基于PLC的小型音乐喷泉设计

基于PLC的小型音乐喷泉系统设计摘要：一般音乐喷泉的控制方式比较简单，由技术人员采取预先编程的控制模式，这样不仅操作繁琐，预编的效果也很难与音乐契合，往往就展现不出很好的音乐喷泉效果。针对传统音乐喷泉的缺点，设计了基于PLC的音乐喷泉控制系统，通过对音乐信号的采集处理，模拟量输出到A/D扩展模块再传送给PLC；根据该信号自动控制变频器和多色彩灯，再由变频器控制电机转速，带动水泵等负载，控制喷泉实时随着音频的变化，可以实现更好的音乐喷泉的视听效果。关键词：音乐喷泉；PLC；变频器1引言音乐喷泉的研究意义音乐喷泉的背景是为了改善城市环境，促进文化多样性REF_Ref29462\r\h[1]。目前，全球各地都在进行着各种各样的城市化改造活动，但是没有一种方法能像音乐喷泉这样有效地改变人们对自然的看法。它们不仅能够通过调节水柱高度来表现出不同风格的艺术作品，而且还具有很强的观赏性和娱乐效果。因此，音乐喷泉成为了一个非常好的景观设计项目，可以帮助我们提高城市生活质量REF_Ref30664\r\h[2]。现代社会已经进入了飞速发展的时代，新型高科技层出不穷REF_Ref30886\r\h[3]。人们的物质生活质量有了显著的提高，并更多的开始追求精神层面的愉悦。随着社会的进步，人们对周围的生活环境和休闲场所有了更高的要求，美乐独奏不能满足大多数人的要求。在许多大型商业广场、休闲公园等地建造了各式各样的音乐喷泉，这些音乐喷泉把灯光、水体和音乐巧妙地结合，给人展现视觉与听觉上的双重美感，无不令人赏心悦目REF_Ref31114\r\h[4]。综上所述，音乐喷泉受到广大民众的喜爱，具有很大的社会价值；近年发展十分迅速，类型及表现形式各式各样，具有很大的经济价值。1.2国内外研究现状传统的音乐喷泉，喷泉与音乐往往缺乏直接联系。然而，现代音乐喷泉则致力于实现喷泉与音乐的和谐共舞，随着音乐的节奏和旋律变化，喷泉的水型也相应展现出丰富的变化，创造出绚烂夺目的水景效果。音乐喷泉是一种表演设备，巧妙地利用音乐的情感特征，使喷泉呈现出相应的灯光颜色变化和水型表演。设计精美的音乐喷泉完美融合了优美的音乐与水流的变换，为观众带来视觉上的震撼体验，营造出令人惊叹的环境艺术效果。现代音乐喷泉涉及计算机控制、流体力学、电气以及音乐编导等众多领域，是一项集多种学科知识于一体的综合性工程。音乐喷泉的构想最初由德国科学家奥图·皮士特霍提出，他更是将这一创意付诸实践，制作出一个小型喷泉并应用在大商场中。随着时间的推移，音乐喷泉不断完善，功能日益丰富，设备规模也逐渐扩大。GUNTER继承了父亲的音乐喷泉理念，进一步推动其多样化发展，并在1952年的西柏林工业展上展示了多年的研究成果。自此，音乐喷泉开始在世界各国逐渐兴起并持续发展。目前，西欧一些国家已经涌现出许多专业的喷泉系统制造商，如加拿大的PEM、美国的WALTZING、意大利的NEONALPINA等，它们实力强劲，处于行业领先地位REF_Ref31451\r\h[5]。随着我国经济的蓬勃发展，为满足喷泉工程建设的需求，我国也开始积极研究各类音乐喷泉，并取得了一系列重要的科研成果REF_Ref31199\r\h[6]。1.3主要的研究内容新型的音乐喷泉，相对于一般传统的音乐喷泉更加智能化，不需要操作人员对歌曲的特征和情感有较深的理解，也不需要针对不同的音乐曲目设计不同的灯光水型，这省去了很多的预编程时间。基于PLC的小型音乐喷泉系统设计，采用了新型音乐喷泉的一些控制方式，采集音频信号并处理成标准模拟信号，将模拟信号经过A/D扩展模块转换为数字信号，再通过PLC控制变频器的频率及彩灯变化，从而变频器控制水泵改变水柱的高度，水柱高度和色彩的双重变化，实现喷泉随音乐变化的效果。2音乐喷泉系统设计PLC和变频器作为该音乐喷泉系统的两个主要控制单元。首先音乐播放设备发送音频信号至音频转换器，转换器电路将采集到的音频信号进行处理，输出标准电压信号与A/D扩展模块连接，进行A/D转换后由PLC读入数值。再根据读入数值的大小输出控制多个彩灯颜色变化；同时控制变频器实现多段速调速，变频器改变频率控制电机转速变化，接着电机控制水泵改变水体高低变化。通过PLC的控制可实现彩灯与水体的同步变化，研究系统的总体设计框图如图1所示。图SEQ图\*ARABIC1系统总体设计框图3音频信号的分析与处理3.1音频信号的基本性质众所周知，声音是由物体的振动产生的，可以根据物体不同的振动方式将声音进行分类。一般物体在无规则振动下产生的声音称为噪音，音高不固定，会让人觉得难听REF_Ref31807\r\h[7]。而我们所熟知的音乐主要由乐音组成，它是物体在有规则振动下产生的。但不是所有的乐音都可以用来组成音乐，人们创作音乐往往是为了表达自己的思想感情，将多样复杂的声音合成一个固定体系，这个体系中的声音形成一定节奏和旋律，有了这些要素才能够组成动听的音乐REF_Ref31875\r\h[8]。音频信号是承载语音、音乐与音效信息的载体，通过有规律的声波频率和幅度变化来传达这些声音信息。规则音频是一种连续变化的模拟信号，可以通过一条连续的曲线—声波来展现。声音的三大核心要素分别是音调、音强和音色。而声波或正弦波的三个关键参数—频率ω0、幅度An和相位φn，共同决定了音频信号的特征REF_Ref13464\r\h[9]。3.2音频信号特征分析周期是信号完成一个完整波所需的时间，而频率则是信号在一秒内发出的波数，单位通常是赫兹REF_Ref13540\r\h[10]。音频信号的频率，实质上就是其每秒钟的变化次数。人们对声音频率的感知体现在音调的高低上，这在音乐中称为音高。音频中的高次谐波成分，我们称之为泛音，它决定了音色。泛音越丰富，音色便越显得明亮和有穿透力。不同的谐波具有不同的幅值和相位偏移，这些差异共同产生了丰富的音色效果。音乐的音量大小我们称之为音强，其单位是分贝。在音强适中的情况下，人耳对声音细节的分辨能力最强。处理音频信号时，虽然可以放大绝对强度，但保持其相对强度的平衡更为重要。3.3音频信号处理与传送音频信号的特征十分复杂，大多数难以识别分析，系统设计主要的研究是对音频信号的频率进行处理。外接音频播放设备连接至音频转换器输入音频信号，转换器对音频信号进行检波、运算和放大的处理，将原本相对杂乱的音频模拟信号转换成了标准的电压信号。音频转换电路中使用的NE5532是一个高性能低噪声双运算放大器集成电路，其中采用了特殊的电路设计和低噪声工艺，在音频放大电路中能够有效地降低噪声干扰。该芯片具有极低的失真特性，工作频率范围也十分广泛，能够处理多种不同频率的音频信号。NE5532还提供了电压增益调节功能，可以用来适应不同的音频输入信号，增强了音频信号的适应性和控制能力。音频转换器的电路原理图如图2所示。图SEQ图\*ARABIC2电路原理图音频转换器设计的输入端可接入音频设备的左、右声道线及地线，该设计符合现代音频设备的接口标准，具有广泛的兼容性，左右声道线能够减少信号损失和干扰，确保音频信号的清晰度和保真度。输入端还设有3.5mm的圆头接口，这是现在非常常见的接口类型，也具有良好的普及性和兼容性。设计的电源输入端为DC15V-24V和AC12V-15V，其中的转换电路还设置了增益调节和灵敏度调节，可以增强信号识别的效果。音频转换器设计的输出端为0-5V和0-10V的标准电压信号，这里选择输出0-10V的模拟信号，输出信号传送至A/D扩展模块，PLC可通过编程读入A/D转换后的数字信号，到此音频信号的传送完毕REF_Ref737\r\h[11]。音频转换器实物和各部分功能如图3所示。图SEQ图\*ARABIC3音频转换器实物和各部分功能4PLC与变频器的应用4.1PLC的应用4.1.1PLC的控制优势在实际工业的领域上，相对与传统的控制系统，大多工厂车间都采用PLC技术控制系统。PLC主机上的输入模块和输出模块是彼此相互独立的，很大程度上防止了电源及模块之间互相干扰的现象；而且PLC所使用的封装材料具有防灰尘、抗震压和密封等特性，使得该控制器可以在很差的环境下运作，在一般环境下使用寿命较长很多。PLC中还设有监视器电路，可以更加稳定可靠地确保CPU的正常运行，具有在工作过程中稳定性高的特点REF_Ref32238\r\h[12]。PLC的输入、输出模块上有着很多的端口，有利于实现多点位控制。音乐喷泉控制系统就较为复杂，会使用到较多的电气设备，应用PLC多点位控制的优势对各个设备进行有效的控制，能够保证音乐喷泉在音控、程控与手控之间合理转换，提升转换信号的准确性。在音乐喷泉控制电路中，利用PLC设计合理的程序软件，能够保证音乐喷泉控制系统发出的控制信号更加准确，提升系统中各个电气设备的安全性REF_Ref32365\r\h[13]。在实际应用中，当控制对象为单一的电气设备如电动机时，其控制效果通常远超传统系统。特别是在控制变频器时，系统需持续收集和分析数据信息，并据此发出相应指令，这些指令随后会被传输至变频器和相应的报警装置。同时，变频器或传感器也会不断收集运行过程中的信息，并反馈给PLC系统。PLC系统会对这些数据进行自动分析，一旦发现故障等情况，便会触发报警机制。本质上，PLC以微处理器为核心，实现工作系统的数字化控制。通过基于PLC技术的变频器，可以调节电动机所需的不同输出频率，从而确保其处于最佳工作状态。4.1.2PLC的控制方式PLC的控制方式主要分为模拟量控制和开关量控制REF_Ref32506\r\h[14]。PLC主机上有的具有模拟量的输出端口，没有的也可外接模拟量输出模块，实现输出标准模拟量信号的功能。PLC输出的模拟量信号可接入变频器的模拟量输入端子，通过在应用过程中PLC输出标准模拟量的变化控制变频器输入值，从而改变频率，达到控制电机转速的效果。PLC也可通过开关量对变频器进行控制，将PLC的多个开关量输出端口连接至变频器的多个输入端口，能够实现对变频器的多段速调速控制。同时变频器的故障输出开关量连接至PLC的输入端，使得PLC能够在运行过程中监视变频器的工作状态。系统使用的是三菱公司的FX-1N系列的PLC，PLC读入A/D转换后的数值，将读入数值与设定值进行比较输出，采用PLC的开关量控制方式，PLC的输出端连接变频器和彩灯设备，使得音频信号频率变化时，变频器频率及彩灯效果同时发生相应的变化。4.1.3PLC的程序设计对于控制程序的设计首先是读取A/D转换模块的数值，系统使用的是三菱公司的FX2N-2AD模拟量输入模块，该模块具有CH1和CH2两个输入通道和模拟电压输入和模拟电流输入两种模式，模拟电压输入范围是0-10VDC和0-5VDC，模拟电流输入范围是4-20mA，在通过0-5VDC或电流输入时，必须要通过偏置和增益量进行再调节。音频转换器的输出电压与A/D转换模块的要求的输入范围相匹配，可直接将输出的0-10V模拟量信号连接至A/D模块的电压输入端口，在VIN与COM之间并联一个0.1-0.47uf的电容，可以有效减少外界的干扰。该模拟量输入模块接线方式如图4所示。图SEQ图\*ARABIC4FX2N-2AD接线方式A/D转换后的数据存储在16位的模块缓冲存储器（BFM）中，存储地址如表1所示。表SEQ表\*ARABIC1数据存储地址BEM编号b8-b15b2-b7b1b0#0保留当前输入通道的A/D转换值（低8位）#1保留当前输入通道的A/D转换值（高4位）#17保留A/D转换启动A/D通道选择其他通道保留PLC读取模块存储器转换数据梯形图编程如图5所示，第一行程序向第一个特殊模块K0的BFM17（K17）中的bit0写入0，表示选择该模块的CH1通道。第二行程序向一个特殊模块K0的BFM17（K17）中的bit1写入1，表示启动CH1通道的AD转换功能。第三行程序将模块存储BFM#0的低八位（b0-b7）数据读入CPU的M100-M107，模块存储BFM#1的有效数据（b0-b3）读入M108-M115，读取到CH1通道中的12位数值。第四行程序使用传送指令将M100-M115中读取的数据转移到数据存储器D0当中。图5读取数据程序指令0-10V的模拟信号对应读取的数值是0-4000，将0-4000的数值拆分成7段，音频信号频率的不同，处理转换后所读到的数值也不同，根据读取到的D0数值与设定值作比较，使用Y1、Y2、Y3三个端口输出7种不同的开关量状态，用于控制变频器的7段速调速。颜色可以传达出不同的音乐情调，绿色和蓝色给人柔和和淡雅的感觉，作为低情调的颜色，黄色和红色给人活力和热情的感觉，作为高情调的颜色。由此使用Y11输出端口控制绿灯，Y12输出控制蓝灯，Y13输出控制黄灯，同样输出7种不同的开关量状态，控制实现彩灯单一和组合的多样变化，展现出丰富的音乐情调。PLC读入数值与PLC输出状态如表2所示。表SEQ表\*ARABIC2PLC读入数值与输出状态PLC读入数值PLC输出状态Y3Y2Y1Y13Y12Y110-4900000050-399001001400-9990100101000-15991001001600-21991100112200-27991011012800-33990111103400-4000111111考虑到变频器、电机和负载存在惯性问题，PLC将每隔3s读取一次A/D转换后的数值作为固定数值并进行比较输出，PLC梯形图编程主要使用输入端口X0触发辅助变量M0自保持启动状态，接通输出端口Y5控制变频器正转启动STF，X1触发停止关闭启动状态，I/O分配表如表3所示。表SEQ表\*ARABIC3I/O分配表输入I输出OX0启动按钮SB0Y1RHX1停止按钮SB1Y2RMY3RLY5STFY11绿灯Y12蓝灯Y13黄灯使用LD比较指令判断出读取数值所处的数值范围，再根据不同的数值范围使用MOV数据传送指令输出对应的开关量状态。MOV传送指令输出相对于一般的线圈输出，简化了编程内容，而且该指令的执行速度较快，能够提高程序的运行效率，减少了PLC编程处理的时间。PLC梯形图设计主要部分如图6所示。图6梯形图设计4.2变频器的应用4.2.1变频器的控制优势相较于传统的交流拖动系统，利用变频器的变频调速功能来控制交流电动机的交流拖动系统具有显著优势。其不仅能更便捷地调控电动机的转速，还能在大范围内实现高效且连续的调速控制，从而更有效地降低能量损耗。此外，该系统能轻松切换电动机的正反转工作模式，高频度地进行起停运转，并具备电气制动和高速驱动功能，对工作环境有着更高的适应性。更值得一提的是，单台变频器即可同时控制多台电动机的调速，其有功功率占比高，能量转换效率高，且所需电源容量小，可构建出高性能的控制系统。变频器克服了在音乐喷泉系统设计中的一些难点REF_Ref1766\r\h[15]，主要分为三点：（1）使所控的水泵电机与控制器隔离开，能够有效地减少喷泉控制系统的PLC采样信号受到水泵电机的电流持续变化产生的影响。（2）水泵电机的工频起动时产生的电流是该电机额定电流的3-7倍，使用变频器能够有效克服改变水泵电机的转速时对系统的电流冲击。（3）变频器的工作响应速度快，能够迅速接收信号并处理，改变频率控制水泵电机的转速及水中彩灯的转动，及时响应实现音乐与喷泉的同步变化。4.2.2变频器的控制设置系统使用的是三菱的FR-D720变频器，变频器的控制使用时先要进行基础参数的设置。根据变频器的操作手册：（1）设置变频器正转启动STF；（2）设置上限频率Pr1=50Hz；（3）设置下限频率Pr2=0Hz；（4）设置基底频率Pr3=50Hz；（5）设置加速时间Pr7=2s；（6）设置减速时间Pr8=2s；（7）设置电子过电流保护Pr9=电机的额定电流。除了进行基础参数设置外，还要设置操作模式选择（组合）Pr79=3，该模式下可进行多段速调速控制。通过PLC的Y1、Y2和Y3三个开关量输出分别连接变频器的RH、RM和RL三个输入端子控制调速，Y5开关量输出控制变频器STF正转，PLC使用到的输出端口对应的COM公共端与变频器的输入端口公共端SD需要全部串联起来，PLC与变频器连接图如图7所示。图7PLC与变频器连接图PLC输出状态形成三位二进制编码，000-111共有7种变化，可对应多段速的7段速控制。PLC输出控制变频器频率，需进行多段速速度设定，7段速需要设定参数号分别是Pr4-Pr6，Pr24-Pr27，PLC输出状态与变频器参数设置如表4所示。表SEQ表\*ARABIC4PLC输出状态与变频器设置PLC输出状态变频器运行频率变频器设置参数号PrY3Y2Y100000018Pr401015Pr510022Pr611029Pr2410136Pr2501143Pr2611150Pr275调试与分析PLC接入220V交流电源，通过PLC内部的电压转换功能，输出24V直流电压，该直流电压可连接至音频转换器作其电源输入。使用3.5mm的双头音频线将手机、MP3等音频播放设备的音频信号输入至音频转换器，再由音频转换器的0-10V模拟量输出连接至A/D扩展模块的VIN1和COM1两个端口。音频转换器与PLC及A/D模块连接如图8所示。图8音频转换器与PLC及A/D模块实物连接连接完成下载设计程序至PLC，执行程序时通过编程软件可进入防真监视模式实时监视PLC从A/D模块读取的数值变化，稳定输入信号使得音频转换电路输出稳定的模拟电压信号，调试实验分别测试了4组稳定电压下的PLC读取值，4组稳定电压分别为1V；4V；7V；9V，对应的读取值分别为631；1713；2813；3894。测试中的读取值属于不同的数值范围，对应输出的开关量状态与编程设计要求的相同，输出开关量状态正常。观察发现测试读取值与理论转换值存在不小的误差，分析是模拟信号与A/D模块的连接使用的是普通的连接线，没有使用传输信号更加稳定的屏蔽双绞线，导致模拟信号在传输过程中受干扰较大，有些读取的值偏差较大。测试稳压状态PLC读取数值结果如图9所示。图9稳压状态读取的数据变频器与PLC相同接入220V电源，变频器输出端三个接线端子分别对应连接电机的三个相线，为了降低启动电流，电机采用星形接法。测试开始时先使用变频器的面板来控制电机，启动变频器观察电机到能够正常运转，也能够正常控制电机的正反转，变频器与电机连接测试如图10所示。图10变频器与电机连接测试确保变频器与电机之间连接正常，运行稳定后，切换到变频器的外部端子控制模式，PLC输出控制端子对应与变频器外部控制端子连接，PLC中所使用的COM公共端与变频器的SD公共端相连接。进行变频器的基础参数设置，通过Pr4-Pr6，Pr24-Pr27设定7段速的运行频率，并设定加减速时间、上下限频率等。测试实现了PLC的输出开关量控制变频器,接着变频器对电机进行多段速调速。电机控制水泵时要注意调速频率不能过高，因为水泵类负载的转矩与转速的平方成正比，所以运行调速时频率不能超过额定频率，否则很有可能会烧损变频器和电机，引起控制系统失效，造成控制故障。PLC与变频器实物连接如图11所示。图11PLC与变频器实物连接图6总结与展望6.1总结现代科技发展十分迅速，智能控制技术和一些计算机软硬件技术也变得十分成熟，这使得音乐喷泉的控制方式更加多样化，更加先进。大型的音乐喷泉控制系统固然先进，往往所需要的建设成本和建设空间很大，一些小企业和小场地无法达到建设要求，这样限制了音乐喷泉的应用。基于PLC的小型音乐喷泉系统设计可以改善传统音乐喷泉的单调性，而且控制电路结构较为简单，开关量控制编程简单，可靠也较高，具有明显的控制优势，能够很大程度上减少成本投入，实际使用工作也十分稳定。系统设计的音频信号输入使用普通的音频连接线，适用于大多数的音乐播放设备和小型电子设备，可以更好地满足人们的需求。音频转换器实现将特征属性复杂的音频信号进行处理，转换成标准的模拟电压信号，模拟量经过A/D扩展模块转换后成功由PLC读取对应数值。PLC编程设计使用比较及传送指令等，实现不同的读取数值范围输出正确的开关量状态。变频器完成多段速参数设定，PLC输出开关量控制变频器随着音频信号高低改变电机的转速，实现了音乐喷泉的控制效果。6.2展望音乐喷泉系统是一个涉及学科领域广泛的控制系统工程，大型的音乐喷泉系统设计结构非常复杂，所需研究的方面内容很多，而小型的系统设计结构虽然相对简单且较容易达到稳定控制，但实际上系统的控制精度很低，难以表现较为出彩的喷泉效果。基于PLC的小型音乐喷泉系统设计，虽然PLC控制器连接变频器能够实现控制系统的稳定运作，控制电机转速可以随着音频信号的频率高低进行变化，但是这对于音频信号的分析处理仅是频率一种，使得实际喷泉效果不能很好地配合上音乐的旋律与节奏。后续工作可以从下面三个方面思考与改进：（1）研究对音频信号源做降噪、去噪的处理，能够有效地对音频信号存在的杂音进行降噪、去噪处理，更好地消除杂音对信号转换处理结果的影响。（2）由于音频信号处理传送，PLC控制等都需要一定的时间，这就导致了喷泉水体的变化会滞后于音乐频率的变化，面对这个问题可以