【《基于三菱PLC的花样喷泉控制系统设计》12000字（论文）】

第第页基于三菱PLC的花样喷泉控制系统设计摘要随着人工智能控制技术的持续发展,观赏性喷泉设计已经被广泛普及到各种场合,而新型花样喷泉与PLC控制技术的应用也更加普遍,这就使得更多的控制电路需要由PLC控制器来完成,同时PLC控制系统正朝着智能化、标准化、模块化、通信网络化的目标不断更新。本课题的核心要求是利用三菱的PLC去设计花样喷泉控制系统。本次设计的控制方式主要有两种:一种就是固定程序控制模式,利用PLC高性能的控制能力,加入多种花样模式循环运行。另外还有一种控制喷泉的方法就是根据音乐的音量控制喷泉的高低，采用的方法就是在利用PLC的模拟量拓展模块把音乐信号转换成电压值，再输入到变频器控制去水泵转速。控制水泵的转速从而实现喷射时水的高低变化。本课题设计通过对花样喷泉控制系统的整个总体功能和使用情况进行了分析。讲述花样喷泉控制系统的软硬件组成部分的工作原理。同时对其软硬件模块的使用方案选用和设计,并简要介绍了PLC可编程控制技术和变频控制技术,还对喷泉设计的两种控制方式进行了程序的编写和仿真。关键词：花样喷泉，可编程控制器，变频器目录TOC\o"1-1"\h\u15078摘要 I32744Abstract II18761绪论 1124531.1本课题要研究目的及意义 1279431.2花样喷泉的发展现状 1268042花样喷泉控制系统设计方案确定 349922.1控制系统设计要求 378092.2控制系统设计方案选择 4313113花样喷泉控制系统硬件设计 5222603.1PLC简介 5311793.1.1PLC的发展 531043.1.2PLC的特点 6135733.2PLC选型 7269703.3水泵电机的选择 849273.4变频器的选择 913033.4.1变频器的参数设置 10216113.5花样喷泉喷头的选择 10239414软件介绍及程序设计 12276204.1软件介绍 12222624.2系统程序运行流程图 13229454.3花样喷泉控制系统电路图 14129674.4花样喷泉控制系统的I/O分配 16159894.4系统程序设计 17267834.5系统程序的仿真 2326052参考文献 3025909附录：梯形图程序 311绪论1.1本课题要研究目的及意义本课题的主要研究对象是花样喷泉控制系统。采用PLC控制器来作为花样的喷泉自动控制系统,具有操作便捷、抗干扰能力强、控制步骤简单和编程简易等诸多优点。若是有改动喷泉的花样及喷水模式需要,不必对其进行很大的调整,只需相应地修改一个部分控制程序,从而达到控制的需求。多花样的喷泉由于形式多样,常常都认为能够充分有效吸引众多游客和调动人们的注意力,喷泉又极大地可以增加了水的流动性，为炎热的夏天添加一丝凉意。花样喷泉也已逐渐成为了现代人们设计建造各种大型休闲娱乐活动广场所需时必须的一种设施。这些控制便捷、设计种类繁多、价格低廉的设计喷泉逐渐发展起来，成为城市规划师的首选。现今,多种不同花样喷泉的研发生产与设计制造上,延用了一些过去方案,结合了一些现代新功能,正日益快速发展的已成为人们艺术观赏或是因为出于对环境的一种追求。因此,花样喷泉控制系统具有一定的发展和研究意义REF_Ref19580\r\h[3]。本次设计的花样喷泉是一种以花样和音乐相互组合的喷泉,花样喷泉是采用现代控制技术的人造喷泉。此次花样喷泉我们设计了两种喷水模式,通过PLC结合变频器的控制方式来改变喷水模式。随着PLC控制技术的进步与发展,可编程控制器及其变频器等技术已经在花样喷泉控制系统中起到了不可取代的重要作用。PLC控制单元是一种体积小、功能多、可靠度高、具有很好的操作灵活性及良好的可拓展性。同时利用变频器的功能,可以轻松地实现对水泵速度快慢的控制。通过这两项技术结合可以使花样喷泉实现各种花样模式转换,和喷泉与音乐节拍的随动，使我们的生活环境随花样喷泉的加入变得越来越恰意。此次花样喷泉控制系统采用三菱的GX编程软件设计,涉及梯形图编程软件的使用,软件自带仿真插件的使用,需要用AutoCAD绘制电气原理图,需要用windowsoffice进行论文的编写,同时涉及到软硬件的选型计算,即考察了软件的使用,又对大学期间的各种科目进行复习，全面、系统地深入学习几年大学专业的课程,无论后期是否从事本专业的工作,都是有益的促进和锻炼。1.2花样喷泉的发展现状花样喷泉具有非常重要的艺术观赏价值和现代科学技术研究应用意义。这种奇特的人工水景观已经出现在中国许多城市各角落,普遍的应用到居民区和公园中。喷泉从历史上可追溯至中国古代文化历史东周前半期,在巴比伦空中花园中已经建有了这座喷泉REF_Ref18934\r\h[1]。然而,二十世纪三十年代左右,德国的发明家奥图皮士特第一次在国际上提出了这种花样式喷泉的设计概念。起初,他建造了一些小型的喷泉仅在一些百货商店和小型餐馆里流行。经过多年的不断探索、改造和升级,花样式喷泉在其设计和结构上已经变得更加先进、更便捷。国内的发展现状自上世纪八十年代以前,喷泉仅仅应用于中国各地的作物灌溉和给排水，在景观设计中并不存在太多花样模式。国内的喷泉从软件的设计开始到最终产品生产,还未出现相应的供应链,只有在博物馆、展厅等大型场所里,我们才可以看到少部分的喷泉出现,而且质量参差不齐。直到随着近年来我国经济体制改革和对外开放政策的不断推进和实施,二十世纪八十年代中期,我国还先后引进、设计、修建了一批具有花样模式的喷泉,以加入音乐为主要特色的喷泉,对于美化环境、活跃现代人们的思想和文化生活都起到了很好的促进作用。目前,与国外企业相比,我国的音乐喷泉制造厂所生产出来的各类音乐喷泉技术水平及质量相比还是仍然较落后。其原因就是,水、声、光、电等的同步效果,还远远未能做到位。随着现代文化的发展,喷泉的加入已成为改进生态环境、完善人文建筑的主要手段。喷泉在设计和制作过程中随着PLC的加入,也发挥出比较丰富多元化的特点。喷泉已经能够和各种环境布置结合在一起,如艺术雕塑作品、水潭等各种天然和人文的景观。它们配备PLC控制器、变频器、水泵系统等,可以设计出各种喷泉的花样模式。以水幕喷泉、旱地喷泉、跑动喷泉为特征的各种新型喷泉不断涌现,已成为城市景观中颇具影响力的景象。至今为止,国内外对喷泉的控制方法已经逐步发展出以下几种主要的方式:程控方式:程控喷泉按预先编程的程序执行。其主要工作原理是利用程序去控制交流接触器向喷泉水泵电机发出开闭控制信号，多个程序根据预设顺序执行，使得喷泉能够实现各种花样之间的切换。具有反应快、灵敏度高和稳定性强等特点。该套系统的拓展性强、抗干扰能力强、控制性能优异,能抵抗振动、冲击、粉末和冷热变化。同时，模块化架构的加入可以精简化系统的维保和拓展目的。声控模式:声控模式主要是喷泉根据音乐信号来控制喷射高低的节奏。目前已经开始逐渐流行。其主要工作原理就是实时从各种音乐播放器中采集声学信号和模拟音频信号,通过处理转换,根据不同音乐的频率及其节拍情况来选择和控制喷泉的喷射。与其他程控模式相比,在增设一首新歌曲的同时,在不需要改变其原有的控制程序时,可以直接达到对相应歌曲的控制。但由于我们需要对歌曲进行实时的采集,在被采集后还会因为需要对其数据进行分析和处理再输出,再加之中间管线的传递,很容易导致喷水速度不能够同步于整个音乐。变频器控制的方式:变频器控制是自动控制系统里经常出现的一种控制手段。随着对喷泉自动控制系统也正经历着不断的探索与改造,成熟的变频器控制理论与方法被加入到了喷泉自动控制系统中。而且变频器技术在喷泉自动控制系统中的实际运行应用也日趋成熟,并逐步发展到了成为自动水泵控制调速的一种主要手段。变频器自动控制系统的出现和应用将给大型喷泉加入了许多颜色,将音乐添加到其中,使得喷泉的声波喷射高度随着声波信号的长短而有所变化,从而把音乐、喷水融为了一体,演绎出音符带来的视觉冲击。因此,音乐喷泉采用变频调速系统技术在我国市场上具有非常好的应用和发展前景。2花样喷泉控制系统设计方案确定2.1控制系统设计要求本次花样喷泉的控制系统设计主要采用两种操作模式:一种是固定花样的控制模式和一种是音乐的控制模式。固定花样的控制方法;本次设计有固定花样模式,通过PLC控制水泵电机,使得程序能够操纵喷泉出水方式，从而达到了有顺序地转换喷泉的出水花样。控制基础要求，按下花样模式启动键,喷泉设备控制器开始运行工作,从Y0→Y8间隔两秒的顺序连续进行喷射后，全部一起保持喷射两秒后全部停止，再从Y0→Y8间隔三秒间歇喷射再全部一起喷射。如果转换开关选择单步时，这时喷泉运行一次循环则停止。如果转换选择开关连续时，则喷泉系统循环运行，若按下停止按钮则无论什么模式都停止。音乐控制方式:按下音乐模式启动开关,PLC启动变频器将音频信号通过AD/DA模拟量模块转换处理后,输出0-10V的数字量电压至变频器,变频器设置为0-10V控制模式,对应输出0-50Hz频率,变频器根据模拟量信号,输出对应的频率来控制电机的转速及喷水扬程,达到音乐控制效果REF_Ref19721\r\h[5]。图2-1为喷泉平面示意图，Y0-Y8喷头如图所示图2-1喷泉平面示意图

2.2控制系统设计方案选择本次花样喷泉控制系统是以花样的形式加入音乐的设计方案,主要有两种可供选择。方案一:采用单片机为控制系统，该控制系统是由一个单片机、转换电路和变频器组成。将音频信号进行转换而成为一个汇编控制程序并将其输入到单片机控制,事先根据花样的设计类型和方式的变化,通过控制电磁阀的开启和关闭形成变化,其特点在于集成度好;强大的控制功能,对步进电机和伺服电机的模拟量处理和高精度控制都非常出色;优异的稳定性,即使长时间工作也不会出现故障,但是单片机对环境的要求比PLC高,而花样喷泉系统的工作环境相对恶劣。考虑到环境的稳定性,单片机不是最理想的方案。方案二:采用可编程控制器（PLC）为控制系统，该控制系统是由PLC控制器、模拟量拓展模块和变频器构成。利用PLC对喷泉预先设置加入花样变化,通过电磁阀的开闭形成喷泉花样的变化,音乐花样模式下通过变频器控制水压高低,其原理是将音频信号通过PLC拓展模拟量模块转换处理后,输出到变频器,利用变频器设置为模拟量电压控制模式,当接收到音频信号后,变频器根据模拟量信号,输出对应的频率来控制电机的转速及喷水扬尘,其工作原理和单片机大体上类似，但是PLC对环境的要求相较于单片机而言较低,花样喷泉系统工作的环境较为恶劣,PLC能够提供更加稳定的运行,PLC拓展性也易于单片机,编程语言更加简便明确。鉴于上述二个方案的分析比较,本次我们设计的花样喷泉的系统采用PLC系统。其作为本次花样喷泉系统的核心设备,其优点主要在于,其一在喷泉的工作环境一般都比较恶劣,但PLC系统在恶劣环境下的稳定性能十分优异,适合喷泉环境的使用,相比较而言单片机对工作环境的要求就较高,无法满足喷泉在工作时的复杂环境;其二PLC可以实现复杂的逻辑运算处理,完全可以满足控制系统的逻辑运算处理,并且在布线方面使用线束的数量和复杂程度相比较继电器控制而言十分的简便,将继电器以编辑的方式在写入PLC内部同时输出点控制交流接触器和负载,也方便了后期使用的检修和维护。其三PLC具有很好的兼容性,对后期设备升级更新有巨大的帮助,主要表现在PLC可以无数次的删除和修改内部的逻辑运算处理程序,通过我们编写不同的程序实现不同的模式控制,然而单片机却不具备这样的优势,单片机属于批量生产的标准化控制模块,只有同批次大规模运用到设备上成本才能和PLC相媲美,花样喷泉设备并不是大规模的设备也不是标准化工业设备,故而PLC更适合运用到花样喷泉设备的控制。

3花样喷泉控制系统硬件设计3.1PLC简介3.1.1PLC的发展PLC控制系统，又称可编程逻辑控制器（PLC），1969年在通用汽车公司的要求下，世界上第一台PLC被开发出来。在通用汽车公司生产线上成功应用，取得了满意的成绩,PLC自此诞生。在之后的几十年里，PLC是在中央微处理器和超大规模微型电路等微电子技术基础上发展起来的一种新型控制器，不断取得高质量的突破。不仅在功能、体积、可靠性上取得了长足的发展，而且也实现了远程控制和网络通信。自PLC产生以来,生产厂商不断涌现,PLC的品种也是层出不穷,目前,全球有近200家大大小小的PLC生产厂家,已开发出各种型号的数千种产品。按地域划分可分为三个系,欧系、美系、和日韩系。欧系的代表为法国的施耐德和瑞士的ABB以及德国的西门子,美系的代表为通用电气公司的和艾伦-布拉德利公司的,日韩的代表则为三菱、LG和欧姆龙。此外,PLC的市面上还有国内的台达合利时、浙江中控的产品。自PLC问世以来,显示出了巨大的生命力和巨大的工业市场前景,并保持着高速增长的趋势。在工业控制自动化的范畴,PLC一直都是行业内的不二之选,它为广泛的自动化控制设备提供了非常可靠的控制解决方案。经过长期的发展,现代可编程控制器在功能、标准化、专业化和扩展方面有了显著的提高[17]。自改革开放以来,国内的工业自动化水平正在突飞猛进,传统的继电器和接触器控制已不能满足工业现场控制的需求,这给了PLC巨大的发展前景,同时也让PLC在工业上的应用也越来越成熟。但是,目前国内控制器市场上,主流的控制器为欧美国家和日本的PLC控制器,国内的科研单位和厂商也不断积极研制和生产，但是国产的PLC产品发展相对来说还不够成熟,还有很长一段路要走。3.1.2PLC的组成PLC的组成和常用的计算机内部结构上大体一致，分别是由硬件和软件系统两个部分构成。而PLC硬件系统由中央处理器、输入输出设备、储存器、电源等构成；软件系统的构成则是系统程序和应用程序。（1）中央处理器中央处理器CPU是PLC的大脑，一切的操作都需要经过CPU进行处理分配后进行输入或输出，主要用来处理指令和数据、执行操作和控制时间。（2）存储器PLC是一种工业控制微型计算机，PLC的存储器就相对于人类的胃部，用来存放程序和指令，PLC硬件存储器的类型分两种：ROM内存包括编程系统、指令程序和应用程序程序。RAM内存用于存储程序和数据。(3)输入输出设备PLC的输入设备类似人类的眼睛而输出设备既是手脚，PLC输入设备有传感器、开关和按钮等各种外部设备，可以读出各种数字量和模拟量，如电压、电流、流量、速度等。输出设备则是将用户操作的信号转换为数字量或模拟量，以控制输出的设备。(4)电源电源是PLC硬件系统中至关重要的一环。电压主要给中央处理器、输入设备和输出设备供电。PLC的电源都是高精密的开关型电源；在重要应用场合通常用UPS作为备用电源。编程器编程器是PLC控制系统和用户交互的重要途径，用户可以利用编程器对程序进行编辑、修改以及调试，还可以在线监视PLC当前运行状态。3.1.3PLC的特点PLC属于一种小型计算机，通常应用在工业自动控制中，实际是专门为工业控制诞生的一种控制系统。目前需要可靠稳定运行的控制系统大多采用PLC控制，特别现在在智能化和高性能追求下更为普遍使用。PLC控制系统的优点如下：可靠性高工业控制系统作业环境一般都比较恶劣,但PLC系统在恶劣环境下的稳定性能十分优异,PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施。在硬件方面，采用光耦合器和阻容滤波电路提高了抗干扰能力；同时采用了良好的屏蔽手段，对电源和输入/输出电路进行各种类型的过滤、隔离和输出的阻断。在软件方面，有一定的自我诊断和信息保护及恢复程序。编程方法简单易学现在大多数PLC都采用梯形图编程。它延续了传统的电气控制电路表达方式，思路清晰直观，兼顾了大多数电气技术人员的惯性思维和程序编写能力，相当轻松就能掌握。电气技术人员可以阅读PLC相关模块的编程使用手册，就基本上可以使用梯形图进行程序的编写。硬件配套齐全，通用性强在过往的传统控制电路系统中，都是由大量的继电器控制，在设计和安装的过程中需要耗费大量的人力物力，而且在后期需要更改原来的方案时，则会将原来的方案控制系统全部拆除导致前功尽弃。而采用PLC去作为控制系统，当控制需求发生变化和更新的情况下，对硬件系统进行极少量的线路变更，软件只需对程序进行调整即可满足要求。只要轻微改动程序，就能满足不同的控制需求，兼备极高的灵活性和通用性。因此，PLC不仅可使用于单机控制，也可以普遍使用于工业自动化。功能丰富PLC拥有丰富的信息处理指令系统和内部存储信息的装置。有几十上百条指令，可以处理各种逻辑问题，也可以运算各种类型的数据。它的内部设备，即存储器中的数据存储区，样式齐全，容量大。它的I/O继电器可以用来存储输入和输出信息。这意味着可以对输入/输出信息进行大范围的转换控制。3.2PLC选型目前市场上PLC的系列有很多,分类方法也有很多种。每个厂家有不同的型号和不同的类型。以三菱PLC的FX系列和西门子PLC的S7-200系列在国内的应用最多,约占百分之七十左右[11]。不同类型的PLC控制器在结构类型、性能、编程语言、指令调用和价格等方面有所不同，其使用侧重点也不一样。所以，正确地选用PLC控制器对于改善控制系统的技术应用至关重要。PLC进行型号选用时,应对性能和价格之间权衡。在权衡其经济性时,另一方面需权衡所使用的控制器对其扩充性、可行性、编程的语言、I/O点数、电源模块、存储器的容量、经济性多种影响因素,进行综合分析和兼顾,最终选出较理想的型号。选择时应主要考虑到以下几点:I/O点数的选择在软件工程设计中首先我们需要深入考虑的关键问题之一那就是系统I/O点的确定,它不仅直接关系决定了整个系统的整体硬件结构设计,而且也是编程设计的前提。根据控制系统设计需求，确定控制系统的所有输入设备（如:行程开关，接近开关，按钮等）和输出设备（如:继电器、电磁阀、接触器等），从而确定与控制系统的I/O点数。plc的高端产品价格还比较高在满足控制要求的前提下合理地确定选用I/O的点的数目力求最低，不过注意是在能够剩余相当的余量前提下。一般会依据被控对象输入输出信号的实际需求，通过加5%～10%裕量来确定I/O点数REF_Ref19721\r\h[4]。存储器的选择由于集成芯片技术的飞速进步和不断发展,随着存储器的产能提升,PLC控制器的储存器内存也更多了。PLC的存储器有两种其中有系统储存和程序存储器。系统存储器用于存放PLC的系统自带的指令程序,程序存储器用于用户存放控制系统的程序。所以控制系统的程序需小于程序储存器的容量,故为了能够保证各种大应用程序项目的正常工作进行,一般需要PLC的随机容量较大,按128个I/0点最低选4K容量的存储器。如果需要设计一个复杂的操作系统时，应选择更高的容量和内存级别。编程语言的选择目前，市场上PLC品牌繁多，根据编程语言分类方式也有很多种，各厂家的型号不同，指令也不同，以三菱PLC的FX系列和西门子PLC的S7-200系列在国内的应用最多，约占百分之七十左右，在编程理念上它们存在着一定的区别，三菱PLC来自日本厂家设计的，在编程风格上相对比较直观简约，三菱指令相对充分，具有特殊的定位指令，易于实现伺服和步进控制REF_Ref26167\r\h[10]。可以完成一些繁琐的动作控制也是它的强项，但西门子在这部分较为薄弱。综合以上几点考虑本次的花样喷泉系统采用4个输入点，11个输出点，并且考虑到后期的控制要求升级方面的需求，必须预留一定的接口，但是接口也不宜过多，故而选择32个输入输出接口的PLC产品为宜，另根据自身在校期间所学习的相关专业知识，最终选择三菱继电器输出型FX系列的PLC产品FX3U-64MR，其I/O总点数为64，其中输入点和输出点均为32个。3.3水泵电机的选择喷泉水泵电机应满足快速、准确地启动和停止以及高效率的要求，而且其功率输出必须精确可调。同时对水泵的扬程、流量、能耗比、性价比和应用场景考虑,本次设计采用了特殊的QSP型喷泉泵，是一种主要用于花样喷泉的新型特殊喷泉泵。同时可以应用水产养殖、水源抽送、耕地浇灌、酒店喷泉和音乐喷泉等场所。本次花样喷泉系统的预设扬程为5米左右,流量约为每小时为30立方米,所以本次选用水泵型号为QSP40-6-1.1。QSP型水泵有以下几个特点:泵体采用合金防锈材质,可以有效提高耐侵蚀性和耐用性。叶轮采用防松动技术，有效的避免在旋转中叶轮脱落。具有稳固漏电防范措施,利用电位接地装置,进一步提高喷泉泵安全性能。根据喷泉泵的使用需求，在技术上不断的研究,不断改进电机令喷泉泵可以经常启停,可以适应在喷泉控制系统中。该泵具有过滤功能，加入一个金属防护罩，很好地阻止了粗大的颗粒进入泵腔。该泵电机是自循环水冷的，具有自动补水功能，不会造成水源污染。型号额定流量额定扬程额定功率出水口径QPS40M³/h6M1.1KW80表3.1QSP型水泵参数

3.4变频器的选择本次设计的花样喷泉控制系统中,由于控制系统中加入了音乐的控制,需要通过变频器来控制喷泉流量的大小以达到喷泉随音乐跳动。在喷泉系统中通过改变水泵电机的电源频率从而实现对流量的控制,改变的原理是电源的频率和水泵压力成一定的线性关系,频率低水压大,频率高水压低。通用变频器的选用的原则是:第一，其支持的功能可满足控制负载的需求；第二，在性能和价格之间有良好的权衡。一般变频器类型的选择主要是受负载的特性影响，典型的负载有恒转矩负载、平方降转矩负载和恒功率负载，平方降转矩负载即风机水泵。选择时一般可以选择具有该相应特性专门功能的变频器[28]。本控制系统的变频器需要控制的负载是喷泉泵，属于泵类负载REF_Ref28620\r\h[8]。为此，选择了支持平方降转矩负载的三菱FR-F700型号的变频器，FR-F700变频器是专门为风机和水泵负载设计的。其特点如下:容量范围:0.4～7.5KW;自带节能运行功能;采用长寿命元器件;内置Modbus-RTU协议;内置智能输入输出端子分配功能;具有电动机过热保护;带安全停止功能电网电压自动稳压功能；

3.4.1变频器的参数设置为了正常的调用变频器，使用前需根据三菱FR-R700说明书，进行相应的参数设定，具体参数如表3-2：参数设定值说明Pr.150电机设定频率上限为50HZPr.210电机设定频率下限为10HZPr.75电机加速时间设定为0.5sPr.85电机减速时间设定为0.5sPr.730选择设定范围输入0～10VPr.793外部模式Pr.592设定由端子控制变频器的运行Pr.781不允许反转表3-2变频器的参数设定3.5花样喷泉喷头的选择通过对喷泉平面图的设计，综合控制要求，确定1号喷头的类型是礼花喷头，2到8号喷头均为万向直射型喷头。下面对各类喷头作简要介绍：如图3-1为礼花喷头的尺寸参考和效果图，礼花喷头是多孔散射喷头的另一种，又称莲蓬喷头。由于他与花柱喷头的构造稍有不同，喷出的水姿与花柱有区别,他的喷水造型如正在燃放的礼花,造型美观、安装方便，适用于各种场合的喷水池中REF_Ref8824\r\h[16]。图3-1礼花喷头如图3-2为万向直射喷头的尺寸参考和效果图，万向直射喷头是单喷嘴,直射流。水柱晶莹透明，线条明快流畅。射线轴线可以作为正负10度的调节,安装调试灵活方便,组成图案的能力强REF_Ref8824\r\h[16]。图3-2万向直射喷头

4软件介绍及程序设计4.1花样喷泉控制系统主电路图图4-2为主电路图，根据控制系统要求，通过AUTOCAD绘制的变频器和水泵接线图。图4-2主电路4.2系统程序运行流程图电电源启动花样模式停止结束连续音乐模式停止结束连续图图4-1运行流程图花样模式：花样模式下，按下启动键,喷泉设备控制器开始运行工作,从Y0→Y8间隔2S的顺序连续进行喷射后保持两秒后全部停止，再从Y0→Y8间歇3S喷射再全部一起喷射。若单步连续开关在单步时，则喷泉系统停止。若单步连续选择开关在连续时，则喷泉系统循环运行下去。按下停止按钮则全部停止。音乐模式：音乐模式下所有喷口都会启动，利用音乐的音频信号对变频器进行控制，即通过音乐信号经过PLC进行AD/DA模拟量转换成0-10v的模拟信号送入变频器模拟量输入接口，再由变频器输出到水泵中，即可以实现音频信号对变频器的控制，从而达到水柱喷射高低随着音乐变化的目的。

4.3花样喷泉控制系统的I/O分配3在控制系统设计之初，应确定和分配输入/输出设备点。PLC控制系统时，有什么信号需要输入PLC，有什么负载需要PLC驱动，用什么编程方式会影响内部输入/输出点的分配。首先，系统需要的输入/输出数量需要明确。其次，需要确定每个控制动作的顺序以及每个控制装置之间的关系。I/O参数的确定是我们进行自动化设备控制的基础工作。只有确定I/O分配才能进行下一步的PLC输入信号硬件的确定,目的明确的进行控制逻辑进行设计，从而编写出符合需要的PLC梯形图。故而在自动化设备的设计之前，和在程序设计的开始，我们首要的工作是明确I/O参数，本次设计的花样喷泉设备控制系统的I/O分配如表4.1:IO表输入功能输出功能X0系统启动Y0喷口1X1花样模式启动Y1喷口2X2音乐模式启动Y2喷口3X3转换开关Y3喷口4Y4喷口5Y5喷口6Y6喷口7Y7喷口8Y10电机1Y11电机2表4-1I/O分配表

4.4花样喷泉控制系统PLC接线图4图4-3为PLC接线图，根据I/O分配表，通过AUTOCAD绘制的PLC接线图。图4-3PLC接线图

4.5系统程序设计图4-1为系统启动程序，启动按下X1控制系统启动M0辅助继电器持续得电，系统需要启动M0后面的才能启动。图4-1启动程序图4-2为系统停止程序，按下X1停止按钮，ZRST复位把指令S0-S100、Y10和Y11全部复位，MOV指令将0传送到Y0-Y8阀全部停止。图4-2停止程序

图4-3为模式选择程序M0接通可以跳转S13和S24，S13步骤是复位位全部阀和电机，此时X2开关可以接通启动花样模式；若选择开关X3则是启动音乐模式。图4-3模式选择的程序

图4-4为花样模式流程中部分的程序，启动电磁阀的同时启动两台电机，然后两秒后接通下一个阀直至Y7。图4-4花样模式程序

图4-5为花样流程跳转程序选择，如果单步连续转换开关关闭即X5常闭闭合，则为单步运行模式，系统会跳至S13；若转换开关打开即X5常开闭合，则为连续运行模式，系统会跳至S14循环运行。图4-5运行结束跳转程序如图4-6为PLC拓展模拟量模块的读取程序，设定拓展模块1-4通道为电压输入，通道1-4平均次数为10次，数字滤波器为0，再把1-4通道的数据存进D0寄存器，D0数据再传送到D4寄存器，得到D4的数值为拓展模块读取到的音频的电压值。图4-6读取程序图4-7为模拟量的转换程序，因为AD采集的模拟量要乘以2.5倍通过DA输出的值才是对应的0-10V,所以运用除法指令得出2.5存进D6寄存器，再将D4中的整数转换成浮点数存到D8中，再运用乘法指令把D8的值乘以2.5倍输出到D10准备输出模拟量。图4-7转换程序图4-8为模拟量模块输出的程序，设定拓展模块1-4通道为电压输出，把D10的数据间隔一秒通过模块的1号通道输出。图4-8输出程序图4-9为音乐模式程序部分程序，当音乐模式启动跳至S26时M8000上电导通两台电机同时启动，Y0-Y7的阀门都打开，这是利用模拟量输出到变频器实现喷泉和音乐随动，同时M8013脉冲指令实现间隔一秒向变频器输入模拟量。图4-9音乐模式程序详细程序请参考附录

4.5系统程序的仿真打开GXWORK2编程软件进入自带的仿真插件。在菜单栏选择调试-模拟开始/停止，在梯形图界面右击登录至监看窗口，此时可以添加需要监看的软元件的。如图4-10所示按下X2花样模式开关运行电机1、2启动，阀一至阀八间隔2S顺序直至全部阀打开后保持5S。图4-10

如图4-11所示阀一至阀八间隔两秒间歇打开后，全部阀打开保持5S。图4-11如图4-13所示按下X3按钮启动音乐模式，电机1、2运行同时阀一至阀八全部打开，电机根据变频器输出频率实现喷泉高低和音乐随动。图4-13

如图4-14为模拟量转换模块的读取和输出程序，根据模拟量模块编程手册输入-10～+10V数字量则是-4000～+4000，输出模块对应数字量-10000～+10000则输出-10～+10V，因此AD采集的模拟量要乘以2.5倍通过DA输出。这里仿真把G10缓存器的值设为4000即模块读取到的值为10V，G10的值传送到D0，D0的值传到D4再进行浮点数转换出来乘以2.5倍输出到D10得到对应数字量1000即10V,再输出到变频器。图4-14

5.调试结果和展望本次设计的花样喷泉控制系统，通过软件自带仿真演示结果显示，系统的启动、停止均能控制，能够实现花样模式下单步和连续循环的切换，音乐模式下的模拟量的读取和输出均能实现。通过程序模拟验证，本次设计基本完成要求。通过分析整个设计并实施的过程，我得出了控制系统以下几点的结论：本次设计采用了三菱的FX3U系列的PLC，具有较大的灵活性和拓展性，后期需要增加喷泉的出水花样只需加以修改程序即可完成，拓展方面PLC有着非常丰富的拓展模块，可以满足不同条件的控制需求。本次设计的喷泉系统在控制系统里相对环境条件较为苛刻，采用PLC设计可较好的提升该系统的稳定性，同时选用的水泵是喷泉专用型，可以满足喷泉系统的一般工作环境的可靠性需求。在此次设计中加入了变频器的使用，利用变频器控制出水量从而能够把音乐和喷水融为了一体,演绎出音符带来的视觉冲击，同时变频器可通过调速以达到能源节约的效果。本设计采用三菱的FX3U和FRF700为主要控制的系统，目前这两种设备在市场而言售价相对较高，在需考虑成本的小型的喷泉上应用不太适合。这次的毕业设计虽然顺利完成了，但是在本论文设计中还有许多控制细节把控制不足，需要结合实际情况继续改善。由于实践经验不足和设备的有限，没有完全考虑到现场的一些流程控制及参数；需要结合实际情况进行调整优化。在未来的花样喷泉系统里，应该向高度整合方向发展，设计一个专门的喷泉控制器可用于一些大小型的喷泉系统，同时开发一款手机软件与其配套控制喷泉，控制器只需控制水泵即可完喷泉的花样的切换和喷水高度的变化。并且可通过软件控制系统的启停，而需要修改喷泉的花样只需用软件即可进行修改。

致谢行文至此，落笔为终，意味着我的大学生活即将落幕，昨天路走来不优秀，但一直在努力，一直在成长。在以后的工作和生活中，我也将秉承桂电"正德厚学、笃行致新"的校训，不忘初心，砥砺前行。目之所及，皆是回忆，心之所向，皆是过往。大学期间，拼搏过也迷茫过，成功过也失败过，有过欢笑也有过泪水。感谢我的论文指导陈宏老师,从论文选题到设计提纲,再到论文定稿，每一个环节都离不开老师的悉心教导。老师严谨的治学态度和渊博的专业知识让我受益匪浅。同时也要感谢大学生涯中每一位教授过我知识和帮助过我的老师。在此，对老师在工作和生活中给予的指导和关心致以最真诚的谢意。感谢我的同学，在设计中提供大量的支持和帮助，因相聚于桂电，相互包容，相互扶持，并肩作战。感谢一起打篮球的小伙伴带给我球场上的欢乐。同时也要感谢同窗的同学和朋友前程可奔赴，亦有岁月共回首。文有所长，而感激之意无尽矣。一路走来，要感谢的人有很多，诚祝愿每一位平安喜乐，万事胜意。

参考文献林涛,杨庆斌,宁福军,姜宜宽.PLC在音乐喷泉控制系统中的应用[J].青岛大学学报(工程技术版),2008,23(04):26-30.王跃,李娜,高为将.基于PLC和变频技术的花样