基于PLC的音乐喷泉系统设计毕业设计.doc
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1、目录目录1摘要2第一章 音乐喷泉的背景3第二章 音乐喷泉的概念5第三章 设计方案63.1音乐喷泉布局结构图介绍83.2控制要求9第四章 硬件设备104.1 PLC104.1.1 PLC的概述104.1.2型号的选择104.2潜水泵114.2.1潜水泵的定义114.2.2潜水泵的选择依据124.2.3潜水泵的选型134.2.4潜水泵使用注意事项144.3喷头144.3.1喷头的分类154.3.2本音乐喷泉喷头的选择154.4阀门的选择194.5灯具的选择204.6 变频器204.6.1什么是变频器?214.6.2变频器工作原理214.7滤波器224.8开关量224.9硬件接线示意图23第五章 系
2、统软件综合设计255.1 I/O分配图255.2 PLC梯形图27设计总结30致谢31参考文献32摘要随着人们的生活水平的日益提高,科学技术的日新月异,一些必要的美化设施逐渐兴起,各式各样的广场花园越来越多,喷泉作为一项建筑欣赏艺术,在国内外均有较悠久的历史。目前的水景喷泉一般包括:固定水景、时控喷泉、程控喷泉、声控喷泉、音乐喷泉类,控制方式的复杂程度由低到高。使用控制音乐喷泉,具有使用方便、运行可靠、控制程序设计简单等优点,若需要改变喷水花样和喷水时间,不必做很大调整,只要相应修改控制程序,即可实现控制目的。音乐喷泉形式多样,常常能吸引人们的眼球,同时水又增加了环境的灵动性,音乐喷泉已经成为
3、人们建造各类娱乐广场的必需设施。那些控制简便,花样较多,价格低廉的喷泉慢慢成为建设者的首选。现今,音乐喷泉的制造,延袭传统,结合现代,正日益成为人们或出于对环境的追求,或为了居室的美化,等等,而得到众多品位人士的追求。喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体,提供水压的一般为水泵。喷泉景观概括来说可以分为两大类:一是因地制宜,根据现场地形结构,仿照天然水景制作而成,如:壁泉、涌泉、雾泉、管流、溪流、瀑布、水帘、跌水、水涛、漩涡等。二是完全依靠喷泉设备人工造景。这类水景近年来在建筑领域广泛应用,发展速度很快,种类繁多,有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮
4、喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影等。喷泉原是一种自然景观,是承压水的地面露头。园林中的喷泉,一般是为了造景的需要,人工建造的具有装饰性的喷水装置。喷泉可以湿润周围空气,减少尘埃,降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击,能产生大量的负氧离子。因此,喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。现代高科技把美妙的音乐、多姿的喷泉造型、五彩缤纷的水下灯光、神奇的激光图文,通过电脑有机的结合在一起,给人以音乐声响、视觉形象、色彩变换三位一体的超自然享受。随着科学技术的不断发展和生活水平的不断提高,尤其是喷泉在城市和社区环境建设中起着尤其重要的作用。当今喷泉工程和高新技术的结合正是历史发展的必然趋势,
5、由于喷泉工程中采用了大量的高新技术,从而使喷泉效果更加绚丽多彩,婀娜多姿,令人赏心悦目、流连忘返。本设计课题旨在设计的过程中,培养广泛的学习兴趣,涉及更多的知识领域,无论是在课本的学习中所学到的还是在其他的资料中所参考得到,都要把它变成自己的知识加以巩固和学习,从而达到设计的初衷。关键词:可编程控制器(PLC)、变频器、水泵、电磁阀、音乐喷泉。第一章 音乐喷泉的背景国内在二十世纪八十年代以前,喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细节,从设计到产品制作,工程安装都没有形成规模。只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉,产品的水平也是简单、粗放的。二十世纪八十年以后,随着国民经济的
6、恢复和发展,人民生活水平的提高,一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造的过程中,以及环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了求新的要求,一部分建筑、园林、水利的设计院、研究所及大专院校,综合了土建结构、给排水、机电控制等传统的专业技术,加上当时先进的单片机,通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制,设计出一批喷泉、水景。得到了良好的社会反映和社会效益。在这个时期,一些喷泉设备专业加工厂和公司开始组建、发展,为喷泉的专业化发展提供了力量,打下了基础。二十世纪九十年代以后,社会主义市场经济快速发展,全国城市建设速度加快,人们也追求高质量的文化生活和环境美。市场的需求推动了喷泉行业的发展。喷泉走出
7、公园、园林的围墙和广场的中心,深入延伸到人们的各个社会活动场所。许多喷泉专业的生产厂商和专业公司,在这段时间内应运而生,迅速发展起来。专业技术人员把计算机技术、信息技术,以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中,把喷泉行业的技术水平推上了一个新的层面,开拓了广阔的应用空间,喷泉行业得到了快速发展。2001年中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会成立了水景喷泉专业委员会,行业组织为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、公司提供服务,促进喷泉行业健康有序地发展。一些大学和中专的建筑、园林专业也开设了水景、喷泉课程,为喷泉行业的今后发展提供了知识储备。喷泉行业
8、的发展进入到一个新的阶段。人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高,开拓了喷泉的应用范围。我们可以看到:适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉,其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方,给予人们团结进取,凝聚向上的感受。在商业广场、购物中心以及一些景点的大型激光彩色音乐喷泉,其动感十足的“水表演”,既欢快、跳跃,又抒情、富有诗意的“水舞蹈”,有些喷泉配之以水幕电影,给人们以变幻无穷,绚丽多姿的视听效果。河、湖自然水面上喷水高度超过百米的高水柱喷泉,其雄伟、壮观的水造型往往成为这个城市或旅游景点的特征之一。喷泉进入了住宅小区,多与建筑小品和雕塑相映、相伴,既有中、老年人们
9、喜爱的幽静、典雅的风格,也有适于儿童嬉水,趣味十足的形式。松弛、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受。商场内、酒楼里的喷泉小巧、别致,既调节了室内小气候,又增添了画意。依托大型建筑物和自然地形建成的人工瀑布及溢水造景给人们以清新和另有韵味的感受。喷泉在电视转播厅和大型歌舞上频频出现,调谐得当的水形烘托着演出的效果。精巧的微型喷泉进入了办公室和居室,给室内增添了动态的装饰。喷泉是艺术和技术的结合物,建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计、创作中。不少成功的作品都注意喷泉的设计风格与周边的环境、建筑物风格的协调一致,注意当地人文、文化心理,所以好的方案设计是至
10、关重要的,它是成功的起点。在喷泉方案的制作上,短短的几年时间就从手工制图发展到photo shop图片再发展到三维动画制作的光盘描绘的动态喷水方案,计算机技术极大地丰富和开拓了人们的思维空间。快速、直观、便于保存、易于修改的优点很快地就被建设方接受,成为喷泉设计方案招投标的必备内容。喷泉的专用产品,设备也在不断地更新换代,新材料、新技术的采用,环保型的产品更加安全、可靠,售后服务周到、及时,这些都为喷泉的良性发展提供了技术支撑,使得大多数的喷泉在美化环境之外,还发挥了良好的生态效应社会效益和广告效应等间接的经济效益。第二章 音乐喷泉的概念音乐喷泉是通过千变万化的喷泉造型,结合五颜六色的彩光照明
11、,来反映音乐的内涵及音乐的主题,一座好的音乐喷泉,水形的变化应该能够充分地表现乐曲。音乐喷泉是在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统,计算机通过对音频信号的识别,进行译码和编码,最终将信号输出到控制系统,使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步,从而达到喷泉水型、灯光及色彩的变化与音乐情绪的完美结合,使喷泉表演更加生动更加富有内涵。音乐喷泉:可以根据音乐的高低起伏变化。用户可以在编辑界面编写自己喜爱的音乐程序。播放系统可以实现音乐、水、灯光气氛统一,播放同步。软件利用音乐文件的物理波形,将其分为若干乐段,精度达十毫秒,并且自动识别震撼、思念、抒情、喜悦、激昂、悲哀、欢快、热烈等乐曲的基本情感特
12、征,转换为控制信号,经过同步处理后通过信号输出卡输出到外围具体控制单元,即根据水型组态规则控制潜水泵、电磁阀、水下彩灯和变频器等执行机构,将视觉感受与听觉感受融为一体。当人们感受各种音响时,会不自觉的把这些听觉感受和其它非听觉器官的感受联系起来,这种现象称为联觉,属于一种异质异构多一同态对应现象。一般情况下,高音区的音符经常和明亮的视觉感受、积极或快乐的情态感受等联系在一起,低音区的音符经常和昏暗的视觉感受、消沉或哀伤的情态感受等联系在一起;舒缓的节奏容易让人感受到开阔的空间或较为平静的情绪,而急促的节奏则容易让人感到空间狭窄、情绪躁动等等。喷泉曲目的编配就是根据联觉现象来组态各种水型,好比编
13、导一场舞蹈一样,为使演出成功,导演需要考虑舞蹈演员以何种体态动作来表现音乐的情感魅力。第三章 设计方案喷水头以及彩灯12354678 图3-1总体设计结构图喷泉工作分步控制效果显示图如下中心喷水头以及彩灯喷水头以及彩灯此角上的喷头所喷出的水柱高度为4米左右,为五角之中最高此角上的喷头所喷出的水柱高度为4米左右,为五角之中最高次角上的喷头所喷出的水柱高度为1-4米。此角上的喷头所喷出的水柱高度为1米左右,为五角之中最低此角上的喷头所喷出的水柱高度为1-4米。图3-2喷泉效果图当音乐频率为高音时先有中心点,五角星形图案喷头同时工作(如上图)。此附近喷头喷出的水位为5-2米,由上依次向下递减。喷水头
14、以及彩灯中心喷水头以及彩灯此端附近喷头所喷出的水柱为2-4米,此附近喷头喷出的水位为5-2米,由上依次向下递减。此端附近的喷头所喷出的水柱5-6米图3-3喷泉效果图当音乐频率为中音中心点、心形图案喷头同时工作。如上图所示。喷水头以及彩灯此处喷出水位始终为8米左右,为本设计中之最高中心喷水头以及彩灯圆形图案所处的喷头水位的半径为R=6(m)。所喷高度为2(m)图3-4喷泉效果图 当音乐频率为低音时中心点,圆形图案喷头同时工作。如上图所示3.1音乐喷泉布局结构图介绍本布局结构图共分为4组,分别是中心点、心形图案、五角星形图案以及圆形图案,分别按照PLC编程控制(音乐频率的高中低)相互配合工作,以达
15、到最佳效果。本设计方案图共有喷头70个,已达到完美设计效果和视觉效果。本布局结构图所示。布局结构图中中心点有一个喷水管该喷水管所喷出的水柱为4组喷水管最大,喷射高度为4组喷水管最高为8(m)。布局结构图中喷水管所处的心形图案上由14个喷水管组成,该组喷水管所喷出的水柱为比中心点的水柱略小,所喷高度比中心点的高度略底,所喷高度为6(m)。布局结构图中喷水管所处的五角星型图案上由35个喷水管组成,该组所喷出的水柱比心形图案的水柱小,所喷高度比心形图案水柱低,所喷高度为4(m)。布局结构图中喷水管所处的圆上组由25个喷水管组成,该组所喷水柱为4组中水柱最小,所喷高度最低的一组。所喷高度为2(m)。为
16、了在每组喷水管工作时能够更好的欣赏,能区别4组所喷出的水柱,所以心形图案所处的半径为R=2(m),五角星图案所处的半径R为2-6(m),圆形图案所处的圆的半径为R=6(m)。本设计中中心点喷头所喷的水柱最高,本设计中4组喷头所喷的水柱高度为 2-8(m)。本设计的最多时有中心点,心形图案,五角星形图案三组喷头同时喷出水柱,最少时有两组喷头喷出水柱,所以流量为150-250(m3/h)。水质为自来水。注:本设计中的喷头与彩灯安装在一个位置,但喷头安装的位置在彩灯上方,及喷头高于彩灯。3.2控制要求本设计主要是利用音乐的音频信号对变频器进行控制,即通过音乐电平对数字音乐信号进行解码分解后再转换成标
17、准模拟量信号送入变频器模拟量输入接口,通过此信号控制变频器响应音乐的变化,再由变频器输出到相应并联的泵群中,即可以实现音频信号对变频器的控制,从而达到水柱水流随着音乐的变化而变化的目的。变频器的动态响应很快,基本当我们一听到音乐声后即可见到喷泉的浪花喷涌,随着音乐的节奏变化喷泉能瞬时做出动态响应,达到了设计要求。无论是高亢的进行曲、浪漫的回旋曲还是缠绵的抒情曲都将在变频器的驱动下通过不同的水柱水流表现出不同的音乐境界。本设计方案由四组喷头组成,分别为中心点、心形图案、五角星形图案以及圆形图案。本设计按照音乐频率的高、中、低由变频器通过PLC编程自动控制运行。按下开始按钮后指示灯亮,音乐播放与此
18、同时喷泉工作,当音乐频率为高音时先有中心点,五角星形图案喷头同时工作。当音乐频率为中音中心点、心形图案喷头同时工作,当音乐频率为低音时中心点,圆形图案喷头同时工作。心性图案的喷头工作时,6,7两端附近的喷头所喷出的水柱5-6米,而8端喷头所喷出的水柱为2-4米,6与7之间的喷头喷出的水位为最高6米,6与8之间喷头喷出的水位为5-2米,由6点依次向8点递减。7与8之间喷头喷出的水位为5-2米,由7点依次向8点递减。6-8和7-8所在位置所喷出的水柱是对称的。时间间隔5s,依6-7之间的喷头喷出的水位为中心,依次按照上述工作时各喷头所喷出水位的高度逆时针旋转。以展现立体效果。五角星形图案工作时,1
19、,2两角上的喷头所喷出的水柱高度为4米左右,为五角之中最高,4角上的喷头所喷出的水柱高度为1米左右,为五角之中最低,3角上的喷头所喷出的水柱高度为1-4米,即高于1脚喷头上喷出的水位,又低于2角上的喷头所喷出水位,5角上的喷头所喷出的水柱高度与3角相同,呈对称图形。工作时时间间隔5s,依次依(1、2)角、(2、3)角、(3、4)角、(4、5)角、(5、1)角、(1、2)角上的喷头所喷出的水柱高度为中心,按照五角星形图案工作时各角喷头的工作状态顺时针循环。以突显出五角星图案的壮观佳境!每个彩灯与喷头同时工作时切控制原理与喷头控制相同,都由变频器通过PLC编程自动控制运行,都连带红,绿,黄,蓝四组
20、彩色灯间隔1S循环发光。但彩灯另设有单独一开关可以随时控制彩灯统一的亮灭。(以防白天工作时需要。)本设计方案共需要8台水泵对本音乐喷泉进行控制,一台控制中心点的喷头,心形图案需要三台水泵进行控制,6-7之间的喷头需要一台控制,6-8和7-8喷头工作时属于对称图型,所以只需一台水泵控制即可,而8点附近则需要一台水泵控制。五角星形图案也需要三台水泵进行控制,一台水泵控制五角之中喷头喷出的水柱最高的那两个角的喷头,一台控制五角之中两角喷出的水柱在1-2米高度的喷头,还有一台控制五角之中喷出水柱在1米左右,即五角之中喷出水柱最低的那个角上的喷头。外圆形图案上的喷头只需要一台水泵控制即可。第四章 硬件设
21、备4.1 PLC4.1.1 PLC的概述编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC,PLC自1966年出现,美国,日本,德国的可编程控制器质量优良,功能强大。4.1.2型号的
22、选择PLC产品的种类繁多。PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。 PLC机型的选择PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。 合理的结构型式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
23、整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中;而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。 安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低;远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源;多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的
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