PLC在音樂噴泉控制系統中的應用

摘 要：本文主要研究PLC在音樂噴泉控制系統中的作用，網絡控制以計算機為中心，根據廣場音樂噴泉控制系統的原理及特性，運用科學先進的技術來更快更準確的識別出各種音樂所具備的音頻信號，能夠達到變頻調速，準確分析和運用先進技術使得控制系統更加的穩定、準確和可靠，從而使音樂能夠與噴泉達到完美的一致性。

關鍵詞：PLC控制；變頻調速；音頻信號；噴泉

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-01

隨著經濟的迅猛發展和人們生活水平的提高，人們的審美以及接受新鮮事物的能力也在逐步提升，城市的美化對于一個城市的整體面貌至關重要。本文就以美化城市面貌的音樂噴泉為例，以PLC控制展開討論。傳統的噴泉控制一旦設計好控制電路，就不能隨意改變噴水花樣及噴水時間。若采用PLC控制，利用PLC體積小、功能強、可靠性高，且具有較大的靈活性和可擴展性的特點，通過改變噴泉的控制程序或改變方式選擇開關，就可以改變花式噴泉的噴水規律，從而不需要改變硬件就可變換出各式花樣，適合應用于大型廣場或景區的噴泉中。

一、基于PLC的廣場音樂噴泉控制系統總體設計

系統總體設計方案是首先將從聲卡輸出的音頻信號分為兩路輸出，一路直接送往音響、揚聲器等擴音設備，用于外部音樂播放；另外一路則經過分頻器分頻，將音頻信號分為高、中、低頻三個頻率下劍言號，然后分別放大后輸入到PLC的模擬擴展模塊EM 235，經過限幅、濾波等，把音頻電壓信號轉換成0-10V的直流電壓模擬信號輸出并分別送給變頻器，通過變頻器的變頻控制從而使水泵電機的轉速不斷發生變化，使噴泉水柱揚程跟隨著音樂節奏的變化而發生高低起伏的變化。

二、基于PLC的廣場音樂噴泉控制系統硬件設計

（一）PLC。廣場音樂噴泉控制系統的核心是PLC，本設計選用了西門子S7-200系列CPU226晶體管輸出型的PLC，其中24輸入/16輸出共40個數字量I/O點，并可連接7個擴展模塊單元。在本系統設計中，需要三個模擬輸入，三個模擬輸出，而且經過放大的模擬音頻電壓信號應該在±10V，所以首選擴展模塊為EM 235，4路模擬輸入，1路模擬輸出模板，共選擇三個EM 235模塊。

（二）變頻器。本系統使用西門子M ICROMASTER430變頻器。變頻器接收S7-200模擬模塊處理后的0～10V直流電壓信號，根據電壓變化，按照內部編程進行水泵電機的變頻調速，調整噴水壓力，繼而獲得與音樂頻率相吻合的水花節奏和動感，其內部程序根據需要按一定規律或規則進行編程。變頻器的變頻加減速時間設定值為0～6000s，極大滿足了音樂噴泉實時性與同步性。

（三）分頻器。使用聲卡播放音樂信號，有利于獲得高信噪比，良好的音響效果與音樂噴泉相協調，方便操作，性能更好。其線路輸出信號幅度約1V，頻響20～20kHz，將左右聲道混合成單聲道信號。將音頻信號進行功率放大、直流變換等處理，為可編程序控制器提供與音樂信號強弱相對應的模擬0～10V直流電壓信號。音頻信號可分為高中低頻，將音頻信號分開頻率段進行處理，則可以很好的對音頻信號識別，使得最后觀賞者看到的噴泉別勵節奏和聽到的音樂高低起伏節奏能更好的吻合，更加符合人們的視聽感受。本設計利用音響三分頻器將由聲卡輸出的音頻信號分成高頻、中頻、低頻兩種頻率并分別處理，低頻與中頻的分頻點設置為1000HZ，中頻與高頻的分頻點設置為4800HZ。

（四）功率放大器。外部音源信號的幅度一般較弱，因此必須要對原信號進行放大處理后才能送入PLC控制器。本設計選擇了LM 386芯片設計音頻放大電路。

三、基于PLC的廣場音樂噴泉控制系統軟件設計

（一）模擬量尋址。根據設計所用PLC的配置情況，其模擬量的尋址為：模擬量輸入的A通道為AIW0；B通道為AIW2；C通道為AIW4；模擬量輸出為AQW0。模擬量轉換的數字量在PLC內部占一個字（16位）的長度。所以對模擬量應以字為單位進行存取。

（二）數字量存儲格式。模擬量到數字量轉換器（ADC）的12位讀數，其數據格式是左端對齊的。最高有效位是符號位：0表示是正值數據字，對單極性格式，3個連續的0使得ADC計數數值每變化1個單位則數據字的變化是以8為單位變化的。對雙極性格式，4個連續的0使得ADC計數數值每變化1個單位，則數據字的變化是以16為單位變化的。

EM 235存儲的數據范圍：單極性為0～32000，實際對應的A（D）轉換過來的數據范圍為0～4000；雙極性為-32000～32000，實際對應的A/D轉換過來的數據范圍為-2000～2000。對于A/D轉換，究竟多大的模擬電壓與滿量程的數字量2000或（4000）相對應，則取決于EM 235上設定量程的DIP開關的位置。在設計中，DIP開關設定為雙極性，輸入模擬電壓的范圍為0～100mV，所以當輸入電壓為100mV時，A/D轉換過來的數據位2000，存放在AIW0中的數據為32000。

對于D/A轉換，當傳送至AQW中的數據是32000時，輸出的模擬電壓為10V，傳送至AQW0中的數據是-32000時，輸出的模擬電壓為-10V，在D/A轉換中，送入AQWO字中的后4位無效。設計中，由于變頻器的模擬量調節端口只能輸入0～10V的電壓，所以送入AQW0中的數必須是正的。

四、結束語

本控制系統是通過PLC對分頻放大后的音頻信號分別進行A/D采樣、濾波、限幅處理，實現對音頻信號的實時控制，同時利用變頻器變頻調速控制電機轉速從而達到控制噴泉水柱揚程，實現了音樂和噴泉的同步性，使得廣場音樂噴泉具有較強的觀賞性。

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