【正文】 存在不足之處。目前，國內(nèi)外的音樂噴泉都只能演奏幾首歌曲，這是因為音樂噴泉表演程序的設(shè)計、開發(fā)和調(diào)試非常繁瑣。 音樂噴泉控制系統(tǒng)是當(dāng)今國際上先進的科技成果，集音樂控制、程序控制、人工智能于一體的工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)。它的控制設(shè)備是多媒體工業(yè)PC、 PLC 或電腦音樂噴泉控制器，它能實現(xiàn)實時音控，自行識別樂曲旋律、節(jié)奏、樂感和音頻的強弱。該系統(tǒng)是音樂噴泉在控制設(shè)備的指揮下，跟隨樂曲旋律不斷變化水型，并 與音樂同步 [15]。 噴泉的控制系統(tǒng)可采用單片機、可編程控制器，甚至可采用工業(yè)控制鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計 2 機作為控制核心。其電氣設(shè)備包括水泵、燈光、音響、變頻器等。一個音樂噴泉藝術(shù)效果的表現(xiàn)力不僅與音樂噴泉的整體造型、噴頭的空間造型、水泵的功率等硬件因素有關(guān)，還與噴泉的程序控制水平有關(guān)。硬件是音樂噴泉的基礎(chǔ)，程序控制是音樂噴泉變化的靈魂。 從德國人 20 世紀(jì)發(fā)明音樂噴泉到現(xiàn)在已有幾十年的歷史了，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，音樂噴泉系統(tǒng)的控制水平和科技含量也越來越高，控制方法也越來越多?，F(xiàn)將主要的集中控制技術(shù)總結(jié)如下 [1]： （ 1）程序控制 程序控制是利用預(yù)先編寫好的計算機程序來控制噴泉的水形和燈光，使水形和燈光產(chǎn)生不同的變化效果，整個系統(tǒng)通過計算機操作界面控制和顯示，可以實現(xiàn)多個程序的隨機執(zhí)行，系統(tǒng)反應(yīng)快、靈敏度高，能夠承受一定的壓力和撞擊，系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于維護和升級。但是對于 音樂特征的識別需要人工完成，即由設(shè)計人員對樂曲進行特征提取，編輯處理。這使得系統(tǒng)曲目受到限制，如有新的樂曲加入就需要操作員重新編程處理，會帶來很大的工作量。 （ 2）實時聲控 實時聲控控制方式是目前國內(nèi)絕大多數(shù)音樂噴泉設(shè)備公司采用的控制手段，它可以自 動識別和響應(yīng)任何音頻信號，與程控方式相比，它省去了預(yù)先的編程過程，節(jié)約了成本，但這種控制方式也存在一些問題，首先，水型動作要比音樂滯后，噴泉動作與音樂不協(xié)調(diào)，其次，水型的出現(xiàn)組合與出現(xiàn)時間的長短是固定的，不論任何曲目，都會出現(xiàn)表演水型與音樂所表達的情感不一制。使人聽覺感受和視覺感受不協(xié)調(diào)。第三，樂曲的情感段落與水型變化的時間不符，而且千篇一律。 （ 3）預(yù)編程控制 預(yù)編程控制是 根據(jù)某一首樂曲的情感和意境，人工編制各種水型、動作、燈光、水泵的開啟和關(guān)閉，使噴泉的表演與音樂的情感和意境相吻合。此功能在控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)方面有一定的綜合難度。 2020屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 （ 4）變頻控制 音樂噴泉變頻控制是眾多控制系統(tǒng)中的一種。隨著先進的控制理論和方法在噴泉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，噴泉的控制系統(tǒng)不斷的完善和升級，其中變頻技術(shù)在噴泉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也逐漸成熟，并逐步發(fā)展為水泵調(diào)速控制的主要方式。變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用會給大型音樂噴泉增色很多，可以使音樂噴泉的噴射高度隨音樂信號大小變化，使音樂、水花、燈光融為一體，演出一場交響水詩。因而音樂噴泉變頻調(diào)速技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。 課題研究的內(nèi)容及意義 音樂噴泉作為一種獨特的人工景觀，其產(chǎn)生的景觀效果非常美麗。在廣場、平靜的湖面、公園設(shè)置一個音樂噴泉，將使原來靜態(tài)的景觀變成動態(tài)的景觀，其產(chǎn)生的效果不是其他人工景觀可以比擬的。正是這種原因推動了音樂噴泉的發(fā)展和研究 [3]。 本課題采用先進的控制設(shè)備，來研究音樂噴泉控制系統(tǒng)。第一，采用PLC 控制技術(shù)，研究設(shè)計符合項目要求的控制程序。第二，采用變頻技術(shù)。從揚聲器兩段采集的音頻信號作為控制信號，去控制變頻器的輸出頻率，控制水泵的轉(zhuǎn)速，從而達到噴泉水柱根據(jù)音樂節(jié)奏變化。 在設(shè)計中，要解決的問題主要有：水泵電機間歇工作所產(chǎn)生的瞬間電壓波動和干擾；變頻的高頻大電流抑制；工程的造價及設(shè)備的性價比；同時還要考慮控制系統(tǒng)的可靠性和擴展性。 本章小結(jié) 本章主要對音樂噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡單的介紹，以及音樂噴泉控制系統(tǒng)現(xiàn)有的四種控制技術(shù)（程序控制、實時聲控、預(yù)編程控制、變頻控制）。介紹了本課題的研究內(nèi)容和意 義和在設(shè)計中要解決的主要問題等。 鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計 4 2020屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第 2 章 PLC 音樂噴泉控制系統(tǒng)概述 音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計要求 本次音樂噴泉建立在面積為 20 2M 的廣場上。整個音樂噴泉的平面示意圖如圖 所示。 該音樂噴泉由中心區(qū)和圍繞中心區(qū)的一個環(huán)構(gòu)成。中心區(qū)是由一個噴頭控制的最大高度為 15M 的主水柱，由一臺 的潛水泵和三菱 FRF740 變頻器控制。中心區(qū)外面一圈有 8 個跑泉，由一臺 4kw 潛水泵和三菱 FRF740 變頻器控制。另外中心區(qū)和外 層之間有紅、黃、綠 3種彩燈共 17盞。 Y 1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6Y 7Y 8 Y 0 圖 音樂噴泉平面示意圖 本次音樂噴泉控制系統(tǒng)有兩種工作方式：音樂控制方式和固定程序控制方式。 （ 1）音樂控制方式。當(dāng)按下音控按鈕后，延遲 30s 后音控程序啟動，PLC 輸入輸出模塊開始采集音頻信號并進行 A/D 轉(zhuǎn)換作為 PLC 的輸入信號，經(jīng) PLC 處理后控制變頻器的運行，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速和彩燈的變換實現(xiàn)音控。 （ 2）固定程序控制方式。當(dāng)按下程控按鈕后，延遲 30s 后固定控制程序啟動，首先主水柱運行，延時 20s 后外圈水 柱運行，延時 20s 后主水柱鄧世甲：基于 PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計 6 停止，外圈水柱停止，延時 20s 后主水柱、外圈水柱同時運行。 根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)音樂噴泉系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定的運行，取決于所采用的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)。為滿足整個系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行的要求，音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則 [4]： （ 1）系統(tǒng)硬件設(shè)備先進可靠，技術(shù)成熟，具有連接所需的不同參數(shù)信號的功能，與現(xiàn)場儀表及控制執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備的接口規(guī)范，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。 （ 2）系統(tǒng)軟件技術(shù)成熟、可靠，操作系統(tǒng)及開發(fā)平臺版本新，功能先進、齊全，易于維護、調(diào)試。 （ 3）應(yīng)用軟件功能完善，實用性強，操作簡單， 系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 （ 4）整個系統(tǒng)技術(shù)先進，性能可靠，使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)對音樂噴泉系統(tǒng)的控制和管理。 音樂噴泉控制系統(tǒng)方案選擇 本次音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計方案主要有兩種可供選擇，方案一： 控制系統(tǒng)是由單片機、延遲放大電路、光電隔離電路及電磁閥和變頻器組成 , 該控制方案是通過對音樂信號的處理 ,將其轉(zhuǎn)換成匯編程序存入單片機 , 使單片機唱歌 ,而且在改程序之中還 加入其他控制語句。單片機還需噴泉中的電磁閥和變頻器的動作及燈光的變化 ,其中電磁閥對噴頭控制原理是：預(yù)先根據(jù)設(shè)計的花形種類和變化方式 ,通過對電磁閥的開閉 進行組合 ,編制不同的控制字制成表存入單片機 ,當(dāng)單片機執(zhí)行程序時 ,通過查表的方式去取不同的花形 ,以達到預(yù)想的花形變化 ,這樣花形的變化就隨音樂的節(jié)奏而變化。同樣 ,單片機對變頻器的控制也與之類似 ,只不過控制的編制是根據(jù)音樂的頻率進行編制的 ,而且查表的方式也有所不同 ,因而變頻器根據(jù)所接受的信號 ,輸出不同的頻率值 ,以控制水泵的轉(zhuǎn)速 ,進而達到控制噴泉管路中的流量 ,就可以控制水柱的高度和花形大小了。燈光和音響是由同一個口，經(jīng)過延遲放大電路后 ,使它們達到同步動作 ,而燈光之前必須接一個固態(tài)繼電器 ,以驅(qū)動燈具 ,并使之與單片機隔 離 [5]。方案二：控制系統(tǒng)是由可編2020屆電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 程控制器 (PLC)和變頻器構(gòu)成 。 音樂分兩路輸出 ,一路經(jīng)功率放大器送到外部音響 ,另一路經(jīng)可編程控制器 (PLC)送至變頻控制器 ,再經(jīng)變頻器控制水泵。由于變頻控制器范圍是 5～ 50Hz,所以變頻器就可以改變水泵的流量 ,從而改變噴泉的噴水效果，充分發(fā)揮變頻調(diào)速的特點 ,它既可送入音樂信號形成音樂噴泉 ,也可在內(nèi)存程序的指揮下做各種規(guī)律的運動 ,例如；緩慢上升 ,急速落下；急速上升 , 緩慢下降；在半空中跳躍等。該控制器有三路電子開關(guān) ,可直接驅(qū)動固態(tài)繼電器 ,繼而控制負(fù)載設(shè)備運行。其擴展功能可以使變頻調(diào)速器控制的水型更具活力 ,當(dāng)噴泉高度隨音樂信號或程控信號增大而逐漸升高的同時 ,投入運行的水下燈和水型越來越多 ,噴泉則表現(xiàn)得越來越多彩和熱烈；當(dāng)噴泉高度隨音樂信號或程控信號減弱而逐漸降低的同時 ,投入運行的水下燈和水型越來越少。這樣 ,噴泉在音樂或程序的控制下 ,各色水下燈閃爍、變幻 ,各種水型起伏呼應(yīng) ,將為音樂噴泉增加觀賞性和藝術(shù)的美感 [5]。 鑒于上述二個方案的分析比較 ,由于各具優(yōu)缺點。方案 一 控制系統(tǒng)簡單 ,軟件程序編制靈活 ,花形和流量控制也很靈活 ,只要改變預(yù)置的花形表和速度控制表 , 無須改變程序就可達到不同 設(shè)計效果 ,而且在考慮經(jīng)濟因素時可以撤去電磁閥 , 直接改變噴頭下方的球閥來組合成不同的單一花形 ,音樂噴泉在運行時只在花形大小和高度上發(fā)生變化。而方案二與方案