基于PLC的小型音樂噴泉系統設計摘要：一般音樂噴泉的控制方式比較簡單，由技術人員采取預先編程的控制模式，這樣不僅操作繁瑣，預編的效果也很難與音樂契合，往往就展現不出很好的音樂噴泉效果。針對傳統音樂噴泉的缺點，設計了基于PLC的音樂噴泉控制系統，通過對音樂信號的采集處理，模擬量輸出到A/D擴展模塊再傳送給PLC；根據該信號自動控制變頻器和多色彩燈，再由變頻器控制電機轉速，帶動水泵等負載，控制噴泉實時隨著音頻的變化，可以實現更好的音樂噴泉的視聽效果。關鍵詞：音樂噴泉；PLC；變頻器1引言音樂噴泉的研究意義音樂噴泉的背景是為了改善城市環境，促進文化多樣性REF_Ref29462\r\h[1]。目前，全球各地都在進行著各種各樣的城市化改造活動，但是沒有一種方法能像音樂噴泉這樣有效地改變人們對自然的看法。它們不僅能夠通過調節水柱高度來表現出不同風格的藝術作品，而且還具有很強的觀賞性和娛樂效果。因此，音樂噴泉成為了一個非常好的景觀設計項目，可以幫助我們提高城市生活質量REF_Ref30664\r\h[2]。現代社會已經進入了飛速發展的時代，新型高科技層出不窮REF_Ref30886\r\h[3]。人們的物質生活質量有了顯著的提高，并更多的開始追求精神層面的愉悅。隨著社會的進步，人們對周圍的生活環境和休閑場所有了更高的要求，美樂獨奏不能滿足大多數人的要求。在許多大型商業廣場、休閑公園等地建造了各式各樣的音樂噴泉，這些音樂噴泉把燈光、水體和音樂巧妙地結合，給人展現視覺與聽覺上的雙重美感，無不令人賞心悅目REF_Ref31114\r\h[4]。綜上所述，音樂噴泉受到廣大民眾的喜愛，具有很大的社會價值；近年發展十分迅速，類型及表現形式各式各樣，具有很大的經濟價值。1.2國內外研究現狀傳統的音樂噴泉，噴泉與音樂往往缺乏直接聯系。然而，現代音樂噴泉則致力于實現噴泉與音樂的和諧共舞，隨著音樂的節奏和旋律變化，噴泉的水型也相應展現出豐富的變化，創造出絢爛奪目的水景效果。音樂噴泉是一種表演設備，巧妙地利用音樂的情感特征，使噴泉呈現出相應的燈光顏色變化和水型表演。設計精美的音樂噴泉完美融合了優美的音樂與水流的變換，為觀眾帶來視覺上的震撼體驗，營造出令人驚嘆的環境藝術效果。現代音樂噴泉涉及計算機控制、流體力學、電氣以及音樂編導等眾多領域，是一項集多種學科知識于一體的綜合性工程。音樂噴泉的構想最初由德國科學家奧圖·皮士特霍提出，他更是將這一創意付諸實踐，制作出一個小型噴泉并應用在大商場中。隨著時間的推移，音樂噴泉不斷完善，功能日益豐富，設備規模也逐漸擴大。GUNTER繼承了父親的音樂噴泉理念，進一步推動其多樣化發展，并在1952年的西柏林工業展上展示了多年的研究成果。自此，音樂噴泉開始在世界各國逐漸興起并持續發展。目前，西歐一些國家已經涌現出許多專業的噴泉系統制造商，如加拿大的PEM、美國的WALTZING、意大利的NEONALPINA等，它們實力強勁，處于行業領先地位REF_Ref31451\r\h[5]。隨著我國經濟的蓬勃發展，為滿足噴泉工程建設的需求，我國也開始積極研究各類音樂噴泉，并取得了一系列重要的科研成果REF_Ref31199\r\h[6]。1.3主要的研究內容新型的音樂噴泉，相對于一般傳統的音樂噴泉更加智能化，不需要操作人員對歌曲的特征和情感有較深的理解，也不需要針對不同的音樂曲目設計不同的燈光水型，這省去了很多的預編程時間。基于PLC的小型音樂噴泉系統設計，采用了新型音樂噴泉的一些控制方式，采集音頻信號并處理成標準模擬信號，將模擬信號經過A/D擴展模塊轉換為數字信號，再通過PLC控制變頻器的頻率及彩燈變化，從而變頻器控制水泵改變水柱的高度，水柱高度和色彩的雙重變化，實現噴泉隨音樂變化的效果。2音樂噴泉系統設計PLC和變頻器作為該音樂噴泉系統的兩個主要控制單元。首先音樂播放設備發送音頻信號至音頻轉換器，轉換器電路將采集到的音頻信號進行處理，輸出標準電壓信號與A/D擴展模塊連接，進行A/D轉換后由PLC讀入數值。再根據讀入數值的大小輸出控制多個彩燈顏色變化；同時控制變頻器實現多段速調速，變頻器改變頻率控制電機轉速變化，接著電機控制水泵改變水體高低變化。通過PLC的控制可實現彩燈與水體的同步變化，研究系統的總體設計框圖如圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1系統總體設計框圖3音頻信號的分析與處理3.1音頻信號的基本性質眾所周知，聲音是由物體的振動產生的，可以根據物體不同的振動方式將聲音進行分類。一般物體在無規則振動下產生的聲音稱為噪音，音高不固定，會讓人覺得難聽REF_Ref31807\r\h[7]。而我們所熟知的音樂主要由樂音組成，它是物體在有規則振動下產生的。但不是所有的樂音都可以用來組成音樂，人們創作音樂往往是為了表達自己的思想感情，將多樣復雜的聲音合成一個固定體系，這個體系中的聲音形成一定節奏和旋律，有了這些要素才能夠組成動聽的音樂REF_Ref31875\r\h[8]。音頻信號是承載語音、音樂與音效信息的載體，通過有規律的聲波頻率和幅度變化來傳達這些聲音信息。規則音頻是一種連續變化的模擬信號，可以通過一條連續的曲線—聲波來展現。聲音的三大核心要素分別是音調、音強和音色。而聲波或正弦波的三個關鍵參數—頻率ω0、幅度An和相位φn，共同決定了音頻信號的特征REF_Ref13464\r\h[9]。3.2音頻信號特征分析周期是信號完成一個完整波所需的時間，而頻率則是信號在一秒內發出的波數，單位通常是赫茲REF_Ref13540\r\h[10]。音頻信號的頻率，實質上就是其每秒鐘的變化次數。人們對聲音頻率的感知體現在音調的高低上，這在音樂中稱為音高。音頻中的高次諧波成分，我們稱之為泛音，它決定了音色。泛音越豐富，音色便越顯得明亮和有穿透力。不同的諧波具有不同的幅值和相位偏移，這些差異共同產生了豐富的音色效果。音樂的音量大小我們稱之為音強，其單位是分貝。在音強適中的情況下，人耳對聲音細節的分辨能力最強。處理音頻信號時，雖然可以放大絕對強度，但保持其相對強度的平衡更為重要。3.3音頻信號處理與傳送音頻信號的特征十分復雜，大多數難以識別分析，系統設計主要的研究是對音頻信號的頻率進行處理。外接音頻播放設備連接至音頻轉換器輸入音頻信號，轉換器對音頻信號進行檢波、運算和放大的處理，將原本相對雜亂的音頻模擬信號轉換成了標準的電壓信號。音頻轉換電路中使用的NE5532是一個高性能低噪聲雙運算放大器集成電路，其中采用了特殊的電路設計和低噪聲工藝，在音頻放大電路中能夠有效地降低噪聲干擾。該芯片具有極低的失真特性，工作頻率范圍也十分廣泛，能夠處理多種不同頻率的音頻信號。NE5532還提供了電壓增益調節功能，可以用來適應不同的音頻輸入信號，增強了音頻信號的適應性和控制能力。音頻轉換器的電路原理圖如圖2所示。圖SEQ圖\*ARABIC2電路原理圖音頻轉換器設計的輸入端可接入音頻設備的左、右聲道線及地線，該設計符合現代音頻設備的接口標準，具有廣泛的兼容性，左右聲道線能夠減少信號損失和干擾，確保音頻信號的清晰度和保真度。輸入端還設有3.5mm的圓頭接口，這是現在非常常見的接口類型，也具有良好的普及性和兼容性。設計的電源輸入端為DC15V-24V和AC12V-15V，其中的轉換電路還設置了增益調節和靈敏度調節，可以增強信號識別的效果。音頻轉換器設計的輸出端為0-5V和0-10V的標準電壓信號，這里選擇輸出0-10V的模擬信號，輸出信號傳送至A/D擴展模塊，PLC可通過編程讀入A/D轉換后的數字信號，到此音頻信號的傳送完畢REF_Ref737\r\h[11]。音頻轉換器實物和各部分功能如圖3所示。圖SEQ圖\*ARABIC3音頻轉換器實物和各部分功能4PLC與變頻器的應用4.1PLC的應用4.1.1PLC的控制優勢在實際工業的領域上，相對與傳統的控制系統，大多工廠車間都采用PLC技術控制系統。PLC主機上的輸入模塊和輸出模塊是彼此相互獨立的，很大程度上防止了電源及模塊之間互相干擾的現象；而且PLC所使用的封裝材料具有防灰塵、抗震壓和密封等特性，使得該控制器可以在很差的環境下運作，在一般環境下使用壽命較長很多。PLC中還設有監視器電路，可以更加穩定可靠地確保CPU的正常運行，具有在工作過程中穩定性高的特點REF_Ref32238\r\h[12]。PLC的輸入、輸出模塊上有著很多的端口，有利于實現多點位控制。音樂噴泉控制系統就較為復雜，會使用到較多的電氣設備，應用PLC多點位控制的優勢對各個設備進行有效的控制，能夠保證音樂噴泉在音控、程控與手控之間合理轉換，提升轉換信號的準確性。在音樂噴泉控制電路中，利用PLC設計合理的程序軟件，能夠保證音樂噴泉控制系統發出的控制信號更加準確，提升系統中各個電氣設備的安全性REF_Ref32365\r\h[13]。在實際應用中，當控制對象為單一的電氣設備如電動機時，其控制效果通常遠超傳統系統。特別是在控制變頻器時，系統需持續收集和分析數據信息，并據此發出相應指令，這些指令隨后會被傳輸至變頻器和相應的報警裝置。同時，變頻器或傳感器也會不斷收集運行過程中的信息，并反饋給PLC系統。PLC系統會對這些數據進行自動分析，一旦發現故障等情況，便會觸發報警機制。本質上，PLC以微處理器為核心，實現工作系統的數字化控制。通過基于PLC技術的變頻器，可以調節電動機所需的不同輸出頻率，從而確保其處于最佳工作狀態。4.1.2PLC的控制方式PLC的控制方式主要分為模擬量控制和開關量控制REF_Ref32506\r\h[14]。PLC主機上有的具有模擬量的輸出端口，沒有的也可外接模擬量輸出模塊，實現輸出標準模擬量信號的功能。PLC輸出的模擬量信號可接入變頻器的模擬量輸入端子，通過在應用過程中PLC輸出標準模擬量的變化控制變頻器輸入值，從而改變頻率，達到控制電機轉速的效果。PLC也可通過開關量對變頻器進行控制，將PLC的多個開關量輸出端口連接至變頻器的多個輸入端口，能夠實現對變頻器的多段速調速控制。同時變頻器的故障輸出開關量連接至PLC的輸入端，使得PLC能夠在運行過程中監視變頻器的工作狀態。系統使用的是三菱公司的FX-1N系列的PLC，PLC讀入A/D轉換后的數值，將讀入數值與設定值進行比較輸出，采用PLC的開關量控制方式，PLC的輸出端連接變頻器和彩燈設備，使得音頻信號頻率變化時，變頻器頻率及彩燈效果同時發生相應的變化。4.1.3PLC的程序設計對于控制程序的設計首先是讀取A/D轉換模塊的數值，系統使用的是三菱公司的FX2N-2AD模擬量輸入模塊，該模塊具有CH1和CH2兩個輸入通道和模擬電壓輸入和模擬電流輸入兩種模式，模擬電壓輸入范圍是0-10VDC和0-5VDC，模擬電流輸入范圍是4-20mA，在通過0-5VDC或電流輸入時，必須要通過偏置和增益量進行再調節。音頻轉換器的輸出電壓與A/D轉換模塊的要求的輸入范圍相匹配，可直接將輸出的0-10V模擬量信號連接至A/D模塊的電壓輸入端口，在VIN與COM之間并聯一個0.1-0.47uf的電容，可以有效減少外界的干擾。該模擬量輸入模塊接線方式如圖4所示。圖SEQ圖\*ARABIC4FX2N-2AD接線方式A/D轉換后的數據存儲在16位的模塊緩沖存儲器（BFM）中，存儲地址如表1所示。表SEQ表\*ARABIC1數據存儲地址BEM編號b8-b15b2-b7b1b0#0保留當前輸入通道的A/D轉換值（低8位）#1保留當前輸入通道的A/D轉換值（高4位）#17保留A/D轉換啟動A/D通道選擇其他通道保留PLC讀取模塊存儲器轉換數據梯形圖編程如圖5所示，第一行程序向第一個特殊模塊K0的BFM17（K17）中的bit0寫入0，表示選擇該模塊的CH1通道。第二行程序向一個特殊模塊K0的BFM17（K17）中的bit1寫入1，表示啟動CH1通道的AD轉換功能。第三行程序將模塊存儲BFM#0的低八位（b0-b7）數據讀入CPU的M100-M107，模塊存儲BFM#1的有效數據（b0-b3）讀入M108-M115，讀取到CH1通道中的12位數值。第四行程序使用傳送指令將M100-M115中讀取的數據轉移到數據存儲器D0當中。圖5讀取數據程序指令0-10V的模擬信號對應讀取的數值是0-4000，將0-4000的數值拆分成7段，音頻信號頻率的不同，處理轉換后所讀到的數值也不同，根據讀取到的D0數值與設定值作比較，使用Y1、Y2、Y3三個端口輸出7種不同的開關量狀態，用于控制變頻器的7段速調速。顏色可以傳達出不同的音樂情調，綠色和藍色給人柔和和淡雅的感覺，作為低情調的顏色，黃色和紅色給人活力和熱情的感覺，作為高情調的顏色。由此使用Y11輸出端口控制綠燈，Y12輸出控制藍燈，Y13輸出控制黃燈，同樣輸出7種不同的開關量狀態，控制實現彩燈單一和組合的多樣變化，展現出豐富的音樂情調。PLC讀入數值與PLC輸出狀態如表2所示。表SEQ表\*ARABIC2PLC讀入數值與輸出狀態PLC讀入數值PLC輸出狀態Y3Y2Y1Y13Y12Y110-4900000050-399001001400-9990100101000-15991001001600-21991100112200-27991011012800-33990111103400-4000111111考慮到變頻器、電機和負載存在慣性問題，PLC將每隔3s讀取一次A/D轉換后的數值作為固定數值并進行比較輸出，PLC梯形圖編程主要使用輸入端口X0觸發輔助變量M0自保持啟動狀態，接通輸出端口Y5控制變頻器正轉啟動STF，X1觸發停止關閉啟動狀態，I/O分配表如表3所示。表SEQ表\*ARABIC3I/O分配表輸入I輸出OX0啟動按鈕SB0Y1RHX1停止按鈕SB1Y2RMY3RLY5STFY11綠燈Y12藍燈Y13黃燈使用LD比較指令判斷出讀取數值所處的數值范圍，再根據不同的數值范圍使用MOV數據傳送指令輸出對應的開關量狀態。MOV傳送指令輸出相對于一般的線圈輸出，簡化了編程內容，而且該指令的執行速度較快，能夠提高程序的運行效率，減少了PLC編程處理的時間。PLC梯形圖設計主要部分如圖6所示。圖6梯形圖設計4.2變頻器的應用4.2.1變頻器的控制優勢相較于傳統的交流拖動系統，利用變頻器的變頻調速功能來控制交流電動機的交流拖動系統具有顯著優勢。其不僅能更便捷地調控電動機的轉速，還能在大范圍內實現高效且連續的調速控制，從而更有效地降低能量損耗。此外，該系統能輕松切換電動機的正反轉工作模式，高頻度地進行起停運轉，并具備電氣制動和高速驅動功能，對工作環境有著更高的適應性。更值得一提的是，單臺變頻器即可同時控制多臺電動機的調速，其有功功率占比高，能量轉換效率高，且所需電源容量小，可構建出高性能的控制系統。變頻器克服了在音樂噴泉系統設計中的一些難點REF_Ref1766\r\h[15]，主要分為三點：（1）使所控的水泵電機與控制器隔離開，能夠有效地減少噴泉控制系統的PLC采樣信號受到水泵電機的電流持續變化產生的影響。（2）水泵電機的工頻起動時產生的電流是該電機額定電流的3-7倍，使用變頻器能夠有效克服改變水泵電機的轉速時對系統的電流沖擊。（3）變頻器的工作響應速度快，能夠迅速接收信號并處理，改變頻率控制水泵電機的轉速及水中彩燈的轉動，及時響應實現音樂與噴泉的同步變化。4.2.2變頻器的控制設置系統使用的是三菱的FR-D720變頻器，變頻器的控制使用時先要進行基礎參數的設置。根據變頻器的操作手冊：（1）設置變頻器正轉啟動STF；（2）設置上限頻率Pr1=50Hz；（3）設置下限頻率Pr2=0Hz；（4）設置基底頻率Pr3=50Hz；（5）設置加速時間Pr7=2s；（6）設置減速時間Pr8=2s；（7）設置電子過電流保護Pr9=電機的額定電流。除了進行基礎參數設置外，還要設置操作模式選擇（組合）Pr79=3，該模式下可進行多段速調速控制。通過PLC的Y1、Y2和Y3三個開關量輸出分別連接變頻器的RH、RM和RL三個輸入端子控制調速，Y5開關量輸出控制變頻器STF正轉，PLC使用到的輸出端口對應的COM公共端與變頻器的輸入端口公共端SD需要全部串聯起來，PLC與變頻器連接圖如圖7所示。圖7PLC與變頻器連接圖PLC輸出狀態形成三位二進制編碼，000-111共有7種變化，可對應多段速的7段速控制。PLC輸出控制變頻器頻率，需進行多段速速度設定，7段速需要設定參數號分別是Pr4-Pr6，Pr24-Pr27，PLC輸出狀態與變頻器參數設置如表4所示。表SEQ表\*ARABIC4PLC輸出狀態與變頻器設置PLC輸出狀態變頻器運行頻率變頻器設置參數號PrY3Y2Y100000018Pr401015Pr510022Pr611029Pr2410136Pr2501143Pr2611150Pr275調試與分析PLC接入220V交流電源，通過PLC內部的電壓轉換功能，輸出24V直流電壓，該直流電壓可連接至音頻轉換器作其電源輸入。使用3.5mm的雙頭音頻線將手機、MP3等音頻播放設備的音頻信號輸入至音頻轉換器，再由音頻轉換器的0-10V模擬量輸出連接至A/D擴展模塊的VIN1和COM1兩個端口。音頻轉換器與PLC及A/D模塊連接如圖8所示。圖8音頻轉換器與PLC及A/D模塊實物連接連接完成下載設計程序至PLC，執行程序時通過編程軟件可進入防真監視模式實時監視PLC從A/D模塊讀取的數值變化，穩定輸入信號使得音頻轉換電路輸出穩定的模擬電壓信號，調試實驗分別測試了4組穩定電壓下的PLC讀取值，4組穩定電壓分別為1V；4V；7V；9V，對應的讀取值分別為631；1713；2813；3894。測試中的讀取值屬于不同的數值范圍，對應輸出的開關量狀態與編程設計要求的相同，輸出開關量狀態正常。觀察發現測試讀取值與理論轉換值存在不小的誤差，分析是模擬信號與A/D模塊的連接使用的是普通的連接線，沒有使用傳輸信號更加穩定的屏蔽雙絞線，導致模擬信號在傳輸過程中受干擾較大，有些讀取的值偏差較大。測試穩壓狀態PLC讀取數值結果如圖9所示。圖9穩壓狀態讀取的數據變頻器與PLC相同接入220V電源，變頻器輸出端三個接線端子分別對應連接電機的三個相線，為了降低啟動電流，電機采用星形接法。測試開始時先使用變頻器的面板來控制電機，啟動變頻器觀察電機到能夠正常運轉，也能夠正常控制電機的正反轉，變頻器與電機連接測試如圖10所示。圖10變頻器與電機連接測試確保變頻器與電機之間連接正常，運行穩定后，切換到變頻器的外部端子控制模式，PLC輸出控制端子對應與變頻器外部控制端子連接，PLC中所使用的COM公共端與變頻器的SD公共端相連接。進行變頻器的基礎參數設置，通過Pr4-Pr6，Pr24-Pr27設定7段速的運行頻率，并設定加減速時間、上下限頻率等。測試實現了PLC的輸出開關量控制變頻器,接著變頻器對電機進行多段速調速。電機控制水泵時要注意調速頻率不能過高，因為水泵類負載的轉矩與轉速的平方成正比，所以運行調速時頻率不能超過額定頻率，否則很有可能會燒損變頻器和電機，引起控制系統失效，造成控制故障。PLC與變頻器實物連接如圖11所示。圖11PLC與變頻器實物連接圖6總結與展望6.1總結現代科技發展十分迅速，智能控制技術和一些計算機軟硬件技術也變得十分成熟，這使得音樂噴泉的控制方式更加多樣化，更加先進。大型的音樂噴泉控制系統固然先進，往往所需要的建設成本和建設空間很大，一些小企業和小場地無法達到建設要求，這樣限制了音樂噴泉的應用。基于PLC的小型音樂噴泉系統設計可以改善傳統音樂噴泉的單調性，而且控制電路結構較為簡單，開關量控制編程簡單，可靠也較高，具有明顯的控制優勢，能夠很大程度上減少成本投入，實際使用工作也十分穩定。系統設計的音頻信號輸入使用普通的音頻連接線，適用于大多數的音樂播放設備和小型電子設備，可以更好地滿足人們的需求。音頻轉換器實現將特征屬性復雜的音頻信號進行處理，轉換成標準的模擬電壓信號，模擬量經過A/D擴展模塊轉換后成功由PLC讀取對應數值。PLC編程設計使用比較及傳送指令等，實現不同的讀取數值范圍輸出正確的開關量狀態。變頻器完成多段速參數設定，PLC輸出開關量控制變頻器隨著音頻信號高低改變電機的轉速，實現了音樂噴泉的控制效果。6.2展望音樂噴泉系統是一個涉及學科領域廣泛的控制系統工程，大型的音樂噴泉系統設計結構非常復雜，所需研究的方面內容很多，而小型的系統設計結構雖然相對簡單且較容易達到穩定控制，但實際上系統的控制精度很低，難以表現較為出彩的噴泉效果。基于PLC的小型音樂噴泉系統設計，雖然PLC控制器連接變頻器能夠實現控制系統的穩定運作，控制電機轉速可以隨著音頻信號的頻率高低進行變化，但是這對于音頻信號的分析處理僅是頻率一種，使得實際噴泉效果不能很好地配合上音樂的旋律與節奏。后續工作可以從下面三個方面思考與改進：（1）研究對音頻信號源做降噪、去噪的處理，能夠有效地對音頻信號存在的雜音進行降噪、去噪處理，更好地消除雜音對信號轉換處理結果的影響。（2）由于音頻信號處理傳送，PLC控制等都需要一定的時間，這就導致了噴泉水體的變化會滯后于音樂頻率的變化，面對這個問題可以