基于PLC的音乐喷泉控制系统设计样本.doc

毕业设计（论文）

题 目 基于PLC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（3264 ）
指引教师 李林
职 称 工程师

高科学院
年

摘 要
音乐喷泉是近年来浮现一种园林建筑与花式观赏相结合一种产物 ，它集合声、光、色、形于一体，并产生千变万化水景。随着可编程控制器迅速发展，音乐喷泉对控制系统规定也越来越高，使得越来越多控制某些需要用可编程控制器来实现。
本课题结合任务书规定，以音乐喷泉为研究对象，采用三菱PLC作为喷泉控制器。设计控制方式有两种：一种是固定程序运营方式。是按事先设计好环节一步一步进行，循环执行。另一种控制方式是通过音乐控制喷泉。是通过PLC中断程序采集播放音乐音频信号，PLC对采集音频信号进行原则化算法，将运算数据转换成模仿量，通过模仿量输出口输出去控制变频器输出频率，从而控制水泵转速，达到控制喷泉水柱高低跟随音乐强弱变化。
本次设计对音乐喷泉控制系统总体功能进行了分析，并且对可编程控制技术、变频控制技术应用、发展趋势作了简要简介，以及音乐喷泉控制总体设计方案、电气系统整体设计和PLC程序设计思路、变频参数设立。本次设计改进了音乐喷泉系统控制品质，提高了音乐喷泉控制系统稳定性。
核心词：音乐喷泉，控制系统，可编程控制器，变频器

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
第1章 绪论 …………………………………………………………………1
1.1 音乐喷泉发呈现状………………………………………………1
1.2 本文重要研究内容及意义…………………………………………3
1.3 本章小结……………………………………………………………3
第2章 PLC音乐喷泉控制系统方案拟定……………………………………4
2.1 音乐喷泉控制系统设计规定………………………………………4
2.2 音乐喷泉控制系统方案选取………………………………………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选型…………………………………………………………7
3.2 变频器选型………………………………………………………8
3.2.1 变频调速原理………………………………………………9
3.2.2 变频器参数设立……………………………………………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端口分派表………………………………………………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

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
道谢……………………………………………………………………………30
参照文献………………………………………………………………………31

第1章 绪论
1.1音乐喷泉发呈现状
音乐喷泉是一种独特人工景观，具备很大观赏价值，通惯用于大型广场、辽阔湖面、主题公园等。喷泉形态、声音、色彩形成了一道人工自然景观，同周边自然环境、建筑环境交相辉映，给原环境增添了无限生机。给由钢筋混泥土构成都市增添了自然气息，改进了都市环境质量，为人们提供良好汇集、散步、休闲室外环境。由于人们对生活环境高规定，已使音乐喷泉发展成为一种产业[1]。
当前，国内生产音乐喷泉公司有上百家，某些公司有很强实力，国内比较知名公司有：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。这些公司在全国承办各类大型音乐喷泉等，从工程设计到制作、安装、调试提供一套完善服务体系。
但从实际使用状况来看国内音乐喷泉公司生产音乐喷泉同国外相比，其水平和质量还是有不小差距。因素是水型和灯光实时跟踪音乐“四大要素”（水、声、光、电）没有解决好[2]。国内既有音乐喷泉在音乐节奏、强弱、节奏性、协调性、音乐内涵体现等方面还存在局限性之处。当前，国内外音乐喷泉都只能演奏几首歌曲，这是由于音乐喷泉表演程序设计、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科技成果，集音乐控制、程序控制、人工智能于一体工业现场控制系统。它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，自行辨认乐曲旋律、节奏、乐感和音频强弱。该系统是音乐喷泉在控制设备指挥下，跟随乐曲旋律不断变化水型，并与音乐同步[15]。
喷泉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机作为控制核心。其电气设备涉及水泵、灯光、音响、变频器等。一种音乐喷泉艺术效果体现力不但与音乐喷泉整体造型、喷头空间造型、水泵功率等硬件因素关于，还与喷泉程序控制水平关于。硬件是音乐喷泉基本，程序控制是音乐喷泉变化灵魂。
从德国人20世纪创造音乐喷泉到当前已有几十年历史了，随着科学技术飞速发展，音乐喷泉系统控制水平和科技含量也越来越高，控制办法也越来越多。现将重要集中控制技术总结如下[1]：
（1）程序控制
程序控制是运用预先编写好计算机程序来控制喷泉水形和灯光，使水形和灯光产生不同变化效果，整个系统通过计算机操作界面控制和显示，可以实现各种程序随机执行，系统反映快、敏捷度高，可以承受一定压力和撞击，系统采用模块化构造，便于维护和升级。但是对于音乐特性辨认需要人工完毕，即由设计人员对乐曲进行特性提取，编辑解决。这使得系统曲目受到限制，如有新乐曲加入就需要操作员重新编程解决，会带来很大工作量。
（2）实时声控
实时声控控制方式是当前国内绝大多数音乐喷泉设备公司采用控制手段，它可以自动辨认和响应任何音频信号，与程控方式相比，它省去了预先编程过程，节约了成本，但这种控制方式也存在某些问题，一方面，水型动作要比音乐滞后，喷泉动作与音乐不协调，另一方面，水型浮现组合与浮现时间长短是固定，无论任何曲目，都会浮现表演水型与音乐所表达情感不一制。使人听觉感受和视觉感受不协调。第三，乐曲情感段落与水型变化时间不符，并且千篇一律。
（3）预编程控制
预编程控制是依照某一首乐曲情感和意境，人工编制各种水型、动作、灯光、水泵启动和关闭，使喷泉表演与音乐情感和意境相吻合。此功能在控制技术、计算机技术、通信技术方面有一定综合难度。
（4）变频控制
音乐喷泉变频控制是众多控制系统中一种。随着先进控制理论和办法在喷泉控制系统中应用，喷泉控制系统不断完善和升级，其中变频技术在喷泉控制系统中应用也逐渐成熟，并逐渐发展为水泵调速控制重要方式。变频控制系统应用会给大型音乐喷泉增色诸多，可以使音乐喷泉喷射高度随音乐信号大小变化，使音乐、水花、灯光融为一体，表演一场交响水诗。因而音乐喷泉变频调速技术具备辽阔应用前景。
1.2 课题研究内容及意义
音乐喷泉作为一种独特人工景观，其产生景观效果非常美丽。在广场、安静湖面、公园设立一种音乐喷泉，将使本来静态景观变成动态景观，其产生效果不是其她人工景观可以比拟。正是这种因素推动了音乐喷泉发展和研究[3]。
本课题采用先进控制设备，来研究音乐喷泉控制系统。第一，采用PLC控制技术，研究设计符合项目规定控制程序。第二，采用变频技术。从扬声器两段采集音频信号作为控制信号，去控制变频器输出频率，控制水泵转速，从而达到喷泉水柱依照音乐节奏变化。
在设计中，要解决问题重要有：水泵电机间歇工作所产生瞬间电压波动和干扰；变频高频大电流抑制；工程造价及设备性价比；同步还要考虑控制系统可靠性和扩展性。
1.3 本章小结
本章重要对音乐喷泉发呈现状做了简朴简介，以及音乐喷泉控制系统既有四种控制技术（程序控制、实时声控、预编程控制、变频控制）。简介了本课题研究内容和意义和在设计中要解决重要问题等。

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规定
本次音乐喷泉建立在面积为20广场上。整个音乐喷泉平面示意图如图2.1所示。该音乐喷泉由中心区和环绕中心区一种环构成。中心区是由一种喷头控制最大高度为15M主水柱，由一台7.5kw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。此外中心区和外层之间有红、黄、绿3种彩灯共17盏。

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输入信号，经PLC解决后控制变频器运营，从而控制水泵转速和彩灯变换实现音控。
（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，一方面主水柱运营，延时20s后外圈水柱运营，延时20s后主水柱停止，外圈水柱停止，延时20s后主水柱、外圈水柱同步运营。
依照系统构造音乐喷泉系统能否可靠、稳定运营，取决于所采用硬件设备和软件系统。为满足整个系统可靠、稳定运营规定，音乐喷泉控制系统设计应遵循如下原则[4]：
（1）系统硬件设备先进可靠，技术成熟，具备连接所需不同参数信号功能，与现场仪表及控制执行机构等设备接口规范，系统构造简朴。
（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，操作简朴，系统运营稳定。
（4）整个系统技术先进，性能可靠，使用以便，可以实现对音乐喷泉系统控制和管理。
2.2 音乐喷泉控制系统方案选取
本次音乐喷泉控制系统设计方案重要有两种可供选取，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构成，该控制方案是通过对音乐信号解决,将其转换成汇编程序存入单片机，使单片机唱歌,并且在改程序之中还 加入其她控制语句。单片机还需喷泉中电磁阀和变频器动作及灯光变化,其中电磁阀对喷头控制原理是：预先依照设计花形种类和变化方式,通过对电磁阀开闭进行组合,编制不同控制字制成表存入单片机,当单片机执行程序时,通过查表方式去取不同花形,以达到预想花形变化,这样花形变化就随音乐节奏而变化。同样,单片机对变频器控制也与之类似,只但是控制编制是依照音乐频率进行编制,并且查表方式也有所不同,因而变频器依照所接受信号,输出不同频率值,以控制水泵转速,进而达到控制喷泉管路中流量,就可以控制水柱高度和花形大小了。灯光和音响是由同一种口，通过延迟放大电路后,使它们达到同步动作,而灯光之前必要接一种固态继电器,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。由于变频控制器范畴是 5～50Hz,因此变频器就可以变化水泵流量,从而变化喷泉喷水效果，充分发挥变频调速特点,它既可送入音乐信号形成音乐喷泉,也可在内存程序指挥下做各种规律运动,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营。其扩展功能可以使变频调速器控制水型更具活力,当喷泉高度随音乐信号或程控信号增大而逐渐升高同步,投入运营水下灯和水型越来越多,喷泉则体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削弱而逐渐减少同步,投入运营水下灯和水型越来越少。这样,喷泉在音乐或程序控制下,各色水下灯闪烁、变幻,各种水型起伏呼应,将为音乐喷泉增长观赏性和艺术美感[5]。
鉴于上述二个方案分析比较,由于各具优缺陷。方案一控制系统简朴,软件程序编制灵活,花形和流量控制也很灵活,只要变化预置花形表和速度控制表，不必变化程序就可达到不同设计效果,并且在考虑经济因素时可以撤去电磁阀，直接变化喷头下方球阀来组合成不同单一花形,音乐喷泉在运营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，长处在于放音效果好，能实现真人真唱,始终能唱出乐曲，且控制系统可靠性比喻案一要高，因而，通过对比分析，并考虑到音乐喷泉控制系统需要可靠、稳定运营规定，因此本次设计采用方案二作为音乐喷泉控制方案，采用三菱型号PLC作为喷泉控制器。
2.3 本章小结
本章重要是对音乐喷泉控制系统作了整体概述。一方面对音乐喷泉整体构造进行了简介。然后分析了音乐喷泉控制规定和既有控制方式。最后对既有控制方式进行分析比较，选取了PLC作为控制核心控制系统。

第3章 音乐喷泉控制系统硬件设计
3.1 PLC选用
选取恰当型号PLC是应用设计中至关重要一步，在功能满足规定前提下，应选取最佳性能价格比，详细考虑如下几点：
（1）I/O点数选取。输入、输出点数是衡量PLC规模大小重要指标。选取时应在实际使用点数基本上留出15%～20%备用量[6]。
（2）存储器容量选取。普通小型PLC存储容量是固定，无法随意扩充和调节，选购时一定要注意，与否满足规定。
（3）PLC功能选取。
1）对于开关量控制应用系统，对控制速度规定不高，选用普通低档机就能满足规定。
2）对于以开关量控制为主，带有某些模仿量控制应用项目，应选用带有A/D、D/A转换，四则运算功能低档机。
3）对于控制比较复杂，功能规定较高应用系统，低档机往往不能满足规定，这时可选用中型和大型PLC构成一种分布式控制系统。
4）PLC运营速度选取。PLC工作时，从输入信号到输出控制存在滞后现象，这对于普通工业设备是容许，但有些设备实时规定较高，不能容忍这种滞后现象。但普通滞后时间应控制在几十ms之内。
（4）特殊I/O模块选取。选取哪一种功能输入/输出模块和哪一种输出形式，取决与控制系统中输入/输出系统种类、参数规定和技术规定。此外，如果控制系统规定进行温度控制、位置控制、PID控制或波形控制，那么选取适当智能模块会使系统设计变简朴[7]。
（5）考虑对PLC通信联网功能规定。如果PLC需要与别通信设备连接，需要考虑PLC通信联网能力。
考虑到上述因素，结合“体积小、价格实惠”原则，本文选用三菱型号PLC。其特点如下[8]：
（1）一体式可编程控制器：电源、CPU、存储器、输入输出构成一种单元可编程控制器，同步在 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系列和系列，此外也可和连接。
（3）不用编制复杂程序，就能捕获到最小10μs(X0， X1)或50μs(X2～X5)短信号。
（4）功能强大GX Works2 V1.31H 编程软件。由三菱公司设计开发，合用于编程，具备简朴工程和构造化工程两种编程方式，支持梯形图、指令表、SFC、ST及构造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、智能功能模块设立等功能。
3.2 变频器选用
通用变频器选取涉及通用变频器型号选取和容量选取两个方面，选取原则是：一方面其功能特性能保证可靠地事项工艺规定，另一方面是获得较好性能价格比。通用变频器类型选取要依照负载特性进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速转矩负载，普通可选取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规定机械应选用品有转矩控制功能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，具备挖土机特性。为了实现大调速比恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量办法。对于规定精度高、动态性能好、速度响应快生产机械（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为不同类型变频器重要性能、应用场合：
表3.1 不同类型变频器重要性能、应用场合[9]

本次设计音乐喷泉控制系统中，变频器所驱动负载为水泵，即泵类负载，故选取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。其特点如下[10]：
（1）功率范畴：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，实现更高节能运营；
（4）内置PID，变频器/工频切换和可以实现多泵循环运营功能；
（5）内置独立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定子绕组中通入对称三相交流电时，就产生一种以同步转速沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转旋转磁场。由于旋转磁场以转速顺时针旋转，转子导体开始是静止，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，在感应电动势作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致感应电流。由于通电导体在磁场中要受电磁力作用，因此有感应电流转子导体在旋转磁场中也将受到电磁力作用，作用于转子导体上电磁力对转子轴，产生电磁转矩与旋转磁场旋转方向是一致，从而驱动转子沿着旋转磁场旋转方向旋转[11]。
当将三相异步电动机绕组任意两相进行互换时，所产生旋转磁场方向将发生变化。因而，电动机转向也将发生变化。异步电动机定子磁场转速被称为异步电动机同步转速，其同步转速由电动机磁极对数和电源频率决定[17]。
异步电动机同步转速为：
式(3.1)
式（3.1）中 — 同步转矩，单位；
— 定子电源频率，单位HZ；
— 磁极对数。
异步电动机转速为：
式(3.2)
式（3.2）中 — 异步电动机转差率，。
由式（3.2）可知，对于极对数固定异步电动机，只需供电频率或电动机转差率s中任意一种变化就可以变化电动机转速。变化转差率s办法更多用在绕线式异步电动机调速中，故对鼠笼式异步电动机变化供电频率是最佳调速办法。对鼠笼式异步电动机，普通状况下，转速率s很小，因此可近似地以为∝∝，考虑到电机运营性能，并使电动机得到充分运用，在变频同步，电源电压应依照负载性质不同作相应变化，普通但愿气隙磁通维持额定值不变，由于若增大，将使电动机磁路过度饱和，引起励磁电流增长，功率因数减少；若减小，电动机容量将得不到充分运用[12]。
由电动机理论可知，三相异步电动机定子每项电动势有效值为
式 (3.3)
式(3.3)中 — 旋转磁场切割定子绕组产生感应电动势，单位V；
— 每极磁通量，单位Wb；
— 定子相绕组有效匝数；
— 基波绕组系数。
从电动势公式可知，由于，若要为定值，则必要随频率变化作正比变化，即：
式（3.4）
式（3.4）中表达变频后量。
另一方面，为了保证电动机容许稳定性，但愿变频调速时，电机过载能力不变，即
式 (3.5)
由最大转矩公式，并略去定子电阻，可得到：
式（3.6）
在忽视铁芯饱和影响时，，与频率成正比，则式（3.6）还可以写成：
式 (3.7)
式(3.7)中C为常数，为保证变频先后不变，规定
式 (3.8)
即：
式 (3.9)
式(3.9)阐明了在变频调速时，为使电动机过载能力不变，电压变化规律。显然，对于恒转矩负载，由于，由式（3.9）可得，，这时既保证了电动机过载能力不变，又满足为定值规定。
但是，难于直接测量和控制。当和值较高时，定子漏阻抗压降比较小，如果忽视不计，就可以近似保持定子相电压和频率比值为常数，即以为=，保持/=常数即可，这就是恒压频比控制方式，是近似恒磁通控制。
低频时，U1和E1都较小，定子阻抗压降所占份量都比较明显，不能再忽视。这时，以为把电压U1抬高某些，以便近似补偿定子压降。带定子压降补偿恒压频比控制特性为b线，无补偿为a线。恒压频比控制特性如图3.1所示[13]。

图3.1 恒压频比控制方式
3.2.2变频器参数设立
（1）三菱FR-F740变频器简介
1）如图3.2为三菱FR-F740变频器端子接线图[10]。

图3.2 三菱FR-F740变频器端子接线图
2）FR-F740变频器基本操作面板简介
如图3.3为变频器基本操作面板[10]：

图3.3 变频器基本操作面板
（2）变频器参数设立
将电机参数输入变频器，同步依照控制规定，将变频器有关参数也输入变频器[14]。FR-F740变频器参数设立如表3.2所示：
表3.2 FR-F740变频器参数设立[10]
参数
设定值
阐明
Pr.160
1
显示顾客参数组中登记参数
Pr.13
0
设定频率为50HZ
Pr.14
1
设定为变转矩负载
Pr.19
380
设定电动机额定电压为380V
Pr.9
15
设定电动机额定电流为15A
Pr.3
50
设定电动机额定频率为50HZ
Pr.80
7.5
设定电动机额定功率为7.5kw
Pr.59
2
设定由端子控制变频器运营
Pr.73
1
频率由模仿量输入设定
Pr.1
50
电机运营上限频率
Pr.2
20
电机运营下限频率
Pr.571
5
电机启动时间
Pr.11
5
电机制动时间
Pr.79
3
设立端子4与端子5接通时电机正转，断开停止
Pr.78
1
不容许反转
在基本操作板上设立好上述参数后，可以运营变频器。当端子4和端子5接通时，电机按设立下限频率20HZ开始运营，达到20HZ启动时间为5s；断开端子4和端子5，电机从20HZ到停止时间为5s。
3.3 音乐喷泉控制系统总电路设计及工作原理分析
（1）控制系统总电路设计：该控制系统核心设备为可编程控制器（PLC）、模仿量输入输出模块、FR-F740变频器，其控制系统总电路原理图如图3.4所示。

图3.4 控制系统总电路原理图
（2）工作原理分析：从电路原理图可知，控制分为两某些。一某些是固定程序运营；另一某些是音乐控制某些。
1）音乐控制某些。当需要使用音乐喷泉时，此时可按下SB1按钮，PLC模仿量输入输出模块将采集播放音乐音频强度，将其进行A/D转换，比较运算，然后将成果输出到变频器模仿量输入端口4、5端，控制变频器输出频率，从而控制水泵转速，达到控制喷泉水柱高度目。
2）固定程序某些。当喷泉不使用音乐进行控制时，可按下SB2按钮，PLC运营固定程序，喷泉按事先设计好程序运营。此时变频器不启动。变频器只在音乐控制时启动。原理图中水泵变频运营和固定程序运营是不能同步进行，否则会给变频器反送电，烧毁变频器，因此，在水泵变频运营接触器KM4、KM5和水泵固定程序运营接触器KM1、KM2之间，加接了电气互锁。
3）灯光控制某些。无论喷泉运营音乐喷泉控制还是固定程序控制，喷泉灯光都按事先设定好程序运营。
3.4 本章小结
本章重要是音乐喷泉控制系统硬件设计。一方面对重要器件进行选型（PLC选用型，变频器选用FR-F740型）。然后对PLC特点、变频调速原理以及FR-F740型变频器端子分派、变频器基本操作面板进行了简介，对FR-F740型变频器参数进行设立。最后设计出音乐喷泉控制系统总电路图，并对电路原理进行简朴分析。

第4章 音乐喷泉控制系统软件设计
4.1 系统程序流程图
PLC程序设计重要有经验法、顺序功能图设计法、逻辑流程图设计法[15]。依照实际状况先设计出程序流程图，PLC从开机，有一种选取性分支，提供两种选取：一种是喷泉依照音乐节奏运营，另一种是喷泉按固定程序运营。其程序流程图如图4.1所示。

4.1 系统程序流程图
4.2 系统I/O端口分派表
I/O端口分派表是对系统输入/输出点地址分派，有了I/O端口分派表，可以反映程序里地址分别代表什么，如果没有I/O端口分派表，就不懂得程序写是什么了，如果出错更不好修改。
音乐喷泉控制系统I/O端口分派表如表4.1所示。
表4.1 音乐喷泉控制系统I/O端口分派表

4.3 系统程序设计
4.3.1 梯形图程序设计
（1）开机梯形图程序设计。开机梯形图程序是一种选取性程序，要么是音乐控制喷泉，要么是固定方式运营喷泉，两者选取一种运营方式。梯形图设计时两者要加程序互锁。开机程序梯形图如图4.2所示。

图4.2 开机梯形图程序
开机程序中，喷泉从固定程序切换到音乐控制时，由于固定程序控制中不用变频器,因此程序可以直接切换；但当音乐喷泉实行音乐控制，再切换到固定程序运营，由于变频器有个停车时间，因此切换时要延时，延时时间为变频器停车时间，普通为10s。
（2）音乐控制程序。音乐喷泉程序相对复杂，其程序要启动变频器、灯光，要实时采集音频信号变化，然后去控制变频器输出频率。
1）喷泉水柱控制程序。控制喷泉水泵启动后，主水柱、外圈水柱要按事先设计好顺序启动运营，运营后各水柱依照音乐节奏强弱进行高低变化。
2）灯光启动程序。喷泉灯光变化过程，普通是事先设定好程序，当变频器得电，输出正向频率，水泵电机启动即调用灯光子程序。
音乐控制梯形图程序如图4.3所示。

图4.3 音乐控制梯形图程序
（3）固定运营梯形图程序。固定运营梯形图程序是喷泉不需要用音乐控制时另一种控制方式。此时要停止变频器和音频信号采集，只输出控制水泵信号。固定运营梯形图程序如图4.4所示。

图4.4 固定运营梯形图程序
音频采集和灯光系统子程序如图4.5所示。

图4.5 音频采集和灯光系统子程序
4.3.2 指令表程序转换
指令表语句是一种与计算机汇编语言相似助记符编程方式，用一系列操作指令构成语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到PLC中去。系统指令表程序如图4.6所示。

图4.6 系统指令表程序
4.3.3 控制程序调试
（1）开机梯形图程序调试
如图4.7为开机梯形图程序调试。当X0触点在10s内未得电，则辅助继电器M510得电，喷泉自动切换为固定程序运营方式。X2接点得电，则喷泉停止运营。

图4.7 开机梯形图程序调试
（2）灯光系统梯形图程序调试
如图4.8所示为灯光系统梯形图程序调试。

图4.8灯光系统梯形图程序调试
（3）音乐控制梯形图程序调试
如图4.9为音乐控制梯形图程序调试。当X0触点得电，则辅助继电器M500接通

图4.9 音乐控制梯形图程序调试
(4) 固定运营梯形图程序调试
如图4.10为固定运营梯形图调试。当X1触点得电，则辅助继电器M510接通，控制主水柱水泵直接启动运营，延时10s后，外圈水柱水泵启动运营，固定程序始终循环运营。

图4.10 固定运营梯形图程序调试
4.4 系统整体调试
一方面按照控制系统总电路原理图连接好电路，使PLC处在STOP模式状态，下载设计好PLC控制程序，与此同步依照预先给定变频器参数设定变频器。启动交流线路总电源和音乐信号控制某些电源，使PLC处在RUN模式状态下，按下SB1按钮，启动音乐控制程序，变频器延时30s启动后，同步启动音源播放音乐，PLC模仿量输入模块采集音频信号进行A/D转换后，输入到变频器模仿量输入端口，控制变频器输出频率，从而控制喷泉水柱高度随音乐节奏变化，同步音乐喷泉灯光系统也开始按预先设定好程序闪烁。当按下SB3按钮后，喷泉停止运营。
当按下SB2按钮后，延时10s后主水柱电机启动，运营10s后外圈水柱电机启动运营。喷泉按事先设定好程序循环运营。当按下SB3按钮后，喷泉停止运营。
4.5 本章小节
本章重要是音乐喷泉控制系统软件设计。一方面绘制出程序流程图，依照绘制出流程图分派I/O端口。然后依照流程图和I/O端口分派表开始运用GX Works编程软件编写梯形图程序，梯形图程序涉及音乐控制梯形图程序和固定运营梯形图程序两某些。并且对编写好梯形图程序进行仿真调试。最后对音乐喷泉控制系统进行整体调试。

第五章 总结与展望
5.1 总结
音乐喷泉设计涵盖专业非常广泛，涉及音乐分析、喷水、电气、通讯和自动控制等技术。因此说音乐喷泉是人们将科技与精神集于一体产物。
本文是关于音乐喷泉控制系统设计，该控制系统采用可编程控制器（PLC）对整个系统进行控制，用变频器实现喷泉变频控制。PLC是一种高可靠性控制装置，影响PLC控制系统可靠性重要因素是与PLC接口输入信号元件和输出执行元件，在编程过程中重要是弄清晰输入输出元件元件号以及它们在系统中作用，变频器变频调速是一种非常高效调速系统，变频调速应当注意变频器参数设立等问题。
本论文属于设计开发型课题，结合所学知识，以可编程控制器为基本，对音乐喷泉基本流程做了详细理解后，对喷泉控制系统进行设计。在设计过程中，基于教师指引、自我学习、向同窗学习，通过学习使