基于PLC的音乐喷泉系统设计

第３５卷第４期吉林工程技术师范学院学报
Ｖｏｌ ３５Ｎｏ ４
　２０１９年４月
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ａｐｒ．２０１９
收稿日期：２０１９ ０１ １７作者简介：颜爱明（１９６９ ），男，国网盐城供电公司高级工程师，主要从事电气工程研究。

基于ＰＬＣ的音乐喷泉系统设计
颜爱明，娄　锋，宋骁磊，唐金鹏，孙　军
（国网盐城供电公司，江苏盐城２２４００８）
［摘　要］本系统设计实现的控制核心为ＰＬＣ，系统能够实现水柱状态和音乐节奏的完美结合，变频器是实现水柱状态变化的主要器件，音乐控制系统主要是通过音频信号的采集，将采集到的音乐信号传输到ＰＬＣ。

该系统在一定程度上实现了系统的简单化和一体化。

［关键词］ＰＬＣ；音乐喷泉；变频器；软件设计
［中图分类号］ＴＭ７６ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００９ ９０４２（２０１９）０４ ００６１ ０３
随着中国经济实力的增长，人们对生活环境质
量的要求也是水涨船高。

音乐喷泉控制系统的形态和灯光能够根据音乐的音调实现自动且连续的改变，并且呈现出多姿多彩的花型和绚丽的灯光变化，满足人们对音乐享受和视觉效果需求。

因此在大型休闲广场、办公楼广场以及主题公园等场所都会有音乐喷泉的身影。

因为建设音乐喷泉所需要的很多设备和技术大多都是从国外进口的，所以这就使得国内音乐喷泉建设的成本高昂。

音乐喷泉控制系统的ＰＬＣ（可编程序控制器）具有使用方便、可靠性高、适应面广、抗干扰能力强、通用性强、编程简单等特点。

本文设计实现的音乐喷泉控制系统能够实现对喷泉灯光的变换和水柱状态的多点控制，并且线路设计简单，能够实现水柱和灯光随着音乐节奏变化而变化。

一、系统整体设计方案
本系统设计以ＳＩＥＭＥＮＳ公司的Ｓ７－２００系列的
ＰＬＣ作为整个控制系统的主要控制单元，系统的总体设计框图如图１所示。

ＰＬＣ和变频器是该音乐喷泉的控制系统主要控制单元，通过Ｆ／Ｖ转换电路、模／数转换电路、信号隔离电路等音乐信号处理电路采集音乐的不同频率变换的信号，然后再把这些不同的频率信号传送给ＰＬＣ，喷泉水柱高度的控制是通过变频器控制水泵的转速来实现的，这样就实现了喷泉水柱状态随着音乐的变化而变化。

变频器接收到来自可编程序控制器（ＰＬＣ）处理后的音乐控制信号同时输出交流电，交流电的频率将随着音乐信
号的变化而变化，从而实现对水泵转速的控制，这样
就实现了系统喷泉水柱随音频信号节奏的改变而呈现出不同的喷泉水柱的高度的变化效果；同时彩灯的变换也是通过ＰＬＣ控制，通过ＰＬＣ的控制实现彩灯变换与音乐节奏的变换同步完成，如图１
所示。

图１　系统整体设计方案
根据实际需要分析，两组单相潜水泵完全可以满足本音乐喷泉系统的水池设计的要求，外两圈喷泉水柱的压力和主喷头水柱的压力主要是采用１２Ｗ和５５Ｗ两种潜水泵来设计实现的。

根据实际需要分析两组彩灯可以满足设计需要，这两组彩灯分为两圈分别装置在外圈喷头和中圈喷头下面，彩灯组的工作方式是成交替发光。

使得该系统的音乐喷泉的水柱层次感显著，具有良好的视觉效果冲击力。

（一）音乐信号的处理
播放器播放音乐喷泉的乐曲，乐曲通过音箱设备放大输出。

（二）水型与乐曲同步的控制
本系统提供了可用于调整喷泉输出的延时程
吉林工程技术师范学院学报２０１９年４月
序，用于达到水柱形态与音乐同步的效果。

水柱形态会同音乐同时演示，在音乐节奏变换期间，水柱形态也保持同步变换。

（三）潜水泵电动机的控制
水泵是通过控制器内部的程序来实现控制的，系统播放的每一首音乐的固定程序都保存在控制器中，系统只需要播放相应的音乐就能实现对水泵的控制。

（四）灯光的控制
控制器系统程序控制彩色灯光随着音乐变换。

（五）水型的节奏随动控制
水柱形态的变换是通过Ａ／Ｄ对音频信号采集转换后通过对应的程序控制，通过变频器实现对潜水泵加速和减速控制，从而实现对不同音乐信号的直观感受。

水柱形态的跳跃和摇摆会随着不同的音乐节奏同步变化，展现出音乐喷泉的视觉效果。

二、变频器设计
本系统中水泵转速的控制是通过使用ＭＭ４２０变频器来实现的。

变频器ＭＭ４２０可以应用在各种需要应用变频驱动的电气装置上。

变频器与ＰＬＣ的端口连接如图２所示，“Ｑ１．５———ＡＩＮ－”是为了实现对变频器起停的控制，Ｑ１．０—Ｑ１．２分别与ＤＩＮ１—ＤＩＮ３的连接，是为了实现对变频器输出预置固定频率的控制，变频器输出的预置频率由设置参数决定。

图２　变频器设计连接图
三、控制系统设计
根据系统设计的需要选用的ＰＬＣ为西门子所生产，西门子Ｓ７－２００ＰＬＣ具有ＲＳ－４８５通讯接口、内置电源系统。

根据设计的控制需求，选择的控制核心为ＣＰＵ２２６ＤＣ／ＤＣ／ＤＣ型ＰＬＣ。

因为该系列ＰＬＣ具有强大的运算速度，所以将来自音乐处理模块的八路信号传输到ＰＬＣ的数字量输入模块，这些信号经过ＰＬＣ的内部ＣＰＵ快速处理后经过ＰＬＣ的输出模块输出，从而实现对彩灯和变频器的控制，这样系统就实现了对变频器的数字控制。

当系统开启的按钮被按下时，系统的第一个水泵电机将通过ＰＬＣ被开启，启动后系统需要延时１０ｓ，这时系统则会检查停止按钮是否被按下，当该喷泉系统检测到停止按钮被按下的话，系统的第二个水泵电机将通过ＰＬＣ被顺序开启，如果该喷泉系统检测到“停止按钮”的状态是“是”的话，系统就会将第一个水泵电机通过ＰＬＣ被关闭。

彩灯是否开启和电机是否启动无关，只要该喷泉系统程序运行，彩灯就会随之启动。

当变频器启动后，喷泉系统就会开始读取输入的开关量，实现喷泉系统对电机的控制。

该音乐喷泉控制系统设计的ＰＬＣ的启动程序是有两种选择启动程序，这两种选择启动形式分别为音乐控制喷泉形式和固定方式运行喷泉形式，二者只能选取其中的一种。

在系统开机程序中，因为固定程序不需要变频器，所以从固定程序切换到音乐控制程序时可以直接实现切换，没有延时；但是该喷泉控制系统程序形式从只有音乐控制程序再切换回音乐喷泉固定运行程序运行时，因为在该喷泉系统设计程序中需要启动变频器，所以切换时需要延时１０ｓ，延时时间为变频器的停车时间。

系统设计的停止按钮触点方式为常闭触点，所以该程序设计中与停止按钮连接的输入继电器设计的触点方式需要是常开方式的触点，该系统设计达到的效果是当系统的停止按钮断线的时候，该喷泉系统的程序会停止运行。

因为音频信号是模拟量，为实现实时采集该喷泉系统输出音乐的音频信息，系统设计的程序需要中断１００ｍｓ来采集音频的不同点的音频信号，这些采集到的不同时间点的音频信号经过ＰＬＣ处理后最终会传输到变频器中，变频器会根据传输到的不同时间点的音频信号对水泵实现控制最终实现对水柱高度的控制。

采用模拟量混合模块ＥＭ２３５作为接收和输出模拟量信号的模块，信号接收端用（Ａ＋、Ａ－）端，地址为ＡＩＷ０。

输出端用（Ｍ０、Ｖ０）端，地址为ＡＱＷ０。

因为系统需要确定采集的模拟量是电压量还是电流量，所以模拟量混合模块ＥＭ２３５需要对ＤＩＰ进行设置。

系统彩灯工作的程序是系统开始工作之前就已经设定好的运行程序，当喷泉系统的水泵电机开始工作时，系统程序就会立即调用灯光子程序，灯光的运行能够随着水柱的变化而变化，灯光的加入使得该喷泉系统在色彩上更加绚丽，系统程序经过调试，使灯光的变化与水柱姿态的变化相协调。

图３所示喷泉固定运行程序。

喷泉固定运行程
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第３５卷　第４期颜爱明等：基于ＰＬＣ的音乐喷泉系统设计序是喷泉的一种不需要音频信号来控制喷泉运行姿态的控制方式。

该运行程序由ＰＬＣ的另一套运行程序控制。

该控制程序不需要变频器和音频信号的参与，只需要控制继电器Ｑ０．４～Ｑ０．７的节奏变化从而
实现控制水泵转速。

图３　喷泉固定运行程序
四、系统调试
首先把ＰＬＣ的模式置于停止模式下，将程序下载到ＰＬＣ中，根据喷泉系统的需要对变频器参数进行设置。

接下来开启系统交流线路的总电源和音乐信号控制的部分电源，按下系统启动开关Ｋ１，则系统的第一个水泵１实现运行，选择需要播放的音乐，这时系统将会随着音乐节奏控制水柱的高度，使音乐喷泉系统的水柱呈现出不同的姿态，接着系统将会停止１０ｓ，这时系统将会控制第二个水泵２开始工作。

此后，直至按下停止控制开关，２号水泵电机和１号水泵电机才会同时停止运转。

系统采集到的不
同时间点的音频信号经过ＰＬＣ处理后最终会传输到变频器中，变频器开始工作。

变频器会根据接收到的不同时间点的音频信号对水泵实现控制，最终实现对水柱高度的控制，这时喷泉喷出水柱的高度不断改变，同时ＰＬＣ随音乐信号控制彩灯的闪烁。

五、结语
通过对实际需要的音乐喷泉控制系统设计要求
的分析，选择Ｓ７－２００系列的ＰＬＣ来实现对整个喷
泉系统的控制，设计的控制核心采用了ＰＬＣ，使硬件软化，提高系统工作的可靠性以及系统的灵活性。

变频器实现对水泵变速的控制，满足了喷泉对水柱姿态展示的要求，系统喷泉水柱随音乐节律的高低来实现水柱姿态的变化，加上实时的彩灯变换，极大的满足了人们对喷泉表演效果的需求。

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ＡＰＬＣ ｂａｓｅｄＭｕｓｉｃａｌＦｏｕｎｔａｉｎＤｅｓｉｇｎ
ＹＡＮＡｉ ｍｉｎｇ，ＬＯＵＦｅｎｇ，ＳＯＮＧＸｉａｏ ｌｅｉ，ＴＡＮＧＪｉｎ ｐｅｎｇ，ＳＵＮＪｕｎ
（ＹａｎｃｈｅｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｍｐａｎｙｏｆＳｔａｔｅＧｒｉｄ，ＹａｎｃｈｅｎｇＪｉａｎｇｓｕ２２４００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐａｐｅｒｄｅａｌｓｗｉｔｈａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄａｎｄｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍｕｓｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅ
ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｊｅｔｓａｎｄｍｕｓｉｃａｌｒｈｙｔｈｍ，ｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｆｏｒｍｅｒｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｉｎｖｅｒｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｌａｔｔｅｒｂｙｍｕｓｉｃａｌｓｉｇｎａｌｓｃａｐｔｕｒｅｄａｎｄｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｔｏｔｈｅＰＬＣ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ＭｕｓｉｃａｌＦｏｕｎｔａｉｎ；Ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＳｏｆｔｗａｒｅＤｅｓｉｇｎ
［责任编辑　王　伟］
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