基于PLC的小型音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉洋

摘 要：音樂噴泉作為一種人造環(huán)境工程項(xiàng)目，將音樂的美和噴泉有機(jī)的結(jié)合在一起，給人以賞心悅目的感受。隨著可編程控制器在我國的迅速發(fā)展，對音樂噴泉的控制要求也越來越高，使得越來越多的控制部分由可編程控制器來實(shí)現(xiàn)。使用PLC控制音樂噴泉，具有使用方便，運(yùn)行可靠，控制程序設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)。此論文是制作一個(gè)以小型PLC為控制核心，變頻器控制水柱高度，以音頻采集為基礎(chǔ)的小型音樂噴泉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制核心選用SIEMENS公司的S7-200 Micro PLC，水泵的控制選用MICROMASTER 420變頻器。主要包括控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及變頻器參數(shù)設(shè)置。

關(guān)鍵詞：音樂噴泉；可編程控制器；變頻器

1 PLC基礎(chǔ)

在繼電器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)的技術(shù)PLC，還借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)。PLC自產(chǎn)生至今，雖然只有30年，但今天已在該行業(yè)快速發(fā)展。PLC技術(shù)能夠高速發(fā)展，除工業(yè)自動化的客觀需求之外，主要是由于它自身還有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。具有特殊結(jié)構(gòu)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，與普通計(jì)算機(jī)相比具有更強(qiáng)的能夠與工業(yè)過程相接的接口，同時(shí)具備適用于控制要求的程序設(shè)計(jì)語言是可編程控制器實(shí)質(zhì)?？删幊炭刂破魇菍⒂?jì)算機(jī)技術(shù)和電器控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起的技術(shù)。其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：可靠性高，抗干擾性強(qiáng)；編程簡單、使用方便；易于安裝、調(diào)試、維修；功能完善，通用性強(qiáng)；體積小，能耗低。

基于PLC自身優(yōu)勢，在工業(yè)控制中倍受青睞。PLC的主要應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了幾個(gè)方面：開關(guān)量的邏輯和順序控制；模擬量控制；運(yùn)動控制；過程控制；數(shù)據(jù)處理；信號連鎖系統(tǒng)；通信及聯(lián)網(wǎng)；時(shí)間控制。

與普通微機(jī)類似，PLC亦是由硬件和軟件組成。PLC的正常地運(yùn)行只能依靠于軟件的控制。系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件為軟件系統(tǒng)的兩個(gè)部分。PLC 的基本運(yùn)行過程如下：

1）輸入處理階段：PLC把所有外部輸入電路的狀態(tài)輸入映像寄存器；

2）程序執(zhí)行：用戶程序中的指令按次序被掃描，然后依據(jù)輸入狀態(tài)和指令內(nèi)容執(zhí)行邏輯運(yùn)算；

3）輸出處理階段：根據(jù)程序執(zhí)行的結(jié)果，各輸出點(diǎn)相應(yīng)的控制信號由輸出狀態(tài)寄存器并行發(fā)出，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的邏輯控制功能。掃描周期即每執(zhí)行一遍程序所需的時(shí)間。PLC的掃描工作流程如圖1.1所示。

2 變頻器基礎(chǔ)

2.1 變頻器概述

實(shí)現(xiàn)把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電功能裝置稱為“變頻器”。變換器是電力電子裝置的電源轉(zhuǎn)換成各種頻率的交流電源來實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速電機(jī)的使用，運(yùn)動控制系統(tǒng)的功率變換器。變頻技術(shù)是一種高新技術(shù)——集自動控制，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，通訊技術(shù)于一體。變頻器具有速度快，省電，節(jié)能，可靠，高效，廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域。

2.2 變頻器的分類

（1）按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類：①PAM方式；②PWM方式；③高載波變頻率的PWM方式。

（2）按控制方式分類：①電壓/頻率控制；②轉(zhuǎn)差頻率控制；③矢量控制。

（3）按用途分類：①通用變頻器；②高性能專用變頻器；③高頻變頻器；④小型變頻器。

2.3 變頻器的工作原理以及控制方式

變頻器是把工頻電轉(zhuǎn)換為其它頻率的交流電，來適應(yīng)交流電動機(jī)變頻調(diào)速的需求。變頻器目前主要應(yīng)用的變頻方式是交-直-交方式，直流電是工頻電流經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換來的，再把由直流電轉(zhuǎn)換的頻率、電壓均可控制的交流電供給電動機(jī)。變頻器的電路有整流器、直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路4個(gè)部分組成。

交流電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： n = 60 f（1- s）/ p （公式1）

式中：n—異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；f—異步電動機(jī)的頻率；s—電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；p—電動機(jī)磁極對數(shù)。

由公式1知，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率成正比，因此改變頻率f 即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器就是利用改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，是一種理想調(diào)速方式[8]。

開環(huán)控制和閉環(huán)控制是變頻器兩種控制方式，閉環(huán)控制進(jìn)行電動機(jī)速度的反饋。開環(huán)控制有電壓/頻率控制方式，閉環(huán)控制分為轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制。

（1）電壓/頻率控制

要在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，有必要的措施來保障電動機(jī)的氣隙磁通處于高效狀態(tài)，以便獲得理想的轉(zhuǎn)矩速度特性。

（2）轉(zhuǎn)差頻率控制方式：

其適用于自動控制系統(tǒng)是因?yàn)榫哂兴俣日{(diào)節(jié)器，利用速度反饋進(jìn)行速度閉環(huán)控制，速度的靜差小。單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是轉(zhuǎn)差頻率控制方式之一。采用此方式的變頻器具有良好的穩(wěn)定性，急速的加減速特性，負(fù)載變動，響應(yīng)特性，其原因是采用了此種方式的變頻器中有電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)，對頻率和電流進(jìn)行調(diào)控。

（3）矢量控制方式：

異步電動機(jī)和直流電動機(jī)具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理是矢量控制的基本核心思想，即磁場和與其相垂直的電流的積是電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，異步電動機(jī)的定子電流是可以分為產(chǎn)生磁場的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量。若要達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，可以通過控制電動機(jī)定子電流的大小和相位，即可對電動機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行分別控制。

2.4 MICROMASTER 420概述

MICROMASTER420 為適用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器。此系列型號種類繁多，電源電壓可有單相到三相，額定功率由120W 到11KW可供選用。微處理器控制此變頻器，其功率輸出器件采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。因此，運(yùn)行可靠性較高以及實(shí)現(xiàn)多功能是其特性。電動機(jī)運(yùn)行噪聲之所以降低是因?yàn)镻WM的開關(guān)頻率可以選擇。能同時(shí)為變頻器和電動機(jī)提供良好的保護(hù)是其完備的保護(hù)功能。

3 系統(tǒng)總體介紹

PLC和變頻器主要完成了音樂噴泉的控制過程——音樂的頻率信號控制PLC；實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速變化依靠改變水泵電機(jī)的控制頻率，進(jìn)而利用水泵的轉(zhuǎn)速變化控制音樂噴泉的水柱高度變化，以上過程實(shí)現(xiàn)了音樂變化對噴泉的控制的過程。變頻器接受來自PLC處理的音樂信號，輸出頻率不同的交流電，使水泵的噴水狀態(tài)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了噴泉噴水隨音樂高低呈現(xiàn)不同的形態(tài)。同時(shí)通過PLC控制彩燈，實(shí)現(xiàn)彩燈組與音樂節(jié)奏的同步變換。

3.1 音樂噴泉組成

3.1.1 音樂噴泉水池設(shè)計(jì)

此小型音樂噴泉的設(shè)計(jì)為：噴頭分三組，外圈設(shè)有九個(gè)噴頭，中圈設(shè)有六個(gè)噴頭，這兩圈的噴水口直徑0.5mm，此兩圈噴頭由一個(gè)12W的潛水泵提供動力；內(nèi)圈只有一個(gè)中心主噴頭，采用集流直上噴頭，此噴頭噴水流量較大。在水泵大功率工作時(shí)，有壯觀的噴水直徑和高度，此直流噴頭由一個(gè)55W的潛水泵提供水壓。兩組彩燈分別安裝在外圈和中圈噴頭下，成交替閃爍的工作狀態(tài)。使音樂噴泉工作時(shí)噴水層次感明顯，視覺效果良好。噴泉水池直徑約0.8m，噴頭組最大直徑0.5m，在外圈和中圈噴頭向內(nèi)傾斜的情況下很好的防止了水池噴水造成的向外濺水。

3.1.2 控制系統(tǒng)組成

音樂噴泉的控制系統(tǒng)由音樂信號處理電路（包括F/V轉(zhuǎn)換電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號隔離電路），PLC及變頻控制電路，潛水泵和彩燈控制電路，穩(wěn)壓電源電路和音響設(shè)備組成。音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件組成部分如圖3.1所示。

1、音樂信號的處理

音樂噴泉的樂曲從CD、VCD等播放器播放，通過功率放大器，樂曲一路輸出到音箱設(shè)備，一路由A/D轉(zhuǎn)換模塊對音頻信號進(jìn)行采樣處理兩路輸出方式。

2、水型與樂曲同步的控制

水型會同樂曲播放同時(shí)演示。在樂曲之間轉(zhuǎn)換期間，水型也保持同步停止或繼續(xù)演示。為使水型與樂曲達(dá)到同步的效果，此音樂噴泉控制系統(tǒng)提供了可調(diào)整的噴泉延時(shí)程序。

3、潛水泵電動機(jī)的控制

控制器內(nèi)部的程序來控制潛水泵電動機(jī)，使每一首樂曲可從控制器中相應(yīng)的找到對應(yīng)的固定程序數(shù)據(jù)，并可以將其對應(yīng)輸出。

4、彩色燈光的控制

彩色燈光由控制器系統(tǒng)程序控制。彩色燈光會通過控制程序隨音樂的變化相應(yīng)的水下產(chǎn)生變化與動作，達(dá)到視覺與聽覺的完美統(tǒng)一，給人以精神的完美享受。

5、水型的節(jié)奏隨動控制

不同的音樂節(jié)奏同步變化呈現(xiàn)出水型的跳躍和搖擺，表現(xiàn)出音樂噴泉的視覺沖擊力。這種水型變化是通過A/D對其音頻信號采集轉(zhuǎn)換后通過對應(yīng)的程序控制，經(jīng)過變頻器對潛水泵實(shí)現(xiàn)加速和減速控制，實(shí)現(xiàn)對不同音樂信號的直觀感受。

參考文獻(xiàn)

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