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（20113264 ）

指导教师李林

职称工程师

高科学院

2015 年

摘要

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

ABSTRACT

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

目录

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)

目录

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)

2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）

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

1

邓世甲：基于PLC的音乐喷泉控制系统设计

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。

2

2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）

（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。

3

邓世甲：基于PLC的音乐喷泉控制系统设计

4

2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）

5

第2章 PLC 音乐喷泉控制系统概述

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202M 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。 Y1

Y2

Y3Y4

Y5Y6Y7

Y8

Y0

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

邓世甲：基于PLC的音乐喷泉控制系统设计

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。

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

6

2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）

7

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1N FX -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。

邓世甲：基于PLC的音乐喷泉控制系统设计

8

2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）

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。

9

邓世甲：基于PLC 的音乐喷泉控制系统设计

10

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MR F N 40X 1-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0N FX 系列和2N FX 系列，另外也可和3A FX 0N —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，适用于MR F N 40X 1-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

2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）

11

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] 控制方式

U/f 开环控制U/f 闭环控制电压向量电流向量直接转矩速度控制

范围

<1：40<1：60<1：100<1：1000<1：100启动转矩

150%，在3HZ 150%，在3HZ 150%，在3HZ 250%，在3HZ 150%，在0HZ 静态转速

精度（%）

±（2～3）±（0.2～0.3）±0.2±0.02±0.2反馈装置

不要PID 调节不要编码器不要主要应用

场合泵类、风机保持压力、温

度、流量一般工业设置高精度工

业设备起重电机、电梯、轧机等设备

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；

（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1n 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1n 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

邓世甲：基于PLC 的音乐喷泉控制系统设计

12

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：

p

f 1160n = 式(3.1) 式（3.1）中 1n — 同步转矩，单位min /r ；

1f — 定子电源频率，单位HZ ；

p — 磁极对数。

异步电动机的转速为：

)1(60)1(11s p

f s n n -=

-= 式(3.2) 式（3.2）中 s — 异步电动机的转差率，11/)(n n n 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1f 或电动机的转差率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1f 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 ∝1n ∝1f ，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 φ维持额定值不变，因为若m φ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 φ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