噴泉在城市景觀建設中日益占有重要地位,音樂噴泉尤其如此。而要想取得引人駐步的效果,必須有的控制技術及高可靠的工作性能。本文研討這一問題。

一、音樂噴泉的控制技術

1.1音樂噴泉的定義

音樂噴泉是把現代控制技術應用于人工噴泉,通過現代控制技術把噴泉和音樂緊密結合而生成的一種新的噴泉藝術形式。在這種藝術形式中,音樂和噴泉以各自*的形式相互配合,共同表現相同的藝術內涵,它們的關系應該近似于音樂和舞蹈的關系、音樂和電影的關系,因此有以下關于音樂噴泉的定義:

定義:噴泉的動作和與之同時播放的樂曲之間存在內在聯系的噴泉是音樂噴泉。

這個定義被人們普遍認同,但是滿足這個定義的噴泉在效果方面有著很大的差別,其區別在于音樂噴泉功能的完備性,效果差別的原因是基本功能的差別。一個好的音樂噴泉應該具備以下基本功能:

1)音樂控制的功能:噴泉的噴水高度受音樂振幅的影響。2)音樂關聯的功能:可以使噴泉的水型變化和音樂的段落、節奏相一致。3)時延補償功能:噴泉、音響、燈光等所有設備的動作協調一致,噴泉動作滯后樂曲的問題得到補償。4)節目的后制作功能:為噴泉的設計、調試、編輯、播放提供開放的操作機制,節目的制作主要不應在噴泉工程完成之前由工程承建方的計算機工程師完成,而是在工程完成之后,讓用戶通過專業的軟件工具完成。這兩種方法可以分別叫做噴泉節目的前制作和噴泉節目的后制作。

這些功能中,后制作機制是重要的。對于保證噴泉節目的質量、實用性、適用性有關鍵性作用,它是人本精神的體現,是噴泉控制技術實質性的進步,其結果是:

1)噴泉節目的曲目和數量不再受到限制。2)噴泉節目的制作由噴泉建造完成之前的閉門造車,變為噴泉完成之后的現場設計。3)噴泉節目的制作的主動權由噴泉工程的項目承建方變為噴泉項目的運營方。4)噴泉節目的制作人由未必懂得多少藝術的計算機工程師變為可能完成不懂得計算機編程語言但是更加懂得藝術的設計家、藝術家。

1.2噴泉的控制技術

可控人工噴泉的基本控制方法主要有兩種:1)通過電磁閥對水路進行開關控制,這一方法可用于切換不同的水型,也可用于生成跑動、跳躍的效果。2)通過變頻調速器對水泵的流量進行控制,這一方法可以連續改變噴水高度,跟蹤音樂信號的動態變化,也可人為制造出各種動態效果。

基本的控制技術有三種:

1)模擬控制模擬控制的典型應用是音控噴泉:把聲音信號做積分處理,積分的結果與適當的閾值相比較,讓比較結果控制閥門的啟閉,這就是音控噴泉的基本技術。如果使用的閾值有多個,各個比較結果開啟不同的閥門,這就是高級音控噴泉了。如果讓積分后的聲音信號去控制變頻調速器,從而對水流量進行控制,積分用的聲間又是音樂信號,這就是“音樂控制的噴泉”了。一般的人們認為這就是音樂噴泉的基本模式。

2)程度控制程序控制技術的典型應用自然是程控噴泉,這類噴泉幾乎都是用工業PL C(程序控制器)做控制器。在控制程序的作用下,一座噴泉會有多種基本水型,它們按照時序周期順序出現。移動、跳躍、繼續、交替等受到用戶歡迎的噴泉效果,都是在程控噴泉中應用的。程控噴泉擁有廣泛的用戶。如果在設計程控噴泉時,把噴泉的各種變化過程和一支樂曲的起停、段落、節奏相關聯,就出現了“音樂關聯的噴泉”了,能把程控噴泉做到這樣的水平是件不容易的事。

3)計算機控制的噴泉控制方式當然是計算機控制了。計算機可以輕易完成模擬控制和程序控制所實現的所有功能,還可以實現它們不易實現的和不可能實現的許多功能。計算機控制是噴泉控制技術的發展方向,比如音樂噴泉中遇到的以下技術問題,不依靠計算機就很難解決:

音樂信號振幅控制噴水高度時,噴泉的動作會比音樂信號滯后0—2秒,重力加速度的作用,導致滯后量是噴水高度的二次函數,是隨機變量,實現音水同步成為許多音樂噴泉系統的核心技術。

由于PL C的梯形圖語言的局限性,對復雜些程控噴泉進行編程已經力不從心,而對比程控噴泉復雜得多的音樂噴泉,更加無能為力。

高標準的音樂噴泉節目設計需要音樂舞蹈專業的人員來做,追求變化用戶希望自己也能制作噴泉節目。做到這一點必須開發專門的編輯輕軟件工具。

1.3音樂噴泉的控制技術

根據采用技術的不同,音樂噴泉可以分成多種類別:

1)音樂啟動噴泉把音響設備和程控噴泉安裝在同一個現場,每播放一首樂曲的時候就自動打開噴泉,曲目結束時關閉噴泉。根據定義,這種只存在外部的起停關聯,一不存在內在聯系的噴泉不是音樂噴泉。

2)音樂控制的噴泉這種噴泉通常采用模擬技術對音樂信號進行處理,用變頻調速器做執行部件。這種噴泉控制電路簡單,控制效果明顯。常見的問題是動態范圍小,有時噴水高度過小,有時噴水高度又會鎖定在值。同時噴水動作滯后于聲音等也是常見問題。

3)與音樂關聯的噴泉由程控噴泉發展而來的音樂控制的噴泉,這種噴泉通常要用到PL C或者計算機。在理論上PL C控制方式下,音樂和噴泉可以有良好的關聯性,但是節目制作過程很困難,所以只能向用戶提供很少的噴泉節目,而且水型和音樂的關系經常不是很好。計算機控制方式可以看作PL C方式的改進型,它改進了系統開發商的開發環境,可是從用戶角度看,由于沒有合適的節目制作工具,也就沒有實質性的改進,存在的問題和PL C方式相似。以上是較常見的幾種典型的功能不完備型音樂噴泉。隨著用戶走向成熟,功能不完備型音樂噴泉正在被市場淘汰。

4)完備型音樂噴泉它必須同時具備以下4項機制:音樂對噴泉的控制的機制。音樂和噴泉的關聯機制。反應速度不同的設備之間的延時量補償機制。噴泉節目的后制作機制。

二、現場總線技術的應用

現場總線是現代控制技術發展的熱點之一,是電子、儀器儀表、計算機技術和網絡技術發展的結晶。現場總線是用于現場設備、儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、多變量、多點、多站的通信系統,按ISO的OSI標準提供了網絡服務,可靠性高,穩定性好,抗力強,通訊速率快,造價低,維護成本低。

2.1現場總線的特點

（1）一對N結構：現場總線是一對傳輸線,可接N臺設備、儀表,雙向傳輸多個數字信號,如圖1所示。它比模擬設備、儀表一對一接線、單向傳一個信號結構接線簡單,安裝費用低,維護方便。

（2）可靠性高：控制單元的功能塊分散到現場設備、儀表中,由現場設備、儀表構成控制回路,危險分散,提高了系統可靠性。現場總線是數字信號傳輸,抗干擾強、精度高。

（3）可互換性：來自不同廠家的現場設備、儀表在功能上可用同一功能的同類設備、儀表互換,不同牌子設備、儀表可以互連在一個網絡上。

（4）可互操作性：雖然,連在現場總線上的現場設備、儀表的生產廠家不同、牌子不同,但由于現場總線設備、儀表引入功能塊,所有廠家都使用相同的功能塊。因此,組態方法是統一的,可互操作。

（5）開放式互聯網絡：現場總線是開放式互聯網絡,可與同層網絡、不同層網絡、不同生產廠家網絡互連。網絡上數據庫共享。不同廠家網絡和儀表可組成一個開放的現場總線控制系統。

2.2現場總線在噴泉控制系統中的應用

對于噴泉控制領域,采用現場總線的是可大大節約連接導線、維護和安裝費用。同時,現場總線能夠傳送多個過程變量。傳統的4mA-20mA控制回路一般只能攜帶一個信號,通常為過程變量。而采用現場總線后,在傳輸變量過程的同時,設備、儀表的標識符和簡單的診斷信息也可一并傳送。數字信號的精確性是現場總線的又一個優點,數字信號比4mA-20mA模擬信號分辨率高,因此,可以排除過去在模/數轉換中所產生的誤差。遠程維護在采用數字通信和現場智能設備、儀表后也將成為可能。由于現場總線是雙向的,因此能夠從中心控制室對現場智能儀表進行標定、調整及運行診斷,甚至能夠在故障發生前進行預測,一個更為重要的方面是儀表的兼容性可以使用戶大大收益。

由于上述優點,筆者在開發的噴泉控制系統中采用了現場總線技術。對射燈、噴水閥的控制采用了如圖2方案,即PC機通過232/485—485/232控制PL C,再由PL C經過固體繼電器控制燈、閥。

對水泵變頻器的控制采用了如圖3方案,即PC機通過232/485—485控制變頻器再由變頻器控制水泵。

從控制系統的實際效果看,該系統的施工簡便,可靠性和維性高,受到用戶好評。

三、噴泉控制技術的未來展望

在功能方面:會出現一些具有完備音樂噴泉的全部特征,同時具有特別突出的其他特征的噴泉。比如要求對音樂信號進行精細的頻譜分析;要求包含一些互動功能,要求工程的規模巨大等等。在低端會出現一些小型廉價的家用音樂噴泉。在控制方法上:系統中依靠PC機的系統會繼續發展,在低端脫離PC機的系統會發明出來,使音樂噴泉早日走入家庭,大型系統中閉環控制系統將會大量應用。

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