基于PLC與MCGS的音樂噴泉控制系統設計研究與探索

宋 珂，羅 婕，鄭志軍

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州510640）

在工程訓練教學過程中，傳統的工業控制實驗教學以PLC 技術為主，實驗設備存在易損壞，難維修，兼容性不強，實驗內容和方法單一，自主開放程度不高等問題[1]。隨著PLC 向著規?；⒏咝阅?、多功能、模塊智能化、網絡化和標準化方向發展[2]，對高校實驗教學環節提出更高的要求，采用探索性項目教學法，以課程模塊為單元，以PLC 項目為主線，以任務的形式，組織學生以小組為單位學習[3]，提出一種基于PLC 和MCGS 的音樂噴泉控制系統設計方法，設計PLC 程序和MCGS 組態程序，用穩定性較高和可編程性強的PLC 控制器代替傳統音樂噴泉的單片機控制系統，用觸摸屏上位機可視化和形象性代替機械的按鈕，提高學生解決問題和動手的能力，同時降低對實訓設備的依賴程度，提高訓練效率，減少器材損耗，降低實訓成本[4]。

1 音樂噴泉的硬件設計

相比傳統的控制系統，PLC 控制技術具有可編程和通信等功能，可對整體系統進行控制，從而實現音樂噴泉系統的噴水、燈光等方式的變化，具有很強的觀賞性；同時，音樂噴泉在運轉時會出現電壓變化頻繁，對傳輸信號造成干擾，容易引發故障，PLC 技術可以有效地進行上、下位機控制，避免發生干擾問題[5]。但具有一定的局限性，比如沒有良好的用戶界面作為監控系統，無法形象的顯示控制對象的實時動態等，MCGS 組態軟件很好的解決了這個問題。

MCGS（monitor and control generated system）組態軟件是北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司開發的，用于快速構造和生成計算機監控系統的專業軟件，它能夠在基于Microsoft 的各種Windows平臺上運行，通過對現場數據采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等各種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有廣泛的使用。MCGS 建立的工程主要由主控窗口、設備窗口、 用戶窗口、 實時數據庫和運行策略等5大部分組成，如圖1 所示，每一部分分別進行組態操作，完成不同的工作，具有不同的特征[6]。

圖1 MCGS 組態軟件結構圖Fig.1 MCGS configuration software structure diagram

運用上位機觸摸屏與下位機PLC 各自的功能特點，來完成對音樂噴泉的啟動、停止，單步/連續，音樂選擇，彩燈信號的采集、監控，通訊、上位、組態與顯示，同時借助與下位機PLC 之間的通信傳輸通過音樂控制器，通過現場音樂音頻傳送到音樂控制器中，根據信號強弱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，達到控制噴泉高度的目的[7]。音樂噴泉控制系統硬件設計如圖2 所示。

圖2 音樂噴泉控制系統硬件設計Fig.2 Sketch of hardware design of music fountain control system

2 音樂噴泉控制系統程序設計

2.1 控制要求

本設計方案為PLC實驗教學中的探索性實驗項目，為了提高項目的可行性，立足于新工科理念，將樂理知識與PLC 控制知識相結合。將音樂噴泉的控制方式分為兩種方式：一是音樂控制，當音樂啟動時，會將信號通過音樂控制器進行轉換，再傳輸到變頻器中，改變水泵的頻率，使其隨著音樂節奏進行控制；二是程序控制，通過PLC 程序編輯好彩燈的變化，當程序啟動時，按照事先設計好的程序運行，對音樂噴泉進行循環控制。第一種控制方式實際上是依靠音樂控制器的轉換，涉及到的編程內容比較簡單，本研究只研究彩燈與音樂的節拍配合進行編程的方法，以及用MCGS 軟件進行組態設計，模擬音樂噴泉彩燈循環點亮過程。要求用GX developer 軟件設計PLC 程序，用MCGS 軟件設計組態界面，應用PLC 學習機作為下位機，MCGS 組態軟件模擬運行調試PLC 程序，如圖3 所示。

圖3 PLC 學習機Fig.3 PLC learning machine

1）MCGS 組態界面設計啟動按鈕、停止按鈕、音樂選擇按鈕、單步/連續按鈕。按照YL-PC 鐵塔之光模塊進行彩燈位置顏色設計，如圖4 所示，自行設計彩燈循環順序循環點亮，每個狀態停留時間由音樂簡譜換算節拍時間確定。

圖4 YL-PC 鐵塔之光模塊Fig.4 Optical module of YL-PC tower

2）設計單步/連續按鈕，當單步時，小燈閃爍只運行一個循環；當連續時，小燈閃爍循環運行。當按下停止按鈕，小燈閃爍停止工作，所有存儲器復位。

3）針對小星星、祝你生日快樂、新年好的音樂簡譜，換算出時長信息，編寫3 個歌曲的PLC 程序。

4）應用PLC 學習機調試組態界面和PLC 程序，最終在實驗箱上進行硬件連接并實驗。

2.2 硬件設計

2.2.1 輸入/輸出端子設計

輸入端子：啟動、停止、音樂選擇按鈕，單步/連續按鈕均用人機界面組態按鈕實現，不占用輸入端子。

輸出端子：一共9 個指示燈占用9 個輸出端子。

2.2.2 輸入/輸出端子分配

輸入和輸出端子分配如表1 和表2 所示。輸入端在觸摸屏上設置為觸摸鍵，輸出端采用PLC 學習機指示燈。

表1 輸入端子分配Tab.1 Input terminal assignment

表2 輸出端子分配Tab.2 Output terminal allocation

2.2.3 硬件連接

硬件連接如圖5 所示。

圖5 硬件連接Fig.5 Hardware connection diagram

2.3 人機界面設計

利用MCGS 組態軟件設計PLC 仿真實驗教學系統是借助于計算機的屏幕來觀察控制的過程和結果，連接硬件則可以監視硬件的工作狀態，為了達到用觸摸屏操作畫面實時監控PLC 運行的目的，必須將操作畫面中的圖形對象和PLC 中編程軟件聯系起來[8-9]。

界面設計步驟如下：

1）新建工程。選擇TPC1061Ti 觸摸屏類型，確定后進入組態設計畫面，如圖6 所示。

圖6 TPC 類型選擇Fig.6 TPC type selection

2）設備組態。點擊通用串口父設備，如圖7 所示，按照圖7 進行設置，串口端口號根據PLC 學習機插入電腦后，右擊我的電腦-設備管理器-端口設置。添加設備0-三菱FX 系列編程口，屬性設置以及通道連接變量，如圖8 所示，其中CPU 類型選擇FX2NCPU。

圖7 通用串口父設置Fig.7 Universal serial port parent settings

圖8 連接變量設置Fig.8 Connection variable settings

3）界面繪制。點擊用戶窗口新建1 個窗口，如圖9 所示。

圖9 創建用戶窗口Fig.9 Create user window

界面繪制如圖10 所示，其中所有按鈕按照表1進行設置，如啟動按鈕，設置抬起清0，按下置1，連接設備0_讀寫M0000，其他按鈕同理。按照YL-PC鐵塔之光模塊畫出彩燈位置，設置顏色，連接輸出變量Y0~Y10，彩燈屬性設置如圖11 所示。

圖10 界面繪制Fig.10 Interface drawing

圖11 彩燈屬性設置Fig.11 Color light attribute setting

2.4 PLC 程序設計

傳統的音樂噴泉中彩燈的循環點亮節奏是根據音樂節奏轉換的，轉換方式是音頻信號通過音樂控制器將電流信號轉換為數字信號，再通過PLC 技術進行濾波等處理，形成直流電壓信號，傳輸給彩燈[5]。但這種控制模式無法鍛煉學生的編程能力，本項目立足于新工科理念，將樂理知識與PLC 控制知識相結合，讓學生學會自己將音樂簡譜與時長轉換，編寫PLC 程序，鍛煉編程能力的同時，也培養了音樂知識，豐富了學習內容，提高了學習興趣。

音樂簡譜與時長轉換如表3 所示，通過時長的換算，編寫PLC 程序，達到彩燈循環點亮和音樂節奏同步的目的，下面以小星星為例展示編程方法。

表3 音樂簡譜與時長轉換Tab.3 Music notation and duration conversion

小星星音樂簡譜如圖12 所示，根據簡譜特征，將控制要求簡化為：

圖12 小星星簡譜Fig.12 Notation for little stars

1）當按下啟動按鈕，選擇單步，選擇小星星時，彩燈間隔0.4 s 依次點亮，輸出Y0～Y6；

2）當Y6 點亮維持0.8 s，重復下一輪循環，重復6 次時，停止；

3）當選擇連續，選擇小星星時，彩燈間隔0.4 s依次點亮，輸出Y0～Y6，重復循環，直到按下停止按鈕。

應用時序圖的方法編程，根據要求，繪制時序圖，如圖13 所示。編寫PLC 程序，將程序拆分成主程序和小星星程序，如圖14 和圖15 所示。

圖13 時序圖Fig.13 Timing diagram

圖14 主程序Fig.14 Main program

圖15 小星星程序Fig.15 Little star program

編寫后連接PLC 學習機，在GX Developer 軟件傳輸設置，如圖16 所示，點擊在線-PLC 寫入-勾選main，執行，然后PLC 重新上電。將程序導入PLC學習機中，在MCGS 軟件中選擇進入運行環境-模擬運行，下載程序，按下啟動按鈕進行模擬，根據MCGS 運行情況實時修改PLC 程序，直觀顯示，方便調試，調試過程如圖17 所示。

圖16 PLC 傳輸設置Fig.16 PLC transmission settings

圖17 程序調試Fig.17 Program debugging

通過PLC 學習機配合MCGS 軟件進行PLC 程序調試，調試成功后在試驗臺上進行硬件連接，鍛煉學生接線能力的同時，增強了學生學習的興趣和自信，硬件連接如圖18 所示。

圖18 硬件連接Fig.18 Hardware connection

3 結語

基于PLC 和MCGS 的音樂噴泉控制系統設計研究與探索提供了一種新的探索性實驗項目方法，將較復雜的工程問題簡化為簡單的彩燈循環問題，應用基于MCGS 的PLC 程序設計方法，即應用PLC學習機和MCGS 軟件聯動，實時監測組態界面狀態，實時修改PLC 程序，增強了編程的可視化，提高了編程的效率和正確性。后續研究主要完成音樂控制器轉換信號控制變頻器，完善音樂噴泉控制系統。

總結本系統的創新性有：傳統的音樂噴泉都是用單片機進行控制的，程序固化，不可改變，抗干擾能力差，本系統應用PLC 作為核心控制器，鍛煉學生自主編程的能力。配合實驗箱自主進行硬件連接練習，理論與實踐相結合，提高學習的積極性和創造性； 本系統設置編程過程與音樂知識相結合，立足于新工科理念，學生在編程的同時學習音樂時值與時長的關系，掌握彩燈節拍的編寫方式，掌握時序圖的應用，對以后其他相似工程問題的程序編寫有借鑒作用；上位機MCGS 觸摸屏控制系統：MCGS嵌入版負責驅動外部電子元器件，通過設備與數據之間的通道，把電子元器件的運行數據采集進來，送入實時數據庫，供系統其它器件調用，并且把實時數據庫中的數據輸出到外部設備觸摸屏，實現對音樂噴泉的操作與控制。