基于PLC的音乐喷泉系统设计毕业论文(22页).doc

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1、-基于PLC的音乐喷泉系统设计毕业论文-第 19 页毕业论文（设计）题目:基于PLC的音乐喷泉系统设计学 生 姓 名： 李宏宇 指导教师： 李向军 专业名称： 自动化 所在学院： 信息工程学院 2015 年 6 月目录摘要IAbstractII第一章 前言31.1课题研究目的31.2音乐喷泉的研究现状及发展趋势31.3本课题要解决的问题3第二章 控制系统的论证及设计42.1控制系统的论证42.2控制系统的整体设计5第三章 系统信号采集及硬件的应用53.1音乐信号的采集53.2喷头的选择53.3水泵的应用53.4变频器的应用5第四章PLC程序设计方法54.1 PLC控制系统的设计原则54.2 P

2、LC控制系统的设计步骤54.3 PLC控制系统的设计方法5第五章 喷泉控制系统的设计55.1变频器的选用55.2 PLC的选用55.3 MM430变频器外部电路的设计55.4 PLC外部电路的设计55.5 PLC程序设计55.6喷泉控制系统总电路设计5第六章 结论与展望5致谢5参考文献5附录5摘要音乐喷泉在国内现在越来越流行，音乐喷泉的控制系统也有很多，有用单片机控制的，有用继电器控制的，有的用计算机控制的，但是大部分的音乐喷泉的控制系统是利用可编程逻辑控制器来控制，它不仅有处理数据的功能，还有存储功能输入输出功能，是一种非常有前景的控制装置。它能控制很多东西，比如说位置、逻辑、时间等等。本设

3、计主要依靠PLC的控制功能，通过对变频器、水泵、灯的控制，来满足人们对艺术的追求，PLC能时刻控制喷泉与音乐同步，PLC的扩展非常容易、而且编程直观接线也很容易。PLC能适应复杂的环境、而且接线简单、系统稳定等优点。通过本设计，我锻炼了很多，尤其在耐性上得到了很大的提升。 关键词：音乐喷泉，PLC，变频器AbstractMusic fountain now more and more popular in China, music fountain control system also has a lot of useful single-chip microcomputer control

4、, useful relay control, some with computer control, but most of the music fountain control system is the use of programmable logic controller to control, it not only has the function of processing data, and store input/output functions, is a very promising control device. It can control a lot of thi

5、ngs, such as location, logic, time and so on. This design mainly rely on PLC control functions, through the control of the inverter, pump, lights, to meet the people in the pursuit of art, PLC can moment control synchronization with music fountain, the expansion of the PLC is very easy and intuitive

6、 programming is also easy to wiring. PLC can adapt to the complex environment, and wiring is simple, stable system, etc. Through this design, I exercise a lot, especially in a got a lot of patience. Keyword: Music fountain, PLC, The inverter第一章 前言1.1课题研究目的 以前的音乐喷泉控制系统所用的控制方法是，把音频信号一分为二，一份给人们播放听，一份给控

7、制单元，进行对水泵的控制，用这种方法来控制音乐喷泉。该方法对于音乐喷泉来说控制容易，安装简单，但是有个很大的缺点，那就是音乐播放快，喷泉跟不上。这个问题很大的消弱了音乐喷泉的艺术效果。在中国现在有很多的音乐喷泉都是这样的，音乐与喷泉不协调，这严重阻碍了我国喷泉园林景观的发展，所以应该尽快找出解决这个问题的方法。1.2音乐喷泉的研究现状及发展趋势音乐喷泉越来越普及，现在的城市几乎每个都有音乐喷泉，因为它是一种非常有观赏价值的人造景观。这么多的喷泉，造就了喷泉成为了一种产业，它能为人们带来非常高的收益。在喷泉成为产业的同时，国内有很多人看到了商机，所以国内像雨后春笋般的涌现出喷泉设备公司和喷泉一条

8、龙服务的公司。天津的爱德华喷泉设计公司、北京的光大安装工程公司、深圳的红发设计、沈阳的腾飞园林景观功能公司、大连的福瑞喷泉有限公司等等都是国内非常顶尖级别的喷泉安装设计的公司1。就在这些公司迅速发展的同时，985、211等高校和一些专门搞园林设计的大专院校也发现了它的商机，清华大学和东北大学研究的音乐喷泉是非常好的。其实喷泉的设计好坏涉及到很多方面。例如喷头、布局、灯光的设计、水型的设计、系统的设计等等。庞大的一个音乐喷泉需要土木工程、水利工程、机械、自动化、计算机等专业的人士，共同合力完成这一个音乐喷泉。未来的音乐喷泉，应该是音乐与喷泉结合相当紧密，实时性非常高的，并且要求水型设计多样，喷泉

9、的喷头也可以变化。因此，本课题着重对音乐喷泉的控制这块进行了仔细的研究。1.3本课题要解决的问题设计一个系统响应迅速而且工作可靠的音乐喷泉系统，并且尽可能的保证音乐与喷泉的同步性，通过对整个系统的控制，就可以使喷泉随着音乐节奏变化，就好像给音乐伴舞，音乐喷泉喷出的水量一定要有乐感。让人们更好的体会到音乐的内涵。第二章 控制系统的论证及设计2.1控制系统的论证一个好的音乐喷泉，最起码要具备的功能：一、音乐播放。二、喷泉按照固定设计好的方案进行喷水。三、喷泉按照音乐的变化进行喷水。四、对照射喷泉的水灯进行控制。目前在中国最流行的音乐喷泉控制系统有4种，其中最流行、最好用的非PLC控制系统莫属，因此

10、本课题选择用可编程逻辑控制器控制喷泉，下面开始论证PLC控制系统是如何比其他的控制系统要好2。PLC现在已经应用到了各行各业，可以说该技术已经到了非常成熟的地步，而且应用非常广泛。所以越来越多的控制系统选择用PLC控制，其主要特点主要有：1、硬件可靠首先从PLC的硬件的可靠性来说，PLC选择最好的元器件、选择最先进的系统、选择最先进的工艺，并且在电路和结构上采用了独特的方法，利用了光电隔离法，用来消除外界的干扰，与此同时还方便了接地，它还利用了电磁消除法，防止射线的干扰。而且PLC采用模块化，再出现错误时方便检查，方便纠正，PLC算是一种抗震、抗扰、抗噪、适应性非常强的PLC。所以说PLC从硬

11、件角度来说非常可靠。2、软件设计PLC的软件设计可以说的是一种最简单的语言，它与C语言、C+语言、JAVA语言相比简直就是太简单了，就好像人家是高中课程，你是小学课程一样，但是虽然简单，但还是要求使用者有些语言基础。最起码的输入输出是什么得知道。目前的使用可编程逻辑控制器的百分之九十的人采用梯形图语言编程，因为该种语言是面向控制的、面向所要解决的问题的，非常容易掌握，而且梯形图这种语言和我们平时图纸上画的图非常像，大部分人都能看懂，也都非常喜欢看。用这种方法还很容易修改，方便编程，很灵活，很方便。但是稍微有点瑕疵的是，这种梯形图语言在PLC的内部有解释程序，毕竟在方便人们的同时，一定要有所付出

12、，增加了程序的时间。但是对于控制设备来说，这一丁点的时间是完全在人的接受范围内的。3、接线简单，通用性好对于接线这块来说，PLC是非常有优势的，PLC比那些靠单片机、靠继电器的方法接线简单多了，PLC仅需要把数字量信号输入设备与PLC相连，或者与PLC的扩展模块相连，然后把信号输出设备与PLC相连，这样的接线非常简单，与传统的接线方式相比，它省去了接线和拆线的麻烦，大量的节约了时间。因为这样的接线简单使PLC能随意的改变，从而使PLC得到了更广的推广，现在的PLC还会有自己检查的功能，让它更好的诊断每个模块说出现的故障,方便与人们排除问题。4、可连接网络系统PLC具有非常强大的功能，它不仅拥用

13、上述功能，它还能够与网络系统连接，它连接的这种网络分为两种3。一种是采用主从通信模式的低速网络，传速熟虑比较低，大多数为几千波特率到上万波特率，特点是传的远，最远能达到2500米，另一种是采用令牌传送通信模式的高速网络，传输速率是上一种的1000倍，特点是传的近，最远只能到达1000米，但是这两种连接网络都可以级连。而且可以兼容许多种计算机，用这种方法能组成很大的局部网络4。5、安装简单，维护方便就PLC的安装来说，因为PLC比较小巧，所以PLC的控制箱一般比继电器控制箱要小的很多，为使用者既节约了金钱有节约了空间，而且PLC非常方便改装，只要把设备的输入输出端准确的于PLC相连就可以了，而且

14、PLC应尽可能的安装在与继电器近的地方，方便传输，节约接线。在安装大型的工厂控制的PLC时，应该选一个好的地方给输入输出点，PLC一般会使用同轴电缆连接CPU，用这种方法的好处是节约空间，省钱，省线还节约资源。一般情况下，设计好线的布局，然后制造商会派出专业的人员安装。在刚开始设计PLC的时候，就充分的考虑到PLC的维护性，所以它所用的大部分的元器件都是固态的，方便维护，硬件损坏时，只要将坏的部分换成新的，如果没有新的，及时调整PLC的输入输出端，也是可以的。人们一般会用PLC自带的自诊断功能来判断PLC的好坏。也可以自己编程来判断PLC的硬件故障。PLC除了这些优点以外，还有很多优点，只要你

15、安装后，才会发现PLC还具有其他的优点，会有意想不到的作用，这个只有在你出现问题时，PLC强大的功能会全面的展现出来。2.2控制系统的整体设计本课题设计的这款音乐喷泉，它总共由4大部分组成，这4部分由里到外，由低到高。最外边的一层是通过110个喷头组成的跑泉，喷泉高度大约3米，这是第一部分。第二部分是由70个喷头组成的跑泉，喷泉的时候高度稍微比外圈高了一些大约5米左右，第三部分由两个三角形喷泉组成，这两个三角形距离中心的距离相等，他们分别由3个喷头构成，喷泉喷射的高度大约8米，本课题中也称为副水柱。第4部分由6个喷头组成的同心圆构成，喷射的高度大约12米。是该喷泉喷射高度最高的地方，在本课题称

16、它为主水柱。本课题中的音乐喷泉总共需要5台水泵，4台变频器。第一部分需要一台10千瓦的水泵和一台变频器，第二部分需要一台15千瓦的水泵和一台变频器，第三部分由两台10千瓦的水泵和一台变频器构成，第四部分由一台20千瓦的水泵和一台变频器构成。当然灯光是不能少的，如果没有了灯光，喷泉就没有了生命力，本课题中的喷泉用了4种颜色的的灯光，分别是红、绿、黄、蓝色的灯，在第一部分与第二部分中间各有16盏灯交叉放置，第二部分与第三部分中间放了12盏灯，这四种交叉放置。第三部分与第四部分中间放置了4盏灯，一种颜色一盏，四个方向颜色不同。整个音乐喷泉的平面图如图1所示。图1 音乐喷泉的平面图这一次设计的这款音乐

17、喷泉，对控制系统要求比较严格，控制功能复杂，而且要求系统能够实时控制。并且要保证控制系统的可靠性，所以采用了模块化，我设计的喷泉系统由PLC模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、变频器模块组成。这次设计的喷泉控制系统的结构图如下面的图2所示。喷头水泵变频器模拟量输出音乐灯光 放大I/O扩展PLC模拟量输入图2 喷泉控制系统的结构图喷泉的控制系统以PLC为控制核心，其流程如下，首先音乐通过音箱进行播放，然后进行音乐信号的放大和采集，采集完毕后，送入由I/O扩展模块组成的模拟量输入接口，再由I/O扩展模块送入PLC进行运算处理，PLC处理完后再将信息通过I/O扩展模块的模拟量输出口输出，输出给变频

18、器，变频器通过该信号控制水泵，水泵通过控制水的流量控制喷头，从而使喷泉具有乐感，跟音乐一起波动。与此同时PLC还控制灯光，到达灯光与喷泉相结合的艺术效果。第三章 系统信号采集及硬件的应用3.1音乐信号的采集3.1.1音乐的性质及基本乐理音乐是其中不可缺少的部分，所以音乐的知识不可缺少，音乐其实就是有规律的振动发出的音，所有的声音都是由振动产生的，听着悦耳的声音，就是比较有规律的振动，无规律的振动那个就叫做噪声。声音又分为纯音和复合音5。这个非常好理解，纯音就是特别纯正，只有一个音调，复合音就是由多个纯音组成的。声音这个东西有很多特征，其中起决定性作用的有音长、音色、音高和音强。它们分别与发声体

19、振动的频率、持续时间、振幅和频谱分布等物理量相对应5。越长的声音，振动的时间越长，越短的音振动的时间越短。音色是由发音的物体决定的，比如每个人说话的声音不一样。声音越高说明发音物体频率振动快，声音越低说明振动的频率越低。音的强弱又叫做声音的力度，音的强弱取决于振动的幅度，你振动的幅度越大，声音就越大9。反之也是这个道理。3.1.2采样定理本次设计的音乐喷泉需要实时通过音乐来控制喷泉，为了达到实时这个要求，所以就要对音乐进行采样，因为音乐是模拟信号，要求实时所以需要一种开关频率较高的脉冲进行取样，它的原理是用脉冲的幅度来表示音乐的信号的强度。在得到音乐信号后首先要进行滤波，因为音乐的频率是有一定

20、的范围的，通过高通滤波、低通滤波器把其中的干扰去掉，然后在进行信号的放大，因为我们所采集到的信号是很小的。直接给PLC,PLC也无法收到，也就无法进行运算处理。放大之后还要进行A/D转换，因为机器只能识别像二进制这样的代码，所以就需要将采集到的信号进行离散化。采样定理的提出者香农，曾经说过这样的一句话 “如果要对一个模拟信号离散时，必须要满足采样频率等于或者大于被采样信号最大的频率fm的2倍那么大才可以，这样就可以通过适当的低通滤波、高通滤波装装置，从样本值里的一串信号中完完整整地恢复出原来的信号”6。它因为这个定理很出名，后来人们为了纪念他，将这个频率又叫做香农频率。在进行采样的时候，选择频

21、率非常的重要，频率决定着周期。所以要选择一个合适的频率，根据香农定理，它一般比信号频率要高出一倍左右。3.2喷头的选择设计喷泉其中的第四部分，也就是喷泉的最中心的部分，它是整个喷泉的核心，所以这部分喷头的选择应该大号的直喷头。直喷头喷出的水量不仅多，而且要有强度，压力大，要给欣赏人一种怒放的感觉，这种喷头喷出的水奔放美丽，就像东北人属于比较豪放的感觉。这种喷头也能够改变喷射的方向。因为这种喷头要接触水，所以材质要耐水的腐蚀，还有就是承受的压力大，所以选用铸铜、和不锈钢的直喷头，如图4所示。图 4 直喷头结构图本次设计喷泉的第三部分，位于第四部分的两边，该部分的喷泉喷射的高度比第四部分的喷泉喷射

22、的高度低了4米，所以该部分喷射出的喷泉应该比第四部分的细，流量小一些，所以选择了中型号的直喷头，这种喷头也能够调节喷射的角度，它喷射的给人感觉，比较流畅，比较适中。因为这种喷头要接触水，所以材质要耐水的腐蚀，还有就是承受的压力大，所以选用铸铜、和不锈钢做喷头，如图5所示。图5 中型直喷头结构图设计喷泉的第二部分，它位于里圈跑泉的位置，跑泉是组成喷泉必不可缺少的部分，他能进行多种形状的变化，让你们感到变幻莫测，激起人们的好奇心，这种喷泉需要喷射的高度低，因为高度低，所以喷泉水柱就会粗，显得像大理石柱一样，在加上上灯光的组合，非常的壮观，非常的漂亮。并且喷射的时候能把水池中的水带出来一小部分，优点

23、像大树一样，所以这种喷泉又叫树状喷泉头。这种喷泉头的材质也是由铸铜、不锈钢组成的，如图6所示。图6 树状喷头结构图设计音乐喷泉的第一部分，它位于整个喷泉的最外层，它也是一层跑泉最外面的这组跑泉喷射的高度很低，它主要为了凸显里边喷泉的高度，显得整体有层次感，这部分选择的喷头叫做珍珠喷头，这样的喷头喷射的时候很低，就像涌泉一样。很好看，很丰满，它喷出的水柱夹有很多气体，从远处看，有点像在云间一般。该组喷头的材质也为铸铜和不锈钢，如图7所示。图7 珍珠喷头结构图3.3水泵的应用3.3.1水泵的主要性能参数及运行特点水泵在我们平时的生活中随处可见，水泵在我们的日常生活中早就成了不可缺少的一部分，大部分

24、人对水泵都不是很了解，但是对于我们搞控制的人来说，水泵必须十分的了解。水泵的性能参数有流量、扬程、功率、效率，转速，有的高级水泵还有表示汽蚀参数的能力，并且这些参数都反映了泵的整体性能，下面具体解释下各性能参数：1、流量流量就是泵体在一定的时间内所输出的液体数量，还有的用所流过的液体的重量表示，它常用的符号Q表示7。2、扬程扬程就是指在用泵的过程中，液体由进到出后所得到的能量，一般都装化为距离，扬程大的水泵，做的功就多，泵的扬程用H表示。3、功率与效率评价一个泵的好坏，最有效的就是比泵的功率和效率，泵的功率分为3种，这3种包括有效功率，轴功率，原动机功率。由泵流出的液体所获得能量，叫做有效功率

25、。一般大功率的泵都是由一台电机和一个泵头组成，电机通过轴带动泵，轴上的功率就是轴功率，电动机的功率就是原动机功率。一般要配置较大的泵，事先留出余量。效率是指有效功率与原动机效率的比值。4、转速转速就是指泵里边的轴的每分钟转的圈数，它用符号n表达，它的单位为rmin8。5、泵的并、串运行特点：只有当水泵的扬程都相同的时候，泵才能并联，泵的并联的好处是能够增加液体的流量，能节约不少时间。只有当泵的流量差不多的时候，泵才能串联，泵的串联的好处是能提高泵的总扬程，扬程大，流出的液体能量高，喷的距离远。3.3.2水泵的分类随着中国的不断发展，现在的水泵的样也越来越多，还有不少泵是专门针对某些特殊用途的专

26、用水泵。例如现在有、离心泵、水轮泵、真空泵、往复泵、罗茨泵、计量泵、等等。这些泵的名称叫法没有具体的归类，但是大致可分为两类，分为叶片式和容积式9。还有不少的是按照用途分的，例如消防泵、医用泵。现在只要你能设计出来，通过了国家的审批，就能产出一种新式的泵。就泵来说，国内的泵的种类远远超于外国的泵，但是国外的泵的质量比我们国内的泵的质量稍微好一些,也更精密一些。把泵按结构分：1、容积式容积式的水泵是利用带活塞的缸，通过来回推动活塞，使缸内的的容积交叉变化，来把液体带进来，带出去。识别这样的泵的方法很简单，这样的泵一般都有缸体。如往复泵。 2、叶片式叶片式的泵是利用叶片，带动旋转，改变气压，或者带

27、动液体转的到能量。这种泵的应用比较多，大到工业用的水泵，小到农村家水泵，都是看得见这样的叶片式泵。叶片式的泵还可以细分为很多种，离心式、轴流式、混流式等等。一般带有叶片的泵都是叶片泵。如潜水泵。3.3.3水泵的工作原理一、离心式泵的工作原理离心式的泵是通过叶片飞速的旋转，叶片被装在一个螺旋状的半封闭的空间里，随着叶片的旋转，空间里的空气别变得稀薄，这样液体就会被抽送上来，叶轮转的越快，液体流出的越快。二、轴流式泵与工作原理轴流室内泵的工作原理是利用，叶片在旋转的时候会产生一个像前的推力，就像船的螺旋桨一样。叶片的飞速旋转，产生推进力，让流体有了动能和压能。这种轴流式式的泵适用于大型的循环水泵。

28、 三、往复泵的工作原理往复泵的工作原理有点像小汽车的发动机，它一般都会有一个缸，有一个连动杆，它带动杆在缸内做往复运动。这样的一进一出，就带动液体流出了。这是一种相对简单的泵，所以在我们平时的使用中较少。 四、环式真空泵的工作原理环式真空泵在使用之前必须得灌满水，它在设计时候，故意把叶片在泵壳内装偏，当叶片旋转时，叶片也会产生离心的效果，水打在了泵壳内壁，慢慢会形成一个水环，这个水环会与叶轮相切。这个泵利用泵壳与叶轮不同心，致使泵壳内会慢慢分成两部分，一部分为一半为水，一半为真空，水被排至外边。空气的那部分会继续压制其余的水进入泵内。 五、罗茨真空泵工作原理罗茨三兄弟发明了罗茨真空泵，它还利用

29、了这个泵的原理发明了一种鼓风机，非常的有名，罗茨发明的这种真空泵，泵内有一个封闭的空间，有一对叶型转子，当这对叶型转子同方向时会把液体带进泵内，当这对转子方向相反时会把液体排除泵，罗茨泵的工作原理想法比较超前，设计独特。有很多优点，大多数情况下，罗茨泵的优点有一下几点： 1、罗茨泵不像离心泵那样，得把液体搅起来，罗茨泵的叶片直接转就能立即把液体喷射出来； 2、对被抽送的液体没有特殊的要求，应用广泛； 3、罗茨泵的转子是待在所抽的液体中所以不必润滑； 4、罗茨泵采用对称形状的叶片，所以驱动功率小，振动小，机械摩擦损失小，噪声就小； 5、罗茨泵独特的结构特点，不用排气阀，节约成，本运转维护费用低；

30、 因为罗茨泵有这么多的优点，所以罗茨泵在各行各业，像冶金业、石油化工业、电子工业都用到了罗茨泵。 六、喷射泵工作原理喷射泵属于流体动力泵，平时很少见，它一般借助另一种物体，它通常用来抽吸易燃易爆的流体，喷射泵一般由喷嘴、正空室、扩大管构成，喷射泵工作时，液体会从喷射泵告诉喷出，从而在真空室形成抵押环境，这样使液体又被吸进真空室。它一般分为水蒸气喷射泵和空气喷射泵，水蒸气的喷射泵消耗的是水蒸气的能量，空气喷射泵利用的气体，大部分情况下要有空气压缩机。3.3.4喷泉专用泵一、喷泉专用泵的工作原理喷泉专用泵是专门为喷泉设计的一款水泵，喷泉专用泵在开泵在之前，一般会要求泵内和抽水管充满水，因为喷泉一般

31、会安在水池或者胡泊里。这个比较好实现，充满液体后，电动机带动叶轮以非常快的速度旋转，泵内的液体被打在泵壁上，慢慢就会形成一个真空区，在这个真空区气压很低，外面的水池压力又很大，这样水就会被压进来，如果水泵放置的越深，压力越大，喷施的高度越高10。二、喷泉专用泵的特点1、这种喷泉泵是放在水中的，所以放腐蚀性能非常高。喷泉专用泵的外壳一般都是用不锈钢制成，外边还刷了绝缘漆。2、这种水泵是利用水面的大气压往里灌水的，具有自动进水功能。3、这种喷泉专用泵利用定电位接地的方法来防止漏电。 4、这种喷泉专用泵，因为是在水下放置，密封性要求高。 5、这种喷泉水泵冷却方法利用循环充水来解决。 三、喷泉专用泵的

32、使用条件1、喷泉专用泵全身都是在水中运行的，但是下潜的高度与泵身的材料有关，一般在0.5米和5米之间。具体情况具体分析。2、喷泉专用泵抽送的水的水温不能太高，最高耐温40度。 3、喷泉专用泵在水下工作，密封性要求高，泵外还涂有专用漆，所以要求液体PH值为6.58.5。水体含沙量低。4、喷泉专用泵对电源也有要求，要求三相电源50HZ。并且要配有相应的启动保护装置。3.4变频器的应用3.4.1变频器的工作原理变频器就是把我们平时用的50HZ的交流电变换成别的频率的电，因为目前电动机用变频方式调速的方法用的最多，所以变频器得到了很大的发展。变频器现在流行的变频方式是交-直-交方式，这里边的直流电是通

33、过整流的方法得到的。大部分的变频器由4部分构成，这4部分分别是整流模块、直流模块、逆变模块还有控制模块组成。三相交流异步电机的转速公式为：n = 60 f (1 s) / p （1）在这个式中：n表示的是三相异步电机的转速；f表示的是三相异步电机的转动频率；s表示的是三相异步电机的转差率； 由公式1可以看出，要想改变电动机的转速，有两种方法，改变电机的磁极对数，或者改变频率，磁极对数对于造好的电动机来说，很难改变，可以说磁极对数是天生的，所以我们只能从频率上下手，所以只能用调节频率的方法，变频器是调节电动机频率最不可缺少的一部分。下面简单的描述一下变频器的工作方式，第一步先把50HZ的交流电利

34、用整流桥这样的元件变为直流电，在利用全桥逆变电路转换为交流电。变频器是用可控硅做成的可调装置，这种变频器包括由4大电路组成，这4种电路是，整流电路、平波电路、控制电路和逆变电路。它的基本结构示意图如下图8。交流电整流电路直流中间电路逆变电路频率电压可调交流电控制电路图 8 变频器结构框图3.4.2变频器的分类一、 按整流出的直流性质分类用电容类型的电子元件进行能量的存储，电容一般都被当做电压源，用电压源的话，如果需要回馈能量的话，还需要其他的一个装置，需要并联一个逆变器，但是这种方法动态响应慢，但是能够被大多数的电动机所接受。它逆变后的交流电压为阶梯波而电流为正弦波，所以谐波分量大。但是又因为

35、它相当于电压源为电机供电，好处在于不用考虑换流和负载的功率因数。但是也有缺点，要是这么运行的话，容易出现短路。必须加保护装置。电抗器作为电流型的储能元件，它就相当于一个大的电流源，最为电流源最大的好处是相应迅速，不需要任何装置就能够实现回馈制动。用电流源供电可以实现电机的正向电动、反向电动、正向制动、反向制动。但是这种方法的缺点是要求换流，这样就需要装一个逆变桥，逆变桥结构相对复杂，容易产生谐波干扰。二、按开关控制方式分类利用PAM控制开关，PAM控制开关又叫做脉冲幅度调制，它是用来改变输出值和波形的的大小幅度，通过按照一定规律法则来改变的设备。利用PWM控制开关，PWM控制开关又叫做脉冲宽度

36、调制，它是用来改变输出值和波形的的大小周期，通过按照一定规律法则来改变的设备。利用SPWM控制开关，它是在PWM控制开关的升级版，这种方法利用了占空比，占空比的意思是有效脉冲占总周期的比值，其实脉冲宽度和占空比一样都是存在着一种正弦的方式。它最大的用处在我们平常生活中的是交流逆变器利用SVPWM控制开关，它又叫做空间矢量脉宽调制方式，它也是PWM控制开关的升级版，它是利用定子旋转，产生磁场。利用这个磁场带动电机转动。这里边的空间矢量是指利用平行四边形法则矢量合成后的三相定子电压。三、按交换的方式分类通过交流变直流再直流变交流的变频器是目前应用最广泛的变频器，它一共由3大部分组成，这3部分分别是

37、整流器、滤波系统和逆变器，其中的整流器一般用两种方法，其中用的较多的是用二极管构成的一个三相桥整流，但是这种方式不能全控。还有的是用晶体管组成的整流器，这种方法能全控。逆变的作用和整流器是相对的。这种变频器别名间接变频器。这种变频器的应用很广，几乎到处可见。通过交流变交流的变频器，现在也很普遍，它利用半控型器件的晶闸管组成的换流装置，直接把工频交流装换为可变频率的交流。这种变频器的优点是工作方式迅速可靠，这种变频器又叫做直接式变频器。这种变频器主回路电路简单。这种变频器大多数用在大功率的调速系统。3.4.3变频器的控制方式变频器有两种控制方式，这两种控制方式分为开环控制和闭环控制，其中的闭环控

38、制分为两种，他们分别是转差率控制和矢量控制的方法11。开环控制的方式有电压频率控制。控制转差频率方式：利用控制转差频率的方法控制变频器。要求在控制系统中能改变速度的装置，它的最主要的特点就是用速度反馈给变频器。例如单机运作就是用控制转差频率方式的方法，这种方法的好处在于响应速度非常快，而且稳定性十分的良好能够进行快速的加减速。控制矢量方式：通过控制矢量的方法来控制变频器。要明白电动机的的定子、转子之间的磁场关系，无论是是同步电动机、交流电动机、异步电动机、直流电动机，他们都可以控制转矩矢量，转矩的意思就是磁场乘以与磁场方向正交的电流12。控制电压频率 通过控制电压和频率的方法来控制变频器。就是

39、要一边获得转矩特性，一边进行调速电源的频率。用这样的方法使磁通高效。这样的变频器不叫简单，所以在稳定性和精度上有所欠缺。只有在不要求精度的场合才用该方法。第四章PLC程序设计方法4.1 PLC控制系统的设计原则一个系统的设计最关键的部分就是它的控制系统的设计，这也是一个系统的核心，PLC做为控制的核心，它的好坏将决定于整个系统13。所以在用PLC设计系统时要根据系统本身的特点和要求。而且要尽可能全面的考虑各方面的因素。提前设计好步骤，然后严格的按计划进行设计。它一般遵循的原则如下： 1、能够尽量地满足被控对象的要求。在设计前段时间，要深入调查现场并且进行研究，尽可能多的收集资料，遇到问题要多多

40、与人沟通交流，与相关的工作人员密切配合。遇到难题共同探讨、共同解决。2、在完成大部分的设计后，尽量使控制系统方便、省钱、好用。3、一定要确保PLC控制系统具有稳定性、可靠性。否则损坏器件，费时费力。4、要为以后系统的升级考虑周全，在选择PLC大小时，应提前做好有余份。控制系统尽量方便操作、省钱、好用、安全。4.2 PLC控制系统的设计步骤PLC系统控制一般设计步骤如下：1、仔细的调查和研究控制对象的所拥有的特点和控制要求。例如像被控制对象的基本方法、要做成的动作、执行的顺序，还有它的连锁方式。2、缺点用户的输入输出的接口设备，用它来确定PLC的输入输出的点数，给输入输出的端子画个接线草图。3、

41、确定被控制所需要的输入输出点数，挑选恰当的PLC类型。4、当遇到非常复杂的控制系统，首先需要画出工作流程图，这样就能以清楚的知道执行的顺序和控制要求。这样就不会出错，不会迷茫自己改做什么。5、依照工作流程图设计相应的程序，也就是普通人设计的梯形图。这是PLC控制系统设计中相对来说比较难的步骤，但也是很关键的，如果程序写不好，那么在使用的过程中也会经常的出麻烦。如果写错了为自己也找麻烦，尽量慢慢写。确保每一步的逻辑性。6、用专门的PLC编程软件，把设计好的程序放到存储器中，利用计算机对所设计的程序进行修改调试。7、等到这些工作完成以后，把设备带去现场进行调试。直到满意为止。8、编写技术说明书。4

42、.3 PLC控制系统的设计方法在PLC控制系统的设计方法中，设计PLC的程序的有很多种方法，大约有5种，他们分别是经验设计法、逻辑流程图设计法、顺序控制设计法、时序图设计法、根据继电器电路图设计梯形图3。他们其中的前三种方法经常用。1、经验设计法经验设计法就是根据你以前的设计经验，或者以前设计的题目修改过来。这种设计方法多余初学者来说是不好用的，除非是那种大神级别的人物，对与我们大部分的普通人来说，还是要脚踏实地的设计自己的程序，为自己的以后积累经验14。2、顺序控制设计法15顺序控制设计方法，第一步要弄明白整个工艺的流程，仔细的了解每部的运行顺序。第二部根据执行的顺序，画出顺序功能图，画图的

43、时候一定要确保每部都有规律的运行，不能少一部分，或者多一部分，慢慢来。画出图后，再根据顺序功能图设计出自己的梯形图。步骤特别多的控制，用顺序控制设计方法特别划算。因为这种方法特别的有规律性。3、逻辑流程图设计法16逻辑流程图设计方法第一步要画出逻辑框图，这个框图要有系统的执行过程，还要反映出输入接口与输出接口的联系。用这种方法的好处是，对整个流程有一个系统的了解，一旦某单元出现了问题，缕缕逻辑框图，就会发现其中的问题。画好逻辑框图后再根据它画出梯形图程序。第五章 喷泉控制系统的设计5.1变频器的选用变频器在本次设计中是非常重要器件，它的任务通过改变频率，从而改变电动机的转速，以此方法来改变喷泉

44、的高度。在这回设计的音乐喷泉控制系统中。需要变频器用来接收经PLC处理后的音乐大小控制信号，用变频器输出频率大小不同的交流电，来达到喷泉专用水泵的喷水状态不断变化的设计目的，最终实现喷泉喷水与音乐达到统一结合的目的。根据广场的音乐控制水柱的高度，使水柱与音乐同步，利用喷泉专用水泵控制水柱。基于喷泉控制系统十分的复杂，所以选用西门子MM430变频器来控制喷泉专用泵的转速。MM430变频器，可以用来控制喷泉专用泵的转速，非常适用于驱动变频装置。并且MM430变频器具备可控的工厂设置参数，为以后的升级改造工作，留有余地17。5.2 PLC的选用根据对音乐喷泉仔细的研究，通过对控制系统的组成、工作过程

45、的分析，还有I/O点的估算得到，音乐喷泉系统中一共续要模拟量输入点1点，需要输入扩展模块1个，模拟量输出点4点，需要输出扩展模块1个。点数不是很多，所以选择了西门子公司的S7-200系列的PLC，平时用的比较多。用起来比较方便。1、西门子S7-200 PLC系列的特点有很多，拥有丰富的指令集，可以携带多种模块，而且对环境的要求也不高。它是西门子系列单片机的基础版，好多的PLC都是PLC的升级版。2、S7-200 PLC的硬件系统16S7-200系列的PLC由三大部分组成，他们分别是主CPU模块、扩展模块和总线连接模块。下面是他们的具体介绍：（1）CPU模块该模块由3部分组成，他们分别是中央处理

46、器、供电电源、输入输出点。中央处理器主要负责运算，进行数据的处理。电源只负责为PLC供电，如果有模块加进来，请自带电源。剩余的部分输入输出点部分。（2）扩展模块当有大型的系统需要控制时，PLC自带的输入输出点数是不够的，所以需要外加一些模块，有时候还要加一些PLC没有的模块。（3）总线连接模块总线连接模块负责把PLC的每部分连接起来。3、S7-200系列的PLC放置方法S7-200系列PLC有两种系统放置方式：他们分别按面板和导轨上放置18。5.3 MM430变频器外部电路的设计1、控制系统主电路设计，设计的这个系统为了产生较小的电流，系统采用三相交流电，50HZ的频率。把电源接头与变频器的电

47、源端子相连。主电路连接见图9所示。2、变频器控制电路的连接，MM430变频器利用外部端子来控制，通过控制PLC的输出来控制变频器，让变频器正转也就是输出正向频率，控制音乐喷泉泵正转。MM430变频器的输出频率的控制，利用S7-200PLC把数字信号给模拟量输出模块，再通过模拟量输出模块，来控制变频器的输出频率。MM430变频器的控制电路连接见图9所示。图9 变频器外电路5.4 PLC外部电路的设计音乐喷泉的设计核心用S7-200 PLC控制，它在整个音乐喷泉控制系统中起重要作用。用S7-200PLC控制的作用主要有以下几个方面。S7-200PLC控制外部电路的接线框图如图10所示。一、控制音乐的播放二、当喷泉不作音乐喷泉时，控制喷泉作普通喷泉运行。三、把采集到的音乐信号换成数字量，经过运算后，由模拟量输入输出模块输出模拟电压，改变变频器的频率输出，以便控制水泵的转速。四、控制喷泉灯光的变化。图1