随着中国经济实力的增长，人们对生活环境质量的要求也越来越高。音乐喷泉控制系统通过音调实现自动且连续的形态和灯光改变，展现出多姿多彩的花型和绚丽的灯光变化，满足人们对音乐享受和视觉效果的需求。因此，在大型休闲广场、办公楼广场以及主题公园等场所都可以看到音乐喷泉的身影。然而，由于建设音乐喷泉所需的许多设备和技术主要依赖国外进口，导致国内音乐喷泉建设成本居高不下。

音乐喷泉控制系统采用的可编程序控制器（PLC）具有使用方便、高可靠性、广泛适应面、强抗干扰能力、通用性强、编程简单等特点。本文设计实现的音乐喷泉控制系统能够多点控制喷泉灯光的变换和水柱状态，并且线路设计简单，实现了水柱和灯光随着音乐节奏的变化而变化。

一、系统整体设计方案

系统整体设计方案采用了西门子S7-200系列可编程控制器作为主控制器，并对其进行了详细的设计。变频器在接收到PLC处理后的音乐控制信号后，同步输出一种AC电，该AC电的频率随着乐曲信号的变化而改变，从而控制水泵的转速。因此，系统中的喷泉水柱会根据声音信号的节拍变化呈现不同的高度。在此基础上，通过PLC对灯光进行控制，使灯光的变化与音乐的节拍同步进行，如图1所示。

图1系统整体设计方案

从实际需求来看，两组单相潜水泵能够满足该音乐喷泉系统的游泳池设计需求。外部两环喷泉水柱的压力以及主喷嘴水柱的压力分别由12W、55W的潜水泵完成。在实际需求的基础上，对两套能够达到设计要求的彩灯进行了分析。这两套彩灯分成两圈，分别设置在外环喷嘴和中间环喷嘴下方。它们的工作模式是相互交替的，使得系统中的音乐喷泉水柱呈现出层次分明、极佳的视觉效果。

1.1 音乐信号的处理

音乐喷泉系统通过音响设备对音乐进行放大和输出。

1.2 水型与乐曲同步的控制

为了实现水柱形状和音乐的同步，该系统设计了一个延时程序，用于调节喷泉的输出。水柱的形状会随着音乐的变化而变化，实现了与音乐的同步效果。

1.3 潜水泵电动机的控制

潜水泵由控制器内置的程序进行控制，存储了系统播放的曲目，并将录制的曲目存入控制器。通过播放相应的歌曲，完成对水泵的控制。

1.4 灯光的控制

控制系统的程序可以根据音乐来控制颜色的变化。

1.5 水型的节奏随动控制

通过A/D对声音信号进行采集并转换成相应的程序，利用变频器对潜水泵进行加减控制，以达到对各种乐曲信号的直观感觉。在音乐的伴奏下，水流的起伏与水流的律动相呼应，形成了一种“音乐喷泉”的视觉效果。

窗体顶端

二、变频器设计

该系统采用MM420变频调速，对水泵进行调速。该变频器MM420适用于多种电器设备，要求采用变频调速。

变频器与PLC的端口连接如图2所示，“Q1．5———AIN－”是为了实现对变频器起停的控制，Q1．0—Q1．2分别与DIN1—DIN3的连接，是为了实现对变频器输出预置固定频率的控制，变频器输出的预置频率由设置参数决定。

图2变频器设计连接图

三、控制系统设计

西门子S7-200可编程控制器是西门子公司的产品，采用RS-485通信接口，内置电力系统，是一种新型的PLC。以CPU226DC/DC/DC为控制核心，进行了详细的分析。由于本系列PLC的运算能力强大，因此，从音乐处理模块发出的八路信号通过RS-485被传送到PLC的数字量输入模块中。PLC的内部CPU对信号进行迅速的处理，再通过PLC的输出模块将其输出，以此来控制彩灯和变频器，实现对变频器的数字化控制。

当按下系统打开按钮时，系统的第一台水泵电动机由PLC启动。启动后，系统将有10秒的延迟，此时系统将检验是否按下了停止按钮。若喷泉系统判定停止按钮被按下，PLC将依次打开系统的第2台水泵电动机。若发现“停止按钮”为“是”，则通过PLC切断第一台水泵电动机。在系统启动程序中，由于固定程序不要求变频器，因此能够在从固定程序向音乐控制程序转换的过程中直接进行转换，没有延时。然而，当喷泉控制系统的程序格式由仅有音乐控制程序再转换到音乐喷泉固定运行程序时，在转换过程中必须有10秒的延迟，延迟时间即为变频器的停止时间。

本系统将停止按钮的接触模式设计为常闭接点，因此，在这个编程中，与停止按钮相连的输入继电器的接触模式必须是常开模式的。本系统设计的目的在于，当系统的停止按钮断开时，喷泉系统的程序会停止工作。由于音频信号是模拟性的，为了实时获取喷泉系统输出的音乐声音信息，设计的程序必须中断100毫秒，对音频各个点上的声音信号进行采集，然后通过PLC进行处理，并最终传送到变频器中。变频器基于传送到的各个时刻的声音信号，对水泵进行控制，实现对水柱高度的控制。系统采用模拟量混合组件EM235作为模拟量的收发模块，其中（A+,A-）端为信号接收端，以AIW0为地址，（M0,V0）的输出端子，AQW0的地址。

图3中的喷泉固定操作程序是一种自动喷水灭火系统，可以在不使用声音信号的情况下对喷水灭火系统进行控制。此操作程序是通过PLC的另外一组操作程序来实现的。这种控制方法不涉及频率转换和声音信号，仅通过对继电器Q0.4~Q0.7的幅值变化进行控制，实现对水泵速度的控制。

四、系统调试

图3喷泉固定运行程序

首先，将可编程控制器的工作方式设定在停机状态，然后在PLC中下载相应的程序，使其能够按照喷泉控制系统的要求设定相应的参数。然后，打开系统 AC线的主电源以及音乐信号控制的局部电源，按下系统起动开关K1，系统中的第一台水泵1就会运转起来，选出所要演奏的乐曲，此时，系统就会按照乐曲的节拍，控制水柱的高度，让音乐喷泉系统的水柱出现各种姿势，然后系统停顿10秒，然后，系统就会对第二台水泵2进行操作。

五、结语

根据对音乐喷泉控制系统的需求，选用S7-200型可编程控制器作为控制核心，通过软硬结合的方式，增强了系统的运行可靠性和灵活性。通过变频技术，可以实现对水泵转速的控制，以满足喷泉对水柱姿态的显示需要，系统的喷泉水柱会根据音乐节律的不同而改变水柱的姿态，配合实时的灯光转换，可以很好地满足人们对喷泉的需要。

参考文献:

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