花式喷泉的plc控制设计童卫龙33号

I福建电力职业技术学院课 程 设 计课程名称： 电气控制与可编程控制器 题目： 花式喷水池的 PLC 控制 专业班次： 09（三）建筑电气 姓 名： 童卫龙 学 号： 2009028013132（33 号） 指导教师： 苏两河 学 期： 2010-2011 学年 第二学期 日 期： 2011.6 IIIIIFancy fountain PLC Control目 录第 1 章 绪 论 11.1 喷泉的发展 .11.1.1 我国喷泉的发展 11.1.2 喷泉的应用状况 11.1.3 现代喷泉重出现的问题 21.2 喷泉的种类 .31.3 喷泉中的一些新技术 .31.4 设计的主要研究内容及安排 .3第 2 章 方案分析 52.1 主控制器方案分析 .52.2 主控制器方案的选择 .62.3 喷泉控制方案分析 .62.4 喷泉控制方案的选择 .72.5 喷泉的控制要求 .7第 3 章 花式喷泉的硬件设计 93.1 硬件的选择 .93.1.1PLC 的选择方案 .93.1.2 水泵的选择方案 93.1.3 喷头的选择方案 .103.2 控制面板 10第 4 章 系统的软件设计 .124.1 花式喷泉的 PLC 控制流程图 124.2I/O 模块的选择 .124.3 花式喷泉的 I/O 分配 134.4PLC 的 I/O 地址分配简介 134.5 软件的选用 134.6 系统主程序 144.7 系统程序的可行性 154.8 接线图49 状态转移图 .1718参考文献1第 1 章 绪 论1.1 喷泉的发展1.1.1 我国喷泉的发展国内在二十世纪八十年代以前，喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细节，从设计到产品制作，工程安装都没有形成规模。只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的。二十世纪八十年以后，随着国民经济的恢复和发展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造的过程中，以及环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了求新的要求，一部分建筑、园林、水利的设计院、研究所及大专院校，综合了土建结构、给排水、机电控制等传统的专业技术，加上当时先进的单片机，通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出一批喷泉、水景。得到了良好的社会反映和社会效益。在这个时期，一些喷泉设备专业加工厂和公司开始组建、发展，为喷泉的专业化发展提供了力量，打下了基础。二十世纪九十年代以后，社会主义市场经济快速发展，全国城市建设速度加快，人们也追求高质量的文化生活和环境美。市场的需求推动了喷泉行业的发展。喷泉走出公园、园林的围墙和广场的中心，深入延伸到人们的各个社会活动场所。许多喷泉专业的生产厂商和专业公司，在这段时间内应运而生，迅速发展起来。专业技术人员把计算机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中，把喷泉行业的技术水平推上了一个新的层面，开拓了广阔的应用空间，喷泉行业得到了快速发展。2001 年中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会成立了水景喷泉专业委员会，行业组织为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、公司提供服务，促进喷泉行业健康有序地发展。一些大学和中专的建筑、园林专业也开设了水景、喷泉课程，为喷泉行业的今后发展提供了知识储备。喷泉行业的发展进入到一个新的阶段。1.1.2 喷泉的应用状况人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，开拓了喷泉的应用范围。我们可以看到：适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取，凝聚向上的感受。在商业广场、购物中心以及一些景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水表演” ，2既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈” ，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。河、湖自然水面上喷水高度超过百米的高水柱喷泉，其雄伟、壮观的水造型往往成为这个城市或旅游景点的特征之一。喷泉进入了住宅小区，多与建筑小品和雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足的形式。松弛、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受。商场内、酒楼里的喷泉小巧、别致，既调节了室内小气候，又增添了画意。依托大型建筑物和自然地形建成的人工瀑布及溢水造景给人们以清新和另有韵味的感受。喷泉在电视转播厅和大型歌舞上频频出现，调谐得当的水形烘托着演出的效果。精巧的微型喷泉进入了办公室和居室，给室内增添了动态的装饰。喷泉是艺术和技术的结合物，建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计、创作中。不少成功的作品都注意喷泉的设计风格与周边的环境、建筑物风格的协调一致，注意当地人文、文化心理，所以好的方案设计是至关重要的，它是成功的起点。在喷泉方案的制作上，短短的几年时间就从手工制图发展到 photo shop 图片再发展到三维动画制作的光盘描绘的动态喷水方案，计算机技术极大地丰富和开拓了人们的思维空间。快速、直观、便于保存、易于修改的优点很快地就被建设方接受，成为喷泉设计方案招投标的必备内容。喷泉的专用产品，设备也在不断地更新换代，新材料、新技术的采用，环保型的产品更加安全、可靠，售后服务周到、及时，这些都为喷泉的良性发展提供了技术支撑，使得大多数的喷泉在美化环境之外，还发挥了良好的生态效应社会效益和广告效应等间接的经济效益。1.1.3 现代喷泉重出现的问题在喷泉得到广泛应用的过程中，也出现了一些问题和不足，有些认识上的误区和不良倾向应该引起人们的重视。否则将对喷泉行业的健康发展产生负面影响。（1）方案设计上的盲目性，往往导致作品成为败笔，使作品难于长久存在。（2）细部设计的不合理直接影响作品效果。（3）质次价高的伪劣产品直接影响着有关厂商和公司的信誉。（4）节能、节水、环保问题应引起足够的重视。喷泉的水造型是通过细部设计来实现的，机、泵、管、阀门、喷头的合理选配，直接影响着喷水效果。有些喷泉的设计，只注意了流量、工作压力等技术指标，忽视了流态效果这个重要因素，水造型效果差。例如：成功的超高水柱密实段长，破裂段3和雾化段短，水柱直径和喷水高度比例合适，抗风能力强，喷水效果挺拔、雄伟。而目前的一些超高水柱，水柱密实段短，破裂段和雾化段长，水柱直径与喷水高度相比显得细小单薄，抗风能力差，水柱很容易被吹散飘移，这就是有关参数选配不合理所致。在整体水造型的组合效果上也存在差类似的问题。细部设计不合理，是技术经济指标差的表现，需要在设计阶段给予解决。喷泉是耗能的景观工程，在保障设计效果的前提下，尽可能地节约能源，这在方案设计阶段时就应该进行量体裁衣的设计。我国是一个缺水的国家，节水是基本国策，喷泉要提倡循环用水，设计时应考虑减少喷水的雾化，飘移损失。循环用水系统应该有过滤净化装置，现在有许多旱喷泉，喷水很容易把地面上的泥土、脏物冲入地下水池，水质极易污染，搞好池水净化，延长池水使用周期，用过的池水可以浇灌周边的草坪、绿地，既节约了用水，又有环保的功能。1.2 喷泉的种类喷 泉 景 观 概 括 来 说 可 以 分 为 两 大 类 ： 一 是 因 地 制 宜 ， 根 据 现 场 地 形 结 构 ， 仿 照天 然 水 景 制 作 而 成 ， 如 ： 壁 泉 、 涌 泉 、 雾 泉 、 管 流 、 溪 流 、 瀑 布 、 水 帘 、 跌 水 、 水涛 、 漩 涡 等 。 二 是 完 全 依 靠 喷 泉 设 备 人 工 造 景 。 这 类 水 景 近 年 来 在 建 筑 领 域 广 泛 应用 ， 发 展 速 度 很 快 ， 种 类 繁 多 ， 普通喷泉分音乐喷泉、程控喷泉、旱地喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、趣味喷泉、激光水幕电影、超高喷泉等。1.3 喷泉中的一些新技术漂浮式：整座水景喷泉的管道系统全部安装在浮箱上，所以喷泉设备的运行不受季节性水位高低的影响。漂浮式喷泉制作、安装工艺技术性强，但维护方便，易于保养。在大型自然湖泊或各种人工湖中广泛应用。跑泉：多个喷头，按时序控制，构成各种形态瞬时变化的水型。可以形成跑动、跳动、波动等形状，又可以成固定造型的喷水形态，气势雄伟，变化多端。水幕激光：采用特殊的入映机播放，使用的影片也是专门为水幕电影特制的影带。由于电影的屏幕是透明的水膜，因此在电影播放时会有一种特殊的光学效果，屏幕的视觉穿透性可使画面具有一种立体感，影片的内容可与水面巧妙的结合，更有一种身临其境般的奇幻感觉。1.4 设计的主要研究内容及安排本文根据生活当中出现的一些情况，以花式喷泉为研究对象，结合了大量资料及4文献，研究花式喷泉的控制问题，整理出一套可行性较高的喷泉控制系统。本系统的研究内容主要包括了喷泉的发展情况及所存在的一系列问题；喷泉控制系统的组成；花式喷泉的控制任务和要求；花式喷泉的硬件配置以及软件的设计，再通过仿真软件来实现。在设计当中，因花样 1 出现故障的可能性较另外两种花样要大，因此在花样 1 的程序中设置了报警系统，当出现故障时，可以及时报警并断开电源，具有更大的安全保障。设计中并未添加单步/连续程序，因为如果单步运行，持续时间太短，观赏性不强，因而只设置了连续运行，当按下启动按钮，接着选择喷水花样，系统处于连续运行状态，直到按下停止按钮，系统立即断开电源，停止运行。5第 2 章 方案分析2.1 主控制器方案分析方案 1：使用单片机控制花式喷泉单片机的特点是控制性能和可靠性高，体积小、价格低、易于产品化。由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在智能仪表、机电一体化产品、实时工业控制家用电器等各个领域都获得了极其广泛的应用。花式喷泉的原理是利用控制器控制水泵的喷水的方式，此方案采用 AT80C51 系列单片机作为主控制器来控制喷泉的喷水方式。单片机的成本较低，适合用于控制小型的花式喷泉。单片机通过控制步进电机来控制电磁阀,实现对喷头流量的控制, 从而使喷泉水姿、灯光色彩产生变化。但采用单片机控制原理，是以可控硅作为功率开关元件，由于可控硅承受过电压、过电流的能力较差，因而不能长时间运行。方案 2：使用 S7-300PLC 控制花式喷泉自 20 世纪 60 年代中期以来 PLC 产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近 20 年来计算机和信息技术的飞速发展,不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格,使 PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足的进步,也使 PLC 的广泛应用成为可能。PLC 的优点很多，主要包括：编程方法简单易学；功能强、性能价格比高；硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强；可靠性高、抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量低、维修方便；体积小、能耗低等。而且 PLC 在各个工业部门的应用范围都得到了扩展。此方案采用西门子 300 系列 PLC 作为主控制器。S7-300PLC 是中型的 PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-300PLC 的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-300PLC 可提多种 CPU 可供选择使用，并且体积小，功能强、可靠性高，灵活性强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，从而变化出很多花样，同时，PLC 具有很强的自诊断功能，迅速方便的检查出故障，缩短检修时间，因而确保控制系统的可靠性，稳定性。基于本设计的控制要求，可采用 S7-300 系列的 PLC 来控制电磁阀，从而达到对喷头流量的控制，产生各种方式的喷水花样。6方案 3：使用 S7-200PLC 控制花式喷泉本方案采用 S7-200PLC 作为喷泉的主控制器来控制水泵的运行。S7-200PLC 是一种小型的 PLC，它有 5 种 CPU 模块，最多可以扩展 7 个扩展模块，扩展到 248 点数字量I/O 或者 38 路模拟量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存储空间和数据存储空间。集成了6 个有 12 种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器、脉冲宽度调制器。本设计方案可以选择 S7-200CPU226 的 PLC 作为主控制器，该型号的 PLC 共 14 入 10 出 24 个I/O 点。从 I/O 点分配方面来说很适合本设计的控制要求。但是这也限制了它以后的发展，在改变喷水方式的时候很不方便，因此不利于调整。2.2 主控制器方案的选择通过以上 3 种控制方式的比较可以得知：使用单片机控制喷泉，控制方式简单，成本低，但是由于其控制性能较差，容易出现故障，出现故障后检修不方便，且受使用时间长短的限制。使用 S7-200PLC 控制花式喷泉，控制性能好，适用性强，系统设计方便，编程简单，但由于 I/O 数量的限制，改动不便。而使用 S7-300PLC 控制花式喷泉，它具有 S7-200PLC 和单片机所不具有的优点，在改动的时候十分方便，支持长时间使用，并且控制性能更强于单片机和 S7-200PLC。三者相比较，使用 S7-300PLC 来控制喷泉显然要好于使用单片机控制和 S7-200 控制，因此，本设计选取的方案为第二种，即使用 S7-300PLC 作为喷泉的主控制器。2.3 喷泉控制方案分析方案 1：三组喷头交替喷水此方案使用的喷头有三组，共 12 个喷头，每组 4 个。三组喷头组成一定的形状，并在 PLC 的控制下交替喷水，具体情况见图 2-1。图 2-1 三组喷头示意图7喷泉共分为三组喷头，通电后，在 PLC 的控制下，按 1-2-3-2-1 的顺序喷水，然后 1、2 同时喷水，接着 2、3 同时喷水，再接着 1、3 同时喷水，最后 1、2、3 一起喷水，如此循环。方案 2：四组喷头交替喷水此方案共四组喷头，除 1 号喷头以外，其余三组每组的 4 个喷头都由环形管道连接，因此，每次喷水，同一组的喷头是一起喷的，具体情况见图 2-2。图 2-2 四组喷头示意图此种方案有三种喷水方式可供选择。按下启动按钮以后，如选择第一种花样，以1、3 同时喷，2、4 同时喷的方式喷水；如选择第二种花样，则按 1-2-3-4 的方式喷水；如选择第三种，则按 4-3-2-1 的方式喷水。并且按下自动运行按钮以后，可以按设定的程序自动喷水。2.4 喷泉控制方案的选择从以上 2 种喷水方案来看，都是很适合作为花式喷泉的喷水方式。但是，方案 1中的喷水方式过于单调，只有一种方式。而方案 2 中一共有三种喷水方式可供选择，按下启动按钮以后，再按下花样选择开关，喷泉则按选定的方式喷水，因此喷水的方式可以随心所欲，较之方案一显然更好。因此本设计选择方案二作为喷泉的控制方案。2.5 喷泉的控制要求（1）按下启动按钮，喷泉装置开始工作，按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。按下自动运行按钮，喷泉进入自动工作状态，（2）喷泉喷水方式由花样选择开关决定，现考虑 3 种喷水花样。8（3）花样选择开关在位置 1 时，按下启动按钮后，1、3 号喷头同时喷水，延时 2秒后，2、4 号喷头喷水，1 号、3 号喷头停止喷水，再延时 2 秒后 1、3 号喷头喷水，2、4 号喷头停止喷水，如此循环，直到按下停止按钮。（4）花样选择开关在位置 2 时，按下启动按钮后，1 号喷头喷水，延时 2 秒后，1 号喷头喷水，再延时 2 秒后，3 号喷头喷水，再延时 2 秒后，4 号喷头喷水，再延时2 秒后，3 号喷头喷水，再延时 2 秒后，2 号喷头喷水，再延时 2 秒后，1 号喷头喷水，再延时 2 秒后，2 号喷头喷水，如此循环，直到按下停止按钮。（5）花样选择开关在位置 3 时，按下启动按钮后，4 号喷头喷水，延时 2 秒后，3 号喷头喷水，再延时 2 秒后，2 号喷头喷水，再延时 2 秒后，1 号喷头喷水，再延时2 秒后，2 号喷头喷水，再延时 2 秒后，3 号喷头喷水，再延时 2 秒后，4 号喷头喷水，再延时 2 秒后，3 号喷头喷水，如此循环，直到按下停止按钮。9第 3 章 花式喷泉的硬件设计3.1 硬件的选择3.1.1PLC 的选择方案（1）对输入/输出点的选择盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。要先弄清除控制系统的 I/O 总点数，再按实际所需总点数的 1520留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC 的点数。（2）对存储容量的选择对用户存储容量作粗略的估算。（3）对 I/O 响应时间的选择PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 23 个扫描周期）等。对开关量控制的系统，PLC 和 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。（4）对 PLC 结构形式的选择在相同功能和相同 I/O 点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块） ，容易判断故障等优点，要按实际需要选择 PLC 的结构形式。本设计采用 S7-300 CPU315-2DP 的 PLC。该 PLC 属于中型 PLC，功能强大，控制能力好，性价比高。3.1.2 水泵的选择方案水泵的种类根据不同的要求，分类比较多；大致有卧式水泵和潜水泵。但都是根据各自对水泵的扬程、流量、使用的场合、能耗比、性价比等来选择合适自己水泵。根据本文的要求，选择采用潜水泵。因为潜水泵是放置在水下，因此不需要泵房，这样可以降低造价。而且潜水泵能耗低，体积小，重量轻，不需灌引水，使用维护及管理方便，并且达到了节约水资源的目的，具有卧式水泵所不具有的优点，可以适应喷泉的喷水要求。本设计采用上海申一水泵制造有限公司生产的 QY 型油浸式潜水泵。QY 型油浸式潜水电泵是由充油式潜水电机与离心式水泵同轴联接组成。符合 JB/T8092-1996 标准规10定，产品取得全国生产许可证，经过三十多年来不断的改进和完善，广泛应用于农业灌溉、工矿排水、水景喷泉、水产养殖，鱼塘增氧、防洪排涝等领域。具有泵电一体，结构紧凑；无需引水、使用简便；双端密封、电器保护；设计合理、性能优良等特点。水泵的使用条件是潜水深度不超过 5 米；水温不超过+40；PH 值应在 5-9 之间，因此，很适合用本设计的要求。3.1.3 喷头的选择方案喷泉的喷头分为可调直流喷头、涌泉喷头、集束喷头、旋转喷头等等，种类繁多，喷出的水型也各不相同。本设计采用的是集束喷头，该喷头由多个直流喷头组合而成，直射喷头口径大小可确定喷头的出水量及高度，它可以作为整个喷泉的主喷（喷泉最高点） ，也可以由多个集束喷头组合成不同的排列。本文采用的集束喷头是中间小，四周大的喷头组合方案。中间的小喷头在同样的压力下，喷出的水柱较之周围的大喷头要高，要细，可达到最佳的视觉效果，见图 3-1。图 3-1 喷头的样式及喷水示意图中间部分为装饰物。左图为喷头的设计方案图，每个喷头的设计方案都是相同的，中间 4 个小圆形图案为小喷头，外部 4 个大圆形图案为大喷头；右图为喷泉喷水方式示意图，4 个大喷头喷出的水柱更粗更低，这样看起来更有层次感。3.2 控制面板系统的控制面板图如图 3-2 所示。图中分别是花样选择开关、指示灯以及启动、停止和自动运行开关。系统正常运行时，显示运行（绿灯） ；停止运行时显示停止（红灯） ；出现故障时显示报警（黄灯） 。11图 3-2 花式喷泉的控制面板12第 4 章 系统的软件设计4.1 花式喷泉的 PLC 控制流程图花式喷泉的程序控制流程图见图 4-1。图 4-1 系统控制流程图如图，通电后，进入工作状态。如按下启动按钮，喷泉装置进入准备工作状态，若不按，则回到初始状态。接着选择喷水花样，共三种喷水花样可供选择。如不选择喷水花样，系统则只保持通电状态。如按下花样选择开关，喷泉按照设定的程序开始运行。如果按下停止按钮，系统则停止运行，如果不按停止按钮，系统则按照选择的花样继续运行下去直到按下停止按钮。4.2I/O 模块的选择本设计选择 SM332 作为 PLC 的 I/O 模块，其 I/O 接口都是配对模块，I 为输入、Q13为输出。用于连接电磁阀、接触器、小型电机、灯和电机起动器。4.3 花式喷泉的 I/O 分配喷泉的 I/O 分配见表 4-1。表 4-1 花式喷泉的 I/O 分配表启动按钮 I0.0停止按钮 I0.1花样选择开关 1 I0.2花样选择开关 2 I0.3花样选择开关 3 I0.4输入自动运行按钮 I0.5花样 1 报警 Q0.01 号喷头组 Q0.1 Q1.1 Q2.12 号喷头组 Q0.2 Q1.2 Q2.23 号喷头组 Q0.3 Q1.3 Q2.3输出4 号喷头组 Q0.4 Q1.4 Q2.44.4PLC 的 I/O 地址分配简介I/O 模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入和模拟量输出 4 类。CPU 分配给数字量 I/O 模块的地址以字节为单位，一个字节由 8 个数字量 I/O 点组成。扩展模块I/O 点的字节地址由 I/O 的类型和模块在同一类 I/O 模块链中的位置来决定。4.5 软件的选用本设计采用 STEP 7 软件进行编写系统程序，该软件主要有组态硬件；组态通信连接；使用编程语言编写用户程序；下载和调试用户程序、启动、维护、文件建档、运行和诊断等功能。功能强大，很适合用来编写喷泉的控制程序。编程软件界面如图 4-2所示。14图 4-2 软件编程界面在 FC1 中编写花样 1 子程序，在 FC2 中编写花样 2 子程序，在 FC3 中编写花样 3子程序，然后在 OB1 中编写主程序并调用子程序。4.6 系统主程序系统的主程序见图 4-3。此时，系统处于停止工作状态。15图 4-3 花式喷泉系统主程序I0.5 是一个独立的启动按钮，负责启动自动运行。当按下 I0.5 的时候，系统按照16花样