利用PLC實現音樂程控噴泉的控制問題研究

鄧 翔

摘 要:PLC-Programmable Logic Controllers(可編程邏輯控制器)近年來被廣泛應用于工業控制領域,如冶金、鋼鐵、生產線等等,其主要特點就是其性能穩定、控制精度高、維護方便。通過與PC連接,根據生產流程情況編制相應的程序,將數字信號的輸入指令轉換成為模擬信號的輸出指令,進行控制執行元器件實現自動化控制的目的。目前,在音樂程控噴泉方面主要采用進口的燈光控制臺及其相配套的解碼器進行控制,一旦出現故障,不便于維修,代價比較昂貴。利用PLC技術,就可以用普通PC將進口的燈光控制臺進行替換,維護簡便,成本較低,本文就如何利用PLC技術實現音樂程控噴泉的問題進行剖析。

關鍵詞:PLC;控制;音樂程控噴泉;實現

中圖分類號:TU986.43 文獻標識碼:A 文章編號:1005-569X(2009)10-0039-02

1 引 言

隨著國民經濟的發展,城市建設日新月異,噴泉水景逐漸成為了城市中一道靚麗的景觀。在大型公園、廣場、樓盤社區隨處可見,只是規模大小、控制方式存在差別。特別是利用現代化的控制技術,將噴泉的造型(根據噴頭分布情況組成的花形)、音樂、燈光三種元素進行有機地結合,相互映襯,使噴泉展現出美輪美奐的景象,享有“水上芭蕾”的美譽。

2 PLC音樂程控噴泉

噴泉是利用水泵工作所產生的壓力,從噴頭噴射出水柱,將若干臺水泵按照一定的型號、位置進行安裝,結合不同類型的噴頭,就可以產生各種各樣的花形。我們可以將每一臺水泵視為一個工作點,編制程序,通過PLC的模塊實現對每個點的控制,也就是通過對每臺水泵執行回路中的接觸器或傳動裝置進行控制,達到控制水泵工作狀態的目的。

為展示噴泉的藝術感,通常會配以相應的曲目,根據所選曲目的節奏快慢、抑揚頓挫,編制相應的水泵控制程序來體現音樂的內涵。其中,最重要的環節就是時間同步,即將樂曲的播放時間根據節奏、樂感分解為若干個時間段,在每個時間段內編制相應的水泵、燈光控制程序,調整曲目播放的時間精度和PLC編程的時間精度相同,而且在同一時間段內,水泵和燈光的子程序工作時間相同,從而在視覺上達到同步的觀賞效果。

在夜間配合燈光來提升噴泉的觀賞效果,選用可編程控制的LED燈光,通過RS485接口接入控制器,可完成對其的集中控制。根據燈光顏色、照射花形的角度、音樂曲目進行編制程序,燈光工作時間也要和音樂、水泵的時間同步,其原理與控制水泵原理相同,在這里不再贅述。

3 實施步驟

3.1 水泵的控制

根據水泵的型號、花形及分布位置,進行統一編號,并與PLC模塊的點數編號一一對應,將同一花形的水泵進行編組,對每組花形的水泵的工作先后順序、工作方式(整體還是單獨)進行排列組合,編制相應的子程序并進行編號,賦予對應的工作時間數值,控制水泵的工作時間,工作時間類型可持續,也可以間斷,兩者的表現形式為靜態和動態。

另外,通過添加變頻器來表現柔美曲目的花形,增添噴泉的美感。在PLC和變頻器之間建立對應的等量關系,將PLC的數字信號轉換為變頻器控制水泵轉速的模擬信號,實現水泵的動態工作狀態,然后根據花形的形狀要求對其進行排列組合,編制相應的子程序并進行編號。

3.2 燈光的控制

根據燈光的顏色(最好選取紅、黃、藍三原色)、安裝位置、照射角度,進行燈光工作狀態的排列組合,編制相應的子程序,賦予對應的工作時間數值,與水泵花形的時間類型、數值相一致,其顏色可以一致,也可以不一致體現動感,還可以進行某兩種或某三種顏色的疊加,生成另外不同的顏色,豐富燈光的色彩。

3.3 時間同步

這是整個音樂程控噴泉控制中最重要、最關鍵的環節,因為音樂程控噴泉展示整體效果的協調性直接與時間同步有著非常密切的關系,如果時間同步有差異,會導致音樂、花形和燈光不是一個整體,觀賞效果大打折扣,所以此環節是核心環節。

“時間同步”在這里包含了三個層面的時間。其一,是指音樂播放時間段的精度和PLC控制程序時間段的精度相一致,而且兩者之間的關系是同時開始、同時停止;其二,根據音樂曲目的節奏、氣勢所劃分的播放時間長度,要與相對應的水泵、燈光子程序所持續工作的時間長度一致,也就是水泵花形和燈光要隨著音樂曲目產生的變化而變化,否則觀賞時會出現音樂、花形和燈光三者之間的關系不夠緊密,有一種脫節不搭調的感覺;其三,在同一時間段內,水泵花形與燈光子程序的工作持續或間斷時間相一致,時間具體數值要考慮人體的視覺暫留時間,這樣水泵花形和燈光會形成一個整體,同時開始、同時結束,整齊劃一,花形程序和燈光程序可以一對一,也可以多對多,豐富觀賞的效果。

PLC時間與播放音樂軟件之間也存在時間跟蹤、同步問題。

利用Windows媒體播放器提供的ActiveX接口,可以直接在監控軟件中(例如西門子的WinCC)調用播放器來播放音樂,并同時得到當前音樂播放的位置。得到了音樂以及當前的播放信息,就可以比較方便地通過編程來實現整首歌中各個時間段噴泉所需要展現的各種花型。例如這里選擇給時間分段,在音樂的基本小節整數倍長度的小的時間段上預先編制好噴泉的各種基本動作,后期編制整體花型時會更加方便管理。

當然,在整個過程中,噴泉也可以脫離音樂來單獨運轉,方便日常的維護和花型的調試。

3.4 音樂選曲、PLC控制程序的編制

音樂選曲應選取節奏變化明顯、氣勢抑揚頓挫的曲目,盡量不要選取節奏區別不明顯、氣勢變化不突出的曲目,否則會給程序中花型的編制帶來較大的困難,同時也可能導致噴泉整體效果不明顯。

一旦音樂曲目選定,就要劃分播放的時間段,可以根據節奏、樂感進行劃分,也可以借助專業音樂軟件進行劃分,并記錄好已劃分的時間段。這個過程需要反復推敲,確保劃分時間段的準確性,以便最終能夠得到更好的整體效果。然后,根據已劃分好的時間段編制程序,所選取的程序要與當段音樂所表現的內涵、氣勢和情感相協調,充分體現效果。這里采取調用子程序的辦法來完成整首曲的花型效果,在編制整首曲的花型時僅僅是在預先設定好的基本動作的基礎上進行編排,修改曲目對應的動作譜,事半功倍。于是,在每個時間小節的開頭,只需要開啟這個時間段配合樂曲的基本花型動作的子程序(包括水泵和燈光程序),這樣就比較容易做到音樂、噴泉、燈光的緊密結合。

3.5 程序調試

程序編制完成后,制作PLC工作時的工作界面(能夠遠程表現噴泉當前的運行狀態),可以看到在整首樂曲的所有時間段內的所有程序以及在同一時間段內,開啟和關閉的水泵和燈光的動作譜和演示每一時刻的各個執行元件的執行狀態,這樣可以在現場看效果,通過觀賞,詢問記錄他人的感受,記錄下覺得需要進行調整的部分,修改程序中相應的動作譜的內容,改變相應的子程序的調用次序,從而使得噴泉和燈光和音樂配合的更好。

3.6 聲音輸出

可以直接將電腦的聲卡輸出的音頻信號接入調音臺與功率放大器、均衡器、壓限器等音響設備串接,最后從現場的音箱輸出音樂。

3.7 PLC的配置

根據控制點數就可以確定PLC的硬件配置方案。

根據噴泉整體的水泵臺數,1臺接觸器控制的水泵對應PLC模塊上的1個數字量輸出點,1臺變頻器控制的水泵對應PLC模塊上的1個模擬量輸出點,1組單獨控制的LED燈光對應1個數字量輸出點,根據它們的總數來配置PLC的硬件組成。例如PLC選用32點數字量輸出模塊時,通過計算就能得到該種類模塊所需要的數量。

根據具體的工作環境,還可能相應的需要選擇避雷設備,來完成對系統的保護。