机电一体化专业设计交流
??音乐喷水池,是将近年来产生的各种园林建筑艺术和花式观赏有机地融合的一个产品,它集声、光、色、形于融为一体,从而形成丰富多变的水体景观。本论文以声乐喷泉为研究对象,选择西门子系列S7-300PLC用作喷泉的控件,对声乐喷泉中的可编程控制器系统的一些问题进行了分析,阐述了可编程控制器系统的基本结构和工作原理,使用声控和变频器控制,实现了根据音乐特点,展现出不一样的音乐喷泉,增添了不一样的动感美。该系统设计大大改善提高了整个喷泉系统的自动化控制的性能,从而也真正有效的适应到了自动化实时喷泉控制系统的需求。
关键词:PLC;音乐喷泉;控制系统
??随着国民经济的增长和人民群众生活层次的提升,中国人民也日益重视城市人群居住条件的提高与完善,在现代城市设计和城市规划过程中,中国人民对游憩场地的建造有了越来越多的要求,而各类游憩广场、公园的建造也日趋完善,而利用音乐喷泉系统的音、光、水、色等组合产生的特殊效应作为现代都市中风景建筑的主要元素,目前国内外大、中型城市都已竞相建造了音乐喷泉系统,并逐步向小县城开发。目前许多商场或主题公园等都使用了艺术喷泉美观造型,以各种花样的音乐喷泉、多彩的灯饰和美妙的乐曲,构成了一个怡人的城市夜景从而吸引着游人,也因此音乐喷泉系统也越来越得到了推广和应用。
??音乐喷泉作为一个特殊的人工景点,所形成的景观效果也十分优美。在广场、宁静的湖泊、公园中设有一个音乐喷泉,将使原本静止的景色变为充满动感的景色,所形成的效应并非其他人工景观所能够比拟的。也正是这些因素,促进了对音乐喷泉的发展与研究[1].。
??本课题研究利用现代化的数控装置,来研发音乐喷泉控制器。第一,全面地运用现代PLC自动控制系统技术,研究设计和解决特定项目需求问题的自动控制程序。第二,通过变频器技术。由扬声器二段所能收集到的喷泉乐曲信号来作为变频控制的信号,去自动调整变频器输出的信号输出的频率,以便于调整变频泵输出的水泵转速,以更便于的达到控制喷泉水柱根据喷泉音乐节奏进行的变换。
??PLC是集成了工业自动化技术、计算机和通讯系统于一身的工业控制装置,相比于传统机械式的继电器控制系统,更多具有实现了编程操作简便,抗干扰保护能力强,维修简单等优势。设想一个用PLC为控制核心的音乐喷泉,有着良好的发展前景。
??在喷泉系统中,利用单片或微型计算机的控制原理,将可控硅作为大功率开关元器件,但由于可控硅耐受过电压、过电流的能力不足,所以无法长时间工作。而通过PLC就可以很有效快速的来解决了这个技术问题,同时,PLC控制器还同时具有了一个强大可靠的故障自诊断检测系统功能,可以更加快速和方便准确的发现检测监控系统所出的故障,减少了设备故障停机检查停机的准备时间,所以,可以更有效地保证检测监控系统装置和设备系统的运行正常与安全运行和设备工作的平稳与可靠、工作流畅,但也因为其成本较高。于是我们在本文案例分析中喷泉控制单元中就选择了采用了由西门子公司最新推出的三百系列S7-300PLC所组成的控制单元。[2]
图2-1喷泉布局图
??图2-1中的A组喷水管道范围内,有一组是喷水管道,该组喷水管道中所能喷出来的水柱数量均为这四组的喷水管道数中的最高,喷出的高度数也是这四组的喷水管道数中的最高的,高达8m。
??图2-1中的B组群喷水管道所在的区域内的一个圆周平面上共由八个群喷水管道所组成,这八组群的喷水在管道系统中其所能直接喷射而出的水柱直径约为比其中A组所喷射出的最大直径水柱直径高度略小,且其最大所能直接喷出水的直径高度也比A组所喷射水的最大直径高度略低,且其最大所能直接喷出水的最大直径高度约为6m。
??图中的C组喷水管群所在的一个大圆柱平面上共是由二十个喷水管群构成,而在这二个群组中所要喷出的水柱比B组喷出的水柱要小,所要喷的高度同样也要比低于B组的水柱要低,平均所要喷的高度同样也约为4m。
??图中,D组喷水管所在处的大圆柱上每组共由二三十只喷水管柱组成,但实际上该组中的喷水柱数量是在所有的四组柱中喷水柱数量的最小,且对其喷水柱高度要求也是最低限度的一组,所喷高度约为2m。由于在对每一个喷水管的同时进行工作观测时为了能够得到最好的工作观测的情况,可以同时分辨出四组所处要处喷出的水柱,使得其中的B组所处要处最小的每一个圆柱最小的半径分别均为R=2m,C组最小所处要处最小的每一个圆柱最小的半径分别均为R=4m,而使得其中的D组最小所处要处最小的每一个圆柱最小的半径均分别均为R=6m。
??本课题的实际研究工作过程设计中A组喷头所要设计喷射出的水柱高度分别设为8m,本课题实际的实际研究工作过程设计中四组莲蓬头所设计要设计喷射出的水柱高度分别应各设为2m和8m。本课题的最多时有A、B、C三个喷嘴一起抛出水柱,而最少时有二个喷嘴一起抛出水柱,所以最大流量约150-230m3/h。水质为自来水。
??本控制器还可充分发挥变频调速器的优点,为声音喷泉增光加彩它可把来自磁带CD、VCD、DVD等的音响信息,手动转换成变频调速器所需要的控制信息。输出信号和输入的音响讯号大小呈线性关系,从而使音乐喷泉的喷高随音信号大小而变化,声音、水花、彩灯等融为一体,仿佛上演了一段交响水诗。
??该控制器除以上将声音信息转换为模拟量信息的方法外,还能够在某点对声音信息进行开关量输出,并且还具有音频的肩动信号。而且该控制器不但可以控制变频器,同时还可以控制固态继电器。
(1)音控喷泉固态驱动接线图
??接入220V交流电压,可编程顺序控制器接入音乐喷泉控制器中,CD、DVD、MP3、VCD左右声道依次接入音乐喷泉控制器中,音乐喷泉控制器另一端并联固态继电器,固态继电器另一端连接电动机。
图2-2音控喷泉变频驱动接线图
(2)音控喷泉变频驱动接线图
??接入220V交流电压,CD、DVD、MP3、VCD左右声道依次接入音乐喷泉控制器中,音乐喷泉控制器另一端连接电动机。RST复位,GND接地。
图2-3音控喷泉变频驱动接线图
??说明:CD光盘和VCD光盘以及DVD光盘和MP三碟光盘的前后二声道音频的音频输入和输出的信号孔都是可以分别用来直通连接在音频控制器端子上的输入输出端子VL和输出端子VR,在音频输入输出讯号孔中没有任何小圆洞的情况特殊的情形下也是可以用来直通端子VL,VR,COM。
??可编程序控制器说明
1.数字化输入输出、LED数字显示器
2.可同时控制40路各种负载
3.一百步程序可任意设定循环步数
4.每步时间可自主选择、最小时间为零点二秒钟
5.手动一自动双功能,自由选择
6.水底灯光开关,可于白天一次性把所有水底灯光关断
7.进入和出口的信息光电分离,可靠性较高
8.五位密码锁保护,必须填写准确的密码设置后才能编制或更改程序
9.音乐启动程序(输出)功能,并添加了声音喷泉功能
图3-1音频控制系统图
?? 常见的是音乐喷泉的控制器,通常是由音响控制器、音乐喷泉的控制器以及灯光控制器等所组成。歌曲播放管理系统通常是由歌曲播放器、前置放大器、低功率放大器、监听音箱和声柱放大器等部分组成,多数用于管理用户通过多媒体PC机或直接使用多媒体上位机程序所播放到的歌曲,如图3-1所显示。
?? 喷泉控制系统一般由喷泉继电器、变频转换器、水泵、多功能阀门、万向喷嘴和供水管网等构成,当中喷泉水泵目前已通过变频调压技术,达到了水泵无级调压,可通过声音讯号的强弱变化及时调整水泵速度,而多功能阀门和万向喷嘴则由喷泉专门继电器控制,可通过设计程序完成各类图形和造型。
?? 音乐喷泉声调节器控制系统是集数字声音自动控制系统硬件技术、程序控制技术应用与现场智能控制管理技术于为一体的一种综合自动化控制管理装置,属于一种大型工程现场智能控制管理装置,其控制上位机系统大部分是使用多媒体工业PC机所构成,并同时可实现全程数码声控,可直接根据现场乐曲旋律、节拍的高低程度和现场声响变化的幅度大小和程度来控制整个音乐喷泉声系统,其主要电器控制器结构形式主要包括有以下三个类型:
?? (1)集中式控制
?? 集中式管理采用放射式结构,以充分满足集中式管理室离水池中心较靠近,规模相对较小,花型形状变化相对较少要求的音乐喷泉。
?? (2)现场总线式控制
?? 现场总线式是一个串行的数据通信链路,可以实现在喷泉现场上基本的控制装置和上层控制装置相互之间的联络,比如RS负四百八十五总线和CAN总线,现场总线式好处主要有:一个数据传输线上可以管理多个装置,控制系统简化,配置和维修方便;应用了数字通信工艺技术,抗干扰力量较强,精确度高;由于控制系统功能散布在喷泉现场上,大大增强了电控系统的安全可靠性与灵敏度。
?? (3)网络现场总线式控制
?? 网络系统现场总路架构与场景总线类似,但特性上更优越于它们,因为网络系统场景总线是分布式系统,电控装置的工作速率也较比快,满足了对喷泉实时控制的需求,稳定性也更佳;网络架构类型繁多,可同样选择总线型与放射型,或选择混合结构;而网上现场总线与现场总线主要区别,是前者选择了专门的网络操作系统,、以实现在互联网中不同系统间的交叉使用。另外歌曲喷泉系统中还有灯光系统,在此将不再详细介绍,从上述可以看出音乐艺术喷泉系统是集声、光、电为一身的复杂的建筑系统。
?? 从20世纪60时代中期开始,PLC生产就在发电、冶金、油田化工机械仪表产品等电子产品技术在中国整个电子工业技术的历史发展演变过程中始终都是在积极发挥作用并在产生一些显著作用和一些重要技术方面产生的积极的影响,尤其是特别的是中国在过去近二十多年中的近二十多来年间由于对中国的现代工业电子计算机科学技术水平的迅速进步和提高,以及中国现代的电子信息技术事业得到的不断的迅速的发展,日益以成倍地大幅度拓展了产品的实际应用和功能范围和日益以成倍大幅度地大幅度降低了产品的国内市场售价,使我国现代PLC、通讯与连接自动化技术、过程管理系统软件开发等技术都迅速得到了的很大程度的发展,并使PLC的商业应用变为了可能。
?? PLC的好处众多,主要包括:编程方式简便易懂;功能强大、特性价值比高;软硬件功能搭配完整、用户使用简便、环境适应性强;安全性高、抗干扰力量强;控制系统的工程设计、装配、调试运行费用,工程量较小;维修操作量较低、维修方式简单;控制系统体积小、功耗低。同时,PLC控制系统在所有工业生产管理部门的应用范围内都进行了推广[7]。
此项目中选用了西门子三百系列的PLC为主要控件。S7-300PLC则是中型的PLC,它可以应用在全行各业,不同场所中的自动检测、监控和管理等。S7-300PLC的强大功能使它不论是在单机工作,还是内连成联网均可完成复杂的管理操作。由于S7-300PC可提多个CPU可供选择应用,而且体积较小,功能强大、安全性较高,可操作性强和可持续性好的优点采用变更喷泉的程序或变更方式选择开关,就能够变更花式喷泉的喷水规则,进而变更出许多花样,同时,PLC还带有强劲的自检测功能,可以迅速方便的检测出故障,大大减少了检测时间,从而保证了系统的安全可靠,而且比较稳定。
?? 乐曲喷泉专门变频仪,主要产品应用在了康沃CVF-P2-4T0370以及CVF-P2 -4T0150乐曲喷泉专门的变频仪,其的监控图如图3—2显示。
图3-2变频器控制图
?? 用于完成对音乐喷泉控制系统的电脑监控,专门设计的电脑连接电路可以如图中三负三所显示。音频输入、输出信息和副边的控制信息可以通过A/D,D/A的数据板进出电脑。接口板共提供了十路单控制端口的采集信道。其稳定性可以达到士百分之零点零三的准确度和十二位的高分辩度。另外,该板还具有5个12位数分辩率的模拟输出信道,可接入微机扩充槽,并进行与PC总线上交流数据。还针对实际工程项目中的控制点数而工程设计了D/D通路,内容主要涉及光电隔离器件和防护集成电路等。本项目还将通过中断方法解决采集与即时监控。目前使用的机器是三百八十六工控机。
图3-3计算机接口电路
?? 音乐喷泉的基本图形为3个圆形,分外、中、内三圈,外环由一台大型水泵操控,中圈由第2台大型水泵操控,内圈则由第3台大型水泵操控。当在变频器中一接上供电后,一台泵应以较低须量来进行工作,且应以没有水或才有刚开始冒露出来的水喷头时为宜。当音乐再次响起之时,KA1闭合后,最右外圈的喷头也开始自动喷水并且第1组彩灯也随之开始点亮。
?? 随音乐讯号逐渐增强时,当KA四闭合后,KM2得电源并完成了自锁,同时第2台自动水泵也在前一台自来水泵的基本上开始运行,同时外环和中圈的喷头也都开启工作,另外一、二组的彩灯也已开启点亮。当KA四断开时,第乙台自动泵随一台自来水泵继续上班,而第二套彩灯则终止了上班。在乐曲高潮达至了最高潮时,KA6接通得了电时,KM3接通得了电时并自动泵完成得了触头,同时随着在第三台自动泵和在第一、二台中自动泵的基本上同时启动和运作,所有的喷口灯和彩灯也都同时已完成启动和工作,并且点亮。当KA六断开电源时,第三台自动泵将随第1、上台自动泵继续上班,而第三组彩灯则终止上班。
?? 该乐曲喷泉的标高随乐曲信息的增加而逐步增大的时候,投放运营的水底灯和水型也就越多,乐曲喷泉也显示得更加丰富多彩和热闹,在乐曲喷泉标高随乐曲信息减少而逐步减小的时候,投放运营的水底灯和水型也就减少。这样,音乐喷泉就在音响和程序的操控下,与不同的水下灯光闪耀、变化,还有不同水型的高低起伏对应着,这都将给音乐喷泉增添了艺术观赏性和无尽的艺术美感。
?? 音乐喷泉的基本图形为3个圆形,分外、中、内三圈,外环由一台大型水泵操控,中圈由第2台大型水泵操控,内圈则由第3台大型水泵操控。
?? 当变频器一开始接上电源后,第一台变频水泵也就要开始在低频的启动状态下开始上班,并一定要保持以没有水和刚开始就冒了出来水的喷头状态为宜。在音乐再次响起之时,KA1闭合后,最靠右外零点五圈处的喷头也就会开始自动喷水并且第一组彩灯也会跟着开始亮。[6]
?? 随音乐信息的增加时,当KA四闭合后,KM2就位并完成了自锁,并且第2台自动水泵也在另一台自来水泵的地基上开启了运作,并且外环和中圈的喷嘴也都开启操作,并且一、二组的彩灯也纷纷点亮。而当KA四断开时,第乙台自动水泵也随一台自来水泵持续操作,而同样第2组彩灯也终止了操作。
?? 当乐曲达到高潮时,当KA六开通时,KM3就位并完成了自锁,同时第3台自动水泵也在一、两台自来水泵的基本上进行了运作,全部的喷嘴和彩灯均已启动操作并点亮。当KA六切断时,第3台自动水泵也随一、其台水泵持续操作,但第3组彩灯也终止了操作。
1、按下→动作一Y10动作→接触器KM得电并动作一变乐器接通电;
2、按下→X1动作→释放→接触器KM失电→将变频器断开供电;
3、按下→X2动态→动态→工作,并自锁一系统后开始加速运行;
4、按下→X3动作一Y四释放→解除自锁动作一系统启动减速停车;
5、当KA一接通一X五动作一Y三动作一RH端子接通→系统以第一档速工作;
6、当KA二连接一X六动作一Y二动作一RM端子连接一系统在第二档速工作;
7、当一KA三端子接通以每一X七动作当一Y一动作与每一RL端子接通当一系统动作以每一三档匀速运动;
8、与KA四通话一X十动作一Y一和Y二动作一RL和RM接通一系统在第四档速工作;
9、在KA五接通→动作一Y1和Y三动作→和RM连接→时系统以第五档速运行;
10.当KA六接通→动作一Y2和Y三动作一M和R阳接通→系统在第六档速运行;
11、当KA七开通,一X13操作一Y1、Y2、Y3操作一RL、当RM或RH开通,一系统以第老档速运行;
12、当X五动作一Y一年动作一第一组彩灯全部闪亮,并闪烁;
13、当X十动作一KM2.线圈得电并自锁以及当Y十四和Y十五动作一第一、二组彩灯共同亮和闪烁以及第一台自动化水泵运行;
14、当X十二动作一KM三线圈就位及完全自锁及Y14、Y15和Y十六动作→三组彩灯一同闪亮并闪烁及第三台自来水泵转动;
15、当变频器的报警信号输出端A与端B同时被接通,一X14动作→释放→接触器KM1失电→自动化变频器调速切断电源;
16、X十四动作→和Y12动作→蜂鸣器HA发声,指明方向灯光将L亮起后,进行声光报警;
17、在故障消除之后,按下→X4动作→动作一变频器的RES端子,接通→自动化变频器。
图3-4电气原理图
?? 梯形图是绘图设计时人们所能用到的种类最多的另一种计算机绘图的辅助设计编程语言,被许多人称誉其是一种仅次于现代PLC编程的世界上的第一编程语言。阶梯图和电器控制系统图中绘制的电气路线图内容非常之的相接近,具备了绘图清晰直观的与操作简单方便实用的这双重的优势,非常的方便快速的已被国内许多的工程电气技术人员们所广泛熟悉,非常之的适合于电力开关量逻辑管理。阶梯图形设计常又会被叫做阶梯电路图设计或程序,阶梯图形的设计成为程序。
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