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1、毕业论文 变频器 可编程控制器在彩色音乐喷泉系统中的应用 引 言二十一世纪是一个快速发展的世纪，是一个生活节奏快速，生活压力较大，生活质量要求提高的世纪， 那么随着生活水平的不断提高，科学技术的不断发展和审美思维的创新，以及人们城市化生活方式的提高，彩色音乐喷泉在城市和社区环境建设中起着尤其重要的作用。因此以高新技术为主的各种新型水景工程：音乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影、超大瀑布、百米跑泉、跳跳泉等，都在我国相继出现。程控花式喷泉是将现代控制技术应用于人工喷泉，通过可编程序控制器(PLC)来控制喷泉的水姿变化，成为一种新的喷泉艺术形式。PLC作为一种自动控制器，包含有基本的软硬件资源。本文采
2、用了PLC控制技术，给出了PLC控制电路，水泵控制电路，彩灯控制电路。随着科学技术突飞猛进的发展，变频调速器技术正大步走进喷泉控制领域，发挥着不可替代的作用。通过变频调速技术对电泵进行调速，实现程序控制喷泉的高度，不仅能够进行多种水型切换，而且能控制喷泉水柱上下起伏。实现了对喷泉的水、光协调控制要实现喷水高度的连续控制，就必须能够调节喷头出水水压，而通过调节水泵转速可以达到平滑调节水压的目的。水泵由电机来驱动，通过调节电机转速可以实现以上的要求。三相异步电动机通入工频电源，转速是不变化,变频器是专门针对电机调速装置。选用变频器来实现对三相电机的控制。由音源输出音乐信号，通过音频控制板输出的可变
3、电压来控制变频器工作，进而实现控制水泵的转速，使水柱发生变化。LED灯用来显示喷泉的运行状态。喷泉在晚上运行时，会打开彩灯配合喷泉的花样。当变频器的控制电压为零时，变频器停止工作，水泵也会随之停止工作，达到关掉水泵的目的。 第一章 元器件选择 1.1 潜水泵的选择 根据喷泉的规模和设计要求，我们选择潜水泵的型号和数量，以及管路的口径，（以下案例为例） 图1 喷泉布置平面图根据场地大小确定喷泉有几组造型，再确定各种造型的管路的半径。再根据设计要求如；出水量 水型高度等确定每台水泵的型号1.2 PLC的选择 根据设计水泵的数量其他点位的需求本案例选择了20点的PLC1.3变频器的选择根据潜水泵的功
4、率大小，本案例是8台(4台音控，4台程控)，每台3KW所以选择的变频器为15KW.。1.4 交流接触器，热继电器的选择根据潜水泵电流的大小选择匹配的交流接触器和热继电器1.5 空气开关的选择 根据空气开关所带的负载和功能选择匹配的型号的空气开关1.6 音频转换器为专利产品第二章 工作原理2.1 变频器工作原理变频器的电源L1 L2 L3（见图2） 由控制柜中的空气开关或者交流接触器提供，变频器的U V W 输出到潜水泵电机，将变频器的信号输入端 11 12 13 分别接到音频转换器的输入端，并将X1 X2 X3 接到中间继电器的敞开触点，这样在音源（DVD VCD 电脑等）对音频转换器输出音乐
5、信号时，音频转换器会有一个5V-10V的电压信号作用于变频器，控制变频器输出频率在0HZ-50HZ之间变换，从而达到对潜水泵电机的转数的控制，由于电机的转数有变化，出水量就不一样，从而达到了管路中水的压力的不同，体现在管路中喷头喷出水柱的高低变化不同，也就达到了随音乐变化的效果。变频器具体设置参数为 2.1.1 加速时间，设置为0.1-0.8 可以使水柱柔和或者瞬间升起。2.1.2 减速时间，设置为0.1-0.8 可以使水柱柔和或者瞬间降落。2.1.3 上限频率，根据喷泉水柱的高度要求可以设置为50HZ以内的任何频率数值。2.1.4 下限频率，根据喷泉水柱的最低高度要求可以设置为50HZ以内的
6、任何频率数值。2.1.5 LED监视选择，可以根据实际需要和监视习惯选择想要监视的运行参数显示。2.1.6 多步频率设定，可以根据设计和视觉效果对变频器的频率设计几个固定值，在PLC程序的控制下能够达到更多的造型组合，以便达到更强的视觉冲击效果。 图2 变频器的电路连接图2.1.7 级数选择，根据电机的级数不同选择2或4.2.2 PLC工作原理PLC的种类繁多，但其结构和工作原理则大同小异，一般由中央处理单元(CPU)存储器，输入、输出单元，编程器，电源等主要部分组成。 PLC的工作过程是循环扫描的过程， 用户程序通过编程器或其它输入设备输入存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CP
7、U根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成备输入点的状态采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新、编程器健入响应和显示更新、及CPU自检等功能。PLC的扫描可按固定顺序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行。这不仅仅因为有的程序丕需要每扫描一次，执行一次，也因为在一个大控制系统中，需要处理的I/O点数较多。通过不同的组织模块的安排，采用分时分批扫描执行的方法，可缩短扫描周期和提高控制的实时相应性。PLC采用集中采样、集中输出的方式，减少了外界干扰的影响。PLC的工作过程分三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。如图（3）所示。2.2.1 输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首
8、先扫描所有的输入端子，将各输入存入内存中各对应的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论信号如何变化其内容不变直到下一扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输出入端的新内容。 图3 PLC扫描工作过程2.2.2 程序执行阶段根据PLC梯形图程序的扫描原则，PLC按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态。从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，
9、运算结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说，每一个元件（输出软继电器的状态|）会随着程序执行过程而变化。2.2.3 输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，采用集中采样、集中输出的工作方式虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，系统的可靠性增强。而中大型PLC，输入输出点数较多，控制功能强，编制的用户程序相应较长，为了提高系统响应速度，可以采用定周期输入采样、输出刷新，直接输入采样、直接输出刷新
10、，中断输入输出和智能化I/O接口等方式。2.3 喷泉工作原理2.3.1 音乐控制在以上案例中有8台潜水泵，其中4台是变频器输出电源，4台是50HZ工频电源，也就是说其中4台泵受变频器控制。那么当喷泉运行开始音乐响起的时候，由音频转换器输出到变频器的5V-10V的信号作用于变频器，而与之对应的变频器的输出频率也在0HZ-50HZ之间变换，那么在喷泉现场的直观体现就是管路喷头喷出的水柱高低不同。2.3.2 自动控制 PLC有输入端子和输出端子，其中24V（见电气原理图）是PLC自身生成的，当24V分别通过中间继电器和P01 P02，等单独连接时，输出端也对应输出，这样就做到了手动运行。当24V和P
11、00（见附录梯形图）通过中间继电器连接时，PLC按照输入程序输出，也就是说所有输出点按程序开始运行， 图4 电气原理图 2.3.3 彩灯的控制 由图4 电气原理图可知，每一路彩灯的控制都由潜水泵的交流接触器来完成，也就是说当每一路潜水泵运行时，他所对应的彩灯都同时点亮，这样就做到了水和灯同步运行。第三章 音乐喷泉的控制系统组成一个喷泉工程有以下几大部分组成见图3.1 PLC PLC是整个喷泉系统中的CPU, 喷泉运行过程中各种水型的体现，各种灯光的配合，都是PLC发出指令由下一级电气元件去执行。3.2 中间继电器中间继电器起着承上启下的作用，PLC发出的指令由中间继电器转达到各个元器件去执行。
12、3.3 音乐信号处理系统音乐信号处理系统可以把音源传输来的信号放大转换成为0-10V的电压信号，然后把此信号传输给变频器。3.4 变频器变频器可以把380V 50HZ 的交流电从0HZ到50HZ变换输出，从而达到控制潜水泵电机的转数的目的。3.5 执行机构执行机构就是指最末端的潜水泵、彩灯、电磁阀等喷泉常用设备。第四章 结论 通过上述电路连接和功能设置，在音乐喷泉控制系统中便可以通过变频器来达到音乐效果。通过PLC程序控制来达到各种水型的变换和组合，再通过灯光的配合会给人以视觉上的冲击和美的享受。参考文献 1 丛福建资料来源:毕业设计(论文)网 吴军辉，田梦倩. 单片机制作的音乐喷泉控制器J.
13、 南京农专学报，2001，17（4），2 董玉岩资料来源:毕业设计(论文)网 于焕江. FRENIC5000G11S变频器在音乐喷泉控制系统中的应用J.电子元器件应用，2009，11（5），6061.3 吴建平资料来源:毕业设计(论文)网 鲁求荣.小型潜水电泵在喷泉水景中的应用J.排灌机械，2005，23（2），2931.2.1 4 刘丽 自动控制技术5 电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范 GB 5017-926 低压电器设计手册 周茂祥 机械工业出版社 致谢本论文是在导师李石平教授指导下完成的，在实验的指导和论文的批改等方面都倾注了大量的心血，在此致以诚挚的谢意。最后向所有给予我帮助的老师同学和朋友致以深深的谢意。15