PLC 在音乐喷泉控制系统中的应用

PLC 在音乐喷泉控制系统中的应用

为了改进音乐喷泉的效果 , 采用 PLC 多点控制系统代替大量的继电器线路 , 通过PLC 对音乐喷泉控制系统的 SSR 、彩灯、射灯、水泵的多点控制 , 编写一些程序和简单的连接实现大量的开关量按照逻辑条件进行顺利动作和进行连锁保护动作的控制。结果表明 ,PLC 的应用不仅能够进行多种水型切换 , 而且能控制喷泉随音乐上下起伏 , 同时花式更改方便 ,SFC 编程设计思路清晰。

PLC; 音乐喷泉 ; 控制系统 ; SFC; SSR

人类社会的发展 , 加强了对生存环境的要求。在很多地方都可见到人工音乐喷泉 , 它集光、色、音于一身 , 给人以美感。喷泉的控制系统可采用单片机 , 可编程序控制器 PLC , 甚至可采用工控机作控制核心。传统的喷泉控制一旦设计好控制电路 , 就不能随意改变喷水花样及喷水时间。

若采用 PLC 控制 , 利用 PLC 体积小、功能强、可靠性高 , 且具有较大的灵活性和可扩展性的特点 , 通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关 , 就可以改变花式喷泉的喷水规律 , 从而不需要改变硬件就可变换出各式花样 , 适合应用于大型广场或景区的喷泉中。

1 　喷泉设计概况

1. 1 　喷头的布置

在 20 m 直径的园内做旱地式喷泉。中心为一搀气喷的喷柱 , 喷 8 m , 类似雪松 , 标号 P1 ; 第二圈向外斜喷 , 喷高 4 m , 标号 P2 ; 三至五圈是喷柱足够粗的万向直喷 , 标号分别为 P3 ,P4 ,P5 ; 第六圈由礼花喷和向内斜喷组成 , 标号 P6 。它们都受控制且可配合音乐进行喷射。

二至五圈共 176 个喷头 , 每个喷头安装电磁阀由 PLC 控制其开闭以达到喷射花样繁多的目的 ; 第一和第六圈不安装电磁阀直接控制电机的运转来实现喷射花样的变化。

1. 2 　水下彩灯的布置

使用 L ED 灯(50粒) ,双重防水。每个喷头下安装 2 个 , 中心喷安装 8 个。共 632 盏 ; 每盏都受控于PLC , 可根据花样的喷射要求而亮灭。

1. 3 　水泵的布置

该系统共安装 16 台水泵。其中第一圈 1 台 , 功率为 3 kW; 第二圈、第三圈各 2 台 , 每台 2. 2 kW; 第四圈2 台 , 每台 3 kW; 第五圈 3 台 , 每台 2. 2 kW; 第六圈 5 台 , 每台 2. 2 kW; 排污泵 1 台 ,5. 6 kW 。水泵布置见图1 所示。

1. 4 　水形花样

喷泉的喷射效果则取决于控制器设置的水形花样和艺术性 , 这部分是喷泉美感成功的关键 [2] 。使用PLC 进行花样控制非常简单容易 , 以后如果想改变、增加喷泉的水形 , 也不需要改变硬件 , 只要改变 PLC 编

图 1 　水泵安装位置图

程程序就可实现。

该花式喷泉有 6 种喷水花样可供选择。

　时空隧道 S23

第三圈、第五圈交替喷 , 第一圈保持。 ( 第三圈所有电磁阀、电机打开保持 0. 8s 后第五圈所有电磁阀、电机打开保持 0. 8 s , 交替喷 ; 其间第一圈一直处于喷射状态 ,15 s 后停止 ) 。然后三至五圈交替喷后同时喷。 ( 第三圈先喷 ;5 s 后第四圈喷 , 第三圈电机停 ; 保持 5 s 后第五圈喷第四圈电机停 ;5 s 后三至五圈同时喷保持 30 s; 第一圈一直处于喷射状态 ) 。最后重复上述动作两次。

二至五圈单个喷 S30

跑泉 : 两个喷头为一组喷射 , 从第二圈前两个开始依次打开 , 每新开一组关闭前一组 , 到第九组时同时再开第一组 , 两组以间隔八组的距离同开同关 , 形成前后浪结构 , 到第五圈最后两个结束 , 再反向从第五圈最后一组开始 , 到第二圈结束。当有新一圈喷头打开时 , 新一圈的电机同时打开 , 当某一圈所有的喷头关闭时 , 该圈电机关闭。

三至五圈组喷且最后全喷 S31

第一段 4 个喷头为一组 , 从第三圈前 4 个开始依次打开 , 每新开一组关闭前一组到第五圈最后 4 个结束 , 每一组工作 0. 2 s , 如此循环。第二段三至五圈所有电机和电磁阀同时打开喷射 , 同时关闭 , 直喷。

第六圈抖动和第一圈直喷 S32

第一圈和第六圈电机同时开 , 第一圈、第六圈分别抖动 , 第一圈水柱产生竹节 , 第六圈产生隧道。

雷达扫描 S33

第一段位于同一径向位置上的三至五圈喷头从各圈首个依次同时打开并保持 , 直到所有喷头全部打开后再从首个依次关闭 , 直到全部关闭 ; 第二段位于同一径向位置上的三至五圈电磁阀从每圈首个依次同时打开并保持 , 直到一半喷头打开后再从首个依次关闭 ; 此花样喷射效果类似于雷达屏幕的扫描。

第二、三、五圈对跑 S34

第一段第一圈抖动 , 第二、五圈对跑。第一圈电机打开并产生抖动花样 , 第二圈喷头从第一个开始按逆时针依次打开 , 每个保持 0. 1 s , 到第二圈最后再反向从第二圈最后一个开始按顺时针依次打开 , 同时第五圈按顺时针依次打开 , 每个保持 0. 1 s 。最后 , 同时打开第二圈和第五圈电磁阀 , 保持 3. 2 s 后关闭。第二段第三圈电磁阀从第一个开始按顺时针依次打开 , 每个保持 0. 1 s , 再反向从第三圈最后一个开始 , 到第三圈结束。最后同时打开第三圈电磁阀。

花样结构的剖析见表 1 所示。

表 1 　关于花样结构的剖析

序 　号 花样名称

程序分段

第一段 第二段 第三段 第四段

1 三至五圈交替 　　三、五圈交替 　　　　三至五圈交替 　　　　三至五圈全喷

2 二至五圈单个喷 　　单个喷、前后浪

3 三至五圈逐组喷 　　逐组喷 　　　　全喷

4 第六圈抖动、第一圈直喷 　　抖动、直喷

5 雷达扫描 　　全圈喷 　　　　停留 　　　　半圈喷 停留

6 第二、三、五圈对跑 　　第一圈抖动、第二、五圈对跑 　　　　第三圈单喷

图 2 　 PLC 输入输出分配

2 　 PLC 控制系统设计方案

PLC 控制设备实施对喷泉的控制有 3 种方式:

音控 音乐模块采集到音乐的节奏信号后转换为开关信号作为 PLC 的第四号输入点 (X004) 的输入信号 , PLC 按程序运行 , 输出控制电机和喷头开闭。

手控 当开关选择为手控时 , 控制柜面板上控制各路水泵及各圈彩灯的按钮开关可起作用 , 每个按钮都是 PLC 的一个输入点 , 可单独控制每一圈的水泵起停及每一圈彩灯的亮灭 ; 另外 , 面板上还有三个特色花样的按钮 , 分别是时空隧道、第六圈抖动和交替抖动 , 当按下其中一个时 , 喷泉按照该特色花样运行。

程控 　选择开关打至程控时 , 喷泉按照 PLC 内已存的花样循环运行。

2. 1 　控制电路的硬件设计

2. 1. 1 　 PLC 输入输出分配

本控制系统采用日本三菱公司 PLC 的FX 2N 2 48 MR 2 0011 台 , 扩展单元 : 三菱 FX2N 2 48 ER 1 台 , 扩展模块 : 三菱 FX 2N 2 16EYR 9 块 , 共计 188 个输出点。喷泉控制系统 PLC 输入输出分配图

如图 2 所示。

2. 1. 2 　 PLC 控制回路

音乐喷泉需要用到水泵、电磁阀、彩灯等器件 ,PLC 按照程序对这些器件进行控制 , 以实现音乐喷泉不同的花样和程控、音控、手控之间的转换。其 PLC 多点控制回路见图 3 所示。

图 3 　 PLC 多点控制回路

采用可编程序控制器 PLC 控制 , 通过程序软件 , 发出控制指令信号 , 以控制相应的“固态继电器” , 进而使电磁阀、彩灯、射灯、水泵按照预先编制好的花样来动作 , 以达到喷泉控制的要求。 PLC 对喷泉的控制图见图 4 ～图 7 所示。

图 4 　各电磁阀具体连接

图 5 　彩灯和射灯具体连接

图 6 　第二至五圈水泵具体连接

图 7 　第一和第六圈水泵具体连接

图 8 　花式喷泉 3 种控制 SFC 图

2. 2 　控制电路的软件设计

采用 SFC( 顺序功能图 ) 的编程方法设计控制程序。 SFC编程方法与传统设计法相比 , 可以让编程者每次只考虑一个状态 , 而不用考虑其它的状态 , 使编程更容易 , 尤其适合工序步进顺控类型的控制程序的设计。由于该花式喷泉有 3 种工作方式可供选择 , 在设计 SFC 图时 , 采用 SFC 中的选择分支

来实现 , 即每一分支对应一种工作方式 [1] 。 SFC 图见图 8 和图 9 所示。

图 9 　音乐喷泉手控 SFC 图

采用 PLC 控制音乐喷泉 , 实现了 3 种方式控制喷水 , 因而使整个控制系统具有更大的灵活性。用 PLC来控制喷泉控制系统 , 有效的解决单片机控制的不稳定性 , 提高了系统运行的可靠性 , 同时 ,SFC 编程方法与传统设计法相比 , 让编程者每次只考虑一个状态 , 而不用考虑其它的状态 , 使编程更容易。 PLC 的定时功 能 , 计数功能 , 步进功能 , 可灵活地编写、增减和修改程序。而且 , PLC 还具有很强的自诊断功能 , 迅速方便的检查判断出故障 , 缩短检修时间 , 也不需要很多配套的外围设备和大量复杂的接线 , 因而大大缩短设计、施工和投产周期。