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1、天津大学工程硕士学位论文音乐喷泉电气控制系统的设计与实施D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fE l e c t r i c a lC o n t r o lS y s t e mf o rM u s i c a lF o u n t a i n学科专业研究生指导教师企业教师电氢王猩童壶这陵童亡麴握奎丝直级王猩!重天津大学电气与自动化工程学二零一零年十一月一奄一苓牛卞一月独创性声明。本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包
2、含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谫 意。特授索，向国学位签字学位论文作者签名：童克波签字同期：厶【。年Iz 月彳F l学位论文版权使用授权书摘要本论文源于兰州石化职业技术学院景观音乐喷泉的电气控制系统改造项目。改造目的有两个：一是增加喷泉系统运行的可靠性：二是增加喷泉系统运行的方式。为达到上述目的，改造后的电气控制系统采用西门子公司生产的S 7 2 0 0 可编程控制器、M M 4 3 0 变频器组成。并将原有的控制方式改为两种：一种固定程序运行方式。是按事先设定好的步骤一步一步进行，循环执行。
3、另一种运行方式是音乐控制的喷泉。是通过P L C 的中断程序采集播放音乐音频信号，P L C 对采集的音频信号进行标准化运算，将运算的数据转换成模拟量，通过E M 2 3 5 的模拟量输出口输出去控制变频器的输出频率，从而控制水泵电机转速，达到控制喷泉水柱的高低跟随音乐节奏强弱而变化。这一种运行方式集声、光、形于一体，形式热烈，多用于节假日或学院重大活动时使用。本文首先对可编程控制技术、变频控制技术的应用、发展趋势作了简要介绍，然后说明了兰州石化职业技术学院景观音乐喷泉的改造背景。以及景观音乐喷泉的系统总体设计方案、电气系统的整体设计和P L C 程序设计思路、变频器参数设置。本文提出的控制方
4、案可满足许多类似的控制场合的需要，以及一般的工业控制都有参考价值。关键词：音乐喷泉；P L C 控制；变频调速；电气控制系统ktI一一A B S T R A C TT h ep a p e rs t e m sf r o mr e n o v a t i o np r o j c o to fe l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rm u s i c a lf o u n t a i ni nL a n z h o up e t r o c h e m i c a lc o l l e g eo fv o c a t i o n a lt
5、 e c h n o l o g y T h ep u r p o s eo fr e n o v a t i o nf o rb o t hs i d e s：F i r s t，i m p r o v i n go p e r a t i o ns t a b i l i t yo fm u s i c a lf o u n t a i ns y s t e m；S e c o n d，i n c r e a s i n gr u n n i n gm o d eo fm u s i c a lf o u n t a i ns y s t e m F o rt h i sa i m,t h
6、 er e n o v a t i o np r o j e c to fe l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mu s e sS 7 2 0 0p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r,M M 4 3 0f r e q u e n c yc o n v e r t e rw h i c hm a n u f a c t u r i n gb yS i e m e n sc o m p a n y A tt h es a m et i m e，c h a n g i n go r i g
7、 i n a lc o n t r o lm o d ei nt w ow a y s：O n ew a sr u n n i n gi nf e dp r o g r a m s，r u n n i n ga c c o r dt op r e d e t e r m i n e ds t e p so n eb yo n eo rc y c l i n g A n o t h e rw a sr u n n i n gi nm u s i c a lc o n t r o l,I tc o l l e c t sm u s i ca u d i os i g n a l st h r o
8、u g ht h ei n t e r r u p tp r o g r a mo fP L C，t h e nP L Cp r o g r e s st h ea u d i os i g n a lt os t a n d a r d i z eo p e r a t i o n s，a n dc o n v e r s et h eo p e r a t i o nd a t ai n t oa n a l o gt h r o u g ht h ea n a l o go u t p u to fE M 2 3 5f o rt h ep u r p o s eo fc o n t r
9、o l l i n gt h ei n v e r t e r so u t p u tf r e q u e n c y,t h e r e b yp u m pm o t o rs p e e dC a na l s ob ec o n t r o l l e dt om a k et h el e v e lo ft h ef o u n t a i nw a t e rc o l u m ns t r e n g t ht of o l l o wt h em u s i cr h y t h mc h a n g e s T h ea d v a n t a g eo ft h i
10、sc o n t r o lm o d ei s，m u s i c a lf o u n t a i nu s i n gb o t hs o u n d，l i g h ta n ds h a p e S om a i n l yu s e si nh o l i d a yo ri m p o r t a n ta c t i v i t ya ts c h o o lT h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e sp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o lt e c h n o l o g
11、y,a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y,t h e ne x p l a i n e dt r a n s f o r m a t i o nb a c k g r o u n do fm u s i c a lf o u n t a i ni nL a n z h o up e t r o c h e m i c a lc o l l e g eo fv o c a t i
12、o n a lt e c h n o l o g y A sw e l la so v e r a l ld e s 蟾ns c h e m e，e l e c t r i c a ls y s t e md e s i g n,P L Cp r o g r a md e s i g n,f r e q u e n c yc o n v e r t e rp a r a m e t e rS e t t i n g sf o rm u s i c a lf o u n t a i nc o n t r o ls y s t e m T h ec o n t r o lp l a np r o
13、p o s e db yt h i s a r t i c l em a ys a t i s f yn e e d so fm a n ys i m i l a rc o n t r o ls i t u a t i o n s，h a sr e f e r e n c ev a l u ef o rg e n e r a li n d u s t r i a lc o n t r o la sw e l l K e yW o r d s：m u s i c a lf o u n t a i n；P L Cc o n t r o l；f r e q u e n c yc o n t r o
14、l；e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m_一，争目录第一章绪论l1 1 音乐喷泉的现状11 2 音乐喷泉电气控制系统改造项目简介31 2 1 音乐喷泉课题来源31 2 2 音乐喷泉控制系统介绍31 3 课题研究的内容和意义4第二章P L C 控制系统设计的一般方法52 1P L C 产生的历史背景及发展趋势52 2P L C 控制系统与其它控制系统的区别72 2 1P L C 控制系统与接触继电器控制系统的区别72 2 2P L C 控制系统与工控计算机控制系统的区别82 2 3P L C 控制系统与集散控制系统的区别92 3P L C 的结构
15、和工作原理92 3 1P L C 的硬件构成92 3 2P L C 的软件构成1 22 3 3P L C 的编程语言1 42 3 4P L C 的工作原理1 52 4P L C 控制系统的设计原则一1 62 5P L C 控制系统的设计步骤1 72 6P L C 程序设计方法1 7第三章变频调速原理1 93 1 变频器的基本结构1 93 2 变频调速的基本原理2 13 3 变频调速的优点2 53 4 西门子M M 4 3 0 变频器性能介绍2 63 4 1M I C R O M A S T E R 4 3 0 变频器介绍2 63 4 2M M 4 3 0 变频器使用注意事项2 93 4 3M
16、M 4 3 0 变频器常用参数简介3 03 4 4 使用外接电位器控制变频器的输出频率3 4第四章喷泉控制系统控制电路设计3 54 1 元器件的选用3 54 1 1P L C 的选用3 5，争4 1 2 变频器的选用3 64 2P L C 与变频器外部电路的设计3 94 2 1 变频器外部电路的设计3 94 2 2P L C 外部电路的设计3 94 2 3电气控制系统的可靠性设计4 04 2 4电气控制系统的抗干扰措施4 14 3电气控制系统总电路设计及其工作原理分析4 2第五章电气控制系统的软件设计及参数设置4 45 1P L C 程序设计4 45 2 变频器参数设置5 2第六章结论与展望5
17、 4参考文献5 5发表论文和参加科研情况说明5 7致谢5 8第一章绪论第一章绪论弗一早瑁比人类社会的发展，加强了对生存环境的要求。在很多地方都可见到人工音乐喷泉，它是人工环境中再现自然的一种特殊手段，是现代科技与艺术的综合。它集光、形、音于一身，给人以美感【1 1。音乐喷泉是人工环境中观赏价值最高、最富有生命力的理想工程之一。步入音乐喷泉世界，喷泉、彩灯伴随着优雅的乐曲，交相辉映，时而欢快，时而抒情，时而激昂，给人以心旷神怡的感觉。由于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【2】。喷泉的形态、声音、色彩，形成了一道人工的自然景观【3 1，同周
18、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。给由钢筋混凝土组成的城市增添了人工环境中的自然气息，改善了城市环境的质量，为人们提供了良好的聚集、散步、休闲的室外环境【3 1。可以说，由于人们对生存环境的高要求，已使音乐喷泉发展为一种产业，不仅具有很高的经济效益，还有很好的社会效益。目前，我国生产音乐喷泉公司有上百家，一些公司有相当的实力，国内比较著名的喷泉公司有：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，上海佳景园喷泉设备有限公司，南京泉杰景观工程有限公司等。这些公司都充分弘扬水文化，做好水文章，设计的喷泉水景集声、光、水三维于一体，营造出了更奇、更新、更美的人文景观，
19、这些公司在全国承接了各类大型音乐喷泉、程控喷泉、激光水幕电影、水景等工程等，从工程设计到制作、安装、调试，提供一整套完善的服务体系。从公司自我介绍中，可以看出其产品百花争艳，景象万千。但从实际使用中的情况看，我国生产音乐喷泉的公司所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)远远没有做到位【3 1。我国现有的音乐喷泉在音乐节奏、强弱、协调性、音乐内涵的表现等方面都还存在很大的不足之处。目前国内外的音乐喷泉都只能表演几首乐曲，这是因为音乐喷泉表演程序的设计、开发和调试非常费事、费力，需要音乐、计算机、控制等专业专家的合作【3
20、 1。音乐喷泉控制系统是综合当今国际上先进科技成果，集音乐控制、程序控制、人工智能控制技术于一体的工业现场控制系统。它的控制设备是多媒体工业P C铷第一章绪论机、P L C 或电脑音乐喷泉主控器，它能实现全程实时音控，自行识别乐曲旋律。节奏、乐感和音频强弱度。该系统使音乐喷泉在控制设备指挥下，跟随音乐旋律不断变换水型，并与音乐同步【2 2 1。喷泉的控制系统可采用单片机，可编程控制器，甚至可采用工控机作控制核心。其电气设备包括水泵、灯光、音响、变频器、配电屏等，总装机容量约在数十k W。一个音乐喷泉艺术效果的表现力不仅与喷泉的整体造型、喷头的空间布局、水泵的功率等硬件因素有关，还与喷泉的程序控
21、制水平有关。因此一个音乐喷泉从设计到完成需要土木、机械、给排水、自动控制等各种专业人才的通力合作才能完成【4】。其中硬件是音乐喷泉的基础，程序控制是音乐喷泉变化的灵魂，是青乐喷泉千变万化，随着音乐翩翩起舞的决定因素。如果没有音乐喷泉的程序控制部分，喷泉将只是静态的、缺乏生气与活力的造型【2 3】。音乐喷泉从德国人发明到世界各地兴起己走过了几十年的时间，音乐喷泉的控制水平越来越高，控制方法越来越多。到目前为止其控制形式逐渐形成了以下几种主要方式。(1)程控喷泉。程控喷泉是将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变化。是按
22、照预先编写好的程序运动动作。多个程序随机执行，反应快，灵敏度高。利用高性能工业控制计算机作为用户终端，操作界面及控制程序安装在工业控制计算机内，操纵变频器来控制相应负载动作。系统的高适应性，高可靠性，性能超群，能承受震动，撞击，灰尘和大的温差变化【2 4 1。利用模块化结构，简化了系统的维护，便于系统升级。若加上彩色灯光便成为“彩色程控喷泉”。(2)实时声控：为目前国内绝大多数公司普遍采用的一种控制方式，它的特点是可响应任何音源信号，现场演奏卡拉O K 等，但此种控制方式有一些缺点。首先，水型动作要比音乐滞后，使人感觉喷泉动作与音乐不协调【2 5】2 6】。其次，水型的出现组合与出现时间长短，
23、为固定重复的，而且不论任何曲目。所以会出现表演水型与音乐所表达的情感不一致。如激昂的乐符，可能出现摆动水型，而轻柔旋律时，又出现高大的水体，使人听觉感受与视觉感受不一致。第三，乐曲的情感段落与水型变化时间不符，而且千篇一律。(3)预编控制方式：是根据某一首乐曲的情感与意境，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【2 7 1。此功能在控制技术、计算机技术、通讯技术方面有一定的综合难度。(4)计算机管理音乐喷泉控制系统：它是由一台多媒体工业P C 机作为上位机，若干台电脑喷泉控制器和电脑跑泉控制器作为下位机，组成的一个集成控制系统【2 8】。2以归属于
24、上面几种，音乐喷泉，使喷泉的水型、灯光与乐声到美丽的景色。本课题源于我院广场大型景观音乐喷泉控制系统的改造工程。改造前的控制系统采用单片机控制，运行方式单调，用户不能修改和增加喷泉水型，系统稳定性较差，运行一段时间后，控制系统损坏。本课题主要针对上述问题，对整个控制系统进行改造，并增加新的内容。为改善系统的稳定性和可靠性，使用P L C 作为核心控制设备，使喷泉既能实现音乐控制，又能实现程序控制。1 2 2 音乐喷泉控制系统介绍该音乐喷泉建立在对着学院大门的广场中央，广场面积1 0 0 M 2。整个音乐喷泉的平面示意图如图1-1 所示。图1 1 音乐喷泉平面示意图该音乐喷泉由中心区和围绕中心区
25、的2 个环构成。中心区由两部分组成：一是由6 个喷头控制的最大高度为1 5 M 高的主水柱，由一台7 5k w 的潜水泵和，1 和第一章绪论珏门子M M 4 3 0 变频器控制；二是在主水柱两旁各有一个由3 个喷头控制的副水柱，由两台4 k w 的潜水泵和西门子M M 4 3 0 变频器控制。中心区外有2 层跑泉，里面一层有7 2 个喷头，由一台4 k w 的潜水泵和西门子M M 4 3 0 变频器控制。外面一层有1 2 0 个喷头，由一台4 k w 的潜水泵和西门子M M 4 3 0 变频器控制。另外主水柱旁有红、黄、绿、白4 种颜色的彩灯4 盏，副水柱里各有1 盏红色的彩灯，里层和中心区之
26、间有红、黄、绿3 种颜色的彩灯共1 2 盏，里层和外层之间有红、黄、绿3 种颜色的彩灯共1 4 盏。1 3 课题研究的内容和意义。音乐喷泉作为一种才兴起的独特人工景观，其产生的景观效果己获得了人民大众的认可【4】。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、研究，同时也使音乐喷泉、音乐瀑布、音乐水景逐渐发展成为了一种产业。作为音乐喷泉，不可能在一天内长时间表演，这里因为：音乐喷泉耗电量大，长时间开启会使之缺乏新鲜感，尤其在白天无灯光时，效果欠佳。喷泉作为整个广场的一景，除音乐表演外还需考虑
27、作为固定景点时水型的艺术效果。固定水型的使用时间是最长的。因此，喷泉水型设计与选择上除考虑表演音乐时的美感外，同时还要考虑作为水景时的效果，所以控制上应设置不同的功能。音乐喷泉控制系统集合音乐控制、可编程序控制、人工智能控制技术，综合当今国际上最流行的先进科技成果，是一种工业现场控制系统【2 9 1。本课题是以实际工程为背景，采用先进的控制设备，来研究音乐喷泉控制系统的实现技术。第一，采用P L C 控制技术，研究设计了符合项目要求的控制程序。第二，采用变频技术。从扬声器两端取得的音乐信号作为控制信号，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强弱的变化而变化。工程研究中
28、，要解决的问题主要有：水泵电机间歇工作产生的瞬间电压波动和干扰；变频的高频大电流的抑制；设备抗干扰和恶劣的工作环境的能力；工程的造价和设备的性能价格比等因素。同时还要考虑系统的可操作性和扩展性。综合这些因素，采用P L C 作为主控制设备。4所有任分析被或I P C)型的过程控制系统就适合D C S 来做。而P L C 最适合的控制对象是：工业环境较差，而对安全性、可靠性要求高，系统工艺复杂，输入输出以开关量为主的工业自控系统或装置伫9 1 3 1 J。其实，现在的P L C 对模拟量也有很强的处理能力。所以在大多数工业控制系统中，P L C 已取代工控机(I P C)作为主控器来完对成复杂的
29、工业自动控制任务。本章主要探讨使用P L C 作为主控器来实现自动控制的设计方法，以及P L C 型号的选择，系统设计原则，系统抗干扰的措施等。旨在总结一些设计经验及方法。2 1P L C 产生的历史背景及发展趋势(1)P L C 的发展历史。2 0 世纪2 0 年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统的继电接触器控制系统。由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位【5】。但是以各种继电器为主要元件的电气控制线路可能需要成千只继电器来构成，需
30、要使用成千上万根导线来连接，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护。系统出现故障，排除故障又非常困难。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或控制柜，系统改造的工作量极大。所以通用性和灵活性较差。到2 0 世纪6 0 年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。2 0 世纪6 0 年代末，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车
31、型号不断更新，它必然要求加工的生产线亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置【5】。为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，1 9 6 8 年美国通用汽车制造公司(G M)、，_第二章P L C 控制系统设计的一般方法公开招标，对控制系统提出具体要求，归纳其要求，其核心是：该设备要使用计算机技术，能让以前的电气技术人员很容易掌握的编程语言，该设备与被控制设备连接方便，不需要使用特别的供电方式【3 0】【3 2 1。根据这些要求，美国数字设备公司(D E C 公司)于1 9 6 9 年研制开发出了世界上第一台可编程序控制器P D P 1 4 3 3】，并在G M 公司的汽车生产线上首次应用成功。当时
32、人们把它称为可编程序逻辑控制器(P r o g r a m m a b l eL o g i cC o n t r o l l e r)，简称P L C，可编程序控制器由此诞生【3 4 1。由于它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等【5 1。P L C 诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，一日本、德国、法国等国家也相继研制成各自的P L C。P L C 自问世以来，经过近4 0 年的发展，在美、德、日、法等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有2 0
33、0 多个厂家生产P L C，著名的有，美国：A B 通用电气公司、德州仪器公司；日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工等公司；德国：西门子公司；法国：T E 施耐德公司；韩国：三星、L G 公司等【6】。(2)技术发展动向。1)产品向小型化、专业化、低成本方向发展。2 0 世纪8 0 年代初，小型P L C在价格上还高于小系统用的继电器控制装置。随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使P L C 结构更为紧凑，相当于一本精装书的大小，操作使用十分简例3 4】。P L C 的功能不断增加，将原来大、中型P L C 才有的功能移植到小型P L C 上，如模拟量处理、数据通讯和复杂的
34、功能指令等，但价格不断下降，真正成为继电器控制系统的替代产品。2)向大容量，高速度方向发展。大型P L C 采用多微处理器系统，有的采用3 2 位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外，存储容量大大增加【5】。3)与计箕机联系密切。从功能上看，P L C 不仅能完成逻辑运算，且计算机的复杂运算功能在P L C 中也进一步得到利用；从结构上看，计算机的硬件和技术越来越多地应用到P L C；从语言上看，P L C 已不再是单纯用梯形图语言，而且可用多种语言编程，如类似计算机汇编语言的语句表，甚至可直接用计算机高级语言编程；在通讯方面，P L C 与
35、计算机可直接相连并进行信息传递。4)模块化。P L C 的扩展模块发展迅速。功能明确化、专业化的复杂功能由专门模块来完成，主机仅仅通过通讯设备向模块发布命令和测试状态，这使得P L C 的系统功能进一步增强，控制系统设计进一步简化。6第二章P L C 控制系统设计的一般方法5)网络与通讯能力增强。计算机与P L C 之间以及各个P L C 之间的联网和通讯的能力不断增强，使工业网络可以有效地节省资源、降低成本、提高系统可靠性和灵活性，致使网络的应用有普遍化的趋势。目前，工业中普遍采用金字塔结构的多级工业网络。(3)国内发展及应用概况。我国的P L C 产品的研制和生产经历了三个阶段：顺序控制器
36、(1 9 7 3 -1 9 7 9)；位处理器为主的工业控制器(1 9 7 9 -1 9 8 5)；八位微处理器为主的可编程序控制器(1 9 8 5 以后)【1 4】。在对外开放政策的推动下，国外P L C 产品大量进入我国市场，其中部分是随成套设备进1：3 的，如宝钢一、二期工程就引进了5 0 0 多台套，石化行业的集散控制系统中则广泛使用P L C。现在，P L C 在国内的各行各业也有了广泛的应用，技术含量也越来越高。2 2P L C 控制系统与其它控制系统的区别目前，工业现场控制系统主要有：接触一继电器控制系统、工控计算机控制系统、P L C 控制系统及D C S 控制系统等，每种控制
37、技术有各自的优缺点和应用领域。2 2 1P L C 控制系统与接触一继电器控制系统的区别在P L C 的编程语言中，梯形图语言形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图。逻辑关系明显，电气技术人员容易接受。是目前使用最广泛的编程；五古【6】j 口oP L C 控制系统是从继电器控制系统发展而来的。继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，目前仍然在工业领域中大量应用。然而就其控制性能与自身的功能来说己无法满足现代工业控制的要求与发展【l o】。P L C 的编程语言梯形图与继电器控制线路图比较相似，对于同一控制电路，继电器控制原理图和梯形图的输入、输出信号、控制过程等效。但两者又有本质
38、区曼J I J 继电器控制原理图使用的是硬件接触器、继电器和定时器，靠硬件连接组成控制线路。同一元件的常开、常闭触点动作具有同一性，没有先后顺序之分。而P L C 的梯形图使用的是内部继电器、定时器和计数器等，靠软件实现控制。同一元件常开、常闭触点的动作有先后顺序之分。因为P L C 执行梯形图时，是按指令扫描顺序执行的，故同一个元件的常开捕闭触点动作有先后顺序之分【6 1。其主要不同之处，如表2 1 所示。7第二章P L C 控制系统设计的一般方法表2 1P L C 控制系统与接触一继电器控制系统功能与特点比较比较项目P L C 控制系统接触一继电器控制系统使用软件编程实现程序逻辑，硬接利用
39、接触器、继电器的机械触点串控制逻辑线少，体积小，灵活性和扩展性都联或并联，完成相应的接线逻辑。很好。接线多，体积大，功耗多。工作方式霎环扫描方式，属于串联工作方萋控制条件工作，属于并联工作方一V0一o可靠性和维护性体积小、寿命长、程序的可靠性高。可靠性和维护性差。控制矗莞萎尧罕黪驱动舢警电器在差誊?作速度慢在肘毫秒数量，定时控制定时精度高。定时精度低。，设计和施工周期短，调试和修改方便。墓，、施工、调试周期长，修改困2 2 2P L C 控制系统与工控计算机控制系统的区别工业计算机控制系统简称C C S(C o m p u t e rC o n t r o lS y s t e m)，是由通用
40、微型计算机推广应用发展起来的，通常由微型计算机生产厂家生产，在硬件方面具有标准化总线结构，各种机型间兼容性强。这种控制系统只需要一台计算机以及有关的I O 设备和C R T、键盘、打印机等外部设备即可完成系统功能【3 4】。也就是说对系统中所有功能和对所有被控对象实施的控制均由一台计算机来完成。而P L C则是针对工业顺序控制，由电气控制厂家研制发展起来的，其硬件结构专用，各个厂家产品不通用，标准化程度较差。但P L C 的信号采集和控制输出的功率强，可不必在加信号变换和功率驱动环节，而直接和现场的测量信号及执行机构对接。在结构上，P L C 采取整体密封模板组合式。在工艺上，对印制电路板、插
41、座、机架都有严密的处理。在电路上，采取了一系列的抗干扰措施，可靠性上更能满足工业现场的环境要求【l0 1。软件上，工控计算机借用微型计算机丰富的软件资源，对算法复杂、实时性强的控制任务能较好适应。很容易管理，并容易保证数据的一致性。整体性好，协调性好。而P L C 是专门为工业环境而设计的，虽然两者都采用的是计算机结构，但二者设计的出发点不同，其在工业控制上因此也存在不少的差异。P L C 在顺序控制的基础上，增加了P I D 等控制算法，编程采用梯形图语言，易于被电气技术人员所掌握。但是，一些微型计算机的通用软件还不能直接在P L C 上应用，还要经过二次开发。第二章P L C 控制系统设计
42、的一般方法2 2 3P L C 控制系统与集散控制系统的区别集散控制系统(D C S)又称分布式控制系统，是专门为工业过程控制设计的过程控制装置，该控制系统的核心思想是“信息集中，控制分散【3 0】，。它一般由系统网络、现场I O 控制站、操作员站和工程师站等四个基本部分组成，通过系统网络连接在一起，成为一个完整统一的系统。其中现场I O 控制站，操作员站和工程师站都是由独立的计算机构成，它们分别完成数据采集、控制、监视、报警、系统组态、系统管理等功能。以此来实现分散控制和集中监视、集中操作的目标。集散控制系统的主要应用场合是连续量的模拟控制，是按用户的程序指令工作的，可根据被检测对象的特殊性
43、采用不同的采样速度，有多级优先级中断的设置，由于其需进行大量的数学运算，存储器容量较大【8 1。而P L C 控制系统主要应用场合是开关量的逻辑控制，是按扫描方式工作的。因此，在设计思想上有一定区别。集散控制系统是按用户的程序指令工作的，P L C 是按扫描方式工作的，其对每个采样点的采样速度是相同的，在存储器的容量上，由于P L C 所执行的大多是逻辑运算，因此，所需的存储器容量较小1 8 1。在安装场地方面，集散控制系统除了部分分散过程控制装置安装在现场，需要按现场的工作环境设计外，其余部分是安装在控制室的。P L C 控制系统则是按照在现场工作环境的要求设计的。近年来，随着传感器技术、通
44、信技术、计算机技术的发展，传统的D C S 日益显露出它的不足，例如：开放性差、分散不够，需要大量信号电缆及无法监控现场一次仪表设备，传输信号仍采用4 2 0 m A 的模拟信号等。2 3P L C 的结构和工作原理P L C 是P L C 控制系统的核心部分，本设计是基于P L C 控制的音乐喷泉系统，所以首先要理解P L C 的结构和工作原理。2 3 1P L C 的硬件构成(1)P L C 的基本组成：P L C 一般由中央处理单元(C P U)、存储器(R O M R A M)、输入输出单元(I O 单元)、编程器、电源等主要部件组成，如图2 1 所示【6 J。(2)中央处理器(C P
45、 U)：中央处理器C P U 一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内，C P U 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。9第二章P L C 控制系统设计的一般方法与一般计算机一样，C P U 是P L C 的核心，它按P L C 中系统程序赋予的功能指挥P L C 有条不紊地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当P L C 处于运行方式时，C P U 按循环扫描力式执行用户程序【5 1。主机r 磊订用，甲用户二=输微处理器(a U)输：尸输一入运算器出一输。入二芭苴设=兀控制器兀=设，。备+备6 白工口t 0ttl 翌竺广存储器广r仓寸
46、碰尝女n外设的功能罗卜直、d 锚巾1 7o，r部打印栅一E P R O MR A M扩展一模块设E P R O M 写入器接口(系统程序)(用户程序)接口接口图形监控系统一备，一p lr 亩铲F-村，；+管打卜_ 一图2 1P L C 基本结构框图C P U 的主要任务有：控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I O 部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断P L C 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；P L C 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和
47、输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能【7 1。不同型号的P L C 其C P U 芯片是不同的，有采用通用C P U 芯片的，有采用厂家自行设计的专用C P U 芯片的。C P U 芯片的性能关系到P L C 处理控制信号的能力与速度，C P U 位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度越快。P L C 的功能是随着C P U 芯片技术的发展而提高和增强的【9 1。(3)存储器：P L C 的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种。1)系统程序存储器主要用来存储P L C 内部的各种信息，一般系统程序是P L C 生产厂家编写的系
48、统监控程序，并固化在E P R O M 内，不能由用户直接存取，系统监控程序主要由有关系统管理、解释指令、标准程序及系统调用等程序组成l l。第一部分为系统管理程序，它主要控制P L C 的运行、软元件的产生、程序监控和报警。第二部分为用户指令解释程序。作用是将用户使用各种语言编写的程序转换成P L C 能懂的机器语言，再由C P U 执行这些语言；第三部分为l O第二章P L C 控制系统设计的一般方法标准程序模块与系统调用程序。用以完成P L C 各种功能模块的调用和数据交换。如模拟量输入采集、模拟量输出及特殊运算等的子程序。P L C 的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少
49、决定了P L C 性能的高低【5 1。2)用户程序存储器：根据控制要求而编写的应用程序称为用户程序。用户程序存储器用来存放用户编写的应用程序和工作数据状态【5 1。存放工作数据状态的用户存储器部分也称为数据存储区。它包括输入、输出数据映像区，定时器计数器预置数和当前值的数据区，存放中间结果的缓冲区。3)工作数据存储器：工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使、用的O N O F F 状态、数值数据等【9】。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的O N O F F状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户
50、程序执行时的某些可变参数值及A D 转换得到的数字量和数学运算的结果等。在P L C 断电时能保持数据的存储器区称数据保持区。用户程序存储器和用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映P L C 性能的重要指标之一。(4)输入输出模块：P L C 的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入输出单元从广义上包含两部分：一是与被控设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器【5 1。输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存