全自动音乐喷泉控制系统

　　随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在中国许多城市的市民广场、单位和居民生活小区里都能看到各种形式的音乐喷泉。音乐喷泉，顾名思义就是指喷泉的水形根据播放音乐的旋律和节拍有规律地进行变化，同时辅以灯光、激光或其它介质的变化，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有愉悦的感受。

　　音乐喷泉的形式多种多样，以笔者从事音乐喷泉控制系统设计及制造的经验来看大致可分为以下几种：

　　※观赏型喷泉：音乐程序控制喷泉（分为水景控制、灯光控制、水景＋灯光控制等方式）、跑泉、水幕电影、激光表演喷泉、火山喷泉、程控小景、雾化造景、舞台移动式水景、雕塑喷泉、瀑布、超高型喷泉等；

　　※游戏参与型喷泉：跳跳泉、珍珠喷泉、喷泉迷宫、声控喷泉、踩泉、随动喷泉、时光隧道等；

　　※家庭喷泉景观。
　　音乐喷泉涉及的专业非常广泛，包括音乐信号分析、给排水、电气控制、通讯、摄像技术、计算机自动控制、三维动画制作和网络通讯技术等。所以说音乐喷泉这个行业是一个综合性非常强的行业。一个音乐喷泉工程的成功实施需要以上几方面的专业工程技术人员紧密的配合才能完成。

　　一、系统流程与原理：

　　现就电气和计算机自动控制系统在音乐喷泉中所完成的功能和组成结构作简单的阐述。

　　音乐喷泉控制的流程图如下：

※音乐喷泉的控制由以下几个部分组成：

　　1）、音乐信号的采集和处理：

　　在这个过程中，音乐信号的采集由含DSP芯片的音乐数字采集分析器来完成，在完成数据采集的同时，音乐采集分析器将采集进来的信号按照按照分析音乐的算法将采集的信号根据音乐信号的元素和特征转化成特定规律的数字信号输出至中心控制站—工控机。（该音乐采集分析器是根据该装置完成的功能而定义的名称，在实际上该装置可能并不是这个名称，而是别的名称。在上面的流程图中，完成音乐信号采集和传输的部分是一个硬件装置，但在实际过程中完成音乐信号的采集和分析的部分也可以通过组态软件专用驱动程序或在组态软件平台下开发的专用数据采集程序来完成。

　　2）、音乐喷泉中的水形与音乐采集分析器输出的数字信号和谐对应的处理过程：

　　在这个处理过程中，操作员要根据播放音乐的旋律为该音乐配置相应的水形，所作的配置可以存储在组态软件的程序中，同时也可以根据需要进行参数修改。在这个过程中，可以根据用户的需要定义为以下这几种模式：

　　※音乐自动模式：在这种模式下，随着音乐在播放过程中旋律的变化，组态软件将实时的、严格按照操作人员设定的水形配置向PLC发送数据，并由PLC输出指令动态地改变水形以配合音乐的播放。

　　※音乐随机模式：在这种模式下，随着音乐在播放过程中旋律的变化，组态软件将实时的、随机的选择水形配置向PLC发送数据并由PLC输出指令动态地改变水形以配合音乐的播放。

　　※音乐手动模式：在这种模式下，随着音乐在播放过程中旋律的变化，组态软件将操作员实时的、确定的水形指令发送给PLC，并由PLC输出指令动态地该变水形配合音乐的播放。

　　※无音乐随机模式：在这种模式下，组态软件将实时的、随机的选择水形，向PLC发送数据，并由PLC输出指令动态地该变水形。

　　※无音乐手动模式：在这种模式下，组态软件将操作员实时确定的水形发送给 PLC发送数据，并由PLC输出指令以动态地该变水形。

　　在上述的5种模式下都可以在组态软件的画面中通过视频控件观察现场安装的摄像头发送来的视频画面，或根据工程中确定的水形来制作相应的三维动画来反映音乐喷泉的当前水形，同时在组态软件中还可以进行事件的显示和存储。PLC接到组态软件输出的数据进行逻辑运算控制相应的水泵的开启和关闭、电磁阀的开和关、灯光、激光和各种执行单元的动作和变化。

　　应当着重指出的是：上述的5种模式中的手动模式是非常重要的。由于现在大多数喷泉使用单位对音乐喷泉的要求越来越高，他们想让喷泉具备更多的变化手段或表现形式，所以有越来越多的用户或者需要根据自己的喜好；或者对音乐喷泉控制程序进行进一步研发和应用；或者抱着游戏的态度对喷泉本身的水形变化根据音乐信号的特征进行有目的或随机的编排。这就要求音乐喷泉控制系统中的组态软件、PLC编程软件、网络通讯架构和变频器必须具备“宏指令编辑功能”（即在组态界面专门开辟出的编辑菜单或子程序内填写相应的数据后存储形成新的控制程序）、开放式编程环境（即可以在线或离线编制与主控制程序相适应的符合国际标准的开放式程序写入到组态软件和PLC程序内形成新的控制程序）和快速稳定可靠的网络通讯功能。

　　二、系统功能：

　　下面讨论一下组态软件在音乐喷泉工程中所完成的功能：

　　1、 组态软件以强大画面制作能力搭建良好的人机交互界面：
现在市场上主流的组态软件大多具有以下特点：优秀的性能、纯中文界面、编程风格简单、实时性能好、与其他应用程序交换方便、调试简便等。在音乐喷泉这个特殊领域依然可以使用组态软件强大的画面制作能力，制作出画面美观且适合于操作员操作的画面。

　　2、在组态软件的画面上播放视频信号监视音乐喷泉现场：
　　成熟的组态软件可提供视频控件来播放符合WVF标准的视频采集卡采集到的视频信号。这样就丰富了对生产现场的监控方式，在音乐喷泉工程中实现了对音乐喷泉的多视角的监视。

　　3、在组态软件的驱动程序中完成对音乐的分析：
　　可以将音乐的分析功能用组态软件的驱动程序来完成。该驱动程序将要播放的音乐文件用一种特定的算法进行运算，产生一个纯文本文件。该文件中包含有该音乐文件的分段数、分段时刻、段持续的时间和对应的水形组合码。水形组合码包含该水形组合码对应哪些水形的信息。

　　4、在组态软件运行环境下进行动态的控制：
　　在上述的音乐喷泉工程概述的几种工作模式下进行相互切换。

　　5、对生成的音乐文件进行在线修改：
　　可以在组态软件中直接启动Excel对音乐驱动程序分析生成的纯文本文件进行修改，修改的内容包括：分段时刻、段持续的时间和对应的水形组合码，以此来控制音乐和喷泉的配合。

　　6、用户的权限分配和安全管理：
　　为不同的操作员分配不同的操作权限，保障操作员对喷泉控制的安全性。

　　7、支持在组态软件的画面中播放动画：
　　以动态的动画完成对工业现场的模拟，增强美观效果。一般来说组态软件现在支持的动画格式分别为gif、avi等。

　　8、控制音乐的播放：
　　成熟的组态软件可以直接播放WAV格式的歌曲或音乐CD上的歌曲。实现了真正意义上的多媒体在组态软件上的使用。

　　三、软件配置：

　　软件配置为：Windowns NT 2000 + Severs Pack 6补丁程序+带web功能的组态软件+符合IEC61131开放式国际标准的PLC编程软件。

　　四、硬件配置：

　　硬件配置为：工控机或触摸屏人机界面+ PLC+带网络通讯功能的变频器。
　　注：由于音乐喷泉的各个控制机构的安置地比较分散，用户对控制的实时性
要求也比严格，所以在工程中工控机与PLC采用的是标准TCP/IP通讯协议以工业快速以太网的通讯方式来进行数据交换。

　　五、音乐喷泉控制系统简介：

　　控制系统主要由：工业控制计算机、可编程控制器、变频器、控制柜等组成。

　　※控制系统主要流程：
　　工业控制计算机作为用户终端，操作界面及控制程序安装在工业控制计算机内，控制程序传输到可编程控制器，由可编程控制器控制变频器、电磁阀和灯光的动作，由控制柜、变频器控制相应的负载动作。

　　※工业控制计算机：
　　多年来我公司一直采用工控机作为系统控制工作站，主要是因为它具有性能稳定，速度快，对环境条件适应性强，抗振和抗干扰性好等优点。

　　※可编程控制器：
　　音乐喷泉的成败最重要的是看喷出的水流是否有音乐感。可编程控制器的主要功能是对音乐信号进行处理，再将处理后的信号传输到下一级控制设备，这样就可以控制所需的水型及灯光按照音乐的节奏高低起伏做动感变化，使音乐喷泉真正达到了水上芭蕾的艺术效果。可编程控制器所具有的准确、精密、快速、稳定的特点和多点控制的功能已使它成为现代高技术音乐喷泉工程中不可缺少的设备。

　　※变频器：
　　变频器通过通讯网络实时接收PLC输出的控制信号，使水泵的转速与音乐同步变化，因而使喷出的水柱能够随着音乐的高低、节奏的快慢而起伏变换，达到了音乐喷泉特殊的艺术效果。在选择变频器时必须注意：变频器信号响应速度、启动和停止力矩、直流母线电容滤波参数、变频器单位时间内启停次数指标、电磁兼容性指标、可靠性等参数。由于现在网络通讯方式逐渐普及，所以在选用变频器时应选择具备profibus、modbus等通讯协议和功能的变频器。这种控制方式具有灵敏度高，控制效果好，使用寿命长，工作安全可靠等特点。

　　※控制柜：
　　采用喷泉专用配电和控制系统，更适合于水景操作的特点。根据控制柜的数量、分配功率和负荷性质，配电柜可以为每台控制柜分别提供供电回路。整个水景控制系统均采用GGD标准低压柜箱体，质量优良，为国家机电专业认证合格和CCC认证合格的产品。主要元器件采用进口和国内的优质可靠产品。多年来的实践表明其不仅符合国家标准，工艺考究，并具有多重保护功能，运行安全可靠。