全自動音樂噴泉控制系統

　　隨著我國人民物質和精神生活水平的不斷提高，現在中國許多城市的市民廣場、單位和居民生活小區里都能看到各種形式的音樂噴泉。音樂噴泉，顧名思義就是指噴泉的水形根據播放音樂的旋律和節拍有規律地進行變化，同時輔以燈光、激光或其它介質的變化，在人們的視覺和聽覺上形成和諧的統一，使人們在精神上有愉悅的感受。

　　音樂噴泉的形式多種多樣，以筆者從事音樂噴泉控制系統設計及制造的經驗來看大致可分為以下幾種：

　　※觀賞型噴泉：音樂程序控制噴泉（分為水景控制、燈光控制、水景＋燈光控制等方式）、跑泉、水幕電影、激光表演噴泉、火山噴泉、程控小景、霧化造景、舞臺移動式水景、雕塑噴泉、瀑布、超高型噴泉等；

　　※游戲參與型噴泉：跳跳泉、珍珠噴泉、噴泉迷宮、聲控噴泉、踩泉、隨動噴泉、時光隧道等；

　　※家庭噴泉景觀。
　　音樂噴泉涉及的專業非常廣泛，包括音樂信號分析、給排水、電氣控制、通訊、攝像技術、計算機自動控制、三維動畫制作和網絡通訊技術等。所以說音樂噴泉這個行業是一個綜合性非常強的行業。一個音樂噴泉工程的成功實施需要以上幾方面的專業工程技術人員緊密的配合才能完成。

　　一、系統流程與原理：

　　現就電氣和計算機自動控制系統在音樂噴泉中所完成的功能和組成結構作簡單的闡述。

　　音樂噴泉控制的流程圖如下：

※音樂噴泉的控制由以下幾個部分組成：

　　1）、音樂信號的采集和處理：

　　在這個過程中，音樂信號的采集由含DSP芯片的音樂數字采集分析器來完成，在完成數據采集的同時，音樂采集分析器將采集進來的信號按照按照分析音樂的算法將采集的信號根據音樂信號的元素和特征轉化成特定規律的數字信號輸出至中心控制站—工控機。（該音樂采集分析器是根據該裝置完成的功能而定義的名稱，在實際上該裝置可能并不是這個名稱，而是別的名稱。在上面的流程圖中，完成音樂信號采集和傳輸的部分是一個硬件裝置，但在實際過程中完成音樂信號的采集和分析的部分也可以通過組態軟件專用驅動程序或在組態軟件平臺下開發的專用數據采集程序來完成。

　　2）、音樂噴泉中的水形與音樂采集分析器輸出的數字信號和諧對應的處理過程：

　　在這個處理過程中，操作員要根據播放音樂的旋律為該音樂配置相應的水形，所作的配置可以存儲在組態軟件的程序中，同時也可以根據需要進行參數修改。在這個過程中，可以根據用戶的需要定義為以下這幾種模式：

　　※音樂自動模式：在這種模式下，隨著音樂在播放過程中旋律的變化，組態軟件將實時的、嚴格按照操作人員設定的水形配置向PLC發送數據，并由PLC輸出指令動態地改變水形以配合音樂的播放。

　　※音樂隨機模式：在這種模式下，隨著音樂在播放過程中旋律的變化，組態軟件將實時的、隨機的選擇水形配置向PLC發送數據并由PLC輸出指令動態地改變水形以配合音樂的播放。

　　※音樂手動模式：在這種模式下，隨著音樂在播放過程中旋律的變化，組態軟件將操作員實時的、確定的水形指令發送給PLC，并由PLC輸出指令動態地該變水形配合音樂的播放。

　　※無音樂隨機模式：在這種模式下，組態軟件將實時的、隨機的選擇水形，向PLC發送數據，并由PLC輸出指令動態地該變水形。

　　※無音樂手動模式：在這種模式下，組態軟件將操作員實時確定的水形發送給 PLC發送數據，并由PLC輸出指令以動態地該變水形。

　　在上述的5種模式下都可以在組態軟件的畫面中通過視頻控件觀察現場安裝的攝像頭發送來的視頻畫面，或根據工程中確定的水形來制作相應的三維動畫來反映音樂噴泉的當前水形，同時在組態軟件中還可以進行事件的顯示和存儲。PLC接到組態軟件輸出的數據進行邏輯運算控制相應的水泵的開啟和關閉、電磁閥的開和關、燈光、激光和各種執行單元的動作和變化。

　　應當著重指出的是：上述的5種模式中的手動模式是非常重要的。由于現在大多數噴泉使用單位對音樂噴泉的要求越來越高，他們想讓噴泉具備更多的變化手段或表現形式，所以有越來越多的用戶或者需要根據自己的喜好；或者對音樂噴泉控制程序進行進一步研發和應用；或者抱著游戲的態度對噴泉本身的水形變化根據音樂信號的特征進行有目的或隨機的編排。這就要求音樂噴泉控制系統中的組態軟件、PLC編程軟件、網絡通訊架構和變頻器必須具備“宏指令編輯功能”（即在組態界面專門開辟出的編輯菜單或子程序內填寫相應的數據后存儲形成新的控制程序）、開放式編程環境（即可以在線或離線編制與主控制程序相適應的符合國際標準的開放式程序寫入到組態軟件和PLC程序內形成新的控制程序）和快速穩定可靠的網絡通訊功能。

　　二、系統功能：

　　下面討論一下組態軟件在音樂噴泉工程中所完成的功能：

　　1、 組態軟件以強大畫面制作能力搭建良好的人機交互界面：
現在市場上主流的組態軟件大多具有以下特點：優秀的性能、純中文界面、編程風格簡單、實時性能好、與其他應用程序交換方便、調試簡便等。在音樂噴泉這個特殊領域依然可以使用組態軟件強大的畫面制作能力，制作出畫面美觀且適合于操作員操作的畫面。

　　2、在組態軟件的畫面上播放視頻信號監視音樂噴泉現場：
　　成熟的組態軟件可提供視頻控件來播放符合WVF標準的視頻采集卡采集到的視頻信號。這樣就豐富了對生產現場的監控方式，在音樂噴泉工程中實現了對音樂噴泉的多視角的監視。

　　3、在組態軟件的驅動程序中完成對音樂的分析：
　　可以將音樂的分析功能用組態軟件的驅動程序來完成。該驅動程序將要播放的音樂文件用一種特定的算法進行運算，產生一個純文本文件。該文件中包含有該音樂文件的分段數、分段時刻、段持續的時間和對應的水形組合碼。水形組合碼包含該水形組合碼對應哪些水形的信息。

　　4、在組態軟件運行環境下進行動態的控制：
　　在上述的音樂噴泉工程概述的幾種工作模式下進行相互切換。

　　5、對生成的音樂文件進行在線修改：
　　可以在組態軟件中直接啟動Excel對音樂驅動程序分析生成的純文本文件進行修改，修改的內容包括：分段時刻、段持續的時間和對應的水形組合碼，以此來控制音樂和噴泉的配合。

　　6、用戶的權限分配和安全管理：
　　為不同的操作員分配不同的操作權限，保障操作員對噴泉控制的安全性。

　　7、支持在組態軟件的畫面中播放動畫：
　　以動態的動畫完成對工業現場的模擬，增強美觀效果。一般來說組態軟件現在支持的動畫格式分別為gif、avi等。

　　8、控制音樂的播放：
　　成熟的組態軟件可以直接播放WAV格式的歌曲或音樂CD上的歌曲。實現了真正意義上的多媒體在組態軟件上的使用。

　　三、軟件配置：

　　軟件配置為：Windowns NT 2000 + Severs Pack 6補丁程序+帶web功能的組態軟件+符合IEC61131開放式國際標準的PLC編程軟件。

　　四、硬件配置：

　　硬件配置為：工控機或觸摸屏人機界面+ PLC+帶網絡通訊功能的變頻器。
　　注：由于音樂噴泉的各個控制機構的安置地比較分散，用戶對控制的實時性
要求也比嚴格，所以在工程中工控機與PLC采用的是標準TCP/IP通訊協議以工業快速以太網的通訊方式來進行數據交換。

　　五、音樂噴泉控制系統簡介：

　　控制系統主要由：工業控制計算機、可編程控制器、變頻器、控制柜等組成。

　　※控制系統主要流程：
　　工業控制計算機作為用戶終端，操作界面及控制程序安裝在工業控制計算機內，控制程序傳輸到可編程控制器，由可編程控制器控制變頻器、電磁閥和燈光的動作，由控制柜、變頻器控制相應的負載動作。

　　※工業控制計算機：
　　多年來我公司一直采用工控機作為系統控制工作站，主要是因為它具有性能穩定，速度快，對環境條件適應性強，抗振和抗干擾性好等優點。

　　※可編程控制器：
　　音樂噴泉的成敗最重要的是看噴出的水流是否有音樂感?？删幊炭刂破鞯闹饕δ苁菍σ魳沸盘栠M行處理，再將處理后的信號傳輸到下一級控制設備，這樣就可以控制所需的水型及燈光按照音樂的節奏高低起伏做動感變化，使音樂噴泉真正達到了水上芭蕾的藝術效果?？删幊炭刂破魉哂械臏蚀_、精密、快速、穩定的特點和多點控制的功能已使它成為現代高技術音樂噴泉工程中不可缺少的設備。

　　※變頻器：
　　變頻器通過通訊網絡實時接收PLC輸出的控制信號，使水泵的轉速與音樂同步變化，因而使噴出的水柱能夠隨著音樂的高低、節奏的快慢而起伏變換，達到了音樂噴泉特殊的藝術效果。在選擇變頻器時必須注意：變頻器信號響應速度、啟動和停止力矩、直流母線電容濾波參數、變頻器單位時間內啟停次數指標、電磁兼容性指標、可靠性等參數。由于現在網絡通訊方式逐漸普及，所以在選用變頻器時應選擇具備profibus、modbus等通訊協議和功能的變頻器。這種控制方式具有靈敏度高，控制效果好，使用壽命長，工作安全可靠等特點。

　　※控制柜：
　　采用噴泉專用配電和控制系統，更適合于水景操作的特點。根據控制柜的數量、分配功率和負荷性質，配電柜可以為每臺控制柜分別提供供電回路。整個水景控制系統均采用GGD標準低壓柜箱體，質量優良，為國家機電專業認證合格和CCC認證合格的產品。主要元器件采用進口和國內的優質可靠產品。多年來的實踐表明其不僅符合國家標準，工藝考究，并具有多重保護功能，運行安全可靠。