【电气工程及其自动化】基于PLC的花式喷泉控制系统设计

1、 A 根底理论 B 应用研究 C 调查报告 D 其他本科生毕业设计论文基于PLC的花式喷泉控制系统设计二级学院：信息科学与技术学院专 业：电气工程及其自动化完成日期：2014年5月10日目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc18686 1 绪论 PAGEREF _Toc18686 1 HYPERLINK l _Toc19978 喷泉的开展 PAGEREF _Toc19978 1 HYPERLINK l _Toc28201 花式喷泉的国内外开展史 PAGEREF _Toc28201 1 HYPERLINK l _Toc22776 花式喷泉控制的开展现状 PAGER

2、EF _Toc22776 2 HYPERLINK l _Toc27704 本课题的研究意义 PAGEREF _Toc27704 3 HYPERLINK l _Toc22495 2 PLC概述 PAGEREF _Toc22495 4 HYPERLINK l _Toc868 可编程控制器简介 PAGEREF _Toc868 4 HYPERLINK l _Toc22876 可编程控制器硬件组成 PAGEREF _Toc22876 4 HYPERLINK l _Toc8717 PLC的主要功能 PAGEREF _Toc8717 5 HYPERLINK l _Toc11163 3系统整体方案设计 PAG

3、EREF _Toc11163 6 HYPERLINK l _Toc22973 花式喷泉控制方案分析 PAGEREF _Toc22973 6 HYPERLINK l _Toc19943 花式喷泉控制要求 PAGEREF _Toc19943 6 HYPERLINK l _Toc6378 PLC的选择 PAGEREF _Toc6378 7 HYPERLINK l _Toc6091 喷头的选择 PAGEREF _Toc6091 8 HYPERLINK l _Toc14369 3.4.1 喷头的介绍 PAGEREF _Toc14369 8 HYPERLINK l _Toc2593 喷头的选择方案 PAG

4、EREF _Toc2593 8 HYPERLINK l _Toc7498 3.5 水泵的选择方案 PAGEREF _Toc7498 10 HYPERLINK l _Toc8648 3.6 阀的选择方案 PAGEREF _Toc8648 10 HYPERLINK l _Toc3601 4系统软件设计 PAGEREF _Toc3601 12 HYPERLINK l _Toc215 4.1 花式喷泉的运行流程图设计 PAGEREF _Toc215 12 HYPERLINK l _Toc21198 4.2 花式喷泉控制原理设计 PAGEREF _Toc21198 12 HYPERLINK l _Toc

5、10881 4.3 花式喷泉PLC控制接线图设计 PAGEREF _Toc10881 13 HYPERLINK l _Toc5460 4.4 花式喷泉PLC控制输入输出点分配设计 PAGEREF _Toc5460 13 HYPERLINK l _Toc12041 4.5 梯形图设计 PAGEREF _Toc12041 14 HYPERLINK l _Toc912 PAGEREF _Toc912 14 HYPERLINK l _Toc20602 5 系统的仿真与调试 PAGEREF _Toc20602 15 HYPERLINK l _Toc15337 参考文献 PAGEREF _Toc15337

6、 20 HYPERLINK l _Toc11779 附录 PAGEREF _Toc11779 21致谢基于PLC的花式喷泉控制系统设计摘 要：花式喷泉是近年来随着控制系统的开展，出现的一种控制技术与花式欣赏相结合的一种产物。随着可编程控制器在我国的迅速开展，对花式喷泉的控制要求也越来越高。使用PLC 控制花式喷泉,具有使用方便、运行可靠、程序设计简单等优点。用顺序功能图方法编程,可以使设计思路清晰,编程简便。假设需要改变喷水把戏和喷水时间,设计方案不必作很大调整,只要把控制程序作相应的修改,即可实现控制目的。本文以花式喷泉为研究对象，以三菱PLC为例，详细介绍了喷泉控制系统工程要求，并根据工程

7、要求，基于PLC对控制系统进行总体设计，提出控制系统方案。PLC作为主控单元，论文对I/O设计、外部硬件连线等进行了介绍，采用顺序控制方法设计了系统的工作流程图和PLC程序。关键词：把戏喷泉；控制系统；PLCThe control system design based on PLC fancy fountainAbstract：Fancy fountain is a product of a kind of control technology and fancy watch combination with the development of control system in rece

8、nt years. With the programmable controller in Chinas rapid development, fancy fountain control requirements are also getting higher and higher. The use of PLC control fancy fountain, has the advantages of convenient, reliable operation, simple program design etc.With the sequential function chart pr

9、ogramming method, the design ideas clear, simple programming. If you need to change the water pattern and water time, the design scheme is not a big adjustment, as long as the control procedures be amended accordingly, to achieve the control purpose. In this paper, fancy fountain as the research obj

10、ect, to Mitsubishi PLC as an example, introduces in detail the fountain control systems engineering requirements, and according to the project requirements, PLC on the overall design of the control system based on the proposed scheme, the control system. PLC as the main control unit, this paper intr

11、oduces the I/O design, the connection of external hardware, designed the system work flow diagram and PLC procedures for the use of sequence control method. Key words：Figure fountain; control system;PLC1 绪论 喷泉的开展 花式喷泉的国内外开展史喷泉作为一项建筑艺术，在国内外均有较悠久的历史。而音乐喷泉的构思及萌生那么是上世纪30年代开始的，1930年，德国的(奥图皮士特霍)首先提出了喷泉与音乐

12、相结合的设想，并设计成小型装置应用于酒店及商场，其后那么逐步开展到大型化及多样化。继承父业使音乐喷泉更为多姿多彩，并于l952年夏在西柏林工业展览会上进行展示，经纽约一摄影师将其引进应用于纽约无线电音乐厅。从此，音乐喷泉陆续在世界各地应用推广。目前，西方工业兴旺国家已有制造音乐喷泉成套装置的专业工厂，如美国的WALTZING、MIDAS，加拿大的PEM，意大利的NEONALPINA，日本的KAWAMURA等公司。随着音乐喷泉市场的需求越来越大，国内关于音乐喷泉的研究与开发工作也蒸蒸日上。我国在80年代中期相继引进和自行设计建造了多座音乐喷泉，为美化环境，活泼人民的文化生活起了良好的作用。据不完

13、全统计，2021年整个喷泉行业年总产值也早已到达几十亿元以上。同时我国行政主管和技术监督部门、学术团体和出版界等，也为推动喷泉技术的开展做了不少工作：1989年出版的?给水排水设计手册?，第一次将“水景设计以专章列入设计手册；1989年出版、1990年开始施行的?建筑给水排水设计标准?，第一次将“喷泉设计以专节列入国家设计标准；1990年出版了第一本专门著作?喷泉设计?；1991年在中国土木工程学会建筑给水排水委员会和中国标准化协会建筑给水排水委员会的大力推动下，成立了第一届“全国喷泉研讨会，有关喷泉的专门设计规程和术语标准等也公开发布执行。近些年喷泉开始摆脱传统的继电器控制，往工控机、单片机

14、等方向开展，更为先进的是当今PLC已经开始广泛应用于大型喷泉领域。随着人民生活水平的提高，对美化住宅小区以及别墅环境的要求越来越高，小型化音乐喷泉成为一个开展方向。大型音乐喷泉的科技含量高、设计和制造难度大。目前，我国的大型音乐喷泉技术已日趋成熟,但对小型音乐喷泉的研究较少。小型音乐喷泉存在着协调性能差等缺点。小型音乐喷泉系统适用于住宅小区和酒店厅堂等场所，一个好的音乐喷泉就是一个精美的艺术品，可以美化环境、愉悦身心，而其控制系统是整个音乐喷泉的关键。对小型音乐喷泉控制系统的研究具有很大的经济效益和社会效益。 花式喷泉控制的开展现状目前的水景喷泉一般包括：固定水景、时控喷泉、程控喷泉、声控喷泉

15、、音乐喷泉5类，控制方式复杂程度由低到高。固定水景喷泉是由电磁阀依次顺序开闭来控制一长列喷嘴而产生的动态水形。假设采用放射式控制，势必需要大量电缆线路和控制设备。所以一般采用“一线控制技术，在一条控制线给及一条电源线上可以连结2048个以内的数控电磁阀；时控喷泉运用定时器控制固定水型的定时切换，此种喷泉控制简单，造价低；程控喷泉控制系统采用可编程序控制技术，定时程序来变化各种水形组合。水泵可以用开关控制，也可用变频控制来改变其水压。假设加上彩色灯光便成为“彩色程控喷泉；声控喷泉控制系统包括声音信号采集转换器和可编程序控制技术可使水型随着音乐声音的强弱变化上下起伏，控制程序控制水型定时切换；音乐

16、喷泉控制系统集合音乐控制、可编程序控制、人工智能控制技术，综合当今国际上最流行的先进科技成果，是一种工业现场控制系统。音乐喷泉控制系统的上位机是多媒体工业PC机组成的现场控制系统,能实现全程实时音控，能自行识别乐曲旋律、节奏、乐感和音频的强弱度。该系统有音频与水形的同步功能，有方便的操作界面和编配乐曲功能。另外在当今喷泉领域中还存在各种趣味、瀑布及超高喷泉等，需要采用专门的控制系统。例如：光控踏泉控制器、迷宫喷泉控制器、环形跳泉控制器等。同时，对于大型的广场音乐喷泉往往需要配置监控系统。这对喷泉调试和运行维护都有很大好处。对应于不同的喷泉类型，控制方式也有所不同。1)手动控制方式在水景设备运行

17、后，喷水姿态固定不变，一般只需设置必要的手动调节阀，待喷水姿态调节完以后就不再变换；2)时间继电器控制方式设置多台水泵或用电磁阀、气动阀、电动阀等控制各组喷头，利用时间继电器控制水泵、电磁阀、气动阀或电动阀的开关，从而实现各组喷头的姿态变换。照明灯具的色彩和照度也可同样实现变换；3)音响控制方式在各组喷头的给水干管上设置电磁阀或电动调节阀，将各种音响的频率上下或声音的强弱转换成电信号，控制电磁阀的开关或电动调节阀的开启度，从而实现喷水姿态的变换。简易音响控制法：在一个磁带上同时录上音乐信号和控制信号。为使音乐与水姿同步变化，应根据管道布置情况，使控制信号超前音乐信号一定的时间。在播放音乐的同时

18、，控制信号转换成电气信号，控制和调节电磁阀的开关、电动调节阀的开启度、水泵的转速等，从而到达变换喷水姿态的目的。间接音响控制法：利用同步调节装置控制音响系统和喷水、照明系统谐调运行。音响系统可采用磁带放音，喷水和照明系统采用程序带、逻辑回路和控制装置进行调节和控制。直接音响控制法：直接音响控制法是利用各种外部声源，经声波转换器变换成电信号，再经同步装置协调后控制喷水和照明的变换运行。4混合控制法对于大、中型水景，让一局部喷头的喷水姿态和照明灯具的色彩和强度固定不变，而将其他喷头和灯具分成假设干组，使用时间继电器使各组喷头和灯具按一定时间间隔轮流喷水和照明，在任意一组喷头和灯具工作时，再利用音响

19、控制喷水姿态、照明的色彩和强度的变换。这样就可使喷水随着音乐的旋律而舞动，使照明随着音乐的旋律而变换，形成变化万千的水景姿态。 本课题的研究意义国内在20世纪80年代，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。改革开放以来，随着国民经济的开展，人民生活水平的提高，结合当时先进的单片机、通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出了一批喷泉水景。但传统的喷泉控制一旦设计好控制电路，就不能随意改变喷水把戏及喷水时间。假设采用PLC控制，利用PLC体积小、功能强、可靠性高，且具有较大的灵活性和可扩展性的特点，通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关，就

20、可以改变花式喷泉的喷水规律，从而变换出各式把戏，以适应不同季节、不同场合的喷水要求。2 PLC概述 可编程控制器简介可编程控制器PCProgrammable Controller又称可编程逻辑控制器PLCProgrammable Logic Controller，是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的根底上开展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为根底

21、的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。PLC现已成为现代工业控制三大支柱PLC、CAD/CAM、ROBOT之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备告诉计数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电接触控制系统在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用。PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。 可编程控制器硬件组成可编程控制器的硬件由微处理器、存储器

22、、I/O接口电路、电源、扩展接口、外设接口及编程器等组成。各局部通过总线电源总线、地址总线、数据总线连接而成。图1为可编程控制器的硬件简化框图。 图1 可编程控制器的硬件简化框图 PLC的主要功能PLC是一种应用面很广、开展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。PLC系统主要有以下功能：1) 多种控制功能；2) 数据采集、存储与处理功能；3) 通信联网功能；4) 输入、输出接口调理功能；5) 人机界面功能；6) 编程、调试功能。PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。

23、另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临现场总线的开展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。3系统整体方案设计 花式喷泉控制方案分析方案：四组喷头交替喷水此方案共四组喷头，除1号喷头外，其余三组每组的4个喷头都由环形管道连接，每次喷水，同一组的喷头同时喷水，喷泉具体布局见图2。图2 四组喷头示意图图2中1号喷头喷出的水柱为4组喷头中最大，喷射高度为4组喷头最高为8m。2号喷头喷出的水柱为比1号喷头水柱略小，所喷高度比1号的略低，所喷高度为6m。3号喷头所喷出的水柱比2号的水柱小，高度低，所喷高度为4m。4号喷头所喷水柱为4组中水柱最小，所喷高

24、度最低，为2m。 花式喷泉控制要求图3 花式喷泉控制面板(1) 喷泉喷水方式由把戏选择开关决定，现考虑3种喷水把戏； (2) 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。(3) 花式选择开关在位置1时，按下启动按钮后，喷头1、2、3、4间隔2秒依次喷水，之后一起喷水5秒后停止4秒，再按4、3、2、1的次序间隔2秒依次喷水，一起喷水5秒后停止4秒。以此规律循环，直到按下停止按钮。(4) 花式选择开关在位置2时，按下启动按钮后，喷头1、3同时喷水，4秒后停止，然后喷头2、4喷水，4秒后停止，交替运行5次后，喷头1、2、3、4一起喷水，20秒后停止。以此规律循环，直到按下

25、停止按钮。(5) 花式选择开关在位置3时，按下启动按钮后，喷头按1、2、3、4、4、3、2、1的次序轮流间隔2秒喷水一次，然后一起间隔2秒齐喷两次，之后1、3号喷头同时间隔2秒喷两次，再到2、4号喷头同时间隔2秒喷两次，然后一起间隔2秒齐喷两次，最后全部喷30秒停止。以此规律循环，直到按下停止按钮。 PLC的选择现在应用最广泛的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、范围广、本钱低、适用面广但是数据处理比西门子弱。西门子PLC性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。欧姆龙PLC欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求，东欧的老机床器件符

26、号输进去好多都不认，按它的标准老图的标示都要变很不方便。松下PLC超小型尺寸，轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何电缆。从I/O10点到最大I/O128点的选择空间。本设计需要速度快而稳定，同时从价格等方面考虑我们选择三菱PLC，本设计所使用的点数不是太多，所以选择三菱FX1N-40MR型PLC。 喷头的选择 喷头的介绍喷泉喷头也称喷泉喷嘴全部采用铜或不锈钢制作，这样具有黄金的色彩或银光闪闪，喷头显得豪华气派。其工艺精巧美观，结构合理，性能高效节能。其中常用的有：可调直流喷头、半球形喷头、树冰形喷头、礼花喷头、涌泉喷头、加气喷头、直上喷头等产品系列。 喷头的选择方案(1) 第1组

27、喷头的选择第1组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以第1组喷头选择直上喷头。直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次清楚、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。该喷头也叫中心喷头。可调节射流的方向。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图4所示。图4 直上喷头实物图及安装简图(2) 第2组喷头的选择第2组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比第1组所喷出的水柱稍细比第1组所喷的水柱要低。所以第2组选择可调直流喷头。可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷

28、泉的必备喷头，这种喷头装有球形接头，可沿垂直方向向15度进行调节。可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果，射流的上下和角度的变化，可根据水池形状大小决定。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图5所示。图5 可调直流喷头实物图及安装简图(3) 第3组喷头的选择第3组喷头应该比第2组喷头喷射高度略低比第4组略高，所喷水柱比第4组水柱略粗壮、挺拔。所以第3组喷头选择树冰形喷头。树冰形喷头喷水时外观效果庞大饱满，粗壮挺拔，抗风力较强。喷头安装在导流筒上端与水面齐平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图6所示。图6 树冰形喷头实物图及安装简图(4) 第4组喷头的选择第4组位于该喷泉

29、的最外侧，水柱所喷高度应该最低，水量应该较大，择所喷水柱比拟灵动。所以选择涌泉喷头。涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，水沫轻溅，古朴灵动。加气喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生饱满的射流，喷出的水柱呈白色不透明状，反光效果好。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图7所示。图7 涌泉喷头实物图及安装简图3.5 水泵的选择方案水泵的种类根据不同的要求，分类比拟多；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、性价比等来选择适宜自己水泵。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

30、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，并且到达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QY型油浸式潜水泵。QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三局部组成。电泵的上端，多为离心式水泵；下端为三相鼠笼立式异部电动机。电机全部采用优质整圆硅钢片，效率高，耗电少。使用条件是潜水深度不超过5米，水温不超过+40。流量：10300(m/h)，扬程：4110(m)。很适合用于本设计的要求。3.6 阀的选择方案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、水下数控阀等。本设计的喷泉采用PLC

31、控制同时在工作时会接触水，所以选择DC24V水用电磁阀。如图8所示。 图8 水用电磁阀4系统软件设计 4.1 花式喷泉的运行流程图设计图9 花式喷泉的运行流程图如图9，通电后，进入工作状态。因为旋转按钮共三种喷水把戏可供选择，不管旋到哪个位置，逻辑状态都是1，处于保持通电状态，所以只看启动按钮的通断。如按下启动按钮，喷泉装置运行，假设不按，那么回到初始状态。按下启动按钮后，喷泉按照设定的程序开始运行。如果不按停止按钮，系统那么按照选择的把戏一直运行直到按下停止按钮。4.2 花式喷泉控制原理设计梯形图由于其编程简单、使用方便等优点，受到很多技术人员的青睐，但在一些工艺流程控制方面，还存在一下缺点

32、：1自锁、互锁等连锁关系设计复杂、易出错、检查麻烦。2难以直接看出具体工艺控制流程及任务。状态转移图也称为顺序功能图，它不仅具有程序流程图方便、直观、易读等优点，而且能够处理复杂控制系统中的逻辑关系。 因此此设计选择用顺序功能图编程。喷泉控制系统由启动控制程序、复位控制程序、驱动控制程序组成。通过复位控制程序和时间继电器实现喷泉把戏的循环，通过驱动控制程序实现喷泉的喷射。4.3 花式喷泉PLC控制接线图设计图10 花式喷泉PLC硬件接线图4.4 花式喷泉PLC控制输入输出点分配设计根据该喷泉的开始、停止以及3种花式选择，需要用到五个开关，这五个开关分别接到PLC的五个输入口上。而1、2、3、4

33、四组喷泉口需要用到四组水用电磁阀，这四组电磁阀需要接到PLC的四个输出口上。表1为它们所对应的I/O接口。表1 花式喷泉PLC控制输入输出点分配名称元件PLC口输入起动按钮SB1X0停止按钮SB2X1花式开关位置1SA1X2花式开关位置2SA2X3花式开关位置3SA3X4输出1号喷头电磁阀KM1Y02号喷头电磁阀KM2Y13号喷头电磁阀KM3Y24号喷头电磁阀KM4Y34.5 梯形图设计为了解决运用可编程控制器(PLC)的根本逻辑指令编写顺序控制梯形图时所存在的编程复杂、不易理解等问题，而采用顺序功能图(SFC)来编写是一种非常有效的方法，该方法具有编程简单而且直观等特点。本设计采用顺序功能图

34、(SFC)的方法编写其控制梯形图，与应用根本逻辑指令相比，从编程结果可以看出，程序简单、直观、逻辑性强，提高编程的效率。与梯形图相比简单，出现错误时更容易检查。本设计借助三菱PLC编程软件来完成编程。(1) 如图11所示为按下启动按钮X0后，状态器S0被激活。 图11 系统启动程序图 (2) 如图12所示，X2为花式1选择开关，当X2接通且启动按钮X0按下时，状态器S20被激活，Y0得电，同时时间继电器T0开始计时，2秒后T0常开触点接通。 图12 X2接通花式1开始运行 图13 计数器的作用(3) 如图13所示，运用计数器C0可以实现花式2的1、3号与2、4号喷头的交替喷水。状态器S40激活时，Y0、Y2得电，1号和3号喷头的电磁阀导通，1、3号喷头同时喷出水柱；四秒后T0触点接通，2、4号喷头同时喷水，且计数器C0计数一次。C0未达5次且T1触点接通时，此状态返回到S40，以此循环。当C0计数为5且T1触点接通时才转换到下一个状态。图14 震荡电路(4) 如图14所示，此编程法可以实现喷头1、2、3、4 喷水两次。时间继电器T8得电，1秒后T8常开触点闭合，时间继电器T9得电，同时全部喷头喷水一次，计数器C1计数一次；1秒后T9常闭触点断