摘要根據(jù)中國(guó)傳統(tǒng)人工噴泉系統(tǒng)的特點(diǎn)死板設(shè)計(jì),為了是噴泉效果更好,本文中使用了PLC控制器,通過(guò)采用隨意調(diào)整控制程序以及設(shè)定相應(yīng)參數(shù)的方法,可以按照實(shí)際需求更改傳統(tǒng)人造噴泉的噴水花樣以及規(guī)則,既節(jié)省了人力、物力等資源,也表現(xiàn)出了智能科技化。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)先對(duì)人造噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀和本文主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，隨后對(duì)本文中所研究的聲控噴泉進(jìn)行總體方案確定，再其次，根據(jù)以確定的聲控噴泉控制系統(tǒng)總體方案，完成了詳細(xì)的硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在對(duì)可編程PLC控制技術(shù)、脈寬調(diào)制控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)作了簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上，初步確定西門子PLC的選型，步進(jìn)電機(jī)的選型和其他配套電氣元器件的選型等內(nèi)容，并根據(jù)所選硬件完成電氣控制系統(tǒng)的初步搭建；再其次，利用上述所設(shè)計(jì)的硬件控制系統(tǒng)，結(jié)合西門子S7-1200PLC控制器的邏輯控制思路以及變頻器參數(shù)設(shè)置方法，對(duì)本課題所研究的聲控噴泉的控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的軟件程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的梯形圖程序，為后續(xù)系統(tǒng)控制程序的調(diào)試工作奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：聲控噴泉；西門子PLC；變頻器；梯形圖語(yǔ)言；邏輯控制AbstractAccordingtothecharacteristicsofthetraditionalChineseartificialfountainsystemrigiddesign,inordertoachievecaneasilychangethefunctionofsprinklerformandinjectionrules,thisarticleusedthePLCcontroller,throughtherandomadjustmentcontrolproceduresandsetcorrespondingparameters,canchangethetraditionalartificialfountainsprinklerpatternandrulesaccordingtotheactualneeds,bothsavehumanandmaterialresources,alsoshowstheintelligentscienceandtechnology.Thegraduationdesignfirstbrieflysummarizesthedevelopmentsituationofartificialfountainandthemainresearchcontentofthisarticle,Theoverallschemewassubsequentlydeterminedforthesound-controlledfountaininvestigatedinthispaper,Secondly,Accordingtotheoverallschemeofthesoundcontrolfountaincontrolsystemtodetermine,Adetailedhardwarecontrolsystemdesignwascompleted,PreliminarydeterminetheselectionofSiemensPLC,Selectionofstepmotorandselectionofothersupportingelectricalcomponents,Andtocompletethepreliminaryconstructionoftheelectricalcontrolsystemaccordingtotheselectedhardware;Secondly,Usingthehardwarecontrolsystemdesignedabove,CombinedwiththelogiccontrolideaofSiemensS7-1200PLCcontrollerandthefrequencyconverterparametersettingmethod,Thesoftwareprogrammingofthesoundcontrolfountainstudiedinthisproject,Designthecorrespondingtrapezoidalchartprocedures,Itlaysthefoundationforthesubsequentcommissioningofthesystemcontrolprocedures.Keywords:soundcontrolfountain;SiemensPLC;frequencyconverter;trapezoidaldiagramlanguage;logiccontrol目錄TOC\o"1-2"\h\u12690摘要 117597Abstract 22440第一章緒論 1220651.1選題的背景 174951.2課題的研究意義 115981.3課題研究現(xiàn)狀和發(fā)展 1981.4本文主要研究?jī)?nèi)容 125550第二章聲控噴泉總體設(shè)計(jì)方案的確定 1125912.1任務(wù)及功能分析 1231862.2控制系統(tǒng)的選擇 11352.3噴泉外觀的設(shè)計(jì) 1256612.4控制系統(tǒng)總體方案 1175462.5解決系統(tǒng)時(shí)間滯后硬件的方案選擇 173642.6噴泉的管網(wǎng)設(shè)計(jì) 157352.7元件的選型及論證 165232.8本章小結(jié) 17031第三章聲控噴泉硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 187773.1控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 172183.2控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 195443.3樂曲信號(hào)的采集 1327083.4步進(jìn)電機(jī)選型 1165183.5步進(jìn)電機(jī)與流量閥的連接設(shè)計(jì) 1146673.6流量閥的概述 1232453.6其他電氣元件的選擇 1235571、電源 1193472、燈泡 1302023.7本章小結(jié) 121378第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 132994.1軟件系統(tǒng)總體方案 1292474.2編程語(yǔ)言和編程軟件 1141774.3部分梯形圖程序設(shè)計(jì) 1192794.4HMI模擬畫面仿真 1237354.5本章小結(jié) 16996第五章總結(jié) 114257參考文獻(xiàn) 12034謝辭 1第一章緒論1.1選題的背景為了滿足噴泉市場(chǎng)越來(lái)越豐富的需求，并且安全可靠，各種噴泉相相問(wèn)世，并逐漸向微型化和盈利性的趨勢(shì)發(fā)展。音響噴泉的系統(tǒng)控制變得尤其敏銳，如MCU、PLC、DSP等，都運(yùn)用在音樂噴泉中。當(dāng)然，它們也有長(zhǎng)處和弱點(diǎn)。本文旨在旅游景點(diǎn)設(shè)置的一種小型“音樂噴泉”。采取PLC作為音樂噴泉控制體系規(guī)劃的控制核心，主要實(shí)現(xiàn)PLC的回放，負(fù)責(zé)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)作和水泵的行動(dòng)，解決系統(tǒng)信號(hào)與水柱不同步的麻煩。[1]1.2課題的研究意義音樂噴泉是通過(guò)各個(gè)部分的程序來(lái)結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，機(jī)、泵、管、閥門、噴頭、控制器、電磁閥、繼電器等的合理選配，直接影響整體效果，特別是聲控噴泉的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅要能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，使噴泉整體顯得更智能化，而且還要滿足高可靠性、高穩(wěn)定性、高壽命、高安全性等方面的性能要求，因此設(shè)計(jì)一款智能化的聲控噴泉控制系統(tǒng)己經(jīng)成為當(dāng)下噴泉工程企業(yè)急需解決的問(wèn)題。[3]設(shè)計(jì)一款低成本、高性能的聲控噴泉控制系統(tǒng)，不僅能使現(xiàn)代噴泉的控制更加智能化、精準(zhǔn)化，既節(jié)約使用成本，又符合綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的理念；而且還能提升人們對(duì)使用聲控噴泉場(chǎng)合的直觀科技感和體驗(yàn)感，使人們生活幸福感得以一定程度地提高。對(duì)于國(guó)內(nèi)外各類噴泉設(shè)備公司、景觀工程公司等而言，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)化程度高的高性價(jià)比聲控噴泉控制系統(tǒng)可以為他們帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.3課題研究現(xiàn)狀和發(fā)展1、噴泉的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀噴泉作為一種建筑藝術(shù)的體現(xiàn)和人造景觀的智慧結(jié)晶，在國(guó)內(nèi)外有著悠久的歷史?，F(xiàn)代噴泉工程涉及流體力學(xué)、液壓控制、燈光技術(shù)、音樂編舞、環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科。因此，可以說(shuō)現(xiàn)代噴泉是一項(xiàng)集多學(xué)科、多領(lǐng)域于一體的系統(tǒng)工程。[5]在海外,噴泉問(wèn)世于初期的歐洲城市。1930年,意大利人伯特皮特喬(OttoPitejo)初次明確提出噴泉與日常生活緊密結(jié)合的念頭,并設(shè)計(jì)方案了中小型音樂噴泉設(shè)備適用于酒店餐廳和大型商場(chǎng),接著慢慢發(fā)展壯大為進(jìn)口替代和多元化。接著的幾十年里,音樂噴泉的發(fā)展趨勢(shì)更為多種多樣,1952年夏季在西柏林工業(yè)生產(chǎn)展會(huì)上解開了一個(gè)那時(shí)候更專業(yè)的音樂噴泉的造型藝術(shù)面具,吃驚了全球,以后一位紐約市攝像師將其引入紐約市的廣播節(jié)目歌曲服務(wù)廳,此后,音樂噴泉在全球范疇內(nèi)獲得應(yīng)用推廣。[6]

在中國(guó),伴隨著在我國(guó)改革制度的持續(xù)執(zhí)行,上世紀(jì)80時(shí)代中后期,在我國(guó)還引入并設(shè)計(jì)制作修建了一批音樂噴泉,對(duì)凈化環(huán)境，活躍性老百姓文化活動(dòng)具有了不錯(cuò)的功效?，F(xiàn)階段中國(guó)音樂噴泉企業(yè)有數(shù)家,這些企業(yè)都是在充足發(fā)揚(yáng)水文化,將河水，噴泉水景觀設(shè)計(jì)融聲，光，水，3d于一體,打造大量，升級(jí)，更強(qiáng)的自然景觀,這種企業(yè)在國(guó)內(nèi)各地承攬了各種各樣大中型歌曲噴泉，程控噴泉，從建筑工程設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造，安裝，調(diào)節(jié),給予一整套健全的保障體系。2、噴泉控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀對(duì)于音樂噴泉而言，為了實(shí)現(xiàn)音樂噴泉隨音樂律動(dòng)變化水柱高低的要求，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。如聲控噴泉，就是通過(guò)控制系統(tǒng)部分來(lái)完成任務(wù)；否則,噴泉的造型只能以默認(rèn)固定的方式運(yùn)行，缺乏靈活性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者、噴泉生產(chǎn)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)等在噴泉控制系統(tǒng)的研究中，經(jīng)常采用的核心控制器有：DSP、單片機(jī)控制以及PLC控制等等，DSP技術(shù)源自歐洲，是最初始的噴泉控制技術(shù)，當(dāng)控制電路設(shè)計(jì)好之后，無(wú)法隨意更改噴水的花樣和噴水發(fā)射的時(shí)間。單片機(jī)是一種微型控制器，其具備成本低、體積小、編程方便等特點(diǎn)，因此其往往被用于各類嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中去，但由于其使用時(shí)需配套大量外圍電路，導(dǎo)致系統(tǒng)整體可靠性較低，故其在聲控噴泉操縱系統(tǒng)中的應(yīng)用并不多見。PLC是一種小型計(jì)算機(jī)，其一般分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出、電源、拓充單元和其余外圍設(shè)備組成，這些模塊彼此之間的通信可通過(guò)總線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。由于PLC的體積較小，可根據(jù)需要靈活自主搭配各I/O拓展模塊，因而若將其應(yīng)用于聲控噴泉的控制系統(tǒng)中，在不改變系統(tǒng)硬件的情況下，通過(guò)控制PLC程序改變，實(shí)現(xiàn)噴泉噴水效果的改變，依靠著PLC的這種靈活性，在很多商場(chǎng)甚至是娛樂場(chǎng)所中的噴泉大多使用PLC作為其核心控制器。除此以外，PLC的噴泉系統(tǒng)還包括了自我診療功能，該功能可以提升整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所發(fā)生的問(wèn)題及時(shí)做出相應(yīng)的判斷，從而使系統(tǒng)檢修時(shí)間縮短，大大提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性。綜合國(guó)內(nèi)外在聲控噴泉控制系統(tǒng)中的研究現(xiàn)狀，歸納得出常見的聲控噴泉控制技術(shù)主要有以下三種[7]：(1)完全編程。通過(guò)提前編寫程序來(lái)讓所控制部件按照要求運(yùn)行，包括噴泉水的類型和燈光的變換都是事先設(shè)計(jì)好的。它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是控制效果單調(diào)，對(duì)于采集到的聲音信號(hào)只有預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制效果，而當(dāng)添加新的語(yǔ)音控制方式時(shí)，如果原有的控制程序不能得到理想的控制效果，必須修改程序才能進(jìn)行，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。(2)即時(shí)音頻控制方法。聲音操縱方法是依據(jù)聲音數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)處理噴泉實(shí)際效果的一種方式。與程控方法對(duì)比,當(dāng)接受到新的聲音數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí),不用更改原來(lái)的管理程序,操縱實(shí)際效果可以非常好地融洽。但因?yàn)樾枰獙?shí)時(shí)傳送信息，所以對(duì)傳感器控制要求非常高,即時(shí)可操控性無(wú)法得到合理確保,還因程序處理時(shí)間滯后，所以容易造成灑水裝置與程序處理時(shí)間不匹配。(3)預(yù)編程控制模式。在充分理解每個(gè)聲音的情感和意境的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制效果。系統(tǒng)的兩部分相互獨(dú)立，解決了上述聲控方式中的水型滯后問(wèn)題。但在系統(tǒng)中加入新的語(yǔ)音控制方式時(shí)，用戶需要在控制系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)，不利于音庫(kù)的擴(kuò)展，語(yǔ)音控制效果受到一定限制。3、發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)階段，使用微型計(jì)算機(jī)來(lái)控制噴泉已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。未來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)等高科技的發(fā)展，自動(dòng)識(shí)別聲音信號(hào)、水型智能化的聲控音樂噴泉將是未來(lái)的主流發(fā)展方向之一[8]。并且，在公園、商場(chǎng)以及居民建筑中，各種不同規(guī)模、不同功能的聲控噴泉也會(huì)越來(lái)越多，多功能的、高智能化的、高可靠性的、低成本的自動(dòng)化聲控噴泉也會(huì)越來(lái)越受到市場(chǎng)的歡迎。1.4本文主要研究?jī)?nèi)容音樂噴泉的設(shè)計(jì)原理是:依據(jù)聲音分貝來(lái)控制噴泉水柱的高低變化和粗細(xì),為了更好地讓水柱的高度和尺寸的花瓣樣式的變動(dòng)和樂曲的節(jié)奏感同歩轉(zhuǎn)變,流水由步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)控制的流量閥調(diào)整,該電機(jī)為三相步進(jìn)電機(jī)電機(jī)。因而，只需控制好步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比，就會(huì)有很有可能控制管路中的總流量。步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接開關(guān)電源時(shí)，轉(zhuǎn)速比不會(huì)改變;運(yùn)用PLC控制電機(jī)轉(zhuǎn)速比時(shí)，可靈便更改管路內(nèi)的總流量，使噴泉運(yùn)作時(shí)花型圖案轉(zhuǎn)變更為靈便。伴隨著歌曲噴泉的應(yīng)用更加普遍，牽涉到愈來(lái)愈多的控制方式，如PLC，上位機(jī)軟件，觸摸顯示屏等，因而噴泉的控制包含了智能化的所有課程，品牌形象形象化。

盡管噴泉的類型多種多樣，如城市廣場(chǎng)噴泉，旅游景點(diǎn)噴泉，旱泉，跑泉，激光器噴泉，層.流噴泉，趣味性噴泉，水幕電影這些，這種噴泉灑水時(shí)的花型都具備形態(tài)各異的實(shí)際效果，但都是一個(gè)相同的特性：即產(chǎn)生水形的基本上信道全是由水泵，管路，閘閥和打印機(jī)噴頭構(gòu)成。因而，歌曲噴泉工程項(xiàng)目中毫無(wú)疑問(wèn)也會(huì)安裝很多的電磁閥門，花燈，水泵和造成其他機(jī)械設(shè)備姿勢(shì)的電機(jī)。為了更好地做到聽覺系統(tǒng)，視覺效果的融洽統(tǒng)一，控制系統(tǒng)軟件應(yīng)能依據(jù)歌曲的節(jié)奏感，節(jié)奏和情感顏色輸出，造成各種各樣不一樣的情況組成來(lái)控制水形和燈光效果即時(shí)轉(zhuǎn)變，這也是音樂噴泉廣場(chǎng)的控制有別于工業(yè)生產(chǎn)控制的主要特點(diǎn)。

不一樣的水形有不一樣的控制方式。從音樂噴泉控制的視角看來(lái)，大部分可以分成四類:第一類是水形，運(yùn)行水泵立即給管路和噴頭充壓，實(shí)際效果是噴頭的水柱在停啟時(shí)有一個(gè)銜接提高全過(guò)程；在第二種水型中，必須根據(jù)變頻調(diào)速器控制水泵的轉(zhuǎn)速比，做到水柱的持續(xù)提高實(shí)際效果；第三種水型，充壓灑水時(shí)，運(yùn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制打印機(jī)噴頭晃動(dòng)，完成花形轉(zhuǎn)變；第四種水型在立即運(yùn)行水泵給管路充壓后，必須根據(jù)控制器迅速控制很多真空電磁閥的打開和關(guān)掉，使打印機(jī)噴頭可以兩種方法噴涌，進(jìn)而產(chǎn)生說(shuō)白了的跑泉運(yùn)作和水柱彈跳實(shí)際效果。

根據(jù)以上剖析，本課題研究將與此同時(shí)選用第三種水形和第四種水形，即控制系統(tǒng)軟件須控制伺服電機(jī)的姿勢(shì)，完成對(duì)閥的控制，讓音樂噴泉在操作時(shí)，可以見到水柱的持續(xù)升降機(jī)和花型圖案的尺寸轉(zhuǎn)變實(shí)際效果。再添加真空電磁閥，通過(guò)程序控制相對(duì)應(yīng)的真空電磁閥啟閉情況，就可以獲得不一樣的花形。因?yàn)闋可娴剿?，真空電磁閥，噴頭的挑選，故需開展音樂噴泉造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的管道網(wǎng)開展設(shè)計(jì)方案測(cè)算（流量計(jì)算，損害測(cè)算等），這將做為水泵，真空電磁閥，噴頭挑選的根據(jù)；與此同時(shí)要開展控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（硬件開發(fā)和軟件開發(fā)），是為了更好地完成PLC的操縱，花型變化，及其歌曲數(shù)據(jù)信號(hào)和花型的不對(duì)稱性解決。聲控噴泉總體設(shè)計(jì)方案的確定本章節(jié)需要進(jìn)行研究的內(nèi)容是根據(jù)上一章的工作計(jì)劃，主要進(jìn)行聲控噴泉控制系統(tǒng)任務(wù)及功能分析，列出控制系統(tǒng)方案進(jìn)行比較，確定元件的選型及論證。2.1任務(wù)及功能分析鑒于聲控噴泉的目前發(fā)展情況，結(jié)合資料的查詢，本文主要設(shè)計(jì)一種基于PLC的小型聲控噴泉控制系統(tǒng)。于是對(duì)該聲控噴泉控制系統(tǒng)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)的分析，實(shí)現(xiàn)硬件方面以及程序編程方面的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單介紹本文所選用的元件，通過(guò)模塊實(shí)現(xiàn)各部分的功能，并制作相應(yīng)的總體示意圖。通過(guò)以PLC為核心的聲控制噴泉的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了聲音的采集、樂曲的播放、步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)控制以及燈光的控制。最后達(dá)到一定的穩(wěn)定性、充分體現(xiàn)高性價(jià)比的原則，并且使用便利、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)了智能化的聲控噴泉，滿足現(xiàn)代都市人們的需求。2.2控制系統(tǒng)的選擇在音樂噴泉控制系統(tǒng)中，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)操縱基本原理，以晶閘管做為輸出功率電子開關(guān)，因?yàn)榫чl管承擔(dān)過(guò)壓，過(guò)電流量的工作能力較弱，因此不可以長(zhǎng)期運(yùn)作。但采用PLC能合理的處理這一難題，與此同時(shí)PLC具備較強(qiáng)的自確診作用，快速便捷的查驗(yàn)常見故障，減少維修時(shí)間，因此，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性。但成本費(fèi)較高。相較為下挑選以PLC做為控制板。2.3噴泉外觀的設(shè)計(jì)因?yàn)楸緡娙獮槭覂?nèi)景觀噴泉，需要放置在室內(nèi)空曠的地方，所以選擇如圖2-1所示作為本噴泉設(shè)計(jì)方案。根據(jù)人的雙眼視覺范圍（垂直視角在30度,水平視角在45度）,確定噴泉的高度與寬度，以達(dá)到最佳的觀景效果。[9]1—花柱噴2、3、4、5—樹冰噴頭6、7、8、9—萬(wàn)向直流噴頭圖2-1噴泉平面造型2.3.1水泵與噴頭的安裝水泵安裝計(jì)劃方案：本計(jì)劃方案采用十字形供電方法，將水泵設(shè)定在噴池中間，一樣是因?yàn)樽屃魉焖倭髦撩恳粋€(gè)噴頭，自然還可以采用在外側(cè)或內(nèi)孔安裝水泵，用一短接管將內(nèi)外幾圈的自來(lái)水管相互連接，就可以向每個(gè)噴頭供電了，可是這類方法使間距水泵很遠(yuǎn)的噴頭的水流高度變化會(huì)落后于間距水泵較近的同特性的灑水高度變化，造成的滯后效應(yīng)較十字形供電方法的滯后效應(yīng)大。設(shè)定了九個(gè)不同花形噴頭，分內(nèi)外幾圈布局，在蓄水池的核心還設(shè)定了一個(gè)花柱噴頭，噴泉造型設(shè)計(jì)如圖所示2.1所顯示。與此同時(shí)欣賞效果非常的好，可供從全方位看到一樣的樣式，這樣的結(jié)構(gòu)在噴泉效果的展出是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

2.3.2噴泉高度寬度計(jì)算依照人的雙眼視覺范圍（垂直視角在30度,水平視角在45度）,確定噴泉的高度與寬度.D1=cot式中D1—合適視距H—景物高h(yuǎn)—人眼高根據(jù)音樂噴泉工作場(chǎng)合使用特點(diǎn)，故選用平行狀態(tài)下可觀察的視角為距離地面2.5m左右較為貼切，由式（2.1）可得噴水池的寬度為W=D2因?yàn)橹行⌒蛧娙呢Q直適合視距約為灑水高的3倍,噴泉景色適合的視距約為景色總寬的1.2倍,因而噴泉的灑水高度按較大為3m高的水流開展設(shè)計(jì)方案,總寬也按3m開展設(shè)計(jì)方案。2.4控制系統(tǒng)總體方案該聲控噴泉的控制系統(tǒng)主要由可編程控制器PLC和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)宗旨是：通過(guò)外界聲音的振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所研究的噴泉的9個(gè)噴頭出水量的精準(zhǔn)控制。聲音分為兩路，一個(gè)通過(guò)功放傳輸給外部連接的喇叭，一路由PLC經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換、脈寬調(diào)制發(fā)送給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，有驅(qū)動(dòng)器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制流量閥的壓力大小。通過(guò)閥的開度改變水流大小，以達(dá)到噴泉噴水的變化。這樣就可以通過(guò)改變程序來(lái)指揮噴泉做出各種動(dòng)作。[10]2.5解決系統(tǒng)時(shí)間滯后硬件的方案選擇由于PLC需要花費(fèi)一些時(shí)間來(lái)收集和進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并且還需要一定的時(shí)間來(lái)完成水泵抽水的工作。出具兩種方案。方案一：由于也有延時(shí)性，故計(jì)算出雙方運(yùn)行所差距具體時(shí)間通過(guò)提前運(yùn)行來(lái)完成聲音與程序相匹配。方案二：設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)程序，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分析，設(shè)計(jì)延時(shí)參數(shù)，達(dá)到可以使樂曲和水柱同步變化的結(jié)果。樂曲元素的提前處理通常用在工業(yè)計(jì)算機(jī)和具有強(qiáng)大數(shù)字處理功能的其他控制系統(tǒng)中，如果單單使用簡(jiǎn)單微控制器進(jìn)行控制，一般是不能達(dá)到先前預(yù)定的目標(biāo)。因此，采用延時(shí)參數(shù)的方法可以有效控制樂曲的延遲。該解決方案簡(jiǎn)單易懂。故選擇方案二。2.6噴泉的管網(wǎng)設(shè)計(jì)根據(jù)本文2.3.2計(jì)算所得想要達(dá)到預(yù)定的高度需要對(duì)噴頭及管網(wǎng)進(jìn)行選擇。2.6.1噴泉噴頭選擇1、水平射程和噴水高度影響噴頭水平射程的要素很多，但主要因數(shù)是工作壓力，噴嘴半徑和噴射弧度,射流曲線軌跡幾個(gè)主要參數(shù)見圖2-2。圖2-2傾斜射流曲線軌跡圖中：L1—射流上升部分的水平投影（m）L2—射流下降部分的水平投影（m）R—水平射程（m）h—射流高度（m）α—傾斜射流的仰角（度）2、流量計(jì)算表2.1各噴頭的型號(hào)噴頭的流量可按下列公式計(jì)算：[1]式（2.27）式中—噴頭的流量噴頭的流量系數(shù)—噴嘴的過(guò)水面積g—重力加速度由此可計(jì)算出主管道總流量為：Q總=通過(guò)上面計(jì)算最終選擇WX-117噴頭4個(gè)，HZ-112噴頭1個(gè)，SB-219噴頭4個(gè)。如表2.1所示2.6.2配水管網(wǎng)的選擇配水管網(wǎng)的運(yùn)算主要是明確管徑和水頭損失。由水力學(xué)公式得知將其代入上式，移項(xiàng)得：式（2.36）式中D—管徑Q—流量 A—水管的過(guò)水?dāng)嗝娣e（通流面積）π—圓周率V—流速查標(biāo)準(zhǔn)管道直徑系列無(wú)48mm的管徑，因此需對(duì)其進(jìn)行修正，查標(biāo)準(zhǔn)管徑系列取D=50mm.2.7元件的選型及論證2.7.1PLC的選型現(xiàn)階段每個(gè)廠家生產(chǎn)的PLC其知名品牌，規(guī)格型號(hào)，作用不盡相同。在中國(guó)較為知名的國(guó)際品牌一般有日本的三菱，康佳，omron及其德國(guó)的西門子PLC等,在型號(hào)挑選上依據(jù)自身所了解的PLC編程手機(jī)軟件為參照在本設(shè)計(jì)方案中我選用德國(guó)的西門子PLC中小型PLC商品S7-1200型號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)。S7-1200PLC它適用各個(gè)領(lǐng)域,各種各樣中小型場(chǎng)所中的自動(dòng)識(shí)別，監(jiān)管與在操縱,具備極性能卓越，價(jià)格對(duì)比。博圖軟件在研發(fā)的歷程之中非常容易改動(dòng)程序流程,大大減少了系統(tǒng)軟件的研發(fā)時(shí)間。由于1212CCPU自身的I/O輸出點(diǎn)不足，所以增加了一塊SM1223的數(shù)字量輸出模塊。這樣就完全滿足了本控制系統(tǒng)的控制要求。2.7.2水泵及電機(jī)的選擇潛水泵因?yàn)槭菑氐追庞谒锕ぷ鞯?，自身轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的熱量也都由水體本身進(jìn)行了冷卻，并且不接觸空氣所以不怕發(fā)生生銹的情況,因此不容易造成過(guò)高的溫度,效能較高,既降低了機(jī)械設(shè)備損害又減小了阻力。查JB/T8092-1996規(guī)范[8]挑選潛水泵的型號(hào)列于表2.5。表2.5潛水泵的主要技術(shù)參數(shù)表2.8本章小結(jié)本章主要對(duì)噴泉整體方案進(jìn)行了確定，列出了兩種選擇進(jìn)行比較。最后確定了噴泉外觀布局、相關(guān)元件，為下文坐下鋪墊。聲控噴泉硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章節(jié)的主要內(nèi)容是完成電路原理設(shè)計(jì)，先通過(guò)介紹各個(gè)元件以及設(shè)計(jì)各部分電路，并做對(duì)應(yīng)的電路分析，從而完成整個(gè)噴泉控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。3.1控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)歌曲噴泉自動(dòng)控制系統(tǒng)具備基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)大,實(shí)用性規(guī)定高的特性。依據(jù)其特性,其硬件配置選用PLC模擬量輸入鍵入plc模塊伺服電機(jī)真空電磁閥構(gòu)成。這類構(gòu)成可以有效的達(dá)到音樂噴泉控制的規(guī)定。還具備硬件配置和配件節(jié)約項(xiàng)目投資,便于調(diào)節(jié)和保護(hù)的優(yōu)勢(shì)。音樂噴泉控制系統(tǒng)軟件的硬件配置構(gòu)造框架圖如圖所示3-1所顯示。圖3-1聲控噴泉硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.2.1S7-1200PLC概述S7-1200PLC它適用各個(gè)領(lǐng)域,各種各樣中小型場(chǎng)所中的自動(dòng)識(shí)別，監(jiān)管與在控制,具備極性能卓越/價(jià)格對(duì)比。S7-1200的快速輸出可以用以步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)的速度和部位控制。根據(jù)一個(gè)軸加工工藝目標(biāo)和PLCopen健身運(yùn)動(dòng)控制命令,他們可以輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)速度，閥部位或加溫部件的pwm占空比。除開回到起點(diǎn)和啟動(dòng)作用之外,還適用肯定部位控制，相對(duì)位置控制和速度控制。軸加工工藝目標(biāo)有專用型的組態(tài)軟件對(duì)話框，調(diào)節(jié)對(duì)話框和確診對(duì)話框。博圖軟件在研發(fā)的歷程之中非常容易改動(dòng)程序流程,大大減少了系統(tǒng)軟件的研發(fā)時(shí)間。3.2.2PLCI/O分配本噴泉的核心軟件控制系統(tǒng)主要控制了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)潛水泵，接收外部傳感器所輸入的傳感器信號(hào)。具體輸入輸出接口如圖3-2。圖3-2程序設(shè)計(jì)IO分配表3.2.3PLC電氣原理圖設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的聲控噴泉的控制系統(tǒng)擬選用CPU1212CDC/DC/DC型的S7-1200PLC，外接SM1223DC/RLY型的數(shù)字量擴(kuò)展模塊，其外部接線圖如圖3.3所示[12]，其中，L+與M分別接24VDC電源。圖3.3S7-1200PLC的外部接線圖3.3樂曲信號(hào)的采集

這一部分是音樂噴泉的關(guān)鍵技術(shù)?？刂埔魳穱娙耐饨缏曨l信號(hào)有多種多樣來(lái)源于,在其中之一是來(lái)源于音箱系統(tǒng)的音頻輸出。該信號(hào)還需要通過(guò)轉(zhuǎn)換電源電路變大，過(guò)濾，限制振幅和檢驗(yàn)波形,更改成與歌曲分貝百分比所掛勾的包括檢波信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集中控中心。所檢測(cè)數(shù)據(jù)幅度值為0-10V?？刂瞥鏊母叨纫灿性S多辦法，通過(guò)本文所選需求，故選用簡(jiǎn)單類型。最簡(jiǎn)單的方法是將數(shù)據(jù)采集中控中心所得數(shù)據(jù)通過(guò)更改驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)控制水泵的轉(zhuǎn)速，使所噴出來(lái)的水花隨著聲音大小而實(shí)現(xiàn)水泵噴出的相應(yīng)變化。通過(guò)外部聲源實(shí)現(xiàn)水型隨變方案，根據(jù)對(duì)所接受到的音樂分貝高度檢測(cè)進(jìn)行處理分析，給出既定值的判斷依據(jù)和相應(yīng)的閾值。通過(guò)科技進(jìn)步發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理問(wèn)題的方法方式速度趨于成熟化，當(dāng)滿足了音質(zhì)要求之后，將音樂的音波輸入計(jì)算機(jī)控制中心，能時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)變頻音樂的形態(tài)變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)通過(guò)音樂分貝調(diào)整音樂噴泉高度的要求，同時(shí)控制噴泉的運(yùn)行。3.4步進(jìn)電機(jī)選型3.4.1步進(jìn)電機(jī)原理及其控制步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)將接收到的脈沖量變?yōu)橄鄳?yīng)的角度偏差或線性移動(dòng)的電機(jī)。通過(guò)改變其芯片所控制的驅(qū)動(dòng)輸出的脈沖的數(shù)量來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)大小調(diào)節(jié)，改變控制器的脈沖輸出周期而變化輸出的速度，完成調(diào)整速度的目的。被廣泛用在不需要反饋信息的場(chǎng)合[14]。3.4.2步進(jìn)電機(jī)的選型考慮到音樂噴泉需要實(shí)現(xiàn)分別控制同時(shí)進(jìn)行的處理要求，故選用步進(jìn)電機(jī)，因其沒有累計(jì)誤差的特點(diǎn)，可以非常契合音樂噴泉控制要求，通過(guò)PLC程序控制，對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)不同的頻率，可以實(shí)現(xiàn)根聲音強(qiáng)度調(diào)節(jié)水流高度的要求。對(duì)于所需電流大小，考慮到音樂噴泉控制閥所需功率，系統(tǒng)正常工作不需要太大的電流，為了節(jié)能環(huán)保和防止電流過(guò)大引起的燒毀，故選用中小型三相步進(jìn)電機(jī)。[15]通過(guò)查閱資料，kinco3S57Q-04056型號(hào)三相步進(jìn)電機(jī)是可以符合本次聲控噴泉的設(shè)計(jì)要求的。3.4.3步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)于一種次核心軟件,在從主要內(nèi)核軟件控制器處接收到命令信號(hào)之后,就完成了與命令有關(guān)的各種運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制,使步進(jìn)電機(jī)能夠根據(jù)命令去實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)。由于驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)二者之間存在著控制與被控制之間的相互關(guān)聯(lián),因此二者工作的完成需要產(chǎn)品廠家和型號(hào)做好一樣。依照驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的技術(shù)要求來(lái)看，驅(qū)動(dòng)器的分類還要考慮輸出的脈沖的頻度和步進(jìn)電機(jī)的方向[16]。此外，為了提高對(duì)步進(jìn)電機(jī)的操縱標(biāo)準(zhǔn)，選擇附帶細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器。綜合以上情況，最終挑選步科3M458型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如表3.1所示。表3.1步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)3.4.4步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器外部電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器為PLC給出的脈沖寬度調(diào)整好的信息開操控電機(jī)的動(dòng)作，用不同的頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的輸出頻率控制，是通過(guò)在其模擬量輸入端口PLS+方向輸入端口DIR+加模擬電壓來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器的輸出頻率?？刂齐娐愤B接見圖3-4所示。圖3-4步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的主電路及控制電路3.5步進(jìn)電機(jī)與流量閥的連接設(shè)計(jì)PLC發(fā)送的脈沖標(biāo)號(hào)列表經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大電路指揮電機(jī)的運(yùn)行。PLC發(fā)送的脈沖標(biāo)號(hào)列表經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大電路,指示電機(jī)的正常工作。PLC每產(chǎn)生一次信號(hào),步進(jìn)電機(jī)就會(huì)向前運(yùn)動(dòng)一定的距離或后退。通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率變化步進(jìn)電機(jī)的大小,并通過(guò)與滾珠絲杠所連接的機(jī)構(gòu),推動(dòng)閥心水平移動(dòng)以改變閥門的開啟程度。[17]步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制螺桿轉(zhuǎn)動(dòng),把相對(duì)的角度通過(guò)比例變?yōu)橹本€距離。系統(tǒng)中恒壓調(diào)速流量閥與步進(jìn)電機(jī)連接的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-5所示。在建立該環(huán)節(jié)時(shí)，假設(shè)消除所有的不良因素。圖中m為流量閥閥芯的質(zhì)量;θ0(t)為電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角輸入,流量閥芯的位移X0(t)為輸出。圖3-5流量閥與步進(jìn)電機(jī)的連接結(jié)構(gòu)3.6流量閥的概述液壓閥是由閥體閥芯和通過(guò)驅(qū)動(dòng)閥芯在閥內(nèi)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制裝置。根據(jù)閥芯形狀，分為球閥、滑閥，錐閥。閥體除有與閥芯大小相匹配的閥體孔或閥座孔以外,尚有外燃管的進(jìn)油口、出油嘴和放油嘴的滑舌;;而驅(qū)動(dòng)閥芯在閥體內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置可能是多種多樣的,在特定情形下,也可能是以液壓驅(qū)動(dòng)。液壓閥原理上是利用閥芯在閥體內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制閥口的打開與關(guān)閉,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、流量和方向的操縱。3.6其他電氣元件的選擇1、電源由于本設(shè)計(jì)中S7-1200PLC、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的供電電壓一般是24V的直流電源，而水泵的供電電壓均是380V交流電，故本設(shè)計(jì)中電源仍然采用380V交流電，使用開關(guān)電源把380V的交流電變?yōu)榭梢宰尶刂破骺晒ぷ鞯闹绷?4V電。本設(shè)計(jì)選用明偉品牌S-120-24型號(hào)的開關(guān)電源，實(shí)物如圖3-6所示。圖3-6S-120-24開關(guān)電源實(shí)物圖2、燈泡燈泡選用型號(hào)為合豐LED水底七彩燈，其實(shí)物如圖3-7所示。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，燈光會(huì)自動(dòng)開啟運(yùn)行。圖3-7合豐LED水底七彩燈實(shí)物圖3.7本章小結(jié)本章對(duì)主要部件進(jìn)行了選擇和連接，并對(duì)它們的運(yùn)行方式進(jìn)行概述。完成整體電氣原理圖，為下面的程序撰寫打好了基礎(chǔ)。第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1軟件系統(tǒng)總體方案在硬件系統(tǒng)搭建好之后，就需要軟件來(lái)支撐整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。用程序來(lái)優(yōu)化調(diào)整整個(gè)方案的成型，讓它成為一個(gè)擁有大腦的完整成果。整個(gè)工程根據(jù)實(shí)用性要求的出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了倆個(gè)支路，一個(gè)為聲控方案，一個(gè)是程控方法運(yùn)行。其系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖如圖4-1所示。圖4-1控制系統(tǒng)軟件流程圖4.2編程語(yǔ)言和編程軟件本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了現(xiàn)在PLC比較通用的機(jī)器語(yǔ)言——梯形圖語(yǔ)言，TIA博途軟件是西門子公司自主研發(fā)的一個(gè)專門解決現(xiàn)階段集成領(lǐng)域集程序編寫畫面模擬等為一體的專門解決方案[13]。本設(shè)計(jì)中借助TIA15博途軟件，可以能夠快速、直觀地設(shè)計(jì)和進(jìn)行后期的修改噴泉的控制系統(tǒng)，該款軟件界面如圖4-2所示。圖4-2TIA12博途軟件界面圖4.3部分梯形圖程序設(shè)計(jì)1、主程序。主程序是PLC開機(jī)程序，是一個(gè)選擇性程序，二者只能選一，要么是音樂控制的噴泉，要么是固定方式運(yùn)行的噴泉，同時(shí)啟動(dòng)水泵的供能。程序梯形圖如圖4-3所示。圖4-3開機(jī)程序梯形圖語(yǔ)言2、聲音控制程序。聲音控制噴泉的程序相對(duì)復(fù)雜，聲控模式中，系統(tǒng)根據(jù)采集的音頻信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的頻率，從而使噴泉柱隨音樂的起伏而高低變化。如圖4-4啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)與PLC所組態(tài)的工藝對(duì)象，如圖4-5聲控模式調(diào)節(jié)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器頻率程序。圖4-4啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)軸圖4.5音控模式調(diào)節(jié)步進(jìn)頻率3、噴泉固定運(yùn)行程序。由PLC的另一套程序控制。如圖4-6模擬高度給定程序、4-7程控跑泉模式程序、4-8延時(shí)程序?yàn)槌炭貒娙\(yùn)行方式。圖4-6模擬高度給定程序圖4-7程控模式程序圖4-8延時(shí)程序4、傳感器信號(hào)模擬量給定程序。通過(guò)傳感器接收的外部功放音頻的分貝如圖4-9傳感器信號(hào)模擬量給定程序。圖4-9傳感器信號(hào)模擬量給定程序4.4HMI模擬畫面仿真因?yàn)閷?shí)物產(chǎn)品現(xiàn)階段難以實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)噴泉的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真。以驗(yàn)證噴泉程序的可操作性如下圖4-10。圖4-10HMI模擬畫面4.5本章小結(jié)本章完成了噴泉的整體流程圖，對(duì)編程所用到的開發(fā)軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)聲控噴泉的程序編寫，實(shí)時(shí)的對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)試、更改。第五章總結(jié)人造噴泉的設(shè)計(jì)涵蓋的專業(yè)非常廣泛，包括聲音音頻和振幅的分析、水力、電氣、通訊和自動(dòng)控制等技術(shù)。通過(guò)對(duì)PLC、電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)等學(xué)識(shí)的歸納使用。本文較為細(xì)致地研究了聲控噴泉的實(shí)施過(guò)程及其控制方法。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)先對(duì)人造噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀和本文主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，隨后對(duì)本文中所研究的聲控噴泉進(jìn)行總體方案確定，再其次，根據(jù)預(yù)先想好的最優(yōu)方案，對(duì)噴泉外部各個(gè)