基于PLC与MCGS的音乐喷泉控制系统设计研究与探索

宋 珂，罗 婕，郑志军

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州510640）

在工程训练教学过程中，传统的工业控制实验教学以PLC 技术为主，实验设备存在易损坏，难维修，兼容性不强，实验内容和方法单一，自主开放程度不高等问题[1]。随着PLC 向着规模化、高性能、多功能、模块智能化、网络化和标准化方向发展[2]，对高校实验教学环节提出更高的要求，采用探索性项目教学法，以课程模块为单元，以PLC 项目为主线，以任务的形式，组织学生以小组为单位学习[3]，提出一种基于PLC 和MCGS 的音乐喷泉控制系统设计方法，设计PLC 程序和MCGS 组态程序，用稳定性较高和可编程性强的PLC 控制器代替传统音乐喷泉的单片机控制系统，用触摸屏上位机可视化和形象性代替机械的按钮，提高学生解决问题和动手的能力，同时降低对实训设备的依赖程度，提高训练效率，减少器材损耗，降低实训成本[4]。

1 音乐喷泉的硬件设计

相比传统的控制系统，PLC 控制技术具有可编程和通信等功能，可对整体系统进行控制，从而实现音乐喷泉系统的喷水、灯光等方式的变化，具有很强的观赏性；同时，音乐喷泉在运转时会出现电压变化频繁，对传输信号造成干扰，容易引发故障，PLC 技术可以有效地进行上、下位机控制，避免发生干扰问题[5]。但具有一定的局限性，比如没有良好的用户界面作为监控系统，无法形象的显示控制对象的实时动态等，MCGS 组态软件很好的解决了这个问题。

MCGS（monitor and control generated system）组态软件是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的，用于快速构造和生成计算机监控系统的专业软件，它能够在基于Microsoft 的各种Windows平台上运行，通过对现场数据采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等各种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有广泛的使用。MCGS 建立的工程主要由主控窗口、设备窗口、 用户窗口、 实时数据库和运行策略等5大部分组成，如图1 所示，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特征[6]。

图1 MCGS 组态软件结构图Fig.1 MCGS configuration software structure diagram

运用上位机触摸屏与下位机PLC 各自的功能特点，来完成对音乐喷泉的启动、停止，单步/连续，音乐选择，彩灯信号的采集、监控，通讯、上位、组态与显示，同时借助与下位机PLC 之间的通信传输通过音乐控制器，通过现场音乐音频传送到音乐控制器中，根据信号强弱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，达到控制喷泉高度的目的[7]。音乐喷泉控制系统硬件设计如图2 所示。

图2 音乐喷泉控制系统硬件设计Fig.2 Sketch of hardware design of music fountain control system

2 音乐喷泉控制系统程序设计

2.1 控制要求

本设计方案为PLC实验教学中的探索性实验项目，为了提高项目的可行性，立足于新工科理念，将乐理知识与PLC 控制知识相结合。将音乐喷泉的控制方式分为两种方式：一是音乐控制，当音乐启动时，会将信号通过音乐控制器进行转换，再传输到变频器中，改变水泵的频率，使其随着音乐节奏进行控制；二是程序控制，通过PLC 程序编辑好彩灯的变化，当程序启动时，按照事先设计好的程序运行，对音乐喷泉进行循环控制。第一种控制方式实际上是依靠音乐控制器的转换，涉及到的编程内容比较简单，本研究只研究彩灯与音乐的节拍配合进行编程的方法，以及用MCGS 软件进行组态设计，模拟音乐喷泉彩灯循环点亮过程。要求用GX developer 软件设计PLC 程序，用MCGS 软件设计组态界面，应用PLC 学习机作为下位机，MCGS 组态软件模拟运行调试PLC 程序，如图3 所示。

图3 PLC 学习机Fig.3 PLC learning machine

1）MCGS 组态界面设计启动按钮、停止按钮、音乐选择按钮、单步/连续按钮。按照YL-PC 铁塔之光模块进行彩灯位置颜色设计，如图4 所示，自行设计彩灯循环顺序循环点亮，每个状态停留时间由音乐简谱换算节拍时间确定。

图4 YL-PC 铁塔之光模块Fig.4 Optical module of YL-PC tower

2）设计单步/连续按钮，当单步时，小灯闪烁只运行一个循环；当连续时，小灯闪烁循环运行。当按下停止按钮，小灯闪烁停止工作，所有存储器复位。

3）针对小星星、祝你生日快乐、新年好的音乐简谱，换算出时长信息，编写3 个歌曲的PLC 程序。

4）应用PLC 学习机调试组态界面和PLC 程序，最终在实验箱上进行硬件连接并实验。

2.2 硬件设计

2.2.1 输入/输出端子设计

输入端子：启动、停止、音乐选择按钮，单步/连续按钮均用人机界面组态按钮实现，不占用输入端子。

输出端子：一共9 个指示灯占用9 个输出端子。

2.2.2 输入/输出端子分配

输入和输出端子分配如表1 和表2 所示。输入端在触摸屏上设置为触摸键，输出端采用PLC 学习机指示灯。

表1 输入端子分配Tab.1 Input terminal assignment

表2 输出端子分配Tab.2 Output terminal allocation

2.2.3 硬件连接

硬件连接如图5 所示。

图5 硬件连接Fig.5 Hardware connection diagram

2.3 人机界面设计

利用MCGS 组态软件设计PLC 仿真实验教学系统是借助于计算机的屏幕来观察控制的过程和结果，连接硬件则可以监视硬件的工作状态，为了达到用触摸屏操作画面实时监控PLC 运行的目的，必须将操作画面中的图形对象和PLC 中编程软件联系起来[8-9]。

界面设计步骤如下：

1）新建工程。选择TPC1061Ti 触摸屏类型，确定后进入组态设计画面，如图6 所示。

图6 TPC 类型选择Fig.6 TPC type selection

2）设备组态。点击通用串口父设备，如图7 所示，按照图7 进行设置，串口端口号根据PLC 学习机插入电脑后，右击我的电脑-设备管理器-端口设置。添加设备0-三菱FX 系列编程口，属性设置以及通道连接变量，如图8 所示，其中CPU 类型选择FX2NCPU。

图7 通用串口父设置Fig.7 Universal serial port parent settings

图8 连接变量设置Fig.8 Connection variable settings

3）界面绘制。点击用户窗口新建1 个窗口，如图9 所示。

图9 创建用户窗口Fig.9 Create user window

界面绘制如图10 所示，其中所有按钮按照表1进行设置，如启动按钮，设置抬起清0，按下置1，连接设备0_读写M0000，其他按钮同理。按照YL-PC铁塔之光模块画出彩灯位置，设置颜色，连接输出变量Y0~Y10，彩灯属性设置如图11 所示。

图10 界面绘制Fig.10 Interface drawing

图11 彩灯属性设置Fig.11 Color light attribute setting

2.4 PLC 程序设计

传统的音乐喷泉中彩灯的循环点亮节奏是根据音乐节奏转换的，转换方式是音频信号通过音乐控制器将电流信号转换为数字信号，再通过PLC 技术进行滤波等处理，形成直流电压信号，传输给彩灯[5]。但这种控制模式无法锻炼学生的编程能力，本项目立足于新工科理念，将乐理知识与PLC 控制知识相结合，让学生学会自己将音乐简谱与时长转换，编写PLC 程序，锻炼编程能力的同时，也培养了音乐知识，丰富了学习内容，提高了学习兴趣。

音乐简谱与时长转换如表3 所示，通过时长的换算，编写PLC 程序，达到彩灯循环点亮和音乐节奏同步的目的，下面以小星星为例展示编程方法。

表3 音乐简谱与时长转换Tab.3 Music notation and duration conversion

小星星音乐简谱如图12 所示，根据简谱特征，将控制要求简化为：

图12 小星星简谱Fig.12 Notation for little stars

1）当按下启动按钮，选择单步，选择小星星时，彩灯间隔0.4 s 依次点亮，输出Y0～Y6；

2）当Y6 点亮维持0.8 s，重复下一轮循环，重复6 次时，停止；

3）当选择连续，选择小星星时，彩灯间隔0.4 s依次点亮，输出Y0～Y6，重复循环，直到按下停止按钮。

应用时序图的方法编程，根据要求，绘制时序图，如图13 所示。编写PLC 程序，将程序拆分成主程序和小星星程序，如图14 和图15 所示。

图13 时序图Fig.13 Timing diagram

图14 主程序Fig.14 Main program

图15 小星星程序Fig.15 Little star program

编写后连接PLC 学习机，在GX Developer 软件传输设置，如图16 所示，点击在线-PLC 写入-勾选main，执行，然后PLC 重新上电。将程序导入PLC学习机中，在MCGS 软件中选择进入运行环境-模拟运行，下载程序，按下启动按钮进行模拟，根据MCGS 运行情况实时修改PLC 程序，直观显示，方便调试，调试过程如图17 所示。

图16 PLC 传输设置Fig.16 PLC transmission settings

图17 程序调试Fig.17 Program debugging

通过PLC 学习机配合MCGS 软件进行PLC 程序调试，调试成功后在试验台上进行硬件连接，锻炼学生接线能力的同时，增强了学生学习的兴趣和自信，硬件连接如图18 所示。

图18 硬件连接Fig.18 Hardware connection

3 结语

基于PLC 和MCGS 的音乐喷泉控制系统设计研究与探索提供了一种新的探索性实验项目方法，将较复杂的工程问题简化为简单的彩灯循环问题，应用基于MCGS 的PLC 程序设计方法，即应用PLC学习机和MCGS 软件联动，实时监测组态界面状态，实时修改PLC 程序，增强了编程的可视化，提高了编程的效率和正确性。后续研究主要完成音乐控制器转换信号控制变频器，完善音乐喷泉控制系统。

总结本系统的创新性有：传统的音乐喷泉都是用单片机进行控制的，程序固化，不可改变，抗干扰能力差，本系统应用PLC 作为核心控制器，锻炼学生自主编程的能力。配合实验箱自主进行硬件连接练习，理论与实践相结合，提高学习的积极性和创造性； 本系统设置编程过程与音乐知识相结合，立足于新工科理念，学生在编程的同时学习音乐时值与时长的关系，掌握彩灯节拍的编写方式，掌握时序图的应用，对以后其他相似工程问题的程序编写有借鉴作用；上位机MCGS 触摸屏控制系统：MCGS嵌入版负责驱动外部电子元器件，通过设备与数据之间的通道，把电子元器件的运行数据采集进来，送入实时数据库，供系统其它器件调用，并且把实时数据库中的数据输出到外部设备触摸屏，实现对音乐喷泉的操作与控制。