1、毕业设计 （ 论文 ）题 目 基于 PLC 的音乐喷泉 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（20113264 ） 指导教师 李林 职 称 工程师 高科学院2015 年摘 要摘 要音乐喷泉是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物 ，它集合声、光、色、形于一体，并产生千变万化的水景。随着可编程控制器的迅速发展，音乐喷泉对控制系统的要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需要用可编程控制器来实现。本课题结合任务书的要求，以音乐喷泉为研究对象，采用三菱 PLC作为喷泉的控制器。设计的控制方式有两种：一种是固定程序运行方式。是按事先设计好的步骤一步
2、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的中断程序采集播放音乐的音频信号，PLC 对采集的音频信号进行标准化算法，将运算的数据转换成模拟量，通过模拟量输出口输出去控制变频器的输出频率，从而控制水泵转速，达到控制喷泉水柱的高低跟随音乐强弱的变化。本次设计对音乐喷泉控制系统的总体功能进行了分析，并且对可编程控制技术、变频控制技术的应用、发展趋势作了简要介绍，以及音乐喷泉控制总体设计方案、电气系统的整体设计和 PLC程序设计思路、变频参数设置。本次设计改善了音乐喷泉系统的控制品质，提高了音乐喷泉控制系统的稳定性。关键词：音乐喷泉，控制系统，可编程控制器，变频器ABSTRA
3、CTABSTRACTIn 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
4、 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
5、 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 al
6、gorithm, 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 systems overall function
7、 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
8、 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 录目 录第 1章 绪论 11.1 音乐喷泉的发展现状11.2 本文主要研究内容及意义31.3 本章小结3第 2章 PLC 音乐喷泉控制系统方案确定42.1 音乐喷泉控制系统设计要求42.2 音乐喷泉控制系统方案选择52
9、.3 本章小结6第3章 音乐喷泉控制系统硬件设计73.1 PLC的选型73.2 变频器的选型83.2.1 变频调速原理93.2.2 变频器参数设置133.3 音乐喷泉控制系统总电路设计及工作原理分析153.4 本章小结17第4章 音乐喷泉控制系统软件设计184.1 系统程序流程图184.2 系统 I/O端口分配表184.3 系统程序设计 194.3.1 梯形图程序设计194.3.2 指令表程序转换21目 录 4.3.3 控制程序调试244.4 系统整体调试264.5 本章小结27第5章 总结与展望285.1 总结285.2 展望28致谢30参考文献312015届电气工程及其自动化专业毕业设计（
10、论文）1第 1 章 绪论1.1 音乐喷泉的发展现状音乐喷泉是一种独特的人工景观，具有很大的观赏价值，通常用于大型广场、宽广的湖面、主题公园等。喷泉的形态、声音、色彩形成了一道人工的自然景观，同周围的自然环境、建筑环境交相辉映，给原环境增添了无限生机。给由钢筋混泥土组成的城市增添了自然气息，改善了城市环境的质量，为人们提供良好的聚集、散步、休闲的室外环境。由于人们对生活环境高的要求，已使音乐喷泉发展成为一种产业 1。目前，我国生产音乐喷泉的公司有上百家，一些公司有很强的实力，国内比较著名的公司有：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
11、接各类大型音乐喷泉等，从工程设计到制作、安装、调试提供一套完善的服务体系。但从实际使用的情况来看我国音乐喷泉公司生产的音乐喷泉同国外相比，其水平和质量还是有不小的差距。原因是水型和灯光实时跟踪音乐的“四大要素” （水、声、光、电）没有处理好 2。我国现有的音乐喷泉在音乐节奏、强弱、节奏性、协调性、音乐内涵的表现等方面还存在不足之处。目前，国内外的音乐喷泉都只能演奏几首歌曲，这是因为音乐喷泉表演程序的设计、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的科技成果，集音乐控制、程序控制、人工智能于一体的工业现场控制系统。它的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
12、音控，自行识别乐曲旋律、节奏、乐感和音频的强弱。该系统是音乐喷泉在控制设备的指挥下，跟随乐曲旋律不断变化水型，并与音乐同步 15。喷泉的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邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计2机作为控制核心。其电气设备包括水泵、灯光、音响、变频器等。一个音乐喷泉艺术效果的表现力不仅与音乐喷泉的整体造型、喷头的空间造型、水泵的功率等硬件因素有关，还与喷泉的程序控制水平有关。硬件是音乐喷泉的基础，程序控制是音乐喷泉变化的灵魂。从德国人 20世纪发明音乐喷泉到现在已有几十年的历史了，随着科学技术的飞速发展，音乐喷泉系统的控制水平和科技含量也越来越高，控制方法
13、也越来越多。现将主要的集中控制技术总结如下 1： （1）程序控制 程序控制是利用预先编写好的计算机程序来控制喷泉的水形和灯光，使水形和灯光产生不同的变化效果，整个系统通过计算机操作界面控制和显示，可以实现多个程序的随机执行，系统反应快、灵敏度高，能够承受一定的压力和撞击，系统采用模块化结构，便于维护和升级。但是对于音乐特征的识别需要人工完成，即由设计人员对乐曲进行特征提取，编辑处理。这使得系统曲目受到限制，如有新的乐曲加入就需要操作员重新编程处理，会带来很大的工作量。 （2）实时声控 实时声控控制方式是目前国内绝大多数音乐喷泉设备公司采用的控制手段，它可以自动识别和响应任何音频信号，与程控方式
14、相比，它省去了预先的编程过程，节约了成本，但这种控制方式也存在一些问题，首先，水型动作要比音乐滞后，喷泉动作与音乐不协调，其次，水型的出现组合与出现时间的长短是固定的，不论任何曲目，都会出现表演水型与音乐所表达的情感不一制。使人听觉感受和视觉感受不协调。第三，乐曲的情感段落与水型变化的时间不符，而且千篇一律。（3）预编程控制 预编程控制是根据某一首乐曲的情感和意境，人工编制各种水型、动作、灯光、水泵的开启和关闭，使喷泉的表演与音乐的情感和意境相吻合。此功能在控制技术、计算机技术、通信技术方面有一定的综合难度。2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）3（4）变频控制 音乐喷泉变频控制是众
15、多控制系统中的一种。随着先进的控制理论和方法在喷泉控制系统中的应用，喷泉的控制系统不断的完善和升级，其中变频技术在喷泉控制系统中的应用也逐渐成熟，并逐步发展为水泵调速控制的主要方式。变频控制系统的应用会给大型音乐喷泉增色很多，可以使音乐喷泉的喷射高度随音乐信号大小变化，使音乐、水花、灯光融为一体，演出一场交响水诗。因而音乐喷泉变频调速技术具有广阔的应用前景。1.2 课题研究的内容及意义音乐喷泉作为一种独特的人工景观，其产生的景观效果非常美丽。在广场、平静的湖面、公园设置一个音乐喷泉，将使原来静态的景观变成动态的景观，其产生的效果不是其他人工景观可以比拟的。正是这种原因推动了音乐喷泉的发展和研究
16、 3。本课题采用先进的控制设备，来研究音乐喷泉控制系统。第一，采用PLC控制技术，研究设计符合项目要求的控制程序。第二，采用变频技术。从扬声器两段采集的音频信号作为控制信号，去控制变频器的输出频率，控制水泵的转速，从而达到喷泉水柱根据音乐节奏变化。在设计中，要解决的问题主要有：水泵电机间歇工作所产生的瞬间电压波动和干扰；变频的高频大电流抑制；工程的造价及设备的性价比；同时还要考虑控制系统的可靠性和扩展性。1.3 本章小结本章主要对音乐喷泉的发展现状做了简单的介绍，以及音乐喷泉控制系统现有的四种控制技术（程序控制、实时声控、预编程控制、变频控制）。介绍了本课题的研究内容和意义和在设计中要解决的主
17、要问题等。邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计42015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）5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要求本次音乐喷泉建立在面积为 20 的广场上。整个音乐喷泉的平面示2M意图如图 2.1所示。该音乐喷泉由中心区和围绕中心区的一个环构成。中心区是由一个喷头控制的最大高度为 15M的主水柱，由一台 7.5kw的潜水泵和三菱 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。另外中心区和外层之间有红、黄、绿3种彩灯共 17盏。Y 1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6Y 7Y
18、8 Y 0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的输入信号，经 PLC处理后控制变频器的运行，从而控制水泵的转速和彩灯的变换实现音控。（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，首先主水柱运行，延时 20s后外圈水柱运行，延时 20s后主水邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计6柱停止，外圈水柱停止，延时 20s后主水柱、外圈水柱同时运行。根据系统结构音乐喷泉系统能否可靠、
19、稳定的运行，取决于所采用的硬件设备和软件系统。为满足整个系统可靠、稳定运行的要求，音乐喷泉控制系统的设计应遵循以下原则 4：（1）系统硬件设备先进可靠，技术成熟，具有连接所需的不同参数信号的功能，与现场仪表及控制执行机构等设备的接口规范，系统结构简单。（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，操作简单，系统运行稳定。（4）整个系统技术先进，性能可靠，使用方便，能够实现对音乐喷泉系统的控制和管理。2.2 音乐喷泉控制系统方案选择本次音乐喷泉控制系统的设计方案主要有两种可供选择，方案一： 控制系统是由单片机、延迟放大电
20、路、光电隔离电路及电磁阀和变频器组成, 该控制方案是通过对音乐信号的处理,将其转换成汇编程序存入单片机, 使单片机唱歌,而且在改程序之中还 加入其他控制语句。单片机还需喷泉中的电磁阀和变频器的动作及灯光的变化,其中电磁阀对喷头控制原理是：预先根据设计的花形种类和变化方式,通过对电磁阀的开闭进行组合,编制不同的控制字制成表存入单片机,当单片机执行程序时,通过查表的方式去取不同的花形,以达到预想的花形变化,这样花形的变化就随音乐的节奏而变化。同样,单片机对变频器的控制也与之类似,只不过控制的编制是根据音乐的频率进行编制的,而且查表的方式也有所不同,因而变频器根据所接受的信号,输出不同的频率值,以控
21、制水泵的转速,进而达到控制喷泉管路中的流量,就可以控制水柱的高度和花形大小了。灯光和音响是由同一个口，经过延迟放大电路后,使它们达到同步动作,而灯光之前必须2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）7接一个固态继电器,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。由于变频控制器范围是 550Hz,所以变频器就可以改变水泵的流量,从而改变喷泉的喷水效果，充分发挥变频调速的特点,它既可送入音乐信号形成音乐喷泉,也可在内存程序的指挥下做各
22、种规律的运动,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行。其扩展功能可以使变频调速器控制的水型更具活力,当喷泉高度随音乐信号或程控信号增大而逐渐升高的同时,投入运行的水下灯和水型越来越多,喷泉则表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减弱而逐渐降低的同时,投入运行的水下灯和水型越来越少。这样,喷泉在音乐或程序的控制下,各色水下灯闪烁、变幻,各种水型起伏呼应,将为音乐喷泉增加观赏性和艺术的美感 5。鉴于上述二个方案的分析比较,由于各具优缺点。方案一控制系统简单,软件程序编制灵活,花形和流量控制也
23、很灵活,只要改变预置的花形表和速度控制表, 无须改变程序就可达到不同设计效果,而且在考虑经济因素时可以撤去电磁阀, 直接改变喷头下方的球阀来组合成不同的单一花形,音乐喷泉在运行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, 优点在于放音效果好, 能实现真人真唱,一直能唱出乐曲，且控制系统可靠性比方案一要高，因而，通过对比分析，并考虑到音乐喷泉控制系统需要可靠、稳定的运行要求，所以本次设计采用方案二作为音乐喷泉的控制方案，采用三菱 型号 PLC作为喷泉的控制器。1NFX-40MR2.3 本章小结本章主要是对音乐喷泉控制系统作了整体概述。首先对音乐喷泉的整体结构进行了介绍。然后分析了音
24、乐喷泉的控制要求和现有的控制方式。邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计8最后对现有的控制方式进行分析比较，选择了 PLC作为控制核心的控制系统。2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）9第 3 章 音乐喷泉控制系统硬件设计3.1 PLC 的选用选择适当型号的 PLC是应用设计中至关重要的一步，在功能满足要求的前提下，应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点：（1）I/O 点数的选择。输入、输出点数是衡量 PLC规模大小的重要指标。选择时应在实际使用点数的基础上留出 15%20%的备用量 6。（2）存储器容量的选择。一般小型的 PLC存储容量是固定的，无法随意扩充和调整，选购时一定
25、要注意，是否满足要求。（3）PLC 功能的选择。1）对于开关量控制的应用系统，对控制速度要求不高，选用一般的低档机就能满足要求。2）对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用项目，应选用带有 A/D、D/A 转换，四则运算功能的低档机。3）对于控制比较复杂，功能要求较高的应用系统，低档机往往不能满足要求，这时可选用中型和大型的 PLC组成一个分布式控制系统。4）PLC 运行速度的选择。PLC 工作时，从输入信号到输出控制存在滞后现象，这对于一般的工业设备是允许的，但有些设备的实时要求较高，不能容忍这种滞后现象。但一般滞后时间应控制在几十 ms之内。（4）特殊 I/O模块的选择。选择哪一种功
26、能的输入/输出模块和哪一种输出形式，取决与控制系统中输入/输出系统的种类、参数要求和技术要求。另外，如果控制系统要求进行温度控制、位置控制、PID 控制或波邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计10形控制，那么选择合适的智能模块会使系统设计变简单 7。（5）考虑对 PLC通信联网功能的要求。如果 PLC需要与别的通信设备连接，需要考虑 PLC的通信联网能力。考虑到上述因素，结合“体积小、价格实惠”的原则，本文选用三菱型号的 PLC。其特点如下 8：MRFN40X1（1）一体式可编程控制器：电源、 CPU、存储器、输入输出组成一个单元的可编程控制器，同时在 AC 电源 DC 输入型中内置传感
27、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，另外也可和0NFX2N连接。3AFX0N（3）不用编制复杂的程序，就能捕捉到最小 10s(X0， X1)或50s(X2X5)的短信号。（4 ） 功能强大的 GX Works2 V1.31H 编程软件。由三菱公司设计开发，适用于 的编程，具有简单工程和结构化工程两种编程方式，MRFN01支持梯形图、指令表、SFC、ST 及结构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、智能功能模块设置等功能。3.2 变频器的选用通用变
28、频器的选择包括通用变频器的型号选择和容量选择两个方面，选择的原则是：首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速转矩负载，通常可选择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要求的机械应选用具有转矩控制功能的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，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）11转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机
29、、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为不同类型变频器的主要性能、应用场合：表 3.1 不同类型变频器的主要性能、应用场合 9控制方式 U / f 开环控制 U / f 闭环控制 电压向量 电流向量 直接转矩速度控制范围 1 ： 4 0 1 ： 6 0 1 ： 1 0 0 1 ： 1 0 0 0 1 ： 1 0 0启动转矩 1 5 0 % ， 在 3 H Z 1 5 0 % ， 在 3 H Z 1 5 0 % ， 在 3 H Z 2 5 0 % ， 在 3 H Z 1 5 0 % ， 在 0 H Z静态转速精度 （ % ） （ 2 3 ） （ 0 . 2 0
30、 . 3 ） 0 . 2 0 . 0 2 0 . 2反馈装置 不要 P I D 调节 不要 编码器 不要主要应用场合泵类 、 风机保持压力 、 温度 、 流量一般工业设置高精度工业设备起重电机 、 电梯 、 轧机等设备本次设计的音乐喷泉控制系统中，变频器所驱动的负载为水泵，即泵类负载，故选择 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的。其特点如下 10：（1）功率范围：0.75630KW；（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，实现更高节能运行；（4）内置 PID，变频器/工频切换和可以实现多
31、泵循环运行功能；（5）内置独立的 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的定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生一个以同步转速 沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁1n邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计12场。由于旋转磁场以 转速顺时针旋转，转子导体开始是静止的，故转子1n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，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感应电流。由于通电导体在磁场中要受电磁力的作
32、用，所以有感应电流的转子导体在旋转磁场中也将受到电磁力的作用，作用于转子导体上的电磁力对转子的轴，产生电磁转矩与旋转磁场的旋转方向是一致的，从而驱动转子沿着旋转磁场的旋转方向旋转 11。当将三相异步电动机绕组任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机磁极对数和电源频率决定 17。异步电动机的同步转速为：式(3.1)pf160n式（3.1）中 同步转矩，单位 ；1 min/r 定子电源频率，单位 HZ；1f 磁极对数。p异步电动机的转速为：式(3.2)1(60)1(spfsn式（3.2
33、）中 异步电动机的转差率， 。11/)(n由式（3.2）可知，对于极对数固定的异步电动机，只需供电频率或电动机的转差率 s中的任意一个改变就可以改变电动机的转速。改变1f转差率 s的方法更多用在绕线式异步电动机的调速中，故对鼠笼式异步电动机改变供电频率 是最好的调速方法。对鼠笼式异步电动机，一般情况1f下，转速率 s很小，所以可近似地认为 ，考虑到电机的运行性n1f能，并使电动机得到充分利用，在变频的同时，电源电压应根据负载性质的不同作相应的变化，通常希望气隙磁通 维持额定值不变，因为若m2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）13增大，将使电动机磁路过分饱和，引起励磁电流增加，功率因
34、数降低；m若 减小，电动机容量将得不到充分利用 12。由电动机理论可知，三相异步电动机定子每项电动势的有效值为式 (3.3)mNfkE114.式(3.3)中 旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势，单位V； 每极磁通量，单位 Wb；m 定子相绕组有效匝数；1N 基波绕组系数。K从电动势公式可知，因为 ，若要 为定值，则 必须随频率1UEm1U的变化作正比变化，即：式（3.4）定 值1f式（3.4）中 表示变频后的量。1U，另一方面，为了保证电动机允许的稳定性，希望变频调速时，电机的过载能力不变，即式 (3.5)定 值NmT由最大转矩公式，并略去定子电阻 ，可得到：1R式（3.6）NTXfpU)(
35、4T21Nm在忽略铁芯饱和的影响时， ，与频率 成正比，)(21Lf1f则式（3.6）还可以写成：邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计14式 (3.7)NTfUC21m式(3.7)中 C为常数，为保证变频前后 不变，要求m式 (3.8)2121NTff即：式 (3.9)NTfU1式(3.9)说明了在变频调速时，为使电动机的过载能力不变，电压的变化规律。显然，对于恒转矩负载，因为 ，由式（3.9）可得，1UNT，这时既保证了电动机的过载能力 不变，又满足 为定定 值f mm值的要求。但是， 难于直接测量和控制。当 和 的值较高时，定子的漏阻1E1Ef抗压降比较小，如果忽略不计，就可以近似的
36、保持定子相电压 和频率1U的比值为常数，即认为 = ，保持 / =常数即可，这就是恒压频比1f 1U1f控制方式，是近似的恒磁通控制。低频时，U 1和 E1都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能再忽略。这时，认为的把电压 U1抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的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。2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）15U 1定子相电压1 nUabf1 n频率f10图 3.1 恒压频比控制方式3.2.2 变频器参数设置（1）三菱 FR-F740变频器介绍1）如图 3.2为三菱 FR-F740变频器端
37、子接线图 10。邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计16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介绍如图 3.3为变频器基本操作面板 10：2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）17图 3.3 变频器基本操作面板（2）变频器参数设置将电机的参数输入变频器，同时根据控制要求，将变频器相关参数也输入变频器 14。FR-F740 变频器的参数设置如表 3.2所示：邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计18表 3.2 FR-F740变频器的参数设置 10参数 设定值 说明Pr.160 1 显示用户参数组中登记的参数Pr.13 0 设定频
38、率为 50HZPr.14 1 设定为变转矩负载Pr.19 380 设定电动机的额定电压为 380VPr.9 15 设定电动机的额定电流为 15APr.3 50 设定电动机的额定频率为 50HZPr.80 7.5 设定电动机的额定功率为 7.5kwPr.59 2 设定由端子控制变频器的运行Pr.73 1 频率由模拟量输入设定Pr.1 50 电机运行的上限频率Pr.2 20 电机运行的下限频率Pr.571 5 电机启动时间Pr.11 5 电机制动时间Pr.79 3 设置端子 4与端子 5接通时电机正转，断开停止Pr.78 1 不允许反转在基本操作板上设置好上述参数后，可以运行变频器。当端子 4 和
39、端子 5 接通时，电机按设置的下限频率 20HZ 开始运行，达到 20HZ 的启动时间为 5s；断开端子 4 和端子 5，电机从 20HZ 到停止的时间为 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：该控制系统的核心设备为可编程控制器（PLC） 、模拟量输入输出模块、FR-F740 变频器，其控制系统总电路原理2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）19图如图 3.4所示。F1N-40MRPLCF1N-4ADY 0Y 1Y 2Y 3Y 4C O MX 0X 1X 2C O MS B 1S B 2S B 3K M 1K M 2K M 3K M 1K M
40、 2K M 3转换电路L 1L 2L 3UVWL 1L 2L 3UVWFR-F740FR-F740M 1M 2主水柱电机外圈水柱电机外圈灯光4545三相电源音频信号+ 1 2 V - 1 2 V2 2 0 VCH1CH2K M 4K M 4K M 5K M 5K M 4K M 5K M 4K M 5K M 1K M 2A-A+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，控制分为两部分。一部分是固定程序运行；另一部分是音乐控制部分。1）音乐控制部分。当需要使用音乐喷泉时，此时可按下 SB1按钮，PLC的模拟量输入输出模块将采集播放音乐的音频强度，将其进行 A/D转换，比
41、较运算，然后将结果输出到变频器的模拟量输入端口的 4、5 端，邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计20控制变频器的输出频率，从而控制水泵的转速，达到控制喷泉水柱高度的目的。2）固定程序部分。当喷泉不使用音乐进行控制时，可按下 SB2按钮，PLC运行固定程序，喷泉按事先设计好的程序运行。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行和固定程序运行是不能同时进行的，否则会给变频器反送电，烧毁变频器，所以，在水泵变频运行的接触器 KM4、KM5 和水泵固定程序运行的接触器 KM1、KM2 之间，加接了电气互锁。3）灯光控制部分。无论喷泉运行音乐喷泉控制还是固定程序控制，喷泉的
42、灯光都按事先设定好的程序运行。3.4 本章小结本章主要是音乐喷泉控制系统的硬件设计。首先对主要器件进行选型（PLC 选用 型，变频器选用 FR-F740型） 。然后对 PLC的特点、MRFN40X1变频调速原理以及 FR-F740型变频器的端子分配、变频器基本操作面板进行了介绍，对 FR-F740型变频器参数进行设置。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单的分析。2015届电气工程及其自动化专业毕业设计（论文）21邓世甲：基于 PLC的音乐喷泉控制系统设计22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的程序设计主要有经验法、顺序功能图设计法、逻辑流程图设
43、计法 15。根据实际情况先设计出程序流程图，PLC 从开机，有一个选择性分支，提供两种选择：一个是喷泉根据音乐节奏运行，另一个是喷泉按固定程序运行。其程序流程图如图 4.1所示。开始按下 S B 1 按钮启动音乐控制模式X 0 是否得到信号Y N延迟 3 0 s 后 主水柱变频器启动 ， 运行 6 0 s 后停止同时 P L C 模拟量输入模块采集音频信号延时 1 0 s 后 外圈水柱变频器启动 运行 1 0 s 后停止启动灯光控制程序X 2 是否得到信号主水柱电机启动运行 1 0 0 s 后停止延时 1 0 s 后 外圈水柱电机启动 运行 5 0 s 后停止启动灯光控制程序结束YN N4.1 系统程序流程图4.2 系统 I/O 端口分配表I/O端口分配表是对系统的输入/输出点的地址分配，有了 I/O端口分配表，能够反映程序里的地址分别代表什么，如果没有 I/O端口分配表，
