小型音乐喷泉自动控制系统
摘要：鉴于目前中、大型音乐喷泉投入大，许多小型企事业单位一是没有这么大场地，二是没有这么多资金投入，使音乐喷泉的应用得到了限制，而我见许多单位为了美化环境都设臵了喷泉，但其控制十分单调，缺乏观赏性。为了改变这个现状，我就利用我从事的技术工作的经验，将现代新技术应用到这一块来。这就是我研究这个题目的初衷。它适用于中小型企事业单位甚至家庭，具有可观的实用价值。
关键词：音乐喷泉 变频调速 PLC 自动控制 触摸屏
前言：
自2008年到邯郸大学后，系统学习电气自动化知识对音乐喷泉操作进行了理论学习和考察。学习电工专业课程《数字逻辑电路》、《PLC 》、《电力拖动》之外，还自己学习电子方面的课程，如《音响》等，通过对市民乐园音乐喷泉系统的熟悉，发现该系统虽然效果好，功能多，宏伟壮观，但一次性投入实在太大，该系统单设计费用就花了200万人民币，更不用说总投入了，它不是一般单位和个人可以承受得了的。而许多中小型企业大部分都为了美化环境而建了喷泉系统，但其控制单一，缺乏变化，令观赏性大打折扣。所以，我就一直想设计一套一次性投入不大，但观赏性相对较强、可靠性又高的价廉物美的、适用于中小型企事业单位的小型音乐喷泉自动控制系统。通过几年的理论学习，我认为自己具备了这个实力，于是决定开发这个项目。 正文
1、方案设想
对于小型企事业单位或家庭而言，要建立一个音乐喷泉系统，我认为一次性投入不能太大，与大型音乐喷泉系统相比，规模应大大缩小，功能也没有必要那么完备。除具备随音乐变化外，再加上几种变化就可以满足需求。就比原来仅仅单一手动调节水柱变化要强许多。尤其对已有喷泉的单位，则投入将更小。只需投入变频器一台或两台、PLC 一台、触摸屏一个、DVD 一台即可。总投入应在2万元以内（如果原喷泉功率不是十分大的话），是任何一个单位或富裕家庭都能承受的水平。
我的设想是利用音乐的高低通过PLC 控制变频器的输出频率，从而改变电动机转速，从而去改变水泵水柱的高低，利用变频器的多段速控制，不需要另外增加通讯模块，可降低成本，同时也具备15种转速变化之多，基本可以反映出音乐强弱变化的全貌。另
外，配备一话筒，可以测量人们喊话音量的大小（用水柱高低变化来衡量）。具备一定的趣味性。如果仅有水柱随音量变化而变化这一种功能，则功能太过单一。所以，我设想当不播放音乐时，应该具备按一定的规律进行水柱高度和喷洒时间的自动控制功能，并且水柱的喷洒高度和时间可以由用户来调节（或者通过触摸屏修改）。从而增加系统的实用性，提高系统的附加值。而该功能可以通过PLC 编程实现，且较容易实现和扩展。 2、方案可行性论证
从技术性角度来看，设系统所用技术均为现代新技术，具有很高的技术含量。 从系统的可靠性来看，所增加的设备、PLC 、触摸屏、变频器，它们的使用寿命都相当长，尤其是PLC ，故该系统可靠性高，后期维护维修费用十分小。
从经济性来看，对于企事业单位，2万元投入更是小菜一碟。 综上所述，该系统具有良好的开发价值，具有广阔的应用前景。 3、方案设计 ①音乐喷泉自动控制设计 A 、控制原理图
图 （一） 音乐喷泉自动控制原理图 B 、音频信号转换为PLC 输入的设计
考虑到变频器和电动机及负载的惯性问题，决定每隔15秒采样一次音乐电平高低（采样频率过高，变频器、电机及水泵无法反应过来）。该每隔5秒采样一次可以通过PLC 自身实现，（依靠PLC 输出对继电器定时控制），经ADC 量化，编码为四位二进制数码（除0000外，0001-1111刚好15种变化，可以对应多段速的15段速控制），采用输出可以直接驱动发光二极管的ADC ，可以将其输出直接作为PLC 的输入，可以减少输入模块，降低成本，而音频—电平可以参照现有电平指示电路即可。故得出音频转化为PLC 的输入设计如下：
图 （二）： 电平指示电路
注意：该指示电路的电源由PLC 自身供给，地与PLC 输入COM 连接。 C 、音乐喷泉PLC 程序设计 a 、输入输出分配
由于音频采样及控制需4个输入，外加启动与停止共需6个输入输出控制变频器的多段速控制，15段速需PLC4个输出点，外加转向控制一个点，采集控制一个点，共需6个输出点，从而得出下表。
b 、 PLC 与变频器接线图
c 、输入输出逻辑分析
为了简化PLC 程序的设计，如果将输入X1—X4的变化与输出Y1—Y4的变化一一完全相同，则只需要一条MOV 传送指令即可实现音乐喷泉的适时控制。 d 、变频器参数设臵
变频器除了基本参数设臵外，为了实现PLC 输入控制电机转速，还需进行运行参数设臵，PLC 输入/输出及变频器运行参数见下表：
注意：变频器参数设定时要注意Pr.79和Pr.186中参数的修改。Pr.79应设为3，Pr.186应设为8（变频器型号不同，参数号也不相同），基本参数设臵中Pr.9（电子过流保护）应据电机容量设定。由于泵类负载的转矩与转速的平方成正比，故不能向上调速，只能将频率限制在额定频率以下。如果将频率调到额定频率以上，将可能烧电机和变频器。
e 、梯形图设计
至此，简易小型音乐喷泉设计完毕。 ②、话筒音量控制喷泉的设计
只需在图（一）音频输入端加一个多路转换开关，一路接DVD 的音频输出，一路接话筒经放大电路放大后的输出即可。由于话筒转化为电信号的电平比DVD 线路输出要低60—70dB ，故话筒电压放大的放大电路放大倍数应设计在1000倍以上。所以应采用多级放大，设两级放大，放大倍数接40×40设臵，则总放大倍数可达1600。应该可以满足要求，今采用两级直接耦合放大。
③自动变速程序设计
为了实现喷泉高度变化的多样性和观赏性，决定设计一种单极性正弦曲线变化程序，即水柱高度接正弦规律（单极性）变化。由于前面音乐喷泉系统已设定了变频器的参数，而使用者一般难以懂得如何操作和修改变频器的参数。故变频器的参数不宜修改，应与音乐喷泉系统的参数一致。为了满足水柱变化快慢可调的要求（不同用户爱好不同）。故各档位运行时间应可修改。所以采用四按钮用于档位运行时间的增减。实质是修改数据寄存器中的数值，即定时器的运行时间。由于前面已用X0—X5，故设定X6、X7作为启动、停止。X10、X11作为定时器定时时间的增减键。故得增减时间程序如下：
为了满足用户要求，决定采用单循环与自动循环，依靠一个开关的两个状态来实现控制，设为X12控制。从而得出自动变速单极性正弦式程序的状态转移图如下：
④、手动变速程序设计
由两个按钮实现手动增速和减速。由于上面用到了X13，故用X14、X15作为增减速按钮输入。X16作为手动变速的启动按钮输入，X17作为手动变速的停止按钮输入。由此得出梯形图如下：
可简化为：
⑤、综合程序设计
对于小型音乐喷泉系统而言，具有上述4种功能已较完备了。上面是分体设计，每步子程序均有启动与停止，会造成两个方面的困扰：第一，开关按钮过多，不利于使用者操作；第二，浪费输入端子，从这两方面原因考虑，可将各程序的启动和停止合并用一个启动与停止。由于上述运行方式有多种，而各种运行不能并存（即不能同时运行两种及两种以上的功能）。故应对各功能的选用设臵专用选择开关，防止程序出错，使PLC 无所适从。
该选择开关应具备下列几档：声乐控制、自动、单调、手动四个档位。而启动与停止则各用1个输入，速度增减2个输入，时间长短控制2个输入，加上音乐ADC 输出4个输入共需14个输入。而输出没有变化，故总程序的I/O分配需重新分配。为了防止程序的修改量最小，故仍选用X1—X4接ADC 输出不变。综合程序的I/O分配如下表所示：
PLC 与变频器由于输出未作改变，故其连接不变。在此只画出总体程序的PLC 接线图
如下所示：
各分程序汇总后的综合程序梯形图及指令表见附录。 至此，综合程序设计完毕。 4、程序调试
经上机调试、仿真、监控，程序完成了预计逻辑要求，程序指令表见附录。 五、设计说明
1、该程序的调试与仿真试验是在实验室中进行的，所用变频器和PLC 均是三菱公司的产品，故程序语言为三菱公司的（FX 系列）。
2、实际应用该系统时，电机功率要求应据水泵要求选择。变频器功率应据电机功率选择，PLC 应据程序输入输出点数要求选择。同时，考虑留一定的裕量，以备程序扩展时用。
3、本程序的逻辑功能、花样变化不是太多，可能无法满足所有用户的需求。实际应用时，还可据用户要求增减适量的逻辑要求。
4、如果用户要求两台或两台以上的水泵。如果没有异步花样要求，可采用一台变频器
拖动多台电机，但应保证变频器容量大于各电机容量之和。
5、如果用户对控制面板质量、方便、美观方面要求较高，可采用触摸屏取代所有开关、按钮。不过成本势必会增加。同时功能也可以得到扩展。
6、该系统经在实验室模拟，可以达到预期要求，但运用到实际中仍然可能会出现一些问题，但应该不是很难解决。下一步准备应用到实际中。
小型音乐喷泉自动控制系统
摘要：鉴于目前中、大型音乐喷泉投入大，许多小型企事业单位一是没有这么大场地，二是没有这么多资金投入，使音乐喷泉的应用得到了限制，而我见许多单位为了美化环境都设臵了喷泉，但其控制十分单调，缺乏观赏性。为了改变这个现状，我就利用我从事的技术工作的经验，将现代新技术应用到这一块来。这就是我研究这个题目的初衷。它适用于中小型企事业单位甚至家庭，具有可观的实用价值。
关键词：音乐喷泉 变频调速 PLC 自动控制 触摸屏
前言：
自2008年到邯郸大学后，系统学习电气自动化知识对音乐喷泉操作进行了理论学习和考察。学习电工专业课程《数字逻辑电路》、《PLC 》、《电力拖动》之外，还自己学习电子方面的课程，如《音响》等，通过对市民乐园音乐喷泉系统的熟悉，发现该系统虽然效果好，功能多，宏伟壮观，但一次性投入实在太大，该系统单设计费用就花了200万人民币，更不用说总投入了，它不是一般单位和个人可以承受得了的。而许多中小型企业大部分都为了美化环境而建了喷泉系统，但其控制单一，缺乏变化，令观赏性大打折扣。所以，我就一直想设计一套一次性投入不大，但观赏性相对较强、可靠性又高的价廉物美的、适用于中小型企事业单位的小型音乐喷泉自动控制系统。通过几年的理论学习，我认为自己具备了这个实力，于是决定开发这个项目。 正文
1、方案设想
对于小型企事业单位或家庭而言，要建立一个音乐喷泉系统，我认为一次性投入不能太大，与大型音乐喷泉系统相比，规模应大大缩小，功能也没有必要那么完备。除具备随音乐变化外，再加上几种变化就可以满足需求。就比原来仅仅单一手动调节水柱变化要强许多。尤其对已有喷泉的单位，则投入将更小。只需投入变频器一台或两台、PLC 一台、触摸屏一个、DVD 一台即可。总投入应在2万元以内（如果原喷泉功率不是十分大的话），是任何一个单位或富裕家庭都能承受的水平。
我的设想是利用音乐的高低通过PLC 控制变频器的输出频率，从而改变电动机转速，从而去改变水泵水柱的高低，利用变频器的多段速控制，不需要另外增加通讯模块，可降低成本，同时也具备15种转速变化之多，基本可以反映出音乐强弱变化的全貌。另
外，配备一话筒，可以测量人们喊话音量的大小（用水柱高低变化来衡量）。具备一定的趣味性。如果仅有水柱随音量变化而变化这一种功能，则功能太过单一。所以，我设想当不播放音乐时，应该具备按一定的规律进行水柱高度和喷洒时间的自动控制功能，并且水柱的喷洒高度和时间可以由用户来调节（或者通过触摸屏修改）。从而增加系统的实用性，提高系统的附加值。而该功能可以通过PLC 编程实现，且较容易实现和扩展。 2、方案可行性论证
从技术性角度来看，设系统所用技术均为现代新技术，具有很高的技术含量。 从系统的可靠性来看，所增加的设备、PLC 、触摸屏、变频器，它们的使用寿命都相当长，尤其是PLC ，故该系统可靠性高，后期维护维修费用十分小。
从经济性来看，对于企事业单位，2万元投入更是小菜一碟。 综上所述，该系统具有良好的开发价值，具有广阔的应用前景。 3、方案设计 ①音乐喷泉自动控制设计 A 、控制原理图
图 （一） 音乐喷泉自动控制原理图 B 、音频信号转换为PLC 输入的设计
考虑到变频器和电动机及负载的惯性问题，决定每隔15秒采样一次音乐电平高低（采样频率过高，变频器、电机及水泵无法反应过来）。该每隔5秒采样一次可以通过PLC 自身实现，（依靠PLC 输出对继电器定时控制），经ADC 量化，编码为四位二进制数码（除0000外，0001-1111刚好15种变化，可以对应多段速的15段速控制），采用输出可以直接驱动发光二极管的ADC ，可以将其输出直接作为PLC 的输入，可以减少输入模块，降低成本，而音频—电平可以参照现有电平指示电路即可。故得出音频转化为PLC 的输入设计如下：
图 （二）： 电平指示电路
注意：该指示电路的电源由PLC 自身供给，地与PLC 输入COM 连接。 C 、音乐喷泉PLC 程序设计 a 、输入输出分配
由于音频采样及控制需4个输入，外加启动与停止共需6个输入输出控制变频器的多段速控制，15段速需PLC4个输出点，外加转向控制一个点，采集控制一个点，共需6个输出点，从而得出下表。
b 、 PLC 与变频器接线图
c 、输入输出逻辑分析
为了简化PLC 程序的设计，如果将输入X1—X4的变化与输出Y1—Y4的变化一一完全相同，则只需要一条MOV 传送指令即可实现音乐喷泉的适时控制。 d 、变频器参数设臵
变频器除了基本参数设臵外，为了实现PLC 输入控制电机转速，还需进行运行参数设臵，PLC 输入/输出及变频器运行参数见下表：
注意：变频器参数设定时要注意Pr.79和Pr.186中参数的修改。Pr.79应设为3，Pr.186应设为8（变频器型号不同，参数号也不相同），基本参数设臵中Pr.9（电子过流保护）应据电机容量设定。由于泵类负载的转矩与转速的平方成正比，故不能向上调速，只能将频率限制在额定频率以下。如果将频率调到额定频率以上，将可能烧电机和变频器。
e 、梯形图设计
至此，简易小型音乐喷泉设计完毕。 ②、话筒音量控制喷泉的设计
只需在图（一）音频输入端加一个多路转换开关，一路接DVD 的音频输出，一路接话筒经放大电路放大后的输出即可。由于话筒转化为电信号的电平比DVD 线路输出要低60—70dB ，故话筒电压放大的放大电路放大倍数应设计在1000倍以上。所以应采用多级放大，设两级放大，放大倍数接40×40设臵，则总放大倍数可达1600。应该可以满足要求，今采用两级直接耦合放大。
③自动变速程序设计
为了实现喷泉高度变化的多样性和观赏性，决定设计一种单极性正弦曲线变化程序，即水柱高度接正弦规律（单极性）变化。由于前面音乐喷泉系统已设定了变频器的参数，而使用者一般难以懂得如何操作和修改变频器的参数。故变频器的参数不宜修改，应与音乐喷泉系统的参数一致。为了满足水柱变化快慢可调的要求（不同用户爱好不同）。故各档位运行时间应可修改。所以采用四按钮用于档位运行时间的增减。实质是修改数据寄存器中的数值，即定时器的运行时间。由于前面已用X0—X5，故设定X6、X7作为启动、停止。X10、X11作为定时器定时时间的增减键。故得增减时间程序如下：
为了满足用户要求，决定采用单循环与自动循环，依靠一个开关的两个状态来实现控制，设为X12控制。从而得出自动变速单极性正弦式程序的状态转移图如下：
④、手动变速程序设计
由两个按钮实现手动增速和减速。由于上面用到了X13，故用X14、X15作为增减速按钮输入。X16作为手动变速的启动按钮输入，X17作为手动变速的停止按钮输入。由此得出梯形图如下：
可简化为：
⑤、综合程序设计
对于小型音乐喷泉系统而言，具有上述4种功能已较完备了。上面是分体设计，每步子程序均有启动与停止，会造成两个方面的困扰：第一，开关按钮过多，不利于使用者操作；第二，浪费输入端子，从这两方面原因考虑，可将各程序的启动和停止合并用一个启动与停止。由于上述运行方式有多种，而各种运行不能并存（即不能同时运行两种及两种以上的功能）。故应对各功能的选用设臵专用选择开关，防止程序出错，使PLC 无所适从。
该选择开关应具备下列几档：声乐控制、自动、单调、手动四个档位。而启动与停止则各用1个输入，速度增减2个输入，时间长短控制2个输入，加上音乐ADC 输出4个输入共需14个输入。而输出没有变化，故总程序的I/O分配需重新分配。为了防止程序的修改量最小，故仍选用X1—X4接ADC 输出不变。综合程序的I/O分配如下表所示：
PLC 与变频器由于输出未作改变，故其连接不变。在此只画出总体程序的PLC 接线图
如下所示：
各分程序汇总后的综合程序梯形图及指令表见附录。 至此，综合程序设计完毕。 4、程序调试
经上机调试、仿真、监控，程序完成了预计逻辑要求，程序指令表见附录。 五、设计说明
1、该程序的调试与仿真试验是在实验室中进行的，所用变频器和PLC 均是三菱公司的产品，故程序语言为三菱公司的（FX 系列）。
2、实际应用该系统时，电机功率要求应据水泵要求选择。变频器功率应据电机功率选择，PLC 应据程序输入输出点数要求选择。同时，考虑留一定的裕量，以备程序扩展时用。
3、本程序的逻辑功能、花样变化不是太多，可能无法满足所有用户的需求。实际应用时，还可据用户要求增减适量的逻辑要求。
4、如果用户要求两台或两台以上的水泵。如果没有异步花样要求，可采用一台变频器
拖动多台电机，但应保证变频器容量大于各电机容量之和。
5、如果用户对控制面板质量、方便、美观方面要求较高，可采用触摸屏取代所有开关、按钮。不过成本势必会增加。同时功能也可以得到扩展。
6、该系统经在实验室模拟，可以达到预期要求，但运用到实际中仍然可能会出现一些问题，但应该不是很难解决。下一步准备应用到实际中。