基于PLC的水幕电影和音乐喷泉控制系统设计

基于PLC的水幕电影和音乐喷泉控制系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 湖 北 民 族 学 院 基于PLC的水幕电影和音乐喷泉控制系统设计 学生姓名: 李 微 娜 学 号: 030840508 系 别: 电气工程系 专 业:电气工程及其自动化 指导教师: 李 绍 武 评阅教师: 论文答辩日期 答辩委员会主席 摘 要 进入21世纪以来，随着国民经济的发展和人民生活水平逐步提高，人们也越来越注重居住环境的舒适和美观。在这样一种背景下，各种音乐喷泉系统逐渐被推广和应用。与此同时，从外国引进的水幕电影技术也开始逐渐走进人们的生活。本文以PLC为控制中心，实现对音乐喷泉和水幕电影的同步控制。设计思路主要为借用采集到的有源音箱扬声器的信号，使喷泉与音乐同步，利用PLC及变频技术实现了喷泉组样式及快慢的控制。此外，考虑到大型水幕电影耗资巨大，本文主要针对适合小型演出的水帘型水幕电影的控制进行设计。通过实验，此系统喷泉部分具有较好的时间及音乐同步性，可以很好地实现声、光、水的结合;水幕电影部分，降低了成本，具有相对广阔的应用前景。 关键词:PLC，音乐喷泉，水幕电影，控制系统 2 Abstract In the 21 century, along with the development of national economy and the people's living level gradually improve, people pay more and more attention to the living environment is comfortable and beautiful.In this kind of background, all kinds of music fountain system is gradually popularized and applied.At the same time, from the water curtain of foreign film technology too is gradually came into the life of people.This paper uses PLC to control center, and to realize the music fountain and the water curtain movie synchronous control.Design thought mainly for use the collected active speakers speaker of the signal, make fountain and music synchronization, use of PLC and inverter technology to achieve the fountain and the speed of the control group style.Moreover, given the large the water curtain movie costly, this article mainly aims at the curtains of water for performing small type the water curtain movie the control of the design.Through the experiment, the system has a good time of fountain and music synchronicities, can well realize sound, light, water combination;The water curtain movie part, reduce the cost and has relatively broad application prospects. Keywords: PLC, music fountain, water curtain movie, control system 3 1 绪言 喷泉和水幕电影均是将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。 [1]喷泉景观概括来说可以分为两大类: 1、因地制宜，根据现场地形结构，仿照天然水景制作而成; 2、完全依靠喷泉设备人工造景。 [2]而水幕电影根据其规模大小可分为: 1、水帘型; 2、大型水幕; 3、水面型。 喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。园林中的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。 随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在许多城市的市民广场、文艺晚会中里都能看到水幕电影的身影。随着科学技术突飞猛进的发展，在水幕电影中采用的主要是从国外的高新技术，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有种愉悦的感受。 1.1 课题背景 社会的发展和进步，使人们对生活环境的要求较从前有很大提高。在当今社会，人工音乐喷泉，它集光、色、音于一身，给人以美感。并且随着经济的快速发展，耗资巨大的水幕电影也逐渐走进人们的生活。 在喷泉得到广泛应用的过程中，也出现了一些问题和不足，有些认识上的误区和不良倾向应该引起人们的重视。否则将对喷泉行业的健康发展产生负面影响。 (1)方案设计上的盲目性，往往导致作品成为败笔，使作品难于长久存在。 (2)细部设计的不合理直接影响作品效果。 (3)质次价高的伪劣产品直接影响着有关厂商和公司的信誉。 (4)节能、节水、环保问题应引起足够的重视。 喷泉的水造型是通过细部设计来实现的，机、泵、管、阀门、喷头的合理选配，直接影响着喷水效果。有些喷泉的设计，只注意了流量、工作压力等技术指标，忽视了流 4 态效果这个重要因素，水造型效果差。例如:成功的超高水柱密实段长，破裂段和雾化段短，水柱直径和喷水高度比例合适，抗风能力强，喷水效果挺拔、雄伟。而目前的一些超高水柱，水柱密实段短，破裂段和雾化段长，水柱直径与喷水高度相比显得细小单薄，抗风能力差，水柱很容易被吹散飘移，这就是有关参数选配不合理所致。在整体水造型的组合效果上也存在差类似的问题。细部设计不合理，是技术经济指标差的表现，需要在设计阶段给予解决。 各种水幕电影中，小型的垂直水帘，或许成本最低，但是成像范围过小，意义不大。最大型的，新加坡的，固定的水幕景观电影，据悉投入超过1.3亿新加坡币;国内不定期举办的，中型水幕景观，一般投入在2000万元人民币以上;大型的、单一的、激光效果的水幕表演，据悉投入也在1000万元以上。水幕工作时的电费、水费、场地费、人员费用等如同烧钱，而且后期维护成本甚高。并且水幕电影只能在场地非常开阔的，室外区域举行，水池、湖面、河边、江边、海边，或能提供极好供水、排水系统的广场[3]等。 然而，无论是音乐喷泉还是水幕电影，其控制系统都存在着不可忽视的不足之处。传统的喷泉控制一旦设计好控制电路，就不能随意改变喷水花样及喷水时间。而水幕电影则具有成本太高，和受场地限制的缺陷。 喷泉的控制系统可采用单片机，可编程序控制器，甚至可采用工控机作控制核心。水幕电影也可用三种方法进行控制:编程控制、直接控制和实用程序控制。 若采用PLC控制，利用PLC体积小、功能强、可靠性高，且具有较大的灵活性和可扩展性的特点，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，从而不需要改变硬件就可变换出各式花样，适合应用于大型广场或景区的喷泉中。将小型水幕电影(如水帘型)的技术进行完善，降低成本，扩大可以应用的范围。 1.2 课题研究的目的及意义 1.2.1 应用前景 随着音乐喷泉市场的需求越来越大，国内外关于音乐喷泉的研究与开发工作也蒸蒸日上。如今，人们对喷泉的追求主要有一下几个方面: 1、大型化，譬如首尔“巨型喷泉”盘浦大桥给这座大桥带来了全新的惊喜; 2、智能化，随着生活节奏的加快，人们对智能化的追求越发强烈; 3、小型化，随着人们对住宅小区及别墅的环境的要求的提高，小型化喷泉已成为 5 音乐喷泉发展的一个方向; 4、融入环境方向，譬如北京奥运村的喷泉给游客带来的视觉冲击。 1.2.2 科学意义 采用PLC控制，可使控制系统具有更大的灵活性，有效解决单片机控制不稳定的问题，提高了系统运行的可靠性。此外，PLC的定时功能、计数功能、步进功能，可灵活编写、增减和修改程序。利用PLC体积小、功能强、可靠性高，且具有较大的灵活 [4]性和可扩展性的特点，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，从而不需要改变硬件就可以变换出合适花样。而且，PLC还具有强大的自诊断功能，可以迅速方便的检查判断出故障，缩短检修时间，也不需要很多的外围设备和大量复杂的界限，可以缩短设计、施工和投产周期。 1.2.3 理论价值 随着计算机硬件技术的飞速发展，新型喷泉与计算机的交互应用越来越广泛，音乐喷泉也越来越精密，使得越来越多的控制部分需要计算机来完成。计算机控制灯光喷泉成为必然趋势。因此，建立以PLC为核心的多媒体计算机音乐控制喷泉，采用基于组态程序的计算机控制系统来监控音乐、灯光、流水的变化，以获得较理想的效果。 1.3 国内外研究的现状 自古以来, 喷泉水景在我国园林建造中应用广泛, 然而就其技术而言, 一般系利用地形之高差或自然之水压, 而形成镜池、溪流、涌泉、壁流、瀑布等, 景观形式较为单一。十多年来, 国外喷泉技术装备大量进入国门, 国内也建立了许多喷泉器材生产厂。八十年代中期, 深圳、佛山、上海等地相继建成了用微机控制的彩色音乐喷泉, 其奇异的景观, 声、光、景三者的相互协调和同步变化, 令人耳目一新, 给人以视听上的高度享受。随着国民经济的高速发展及人民生活的普遍提高, 喷泉水景已逐步成为美化城市改善环境的重要手段。 1.3.1 国内现状 喷泉的控制技术是喷泉的重要组成部分，经历了声控、程控到微机控制的发展过程。目前，生产喷泉器材的工厂在控制方面一般与科研机构、大专院校相结合，使我国自行设计建造的花样喷泉开始采用微机控制技术，进入电脑彩色音乐喷泉的初级阶段。为了适应喷泉工程建设的需要，国内出现了众多的喷泉设备厂和喷泉设计专业公司，国内较著名的喷泉公司有天津市大德喷泉技术有限公司、北京金瀑布环境艺术有限公司、 6 深圳市水体艺术设计有限公司等十几家专业公司。喷泉与激光造影技术的结合则是我国在喷泉技术上的一项创举，这也是水幕电影的技术基础。目前，国内的花样喷泉逐渐向智能化、分散化、综合化、多样化的方向发展，于是对喷泉控制系统的设计也提出了更高的要求。 1.3.2 国外现状 在国际上，由于现在大多数喷泉使用单位对音乐喷泉的要求越来越高，他们想让喷泉具备更多的变化手段或表现形式，所以有越来越多的用户或者需要根据自己的喜好;或者对音乐喷泉控制程序进行进一步研发和应用;或者抱着游戏的态度对喷泉本身的水形变化根据音乐信号的特征进行有目的或随机的编排。这就要求音乐喷泉控制系统中的组态软件、PLC编程软件、网络通讯架构和变频器必须具备“宏指令编辑功能”(即在组态界面专门开辟出的编辑菜单或子程序内填写相应的数据后存储形成新的控制程序)、开放式编程环境(即可以在线或离线编制与主控制程序相适应的符合国际标准的开放式程序写入到组态软件和PLC程序内形成新的控制程序)和快速稳定可靠的网络通讯功能。 1.4 论文的主要内容 本文根据生活当中出现的一些情况，以音乐喷泉和水幕电影为研究对象，结合了大量资料及文献，研究两者基于PLC的控制问题，整理出一套可行性较高的控制系统。 本系统的研究内容主要包括: 1、音乐喷泉和水幕电影的发展情况，及所存在的一系列问题; 2、控制系统的组成; 3、音乐喷泉的控制和硬件配置; 4、水幕电影的控制和硬件配置; 5、程序的设计，再并通过仿真软件来实现。 在设计当中，考虑到喷泉中，一部分需要随音频起伏而发生变化，一部分则不需要发生变化，因此喷头需要分为两部分来分别控制。前一部分通过变频器控制水泵频率变化达到形成不同花型的效果，后一部分则直接经由继电器控制喷出水柱。 7 2 控制系统总体设计 音乐喷泉及水幕电影通常用于广场、湖面、主题公园等。电气设备包括水泵、灯光、音响、变频器、继电器等，总装机容量约在数千kW，由于系统是间歇变化工作，瞬间的电压波动和干扰特别严重，尤其是变频器控制的水泵电机高频电流变化，因此在对这两者进行实时控制时采用下位机和上位机的工作方式。将用于操作控制的上位机安装在远离设备的控制机房内，并能观察到喷泉和电影全景的地方便于监视、控制。下位机采PLC，本文论述的下位机采用三菱FX1N型号PLC;上位机为计算机，与PLC进行通讯，实时对下位机进行监控。 2.1 音乐喷泉及水幕电影控制系统的设计 图2.1 控制系统总体框图 8 2.1.1 音乐喷泉部分的设计 如图2.1所示，从电脑声卡中采集音乐信号，此信号一路经由有源音响直接播放，成为外景音乐;一路将从有源音响扬声器两端取得的电流信号，送入三菱FX1N型号PLC，进行A,D转换，并利用PLC对转换后的数字量进行滤波、限幅等处理，然后由模拟量模块中的D,A输出口进行D,A转换并输出为0—10V的直流电压信号，再将直流电压信号送入变频器的控制端子。变频器接收到信号后开始快速起动，带动水泵电机转动并速随音乐频率的改变而改变，从而实现喷泉喷射的水花随着音乐优美的旋律而翩翩起舞。 2.1.2 水幕电影部分的设计 水幕电影是通过高压水泵和特制水幕发生器，将水自下而上，高速喷出，雾化后形成扇形―银幕‖，由专用放映机将特制的录影带投射在―银幕‖上，形成水幕电影。当观众在观摩电影时，扇形水幕与自然夜空融为一体，当人物出入画面时，好似人物腾起飞向天空或自天而降，产生一种虚无缥缈和梦幻的感觉，令人神往。水幕电影投影机由计算机控制。该投影机的发动机通过光学传感控制，精度高，其控制方法有三种:编程控制、直接控制和实用程序控制。水幕高达20余米，宽30-50米，各种VCD光盘或水幕专用影片均可在水幕上播放，影视效果奇特、新颖并是极佳的广告宣传工具，各种广场及阔旷的水面均可安装水幕电影。 2.2 控制系统各部分的工作过程 2.2.1 PLC在控制系统中的作用 [5]整个PLC控制系统对喷泉及水幕电影的控制主要有3种方式: 1、音控:在程控状态检测到计算机上有音乐播放时，启动音控程序。把从计算机声卡采集到的音乐节奏信号转换为模拟量作为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实现音控。 2、手控:当开关选择为手控时，控制柜面板上控制水泵电机及水下彩灯的按钮开关可起作用，每个按钮都是PLC的一个输入点，可单独控制水泵的起停及彩灯的亮灭;亦便于陕速维护与检修整个系统。手控时可有选择性的决定是否启动水幕电影，如需启动，则将控制水幕的三个继电器开启，继而打开水泵，形成水幕。 3、程控:当开关选择程控时，喷泉按照PLC内预先设计的“花样”程序循环运行。 在本系统中，三种控制方法均有其用武之地。音控用于需要随音频变化的部分喷泉的控制;手控用于不需要变化的部分喷泉，及水幕的开启与关闭的控制;程控则用于喷 9 泉花样的变化控制。 具体控制如下: 1、扫描技术 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 2、输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 3、用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 4、输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。 同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。 一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通 10 讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 2.2.2 变频器在控制系统中的作用 变频器是将频率固定 (通常为工频50Hz)的交流电变换成频率连续可调 (多数为0-400Hz)的三相交流电源，它首先通过整流将交流变成直流，经过平滑滤波，再经过逆 [6]变回路，把直流变成不同频率的交流。当用于异步电动机调速时，可使电动机获得无级变速所需要的电压、电流和频率。本系统中，变频器接收三菱PLC模拟模块处理后的0-10V直流电压信号，根据电压变化，按照内部编程进行水泵电机的变频调速，控制水泵电机的转速，获得相应的喷水压力和水花高度，获得与音乐频率相吻合的水花节奏和动感，其内部程序根据需要和要求按一定规律或 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 进行编程。变频器接线如图2.2所示。 图2.2 变频器接线图 11 2.2.3 继电器在控制系统中的作用 继电器工作原理框图见图2.3。图中的继电器由五个部件构成，从整体上看，只有两个输入端和两个输出端，但又在电气上断开继电器中输入端与输出端的联系。在本控制系统中，由程序控制器即PLC产生控制信号，通过固态继电器带动水下彩灯、不需要变化的喷泉喷头，以及负责喷出水幕的水泵的工作(如图2.4)。 图2.3固态继电器工作原理图 图2.4控制系统原理图 12 2.2.4 水泵在控制系统中的作用 开泵前，吸入管和泵内必须充满液体。开泵后，叶轮高速旋转，其中的液体随着叶片一起旋转，在离心力的作用下，飞离叶轮向外射出，射出的液体在泵壳扩散室内速度 [7]逐渐变慢，压力逐渐增加，然后从泵出口，排出管流出。此时，在叶片中心处由于液体被甩向周围而形成既没有空气又没有液体的真空低压区，液池中的液体在池面大气压的作用下，经吸入管流入泵内，液体就是这样连续不断地从液池中被抽吸上来又连续不断地从排出管流出。水泵的电气接线如图2.5。 图2.5水泵电气接线图 13 2.2.5 水幕电影的设计 水幕电影是通过高压水泵和特制水幕发生器，将水自上而下，高速喷出，雾化后形成扇形 ―银幕‖，由专用放映机将特制的录影带投射在―银幕‖上，形成水幕电影。当观众在观摩电影时，扇形水幕与自然夜空融为一体，当人物出入画面时，好似人物腾起飞向天空或自天而降，产生一种虚无缥缈和梦幻的感觉，令人神往。 水幕电影投影机由机械装置、控制支架、通讯口、软件、时间信号界面及DMX512接口组成。该投影机的发动机通过光学传感控制，精度高，其控制方法有三种:编程控 [8]制、直接控制和实用程序控制。 本系统中，PLC为水幕电影的主要控制终端，通过固态继电器，控制所连接的水泵的开合，以达到开启水幕和落下水幕的目的。 14 3 控制系统详细设计 3.1 控制系统各器件的选择 3.1.1 PLC的选择 PLC产品的种类繁多。PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系 适用的场合也各有侧重。因此,合理选用PLC,对于统、编程方式、价格等均各不相同, 提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。 PLC的机型选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。 现在应用最广泛的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。 三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、适用面广但是数据处理比西门子弱。 西门子PLC性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。 欧姆龙PLC欧姆龙编程软件对符号地址的 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 有要求，东欧的老机床器件符号输进去好多都不认，按它的标准老图的标示都要变很不方便。 松下PLC超小型尺寸，轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何 [9]电缆。从I/O 10点到最大I/O 128点的选择空间。 本设计需要速度快稳定同时从价格等方面考虑我们选择三菱PLC本设计所使用的I/O口不是太多所以我们选择三菱FX-1N型PLC。 三菱电机推出的FX1N系列PLC是功能很强大的普及型微型PLC。FX1N系列最多可控制128点，除了可以扩展输入输出，还具有模拟量控制和通讯，链接功能等的扩展性。并且，FX1N具有以下优点: 1、集成型高性价比 2、机身小巧，高速运算 3、安心、宽裕的存储器规格 4、丰富的软元件范围 [10]5、面向海外的产品适合各种安全规格。 15 所以，选择FX1N来控制本系统。 3.1.2 变频器的选择 变频器按照工作原理分类，可分为四类，如下: 1、V/F控制的变频器 V/F控制的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制。通过V/F(电压和频率的比)的保持一致而得到所需的转矩特性。采用V/F控制的变频器控制电路结构简单，成本低，多用于对精度要求不高的通用变频器。 2、转差频率控制变频器 F控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上速度转差频率控制方法是对V/ 传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩的电流，与V/F控制相比，其加减速特性和限制电流的能力得到提高。 3、矢量控制变频器 矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式。它的基本思路是:将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量(励磁电流)和与其垂直产生转矩的电流分量(转矩电流)，并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的分量，因此这种方式成为矢量控制方式、 4、直接转矩控制变频器 直接转矩控制是交流传动中革命性的电动机控制方式，不需要再电动机的转轴上安装脉冲编码器来反馈转子的位置，而具有精确转矩和转速，能在零时速时产生满载转矩，电路中的PWM调至器不惜要分开的电压控制和频率控制，具有这种功能的变频器称为 [11]直接转矩控制变频器。 鉴于变频器在水景中的使用分为几种情况: 1、在有机械传动的水型中使用; 2、通过控制变频器的数字输入口的开、关，实行多段速控制; 3、用音乐信号间接控制变频器的模拟输入口，通过音乐信号的音乐成分控制变频器的频率输出，进而控制水柱高度。 并且普传变频器具有如下特点: 1、体积小容易安装操作; 2、操作器附有频率设定; 3、电位器/键盘/多段速可选调速方式; 16 4、超低噪音、载波频率可达16KHz; 5、自动节能运转; 6、自动或程序7段可调速度运行; 7、低速转矩提升功能; 8、软件可调过欠压，实现灵活控制; [12]9、宽电压输入功能，适应工厂环境。 在大型音乐喷泉中，要求水随曲动，对变频器的跟随效果很高，上升和下降时间要调到很小。因为水泵启动具有较大的冲击电流，需要变频器选用余量要较大，因此选用普传变频器。 3.1.3 继电器的选择 传统喷泉控制电路中多选用继电器、触控器来控制喷泉电磁阀的开闭，随着喷泉不停地喷出与关闭，继电器与触控器也将频繁切换，并产生较大的噪音。而固态继电器是用分离的电子元器件、集成电路及混合微电路技术结合发展起来的一种具有继电器特性的无触点式电子开关。 固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。固态继电器专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护 [13]功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、调温、电炉加温控制、电机控制、数控机械，遥控系统、工业自动化装置;信号灯、调光、闪烁器、照明舞台灯光控制系统;仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机;自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。因此本控制系统中采用固态继电器。 3.1.4 水泵的选择 现在喷泉常用的潜水泵有QS、QY、QX、QJ等系列。 QS系列潜水泵体积小、性能可靠，机泵一体、潜入水中运行主要优越性是:运行可靠、经久耐用、使用方便、功率大、故障少，维修费用低等。流量:10-250(m3/h)。杨程:5-140(m)。 QY系列潜水泵QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三部分组成。电泵的上端， 17 多为离心式水泵;下端为三相鼠笼立式异部电动机。电机全部采用优质整圆硅钢片，效率高，耗电少潜水深度不超过5米水温不超过+40?。流量:10-300(m3/h)。杨程:4-110(m)。 QX系列潜水泵工程潜水泵泵电一体，结构紧凑，非常适合于基建及矿山的搬运和安装无需引水，使用简便双端密封，电器保护设计合理、性能优良、几无噪音。流量:5-20(m3/h)。杨程:20-60(m) QJ系列潜水泵电机与水泵直联，机组全部潜入水中工作，具有结构紧凑、安装、维护方便、体积小、重量轻、高效节能等特点。 工作条件、工作介质为清水或化学性 [14]质类似于清水的液体。额定扬程:150米额定流量:10立方米/小时。 从该喷泉所需的扬程、流量、水质、价格等方面考虑该喷泉选择QS系列的潜水泵。 QS型充水式潜水电泵(QS潜水泵)由水泵、电动机两大部分组成，水泵位于电泵上部为离心式结构，电动机位于电泵下部，为充水式三相异步电动机。充水式电动机定子绕组和铁芯直接浸在水中，冷却效果好、输出功率大、效率高等特点。三相电动机分为滚动轴承和滑动轴承两种，滑动轴承采用优质石墨套和不锈钢推力盘，分别承受电泵工作时的径向力和轴向力，性能稳定，质量可靠，密封圈和防砂帽组成电动机的密封装置。 3.1.5 喷头的选择 喷泉喷头也称喷泉喷嘴全部采用铜或不锈钢制作，这样具有黄金的色彩或银光闪闪，喷头显得豪华气派。其工艺精巧美观，结构合理，性能高效节能。其中常用的有:可调直流喷头、半球形喷头、树冰形喷头、礼花喷头、涌泉喷头、加气喷头、直上喷头 [15]等产品系列。 1、A组喷头的选择 A组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以A组喷头选择直上喷头。 直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观;这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。该喷头也叫中心喷头。可调节射流的方向。喷头材质为铸铜、不锈钢。 2、B组喷头的选择 B组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比A组所喷出的水柱稍细比A组所喷的水柱要低。所以我B组选择可调直流喷头。 可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷 18 头，这种喷头装有球形接头，可沿垂直方向向15度进行调节。可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果，射流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小决定。喷头材质为铸铜、不锈钢。 3、C组喷头的选择 C组喷头应该比B组喷头喷射高度略低比D组略高，所喷水柱比B组水柱略粗壮、挺拔。所以C组喷头选择树冰形喷头。 树冰形喷头喷水时外观效果庞大丰满，粗壮挺拔，抗风力较强。喷头安装在导流筒上端与水面齐平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱。喷头材质为铸铜、不锈钢。 4、D组喷头的选择 D组位于该喷泉的最外侧，水柱所喷高度应该最低，水量应该较大，择所喷水柱比较灵动。所以选择涌泉喷头。 涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，水沫轻溅，古朴灵动。 加气喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷出的水柱呈白色不透明状，反光效果好。喷头材质为铸铜、不锈钢。 3.1.6 水下彩灯的选择 该喷泉用四组彩灯分别为红，绿，黄，蓝。从里到外分别对应A处用红色的彩灯，B处为绿色的彩灯，C处为黄色彩灯，D处为蓝色彩灯。每一个喷头处对应一个相应颜色的彩灯。 因为喷泉用彩灯都是安装在水下所以对光线的要求高，对安全性能的要求也要很高，同时对使用寿命要求要长。LED水下灯能够达到上述的要求，所以本设计选择AC 380V LED水下灯。彩灯接线图如图3.1。 19 图3.1 水下彩灯接线图 3.2 喷泉的总体设计 3.2.1 喷泉布局图 图3.2 喷泉布局图 3.2.2 喷头的布置 本设计布局如图3.2所示。图3.2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3.2中B组喷水管所 20 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3.2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3.2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)。 本设计中A组喷头所喷的水柱最高，本设计中4组喷头所喷的水柱高度为 2-8(m)。本设计的最多时有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。 3.2.3 水泵、继电器、变频器的布置 本设计由4组喷头组成，分别为A组B组C组D组。中心的A组为直上喷头，用型号为QS40-16-3的水泵1台，通过1台变频器与PLC相连接。B组是可调直流喷头，用型号为QS65-10-3的水泵4台，通过1台变频器与PLC相连接。C组是树冰型喷头，用型号为QS65-7-2.2的水泵10台，通过3台变频器与PLC相连接。D组是涌泉喷头，用型号为QS65-7-2.2的水泵15台，通过15台继电器与PLC相连接。他们都受控制且可配合音乐进行喷射，以达到喷头可以喷射花样繁多的目的。 3.2.4 水下彩灯的布置 使用防水的LED灯，中心喷下安装8个，红、绿、黄、蓝彩灯各2个，其余每个喷头下安装4个，红、绿、黄、蓝彩灯各1个。共240个彩灯，红、绿、黄、蓝彩灯各60个。可根据花样的喷射要求而亮灭，每个喷头工作时，都连带红，绿，黄，蓝四组彩色灯间隔1S循环发光。 3.2.5 控制要求 本设计有单周期和连续两种操作方式。按下开始按钮后指示灯亮，当选择单周期方式时A组D组同时喷6秒然后A组和C组同时喷7秒然后B组和D组同时喷10秒然后ABC三组同时喷水5秒停2秒后报警器发出声音报警，按停止按钮终止报警。当选择连续方式时重复单周期方式时的过程20次后停两秒后报警，按停止按钮终止报警。 系统开启后，点击开始按钮SB1，PLC的输入口X1=1，则Y10=1指示灯被点亮，等待用户选择运行方式。当用户选择单次运行时点击单次运行按钮SB3 则X3=1， Y12=1水泵开始工作，同时Y0=1、Y3=1，A、D两组喷头的电磁阀得电，A、D两组喷头开始喷出水柱同时T5开始计时。当T5=6S时Y3=0、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电， 21 C组喷头的电磁阀得电。所以A、 C组喷头喷出水柱，D组喷头停止喷水，同时T6开始计时。当T6=7S时Y1=0、Y2=0、Y1=1、Y3=1，A、C两组喷头的的电磁阀失电，B、D两组喷头的电磁阀得电。所以B组喷头和D组喷头喷出水柱A组喷头和C组喷头停止喷水，同时T7开始计时。当T7=10S时Y3=0、Y0=1、Y1=1、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，A、B、C组喷头的电磁阀得电。所以A组喷头和C组喷头喷出水柱D组喷头停止喷水，同时T8开始计时。当T8=5S时系统停止两秒后开始报警。 当用户选择连续运行时点击连续运行按钮SB4 则X4=1， Y12=1水泵开始工作，同时Y0=1、Y3=1，A、D两组喷头的电磁阀得电，A、 D两组喷头开始喷出水柱同时T1开始计时。当T1=6S时Y3=0、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，C组喷头的电磁阀得电。所以A、 C组喷头喷出水柱，D组喷头停止喷水，同时T2开始计时。当T2=7S时Y1=0、Y2=0、Y1=1、Y3=1，A、C两组喷头的的电磁阀失电，B、D两组喷头的电磁阀得电。所以B组喷头和D组喷头喷出水柱A组喷头和C组喷头停止喷水，同时T3开始计时。当T3=10S时Y3=0、Y0=1、Y1=1、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，A、B、C组喷头的电磁阀得电。所以A组喷头和C组喷头喷出水柱D组喷头停止喷水，同时T4开始计时。当T4=5S时C0开始计数，当CO<20时重复上述动作当C0=20时系统停止2S后开始报警。 当系统报警时点击停止按钮SB2则系统停止报警。 3.3 水幕电影的设计 水幕电影出现于20世纪80年代，由激光演示系统、放映机系统、水幕发生器、音响系统组成，比银幕电影更吸引眼球。它放弃常用的白布、墙面，改用水幕作为投影的载体，通过继电器控制的高压水泵和水幕发生器将水高速喷出，雾化后形成―银幕‖，再由专用放映机将影像投射出来。由于屏幕是透明水膜，因此在影像播放时有一种特殊光学效果，屏幕的视觉穿透性使画面具有立体感，影片内容与水面巧妙地结合，扇形水幕与自然夜空融为一体，令观众有身临其境之感，令人神往。 在本系统中，PLC作为水幕电影的控制主体，通过继电器控制水泵的开启和关闭。水泵开启时，高压喷射的水柱形成水幕，计算机控制放映机，将影像投射到水幕上，形成水幕电影。需要关闭时，即由PLC控制的继电器将水泵关闭，此时水幕落下，同时通过计算机关闭放映机。则整个水幕电影部分停止工作。 水幕设计为10m*10m的方形，用100个高压喷嘴喷出水幕。因为水幕高度不需要变化，因此高压水泵通过继电器与PLC相连接。这一部分，需要25个水泵和25个继电器。 22 3.4 控制系统的I/O分配表设计 根据之前的设计，可以得出该系统中，喷泉的开始、停止、单周期、重复，以及水幕电影的开始、停止需要用到6个按钮，这6个按钮开关分别接到PLC的6个输入口上。而A、B、C三组喷泉口需要用到变频器，而变频器与PLC的D/A口相连接。D组喷泉口不需要跟随音乐变化，可以直接与继电器相连接。红绿黄蓝四组彩灯、指示灯控制水泵的接触器也需要接到PLC的输出口上。因此，该控制系统需要用到PLC的6个输入口，44个输出口。表3-1为它们所对应的I/O口。 表3-1 I/O分配表 输 入 口 设备符号 设备名称 PLC口 SB1 X1 喷泉开始按钮 SB2 X2 喷泉停止按钮 SB3 X3 水幕电影开始按钮 SB4 X4 水幕电影结束按钮 SB5 X5 单周期按钮 SB6 X6 重复按钮 输 出 口 设备符号 设备名称 PLC口 KM1-KM15 Y0-Y7 D组喷头继电器 Y11-Y16 KM16-KM40 Y17 水幕电影继电器 Y20-Y27 Y30-Y37 Y40-Y47 KM41 Y50 彩灯继电器 KM42 D/A 变频器 HL Y51 指示灯 HA Y52 报警器 23 3.5电气控制系统原理图 整个控制系统其外部接线原理图如图3.3所示: 图3.3 PLC外部接线图 24 4 PLC编程及实验过程 为了解决应用可编程控制器(PLC)的基本逻辑指令编写顺序控制梯形图时所存在的编程复杂、不易理解等问题,本设计采用PLC的顺序功能图(SFC)来编写顺序控制 [16]梯形图,该方法具有编程简单而且直观的优点。本设计采用顺序功能图(SFC)的方法编写其控制梯形图,从编程结果可以看出,与应用PLC的基本逻辑指令方法相比具有简单、直观、逻辑性强,提高编程的效率。与梯形图相比简单，出现错误时更容易检查。 25 4.1 喷泉流程图的设计 开 始 否指示灯是否点 O 亮 Y51=1? 是 单 次 连 续 A、D同时喷水 T5计时6S A、D同时喷水 T0计时6S 否 T5=6S? T0=6S? 是 是 A、C同时喷水 T6计时7S A、C同时喷水 T1计时7S 否 否 T6=7S? T1=7S? 是 是 B、D同时喷水 T7计时10S B、D同时喷水 T2计时10S 否 否 T7=10S? T2=10S? 是 是 A、B、C同时喷水 T8计时5S A、B、C同时喷水 T3计时5S 否 否 T8=5S? T3=5S? 是 是 报 警 A、B、C、D停止C0计数20 次 否 否 X2=0? C0=20次? 是 是 图4.1 喷泉流程图 26 4.2 水幕电影流程图的设计 图4.2 水幕电影流程图 27 5 总结与展望 本文主要完成了如下工作: (1)了解了音乐喷泉和水幕电影的工作原理。 (2)从解决如何利用PLC对整个音乐喷泉和水幕电影进行控制的基本问题入手，在参考前辈研究成果的基础上，设计出了一个通过PLC可以对音乐喷泉和水幕电影进行同时控制的系统。 (3)依据所设计系统的特点，综合考虑了各种器件的优缺点和价格因素后，选定了系统所需的PLC、变频器、继电器、水泵等各种器件。 (4)根据系统原理框图，得出仿真时，编程所需要依据的流程图。编辑程序，在实验室的三菱FX1NPLC上进行方针演示，并得出了预期的效果。 (5)在整个设计过程中，我对PLC相关知识的了解逐渐加深，并且开始学习作为一名设计者所应该具备的能力。 通过本次毕业设计，我深刻认识到理论需要实践去认证，但实际工作真的很复杂，很难以实现理论所认为要达到的目标。作为学生，要充分利用在校的课余时间，保证学业的同时，尽可能的多参加社会实践，为自己创造机会接触外面的社会。毕业设计的过程是辛苦的，但收获是丰富的。在这次设计中，使自己加强了学习与生产、理论与实际的联系，对专业知识也有了较深的了解，巩固已学基础知识，加强了劳动观念、实践观念，切实提高了动手实践能力，为毕业后走向工作岗位和进一步的学习奠定基础。 28 致 谢 白驹过隙，转眼间我的学习生涯已经接近尾声，心里感慨万千，却不知从何说起。首先，我要感谢我的导师李绍武老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，给了起到了指明灯的作用;他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢身边各位同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。 此次毕业设计，是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。俗话说的好，“磨刀不误砍柴工”，当每次遇到不懂得问题时，我都会第一时间记在本子上面，然后等答疑的时候问两位老师，老师对于我提出来的问题都一一解答，从来都不会因为我的问题稍过简单加以责备，而是一再的告诫我做设计该注意的地方，从课题的开始到项设计的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，他们真正起到了“传道授业解惑疑”的作用，让人油然而生的敬佩。在此谨向李绍武老师和全院所有老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 感谢在我生命成长中，不同阶段的朋友们、感谢爱我、疼我的家人，最重要的，感谢我亲爱的爸爸、妈妈。我珍惜出现在我生命中的每个人～最后我还要感谢信息工程学院和我的母校湖北民族学院四年来对我的栽培。 29 参考文献 [1] 邓翔.利用PLC实现音乐程控喷泉的控制问题研究.《绿色科技》,2009, 第10期:106-112 [2] 潘礼庆.变频调速器及PLC在音乐喷泉中的应用.《工业控制计算机》,2009, 第6期:88-93 [3] 王妍玮、于惠力、刘刚. 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