基于PLC的音乐喷泉控制系统改造

叶春德　冯友强

【摘 要】随着城市建设的快速发展，传统的音乐喷泉，已经满足不了喷泉水型多样化的需求，由于控制系统本身的特点，运行稳定性和设备安全性相对较差。依据系统结构和控制要求，在原有的基础上对其进行PLC控制系统的升级改造。通过设备的更新、PLC控制系统的升级、以及控制界面的设计和优化，实现了控制系统的更新换代，并完成调试和投入运行。改造后的音乐喷泉，实现了系统的自动化控制，提高了系统的稳定性、安全性和可靠性。

【关键词】音乐喷泉;PLC;控制系统;系统改造

中图分类号： TP273.5 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）22-0026-003

0 引言

随着我国经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们对于周围环境美化的要求也越来越高。在城市规划和建设中，公园和休闲场所的构成也越来越多样化，音乐喷泉就是其中重要的组成部分。音乐喷泉以水、光、声、色四种要素相互融合的形式并配合城市夜景吸引众多市民和游客驻足观赏，往往成为城市旅游景观的一大亮点。新丰江音乐喷泉就是河源市的一张名片，但由于设备老旧，已经满足不了越来越多样化的控制要求，需要通过系统改造以提高系统自动化程度，运行稳定性、安全性和可靠性，同时也能够满足人们不断提高的观赏要求。

1 系统改造方案

1.1 存在问题

新丰江音乐喷泉控制系统已经投入使用较长时间，部分设备和电路老旧，如图1所示，导致运行效果不够理想。主要问题有以下几个方面。

（1）控制系统PLC采用西门子S7-200，考虑其I/O数量、扩展模块以及后续维护等原因，已经满足不了当前的控制要求，更加满足不了以后不断更新的控制要求。

（2）音乐节奏通过万能板进行控制，如图2所示。由于万能板是人工焊接的，且做工粗糙、外形裸露、存在跳线，导致控制系统运行过程中出现不稳定的现象，同时也会存在安全隐患。

（3）控制系统缺少抗干扰措施，很容易受到雷电和其他外界的干扰，导致控制电压不平稳。

（4）操作界面功能单一，无法实现程序自动运行、检测系统当前运行状态等功能;同时界面比较简单，不够美观，操作也不够方便。

1.2 硬件改造

根据原有系统存在的问题，分析当前的实际需求，在原有系统的基础上进行相应的改造升级。涉及到硬件方面的主要有：

（1）PLC更换升级。选择PLC机型首要原则是能够满足音乐喷泉控制系统的功能需求，并且考虑到往后系统的修改或者进一步改进，必须要留有一定的裕量。同时要注意PLC输出类型应与外围设备相匹配。

根据系统控制要求，划分好PLC的I/O分配，总共有42个输出端口，如表1所示。

综合考虑，将原有的PLC升级为SIMATIC S7-1200可编程控制器。该控制器的模块化是该款产品的核心，可实现简单而却高度精确的自动化任务设计，该款产品实现了模块化和紧凑型设计，功能强大全面、安全并且完全适用各种应用，可扩展性强、灵活度高的设计，可实现高标准工业通信的通信接口以及一整套强大的集成技术功能，便于使该控制器成为完整、全面的自动化解决方案的重要组成部分。因此，最终采用西门子S7-1200-1214C AC/DC/RLY机型（订货号为6ES7 214-1BG40-0XB0），并扩展4个SM1222 RLY输出扩展模块（订货号为6ES7 222-1HF30-0XB0），满足控制需求。

（2）将原有的万能板更换为音乐控制器，如图3所示。现场播放的音乐将其音频传送到音乐控制器中，根据音频信号的强弱，音乐控制器输出不同的电压信号到变频器中，从而改变变频器的运行频率，达到控制音乐喷泉高度的目的。与万能板相比，音乐控制器安装更加便利、安全性能更佳、运行更加稳定。其性能参数为：型号：LSMC;电压：AC220V。

（3）旧控制系统容易受到雷电以及其它外界干扰导致运行电压不平稳，因此在控制系统中增加一个防雷保护器与一个电源滤波器来防止干扰，以提高控制系统的抗干扰性能。設备性能参数如下：

防雷保护器：           滤波器：

型号：DZ47Y202        型号：CW4L2-20A-R

重量：0.21KG           额定电流：20A

额定电流：20KA       额定电压：250V

保护等级：三级保护 泄露电流：<0.8mA

经过改造之后，音乐喷泉控制电路在满足控制要求的基础上，布局更加紧凑、合理、美观，安全性也进一步得到保障，运行的稳定性和可靠性也将会大大提高。改造后的控制电路如图4所示。

1.3 软件改造

1.3.1 控制界面设计与编程

利用C#语言编写音乐喷泉控制界面，如图5所示。

所实现的功能，主要包括以下几个部分：

1）通过IP地址和端口号与服务器（PLC）建立连接。

2）选择参与工作的变频器。

3）选择参与工作的喷头，形成不同的组合，构成音乐喷泉各种花样。

4）能添加或插入花样组合，并能够设置每个花样的工作时间。

5）能监控到目前运行的步，执行总时间和剩余时间。

6）添加花样组合后，能实现程序按组合顺序自动运行功能。

7）可保存常用设置到文件中。

C#通讯端口编程如下：

//添加引用

using System.Net;

using System.Net.Sockets;

#region 全局变量

Socket client;//客户端

#endregion

//创建客户端连接实例化

client=new Socket（AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp）;

IPAddress ipaddress=PAddress.Parse（textBoxIP.Text.Trim（））;//获取Ip地址

IPEndPoint（ipaddress，Convert.ToInt16（textBoxport.Text.Trim（）））;//获取端口号

client.Connect（ipaddress，Convert.ToInt16（textBoxport.Text.Trim（）））;//连接服务器

1.3.2 PLC程序设计

控制界面的设置传送到PLC中，控制PLC的输出，使得喷泉按照预期的花样顺序运行。因此，PLC的程序设计要考虑到控制界面传送过来的输入信号。

2 调试与运行

经过音乐喷泉控制界面与PLC多次连接测试成功，且PLC输出正常的前提下，可以把PLC与现场设备进行连接。现场调试前要需要全面检查整个音乐喷泉控制系统，包括电源、设备连接线，I/O连接线、接地线等，保证整个硬件连接正确无误的情况下方可送电。在调试和运行过程中发现并解决如下问题：

1）调试过程中由于使用了超过断路器额定电流的电气元件而导致了过载跳闸，更换匹配的断路器并且增加了电抗器来抑制諧波保护电容器和滤波。

2）前期测试阶段由于I/O点和机械设备没有准确匹配上、添加花样组合没有达到预期效果等，对电气设备的接线进行检查和修正，对C#编程代码进行修改，最终达到预期效果。

3）后期正常运行阶段中烧坏了变频器的整流模块，最后研究得出原因是断开或者闭合接触器时变频器没有处于0HZ不运行状态，因而产生了反向电动势烧坏了变频器整流模块。

调试工作需要耐心进行，只要没有达到预期效果，则需要反复调试，发现问题现场解决，如果系统调试达不到指标要求，则可对硬件或者软件做出相应调整，通常只需修改用户程序即可达到调整目的。

经过反复调试后，改造后的音乐喷泉实现了系统控制要求，主要有以下几个方面。

1）成功通过 C#语言编写的控制界面来控制SIMATIC S7-1200信号的输入及输出。

2）SIMATIC S7-1200准确控制变频器、接（下转第23页）（上接第28页）触器以及中间继电器等设备的动作。

3）成功运用音频转换器和变频器之间的信号转换。

4）成功通过控制界面控制喷泉的花样水型组合，结合音乐播放的节奏控制喷泉水柱的高度及始停。

当系统正常运行一段时间后，可将程序固定下来存储到PLC中，并做好备份。最后对系统改造的所有技术资料，包括图纸、电气原理图、梯形图、C#程序等进行整理和归档。

3 结束语

本文主要介绍了音乐喷泉PLC控制系统改造，通过PLC的升级、音乐控制器的更换以及控制界面的设计和优化，使得整个控制系统布局合理、线路简化，电气故障减少，维护成本得以降低，系统安全性、工作稳定性、可靠性得到明显提高。从城市建设的实际情况考虑，对一些传统老旧的音乐喷泉进行改造是有必要的，从经济和技术角度考虑也是可行的。新丰江音乐喷泉实践证明，对传统老旧的喷泉进行PLC控制系统改造是一种行之有效的方法，具有较强的实际应用价值。

【参考文献】

[1]詹文彬.用PLC改造旧式机床电气控制系统的一般方法[J].机电工程技术，2009，38（2）：81-83.

[2]吕栋腾，孙永芳.普通卧式车床电气控制系统的PLC改造[J].科技信息，2011（7）：89-89.

[3]王德吉.西门子PLC控制技术[M].机械工业出版社，2014.