基于PLC和变频器的音乐喷泉控制系统设计
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基于PLC和变频器的音乐喷泉控制系统设计
作者：吴慧君吴文兵
来源：《电子技术与软件工程》2015年第17期
摘要
本文主要介绍了一种用可编程控制器和PLC实现音乐喷泉实时控制的方法，详细介绍了音乐喷泉控制系统的控制要求，硬件设计及软件编程。
【关键词】可编程控制器变频器音乐喷泉控制系统
音乐喷泉将音乐和喷泉喷发有机结合，喷泉根据音频信号做各种花式变换，给人以美的感受。
目前，音乐喷泉的控制方法越多，继电器或电磁阀控制是最常用的控制方法。
这两种方法都不能对电动机或其它控制阀进行调速，所以反应速度较慢，同步性差。
本设计中采用变频调速来控制电动机，从而使电磁阀和继电器快速响应，实现喷泉的实时控制。
1 音乐喷泉的控制要求
音乐喷泉控制内容包括乐曲播放、水型控制和彩灯控制。
乐曲播放控制。
由计算机播放器播放乐曲，通过功率放大器将所选乐曲分两路输出。
一路输出到音响设备，另一路输出到A/D转换模块。
输出到音响设备可完成音乐播放，输出到
A/D转换模块的信号经采样传送到PLC（可编程控制器），作为控制灯光和水型的原始信号。
1.1 水型控制
当乐曲播放时，水型会同步演示。
乐曲播放时经采样得到的数字信号再用PLC转换成实数，与PLC内部设定的采样值范围进行比较，比较后得到的信号用来控制变频器高、中、低三个控制端的开关量，调节变频器的7个频段，最终控制潜水泵的转速。
1.2 彩灯控制
与水型控制类似，音乐信号经处理后得到的采样值范围信号也用来控制水下彩灯的动作，使彩灯变化与音乐和喷泉喷发同步。
2 系统的硬件设计
2.1 整体设计
硬件系统主要由PLC、A/D转换模块、变频器、潜水泵和彩灯组成。
如图1，电脑播放器和功率放大器及音响用来播放乐曲；A/D转换模块完成对音乐信号的采集和模数转换；PLC用来对数字信号进行类型转换和比较，并用得到的信号控制变频器和彩灯；变频器用来控制谁潜水泵的喷发速度；彩灯和潜水泵通过PLC的控制进行各种花式变换。
2.2 PLC的选型
选择PLC型号之前首先需要确定输入和输出数量。
本设计中，根据PLC的I/O节点使用原则，不仅要满足现阶段控制要求，还要留出几个I/O点做扩展使用。
分析系统控制要求后，确定出系统输入输出点数主要有3类：
2.2.1 系统数字输入点数
本设计通过音频信号的大小来控制喷泉水柱高低，其数字输入量则仅需要满足系统启动、停止功能。
根据要求，选择两个输入点，即启动按钮和停止按钮。
2.2.2 系统模拟量输入点数
因需要将音频信号转化成数字信号，系统需采用一个A/D转换模块，设计一个模拟量输入点数。
2.2.3 系统数字量输出点数
系统数字量分为启动变频器开关量、变频器速度开关量和水下灯光输出。
这三种点数分别为5个、12个和7个，共计24个输出点。
根据输入点数和实际的工作需求，选择西门子公司的S7-200型CPU 226的PLC。
它具有指令丰富、内置集成功能扩展模块、有实时特性、通信能力好、可靠性高和性价比高的特点，有24个输入点，16个输出点，由于该设计需24个输出点，应再添加EM222扩展模块。
在本系统中，有一模拟量输入口，PLC再添加EM231模拟量输入模块。
2.3 变频器的选型
本设计中采用QS20-20、2-5.0喷泉专用泵。
根据负载要求，综合考虑实际情况，选择变频器型号为FR-S540。
2.4 控制系统电路
控制系统主电路包括变频器和潜水泵两个主要部分，变频器输入端STF、RL、RM、RH 分别与PLC相应输出相接，输出端接潜水泵，设置变频器参数为三段速外部控制模式后再调整相应参数即可使用。
控制电路主要为PLC的硬件接线，PLC的I/O地址分配表如表1。
3 系统的软件设计
当PLC运行时，PLC先进行参数初始化，并开始系统程序扫描。
按下启动按钮后，系统主程序将先读入7组设定数据并选择变频器，开始计时每0.6S读一次AIW0中的值，并将值存至累加器AC0中，用AC0与内部设定值比较，判断具体调用哪个子程序，选择完子程序后，运行子程序，结束。
图2是主程序流程图。
在主程序流程中，选择变频器时，通过加法指令将C0+3存入寄存器VW200中，C0按计数器设定值递增；再用除法指令将VW200除以4，将结果存入VD500中；运算得出VW500中所存余数，余数为0时，选择变频器1；为1时，选择变频器2；为2时，选择变频器3；为3时，选择变频器4。
图3为变频器选择流程图。
当累加器和内部设定值比较后，根据结果选择调用7个子程序中的一个。
7个子程序流程类似，每调用一子程序，对应的将数据输出到四个变频器，四个变频器组成一循环过程，动作相差0.6S，这样就可实现对用喷水高低表达音乐旋律变化。
参考文献
[1]陈金艳，王浩.可编程控制器技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]张君艳，机电系统技术-模块化生产系统及PLC[M].北京：清华大学出版社，2012.
作者单位
潍坊工程职业学院山东省青州市 262500。
