音乐喷泉喷泉软件系统的设计毕业论文

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河南机电高等专科学校毕业设计说明书设计题目：音乐喷泉——喷泉软件系统的设计II 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。随着可编程控制器在我国的迅速发展，对音乐喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需要可编程控制器来实现。本课题结合任务设计书的要求，以音乐喷泉为研究对象，采用了西门子S7-300系列PLC作为喷泉的控制器。对音乐喷泉的控制系统的总体功能进行了分析，阐述了可编程控制器的组成和工作原理。提出了喷泉硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案，并对控制方式进行了设计和程序的编写。本设计改善了喷泉系统的控制品质，并真正地达到了实时控制的要求。关键词：PLC；喷泉；控制系统II FancyfountainPLCControlAbstractFancyfountaininrecentyearstheemergenceofalandscapearchitectureandfancywatchaproductofacombination.WiththeprogrammablecontrollerinChina'srapiddevelopment,fancyfountaincontrolrequirementshavebecomemoresophisticated,makingmoreandmorecontroloversomeoftheneedsprogrammablelogiccontrollertoachieve.Inthispaper,thetaskdesigndocumentrequirementstofancyfountainastheresearchobject,usingS7-300seriesPLCasthefountaincontroller.Fancyfountaincontrolsystemsfortheoverallfunctionoftheanalysis,describedthecompositionandtheprogrammablecontrollerworks.themannerandproceduresforthepreparationofthedesign.Thisdesignimprovesthefountainsystem,controlquality,andtrulyachievethereal-timecontrolrequirements.Keywords:PLC;fountain;burnermanagementsystemII 河南机电高等专科学校毕业设计说明书目录引言……………………………………………………………………………4第一章喷泉概述…………………………………………………………………31.1喷泉的意义……………………………………………………………………………51.2喷泉的发展……………………………………………………………………………61.3喷泉的种类……………………………………………………………………………71.4喷泉涉及领域…………………………………………………………………………8第二章音乐喷泉设计方案………………………………………………………92.1音乐喷泉设计示意图…………………………………………………………………92.2音乐喷泉控制要求……………………………………………………………………102.3喷泉设备使用简介……………………………………………………………………10第三章控制系统方案设计………………………………………………………153.1音乐喷泉控制系统整体设计…………………………………………………………153.2控制方案选择…………………………………………………………………………163.3变频器选择……………………………………………………………………………173.4计算机硬件系统组成…………………………………………………………………19第四章硬件电路设计……………………………………………………………204.1控制系统硬件组成……………………………………………………………………204.2PLC控制电路设计……………………………………………………………………214.3电路原理图……………………………………………………………………………224.4PLC外部接线图………………………………………………………………………24第五章软件程序流程图…………………………………………………………275.1系统整体流程图………………………………………………………………………275.2梯形图…………………………………………………………………………………27第六章调试过程…………………………………………………………………286.1硬件调试………………………………………………………………………………286.2软件调试………………………………………………………………………………28第七章总结与展望………………………………………………………………29参考文献…………………………………………………………………………30附录…………………………………………………………………………3132 河南机电高等专科学校毕业设计说明书引言在现代建筑设计中，特别是在园林建筑、旅游建筑以及其化大型公共建筑设计中，建筑师常常把自然界中的水引进设计中去，用水的艺术形态来补充和丰富人类的环境。不论是涓涓细流、平静台镜的水面，或是奔腾的瀑布、热情奔放的喷泉，都能成为建筑师创作的要素，或者形成以水景为建筑空间的景观中心，或者以水景作为建筑物的悦衬。如在设计中再巧妙地运用现代材料和雕塑艺术可以构成许多精美的环境和衬托出恰当的气氛。   常用的水景形式，主要为喷泉、瀑布、溪流、旋涡、波浪、镜池等等。可根据具体工程的自然条件（如地形、风向等），周围环境，单独采用某一水景形式或者采用几种形式的综合，以最少的能量消耗和基建投资，去获得最佳的艺术效果。同时在设计中应充分考虑管理条件、运转费用，合理确定所设计喷泉的复杂程度，否则，即使建成后，也难以长期正常运转。作为水景设计的关键专业之一的给排水专业，则应力从“水”的角度运用现代技术和设备，与其化专业密切协作来实现总的设计意图。   喷泉主要由喷水池、喷嘴、灯光照明、管道系统、水泵及控制设备等组成。近年来，将彩色的灯光、音乐与喷水的姿态结合起来，形成所谓舞蹈喷泉或音乐喷泉。喷泉与雕塑艺术结合起来则形成所谓雕塑喷泉，随着喷嘴构造形式的改变和安装位置、角度的不同，或者控制方式的变化，或者结合瀑布水景，还可形成模拟自然景观的涌泉，间歇泉、瀑布喷泉，呈现出各种喷水姿态。场地设计   建造场地和水池形状的选择通常应依据两个原则：一是整体原则。喷泉处于特定的地理、人文环境中，是环境的一个组成部分，喷泉选址和几何尺度的确定必须服从环境的整体要求。二是实用原则。喷泉在总体规划下确定主题、水池的形状及大小，以及投资规模的确定应符合实际需要。供水设计   喷泉一般都采用自循环方式。进水管的设计要求在较短时间内能充满水池。管路与水泵应贯彻结构紧骤、独立供水的原则，以便设备布局和系统的调试与控制。喷头设计   喷泉喷头一般有三种基本类型：直流式、水膜式和雾化式。不同类型喷头的排列与组合，可以构造出千姿百态的喷泉形式。灯光设计   喷泉的色彩来自两种光源，一种是水下彩色光源，另一种是水面外的投射光源。水下光源安装在喷头附近的水面下，投射光源则根据水形与流向确定其安装位置和照射方向。控制设计   喷泉系统的控制方式通常有手动控制、程序控制和音乐控制三种。手动控制喷泉缺乏变化，但成本低廉。程序控制喷泉有丰富的水形变化。音乐控制喷泉采用无级调速控制，将音乐与水形变化完美结合，同时给人们以视觉和听觉的享受。32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书第一章喷泉概述喷泉是园林、城市街道广场和公共建筑等的装饰品之一。喷泉对城市环境有多种价值，不仅能湿润周围购空气、清除尘埃，而且由于喷泉喷射U1的细小水珠与空气分子掩击，能产生出大量对人体有益的负氧离子。据对菜喷泉周围lIl定，喷水前空气中负氧离子的浓度为300个／毫升，正离子浓度为500个／毫九而喷水寸．A钟后，负氧离子浓度增加到300000个／毫升，正离子浓度增加到50000个／毫升。空气离子，尤其是负氧离子对人们的健康有良好的作用，被誉为“空气长寿素”。喷泉阅娜多姿的造型，欢快跳动的水花，还能使人振奋精执陶冶情愫，美化环境。因此，喷泉既有益于提高城市的文化艺术面貌，给人以美的享色又有益于环境保护，增进人的身心健康。随着城市现代化，文明生产及园林、旅游等事业的发展，喷泉越来越受到人们的喜玖喷泉技术也在不断地发展，各式各样的喷泉正在各地竞相出现。它比较适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取、凝聚向上的感受在商业广场、购物中心以及游泳景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。河、湖自然水面上喷水高度超过百米的高水柱喷泉，其雄伟、壮观的水造型往往成为这个城市或旅游景点的特征之一。喷泉进入了住宅小区，多与建筑小品和雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足的形式。松驰、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受。   水是生命的核心，对于人类生存而言，水是最重要的因素之一，水不仅能够满足人们基本生活的需求，而且还能提高人们身心的舒适度，由于人们对于水的依赖和亲近，从人类活动开始，人们就依水而居，从古代的城镇发展开始，人们就不断地开发水的造景功能、娱乐功能和环保功能，喷泉作为城镇建设和园林造景的一部分，是满足人们文化需求和精神需求的产品和作品。查询古今中外的建筑史，园林史，其中有许多精美的喷泉成为城市或建筑的象征，这些传世佳作保留至今，它们是美化城市的神来之笔，在美化城市、美化环境中起到了画龙点睛的作用。陶冶和启迪着后人，为今天的喷泉的发展奠定了基础。1.1音乐喷泉的意义近年来，水景的应用技术发展很快，许多技术已大量应用于实践中，水艺景观已逐渐形成相对独立的工程分支，但在工程设计实践中系统的指导理论尚不完善。水艺景观概括来说可以分为两大类：一是利用地势或土建结构，仿照天然水景观而成。如溪流、瀑布、人工湖、养鱼池、泉涌、跌水等，这些在我国传统园林中的有较多应用。二是完全依靠喷泉设备造景。各种各样的喷泉如音乐喷泉、程序控制喷泉、旱地喷泉、雾化喷泉等。这类水景是近年来才在建筑领域广泛应用的，但其发展速度很快。　　各种水景工程，一般由以下几个方面构成：土建池体、管道阀门系统、动力水泵系统、灯光照明系统等。较大的水体或对水质观感要求较高的场所，还必须有水质处理系统。随着人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，开拓了喷泉的应用范围。我们可以看到，喷泉比较适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取、凝聚向上的感受在商业广场、购物中心以及游泳景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。河、湖自然水面上喷水高度超过百米的高水柱喷泉，其雄伟、壮观的水造型往往成为这个城市或旅游景点的特征之一。32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书喷泉进入了住宅小区，多与建筑小品和雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足的形式。松驰、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受。商场内、酒楼里的喷泉小巧、别致，既调节了室内小气候，又增添了画意；依托大型建筑物和自然地形建成的人工瀑布及溢水造景给人们以清新和另有韵味的感受；喷泉的电视转播厅和大型歌舞上频频出现，调谐得当的水形烘托着演出的效果；精巧的微型喷泉进入了办公室和居室，给室内增添了动态装饰…。喷泉是艺术和技术的结合物，建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计、创作中。随着时代的发展，科技水平的提高，城市的喷泉设备已经十分先进，各种音乐喷泉、程控喷泉、激光喷泉已经层出不穷，变化多端。规模可大可小，射程可高可低，喷出的水，大者如珠，细者如雾，变化万千，引人入胜。喷泉，使静水变为动水，使水也有了灵魂，又辅之以各种灯光效果，使水体具有丰富多采的形态，可以缓冲、软化城市中“凝固的建筑物”和硬质的地面，以增加城市环境的生机，有益与身心健康并能满足视觉艺术的需要。大型城市广场中的人工动态喷泉，也多来自自然的种种水态，如瀑布、叠水、水帘、溢流、溪流、壁泉等，随着科学技术的发展进步，各种喷泉真是花样翻新、层出不穷，几乎达到了人们随心所欲创造各种晶莹剔透、绚丽多姿动态水景的程度。喷泉在当今时代，已经形成了一道独特的人文景观。1．2喷泉的发展我国喷泉的发展国内在二十世纪八十年代以前，喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细节，从设计到产品制作，工程安装都没有形成规模。只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的。二十世纪八十年以后，随着国民经济的恢复和发展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造的过程中，以及环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了求新的要求，一部分建筑、园林、水利的设计院、研究所及大专院校，综合了土建结构、给排水、机电控制等传统的专业技术，加上当时先进的单片机，通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出一批喷泉、水景。得到了良好的社会反映和社会效益。在这个时期，一些喷泉设备专业加工厂和公司开始组建、发展，为喷泉的专业化发展提供了力量，打下了基础。二十世纪九十年代以后，社会主义市场经济快速发展，全国城市建设速度加快，人们也追求高质量的文化生活和环境美。市场的需求推动了喷泉行业的发展。喷泉走出公园、园林的围墙和广场的中心，深入延伸到人们的各个社会活动场所。许多喷泉专业的生产厂商和专业公司，在这段时间内应运而生，迅速发展起来。专业技术人员把计算机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中，把喷泉行业的技术水平推上了一个新的层面，开拓了广阔的应用空间，喷泉行业得到了快速发展。200132 河南机电高等专科学校毕业设计说明书年中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会成立了水景喷泉专业委员会，行业组织为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、公司提供服务，促进喷泉行业健康有序地发展。一些大学和中专的建筑、园林专业也开设了水景、喷泉课程，为喷泉行业的今后发展提供了知识储备。喷泉行业的发展进入到一个新的阶段。1.3喷泉的种类喷泉可按控制方式和功能分为两类。1.3.1按喷泉的控制方式按喷泉的控制方式分可分为人工控制、程控与音乐控制喷泉。(1)人工控制喷泉人工控制喷泉是最原始的、最简单的喷泉，喷泉的喷高、水形、彩色都是事先设计安装好的，只要人工开启水泵、闸门就可以喷射。(2)程序控制喷泉这是一种根据设计者的意图预先编辑的程序，变换喷射水形、彩灯颜色与照射强度的喷泉，并可显示程序过程中，喷泉的工作状态与彩灯照度、水泵故障、漏电指示等工况。(3)音乐控制喷泉音乐控制喷泉是目前最先进的控制方式，喷泉的水形可以按照音乐的旋律而喷射，成为有形的音乐，故也称会唱歌喷泉。1.3.2按喷泉的功能分(1)跳泉或踩泉(2)喷雾喷泉 (3)音乐喷泉(4)时钟喷泉   张衡发明的水力机械定时器——漏水转浑天仪是世界上最早的定时器。这种定时器容积很大，一直沿用到清代，现存故宫博物院钟表馆内。14世纪中叶意大利工匠制造出机械打点钟，16世纪瑞士出现有装饰功能及保值功能的钟表，直至19世纪瑞士才有制表机械。时钟喷泉是我国对古人发明的继承与延续。   (5)旱喷泉   所谓“旱"喷泉，是指喷头、管道、彩灯、电缆、水泵等一切设备均安装在地槽内。只有在喷头出口及彩灯处留有足够的空隙，供水柱喷出。回落的水可迅速流至地槽。喷泉停止喷射时，仍然是广场，可供集会、休闲或其他集体活动。喷射时游人可穿行嬉戏于喷泉之间。这种喷泉有非常好的娱乐性和参与性，而且可维持广场的多功能性，其主要的缺点是水耗比较大，并易受地面污染，需要定期净化处理1.4喷泉涉及领域32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书1.4.1喷头它是把在压力作用下的液体（有时混有气体）通过接头进入单个或多个喷嘴，然后喷至空中的整体单元装置。1.4.2管道喷泉工程的管道宜选用不锈钢管、铜管。可采用焊接、卡压、法兰等接口方式连接。受投资条件限制时，可采用热镀锌钢管，连接方式可采用螺纹连接或法兰连接。室内水景喷泉工程和移动式水景喷泉工程在无抗冻、抗震要求时，可选用塑料管。1.4.3专用潜水泵电机性能：采用优质材料DR470、增加电机绕组的匝数及线径使水泵耐频繁起动。水力部分：采用优秀水力模型设计，使水泵流量、扬程、效率三者更为合理。结构特点：该电机为自循环充水式冷却；电缆用三相四线JHS型喷泉专用电缆；叶轮采用了防松动装置；滤网护罩采用全不锈钢材料；电改进使之更适用喷泉工程频繁起运的要求1.4.4彩灯喷泉照明一般采用水下和水上两种照明方式。水下照明一般采用LED水下彩灯，其具有高效、节能和长寿命等特点，其工作电压为12V安全电压，安装方式为固定式安装。水上照明一般采用投光灯和强光灯等机内腔定转子采用进口涂料，提高了水下电机耐腐蚀性，通过以上结喷泉工程中常用的阀门有铜球阀、截止阀、闸阀、蝶阀、快开阀、调节阀、止回阀等，对于程控喷泉、音乐喷泉、跑构。1.4.5阀门泉、跳泉等，还经常用到水下电磁阀、数控阀、液压阀或气压阀等。1.4.6特技效果传感系统在喷泉工程的一些特技效果中，经常用到一些特殊的机械和设备，如水下摇摆电机、减速机、各种摇摆机构、各种配水器、整流器等。有了这些机械和设备，喷泉水形大大提高了艺术造型的变化，提高了喷泉水景的观赏效果及艺术水平。1.4.7音响系统音响系统是音乐喷泉的音源。主要设备有音箱、功放，调音台、激励器等，我公司采用国内外知名品牌，保证音乐、水型、灯光三者高度同步。1.4.8控制系统在喷泉控制系统中，采用单片机控制原理，以可控硅作为功率开关元件，由于可控硅承受过电压、过电流的能力较差，因而不能长时间运行。但采用PLC能有效的解决这一问题，同时，PLC具有很强的自诊断功能，迅速方便的检查出故障，缩短检修时间，因而，确保控制系统的可靠性、稳定性。但成本较高。本文以喷泉控制系统为例，采用西门子300系列S7-300PLC作为主控制器。S7-300PLC系列PLC，详细介绍了系统的硬件配置、设计方案以及软件设计的顺序功能图和梯形图，并且介绍了编程中的关键问题。32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书第二章音乐喷泉设计方案2.1音乐喷泉示意图如图2—1喷泉布局图2—1本课题布局图2—1所示。图中A组喷水管，有一个喷水管该喷水管所喷出的水柱为4组喷水管最大，喷射高度为4组喷水管最高为8（m）。图中B组喷水管所处的圆上由8个喷水管组成，该组喷水管所喷出的水柱为比A组的水柱略小，所喷高度比A组的高度略底，所喷高度为6（m）。图中C组喷水管所处的圆上由20个喷水管组成，该组所喷出的水柱比B组的水柱小，所喷高度比B组水柱低，所喷高度为4（m）。图中D组喷水管所处的圆上组由30个喷水管组成，该组所喷水柱为4组中水柱最小，所喷高度最低的一组。所喷高度为2（m）。为了在每组喷水管工作时能够更好的欣赏，能区别4组所喷出的水柱，所以B组所处的圆的半径为R=2(m)，C组所处的圆的半径为R=4（m），D组所处的圆的半径为R=6（m）。本课题中A组喷头所喷的水柱最高，本课题中4组喷头所喷的水柱高度为2-8（m）。本课题的最多时有A、B、C三组喷头同时喷出水柱，最少时有两组喷头喷出水柱，所以流量为150-230（m3/h）。水质为自来水。32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书2.2音乐喷泉控制要求本控制器能充分发挥变频调速器的特点，为喷泉增光添彩。它可将来自光盘CD、VCD、DVD的音乐信号自动转换成变频调速器所要求的控制信号。输出信号与输入的音乐信号大小成线性关系，使喷泉的喷高随音乐信号大小变化，音乐、水花、彩灯融为一体，演出一场交响水诗。该控制器除以上把音频信号转化为模拟量信号，还可以在某点音频信号实行开关量输出，另外还带有音频启动信号。所以该控制器不仅能控制变频器，而且还能控制固态继电器。2.3音乐喷泉控制设备说明接线面板说明如图2—2图2—232 河南机电高等专科学校毕业设计说明书表2—1编号名称说明（1）音频放大倍数调节旋钮调节单位音频对应输出电压的大小（2）起始电压调节旋钮调节没有音频输入时的输出电压,（3）固态驱动设定电压调节旋钮固态驱动设定电压和输出电压比较,当输出电压大时,固态输出点就有输出，当输出电压小时，固态输出点截止（4）音频输入选择开关OFF时把音频输入信号切断,ON时开着音频输入信号（5）起始电压输入选择开关OFF时关掉起始电压(起始电压为0V),ON时为开启起始电压（6）频谱显示切换开关用于切换显示固态设定驱动频谱和实际输出频谱。左边固态设定输出频谱，右边为实际输出频谱（7）频谱显示显示输出频谱强度和固态设定频谱强度（8）电源指示灯有电源就亮（9）音频启动指示灯有音频信号输入就亮，确认音乐信号开始播放（10）固态输出指示灯固态输出点有输出就亮功能及动作原理如表2—11.音频放大倍数旋钮：调节单位音频的对应输出电压。如果输出电压随音频输入信号变化不大，输出电压只在很小范围内变化，则可调大放大倍数；如果在有很小的音频信号输入时输出信号就超过10V，并且启动电压不太高，那么就调小音频放大倍数。2.起始电压旋钮：起始电压是没有音频输入时，对外的输出电压。调节起始电压可以确定变频器在没有音频信号时变频器的输出频率，当有音频信号输入时变频器输出频率是此基础上的叠加。如果没有起始电压的情况下，当刚有音频信号输入时，变频器频率上升，而水泵是来不及出水的，这样音控效果就很不明显。如果加了起始电压，水泵在没有音频信号的输入情况下就有出水，当有音频信号输入时，出水量增加，音控效果就比较明显。3.固态驱动设定电压旋钮：把开关（6）选择到固态显示，（7）上显示的频谱的大小对应固态驱动设定电压大小。当输出电压大于固态驱动设定电压时，固态输出点对外输出，输出电压小于固态驱动设定电压时，固态输出点截止。用固态来实现音控时，在输入的音频信号是比较柔和的情况下，那么固态驱动设定电压就要调小一点，如果在输入的音频信号比较强烈，那么固态驱动设定电压就要调大一点。（起始电压＜固态驱动设定电压＜该音乐最大输出电压）4.音频输入选择开关：OFF时断开音频输入信号，ON时接通音频输入信号。5.起始电压开关：当为OFF的时，起始电压就为0V，ON时起始电压为起始电压旋钮选择的电压。在（4）为OFF，（6）选择到输出显示情况下，（7）显示的频谱大小对应起始电压大小。32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书6.显示切换开关：选择显示固态设定输出频谱和实时输出频谱。7.频谱显示光柱：实时显示当前音乐节奏及音乐强度+起始电压，当切换固态显示时显示当前固态驱动设定电压。8.电源指示灯：显示控制器是否通电进入待机工作状态。9.音频启动指示灯：显示是否有音频信号输入。10.固态输出指示灯：显示是否有固态输出点有输出。图2—3端子功能说明图2—3：1.本控制器将来自CD、VCD、MP3的音乐信号自动转换成变频器所要求的0-10V直流电压信号与输入的音乐信号大小成线性关系。（有3路输出）本控制器可设定起始电压，使用人员可调节起始电压来选择没有音频输入时的输出电压，而当有音频信号输入的时候输出电压是起始电压和音频对应电压的叠加。2.本控制器还带有音频启动输出功能，其中当有音频信号输入Y0和CM0端子就接通（为无源触点）。3.本控制器还带有控制固态继电器的功能，用户可调节比较电压来控制输出。这样在没变频器的的情况下，用固态继电器也可以达到音控的效果。（有继电器输出和晶体管输出，其中晶体管输出电源已提供）32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书4.接线说明如图2—4：音控喷泉固态驱动接线图2—4音控喷泉变频驱动接线图2—5说明：1.CDVCDDVD和MP3的左右声道信号直接到控制器的VL和VR，在输出信号不是圆孔的情况下可接端子VL，VR，COM。2.VF0，VF1，VF2，GND接到变频器模拟量电压输入端（如图2—5）3.Y2，Y3，Y4，分别接固态继电器的（-），V+接（+）32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书4.Y0，CM0，可以启动可编程顺序控制器等控制器来完成音乐启动的效果。技术参数表表2—2电源输入额定电压AC220V电压允许范围AC220V±10％额定频率50Hz/60Hz允许瞬间断电时间20ms以内的瞬间断电，机器继续运行电源保险丝250V3A信号输入音频信号可编程序控制器使用说明书：1.数字化输入输出、LED数码显示2.可同时控制40路各种负载3.一百步程序可任意设定循环步数4.每步时间可独立设定、最小时间0.2秒5.手动—自动双功能，自由选择6.水下灯开关可在白天一次性将水下灯关断7.输入与输出信号光电隔离，可靠性高8.五位密码锁保护，输入正确的密码才能编制或修改程序9.音乐启动程序（输出）功能，增加音乐喷泉功能32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书第三章控制系统方案设计3.1音乐喷泉控制系统整体设计一般音乐喷泉系统主要由音频控制系统、喷泉控制系统和灯光控制系统构成。 音频控制系统主要由音乐播放器、前置放大器、功率放大器、监听音箱及音柱组成，大多系统采用多媒体PC通过上位机程序播放音乐，如图3—1所示。音频控制系统示意图3—1 喷泉系统主要由喷泉控制器、变频器、水泵、多功能阀、万向喷头及供水管网组成，其中喷泉水泵目前已采用变频调速技术，实现水泵无级调速，能根据音频信号的强弱随时调节水泵速度，多功能阀及万向喷头由喷泉专用控制器控制，可根据设定程序实现各种图案和形状。 音乐喷泉控制系统集音频控制技术、程序控制技术和智能控制技术于一体的控制系统，属于一种工业现场控制系统，其上位机大多采用多媒体工业PC机组成，可实现全程实时音控，能根据乐曲旋律、节奏和音频的强弱程度控制喷泉系统，其电气控制系统主要有以下三种形式: (1)集中式控制 集中式控制系统采用放射型结构，能满足控制室离水池较近，规模较小，花型变化较少的音乐喷泉。 (2)现场总线式控制 现场总线是一种串行数据通信链路，实现喷泉现场基本控制设备与上级控制设备之间的联系，例如RS-485总线和CAN总线，现场总线式优点有:一条传输线可控制多台设备，控制系统简单，安装和维护容易;采用数字通信技术，抗干扰性强，精度高;控制功能分散到喷泉现场，提高了电控系统的可靠性和灵活性。 (3)网络现场总线式控制 网络现场总线结构与现场总线相似，性能更优越于后者，网络现场总线属于分布式控制系统，电控系统运行速度更快，达到音乐喷泉实时控制32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书的要求，稳定性也更好;网络连接结构种类很多，能同时支持总线型和放射型，可采用混合结构;网络现场总线与现场总线主要差别是前者采用专用网络操作系统，实现网络上各个设备之间的相互操作。 此外音乐喷泉系统包括灯光控制系统，在此不再详细叙述，由上可见音乐喷泉控制系统是集声、光、电于一体的复杂的现场控制系统。3.2控制方案选择本课题设计的音乐喷泉要求运行速度准确度高，在音乐喷泉的格层检测系统中选用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给plc来实现控制。由于本课题目具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了花式喷泉的经济实用、稳定、灵活、美观的需要。主控制器方案分析：方案1：使用单片机控制音乐喷泉方案2：使用S7-300PLC控制音乐喷泉自20世纪60年代中期以来PLC产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近20年来计算机和信息技术的飞速发展,不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格,使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足的进步,也使PLC的广泛应用成为可能。PLC的优点很多，主要包括：编程方法简单易学；功能强、性能价格比高；硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强；可靠性高、抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量低、维修方便；体积小、能耗低等。而且PLC在各个工业部门的应用范围都得到了扩展。此方案采用西门子300系列PLC作为主控制器。S7-300PLC是中型的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-300PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-300PLC可提多种CPU可供选择使用，并且体积小，功能强、可靠性高，灵活性强和可扩展性的特点通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关，就可以改变花式喷泉的喷水规律，从而变化出很多花样，同时，PLC具有很强的自诊断功能，迅速方便的检查出故障，缩短检修时间，因而确保控制系统的可靠性，稳定性。采用PLC控制花式喷泉的优点（1）控制方式上看：PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。（2）工作方式看：PLC串行工作，不受制约。（3）控制速度上看：PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而五抖动一说。32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书（4）定时、计数看：PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有记忆功能。（5）可靠、维护看：PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。3.3变频器选择随着变频调速技术的不断推广，风机水泵专用变频器已被广泛用于水泵及风机负载，音乐喷泉系统中需要采用大量的水泵来控制喷泉循环水，根据水泵工作特性知道泵的流量与泵转速成比例关系，通过调节水泵转速可直接控制水泵的流量，在音乐喷泉系统需要实现喷泉水量实时调节，因而变频调速技术更适合在音乐喷泉系统使用，此外根据水泵特性知道，采用变频调速技术具有一定的节能效果，这也是变频器在音乐喷泉控制系统得推广应用的原因。 以某广场音乐喷泉系统为例，其电气控制系统主要由上位机、音频放大系统、喷泉跑泉电脑控制器、变频器及各种电磁阀构成，如图3—2所示。  音乐喷泉控制系统示意图3—2音乐喷泉专用变频器的应用，选用康沃CVF-P2-4T0370和CVF-P2-4T0150音乐喷泉专用变频器，其变频器控制图如下图3—3所示。32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书 音乐喷泉变频器控制图3—3调试注意事项，音乐喷泉系统是个集音乐、灯光、喷泉于一体的系统，其电气控制系统相对比较复杂，在调试时容易出现以下问题:(1)音频信号干扰问题 从变频器工作原理知道，当变频器运行时其输入输出侧会产生高次谐波，此谐波信号通过传导、辐射、耦合等方式对其它设备产生干扰，如图3—4所示。    图3—4变频器干扰信号主要途径 音乐喷泉系统中谐波干扰信号会经过音频放大系统32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书放大后，形成刺耳的噪音并影响音乐的播放。调试时若遇到这种情况可采取以下措施:降低变频器载波频率;变频器可靠接地，接地线采用线径较粗的线，并且接地点与变频器距离要尽量短;变频器输入、输出动力线尽量远离音频信号线和控制线，不要将动力线与控制线走在同一线槽中;音频信号放大系统的电源尽可能与变频器供电电源隔离等。(2)变频器跳保护问题 喷泉水泵需随音频信号的强弱随时调节转速，这就要求变频器响应速度快，在系统调试时应注意变频器选型及参数调节，一般情况一台音乐喷泉变频器要求控制多台水泵，在选用时首先应保证变频器的功能大于水泵功能总和，并至少预留10%的余量，在变频器参数设定方面，变频器的加减速时间尽量短，但加减时间过短容易出现过电流保护，在调试时应特别注意，目前大多变频器具有故障自恢复功能，在调试可将此功能打开，以避免误信号引起变频器报警停机。3.4计算机系统硬件组成　　为实现音乐喷泉系统的计算机控制，设计的计算机接口电路如图所示。音频输入、输出信号和变压控制信号经过A/D，D/A数据板进出计算机。接口板提供10路单控制终端的数据采集通道。其性能达到±0.03%的精度和12位的分辩率。此外，此板还带有5个12位分辩率的模拟输出通道，可插入计算机扩展槽，直接与PC总线交换数据。根据实际工程中的控制点数设计D/D通道，其中包括光电隔离器件和保护电路。本研究中使用中断来处理数据采集和实时控制。选用的计算机为386工控机。变频调速技术是针对固定工频而采取的高效节能措施，工频（50Hz）是发电的最佳频率，但它并非是所有用电设备的最佳工作频率，因而导致许多设备长期处于低频率、低功率引述运行状态。占全国耗电2/3的交流电动机目前大多数还在工频、恒速下运动，运行效率只有60%左右。为了提高效率，所以在本设计中用到变频器。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交——直——交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。整流部分为三桥式不可控整流器，逆变比分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器选型时要确定以下几点：（1）采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。（2）变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书（3）变频器与负载的匹配问题：1.电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。2.电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。3.转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生。在使用变频器驱动告诉电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流地阿牛值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样的情况下，变频器容量要更大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器的容量要放大一档。本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水的高度。我选用的是FR-S520（E）系列变频调速器。其实物图如图3—5变频调速器3—532 河南机电高等专科学校毕业设计说明书第四章硬件电路设计4.1控制系统硬件组成为实现音乐喷泉系统的计算机控制，设计的计算机接口电路如图4—1所示。音频输入、输出信号和变压控制信号经过A/D，D/A数据板进出计算机。接口板提供10路单控制终端的数据采集通道。其性能达到±0.03%的精度和12位的分辩率。此外，此板还带有5个12位分辩率的模拟输出通道，可插入计算机扩展槽，直接与PC总线交换数据。根据实际工程中的控制点数设计D/D通道，其中包括光电隔离器件和保护电路。本研究中使用中断来处理数据采集和实时控制。选用的计算机为386工控机。图4—1音乐喷泉的图案是三个圆圈，分外、中、内三个圈，外圈由第一台水泵控制，中圈由第二台水泵控制，内圈由第三台水泵控制。当变频器一接通电源后，第一台水泵以低频率开始工作，以水刚冒出喷嘴为宜。当音乐响起时，KA1闭合后，外圈的喷嘴开始喷水以及第一组彩灯开始闪烁。随音乐信号增强时，KA4闭合后，KM2得电并自锁，第二台水泵在第一台水泵的基础上开始运行，外圈和中圈的喷嘴都开始工作，以及第一、二组的彩灯开始闪烁。当KA4断开时，第二台水泵随第一台水泵继续工作，但第二组彩灯停止工作。当音乐到达高潮时，KA6接通时，KM3得电并自锁，第三台水泵在第一、二台水泵的基础上开始运转，所有的喷嘴和彩灯都开始工作及闪烁。当KA6断开时，第三台水泵随第一、二台水泵继续工作，但第三组彩灯停止工作。该音乐喷泉的高度随音乐信号的增强而逐渐升高的同时，投入运行的水下灯和水型也就越来越多，喷泉则表现得越来越多彩和热烈，当音乐喷泉高度随音乐信号减弱而逐渐降低的同时，投入运行的水下灯和水型也就越少。这样，喷泉在音乐和程序的控制下，各式各样的水下灯闪烁、变幻，以及各种水型的起伏呼应，这样就为音乐喷泉增加观赏性和无限的艺术美感。4.2PLC控制电路设计1、按下SB1→X0动作→Y10动作→接触器KM得电并动作→变频器接通电源2、按下SB2→X1动作→Y0释放→接触器KM失电→变频器切断电源3、按下SB3→X2动作→Y5动作→STF工作并自锁→系统开始加速运行4、按下SB4→X3动作→Y4释放→STF解除自锁→系统开始减速停止5、当KA1接通→X5动作→Y3动作→RH端子接通→系统以第一档速运行32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书6、当KA2接通→X6动作→Y2动作→RM端子接通→系统以第二档速运行7、当KA3接通→X7动作→Y1动作→RL端子接通→系统以每三档速运行8、当KA4接通→X10动作→Y1和Y2动作→RL和RM接通→系统以第四档速运行9、当KA5接通→X11动作→Y1和Y3动作→RL和RM接通→系统以第五档速运行。10、当KA6接通→X12动作→Y2和Y3动作→RM和RH接通→系统以第六档速运行。11、当KA7接通→X13动作→Y1、Y2、Y3动作→RL、RM及RH接通→系统以第七档速运行12、当X5动作→Y14动作→第一组彩灯亮并闪烁13、当X10动作→KM2线圈得电并自锁及Y14和Y15动作→第一、二组彩灯同时亮并闪烁及第二台水泵运14、当X12动作→KM3线圈得电并自锁及Y14、Y15和Y16动作→三组彩灯同时亮并闪烁及第三台水泵运转15、当变频器报警输出A和B接通→X14动作→Y10释放→接触器KM1失电→变频器切断电源16、X14动作→Y11和Y12动作→蜂鸣器HA发声，指示灯HL亮，进行声光报警17、故障排除后，按下SB5→X4动作→Y0动作→变频器的RES端接通→变频器复位4.3电气原理图4—232 河南机电高等专科学校毕业设计说明书图4—232 河南机电高等专科学校毕业设计说明书4.4PLC外部接线图4—3图4—332 河南机电高等专科学校毕业设计说明书人工喷泉硬件接线图4—432 河南机电高等专科学校毕业设计说明书4.4.1I/O分配表如图表4—1输入I/O分配表4—1序号输入说明1X0停止说明2X1启动按钮3X2选择开关1的位置4X3选择开关2的位置5X4选择开关3的位置6X5灯控按钮输入I/O分配表4—2序号输出说明1Y0电源指示2Y1控制1管喷水3Y2控制2管喷水4Y3控制3管喷水5Y4控制4管喷水6红色灯红色灯7Y6黄色灯8Y7绿色灯9Y8中速10Y9慢速11Y10正转32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书第五章软件程序流程图梯形图时使用的最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计成为编程。5.1系统流程图系统流程图5.2喷泉控制系统的设计程序（附录一）32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书第六章调试过程6.1硬件调试1.拿到PCB裸板时，检查加工的怎么样，测量一下电源地有没有短路的。2.焊接上电源芯片，通上电源，把电源调通，看看电压是不是都正常，波系数是否超标。3.焊上主控制器芯片（微处理器），及其相关最小外围电路，jtag调试，口，ram，rom，就是先让最小系统跑起来。如果jtag都是好的，写个hello，world看看cpu内核能部不能工作，调试外部的ram，rom。1.测量电压2.测量晶振（体）是否起振，注意晶体的输出幅值比较小，晶振则和其电压相差不大3.用无水酒精把板子擦洗一遍，应为在调试的过程中某些管脚总会搞进点污秽，引起短路，这个方法解决了我碰到过的大约40%左右的板子突然罢工。4.尝试降低频率。首先拿到打样的PCB板时，不急着焊元件，检查下PCB，有时候PCB本身就短路或开路，特别是电源部分，其次调试时最好是一步步来（不要一次把所有元件全焊上），焊一部份调一部份。这样可以减少不必要的工作量，达到事半功倍的效果。先调电源，电源没有问题了，再往下调。然后再调CUP的硬件部份，复位电压，晶振，CUP电压，地，及周围IC的电源，地。确认没有问题后，基本可以确认硬件没有什么大问题，接着通电进行整机调式，看看工作的状态是否与你理解的一样。如果出现问题，那对照原理，按信号一级一级查看，有些莫名其妙的问题，那就查查通信方面是不是存在什么干扰，CLOCK是否正确，等等。6.2软件调试将程序写入计算机，看其是否能完成预定的功能，如能测试通过；否则，修改并反复测试知道通过。在软件的调试过程中，综合利用设定断点、单步、等调试手段，使得调试工作更宜进行。每个模块调试成功，在编译连接程序，进行整个程序调试运行。32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书第七章致谢本系统主要以可编程控制器PLC和变频器的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器和变频器控制音乐喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当喷泉的功能增加时，只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少，调试结果表明，在适应性、灵活性、精确性和可靠性方面，都达到了设计要求，表明该设计方案是可行的。在设计过程中，我们根据学校老师的要求，做到理论必须与实际相结合，虽然在理论上能满足要求，但是实际应用中却不一样，只有做到多分析多修改，才能设计出达到控制要求的系统毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的能力，懂得了许多经验是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。此外，我要感谢我们的指导老师！感谢他们在这个毕业设计过程中对我们的种种帮助和支持。32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书参考文献［1］郭艳萍，李晓波。PLC在花式喷泉中的应用［J］漯河职业技术学院学报（综合版）.2003［2］廖常初.可编程控制器应用技术（第四版）.重庆大学出版社.2005［3］张玉华陈金艳贾玉芬。可编程控制器原理及应用（三菱机型）（［M］.北京大学出版社，2009。［4］殷培峰.基于PLC喷泉控制系统的设计与应用［J］.兰州石化职业技术学院学报2006，6［5］孙康岭.电气控制与PLC应用［M］。北京：化学工业出版社2009.［6］郁汉琪1机床电器及可编程控制器实验、课程设计指导书［M］北京：电子工业出版社，2002［7］日本三菱公司。FX系列PLC编程手册［Z］.1999［8］李胜多，张还编著，可编程序控制器原理及逻辑控制，中国电子出版社，2008［9］陈在平，赵相宾主编，可编程控制器（PLC）系统设计，电子工业出版社，2007［10］李发海，朱东起。电机学（第四版），科学出版社，2007［11］lequocs.Designofelectrohydraulicforcloadingsystem［J］.SAEM,joumalofcommercialvehicles，1994［12］MITSUBISHIprogrammablecontrolleroperationsmanual.200132 河南机电高等专科学校毕业设计说明书附录一32 河南机电高等专科学校毕业设计说明书32