1、plc 在音樂噴泉控制系統中的應用申彪（云南國防工業職業技術學院機電一體化技術）【摘要】： 為了改進音樂噴泉的效果,采用plc 多點控制系統代替大量的繼電器線路,通過plc 對音樂噴泉控制系統的ssr、彩燈、射燈、水泵的多點控制,編寫一些程序和簡單的連接實現大量的開關量按照邏輯條件進行順利動作和進行連鎖保護動作的控制。結果表明,plc 的應用不僅能夠進行多種水型切換,而且能控制噴泉隨音樂上下起伏,同時花式更改方便,sfc 編程設計思路清晰。【關鍵詞】： plc 音樂噴泉 控制系統 plc in musical fountain control systemps appl icationshen

2、biao(yunnan national defense industry of electromechanical integration technology of career technical college)【abstract】： in order to improve the effect of musical fountain , plc , multi2point cont rol system , is applied to replace a large number of relay circuit s. plc can cont rol ssr , the color

3、de lantern , the spotlight and t he water p ump in musical founain multi2point s cont rol system by writing some procedures and simple connec2 tions , and carry on t he smoot h movement and accomplish logic chain of protection for the cont rol of move2 ment according to t he logical condition. the r

4、esult indicates t hat plc can not only achieve water2switc2 hing , but al so cont rol musical fountain up and down wit h music. the plc make floral formula change eas2 ily and t he design of programming sfc is clear .【key words】: plc ; music fountain ; cont rol system ; 目錄一、 噴泉設計概況.1（一）噴頭布置.1（二）水下彩燈

5、布置.1（三）水泵布置.1（四）燈光的控制.1（五）時間同步.2 （六）音樂選曲、plc 控制程序的編制.2 （七）程序調試.3 （八） 聲音輸出.3 （九） plc 的配置.3二、 音樂噴泉設置.3（一）水泵控制.4 （二）水形花樣.4 （三）二至五圈單個噴s30.5 （四）三至五圈組噴且最后全噴s3.1.5 （五）六圈抖動和第一圈直噴.6 （六）雷達掃描s33.6 （七）第二、三、五圈對跑.63、 plc控制系統方案.7 （一）控制電路的硬件設計.7 （二）控制電路的軟件設計.9四、結論.14五、參考文獻.15六、致謝.16隨著國民經濟的發展,城市建設日新月異,噴泉水景逐漸成為了城市中一道

6、靚麗的景觀。在大型公園、廣場、樓盤社區隨處可見,只是規模大小、控制方式存在差別。特別是利用現代化的控制技術,將噴泉的造型(根據噴頭分布情況組成的花形)、音樂、燈光三種元素進行有機地結合,相互映襯,使噴泉展現出美輪美奐的景象,享有“水上芭蕾”的美譽。1、 噴泉設計概況(一) 噴頭的布置 在20 m 直徑的園內做旱地式噴泉。中心為一攙氣噴的噴柱,噴8 m ,類似雪松,標號p1 ;第二圈向外斜噴,噴高4 m ,標號p2 ;三至五圈是噴柱足夠粗的萬向直噴,標號分別為p3 , p4 ,p5 ;第六圈由禮花噴和向內斜噴組成,標號p6 。它們都受控制且可配合音樂進行噴射。二至五圈共176 個噴頭,每個噴頭安

7、裝電磁閥由plc 控制其開閉以達到噴射花樣繁多的目的;第一和第六圈不安裝電磁閥直接控制電機的運轉來實現噴射花樣的變化。 (二) 水下彩燈的布置使用l ed 燈(50 粒) ,雙重防水。每個噴頭下安裝2 個,中心噴安裝8 個。共632 盞;每盞都受控于plc ,可根據花樣的噴射要求而亮滅。 (三)水泵的布置該系統共安裝16 臺水泵。其中第一圈1 臺,功率為3 kw;第二圈、第三圈各2 臺,每臺2. 2 kw;第四圈2臺,每臺3 kw;第五圈3 臺,每臺2. 2 kw;第六圈5 臺,每臺2. 2 kw;排污泵1 臺,5. 6 kw。水泵布置見圖1 所示。 (四)燈光的控制根據燈光的顏色(最好選取紅

8、、黃、藍三原色)、安裝位置、照射角度,進行燈光工作狀態的排列組合,編制相應的子程序,賦予對應的工作時間數值,與水泵花形的時間類型、數值相一致,其顏色可以一致,也可以不一致體現動感,還可以進行某兩種或某三種顏色的疊加,生成另外不同的顏色,豐富燈光的色彩。 (五)時間同步 這是整個音樂程控噴泉控制中最重要、最關鍵的環節,因為音樂程控噴泉展示整體效果的協調性直接與時間同步有著非常密切的關系,如果時間同步有差異,會導致音樂、花形和燈光不是一個整體,觀賞效果大打折扣,所以此環節是核心環節。“時間同步”在這里包含了三個層面的時間。 是指音樂播放時間段的精度和plc控制程序時間段的精度相一致,而且兩者之間的

9、關系是同時開始、同時停止; 根據音樂曲設置樣式目的節奏、氣勢所劃分的播放時間長度,要與相對應的水泵、燈光子程序所持續工作的時間長度一致,也就是水泵花形和燈光要隨著音樂曲目產生的變化而變化,否則觀賞時會出現音樂、花形和燈光三者之間的關系不夠緊密,有一種脫節不搭調的感覺; 在同一時間段內,水泵花形與燈光子程序的工作持續或間斷時間相一致,時間具體數值要考慮人體的視覺暫留時間,這樣水泵花形和燈光會形成一個整體,同時開始、同時結束,整齊劃一,花形程序和燈光程序可以一對一,也可以多對多,豐富觀賞的效果。 plc 時間與播放音樂軟件之間也存在時間跟蹤、同步問題。利用windows 媒體播放器提供的activ

10、ex 接口,可以直接在監控軟件中(例如西門子的wincc)調用播放器來播放音樂,并同時得到當前音樂播放的位置。得到了音樂以及當前的播放信息,就可以比較方便地通過編程來實現整首歌中各個時間段噴泉所需要展現的各種花型。例如這里選擇給時間分段,在音樂的基本小節整數倍長度的小的時間段上預先編制好噴泉的各種基本動作,后期編制整體花型時會更加方便管理。當然,在整個過程中,噴泉也可以脫離音樂來單獨運轉,方便日常的維護和花型的調試。(六)音樂選曲、plc 控制程序的編制音樂選曲應選取節奏變化明顯、氣勢抑揚頓挫的曲目,盡量不要選取節奏區別不明顯、氣勢變化不突出的曲目,否則會給程序中花型的編制帶來較大的困難,同時

11、也可能導致噴泉整體效果不明顯。一旦音樂曲目選定,就要劃分播放的時間段,可以根據節奏、樂感進行劃分,也可以借助專業音樂軟件進行劃分,并記錄好已劃分的時間段。這個過程需要反復推敲,確保劃分時間段的準確性,以便最終能夠得到更好的整體效果。然后,根據已劃分好的時間段編制程序,所選取的程序要與當段音樂所表現的內涵、氣勢和情感相協調,充分體現效果。這里采取調用子程序的辦法來完成整首曲的花型效果,在編制整首曲的花型時僅僅是在預先設定好的基本動作的基礎上進行編排,修改曲目對應的動作譜,事半功倍。于是,在每個時間小節的開頭,只需要開啟這個時間段配合樂曲的基本花型動作的子程序(包括水泵和燈光程序),這樣就比較容易

12、做到音樂、噴泉、燈光的緊密結合。(七) 程序調試程序編制完成后,制作plc 工作時的工作界面(能夠遠程表現噴泉當前的運行狀態),可以看到在整首樂曲的所有時間段內的所有程序以及在同一時間段內,開啟和關閉的水泵和燈光的動作譜和演示每一時刻的各個執行元件的執行狀態,這樣可以在現場看效果,通過觀賞,詢問記錄他人的感受,記錄下覺得需要進行調整的部分,修改程序中相應的動作譜的內容,改變相應的子程序的調用次序,從而使得噴泉和燈光和音樂配合的更好。(八) 聲音輸出可以直接將電腦的聲卡輸出的音頻信號接入調音臺與功率放大器、均衡器、壓限器等音響設備串接,最后從現場的音箱輸出音樂。(九) plc 的配置根據控制點數

13、就可以確定plc 的硬件配置方案。根據噴泉整體的水泵臺數,1臺接觸器控制的水泵對應plc模塊上的1 個數字量輸出點,1臺變頻器控制的水泵對應plc 模塊上的1 個模擬量輸出點,1 組單獨控制的led 燈光對應1個數字量輸出點,根據它們的總數來配置plc 的硬件組成。例如plc 選用32 點數字量輸出模塊時,通過計算就能得到該種類模塊所需要的數量。根據具體的工作環境,還可能相應的需要選擇避雷設備,來完成對系統的保護。二、音樂程控噴泉設置噴泉是利用水泵工作所產生的壓力,從噴頭噴射出水柱,將若干臺水泵按照一定的型號、位置進行安裝,結合不同類型的噴頭,就可以產生各種各樣的花形。我們可以將每一臺水泵視為

14、一個工作點,編制程序,通過plc 的模塊實現對每個點的控制,也就是通過對每臺水泵執行回路中的接觸器或傳動裝置進行控制,達到控制水泵工作狀態的目的。為展示噴泉的藝術感,通常會配以相應的曲目,根據所選曲目的節奏快慢、抑揚頓挫,編制相應的水泵控制程序來體現音樂的內涵。其中,最重要的環節就是時間同步,即將樂曲的播放時間根據節奏、樂感分解為若干個時間段,在每個時間段內編制相應的水泵、燈光控制程序,調整曲目播放的時間精度和plc 編程的時間精度相同,而且在同一時間段內,水泵和燈光的子程序工作時間相同,從而在視覺上達到同步的觀賞效果。在夜間配合燈光來提升噴泉的觀賞效果,選用可編程控制的led 燈光,通過rs

15、485 接口接入控制器,可完成對其的集中控制。根據燈光顏色、照射花形的角度、音樂曲目進行編制程序,燈光工作時間也要和音樂、水泵的時間同步,其原理與控制水泵原理相同,在這里不再贅述。(一)水泵的控制根據水泵的型號、花形及分布位置,進行統一編號,并與plc 模塊的點數編號一一對應,將同一花形的水泵進行編組,對每組花形的水泵的工作先后順序、工作方式(整體還是單獨)進行排列組合,編制相應的子程序并進行編號,賦予對應的工作時間數值,控制水泵的工作時間,工作時間類型可持續,也可以間斷,兩者的表現形式為靜態和動態。另外,通過添加變頻器來表現柔美曲目的花形,增添噴泉的美感。在plc 和變頻器之間建立對應的等量

16、關系,將plc 的數字信號轉換為變頻器控制水泵轉速的模擬信號,實現水泵的動態工作狀態,然后根據花形的形狀要求對其進行排列組合,編制相應的子程序并進行編號。(二)水形花樣噴泉的噴射效果則取決于控制器設置的水形花樣和藝術性,這部分是噴泉美感成功的關鍵。使用plc 進行花樣控制非常簡單容易,以后如果想改變、增加噴泉的水形,也不需要改變硬件,只要改變plc 編程程序就可實現。該花式噴泉有6 種噴水花樣可供選擇。時空隧道s23第三圈、第五圈交替噴,第一圈保持。(第三圈所有電磁閥、電機打開保持0. 8 s 后第五圈所有電磁閥、電機打開保持0. 8 s ,交替噴;其間第一圈一直處于噴射狀態,15 s 后停止

17、) 。然后三至五圈交替噴后同時噴。(第三圈先噴;5 s 后第四圈噴,第三圈電機停;保持5 s 后第五圈噴第四圈電機停;5 s 后三至五圈同時噴保持30 s ;第一圈一直處于噴射狀態) 。最后重復上述動作兩次。(三) 二至五圈單個噴s30跑泉:兩個噴頭為一組噴射,從第二圈前兩個開始依次打開,每新開一組關閉前一組,到第九組時同時再開第一組,兩組以間隔八組的距離同開同關,形成前后浪結構,到第五圈最后兩個結束,再反向從第五圈最后一組開始,到第二圈結束。當有新一圈噴頭打開時,新一圈的電機同時打開,當某一圈所有的噴頭關閉時,該圈電機關閉。(四) 三至五圈組噴且最后全噴s31第一段4 個噴頭為一組,從第三圈

18、前4 個開始依次打開,每新開一組關閉前一組到第五圈最后4 個結束,每一組工作0. 2 s ,如此循環。第二段三至五圈所有電機和電磁閥同時打開噴射,同時關閉,直噴。(五) 第六圈抖動和第一圈直噴s32第一圈和第六圈電機同時開,第一圈、第六圈分別抖動,第一圈水柱產生竹節,第六圈產生隧道。(六) 雷達掃描s33第一段位于同一徑向位置上的三至五圈噴頭從各圈首個依次同時打開并保持,直到所有噴頭全部打開后再從首個依次關閉,直到全部關閉;第二段位于同一徑向位置上的三至五圈電磁閥從每圈首個依次同時打開并保持,直到一半噴頭打開后再從首個依次關閉;此花樣噴射效果類似于雷達屏幕的掃描。(七) 第二、三、五圈對跑s3

19、4第一段第一圈抖動,第二、五圈對跑。第一圈電機打開并產生抖動花樣,第二圈噴頭從第一個開始按逆時針依次打開,每個保持0. 1 s ,到第二圈最后再反向從第二圈最后一個開始按順時針依次打開,同時第五圈按順時針依次打開,每個保持0. 1 s。最后,同時打開第二圈和第五圈電磁閥,保持3. 2 s 后關閉。第二段第三圈電磁閥從第一個開始按順時針依次打開,每個保持0. 1 s ,再反向從第三圈最后一個開始,到第三圈結束。最后同時打開第三圈電磁閥。花樣結構的剖析見表1 所示。表1 關于花樣結構的剖析序號花樣名稱程序分段第一段第二段第三段第四段三至五圈交替三、五圈交替三至五圈交替三至五圈全噴二至五圈單個噴單個

20、噴、前后浪 三至五圈逐組噴逐組噴全噴 第六圈抖動、第一圈直噴抖動、直噴 雷達掃描全圈噴停留半圈噴停留 第二、三、五圈對跑第一圈抖動、第二、五圈對跑第三圈單噴。三、plc控制系統設計方案plc 控制設備實施對噴泉的控制有3 種(1) 音控音樂模塊采集到音樂的節奏信號后轉換為開關信號作為plc 的第四號輸入點(x004) 的輸入信號, plc 按程序運行,輸出控制電機和噴頭開閉。(2) 手控當開關選擇為手控時,控制柜面板上控制各路水泵及各圈彩燈的按鈕開關可起作用,每個按鈕都是plc 的一個輸入點,可單獨控制每一圈的水泵起停及每一圈彩燈的亮滅;另外,面板上還有三個特色花樣的按鈕,分別是時空隧道、第六

21、圈抖動和交替抖動,當按下其中一個時,噴泉按照該特色花樣運行。(3) 程控選擇開關打至程控時,噴泉按照plc 內已存的花樣循環運行。(一)控制電路的硬件設計plc 輸入輸出分配本控制系統采用日本三菱公司plc 的fx 2n248 mr20011 臺,擴展單元: 三菱fx2n248 er 1 臺, 擴展模塊: 三菱fx 2n216eyr 9 塊,共計188 個輸出點。噴泉控制系統plc 輸入輸出分配圖4 如圖2 所示。plc 控制回路音樂噴泉需要用到水泵、電磁閥、彩燈等器件,plc 按照程序對這些器件進行控制,以實現音樂噴泉不同的花樣和程控、音控、手控之間的轉換。其plc 多點控制回路見圖。采用可

22、編程序控制器plc 控制,通過程序軟件,發出控制指令信號,以控制相應的“固態繼電器”,進而使電磁閥、彩燈、射燈、水泵按照預先編制好的花樣來動作,以達到噴泉控制的要求。(二)控制電路的軟件設計采用sfc(順序功能圖) 的編程方法設計控制程序。sfc編程方法與傳統設計法相比,可以讓編程者每次只考慮一個狀態,而不用考慮其它的狀態,使編程更容易,尤其適合工序步進順控類型的控制程序的設計。由于該花式噴泉有3 種工作方式可供選擇,在設計sfc 圖時,采用sfc 中的選擇分支來實現,即每一分支對應一種工作方式1 。sfc 圖見圖8 和圖9 所示。四、結論采用plc 控制音樂噴泉,實現了3 種方式控制噴水,因而使整個控制系統具有更大的靈活性。用p