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南阳理工学院 本科生毕业设计(论文) 学院：电子与电气工程学院 专业：电气工程及其自动化 学生：小明 指导教师 ：大明 完成日期2014年5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 花样喷泉控制系统设计与实现花样喷泉控制系统设计与实现 Design and Implementation of Fountain Control System 总计 ：27页 表格 ：1个 插图 ：19幅 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 花样喷泉控制系统设计与实现花样喷泉控制系统设计与实现 Design and Implementation of Fountain Control System 学院：电子与电气工程学院 专业：电气工程及其自动化 学 生 姓 名：小明 学号：123456789012 指 导 教 师（职称） ：大明 （讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 花样喷泉控制系统设计与实现 花样喷泉控制系统设计与实现花样喷泉控制系统设计与实现 电气工程及其自动化专业小 明 摘摘要要花式喷泉是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物。 随着可编程控制器在我国的迅速发展，对花式喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越 多的控制部分需要可编程控制器来实现。本文结合任务设计书的要求，以花式喷泉为研 究对象，采用了 S7-300 系列 PLC 作为喷泉的控制器。对花式喷泉的控制系统的总体功 能进行了分析，阐述了可编程控制器的组成和工作原理。提出了喷泉硬件的各组成模块 及详细的硬件模块设计方案，并对控制方式进行了设计和程序的编写。本设计改善了喷 泉系统的控制品质，并真正地达到了实时控制的要求。 关键词关键词花样喷泉；可编程逻辑控制器；变频器；储存器 Design and Implementation of Fountain Control System Electrical Engineering andAutomation SpecialtyXIAOMing Abstract: Fancy fountain in recent years the emergence of a landscape architecture and fancy watch a product of a combination. With the programmable controller in Chinas rapid development, fancy fountain control requirements have become more sophisticated, making more and more control over some of the needs programmable logic controller to achieve.In this paper, the task design document requirements to fancy fountain as the research object, using S7-300 series PLC as the fountain controller. Fancy fountain control systems for the overall function of the analysis, described the composition and the programmable controller works. Fountain made of the constituent hardware modules and the detailed design of hardware modules, and control the manner and procedures for the preparation of the design. This design improves the fountain system, control quality, and truly achieve the real-time control requirements. Key words: Fancy fountain; programmable logic controller; the inverter; memory 花样喷泉控制系统设计与实现 目目录录 1引言.1 2系统设计要求及设计方案.4 2.1系统设计的基本步骤4 2.2系统控制原理及要求5 3花样喷泉控制系统硬件设计.7 3.1系统硬件结构图7 3.2硬件设备设备选型8 3.2.1主控制器的选择8 3.2.2变频器的选型9 3.2.3水泵的选择9 3.2.4喷头的选择10 3.2.5阀的选择10 3.3系统的硬件电路设计11 3.3.1硬件电路图设计11 3.3.2花样喷泉的 I/O 分配12 4系统的软件设计.12 4.1喷泉花样的顺序连接图13 4.2系统的程序设计14 5系统的仿真和调试.15 结束语.20 参考文献.21 附录.22 致谢.27 花样喷泉控制系统设计与实现 1 1引言 花样喷泉是人工环境中最富有生命力的喷泉,它具有分隔空间、增加层次、净化空 气美化环境的作用。 现代高科技把美妙的音乐、 多姿的喷泉造型、 五彩缤纷的水下灯光、 神奇的激光图文，通过电脑有机的结合在一起，给人以音乐声响、视觉形象、色彩变换 三位一体的超自然享受。随着我国人民物质生活水平的不断提高，对于精神生活的要求 也在不断提高，为进一步改造环境景观，建设一个喷泉是很有必要的。随着科学技术的 不断发展和生活水平的不断提高， 尤其是喷泉在城市和社区环境建设中起着尤其重要的 作用。 我国在上世纪八零年代之前， 喷泉还只不过是园林造景和建筑给排水专业的一个技 术小细节，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。上世纪八零年代以后， 由于国内经济的恢复和发展，老百姓生活、消费水平的增长，很多城市的园林、城建主 管部门在城市建设、发展的进程中，以及在环境的改造和文化气氛的创作上对花样喷泉 提出了推陈出新的搞标准，一部分建筑、水利的设计院、园林、研究所和高等院校，配 以当时先进的单片机技术， 融合了给排水、 土建结构、 机电控制等成熟的喷泉专业技术， 再通过直流电机调速和电磁阀实行控制变量，创造出了一大批优秀的水景，喷泉作品。 获得了非常好的社会反响和经济效益1。与此同时，部分喷泉设备的专业制造厂和企业 也开始探索、发展，这些新兴团体为我国花样喷泉的专业化发展贡献了新鲜的活力和力 量，并打下了坚实的基础。 上世纪九零年代以来，随着我国城市建筑与环境建设加快速度，以及社会主义市场 经济的快速发展，老百姓对于高品质的精神文化生活和优美的生活环境有了更高的追 求。在市场对于喷泉行业提高需求的推动下，花样喷泉水景不再是公园、广场和园林的 专属建筑，它已深入遍及到人们的大多数社会、娱乐、生活活动场所中来。许多花样喷 泉专业的制造厂商和专业企业，于这几年内相继成立，快速发展起来。相关专业技术科 研人员结合声、电、光、雾、激光、火、音乐、水幕电影等学科的技术，同时把计算机 科技、信息科技应用到喷泉之中，这些新技术的集合与发展把喷泉行业的技术水平送进 了一个更高的阶层，拓展了喷泉的应用空间，这又使得喷泉专业与商业行业得到了迅速 发展。同时中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会在 2001 年成立了中国水景喷泉 专业委员会，该组织主要为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、企业 提供服务，从而促进花样喷泉行业蓬勃有序而健康良好地发展。一些高等学院也开设了 水景、喷泉专业及相关课程，这为喷泉行业的今后发展提供了专业化得知识储备。喷泉 行业的蓬勃发展进入到一个崭新的阶段。 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 花样喷泉控制系统设计与实现 2 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15。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。 花式喷水池是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物。 随着可编 程控制器在我国的迅速发展，对花式喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制 部分需要可编程控制器来实现。 喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头洒出来具有一定形状的组合体， 提供水压的一般为水泵。现代城市中的喷泉形式已十分丰富。随着构筑物的大小及水压 等的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈。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。 现代喷泉技术日新月异，并出现了很多新的技术： 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。 花样喷泉控制系统设计与实现 3 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。 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。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14。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。 随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术和自动控制技术也得到了迅速 发展，其应用越来越广。而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重 要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。其中花样喷泉可以湿润周围空气，减少尘 埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善 社区面貌和增进居民身心健康。喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。园林中 的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。喷泉可以湿润周 围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离 子。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。 电气控制与 PLC 课程设计是电气自动化技术专业一个重要的实践性教学环节， 通过 课程设计达到掌握电气控制柜的原理设计、安装工艺图纸设计的基本方法，并能达到熟 花样喷泉控制系统设计与实现 4 练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，熟练地进行系统外围电路设计、接 线、编程、调试等工作。 随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在许多城市的市民广场、单位居 民生活区里都能看到各种形式的喷泉。随着科学技术突飞猛进的发展，在喷泉工程中采 用了大量的高新技术，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有种愉 悦的感受。从而使喷泉效果更多绚丽多彩，阿罗多姿，令人赏心悦目、流连忘返。 2系统设计要求及设计方案 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3。 2.1系统设计的基本步骤 本设计布局如图 1 所示。在图 1 中，4 为中间喷水管，3 为内环状喷水管，2 为一次 外环形状喷水管，1 为外环形状喷水管。 图 1花式喷泉池示意图 本课题在花式喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点： 花样喷泉控制系统设计与实现 5 （1）深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。 （2）确定 I/O 设备。根据花式喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输 出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。 （3）根据 I/O 点数选择合适的 PLC 类型。 （4）分配 I/O 点，分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出端子 的接线图。 （5）设计花式喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图。 （6）程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。 （7）将程序输入 PLC 进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善13。 2.2系统控制原理及要求 喷泉控制系统由启动控制程序、位移脉冲控制程序、位移及复位控制程序、驱动 控制程序组成。通过位移脉冲控制程序实现子元件中的内容在存储器间的移动，通过复 位控制程序实现喷泉花样的循环，通过驱动控制程序实现喷泉的喷射。PLC 是用于工业 现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机4。它通过运行存储在其 内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息， 进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。 在喷泉中，通过按钮开关信号来控制 PLC：因为有 4 层喷水，因此用了 1 个变频器 控制 4 个水泵。花式喷泉控制系统的原理如图 2 所示。 图 2花样喷泉控制系统原理图 图 3 为本课题系统控制流程图。 花样喷泉控制系统设计与实现 6 图 3 系统控制流程图 要求完成以下控制要求： （1）按下启动开关，喷泉控制装置开始工作，按下停止开关，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、连续开关在单步控制时，喷泉只能按照花样选择开关设置的方式运 花样喷泉控制系统设计与实现 7 行一个循环。 （4）花样选择开关用于选择喷泉得喷水花样，现考虑 4 种喷水花样。 1）花样选择开关在位置 1 时，按下启动按钮后，4 号喷头喷水，延迟 3s 后，3 号 喷头喷水，再延迟 3s 后，2 号喷头喷水，又延迟 3s 后，1 号喷头喷水。18s 后，如果为 单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。 2）花样选择开关在位置 2 时，按下启动按钮后，1 号喷头喷水，延迟 3s 后，2 号 喷头喷水，再延迟 3s 后，3 号喷头喷水，又延迟 3s 后，4 号喷头喷水。30s 后，如果为 单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。 3）花样选择开关在位置 3 时，按下启动按钮后，1 号、3 号喷头同时喷水，延迟 3s 后，2 号、4 号喷头同时喷水，1 号、3 号喷头停止喷水。如此交替 15s 后，4 组喷头全 喷水，30s 后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下 去。 4）花样选择开关在位置 4 时，按下启动按钮后，按照 1-2-3-4 的顺序，以此间隔 2s 喷水，然后一起喷水。30s 后，按照 1-2-3-4 的顺序，分别延迟 2s 依次停止喷水。 再经过 1s 延迟时，按照 4-3-2-1 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，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。 3花样喷泉控制系统硬件设计 在 PLC 系统设计时，本课题第一步确定了控制方案，第二步工作是就 PLC 工程设计 来进行选型。而工艺流程的应用要求和特点是设计选型的主要依据。因此，工程设计选 型和估算时，应详细分析工艺过程的控制要求、特点，控制任务和范围确定所需的喷泉 操作和动作，然后根据控制要求，估算花样喷泉输入输出点数、所需存储器容量、确定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系 统。 3.1系统硬件结构图 PLC 采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程， 使用户十分方便的读懂程 序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的 程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。 现代 PLC 不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成 A/D、 D/A 转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因此，它既可控制开 关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单 花样喷泉控制系统设计与实现 8 系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。 综上所述，在各种环境中，使用 PLC 控制机构设备，生产流水线和生产过程的自 动化控制将越来越广泛。 具体的内部结构图如图 4 所示： 图 4系统硬件结构图 PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户 程序两大部分。系统程序是每一个 PLC 成品必须包括的部分，由 PLC 厂家提供，用于 控制 PLC 本身的运行， 系统程序固化在 EPROM 中。 用户程序是由用户根据控制需要而 编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，他们是相辅相成，缺 一不可的。 3.2硬件设备设备选型 本课题需要对主控制器、变频器、水泵、喷头、筏等需要的硬件设备进行逐一选择。 3.2.1主控制器的选择 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5。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 花样喷泉控制系统设计与实现 9 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，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。从而达到对喷头流量的控制，产生各种方式 的喷水花样。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、Q 为输出。用于连接电磁阀、接触器、小型电机、灯和电机起动器。 3.2.2变频器的选型 变频器选型时要确定以下几点： （1）采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。 （2）变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲 线决定了应用时的方式方法。 （3）变频器与负载的匹配问题： 电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对 于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，以最大电流确定变频器 电流和过载能力。 转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生。 本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水的高度。我选用的是 FR-S520（E）系 列变频调速器7。工频（50Hz）是发电的最佳频率此变频器是利用电力半导体器件的通 断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。主要采用交直交方式（转 差频率控制变频），先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源 转换成频率、 电压均可控制的交流电源以供给电动机。 整流部分为三桥式不可控整流器， 逆变比分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储 能和缓冲无功功率。 3.2.3水泵的选择 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。 根据本课题的要求， 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8。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 花样喷泉控制系统设计与实现 10 泉的喷水要求。 从该喷泉所需的扬程、流量、水质、价格等方面考虑该喷泉选择 QS 系列的潜水泵， 如图6所示。QS 系列潜水泵体积小、性能可靠，机泵一体、潜入水中运行主要优越性是： 运行可靠、 经久耐用、 使用方便、 功率大、 故障少， 维修费用低等。 流量： 10-250 （m3/h） 。 杨程：5-140（m）。 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标准规定， 产品取得全国生产许可证。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。 3.2.4喷头的选择 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9。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 5。 图 5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。 3.2.5阀的选择 喷泉常用的阀门有球阀、蝶阀、闸阀、止回阀、水下液压阀、水下电磁阀、 水下 花样喷泉控制系统设计与实现 11 数控阀等。本设计的喷泉采用 PLC 控制同时在工作时会接触水，所以选择 DC 24V 水用 电磁阀。 3.3系统的硬件电路设计 根据本课题要求进行硬件电路设计及 I/O 地址分配。 3.3.1硬件电路图设计 图 6硬件接线图 1 图 7硬件接线图 2 硬件接线图 6 为花样喷泉 PLC 输入控制接线图， 图 7 为花样喷泉 PLC 输出控制接线 图。 花样喷泉控制系统设计与实现 3.3.2花样喷泉的 I/O 分配 根据花样喷泉的控制要求可以得出该喷泉的启动、停止、各花样选择需要用到 7 个 按钮， 这 7 个按钮开关分别接到 PLC 的 7 个输入口上。 而 4 组喷泉口需要用到 4 个水阀， 这 4 个电磁阀需要接到 PLC 上面的 4 个输出口上。 运行也需要接到 PLC 的 1 个输出口上， 所以该系统需要用到 7 个输入口和 5 个输出口。喷泉的 I/O 分配见表 1。 表 1花式喷泉的 I/O 分配表 名称地址符号说明 输入 花样开关 1 位置I0.0SA1喷泉选择 1 号方式喷水 花样开关 2 位置I0.1SA2喷泉选择 2 号方式喷水 花样开关 3 位置I0.2SA3喷泉选择 3 号方式喷水 花样开关 4 位置I0.3SA4喷泉选择 4 号方式喷水 启动I0.4SB1启动喷泉系统 停止I0.5SB2停止喷泉系统 工作模式I0.6SB3 输出 1 号喷头Q0.0H11 号喷水阀喷水 2 号喷头Q0.1H22 号喷水阀喷水 3 号喷头Q0.2H33 号喷水阀喷水 4 号喷头00.3H44 号喷水阀喷水 运行Q0.4H5 花样开关 1 位置 SA1:：I0.0，花样开关 2 位置开关 SA2： I0.1，花样选择位置 3 开关 SA3：I0.2，花样选择位置 4 开关 SA4： I0.3，启动按钮 SB1： I0.4，停止按钮 SB2： I0.5。 花样喷泉 1 号喷头 H1: Q0.1 ；2 号喷头 H2: Q0.2 ；3 号喷头 H3: Q0.3 ；4 号喷 头 H4: Q0.4 。 4系统的软件设计 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10。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 花样喷泉控制系统设计与实现 13 所示。 4.1喷泉花样的顺序连接图 由于本课题有 4 种花样，所以应该分布考虑，按照花样的要求，编辑四种花样顺序 图，如图 811 所示。 图 8花样 1 顺序图 图 9 花样 2 的顺序图 花样喷泉控制系统设计与实现 14 图 10 花样 3 的顺序图 图 11花样 4 的顺序图 4.2系统的程序设计 梯形图时使用的最多的图形编程语言，被称为 PLC 的第一编程语言。梯形图与电器 控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适 用于开关量逻辑控制11。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计成为编程。 花样喷泉控制系统设计与实现 15 PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了几点起这一名称， 如输入继电器、 输出继电器、 内部继电器等，该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通 电” ，其常来触电接通，常闭触点断开，称这种状态时该软继电器的“1”或“ON”状态。 如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该 软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。 梯形图（见附录） 。 5系统的仿真和调试 仿真 PLC 具有实际 PLC 所没有的功能。首先，仿真 PLC 可以立即暂时停止执行用户 程序，对程序状态不会有什么影响；其次，仿真 PLC 由 RUN 模式进入 STOP 模式不会改 变输出的状态； 再次， 在视图对象中的变动立即使对应的存储区中的内容发生相应改变。 实际的 CPU 要等到扫描结束时才会修改存储区；第四，仿真 PLC 可以选择单次扫描或者 连续扫描；第五，可使定时器自动运行或者手动运行，可以手动复位全部定时器或复位 制定的定时器；第六，仿真 PLC 可以对过程影像存储器与外设存储器的处理等12。 控制系统中选用西门子 S7-300 PLC 作为控制核心， 采用 STEP 7 作为软件编程环境, 对花样喷泉控制系统进行模块化编程，完成控制系统主程序和子程序流程图绘制，在此 基础上完成软件设计工作。 并利用组态软件对花样喷泉 PLC 控制系统的人机界面进行设 计，完成 PLC 与触摸屏的通讯。 花样一仿真图见图 12 和 13。 图 12花样 1 仿真图 a 花样喷泉控制系统设计与实现 16 当按下 I0.4 启动按钮后，按下花样 1 选择开关 I0.0 时，M0.0 得电，M0.1 得电，当 M0.6 得电的时候，Q0.2 和 Q0.4 同时得电。按下停止按钮 I0.5 时,系统断电。 图 13花样 1 仿真图 b 当按下 I0.4 启动按钮后，按下花样 1 选择开关 I0.0 时，M0.0 得电，M0.1 得电，当 M0.5 得电的时候，Q0.1 和 Q0.3 同时得电。按下停止按钮 I0.5 时,系统断电。 花样 2 仿真图见图 14 和图 15。 图 14花样 2 仿真图 a 当按下 I0.4 启动按钮后，按下花样 2 选择开关 I0.1 时，M0.0 得电，M0.2 得电，当 M1.2 得电的时候，Q1.1 得电。按下停止按钮 I0.5 时,系统断电。 花样喷泉控制系统设计与实现 17 图 15花样 2 仿真图 b 当按下 I0.4 启动按钮后，按下花样 2 选择开关 I0.1 时，M0.0 得电，M0.2 得电，当 M1.5 得电的时候，Q1.4 得电。按下停止按钮 I0.5 时,系统断电。 花样 3 仿真图见图 16 和图 17。 图 16花样 3 仿真图 a 当按下 I0.4 启动按钮后，按下花样 3 选择开关 I0.2 时，M0.0 得电，M0.3 得电，当 M2.2 得电的时候，Q2.2 得电。按下停止按钮 I0.5 时,系统断电。 花样喷泉控制系统设计与实现 18 图 17花样 3 仿真图 b 当按下 I0.4 启动按钮后，按下花样 3 选择开关 I0.2 时，M0.0 得电，M0.3 得电，当 M2.4 得电的时候，Q2.3 得电。按下停止按钮 I0.5 时,系统断电。 花样 4 仿真图见图 18 和图 19。 图 18花样 4 仿真图 a 当按下 I0.4 启动按钮后，按下花样 4 选择开关 I0.3 时，M0.0 得电，M0.3 得电，当 M2.2 得电的时候，Q2.2 得电。按下停止按钮 I0.5 时,系统断电。 花样喷泉控制系统设计与实现 19 图 19花样 4 仿真图 b 当按下 I0.4 启动按钮后，按下花样 4 选择开关 I0.3 时，M0.0 得电，M0.3 得电，当 M2.4 得电的时候，Q2.3 得电。按下停止按钮 I0.5 时,系统断电。 通过对本系统的仿真调试，可以看出，当按下启动按钮 I0.0 时，M0.0 得电并保持。 按下花样选择开关以后，系统按照设定的程序运行并最终得到实现。当按下自动运行开 关时，系统进入自动运行状态。当按下停止按钮 I0.1 时，系统立即停止运行。 花样喷泉控制系统设计与实现 20 结束语结束语 本系统主要以可编程控制器 PLC 和变频器的强大的控制功能，实现了利用可编程 控制器和变频器控制花式喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当 花式喷泉的功能增加时，只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少，调 试