基于PLC的小型音乐喷泉控制系统设计

刘洋

摘 要：音乐喷泉作为一种人造环境工程项目，将音乐的美和喷泉有机的结合在一起，给人以赏心悦目的感受。随着可编程控制器在我国的迅速发展，对音乐喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制部分由可编程控制器来实现。使用PLC控制音乐喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。此论文是制作一个以小型PLC为控制核心，变频器控制水柱高度，以音频采集为基础的小型音乐喷泉控制系统。系统控制核心选用SIEMENS公司的S7-200 Micro PLC，水泵的控制选用MICROMASTER 420变频器。主要包括控制系统的软件系统设计、硬件系统的设计以及变频器参数设置。

关键词：音乐喷泉；可编程控制器；变频器

1 PLC基础

在继电器控制技术的基础上发展起来的一种先进的技术PLC，还借助于计算机技术和现代通信技术。PLC自产生至今，虽然只有30年，但今天已在该行业快速发展。PLC技术能够高速发展，除工业自动化的客观需求之外，主要是由于它自身还有很多独特的优点。具有特殊结构的工业控制计算机，与普通计算机相比具有更强的能够与工业过程相接的接口，同时具备适用于控制要求的程序设计语言是可编程控制器实质。可编程控制器是将计算机技术和电器控制技术有机地结合在一起的技术。其特点主要体现在：可靠性高，抗干扰性强；编程简单、使用方便；易于安装、调试、维修；功能完善，通用性强；体积小，能耗低。

基于PLC自身优势，在工业控制中倍受青睐。PLC的主要应用领域涵盖了几个方面：开关量的逻辑和顺序控制；模拟量控制；运动控制；过程控制；数据处理；信号连锁系统；通信及联网；时间控制。

与普通微机类似，PLC亦是由硬件和软件组成。PLC的正常地运行只能依靠于软件的控制。系统软件和应用软件为软件系统的两个部分。PLC 的基本运行过程如下：

1）输入处理阶段：PLC把所有外部输入电路的状态输入映像寄存器；

2）程序执行：用户程序中的指令按次序被扫描，然后依据输入状态和指令内容执行逻辑运算；

3）输出处理阶段：根据程序执行的结果，各输出点相应的控制信号由输出状态寄存器并行发出，实现控制系统的逻辑控制功能。扫描周期即每执行一遍程序所需的时间。PLC的扫描工作流程如图1.1所示。

2 变频器基础

2.1 变频器概述

实现把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电功能装置称为“变频器”。变换器是电力电子装置的电源转换成各种频率的交流电源来实现变频调速电机的使用，运动控制系统的功率变换器。变频技术是一种高新技术——集自动控制，电力电子技术，微电子技术，通讯技术于一体。变频器具有速度快，省电，节能，可靠，高效，广泛应用在各种领域。

2.2 变频器的分类

（1）按输出电压调节方式分类：①PAM方式；②PWM方式；③高载波变频率的PWM方式。

（2）按控制方式分类：①电压/频率控制；②转差频率控制；③矢量控制。

（3）按用途分类：①通用变频器；②高性能专用变频器；③高频变频器；④小型变频器。

2.3 变频器的工作原理以及控制方式

变频器是把工频电转换为其它频率的交流电，来适应交流电动机变频调速的需求。变频器目前主要应用的变频方式是交-直-交方式，直流电是工频电流经过整流器转换来的，再把由直流电转换的频率、电压均可控制的交流电供给电动机。变频器的电路有整流器、直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成。

交流电动机同步转速表达式为： n = 60 f（1- s）/ p （公式1）

式中：n—异步电动机的转速；f—异步电动机的频率；s—电动机转差率；p—电动机磁极对数。

由公式1知，异步电动机的转速与频率成正比，因此改变频率f 即可改变电动机的转速。变频器就是利用改变电源频率来实现速度调节，是一种理想調速方式[8]。

开环控制和闭环控制是变频器两种控制方式，闭环控制进行电动机速度的反馈。开环控制有电压/频率控制方式，闭环控制分为转差频率控制和矢量控制。

（1）电压/频率控制

要在改变电源频率进行调速的同时，有必要的措施来保障电动机的气隙磁通处于高效状态，以便获得理想的转矩速度特性。

（2）转差频率控制方式：

其适用于自动控制系统是因为具有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的静差小。单机运转是转差频率控制方式之一。采用此方式的变频器具有良好的稳定性，急速的加减速特性，负载变动，响应特性，其原因是采用了此种方式的变频器中有电流负反馈环节，对频率和电流进行调控。

（3）矢量控制方式：

异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理是矢量控制的基本核心思想，即磁场和与其相垂直的电流的积是电动机的转矩，异步电动机的定子电流是可以分为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量。若要达到控制电动机转矩的目的，可以通过控制电动机定子电流的大小和相位，即可对电动机的励磁电流和转矩电流进行分别控制。

2.4 MICROMASTER 420概述

MICROMASTER420 为适用于控制三相交流电动机速度的变频器。此系列型号种类繁多，电源电压可有单相到三相，额定功率由120W 到11KW可供选用。微处理器控制此变频器，其功率输出器件采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。因此，运行可靠性较高以及实现多功能是其特性。电动机运行噪声之所以降低是因为PWM的开关频率可以选择。能同时为变频器和电动机提供良好的保护是其完备的保护功能。

3 系统总体介绍

PLC和变频器主要完成了音乐喷泉的控制过程——音乐的频率信号控制PLC；实现水泵转速变化依靠改变水泵电机的控制频率，进而利用水泵的转速变化控制音乐喷泉的水柱高度变化，以上过程实现了音乐变化对喷泉的控制的过程。变频器接受来自PLC处理的音乐信号，输出频率不同的交流电，使水泵的喷水状态发生变化，实现了喷泉喷水随音乐高低呈现不同的形态。同时通过PLC控制彩灯，实现彩灯组与音乐节奏的同步变换。

3.1 音乐喷泉组成

3.1.1 音乐喷泉水池设计

此小型音乐喷泉的设计为：喷头分三组，外圈设有九个喷头，中圈设有六个喷头，这两圈的喷水口直径0.5mm，此两圈喷头由一个12W的潜水泵提供动力；内圈只有一个中心主喷头，采用集流直上喷头，此喷头喷水流量较大。在水泵大功率工作时，有壮观的喷水直径和高度，此直流喷头由一个55W的潜水泵提供水压。两组彩灯分别安装在外圈和中圈喷头下，成交替闪烁的工作状态。使音乐喷泉工作时喷水层次感明显，视觉效果良好。喷泉水池直径约0.8m，喷头组最大直径0.5m，在外圈和中圈喷头向内倾斜的情况下很好的防止了水池喷水造成的向外溅水。

3.1.2 控制系统组成

音乐喷泉的控制系统由音乐信号处理电路（包括F/V转换电路、模/数转换电路、信号隔离电路），PLC及变频控制电路，潜水泵和彩灯控制电路，稳压电源电路和音响设备组成。音乐喷泉控制系统硬件组成部分如图3.1所示。

1、音乐信号的处理

音乐喷泉的乐曲从CD、VCD等播放器播放，通过功率放大器，乐曲一路输出到音箱设备，一路由A/D转换模块对音频信号进行采样处理两路输出方式。

2、水型与乐曲同步的控制

水型会同乐曲播放同时演示。在乐曲之间转换期间，水型也保持同步停止或继续演示。为使水型与乐曲达到同步的效果，此音乐喷泉控制系统提供了可调整的喷泉延时程序。

3、潜水泵电动机的控制

控制器内部的程序来控制潜水泵电动机，使每一首乐曲可从控制器中相应的找到对应的固定程序数据，并可以将其对应输出。

4、彩色灯光的控制

彩色灯光由控制器系统程序控制。彩色灯光会通过控制程序随音乐的变化相应的水下产生变化与动作，达到视觉与听觉的完美统一，给人以精神的完美享受。

5、水型的节奏随动控制

不同的音乐节奏同步变化呈现出水型的跳跃和摇摆，表现出音乐喷泉的視觉冲击力。这种水型变化是通过A/D对其音频信号采集转换后通过对应的程序控制，经过变频器对潜水泵实现加速和减速控制，实现对不同音乐信号的直观感受。

参考文献

[1]王兆明.电气控制与PLC技术[M].北京：清华大学出版社，2005.2

[2]马丁.西门子PLC常用模块与工业系统设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社， 2009.6

[3]廖常初.PLC编程及应用.北京：机械工业出版社[M]，2002，220-235

[4]何波.电气控制及PLC控制[M].北京：中国电力出版社，2008.2

[5]薛晓明.变频器技术与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2009.06

[6]姚锡禄.变频器控制技术入门与应用实例[M].北京：中国电力出版社，2009.8

[7]孟晓芳.西门子系列变频器及其工程应用[M].北京：机械工业出版社，2008.8

[8]李伟龙，张文学.变频器技术介绍[J].船电技术，2010.1，30（1）