基于PLC的小型音樂噴泉設(shè)計(jì)

基于PLC的小型音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：一般音樂噴泉的控制方式比較簡單，由技術(shù)人員采取預(yù)先編程的控制模式，這樣不僅操作繁瑣，預(yù)編的效果也很難與音樂契合，往往就展現(xiàn)不出很好的音樂噴泉效果。針對傳統(tǒng)音樂噴泉的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)，通過對音樂信號(hào)的采集處理，模擬量輸出到A/D擴(kuò)展模塊再傳送給PLC；根據(jù)該信號(hào)自動(dòng)控制變頻器和多色彩燈，再由變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)水泵等負(fù)載，控制噴泉實(shí)時(shí)隨著音頻的變化，可以實(shí)現(xiàn)更好的音樂噴泉的視聽效果。關(guān)鍵詞：音樂噴泉；PLC；變頻器1引言音樂噴泉的研究意義音樂噴泉的背景是為了改善城市環(huán)境，促進(jìn)文化多樣性REF_Ref29462\r\h[1]。目前，全球各地都在進(jìn)行著各種各樣的城市化改造活動(dòng)，但是沒有一種方法能像音樂噴泉這樣有效地改變?nèi)藗儗ψ匀坏目捶?。它們不僅能夠通過調(diào)節(jié)水柱高度來表現(xiàn)出不同風(fēng)格的藝術(shù)作品，而且還具有很強(qiáng)的觀賞性和娛樂效果。因此，音樂噴泉成為了一個(gè)非常好的景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可以幫助我們提高城市生活質(zhì)量REF_Ref30664\r\h[2]?，F(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代，新型高科技層出不窮REF_Ref30886\r\h[3]。人們的物質(zhì)生活質(zhì)量有了顯著的提高，并更多的開始追求精神層面的愉悅。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對周圍的生活環(huán)境和休閑場所有了更高的要求，美樂獨(dú)奏不能滿足大多數(shù)人的要求。在許多大型商業(yè)廣場、休閑公園等地建造了各式各樣的音樂噴泉，這些音樂噴泉把燈光、水體和音樂巧妙地結(jié)合，給人展現(xiàn)視覺與聽覺上的雙重美感，無不令人賞心悅目REF_Ref31114\r\h[4]。綜上所述，音樂噴泉受到廣大民眾的喜愛，具有很大的社會(huì)價(jià)值；近年發(fā)展十分迅速，類型及表現(xiàn)形式各式各樣，具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的音樂噴泉，噴泉與音樂往往缺乏直接聯(lián)系。然而，現(xiàn)代音樂噴泉?jiǎng)t致力于實(shí)現(xiàn)噴泉與音樂的和諧共舞，隨著音樂的節(jié)奏和旋律變化，噴泉的水型也相應(yīng)展現(xiàn)出豐富的變化，創(chuàng)造出絢爛奪目的水景效果。音樂噴泉是一種表演設(shè)備，巧妙地利用音樂的情感特征，使噴泉呈現(xiàn)出相應(yīng)的燈光顏色變化和水型表演。設(shè)計(jì)精美的音樂噴泉完美融合了優(yōu)美的音樂與水流的變換，為觀眾帶來視覺上的震撼體驗(yàn)，營造出令人驚嘆的環(huán)境藝術(shù)效果?，F(xiàn)代音樂噴泉涉及計(jì)算機(jī)控制、流體力學(xué)、電氣以及音樂編導(dǎo)等眾多領(lǐng)域，是一項(xiàng)集多種學(xué)科知識(shí)于一體的綜合性工程。音樂噴泉的構(gòu)想最初由德國科學(xué)家奧圖·皮士特霍提出，他更是將這一創(chuàng)意付諸實(shí)踐，制作出一個(gè)小型噴泉并應(yīng)用在大商場中。隨著時(shí)間的推移，音樂噴泉不斷完善，功能日益豐富，設(shè)備規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。GUNTER繼承了父親的音樂噴泉理念，進(jìn)一步推動(dòng)其多樣化發(fā)展，并在1952年的西柏林工業(yè)展上展示了多年的研究成果。自此，音樂噴泉開始在世界各國逐漸興起并持續(xù)發(fā)展。目前，西歐一些國家已經(jīng)涌現(xiàn)出許多專業(yè)的噴泉系統(tǒng)制造商，如加拿大的PEM、美國的WALTZING、意大利的NEONALPINA等，它們實(shí)力強(qiáng)勁，處于行業(yè)領(lǐng)先地位REF_Ref31451\r\h[5]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，為滿足噴泉工程建設(shè)的需求，我國也開始積極研究各類音樂噴泉，并取得了一系列重要的科研成果REF_Ref31199\r\h[6]。1.3主要的研究內(nèi)容新型的音樂噴泉，相對于一般傳統(tǒng)的音樂噴泉更加智能化，不需要操作人員對歌曲的特征和情感有較深的理解，也不需要針對不同的音樂曲目設(shè)計(jì)不同的燈光水型，這省去了很多的預(yù)編程時(shí)間?；赑LC的小型音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用了新型音樂噴泉的一些控制方式，采集音頻信號(hào)并處理成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，將模擬信號(hào)經(jīng)過A/D擴(kuò)展模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過PLC控制變頻器的頻率及彩燈變化，從而變頻器控制水泵改變水柱的高度，水柱高度和色彩的雙重變化，實(shí)現(xiàn)噴泉隨音樂變化的效果。2音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)PLC和變頻器作為該音樂噴泉系統(tǒng)的兩個(gè)主要控制單元。首先音樂播放設(shè)備發(fā)送音頻信號(hào)至音頻轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器電路將采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)與A/D擴(kuò)展模塊連接，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后由PLC讀入數(shù)值。再根據(jù)讀入數(shù)值的大小輸出控制多個(gè)彩燈顏色變化；同時(shí)控制變頻器實(shí)現(xiàn)多段速調(diào)速，變頻器改變頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，接著電機(jī)控制水泵改變水體高低變化。通過PLC的控制可實(shí)現(xiàn)彩燈與水體的同步變化，研究系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖3音頻信號(hào)的分析與處理3.1音頻信號(hào)的基本性質(zhì)眾所周知，聲音是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生的，可以根據(jù)物體不同的振動(dòng)方式將聲音進(jìn)行分類。一般物體在無規(guī)則振動(dòng)下產(chǎn)生的聲音稱為噪音，音高不固定，會(huì)讓人覺得難聽REF_Ref31807\r\h[7]。而我們所熟知的音樂主要由樂音組成，它是物體在有規(guī)則振動(dòng)下產(chǎn)生的。但不是所有的樂音都可以用來組成音樂，人們創(chuàng)作音樂往往是為了表達(dá)自己的思想感情，將多樣復(fù)雜的聲音合成一個(gè)固定體系，這個(gè)體系中的聲音形成一定節(jié)奏和旋律，有了這些要素才能夠組成動(dòng)聽的音樂REF_Ref31875\r\h[8]。音頻信號(hào)是承載語音、音樂與音效信息的載體，通過有規(guī)律的聲波頻率和幅度變化來傳達(dá)這些聲音信息。規(guī)則音頻是一種連續(xù)變化的模擬信號(hào)，可以通過一條連續(xù)的曲線—聲波來展現(xiàn)。聲音的三大核心要素分別是音調(diào)、音強(qiáng)和音色。而聲波或正弦波的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)—頻率ω0、幅度An和相位φn，共同決定了音頻信號(hào)的特征REF_Ref13464\r\h[9]。3.2音頻信號(hào)特征分析周期是信號(hào)完成一個(gè)完整波所需的時(shí)間，而頻率則是信號(hào)在一秒內(nèi)發(fā)出的波數(shù)，單位通常是赫茲REF_Ref13540\r\h[10]。音頻信號(hào)的頻率，實(shí)質(zhì)上就是其每秒鐘的變化次數(shù)。人們對聲音頻率的感知體現(xiàn)在音調(diào)的高低上，這在音樂中稱為音高。音頻中的高次諧波成分，我們稱之為泛音，它決定了音色。泛音越豐富，音色便越顯得明亮和有穿透力。不同的諧波具有不同的幅值和相位偏移，這些差異共同產(chǎn)生了豐富的音色效果。音樂的音量大小我們稱之為音強(qiáng)，其單位是分貝。在音強(qiáng)適中的情況下，人耳對聲音細(xì)節(jié)的分辨能力最強(qiáng)。處理音頻信號(hào)時(shí)，雖然可以放大絕對強(qiáng)度，但保持其相對強(qiáng)度的平衡更為重要。3.3音頻信號(hào)處理與傳送音頻信號(hào)的特征十分復(fù)雜，大多數(shù)難以識(shí)別分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要的研究是對音頻信號(hào)的頻率進(jìn)行處理。外接音頻播放設(shè)備連接至音頻轉(zhuǎn)換器輸入音頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換器對音頻信號(hào)進(jìn)行檢波、運(yùn)算和放大的處理，將原本相對雜亂的音頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成了標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)。音頻轉(zhuǎn)換電路中使用的NE5532是一個(gè)高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器集成電路，其中采用了特殊的電路設(shè)計(jì)和低噪聲工藝，在音頻放大電路中能夠有效地降低噪聲干擾。該芯片具有極低的失真特性，工作頻率范圍也十分廣泛，能夠處理多種不同頻率的音頻信號(hào)。NE5532還提供了電壓增益調(diào)節(jié)功能，可以用來適應(yīng)不同的音頻輸入信號(hào)，增強(qiáng)了音頻信號(hào)的適應(yīng)性和控制能力。音頻轉(zhuǎn)換器的電路原理圖如圖2所示。圖SEQ圖\*ARABIC2電路原理圖音頻轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的輸入端可接入音頻設(shè)備的左、右聲道線及地線，該設(shè)計(jì)符合現(xiàn)代音頻設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)，具有廣泛的兼容性，左右聲道線能夠減少信號(hào)損失和干擾，確保音頻信號(hào)的清晰度和保真度。輸入端還設(shè)有3.5mm的圓頭接口，這是現(xiàn)在非常常見的接口類型，也具有良好的普及性和兼容性。設(shè)計(jì)的電源輸入端為DC15V-24V和AC12V-15V，其中的轉(zhuǎn)換電路還設(shè)置了增益調(diào)節(jié)和靈敏度調(diào)節(jié)，可以增強(qiáng)信號(hào)識(shí)別的效果。音頻轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的輸出端為0-5V和0-10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，這里選擇輸出0-10V的模擬信號(hào)，輸出信號(hào)傳送至A/D擴(kuò)展模塊，PLC可通過編程讀入A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，到此音頻信號(hào)的傳送完畢REF_Ref737\r\h[11]。音頻轉(zhuǎn)換器實(shí)物和各部分功能如圖3所示。圖SEQ圖\*ARABIC3音頻轉(zhuǎn)換器實(shí)物和各部分功能4PLC與變頻器的應(yīng)用4.1PLC的應(yīng)用4.1.1PLC的控制優(yōu)勢在實(shí)際工業(yè)的領(lǐng)域上，相對與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，大多工廠車間都采用PLC技術(shù)控制系統(tǒng)。PLC主機(jī)上的輸入模塊和輸出模塊是彼此相互獨(dú)立的，很大程度上防止了電源及模塊之間互相干擾的現(xiàn)象；而且PLC所使用的封裝材料具有防灰塵、抗震壓和密封等特性，使得該控制器可以在很差的環(huán)境下運(yùn)作，在一般環(huán)境下使用壽命較長很多。PLC中還設(shè)有監(jiān)視器電路，可以更加穩(wěn)定可靠地確保CPU的正常運(yùn)行，具有在工作過程中穩(wěn)定性高的特點(diǎn)REF_Ref32238\r\h[12]。PLC的輸入、輸出模塊上有著很多的端口，有利于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位控制。音樂噴泉控制系統(tǒng)就較為復(fù)雜，會(huì)使用到較多的電氣設(shè)備，應(yīng)用PLC多點(diǎn)位控制的優(yōu)勢對各個(gè)設(shè)備進(jìn)行有效的控制，能夠保證音樂噴泉在音控、程控與手控之間合理轉(zhuǎn)換，提升轉(zhuǎn)換信號(hào)的準(zhǔn)確性。在音樂噴泉控制電路中，利用PLC設(shè)計(jì)合理的程序軟件，能夠保證音樂噴泉控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)更加準(zhǔn)確，提升系統(tǒng)中各個(gè)電氣設(shè)備的安全性REF_Ref32365\r\h[13]。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)控制對象為單一的電氣設(shè)備如電動(dòng)機(jī)時(shí)，其控制效果通常遠(yuǎn)超傳統(tǒng)系統(tǒng)。特別是在控制變頻器時(shí)，系統(tǒng)需持續(xù)收集和分析數(shù)據(jù)信息，并據(jù)此發(fā)出相應(yīng)指令，這些指令隨后會(huì)被傳輸至變頻器和相應(yīng)的報(bào)警裝置。同時(shí)，變頻器或傳感器也會(huì)不斷收集運(yùn)行過程中的信息，并反饋給PLC系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)會(huì)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，一旦發(fā)現(xiàn)故障等情況，便會(huì)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制。本質(zhì)上，PLC以微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)工作系統(tǒng)的數(shù)字化控制。通過基于PLC技術(shù)的變頻器，可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)所需的不同輸出頻率，從而確保其處于最佳工作狀態(tài)。4.1.2PLC的控制方式PLC的控制方式主要分為模擬量控制和開關(guān)量控制REF_Ref32506\r\h[14]。PLC主機(jī)上有的具有模擬量的輸出端口，沒有的也可外接模擬量輸出模塊，實(shí)現(xiàn)輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)的功能。PLC輸出的模擬量信號(hào)可接入變頻器的模擬量輸入端子，通過在應(yīng)用過程中PLC輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬量的變化控制變頻器輸入值，從而改變頻率，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的效果。PLC也可通過開關(guān)量對變頻器進(jìn)行控制，將PLC的多個(gè)開關(guān)量輸出端口連接至變頻器的多個(gè)輸入端口，能夠?qū)崿F(xiàn)對變頻器的多段速調(diào)速控制。同時(shí)變頻器的故障輸出開關(guān)量連接至PLC的輸入端，使得PLC能夠在運(yùn)行過程中監(jiān)視變頻器的工作狀態(tài)。系統(tǒng)使用的是三菱公司的FX-1N系列的PLC，PLC讀入A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，將讀入數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較輸出，采用PLC的開關(guān)量控制方式，PLC的輸出端連接變頻器和彩燈設(shè)備，使得音頻信號(hào)頻率變化時(shí)，變頻器頻率及彩燈效果同時(shí)發(fā)生相應(yīng)的變化。4.1.3PLC的程序設(shè)計(jì)對于控制程序的設(shè)計(jì)首先是讀取A/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)值，系統(tǒng)使用的是三菱公司的FX2N-2AD模擬量輸入模塊，該模塊具有CH1和CH2兩個(gè)輸入通道和模擬電壓輸入和模擬電流輸入兩種模式，模擬電壓輸入范圍是0-10VDC和0-5VDC，模擬電流輸入范圍是4-20mA，在通過0-5VDC或電流輸入時(shí)，必須要通過偏置和增益量進(jìn)行再調(diào)節(jié)。音頻轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與A/D轉(zhuǎn)換模塊的要求的輸入范圍相匹配，可直接將輸出的0-10V模擬量信號(hào)連接至A/D模塊的電壓輸入端口，在VIN與COM之間并聯(lián)一個(gè)0.1-0.47uf的電容，可以有效減少外界的干擾。該模擬量輸入模塊接線方式如圖4所示。圖SEQ圖\*ARABIC4FX2N-2AD接線方式A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在16位的模塊緩沖存儲(chǔ)器（BFM）中，存儲(chǔ)地址如表1所示。表SEQ表\*ARABIC1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址BEM編號(hào)b8-b15b2-b7b1b0#0保留當(dāng)前輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換值（低8位）#1保留當(dāng)前輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換值（高4位）#17保留A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)A/D通道選擇其他通道保留PLC讀取模塊存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)梯形圖編程如圖5所示，第一行程序向第一個(gè)特殊模塊K0的BFM17（K17）中的bit0寫入0，表示選擇該模塊的CH1通道。第二行程序向一個(gè)特殊模塊K0的BFM17（K17）中的bit1寫入1，表示啟動(dòng)CH1通道的AD轉(zhuǎn)換功能。第三行程序?qū)⒛K存儲(chǔ)BFM#0的低八位（b0-b7）數(shù)據(jù)讀入CPU的M100-M107，模塊存儲(chǔ)BFM#1的有效數(shù)據(jù)（b0-b3）讀入M108-M115，讀取到CH1通道中的12位數(shù)值。第四行程序使用傳送指令將M100-M115中讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器D0當(dāng)中。圖5讀取數(shù)據(jù)程序指令0-10V的模擬信號(hào)對應(yīng)讀取的數(shù)值是0-4000，將0-4000的數(shù)值拆分成7段，音頻信號(hào)頻率的不同，處理轉(zhuǎn)換后所讀到的數(shù)值也不同，根據(jù)讀取到的D0數(shù)值與設(shè)定值作比較，使用Y1、Y2、Y3三個(gè)端口輸出7種不同的開關(guān)量狀態(tài)，用于控制變頻器的7段速調(diào)速。顏色可以傳達(dá)出不同的音樂情調(diào)，綠色和藍(lán)色給人柔和和淡雅的感覺，作為低情調(diào)的顏色，黃色和紅色給人活力和熱情的感覺，作為高情調(diào)的顏色。由此使用Y11輸出端口控制綠燈，Y12輸出控制藍(lán)燈，Y13輸出控制黃燈，同樣輸出7種不同的開關(guān)量狀態(tài)，控制實(shí)現(xiàn)彩燈單一和組合的多樣變化，展現(xiàn)出豐富的音樂情調(diào)。PLC讀入數(shù)值與PLC輸出狀態(tài)如表2所示。表SEQ表\*ARABIC2PLC讀入數(shù)值與輸出狀態(tài)PLC讀入數(shù)值PLC輸出狀態(tài)Y3Y2Y1Y13Y12Y110-4900000050-399001001400-9990100101000-15991001001600-21991100112200-27991011012800-33990111103400-4000111111考慮到變頻器、電機(jī)和負(fù)載存在慣性問題，PLC將每隔3s讀取一次A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值作為固定數(shù)值并進(jìn)行比較輸出，PLC梯形圖編程主要使用輸入端口X0觸發(fā)輔助變量M0自保持啟動(dòng)狀態(tài)，接通輸出端口Y5控制變頻器正轉(zhuǎn)啟動(dòng)STF，X1觸發(fā)停止關(guān)閉啟動(dòng)狀態(tài)，I/O分配表如表3所示。表SEQ表\*ARABIC3I/O分配表輸入I輸出OX0啟動(dòng)按鈕SB0Y1RHX1停止按鈕SB1Y2RMY3RLY5STFY11綠燈Y12藍(lán)燈Y13黃燈使用LD比較指令判斷出讀取數(shù)值所處的數(shù)值范圍，再根據(jù)不同的數(shù)值范圍使用MOV數(shù)據(jù)傳送指令輸出對應(yīng)的開關(guān)量狀態(tài)。MOV傳送指令輸出相對于一般的線圈輸出，簡化了編程內(nèi)容，而且該指令的執(zhí)行速度較快，能夠提高程序的運(yùn)行效率，減少了PLC編程處理的時(shí)間。PLC梯形圖設(shè)計(jì)主要部分如圖6所示。圖6梯形圖設(shè)計(jì)4.2變頻器的應(yīng)用4.2.1變頻器的控制優(yōu)勢相較于傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)，利用變頻器的變頻調(diào)速功能來控制交流電動(dòng)機(jī)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢。其不僅能更便捷地調(diào)控電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，還能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效且連續(xù)的調(diào)速控制，從而更有效地降低能量損耗。此外，該系統(tǒng)能輕松切換電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)工作模式，高頻度地進(jìn)行起停運(yùn)轉(zhuǎn)，并具備電氣制動(dòng)和高速驅(qū)動(dòng)功能，對工作環(huán)境有著更高的適應(yīng)性。更值得一提的是，單臺(tái)變頻器即可同時(shí)控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，其有功功率占比高，能量轉(zhuǎn)換效率高，且所需電源容量小，可構(gòu)建出高性能的控制系統(tǒng)。變頻器克服了在音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些難點(diǎn)REF_Ref1766\r\h[15]，主要分為三點(diǎn)：（1）使所控的水泵電機(jī)與控制器隔離開，能夠有效地減少噴泉控制系統(tǒng)的PLC采樣信號(hào)受到水泵電機(jī)的電流持續(xù)變化產(chǎn)生的影響。（2）水泵電機(jī)的工頻起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流是該電機(jī)額定電流的3-7倍，使用變頻器能夠有效克服改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)對系統(tǒng)的電流沖擊。（3）變頻器的工作響應(yīng)速度快，能夠迅速接收信號(hào)并處理，改變頻率控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速及水中彩燈的轉(zhuǎn)動(dòng)，及時(shí)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)音樂與噴泉的同步變化。4.2.2變頻器的控制設(shè)置系統(tǒng)使用的是三菱的FR-D720變頻器，變頻器的控制使用時(shí)先要進(jìn)行基礎(chǔ)參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)變頻器的操作手冊：（1）設(shè)置變頻器正轉(zhuǎn)啟動(dòng)STF；（2）設(shè)置上限頻率Pr1=50Hz；（3）設(shè)置下限頻率Pr2=0Hz；（4）設(shè)置基底頻率Pr3=50Hz；（5）設(shè)置加速時(shí)間Pr7=2s；（6）設(shè)置減速時(shí)間Pr8=2s；（7）設(shè)置電子過電流保護(hù)Pr9=電機(jī)的額定電流。除了進(jìn)行基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置外，還要設(shè)置操作模式選擇（組合）Pr79=3，該模式下可進(jìn)行多段速調(diào)速控制。通過PLC的Y1、Y2和Y3三個(gè)開關(guān)量輸出分別連接變頻器的RH、RM和RL三個(gè)輸入端子控制調(diào)速，Y5開關(guān)量輸出控制變頻器STF正轉(zhuǎn)，PLC使用到的輸出端口對應(yīng)的COM公共端與變頻器的輸入端口公共端SD需要全部串聯(lián)起來，PLC與變頻器連接圖如圖7所示。圖7PLC與變頻器連接圖PLC輸出狀態(tài)形成三位二進(jìn)制編碼，000-111共有7種變化，可對應(yīng)多段速的7段速控制。PLC輸出控制變頻器頻率，需進(jìn)行多段速速度設(shè)定，7段速需要設(shè)定參數(shù)號(hào)分別是Pr4-Pr6，Pr24-Pr27，PLC輸出狀態(tài)與變頻器參數(shù)設(shè)置如表4所示。表SEQ表\*ARABIC4PLC輸出狀態(tài)與變頻器設(shè)置PLC輸出狀態(tài)變頻器運(yùn)行頻率變頻器設(shè)置參數(shù)號(hào)PrY3Y2Y100000018Pr401015Pr510022Pr611029Pr2410136Pr2501143Pr2611150Pr275調(diào)試與分析PLC接入220V交流電源，通過PLC內(nèi)部的電壓轉(zhuǎn)換功能，輸出24V直流電壓，該直流電壓可連接至音頻轉(zhuǎn)換器作其電源輸入。使用3.5mm的雙頭音頻線將手機(jī)、MP3等音頻播放設(shè)備的音頻信號(hào)輸入至音頻轉(zhuǎn)換器，再由音頻轉(zhuǎn)換器的0-10V模擬量輸出連接至A/D擴(kuò)展模塊的VIN1和COM1兩個(gè)端口。音頻轉(zhuǎn)換器與PLC及A/D模塊連接如圖8所示。圖8音頻轉(zhuǎn)換器與PLC及A/D模塊實(shí)物連接連接完成下載設(shè)計(jì)程序至PLC，執(zhí)行程序時(shí)通過編程軟件可進(jìn)入防真監(jiān)視模式實(shí)時(shí)監(jiān)視PLC從A/D模塊讀取的數(shù)值變化，穩(wěn)定輸入信號(hào)使得音頻轉(zhuǎn)換電路輸出穩(wěn)定的模擬電壓信號(hào)，調(diào)試實(shí)驗(yàn)分別測試了4組穩(wěn)定電壓下的PLC讀取值，4組穩(wěn)定電壓分別為1V；4V；7V；9V，對應(yīng)的讀取值分別為631；1713；2813；3894。測試中的讀取值屬于不同的數(shù)值范圍，對應(yīng)輸出的開關(guān)量狀態(tài)與編程設(shè)計(jì)要求的相同，輸出開關(guān)量狀態(tài)正常。觀察發(fā)現(xiàn)測試讀取值與理論轉(zhuǎn)換值存在不小的誤差，分析是模擬信號(hào)與A/D模塊的連接使用的是普通的連接線，沒有使用傳輸信號(hào)更加穩(wěn)定的屏蔽雙絞線，導(dǎo)致模擬信號(hào)在傳輸過程中受干擾較大，有些讀取的值偏差較大。測試穩(wěn)壓狀態(tài)PLC讀取數(shù)值結(jié)果如圖9所示。圖9穩(wěn)壓狀態(tài)讀取的數(shù)據(jù)變頻器與PLC相同接入220V電源，變頻器輸出端三個(gè)接線端子分別對應(yīng)連接電機(jī)的三個(gè)相線，為了降低啟動(dòng)電流，電機(jī)采用星形接法。測試開始時(shí)先使用變頻器的面板來控制電機(jī)，啟動(dòng)變頻器觀察電機(jī)到能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也能夠正?？刂齐姍C(jī)的正反轉(zhuǎn)，變頻器與電機(jī)連接測試如圖10所示。圖10變頻器與電機(jī)連接測試確保變頻器與電機(jī)之間連接正常，運(yùn)行穩(wěn)定后，切換到變頻器的外部端子控制模式，PLC輸出控制端子對應(yīng)與變頻器外部控制端子連接，PLC中所使用的COM公共端與變頻器的SD公共端相連接。進(jìn)行變頻器的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置，通過Pr4-Pr6，Pr24-Pr27設(shè)定7段速的運(yùn)行頻率，并設(shè)定加減速時(shí)間、上下限頻率等。測試實(shí)現(xiàn)了PLC的輸出開關(guān)量控制變頻器,接著變頻器對電機(jī)進(jìn)行多段速調(diào)速。電機(jī)控制水泵時(shí)要注意調(diào)速頻率不能過高，因?yàn)樗妙愗?fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以運(yùn)行調(diào)速時(shí)頻率不能超過額定頻率，否則很有可能會(huì)燒損變頻器和電機(jī)，引起控制系統(tǒng)失效，造成控制故障。PLC與變頻器實(shí)物連接如圖11所示。圖11PLC與變頻器實(shí)物連接圖6總結(jié)與展望6.1總結(jié)現(xiàn)代科技發(fā)展十分迅速，智能控制技術(shù)和一些計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)也變得十分成熟，這使得音樂噴泉的控制方式更加多樣化，更加先進(jìn)。大型的音樂噴泉控制系統(tǒng)固然先進(jìn)，往往所需要的建設(shè)成本和建設(shè)空間很大，一些小企業(yè)和小場地?zé)o法達(dá)到建設(shè)要求，這樣限制了音樂噴泉的應(yīng)用?；赑LC的小型音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以改善傳統(tǒng)音樂噴泉的單調(diào)性，而且控制電路結(jié)構(gòu)較為簡單，開關(guān)量控制編程簡單，可靠也較高，具有明顯的控制優(yōu)勢，能夠很大程度上減少成本投入，實(shí)際使用工作也十分穩(wěn)定。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的音頻信號(hào)輸入使用普通的音頻連接線，適用于大多數(shù)的音樂播放設(shè)備和小型電子設(shè)備，可以更好地滿足人們的需求。音頻轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)將特征屬性復(fù)雜的音頻信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的模擬電壓信號(hào)，模擬量經(jīng)過A/D擴(kuò)展模塊轉(zhuǎn)換后成功由PLC讀取對應(yīng)數(shù)值。PLC編程設(shè)計(jì)使用比較及傳送指令等，實(shí)現(xiàn)不同的讀取數(shù)值范圍輸出正確的開關(guān)量狀態(tài)。變頻器完成多段速參數(shù)設(shè)定，PLC輸出開關(guān)量控制變頻器隨著音頻信號(hào)高低改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了音樂噴泉的控制效果。6.2展望音樂噴泉系統(tǒng)是一個(gè)涉及學(xué)科領(lǐng)域廣泛的控制系統(tǒng)工程，大型的音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所需研究的方面內(nèi)容很多，而小型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)雖然相對簡單且較容易達(dá)到穩(wěn)定控制，但實(shí)際上系統(tǒng)的控制精度很低，難以表現(xiàn)較為出彩的噴泉效果?；赑LC的小型音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，雖然PLC控制器連接變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以隨著音頻信號(hào)的頻率高低進(jìn)行變化，但是這對于音頻信號(hào)的分析處理僅是頻率一種，使得實(shí)際噴泉效果不能很好地配合上音樂的旋律與節(jié)奏。后續(xù)工作可以從下面三個(gè)方面思考與改進(jìn)：（1）研究對音頻信號(hào)源做降噪、去噪的處理，能夠有效地對音頻信號(hào)存在的雜音進(jìn)行降噪、去噪處理，更好地消除雜音對信號(hào)轉(zhuǎn)換處理結(jié)果的影響。（2）由于音頻信號(hào)處理傳送，PLC控制等都需要一定的時(shí)間，這就導(dǎo)致了噴泉水體的變化會(huì)滯后于音樂頻率的變化，面對這個(gè)問題可以