礎(chǔ)上加入了音樂(lè)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)音頻信號(hào)的識(shí)別，進(jìn)行譯碼和編碼，最終將信號(hào)輸出到控制系統(tǒng)，使噴泉的造型及燈光的變化與音樂(lè)保持同步，從而達(dá)到噴泉水型、燈光及色彩的變化與音樂(lè)情緒的完美結(jié)合，使噴泉表演更加生動(dòng)更加富有內(nèi)涵。用戶(hù)可以在編輯界面編寫(xiě)自己喜愛(ài)的音樂(lè)程序，播放系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)音樂(lè)、水、燈光氣氛統(tǒng)一，播放同步。 </p>&l

35、t;p>　　現(xiàn)在的人造噴泉中的音樂(lè)噴泉控制技術(shù)隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)識(shí)別樂(lè)曲信號(hào)、水型智能化的音樂(lè)噴泉將是未來(lái)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)[4]。</p><p><b>　　課題主要研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　人造音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)集合音樂(lè)控制技術(shù)、可編程程序控制技術(shù)、人工智能控制技術(shù)，是一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，本課題運(yùn)用先進(jìn)的控制設(shè)備系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人造噴泉控制系統(tǒng)

36、的技術(shù)。首先采用可編程PLC控制技術(shù)，研究符合設(shè)計(jì)要求的控制程序。PLC的模擬量輸入輸出模塊將采集播放音樂(lè)的音頻強(qiáng)度，將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，比較運(yùn)算，然后將結(jié)果輸出到變頻器的模擬量輸入端口，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到噴泉水柱根據(jù)音樂(lè)強(qiáng)弱的變化而變化。</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)主要在音控與程控兩種控制方式，考慮音控中針對(duì)音樂(lè)信號(hào)的采集，水型滯后于音樂(lè)的問(wèn)題，設(shè)備的造價(jià)和設(shè)備的性能價(jià)格比等因素

37、，同時(shí)還要考慮系統(tǒng)的可操作性和擴(kuò)展性，綜合這些因素，采用PLC作為主控制設(shè)備。</p><p>　　人造噴泉設(shè)計(jì)方案選擇</p><p><b>　　人造噴泉的設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　本課題采用圖2-1“四路兩線”設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，中心采用3個(gè)不同型式的潛水泵，揚(yáng)程分別為內(nèi)圈7m、中圈10m、外圈15m，輸送到四線兩路上的12個(gè)噴頭上

38、面進(jìn)行噴水，再利用內(nèi)部編程程序進(jìn)行水泵電機(jī)的變頻調(diào)速，使噴頭的水柱高度與噴水時(shí)間會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)變化，進(jìn)而改變噴頭噴水的規(guī)律。</p><p>　　圖2-1四路兩線設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本次人造噴泉建立對(duì)象為面積35的廣場(chǎng)上。本次課題總體平面設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2-2</p><p>　　圖 2-2總體平面設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　有紅

39、橙黃綠青藍(lán)紫七種顏色彩燈，三組共12盞彩燈，分布為內(nèi)圈C1~C4，中圈C5~C8，外圈C9~C12。</p><p>　　三個(gè)潛水泵控制12個(gè)噴頭，由一臺(tái)功率3kw，揚(yáng)程7米的潛水泵和西門(mén)子MM430變頻器變頻器控制內(nèi)圈四個(gè)噴頭D1~D4。由一臺(tái)功率5.5kw，揚(yáng)程10米的潛水泵和西門(mén)子MM430變頻器變頻器控制內(nèi)圈四個(gè)噴頭D5~D8。由一臺(tái)功率7.5kw，揚(yáng)程15米的潛水泵和西門(mén)子MM430變頻器變頻器控制內(nèi)圈

40、四個(gè)噴頭D9~D12。</p><p>　　本次人造噴泉控制系統(tǒng)有兩種工作方式：音樂(lè)控制方式和固定程序控制方式。</p><p>　　1.音樂(lè)控制方式。當(dāng)按下音控按鈕后，延遲20S后音控程序啟動(dòng)，PLC模擬量輸入輸出模塊開(kāi)始采集音樂(lè)的音頻強(qiáng)度并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換作為PLC的輸入信號(hào)，經(jīng)PLC處理后將結(jié)果輸出到變頻器，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速及高度和彩燈的變換實(shí)現(xiàn)音控。</

41、p><p>　　2.固定程序控制方式。當(dāng)按下程控按鈕后，延遲20S后噴泉按事先設(shè)定好的固定控制程序啟動(dòng)，首先內(nèi)圈跑泉運(yùn)行，延時(shí)10S后中圈跑泉運(yùn)行，延時(shí)10S后外圈跑泉運(yùn)行，延時(shí)10S內(nèi)圈跑泉停止，中圈跑泉停止，外圈跑泉停止，延時(shí)10S后內(nèi)圈跑泉、中圈跑泉、外圈跑泉同時(shí)運(yùn)行。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)音樂(lè)噴泉系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，取決于所采用的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)。為滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)可靠

42、、穩(wěn)定運(yùn)行的要求，音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則[6]：</p><p>　?。?）系統(tǒng)硬件設(shè)備先進(jìn)可靠，技術(shù)成熟，具有連接所需的不同參數(shù)信號(hào)的功能，與現(xiàn)場(chǎng)儀表及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備的接口規(guī)范，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。</p><p>　?。?）系統(tǒng)軟件技術(shù)成熟、可靠，操作系統(tǒng)及開(kāi)發(fā)平臺(tái)版本新，功能先進(jìn)、齊全，易于維護(hù)、調(diào)試。</p><p>　　（3）應(yīng)用軟件功能完善，

43、實(shí)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。</p><p>　?。?）整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，性能可靠，使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)音樂(lè)噴泉系統(tǒng)的控制和管理。</p><p>　　音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)方案選擇</p><p>　　本次課題設(shè)計(jì)人造噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要有兩種可供選擇。</p><p>　　方案一：控制系統(tǒng)是由單片機(jī)、延遲放大電路、光電隔離電路及電磁

44、閥和變頻器組成。</p><p>　　該控制方案是通過(guò)對(duì)音樂(lè)信號(hào)的處理，將其轉(zhuǎn)換成匯編程序存入單片機(jī)，使單片機(jī)唱歌，而且在改程序之中還加入其他控制語(yǔ)句。</p><p>　　單片機(jī)還需噴泉中的電磁閥和變頻器的動(dòng)作及燈光的變化，其中電磁閥對(duì)噴頭控制原理是：預(yù)先根據(jù)設(shè)計(jì)的花形種類(lèi)和變化方式，通過(guò)對(duì)電磁閥的開(kāi)閉進(jìn)行組合，編制不同的控制字制成表存入單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行程序時(shí)，通過(guò)查表的方式去取不同

45、的花形，以達(dá)到預(yù)想的花形變化，這樣花形的變化就隨音樂(lè)的節(jié)奏而變化。同樣，單片機(jī)對(duì)變頻器的控制也與之類(lèi)似，只不過(guò)控制的編制是根據(jù)音樂(lè)的頻率進(jìn)行編制的，而且查表的方式也有所不同，因而變頻器根據(jù)所接受的信號(hào)，輸出不同的頻率值，以控制水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制噴泉管路中的流量，就可以控制水柱的高度和花形大小了。燈光和音響是由同一個(gè)口，經(jīng)過(guò)延遲放大電路后，使它們達(dá)到同步動(dòng)作，而燈光之前必須接一個(gè)固態(tài)繼電器，以驅(qū)動(dòng)燈具，并使之與單片機(jī)隔離。</

46、p><p>　　方案二：控制系統(tǒng)主要是由可編程控制器PLC系列SIMATICS7-200Micro和變頻器EM430構(gòu)成。</p><p>　　音樂(lè)分兩路輸出，一路經(jīng)功率放大器送到外部音響，另一路經(jīng)可編程控制器PLC送至變頻控制器，再經(jīng)變頻器控制水泵。由于變頻控制器范圍是5～50Hz，所以變頻器就可以改變水泵的流量，從而改變噴泉的噴水效果，充分發(fā)揮變頻調(diào)速的特點(diǎn)，它既可送入音樂(lè)信號(hào)形成音樂(lè)噴泉

47、，也可在內(nèi)存程序的指揮下做各種規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，例如：緩慢上升，急速落下；急速上升，緩慢下降；在半空中跳躍等。</p><p>　　該控制器有三路電子開(kāi)關(guān)，可直接驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，繼而控制負(fù)載設(shè)備運(yùn)行。其擴(kuò)展功能可以使變頻調(diào)速器控制的水型更具活力，當(dāng)噴泉高度隨音樂(lè)信號(hào)或程控信號(hào)增大而逐漸升高的同時(shí)，投入運(yùn)行的水下燈和水型越來(lái)越多，噴泉?jiǎng)t表現(xiàn)得越來(lái)越多彩和熱烈；當(dāng)噴泉高度隨音樂(lè)信號(hào)或程控信號(hào)減弱而逐漸降低的同時(shí)，投入運(yùn)行的

48、水下燈和水型越來(lái)越少。這樣，噴泉在音樂(lè)或程序的控制下，各色水下燈閃爍、變幻，各種水型起伏呼應(yīng)，將為音樂(lè)噴泉增加觀賞性和藝術(shù)的美感[7]。</p><p>　　兩個(gè)方案的分析比較，由于各具優(yōu)缺點(diǎn)。方案一控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，軟件程序編制靈活，花形和流量控制也很靈活，只要改變預(yù)置的花形表和速度控制表， 無(wú)須改變程序就可達(dá)到不同設(shè)計(jì)效果，而且在考慮經(jīng)濟(jì)因素時(shí)可以撤去電磁閥， 直接改變噴頭下方的球閥來(lái)組合成不同的單一花形，音樂(lè)噴

49、泉在運(yùn)行時(shí)只在花形大小和高度上發(fā)生變化。而方案二與方案一比較起來(lái)， 優(yōu)點(diǎn)在于放音效果好， 能實(shí)現(xiàn)真人真唱，一直能唱出樂(lè)曲，且控制系統(tǒng)可靠性比方案一要高，因而，通過(guò)對(duì)比分析，并考慮到音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)需要可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行要求，所以本次設(shè)計(jì)采用方案二作為音樂(lè)噴泉的控制方案。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要是對(duì)人造噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方

50、案進(jìn)行整體概述。首先對(duì)人造噴泉的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，然后分析人造噴泉的控制要求和現(xiàn)有的兩種控制方式。最后對(duì)現(xiàn)有的控制方式進(jìn)行分析比較，選擇以PLC作為控制核心的控制系統(tǒng)。</p><p>　　人造噴泉控制系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)具有控制點(diǎn)數(shù)多，實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)。根據(jù)其特點(diǎn)，其硬件采用PLC+I

51、/O擴(kuò)展模塊+模擬量輸入輸出模塊+變頻器組成。這種組成可以很好的滿(mǎn)足音樂(lè)噴泉控制的要求。還具有硬件和備件投資省，易于調(diào)試和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。噴泉控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1噴泉控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　PLC的選型</b></p><p>　　可編程控制器PLC的基本知識(shí)</p&

52、gt;<p>　　1.PLC的產(chǎn)生與發(fā)展</p><p>　　在可編程控制器出現(xiàn)前，在工業(yè)電氣控制領(lǐng)域中，繼電器控制占主導(dǎo)地位，應(yīng)用廣泛。但是電器控制系統(tǒng)存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點(diǎn)，特別是其接線復(fù)雜、不易更改，對(duì)生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性差。</p><p>　　1968年美國(guó)通用汽車(chē)公司（G.M）為了適應(yīng)汽車(chē)型號(hào)的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實(shí)現(xiàn)小批量、

53、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設(shè)計(jì)和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。于是就設(shè)想將計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大、靈活、通用性好等優(yōu)點(diǎn)與電器控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單易懂、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，制成一種通用控制裝置，而且這種裝置采用面向控制過(guò)程、面向問(wèn)題的“自然語(yǔ)言”進(jìn)行編程，使不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能很快掌握使用。</p><p>　　1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國(guó)通用汽車(chē)公司的這種要

54、求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車(chē)公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。</p><p>　　早期的可編程控制器僅有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，只是用來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器控制，通常稱(chēng)為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller ）。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代中期微處理器技術(shù)應(yīng)

55、用到PLC中，使PLC不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能。</p><p>　　20世紀(jì)80年代以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，16位和32位微處理器應(yīng)用于PLC中，使PLC得到迅速發(fā)展。PLC不僅控制功能增強(qiáng)，同時(shí)可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測(cè)更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使PLC真正成為具有邏輯控制、過(guò)

56、程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實(shí)的多功能控制器。</p><p>　　自從第一臺(tái)PLC出現(xiàn)以后，日本、德國(guó)、法國(guó)等也相繼開(kāi)始研制PLC，并得到了迅速的發(fā)展。目前，世界上有200多家PLC廠商，400多品種的PLC產(chǎn)品，按地域可分成美國(guó)、歐洲、和日本等三個(gè)流派產(chǎn)品，各流派PLC產(chǎn)品都各具特色[8]，如日本主要發(fā)展中小型PLC，其小型PLC性能先進(jìn)，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格便宜，在世界市場(chǎng)上占用重要地位。著

57、名的PLC生產(chǎn)廠家主要有美國(guó)的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（General Electric）公司，日本的三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）公司、歐姆龍（OMRON）公司，德國(guó)的AEG公司、西門(mén)子（Siemens）公司，法國(guó)的TE（Telemecanique）公司等。</p><p>　　我國(guó)的PLC研制、生產(chǎn)和應(yīng)用也發(fā)展很快，尤其在應(yīng)用方面更為突出。在20世紀(jì)

58、70年代末和80年代初，我國(guó)隨國(guó)外成套設(shè)備、專(zhuān)用設(shè)備引進(jìn)了不少?lài)?guó)外的PLC。此后，在傳統(tǒng)設(shè)備改造和新設(shè)備設(shè)計(jì)中，PLC的應(yīng)用逐年增多，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，PLC 在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平起到了巨大的作用。目前，我國(guó)不少科研單位和工廠在研制和生產(chǎn)PLC，如遼寧無(wú)線電二廠、無(wú)錫華光電子公司、上海香島電機(jī)制造公司、廈門(mén)A-B公司等。</p><p>　　從近年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，在世界范圍

59、內(nèi)PLC產(chǎn)品的產(chǎn)量、銷(xiāo)量、用量高居工業(yè)控制裝置榜首，而且市場(chǎng)需求量一直以每年15%的比率上升。PLC已成為工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的通用工業(yè)控制裝置。</p><p><b>　　可編程控制器的特點(diǎn)</b></p><p>　　2.1可靠性高、抗干擾能力</p><p>　　PLC是專(zhuān)為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中均采用了屏蔽、濾

60、波、光電隔離等有效措施，并且采用模塊式結(jié)構(gòu)，有故障迅速更換，故PLC平均無(wú)故障4h以上。日本三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障高達(dá)4h。此外，PLC還具有很強(qiáng)的自診斷功能，可以迅速方便地檢查判斷出故障，縮短檢修時(shí)間。</p><p>　　2.2編程簡(jiǎn)単，易于掌握</p><p>　　編程簡(jiǎn)単是PLC優(yōu)于微機(jī)的一大特點(diǎn)。目前大多數(shù)PLC部采用與實(shí)際電路接線圖非常相近的梯形圖編程，這種編程語(yǔ)

61、言形象直觀，易于掌握。</p><p>　　2.3功能強(qiáng)、速度快、精度高</p><p>　　PLC具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等很多功能，還能進(jìn)行D/A、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，通信聯(lián)網(wǎng)，并且運(yùn)行速度很快，精度高。</p><p><b>　　2.4通用性好</b></p><p>　　PLC品種多，檔次也多，許多PLC制成

62、模塊式，可靈活組合。</p><p>　　2.5體積小，重量輕，功能強(qiáng)，耗能低，壞境適應(yīng)性強(qiáng)，不需專(zhuān)門(mén)的機(jī)房和空調(diào)</p><p>　　從上述PLC的功能特點(diǎn)可見(jiàn)，PLC控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，在許多方面可以取代繼電接觸控制。但是，目前PLC價(jià)格還較高，高、中檔PLC使用需具有相當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)知識(shí)，且PLC制造廠家和PLC品種類(lèi)型很多，而指令系統(tǒng)和使用方法不盡相同，這給用

63、戶(hù)帶來(lái)不便。</p><p>　　3.可編程控制器的分類(lèi)</p><p>　　接結(jié)構(gòu)分類(lèi)，PLC可分為整體式和機(jī)架模塊式兩種。</p><p>　　整體式:整體式結(jié)構(gòu)的PLC，是將中央處理器、存儲(chǔ)器、電源部件、輸人和輸出部件集中配置在一起，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價(jià)格低，小型PLC常采用這種結(jié)構(gòu)，適用手工業(yè)生產(chǎn)中的_學(xué)機(jī)控制。如FX2N-32MR、S7-200等。

64、</p><p>　　機(jī)架模塊式:機(jī)架模塊式PLC，是將各部分單獨(dú)的模塊分開(kāi)，如CPU模塊、電源模塊、輸人模塊、輸出模塊等。使用時(shí)可將這些模塊分別插人機(jī)架底板的描座上，配置見(jiàn)活、方便，便于擴(kuò)展。可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的控制要求配置各種不同的模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，一般大、中型PLC西門(mén)子S7-300、S7-400采用這種結(jié)構(gòu)。圖3-2所示為西門(mén)子S7-200系列PLC外形圖。</p><p>　

65、　圖3-2西門(mén)子S7-200可編程控制器</p><p>　　接PLC的I/0點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)容量和功能來(lái)分，大體可以分為大、中、小三個(gè)等級(jí)。</p><p>　　小型PLC的I/0點(diǎn)數(shù)在120點(diǎn)以下，用戶(hù)程序存儲(chǔ)器容量為2KB，(1KB=1024B，存儲(chǔ)1個(gè)“0''或“1"的二進(jìn)制碼稱(chēng)為“1”位，一個(gè)字為16位)以下，具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，也有些小型PLC增

66、加了模擬量處理、算術(shù)運(yùn)算功能，其應(yīng)用面更廣，主要適用于對(duì)開(kāi)關(guān)量的控制，可以實(shí)現(xiàn)條件控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)控制、順序控制等。</p><p>　　中型PLC的I/0點(diǎn)數(shù)在120~512點(diǎn)之問(wèn)，用戶(hù)程序存儲(chǔ)器容量達(dá)2~8KB，具有邏輯運(yùn)算.、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)通信、模擬量輸入輸出等功能，可完成既有開(kāi)關(guān)量又有模擬量較為復(fù)雜的控制。</p><p>　　大型PLC的l/0點(diǎn)數(shù)在512點(diǎn)以上，用戶(hù)程

67、序存儲(chǔ)器容量達(dá)到8KB以上，具有數(shù)據(jù)運(yùn)算、模擬調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通情、監(jiān)稅、記最、打印等功能。能進(jìn)行中斷控制、智能控制、遠(yuǎn)程控制。在用于大規(guī)模的過(guò)程控制中，可構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，或整個(gè)工廠的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。PLC還可根據(jù)功能分為低檔機(jī)、中檔機(jī)和高檔機(jī)。</p><p>　　4.可編程控制器的應(yīng)用和發(fā)展</p><p>　　可編程控制器在國(guó)內(nèi)、外已廣泛應(yīng)用于銅鐵、石化、機(jī)械制造、汽車(chē)裝配、電力、輕紡等各

68、行各業(yè)，目前PLC主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用。</p><p>　　4.1用于開(kāi)關(guān)邏輯控制</p><p>　　這是PLC最基本的應(yīng)用。可用PLC取代傳統(tǒng)繼電接觸器控制，如機(jī)床電氣的PLC控制，也可取代順序控制，如高爐上料、電梯控制、貨物存取、運(yùn)輸、檢測(cè)等?？傊琍LC可用于單機(jī)、多機(jī)群控以及生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制。</p><p>　　4.2用于機(jī)械加工的數(shù)字控制<

69、;/p><p>　　PLC和計(jì)算機(jī)控制(CNC)裝置組合成一體，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制，組成數(shù)控機(jī)床。</p><p>　　4.3具有定時(shí)計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)處理功能</p><p>　　PLC具有定時(shí)、計(jì)數(shù)功能它為用戶(hù)提供了若干個(gè)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，并設(shè)置了定時(shí)計(jì)數(shù)指令。用戶(hù)在編程時(shí)可使用，操作起來(lái)非常方便。具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，PLC還設(shè)有四則運(yùn)算指令，可以很方便地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)

70、進(jìn)行處理。</p><p>　　4.4用于機(jī)器人控制</p><p>　　可用一臺(tái)PLC實(shí)現(xiàn)3~6軸的機(jī)器人控制。</p><p>　　4.5用于模擬量和閉壞過(guò)程控制</p><p>　　PLC還具有“模數(shù)"和“數(shù)模"轉(zhuǎn)換功能，能完成對(duì)模擬量的調(diào)節(jié)與控制，現(xiàn)代大型PLC都有PID子程序或PID模塊，可實(shí)現(xiàn)単回路、多回路的調(diào)

71、節(jié)控制。</p><p>　　4.6用于組成多級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　有些PLC采用通信技術(shù)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程I/0控制，多合PLC之間可以進(jìn)行同位能接，還可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行上位連接，接受計(jì)算機(jī)命令，并將執(zhí)行結(jié)果告訴計(jì)算機(jī)[9]。</p><p>　　可編程控制器PLC的基本工作原理</p><p>　　可編程序控器的

72、工作原理與計(jì)算機(jī)的工作原理基本上是一致的，可以簡(jiǎn)單地表述為在系統(tǒng)程序的管理下，通過(guò)運(yùn)行應(yīng)用程序完成用戶(hù)任務(wù)。但個(gè)人計(jì)算機(jī)與PLC的工作方式有所不同，計(jì)算機(jī)一般采用等待命令的工作方式。如常見(jiàn)的鍵盤(pán)掃描方式或I/0掃描方式，當(dāng)鍵盤(pán)有鍵接下或I/0口有情號(hào)輸入時(shí)則中斷轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序。而PLC在確定了工作任務(wù)、裝入了專(zhuān)用程序后成為一種專(zhuān)用機(jī)，它采用循壞掃描工作方式，系統(tǒng)工作任務(wù)管理及應(yīng)用程序執(zhí)行都是在循環(huán)掃描方式下完成的。</p>

73、<p>　　PLC的工作過(guò)程一般可分為3個(gè)主要階段：輸入采樣(輸人掃描)階段、程序執(zhí)行(執(zhí)行掃描)階段和輸出刷新(輸出掃描)階段。</p><p><b>　　1輸入采樣階段</b></p><p>　　在輸入采樣階段PLC掃描全部輸入端，讀取各開(kāi)關(guān)點(diǎn)通、斷狀態(tài)，A/D轉(zhuǎn)換值，并寫(xiě)人到寄存輸入狀態(tài)的輸入映象寄存器中存儲(chǔ)，這一過(guò)程稱(chēng)為采樣。在本工作周期內(nèi)這

74、個(gè)采樣結(jié)果的內(nèi)容不會(huì)改變，而且這個(gè)來(lái)樣結(jié)果將在PLC執(zhí)行程序時(shí)使用。</p><p><b>　　2程序執(zhí)行階段</b></p><p>　　PLC接順序?qū)τ脩?hù)程序進(jìn)行掃描，按梯形圖從左到右，從上到下逐步掃描每條程序，并根據(jù)輸入輸出(I/0)狀態(tài)及有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算“處理”，再將結(jié)果寫(xiě)入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出寄存器中保存，但這個(gè)結(jié)果在全部程序未執(zhí)行完畢之前不會(huì)送到輸出端

75、口上。</p><p><b>　　3輸出刷新階段</b></p><p>　　在所有指令執(zhí)行完畢后，把輸出寄存器中的內(nèi)容送入到寄存輸出狀態(tài)的輸出鎖存器中，再以一定方式去驅(qū)動(dòng)用戶(hù)設(shè)備，這就是輸出刷新。</p><p>　　PLC的掃描工作過(guò)程如圖3-3所示，PLC周期性的重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)階段，每重復(fù)一次的時(shí)間稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。PLC在一個(gè)周期中

76、，輸入掃描和輸出刷新的時(shí)間一般為4ms左右，而程序執(zhí)行時(shí)間可因程序的長(zhǎng)度不同而不同。PLC一掃描周期一般為40~100ms之間。</p><p>　　圖 3-3 PLC的掃描工作過(guò)程</p><p>　　PLC對(duì)用戶(hù)解的執(zhí)行過(guò)程是通過(guò)CPU周期性的循環(huán)掃描工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PLC工作的主要特點(diǎn)是輸入信號(hào)集中采樣，執(zhí)行過(guò)程集中批處理和輸出控制集中批處理。PLC的這種“串行”工作方式，可以避免

77、繼電器接觸器控制中觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問(wèn)題。這是PLC可靠性高的原因之一，但是又導(dǎo)致輸出對(duì)輸入在時(shí)間上的滯后，降低了系統(tǒng)響應(yīng)速度。</p><p><b>　　PLC的選型</b></p><p>　　選擇適當(dāng)型號(hào)的PLC是應(yīng)用設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步，在功能滿(mǎn)足要求的前提下，應(yīng)選擇最佳的性能價(jià)格比，具體考慮以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1.I/

78、O點(diǎn)數(shù)的選擇。輸入、輸出點(diǎn)數(shù)是衡量PLC規(guī)模大小的重要指標(biāo)。選擇時(shí)應(yīng)在實(shí)際使用點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上留出15%～20%的備用量[10]。</p><p>　　2.存儲(chǔ)器容量的選擇。一般小型的PLC存儲(chǔ)容量是固定的，無(wú)法隨意擴(kuò)充和調(diào)整，選購(gòu)時(shí)一定要注意，是否滿(mǎn)足要求。</p><p>　　3.PLC功能的選擇。</p><p>　　3.1對(duì)于開(kāi)關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)控制速度要求

79、不高，選用一般的低檔機(jī)就能滿(mǎn)足要求。</p><p>　　3.2對(duì)于以開(kāi)關(guān)量控制為主，帶有部分模擬量控制的應(yīng)用項(xiàng)目，應(yīng)選用帶有A/D、D/A轉(zhuǎn)換，四則運(yùn)算功能的低檔機(jī)。</p><p>　　3.3對(duì)于控制比較復(fù)雜，功能要求較高的應(yīng)用系統(tǒng)，低檔機(jī)往往不能滿(mǎn)足要求，這時(shí)可選用中型和大型的PLC組成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。</p><p>　　3.4PLC運(yùn)行速度的選擇。PL

80、C工作時(shí)，從輸入信號(hào)到輸出控制存在滯后現(xiàn)象，這對(duì)于一般的工業(yè)設(shè)備是允許的，但有些設(shè)備的實(shí)時(shí)要求較高，不能容忍這種滯后現(xiàn)象。但一般滯后時(shí)間應(yīng)控制在幾十毫秒之內(nèi)。</p><p>　　4.特殊I/O模塊的選擇。</p><p>　　選擇哪一種功能的輸入/輸出模塊和哪一種輸出形式，取決與控制系統(tǒng)中輸入/輸出系統(tǒng)的種類(lèi)、參數(shù)要求和技術(shù)要求。另外，如果控制系統(tǒng)要求進(jìn)行溫度控制、位置控制、PID控制或

81、波形控制，那么選擇合適的智能模塊會(huì)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變簡(jiǎn)單[11]。</p><p>　　5考慮對(duì)PLC通信聯(lián)網(wǎng)功能的要求。如果PLC需要與別的通信設(shè)備連接，需要考慮PLC的通信聯(lián)網(wǎng)能力。</p><p>　　考慮到上述因素，結(jié)合“體積小、價(jià)格實(shí)惠”的原則，本課題設(shè)計(jì)選用西門(mén)子S7-200型號(hào)的PLC。其特點(diǎn)如下：</p><p>　　5.1邏輯指令、功能指令豐富。有超過(guò)2

82、00條的指令，除能實(shí)現(xiàn)一般邏輯控制外，還可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、位置控制，模擬量控制，可直接控制變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制。</p><p>　　5.2CPU處理速度快。每個(gè)基本指令執(zhí)行速度為0.22μS。</p><p>　　5.3存放用戶(hù)程序的存儲(chǔ)器容量大?？捎糜趶?fù)雜控制及大數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　5.4功能強(qiáng)大的V4.0STEP7-Micro/WIN SP3編程

83、軟件。由西門(mén)子公司專(zhuān)為S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶(hù)開(kāi)發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶(hù)程序的執(zhí)行狀態(tài)。</p><p>　　6.強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能。CPU226機(jī)型有2個(gè)RS485接口，可以直接和PC機(jī)或觸摸屏相連，無(wú)需適配器[12]。</p><p><b>　　變頻器的選型</b></p><p><b&

84、gt;　　變頻器的基本原理</b></p><p>　　當(dāng)向一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中通入對(duì)稱(chēng)的三相交流電時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速n1沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以n1轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開(kāi)始是靜止的，故轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向基本一致的感應(yīng)電流。由于通電導(dǎo)體

85、在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用，所以有感應(yīng)電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中也將受到電磁力的作用，作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上的電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向是一致的，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)[13]。 </p><p>　　當(dāng)將三相異步電動(dòng)機(jī)繞組的任意兩相進(jìn)行交換時(shí)，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速被稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)磁極

86、對(duì)數(shù)和電源頻率所決定[14]。 </p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為 </p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　式中n1為同步轉(zhuǎn)速，單位r/min；</p><p>　　f1為定子電源頻率，單位HZ；</p><p><b>　　P為

87、磁極對(duì)數(shù)。</b></p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)的異步轉(zhuǎn)速為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中s為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，。</p><p>　　由式（3-2）可知，對(duì)極對(duì)數(shù)固定的異步電動(dòng)機(jī)，只需供電頻率f1或電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s中的任意一個(gè)改變就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變轉(zhuǎn)

88、差率s調(diào)速更多用在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速中，故對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)更好的辦法是改變供電頻率f1進(jìn)行調(diào)速。對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，一般情況下，轉(zhuǎn)差率s很小，由，所以可以近似地認(rèn)為，考慮到電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，并使電動(dòng)機(jī)得到充分利用，在變頻的同時(shí)，電源電壓應(yīng)根據(jù)負(fù)載性質(zhì)的不同作相應(yīng)的變化，通常希望氣隙磁通維持額定值不變，因?yàn)槿粼龃?，將使電?dòng)機(jī)磁路過(guò)分飽和，引起勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)降低；若減少，電動(dòng)機(jī)容量將得不到充分利用[15]。</p>

89、<p>　　由電動(dòng)機(jī)理論可知，三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　式中E1為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位V；</p><p>　　為每極磁通量，單位Wb；</p><p>　　N1為定子相繞組有效匝數(shù)；</p>

90、<p>　　KN1 為基波繞組系數(shù)。</p><p>　　從電動(dòng)勢(shì)公式可知，因?yàn)閁1≈E1，若要為定值，則U1必須隨頻率的變化作正比變化，即</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　式中加U1，f1表示變頻后的量。</p><p>　　另一方面，為了保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，希望變

91、頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力不變，即</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　由最大轉(zhuǎn)矩公式，并略去定子電阻R1，可以得到</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　在忽略鐵心飽和的影響時(shí)，，與頻率f1成正比，則式（3-6）又可寫(xiě)成</p&g

92、t;<p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　式中C為常數(shù)，為了保證變頻前后不變，就要求</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　即</b></p><p><b>　　(3-9)</b>

93、</p><p>　　上式說(shuō)明了在變頻調(diào)速時(shí)，為使電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力不變，電壓U1的變化規(guī)律。顯然，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因?yàn)?，由式?-9）可得，，這時(shí)既保證了電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力不變，同時(shí)又滿(mǎn)足為定值的要求，這說(shuō)明變頻調(diào)速特別適用用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。</p><p>　　這種控制又稱(chēng)為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。</p><p>　　但是，E1難于直接檢測(cè)和直接控制。當(dāng)

94、E1和f1的值較高時(shí)，定子的漏阻抗壓降相對(duì)比較小，如忽略不計(jì)，則可以近似的保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)，即認(rèn)為，保持即可，這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。</p><p>　　低頻時(shí)，U1和E1都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能再忽略。這時(shí)，可以人為的把電壓U1抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性為b線，無(wú)補(bǔ)償?shù)臑閍線。如圖3-4所示</p&

95、gt;<p>　　圖3-4 恒壓頻比控制特性</p><p>　　基頻以上的弱磁變頻調(diào)速：頻率由額定值向上增大，但電壓U1受額定電壓的限制不能再生高，只能保持變。必然會(huì)使主磁通隨著的上升而減小，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。</p><p>　　把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-

96、5 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性</p><p>　　如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于恒功率。</p><p><b>　　變頻器的選用</b></p><p>　　在電路設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮選擇合適的變頻器，變頻器

97、選擇從以下幾個(gè)方面考慮：</p><p>　　變頻器類(lèi)型：變頻器的種類(lèi)有多種，按控制方式分有：控制變頻器；轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器；矢量控制變頻器。合理選擇變頻器的類(lèi)型，應(yīng)從生產(chǎn)機(jī)械的類(lèi)型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求考慮，然后決定選用那種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是既要好用，又要經(jīng)濟(jì)，以滿(mǎn)足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求為前提。表3-1為不同類(lèi)型變頻器的主要性能、應(yīng)用場(chǎng)合：</p><

98、p>　　表3-1 不同類(lèi)型變頻器的主要性能、應(yīng)用場(chǎng)合[16]</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的人造噴泉控制系統(tǒng)中，變頻器所驅(qū)動(dòng)負(fù)載為水泵，即為泵類(lèi)負(fù)載，故選擇開(kāi)環(huán)控制。</p><p>　　2變頻器容量選擇。變頻器容量選擇主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率來(lái)選擇。采用變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，在異步電動(dòng)機(jī)確定后，通常根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的額定電流來(lái)選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值（最大

99、值）來(lái)選擇變頻器。這里又要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式具體選擇變頻器[17]。</p><p>　　2.1連續(xù)運(yùn)行的場(chǎng)合。由于變頻器供給電動(dòng)機(jī)的電流是脈動(dòng)電流，其脈動(dòng)值</p><p>　　比工頻供電時(shí)的電流要大。因此，必須將變頻器容量留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?lt;/p><p>　　通常應(yīng)使變頻器的倍電動(dòng)機(jī)的額定電流或電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流值。</p><p&

100、gt;　　2.2加、減速時(shí)變頻器容量選擇。變頻器的最大輸出轉(zhuǎn)矩是由變頻器的最大輸出電流決定的。一般情況下，對(duì)于短時(shí)間的而言，變頻器允許達(dá)到額定輸出電流的（130%～150%）。在短時(shí)間加、減速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩也可以增大；</p><p>　　2.3頻繁加、減速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)變頻器容量選擇。此時(shí)可根據(jù)加速、減速、恒速等各種運(yùn)行狀態(tài)下變頻器的電流值來(lái)確定變頻器額定輸出電流。</p><p><b>

101、;　　(3-10)</b></p><p>　　式中I1、I2為各種運(yùn)行狀態(tài)下的平均電流（A）；</p><p>　　t1、t2為各種運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)間（S）；</p><p>　　K0為安全系數(shù)（頻繁運(yùn)行時(shí)K0取1.2，一般運(yùn)行時(shí)K0取1.1）。</p><p>　　2.4電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)變頻器容量選擇。三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)啟

102、動(dòng)電流為額定電流的5～7倍，直接啟動(dòng)時(shí)可按下式選取變頻器。 </p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　式中IK為在額定電壓、額定頻率下電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的堵轉(zhuǎn)電流（A）；</p><p>　　Kg為變頻器允許的過(guò)載倍數(shù)，Kg=1.3～1.5。</p><p>　　2.5多臺(tái)電動(dòng)機(jī)共享一臺(tái)變頻器供電

103、時(shí)變頻器容量選擇。此時(shí)上述步驟2.1～2.4仍適用，但應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：</p><p>　　在電動(dòng)機(jī)總功率相等的情況下，由多臺(tái)小功率電動(dòng)機(jī)組成的一組電動(dòng)機(jī)效率，比由臺(tái)數(shù)少但電動(dòng)機(jī)功率較大的一組低。因此，兩者電流總值并不相等，可根據(jù)各組電動(dòng)機(jī)的電流總值來(lái)選擇變頻器。</p><p>　　在整定軟啟動(dòng)、軟停止時(shí)，一定要按啟動(dòng)最慢的那臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行整定。</p><p>　

104、　若有一部分電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，可按下式進(jìn)行計(jì)算：</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　式中N1為電動(dòng)機(jī)總臺(tái)數(shù)；</p><p>　　N2為直接啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)；</p><p>　　IK為電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的堵轉(zhuǎn)電流，單位（A）；</p><p>　　IN為電動(dòng)機(jī)額

105、定電流，單位（A）；</p><p>　　Kg為變頻器允許過(guò)載倍數(shù)，一般為1.3～1.5倍；</p><p>　　IINV為變頻器額定輸出電流，單位（A）。</p><p>　　多臺(tái)電動(dòng)機(jī)依次進(jìn)行直接啟動(dòng)，到最后一臺(tái)時(shí)，啟動(dòng)條件最不利。</p><p>　　本次課題設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)選用西門(mén)子MM430變頻器。</p><p&g

106、t;<b>　　變頻器的參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　變頻器常用參數(shù)介紹：</p><p>　　P0003：用戶(hù)的參數(shù)訪問(wèn)級(jí)別。缺省值為1。當(dāng)P0003=1，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)；當(dāng)P0003=2，擴(kuò)展級(jí)；當(dāng)P0003=3，專(zhuān)家級(jí)。</p><p>　　P0004：參數(shù)過(guò)濾器。P0004取值不同，基本操作面板（BOP-2）顯示的參數(shù)值將不一樣。P00

107、04=0時(shí)，無(wú)參數(shù)過(guò)濾功能，可直接訪問(wèn)參數(shù)；P0004=2，可訪問(wèn)變頻器參數(shù)；P0004=3，可訪問(wèn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)；P0004=4，可訪問(wèn)速度傳感器參數(shù)；P0004=7，可訪問(wèn)命令和數(shù)字I/O參數(shù)；P0004=8，可訪問(wèn)模擬I/O參數(shù)；P0004=10，可訪問(wèn)設(shè)定值通道和斜坡發(fā)生器參數(shù)；P0004=13，可訪問(wèn)電動(dòng)機(jī)的控制參數(shù)；P0004=20，可訪問(wèn)通訊參數(shù)；P0004=22，可訪問(wèn)PI控制器參數(shù)。</p><p>

108、;　　P0010：調(diào)試用的參數(shù)過(guò)濾器。P0010=0表示準(zhǔn)備調(diào)試，如果P0010被訪問(wèn)以后沒(méi)有設(shè)定為0，變頻器將不運(yùn)行；P0010=1表示快速調(diào)試變頻器參數(shù)；P0010=30表示恢復(fù)變頻器的缺省值[18]。</p><p>　　P0100：確定使用地區(qū)的參數(shù)，P0100=0，適用于歐洲和中國(guó)，頻率為50HZ；P0100=2，適用于北美，頻率為60HZ。</p><p>　　P0300：選擇

109、電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型。調(diào)試期間，在選擇電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型和優(yōu)化變頻器的特性時(shí)需要選定這一參數(shù)。實(shí)際使用的電動(dòng)機(jī)大多是異步電動(dòng)機(jī)。P0300=1，選定為異步電動(dòng)機(jī)；P0300=2，選定為同步電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　P0304：電動(dòng)機(jī)的額定電壓。本參數(shù)只能在P0010=1（快速調(diào)試）時(shí)進(jìn)行修改。輸入變頻器的電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)必須與電動(dòng)機(jī)的接線（星形或三角形）相一致。如果電動(dòng)機(jī)采取三角形接線，就必須輸入三角形接線的銘牌數(shù)據(jù)。<

110、;/p><p>　　P0305：電動(dòng)機(jī)的額定電流。本參數(shù)只能在P0010=1（快速調(diào)試）時(shí)進(jìn)行修改。</p><p>　　P0307：電動(dòng)機(jī)的額定功率。本參數(shù)只能在P0010=1（快速調(diào)試）時(shí)進(jìn)行修改。</p><p>　　P0308：電動(dòng)機(jī)的額定功率因數(shù)。本參數(shù)只能在P0010=1（快速調(diào)試）時(shí)進(jìn)行修改。</p><p>　　P0310：電動(dòng)機(jī)