基于PLC的音樂噴泉控制系統改造

葉春德　馮友強

【摘 要】隨著城市建設的快速發展，傳統的音樂噴泉，已經滿足不了噴泉水型多樣化的需求，由于控制系統本身的特點，運行穩定性和設備安全性相對較差。依據系統結構和控制要求，在原有的基礎上對其進行PLC控制系統的升級改造。通過設備的更新、PLC控制系統的升級、以及控制界面的設計和優化，實現了控制系統的更新換代，并完成調試和投入運行。改造后的音樂噴泉，實現了系統的自動化控制，提高了系統的穩定性、安全性和可靠性。

【關鍵詞】音樂噴泉;PLC;控制系統;系統改造

中圖分類號： TP273.5 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）22-0026-003

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展和人民生活水平的不斷提高，人們對于周圍環境美化的要求也越來越高。在城市規劃和建設中，公園和休閑場所的構成也越來越多樣化，音樂噴泉就是其中重要的組成部分。音樂噴泉以水、光、聲、色四種要素相互融合的形式并配合城市夜景吸引眾多市民和游客駐足觀賞，往往成為城市旅游景觀的一大亮點。新豐江音樂噴泉就是河源市的一張名片，但由于設備老舊，已經滿足不了越來越多樣化的控制要求，需要通過系統改造以提高系統自動化程度，運行穩定性、安全性和可靠性，同時也能夠滿足人們不斷提高的觀賞要求。

1 系統改造方案

1.1 存在問題

新豐江音樂噴泉控制系統已經投入使用較長時間，部分設備和電路老舊，如圖1所示，導致運行效果不夠理想。主要問題有以下幾個方面。

（1）控制系統PLC采用西門子S7-200，考慮其I/O數量、擴展模塊以及后續維護等原因，已經滿足不了當前的控制要求，更加滿足不了以后不斷更新的控制要求。

（2）音樂節奏通過萬能板進行控制，如圖2所示。由于萬能板是人工焊接的，且做工粗糙、外形裸露、存在跳線，導致控制系統運行過程中出現不穩定的現象，同時也會存在安全隱患。

（3）控制系統缺少抗干擾措施，很容易受到雷電和其他外界的干擾，導致控制電壓不平穩。

（4）操作界面功能單一，無法實現程序自動運行、檢測系統當前運行狀態等功能;同時界面比較簡單，不夠美觀，操作也不夠方便。

1.2 硬件改造

根據原有系統存在的問題，分析當前的實際需求，在原有系統的基礎上進行相應的改造升級。涉及到硬件方面的主要有：

（1）PLC更換升級。選擇PLC機型首要原則是能夠滿足音樂噴泉控制系統的功能需求，并且考慮到往后系統的修改或者進一步改進，必須要留有一定的裕量。同時要注意PLC輸出類型應與外圍設備相匹配。

根據系統控制要求，劃分好PLC的I/O分配，總共有42個輸出端口，如表1所示。

綜合考慮，將原有的PLC升級為SIMATIC S7-1200可編程控制器。該控制器的模塊化是該款產品的核心，可實現簡單而卻高度精確的自動化任務設計，該款產品實現了模塊化和緊湊型設計，功能強大全面、安全并且完全適用各種應用，可擴展性強、靈活度高的設計，可實現高標準工業通信的通信接口以及一整套強大的集成技術功能，便于使該控制器成為完整、全面的自動化解決方案的重要組成部分。因此，最終采用西門子S7-1200-1214C AC/DC/RLY機型（訂貨號為6ES7 214-1BG40-0XB0），并擴展4個SM1222 RLY輸出擴展模塊（訂貨號為6ES7 222-1HF30-0XB0），滿足控制需求。

（2）將原有的萬能板更換為音樂控制器，如圖3所示。現場播放的音樂將其音頻傳送到音樂控制器中，根據音頻信號的強弱，音樂控制器輸出不同的電壓信號到變頻器中，從而改變變頻器的運行頻率，達到控制音樂噴泉高度的目的。與萬能板相比，音樂控制器安裝更加便利、安全性能更佳、運行更加穩定。其性能參數為：型號：LSMC;電壓：AC220V。

（3）舊控制系統容易受到雷電以及其它外界干擾導致運行電壓不平穩，因此在控制系統中增加一個防雷保護器與一個電源濾波器來防止干擾，以提高控制系統的抗干擾性能。設備性能參數如下：

防雷保護器：? ? ? ? ? ?濾波器：

型號：DZ47Y202? ? ? ? 型號：CW4L2-20A-R

重量：0.21KG? ? ? ? ? ?額定電流：20A

額定電流：20KA? ? ? ?額定電壓：250V

保護等級：三級保護 泄露電流：<0.8mA

經過改造之后，音樂噴泉控制電路在滿足控制要求的基礎上，布局更加緊湊、合理、美觀，安全性也進一步得到保障，運行的穩定性和可靠性也將會大大提高。改造后的控制電路如圖4所示。

1.3 軟件改造

1.3.1 控制界面設計與編程

利用C#語言編寫音樂噴泉控制界面，如圖5所示。

所實現的功能，主要包括以下幾個部分：

1）通過IP地址和端口號與服務器（PLC）建立連接。

2）選擇參與工作的變頻器。

3）選擇參與工作的噴頭，形成不同的組合，構成音樂噴泉各種花樣。

4）能添加或插入花樣組合，并能夠設置每個花樣的工作時間。

5）能監控到目前運行的步，執行總時間和剩余時間。

6）添加花樣組合后，能實現程序按組合順序自動運行功能。

7）可保存常用設置到文件中。

C#通訊端口編程如下：

//添加引用

using System.Net;

using System.Net.Sockets;

#region 全局變量

Socket client;//客戶端

#endregion

//創建客戶端連接實例化

client=new Socket（AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp）;

IPAddress ipaddress=PAddress.Parse（textBoxIP.Text.Trim（））;//獲取Ip地址

IPEndPoint（ipaddress，Convert.ToInt16（textBoxport.Text.Trim（）））;//獲取端口號

client.Connect（ipaddress，Convert.ToInt16（textBoxport.Text.Trim（）））;//連接服務器

1.3.2 PLC程序設計

控制界面的設置傳送到PLC中，控制PLC的輸出，使得噴泉按照預期的花樣順序運行。因此，PLC的程序設計要考慮到控制界面傳送過來的輸入信號。

2 調試與運行

經過音樂噴泉控制界面與PLC多次連接測試成功，且PLC輸出正常的前提下，可以把PLC與現場設備進行連接。現場調試前要需要全面檢查整個音樂噴泉控制系統，包括電源、設備連接線，I/O連接線、接地線等，保證整個硬件連接正確無誤的情況下方可送電。在調試和運行過程中發現并解決如下問題：

1）調試過程中由于使用了超過斷路器額定電流的電氣元件而導致了過載跳閘，更換匹配的斷路器并且增加了電抗器來抑制諧波保護電容器和濾波。

2）前期測試階段由于I/O點和機械設備沒有準確匹配上、添加花樣組合沒有達到預期效果等，對電氣設備的接線進行檢查和修正，對C#編程代碼進行修改，最終達到預期效果。

3）后期正常運行階段中燒壞了變頻器的整流模塊，最后研究得出原因是斷開或者閉合接觸器時變頻器沒有處于0HZ不運行狀態，因而產生了反向電動勢燒壞了變頻器整流模塊。

調試工作需要耐心進行，只要沒有達到預期效果，則需要反復調試，發現問題現場解決，如果系統調試達不到指標要求，則可對硬件或者軟件做出相應調整，通常只需修改用戶程序即可達到調整目的。

經過反復調試后，改造后的音樂噴泉實現了系統控制要求，主要有以下幾個方面。

1）成功通過 C#語言編寫的控制界面來控制SIMATIC S7-1200信號的輸入及輸出。

2）SIMATIC S7-1200準確控制變頻器、接（下轉第23頁）（上接第28頁）觸器以及中間繼電器等設備的動作。

3）成功運用音頻轉換器和變頻器之間的信號轉換。

4）成功通過控制界面控制噴泉的花樣水型組合，結合音樂播放的節奏控制噴泉水柱的高度及始停。

當系統正常運行一段時間后，可將程序固定下來存儲到PLC中，并做好備份。最后對系統改造的所有技術資料，包括圖紙、電氣原理圖、梯形圖、C#程序等進行整理和歸檔。

3 結束語

本文主要介紹了音樂噴泉PLC控制系統改造，通過PLC的升級、音樂控制器的更換以及控制界面的設計和優化，使得整個控制系統布局合理、線路簡化，電氣故障減少，維護成本得以降低，系統安全性、工作穩定性、可靠性得到明顯提高。從城市建設的實際情況考慮，對一些傳統老舊的音樂噴泉進行改造是有必要的，從經濟和技術角度考慮也是可行的。新豐江音樂噴泉實踐證明，對傳統老舊的噴泉進行PLC控制系統改造是一種行之有效的方法，具有較強的實際應用價值。

【參考文獻】

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