基于西门子PLC的花样喷泉控制系统毕业设计.doc

1 引言1.1喷泉的发展1.1.1我国喷泉的发展 自古以来,喷泉水景在我国园林建造中应用广泛,但是就其技术而言,只是利用地形之高差或自然的水压,而形成镜池、溪流、涌泉、壁流、瀑布等,景观形式较为单一。二十世纪八十年代以后，伴随着改革开放的春风，国民经济快速恢复并且持续发展，人民生活得到稳步提升。在一些大中型城市中，城市建设和园林设计部门对喷泉景观在环境的美化和文化氛围的营造上提出了新的要求。一些园林，水利的设计院，研究所及大专院校，根据土建结构、给水排水、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，设计出许多优秀的喷泉、水景。令人耳目一新, 给人以视听上的高度享受，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。喷泉水景逐步成为美化城市改善环境的重要手段1。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。喷泉开始进入到人们的各个社会活动场所中，从此走出公园、园林的围墙和广场的中心。市场经济的推动让喷泉设计和制造行业进入了快速发展的新天地。一些喷泉专业的生产厂商和制造公司，在这段时间内应运而生，快速发展起来。专业研究人员把微机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等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，喷泉行业得到了飞速发展。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2-3。1.1.2喷泉的应用状况随着人们生活水平的提高，精神生活的不断丰富，人们对喷泉的景观功能，环保功能，娱乐功能提出了新的要求。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4。一些大型城市的城市主题喷泉造型雄伟，壮观，给人团结向上，气势磅礴的感觉，像西安大雁塔的音乐喷泉已经成为城市的地标，城市精神面貌提升到很高的等级。在广场和公园的大型喷泉，结合了多种技术，形成了许多令人留恋往返的喷泉，像激光音乐喷泉，火焰音乐喷泉，结合水幕电影的主题喷泉，既动感十足，又富有诗意，配合声、光、电、雾、火，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。在购物中心，商业广场的景观喷泉，松弛、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受，也加湿了空气，降低温度。随着住宅小区的越来越高档，喷泉景观也逐步走入了小区人民的生活，伴随假山，景观湖，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。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。喷泉在电视和大型歌舞上频频出现，水形烘托着演出的效果给人眼前一亮的感觉。精巧优美的微型喷泉走进了办公室和居室，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5-7。1.1.3现代喷泉出现的问题随着喷泉的广泛应用，喷泉的一些问题也逐渐暴漏出来，有些认识上的误区和不良倾向应该引起人们的重视。否则会对喷泉行业的持续发展会造成严重打击。（1）方案设计上的很盲目，导致作品成为败笔，使作品难于长久保存。（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：超高水柱密实段长，破裂段和雾化段短，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8。喷泉是耗能的景观工程，在保障设计效果的前提下，尽可能地节约水能源，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，节水是我国的基本国策，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。这就达到了喷泉应该体现的价值。1.2喷泉的种类 喷泉经过长时间的发展大体分成两类，一种是利用自然现场的地形结构，因地适宜的仿照自然水景建造，如：壁泉、涌泉、雾泉、管流、溪流、瀑布、水帘、跌水、水涛、漩涡等。另一种是完全利用高科技的喷泉设施进行布景，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，如音乐喷泉、跑泉、干池旱泉、水幕电影、移动浮圈、喷火水泉、激光喷泉等等9-10。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11-12。1.4设计的主要研究内容及安排 本设计根据生活当中出现的一些情况，以花样喷泉为研究对象，结合了大量资料及文献，研究花样喷泉的控制问题，设计出一套可行性较高的喷泉控制系统。 自动喷泉控制的实现方法很多，本设计题目为基于可编程逻辑控制器（PLC）的喷泉控制系统，用可编程逻辑控制器(PLC)，不仅能够进行多种水型切换，而且能将各种水型、灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行控制程序发出控制信号，使水型、灯光实现多姿多彩的变化。通过上位机（PC）与PLC之间的通讯来监控喷泉的状态与效果，进而控制电动机，以达到顺利实现工业控制的要求及目的，同时还要达到低功耗、高性价比、运行安全可靠等基本要求。2 系统总体方案设计 2.1工控机喷泉控制系统 工控机即工业控制计算机，但现在更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑，英文简称IPC，全称Industrial Personal Computer。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，如图2.2所示。工控机特点工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：1） 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。2） 机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。3） 机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。4） 要求具有连续长时间工作能力。 自1984年国内开始从事开发和推广应用工控机以来，已被广泛地应用于钢铁冶金、石油化工、机电成套设备、医药食品、数控机床、工业炉窑等工业领域、以及军工和科研设备中15。对于工控机作为喷泉控制系统，由于喷泉控制系统的环境相对工业控制环境要好得多，而且喷泉控制系统对连续长时间工作的能力要求也不是很高，用工控机设计喷泉控制系统实属有些大材小用。而且工控机的价格较同层次的PC机要偏高，这样就更增加了系统的成本，降低了整体的性价比。2.1.1 PLC喷泉控制系统自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能16。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。如图2.3所示。作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，在自动化领域占据着十分重要的位置。PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程17-19。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。 一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。对于喷泉控制系统这样，被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在组态软件设计方面，要容易一些。且PLC通常都支持现场总线，会使得系统通信得到有利保障，更适合实现上位机的远程监控。目前适用于喷泉控制的中小型PLC种类繁多，价格低廉。使设计者会有更多的选择余地。系统整体造价会比工控机低，而且不会降低系统的稳定性。经过以上三种控制系统的可行性分析可以看出，以PLC为下位机，PC机为上位机组成的控制系统是此次设计喷泉控制系统的最佳方案。2.2 总体实现方案根据设计要求，该喷泉控制系统是由PLC组成。PLC对喷泉的水泵进行时序控制，产生各种不同的喷水造型。需设计四种不同的喷泉类型。上位机编写组态软件对喷泉的工作状态进行实时监控。要求喷泉控制程序能够产生不同的喷水造型，并且符合美学标准，逻辑合理，且操作简单。3 花样喷泉的设计方案3.1 花样喷泉模型 某广场的花样喷泉示意图如3.1所示。 图3.1 花样喷泉示意图其中4号为中间喷头，3号为内环状喷头，2号为外环形状喷头，1号为外环形状喷头。3.2 花样喷泉控制要求 （1）按下启动按钮，喷泉控制装置开始工作；按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。（2）喷泉的工作方式由花样选择开关和单步/连续开关决定。（3）当单步/连续开关在单步位置时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循环。（4）花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样。现考虑四种喷水花样。a 花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时2s后，3号喷头喷水，再延时2s后，2号喷头喷水，又延时2s后，1号喷头喷水。18s后，如果为单步工作方式，则停止下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。b 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2s后，2号喷头喷水，再延时2s后，3号喷头喷水，又延时2s后，4号喷头喷水。30s后，如果为单步工作方式，则停止下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。c花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1、3号喷头同时喷水，延时3s后，2、4号喷头喷水，1、3号停止喷水。如此交替运行15s后，4组喷头全喷水，30s后，如果为单步工作方式，则停止下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。d 花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1234的顺序，依次间隔2s喷水，然后一起喷水。30s后，按照1234顺序，分别延时2s，依次停止喷水。再经1s延时，按照4321的顺序，依次间隔2s喷水，然后一起喷水。 30s后停止。如果为单步工作方式，则停止下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。3.3工作流程图开始按下启动按钮选择花样开关选择花样开关花样1花样2花样3花样4花样1花样2花样3花样4进行一个循环进行连续循环停止按下停止按钮停止结束选择单步按钮选择连续按钮图3.2花样喷泉流程图 如图3.2，通电后，进入工作状态。按下启动按钮，喷泉装置进入准备工作状态，选择花样，按下单步按钮，系统按设定程序进行一个循环后停止。按下连续按钮，系统按设定程序进行连续循环。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。3.4可编程控制器PLC的选取与其特点本论文选用西门子公司的S7-200系列可编程序控制器PLC。S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化20。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面： （1）极高的可靠性 （2）极丰富的指令集 （3）易于掌握 （4）便捷的操作 （5）丰富的内置集成功能 （6）实时特性 （7）强劲的通讯能力 （8）丰富的扩展模块 S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制21-23。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统24。3.5 基于PLC花样喷泉的接口设计 花样喷泉设计方案是根据花样选择开关的位置信号，采用跳转指令编程。在每一个跳转程序段内，采用定时器指令实现顺序控制。PLC I/O口地址分配表如表3.1所示表3.1 PLC I/O口地址分配表输入信号地址元件功能I0.0SB1启动按钮I0.1SA1花样选择开关位置1I0.2SA2花样选择开关位置2I0.3SA3花样选择开关位置3I0.4SA4花样选择开关位置4I0.5SB2重复按钮I0.6SB3停止按钮输出信号地址元件功能Q0.1KM1喷头1Q0.2KM2喷头2Q0.3KM3喷头3Q0.4KM4喷头43.6 PLC 外部接线图 PLC 外部接线图如图3.3所示I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6COMKM1KM2KM3KM4 S7-200 / CPU222NLCOMQ0.1Q0.2Q0.3Q0.4220V启动花样1花样2花样3花样4重复结束图3.3 PLC外部接线图3.7花样喷泉的梯形图3.7.1 梯形图中的关键问题