機電一體化專業設計交流
??音樂噴水池,是將近年來產生的各種園林建筑藝術和花式觀賞有機地融合的一個產品,它集聲、光、色、形于融為一體,從而形成豐富多變的水體景觀。本論文以聲樂噴泉為研究對象,選擇西門子系列S7-300PLC用作噴泉的控件,對聲樂噴泉中的可編程控制器系統的一些問題進行了分析,闡述了可編程控制器系統的基本結構和工作原理,使用聲控和變頻器控制,實現了根據音樂特點,展現出不一樣的音樂噴泉,增添了不一樣的動感美。該系統設計大大改善提高了整個噴泉系統的自動化控制的性能,從而也真正有效的適應到了自動化實時噴泉控制系統的需求。
關鍵詞:PLC;音樂噴泉;控制系統
??隨著國民經濟的增長和人民群眾生活層次的提升,中國人民也日益重視城市人群居住條件的提高與完善,在現代城市設計和城市規劃過程中,中國人民對游憩場地的建造有了越來越多的要求,而各類游憩廣場、公園的建造也日趨完善,而利用音樂噴泉系統的音、光、水、色等組合產生的特殊效應作為現代都市中風景建筑的主要元素,目前國內外大、中型城市都已競相建造了音樂噴泉系統,并逐步向小縣城開發。目前許多商場或主題公園等都使用了藝術噴泉美觀造型,以各種花樣的音樂噴泉、多彩的燈飾和美妙的樂曲,構成了一個怡人的城市夜景從而吸引著游人,也因此音樂噴泉系統也越來越得到了推廣和應用。
??音樂噴泉作為一個特殊的人工景點,所形成的景觀效果也十分優美。在廣場、寧靜的湖泊、公園中設有一個音樂噴泉,將使原本靜止的景色變為充滿動感的景色,所形成的效應并非其他人工景觀所能夠比擬的。也正是這些因素,促進了對音樂噴泉的發展與研究[1].。
??本課題研究利用現代化的數控裝置,來研發音樂噴泉控制器。第一,全面地運用現代PLC自動控制系統技術,研究設計和解決特定項目需求問題的自動控制程序。第二,通過變頻器技術。由揚聲器二段所能收集到的噴泉樂曲信號來作為變頻控制的信號,去自動調整變頻器輸出的信號輸出的頻率,以便于調整變頻泵輸出的水泵轉速,以更便于的達到控制噴泉水柱根據噴泉音樂節奏進行的變換。
??PLC是集成了工業自動化技術、計算機和通訊系統于一身的工業控制裝置,相比于傳統機械式的繼電器控制系統,更多具有實現了編程操作簡便,抗干擾保護能力強,維修簡單等優勢。設想一個用PLC為控制核心的音樂噴泉,有著良好的發展前景。
??在噴泉系統中,利用單片或微型計算機的控制原理,將可控硅作為大功率開關元器件,但由于可控硅耐受過電壓、過電流的能力不足,所以無法長時間工作。而通過PLC就可以很有效快速的來解決了這個技術問題,同時,PLC控制器還同時具有了一個強大可靠的故障自診斷檢測系統功能,可以更加快速和方便準確的發現檢測監控系統所出的故障,減少了設備故障停機檢查停機的準備時間,所以,可以更有效地保證檢測監控系統裝置和設備系統的運行正常與安全運行和設備工作的平穩與可靠、工作流暢,但也因為其成本較高。于是我們在本文案例分析中噴泉控制單元中就選擇了采用了由西門子公司最新推出的三百系列S7-300PLC所組成的控制單元。[2]
圖2-1噴泉布局圖
??圖2-1中的A組噴水管道范圍內,有一組是噴水管道,該組噴水管道中所能噴出來的水柱數量均為這四組的噴水管道數中的最高,噴出的高度數也是這四組的噴水管道數中的最高的,高達8m。
??圖2-1中的B組群噴水管道所在的區域內的一個圓周平面上共由八個群噴水管道所組成,這八組群的噴水在管道系統中其所能直接噴射而出的水柱直徑約為比其中A組所噴射出的最大直徑水柱直徑高度略小,且其最大所能直接噴出水的直徑高度也比A組所噴射水的最大直徑高度略低,且其最大所能直接噴出水的最大直徑高度約為6m。
??圖中的C組噴水管群所在的一個大圓柱平面上共是由二十個噴水管群構成,而在這二個群組中所要噴出的水柱比B組噴出的水柱要小,所要噴的高度同樣也要比低于B組的水柱要低,平均所要噴的高度同樣也約為4m。
??圖中,D組噴水管所在處的大圓柱上每組共由二三十只噴水管柱組成,但實際上該組中的噴水柱數量是在所有的四組柱中噴水柱數量的最小,且對其噴水柱高度要求也是最低限度的一組,所噴高度約為2m。由于在對每一個噴水管的同時進行工作觀測時為了能夠得到最好的工作觀測的情況,可以同時分辨出四組所處要處噴出的水柱,使得其中的B組所處要處最小的每一個圓柱最小的半徑分別均為R=2m,C組最小所處要處最小的每一個圓柱最小的半徑分別均為R=4m,而使得其中的D組最小所處要處最小的每一個圓柱最小的半徑均分別均為R=6m。
??本課題的實際研究工作過程設計中A組噴頭所要設計噴射出的水柱高度分別設為8m,本課題實際的實際研究工作過程設計中四組蓮蓬頭所設計要設計噴射出的水柱高度分別應各設為2m和8m。本課題的最多時有A、B、C三個噴嘴一起拋出水柱,而最少時有二個噴嘴一起拋出水柱,所以最大流量約150-230m3/h。水質為自來水。
??本控制器還可充分發揮變頻調速器的優點,為聲音噴泉增光加彩它可把來自磁帶CD、VCD、DVD等的音響信息,手動轉換成變頻調速器所需要的控制信息。輸出信號和輸入的音響訊號大小呈線性關系,從而使音樂噴泉的噴高隨音信號大小而變化,聲音、水花、彩燈等融為一體,仿佛上演了一段交響水詩。
??該控制器除以上將聲音信息轉換為模擬量信息的方法外,還能夠在某點對聲音信息進行開關量輸出,并且還具有音頻的肩動信號。而且該控制器不但可以控制變頻器,同時還可以控制固態繼電器。
(1)音控噴泉固態驅動接線圖
??接入220V交流電壓,可編程順序控制器接入音樂噴泉控制器中,CD、DVD、MP3、VCD左右聲道依次接入音樂噴泉控制器中,音樂噴泉控制器另一端并聯固態繼電器,固態繼電器另一端連接電動機。
圖2-2音控噴泉變頻驅動接線圖
(2)音控噴泉變頻驅動接線圖
??接入220V交流電壓,CD、DVD、MP3、VCD左右聲道依次接入音樂噴泉控制器中,音樂噴泉控制器另一端連接電動機。RST復位,GND接地。
圖2-3音控噴泉變頻驅動接線圖
??說明:CD光盤和VCD光盤以及DVD光盤和MP三碟光盤的前后二聲道音頻的音頻輸入和輸出的信號孔都是可以分別用來直通連接在音頻控制器端子上的輸入輸出端子VL和輸出端子VR,在音頻輸入輸出訊號孔中沒有任何小圓洞的情況特殊的情形下也是可以用來直通端子VL,VR,COM。
??可編程序控制器說明
1.數字化輸入輸出、LED數字顯示器
2.可同時控制40路各種負載
3.一百步程序可任意設定循環步數
4.每步時間可自主選擇、最小時間為零點二秒鐘
5.手動一自動雙功能,自由選擇
6.水底燈光開關,可于白天一次性把所有水底燈光關斷
7.進入和出口的信息光電分離,可靠性較高
8.五位密碼鎖保護,必須填寫準確的密碼設置后才能編制或更改程序
9.音樂啟動程序(輸出)功能,并添加了聲音噴泉功能
圖3-1音頻控制系統圖
?? 常見的是音樂噴泉的控制器,通常是由音響控制器、音樂噴泉的控制器以及燈光控制器等所組成。歌曲播放管理系統通常是由歌曲播放器、前置放大器、低功率放大器、監聽音箱和聲柱放大器等部分組成,多數用于管理用戶通過多媒體PC機或直接使用多媒體上位機程序所播放到的歌曲,如圖3-1所顯示。
?? 噴泉控制系統一般由噴泉繼電器、變頻轉換器、水泵、多功能閥門、萬向噴嘴和供水管網等構成,當中噴泉水泵目前已通過變頻調壓技術,達到了水泵無級調壓,可通過聲音訊號的強弱變化及時調整水泵速度,而多功能閥門和萬向噴嘴則由噴泉專門繼電器控制,可通過設計程序完成各類圖形和造型。
?? 音樂噴泉聲調節器控制系統是集數字聲音自動控制系統硬件技術、程序控制技術應用與現場智能控制管理技術于為一體的一種綜合自動化控制管理裝置,屬于一種大型工程現場智能控制管理裝置,其控制上位機系統大部分是使用多媒體工業PC機所構成,并同時可實現全程數碼聲控,可直接根據現場樂曲旋律、節拍的高低程度和現場聲響變化的幅度大小和程度來控制整個音樂噴泉聲系統,其主要電器控制器結構形式主要包括有以下三個類型:
?? (1)集中式控制
?? 集中式管理采用放射式結構,以充分滿足集中式管理室離水池中心較靠近,規模相對較小,花型形狀變化相對較少要求的音樂噴泉。
?? (2)現場總線式控制
?? 現場總線式是一個串行的數據通信鏈路,可以實現在噴泉現場上基本的控制裝置和上層控制裝置相互之間的聯絡,比如RS負四百八十五總線和CAN總線,現場總線式好處主要有:一個數據傳輸線上可以管理多個裝置,控制系統簡化,配置和維修方便;應用了數字通信工藝技術,抗干擾力量較強,精確度高;由于控制系統功能散布在噴泉現場上,大大增強了電控系統的安全可靠性與靈敏度。
?? (3)網絡現場總線式控制
?? 網絡系統現場總路架構與場景總線類似,但特性上更優越于它們,因為網絡系統場景總線是分布式系統,電控裝置的工作速率也較比快,滿足了對噴泉實時控制的需求,穩定性也更佳;網絡架構類型繁多,可同樣選擇總線型與放射型,或選擇混合結構;而網上現場總線與現場總線主要區別,是前者選擇了專門的網絡操作系統,、以實現在互聯網中不同系統間的交叉使用。另外歌曲噴泉系統中還有燈光系統,在此將不再詳細介紹,從上述可以看出音樂藝術噴泉系統是集聲、光、電為一身的復雜的建筑系統。
?? 從20世紀60時代中期開始,PLC生產就在發電、冶金、油田化工機械儀表產品等電子產品技術在中國整個電子工業技術的歷史發展演變過程中始終都是在積極發揮作用并在產生一些顯著作用和一些重要技術方面產生的積極的影響,尤其是特別的是中國在過去近二十多年中的近二十多來年間由于對中國的現代工業電子計算機科學技術水平的迅速進步和提高,以及中國現代的電子信息技術事業得到的不斷的迅速的發展,日益以成倍地大幅度拓展了產品的實際應用和功能范圍和日益以成倍大幅度地大幅度降低了產品的國內市場售價,使我國現代PLC、通訊與連接自動化技術、過程管理系統軟件開發等技術都迅速得到了的很大程度的發展,并使PLC的商業應用變為了可能。
?? PLC的好處眾多,主要包括:編程方式簡便易懂;功能強大、特性價值比高;軟硬件功能搭配完整、用戶使用簡便、環境適應性強;安全性高、抗干擾力量強;控制系統的工程設計、裝配、調試運行費用,工程量較小;維修操作量較低、維修方式簡單;控制系統體積小、功耗低。同時,PLC控制系統在所有工業生產管理部門的應用范圍內都進行了推廣[7]。
此項目中選用了西門子三百系列的PLC為主要控件。S7-300PLC則是中型的PLC,它可以應用在全行各業,不同場所中的自動檢測、監控和管理等。S7-300PLC的強大功能使它不論是在單機工作,還是內連成聯網均可完成復雜的管理操作。由于S7-300PC可提多個CPU可供選擇應用,而且體積較小,功能強大、安全性較高,可操作性強和可持續性好的優點采用變更噴泉的程序或變更方式選擇開關,就能夠變更花式噴泉的噴水規則,進而變更出許多花樣,同時,PLC還帶有強勁的自檢測功能,可以迅速方便的檢測出故障,大大減少了檢測時間,從而保證了系統的安全可靠,而且比較穩定。
?? 樂曲噴泉專門變頻儀,主要產品應用在了康沃CVF-P2-4T0370以及CVF-P2 -4T0150樂曲噴泉專門的變頻儀,其的監控圖如圖3—2顯示。
圖3-2變頻器控制圖
?? 用于完成對音樂噴泉控制系統的電腦監控,專門設計的電腦連接電路可以如圖中三負三所顯示。音頻輸入、輸出信息和副邊的控制信息可以通過A/D,D/A的數據板進出電腦。接口板共提供了十路單控制端口的采集信道。其穩定性可以達到士百分之零點零三的準確度和十二位的高分辯度。另外,該板還具有5個12位數分辯率的模擬輸出信道,可接入微機擴充槽,并進行與PC總線上交流數據。還針對實際工程項目中的控制點數而工程設計了D/D通路,內容主要涉及光電隔離器件和防護集成電路等。本項目還將通過中斷方法解決采集與即時監控。目前使用的機器是三百八十六工控機。
圖3-3計算機接口電路
?? 音樂噴泉的基本圖形為3個圓形,分外、中、內三圈,外環由一臺大型水泵操控,中圈由第2臺大型水泵操控,內圈則由第3臺大型水泵操控。當在變頻器中一接上供電后,一臺泵應以較低須量來進行工作,且應以沒有水或才有剛開始冒露出來的水噴頭時為宜。當音樂再次響起之時,KA1閉合后,最右外圈的噴頭也開始自動噴水并且第1組彩燈也隨之開始點亮。
?? 隨音樂訊號逐漸增強時,當KA四閉合后,KM2得電源并完成了自鎖,同時第2臺自動水泵也在前一臺自來水泵的基本上開始運行,同時外環和中圈的噴頭也都開啟工作,另外一、二組的彩燈也已開啟點亮。當KA四斷開時,第乙臺自動泵隨一臺自來水泵繼續上班,而第二套彩燈則終止了上班。在樂曲高潮達至了最高潮時,KA6接通得了電時,KM3接通得了電時并自動泵完成得了觸頭,同時隨著在第三臺自動泵和在第一、二臺中自動泵的基本上同時啟動和運作,所有的噴口燈和彩燈也都同時已完成啟動和工作,并且點亮。當KA六斷開電源時,第三臺自動泵將隨第1、上臺自動泵繼續上班,而第三組彩燈則終止上班。
?? 該樂曲噴泉的標高隨樂曲信息的增加而逐步增大的時候,投放運營的水底燈和水型也就越多,樂曲噴泉也顯示得更加豐富多彩和熱鬧,在樂曲噴泉標高隨樂曲信息減少而逐步減小的時候,投放運營的水底燈和水型也就減少。這樣,音樂噴泉就在音響和程序的操控下,與不同的水下燈光閃耀、變化,還有不同水型的高低起伏對應著,這都將給音樂噴泉增添了藝術觀賞性和無盡的藝術美感。
?? 音樂噴泉的基本圖形為3個圓形,分外、中、內三圈,外環由一臺大型水泵操控,中圈由第2臺大型水泵操控,內圈則由第3臺大型水泵操控。
?? 當變頻器一開始接上電源后,第一臺變頻水泵也就要開始在低頻的啟動狀態下開始上班,并一定要保持以沒有水和剛開始就冒了出來水的噴頭狀態為宜。在音樂再次響起之時,KA1閉合后,最靠右外零點五圈處的噴頭也就會開始自動噴水并且第一組彩燈也會跟著開始亮。[6]
?? 隨音樂信息的增加時,當KA四閉合后,KM2就位并完成了自鎖,并且第2臺自動水泵也在另一臺自來水泵的地基上開啟了運作,并且外環和中圈的噴嘴也都開啟操作,并且一、二組的彩燈也紛紛點亮。而當KA四斷開時,第乙臺自動水泵也隨一臺自來水泵持續操作,而同樣第2組彩燈也終止了操作。
?? 當樂曲達到高潮時,當KA六開通時,KM3就位并完成了自鎖,同時第3臺自動水泵也在一、兩臺自來水泵的基本上進行了運作,全部的噴嘴和彩燈均已啟動操作并點亮。當KA六切斷時,第3臺自動水泵也隨一、其臺水泵持續操作,但第3組彩燈也終止了操作。
1、按下→動作一Y10動作→接觸器KM得電并動作一變樂器接通電;
2、按下→X1動作→釋放→接觸器KM失電→將變頻器斷開供電;
3、按下→X2動態→動態→工作,并自鎖一系統后開始加速運行;
4、按下→X3動作一Y四釋放→解除自鎖動作一系統啟動減速停車;
5、當KA一接通一X五動作一Y三動作一RH端子接通→系統以第一檔速工作;
6、當KA二連接一X六動作一Y二動作一RM端子連接一系統在第二檔速工作;
7、當一KA三端子接通以每一X七動作當一Y一動作與每一RL端子接通當一系統動作以每一三檔勻速運動;
8、與KA四通話一X十動作一Y一和Y二動作一RL和RM接通一系統在第四檔速工作;
9、在KA五接通→動作一Y1和Y三動作→和RM連接→時系統以第五檔速運行;
10.當KA六接通→動作一Y2和Y三動作一M和R陽接通→系統在第六檔速運行;
11、當KA七開通,一X13操作一Y1、Y2、Y3操作一RL、當RM或RH開通,一系統以第老檔速運行;
12、當X五動作一Y一年動作一第一組彩燈全部閃亮,并閃爍;
13、當X十動作一KM2.線圈得電并自鎖以及當Y十四和Y十五動作一第一、二組彩燈共同亮和閃爍以及第一臺自動化水泵運行;
14、當X十二動作一KM三線圈就位及完全自鎖及Y14、Y15和Y十六動作→三組彩燈一同閃亮并閃爍及第三臺自來水泵轉動;
15、當變頻器的報警信號輸出端A與端B同時被接通,一X14動作→釋放→接觸器KM1失電→自動化變頻器調速切斷電源;
16、X十四動作→和Y12動作→蜂鳴器HA發聲,指明方向燈光將L亮起后,進行聲光報警;
17、在故障消除之后,按下→X4動作→動作一變頻器的RES端子,接通→自動化變頻器。
圖3-4電氣原理圖
?? 梯形圖是繪圖設計時人們所能用到的種類最多的另一種計算機繪圖的輔助設計編程語言,被許多人稱譽其是一種僅次于現代PLC編程的世界上的第一編程語言。階梯圖和電器控制系統圖中繪制的電氣路線圖內容非常之的相接近,具備了繪圖清晰直觀的與操作簡單方便實用的這雙重的優勢,非常的方便快速的已被國內許多的工程電氣技術人員們所廣泛熟悉,非常之的適合于電力開關量邏輯管理。階梯圖形設計常又會被叫做階梯電路圖設計或程序,階梯圖形的設計成為程序。
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