1、基于PLC控制的花样喷泉系统设计SJ005-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 基于PLC控制的花样喷泉系统设计 二级学院： 延陵学院 专 业: 电气工程及其自动化 班级： 09电Y3 学生姓名： 任高斌 学号： 09121121 指导教师： 张兵 职称： 副教授 评阅教师： 职称： 2013 年 6 月 摘要花样喷泉是近年来出现的一种园林建筑与花样观赏相结合的一种产物。得益于可编程控制器（Programmable Logic Controller,简称PLC）在我国的迅速发展，使得对花样喷泉的控制要求也越来越高，这样使得越来越
2、多的控制部分需要可编程控制器来实现。使用PLC控制花样喷泉，具有运行可靠，使用方便，控制程序设计简单等优点。我们结合任务设计书的要求，以4环音乐花样喷泉为研究对象，采用三菱FX2N系列PLC控制器做为花样音乐喷泉的控制器。对花样喷水池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。并且提出喷水池的硬件的各种组成模块和详细的硬件模块设计方案，以及软件的设计和程序的编写，我们力求改善了喷泉系统的控制品质，以达到实时控制的要求，希望音乐喷泉能够得到新的发展。关键词：可编程控制器（PLC）；花样喷泉；控制系统AbstractPattern fountain is a landsca
3、pe architecture in recent years combined with the pattern ornamental product. Thanks to the programmable controller (Programmable Logic Controller, PLC) in Chinas rapid development, control requirements have become more sophisticated pattern fountain, this allows more and more control part of the pr
4、ogrammable controller.Using PLC control pattern fountain, with the advantages of reliable operation, the use of reliable operation, simple design control procedures. In this paper, the task design document, than 4 ring music pattern fountain as the research object, Mitsubishi FX2N series PLC control
5、ler as the controller of the pattern musical fountain. The overall function of the pattern fountain control system analysis of the composition and working principle of the programmable controller. And made the fountain hardware building blocks and the hardware module design, the design of improved t
6、he fountain system control quality, in order to achieve real-time control requirements.Keyword: Programmable Logic Controller Plc; Pattern fountain; Control system 第1章 绪论1.1 喷泉的发展1.1.1 喷泉在我国的发展我国在二十世纪八十年代初，喷泉只是做为一个技术细节被建筑师运用于排水和园林造景设计，从设计到产品制作，当时并没有相对规模化的工程安装。只是在游乐园、公园等一些公共建筑中能看到些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的
7、。但是进入二十世纪八十年代之后，随着祖国整体经济的恢复和发展，在人民生活水平得到提高的情况下，一部分城市的园林主管部门以及城市的建设部门将喷泉考虑到园林景区的改造和城市的规划中，但是我们对于喷泉又有了新的要求，这些要求大多数来自于环境的美化和我们对于文化氛围的营造，一些水利设计院、建筑单位、园林规划单位、和许多研究所以及大专院校，在给排水、机电控制、土建结构等以前所传统拥有的技术得到了融合之后，并且由于当时单片机的运用，单片机也出现在喷泉的设计中来，通过直流电机调速以及电磁阀来实现变量控制，良好的社会反映和社会效益给予了那些喷泉水景设计师们很大的鼓励。在这个时期，从事专业设计和生产的一些加工厂
8、和公司开始步入了建设和发展，这为之后喷泉的专业发展打下了良好的基础，提供了强有力的力量。进入了二十世纪九十年代，迅速的发展的社会主义市场经济，使得全国城市建设速度加快，人们对于文化生活的质量以及环境审美意识得到了进一步的提升。喷泉的迅速发展响应了市场对于喷泉的强大需要，这时候的喷泉不光出现在公园里面、也不在是园林和市场中心设计的专利，在人们的各个社会活动场所都得到了延生。众多从事专业喷泉设计和生产的公司以及工厂开始出现，如同雨后春笋般的迅速发展。从事喷泉设计的专业技术人员把他们所学到信息技术以及计算机技术应用到喷泉之中，同时电、火、光、雾、声音、音乐、激光特效、水幕电影也被运用到喷泉的设计中来
9、，这使喷泉的发展得到了一个新的发展，得到了更广阔的的运用，喷泉行业也在此期间得到了迅速的发展。水景喷泉专业委员会于2001年由中国给水排水设备分会和中国建筑结构协会共同成立，行业组织为所有的专业生产厂家以及公司和那些城市园林的主管部门和设计院所提供最大的帮助。一些大学和中专的园林专业或者建筑系也开设了水景、喷泉相关的专业课程，这为喷泉行业的之后的蓬勃发展打下了结实的知识储备。喷泉行业的发展也进入到一个新的阶段。1.1.2 喷泉的应用状况 随着城市化的加速发展，花样喷泉在我们身边已经随处可见，比如在广场、大厦、小区等。花样喷泉是一种人造的小气候，在炎热的夏天可以起到降温和增湿的作用；也能让水体充
10、氧，有利于水体提高增强自净能力，这样可以防止水体黑臭。人们经常看见喷泉按照一定的规律喷水，景色迷人；花样喷泉运行的灵活性是评价花样喷泉优劣的关键，而这与花样喷泉的控制系统密切相关。花样喷泉可以根据自己的设计，设计出各种不同的花样，也可以加上灯光、音乐，给人一种很不错的视觉和听觉的享受。传统的喷泉所采用的控制系统一般是由单片机组成的，通过控制潜水泵，让其进行间歇工作，从而完成各式不同花样的喷水形态，可是这种控制系统也存在着缺点，由于采用额定是可控硅做功率开关元件，所以过电流能力差，长时间的运行是不被允许的，需要配置较多的保护电路；程序的增减、修改和运行监视不灵活；抗干扰能力差；功率因数较低等。为
11、了有效解决上述问题，确保控制系统的正常运行，我们可以采用PLC控制。PLC具有体积小、功能强、可靠性高等优点，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者改变方式选择开关，就可以改变花样喷泉的喷水规律，从而变换出各种各样，可以适应不同季节、不同场合的喷水要求。1.1.3 现代喷泉中遇到的问题 在现在喷泉大势发展的今天，我们不能忽视其中产生的问题，只有直面问题，才能想办法去解决，这样才能得以更长久、更好的发展： （1）方案设计的局限性，使很多喷泉不能得以长久使用。 （2）在细节设计中，未能做到完美，使得很多喷泉缺少部分功能。 （3）质量的参差不齐，使得很多厂商和公司的信誉也受到
12、了影响，影响了喷泉的长期发展。 （4）节能、节水和环保还需要优化，所有的设计建设必须考虑到这些方面影响。1.2 喷泉的种类 喷泉大概有两种，一种是因地制宜，根据场地结构设计出来的喷泉，第二种是完全根据人工意愿制造人工的喷泉。第一种是天然水景制造而成的，比如瀑布、水帘、壁泉、涌泉、管流、雾泉、溪流、跌水、水涛、漩涡等。第二种现在则广泛应用与建筑领域，发展速度快，总类也变得更加的繁多，比如程控喷泉、旱地喷泉、光亮喷泉、跑动喷泉、趣味喷泉、激光水幕喷泉、超高喷泉等。1.3 喷泉中的一些新技术 在设计中，我们希望能将花样喷泉和灯光效果，以及音乐播放联系在一起，组成一体的花样音乐喷泉，播放音乐时，水柱会
13、随音乐的不同而呈现不同的变化，形成极佳的观赏性和视觉享受。1.4 设计的主要研究内容和安排我们根据实际生活中遇到的问题和情况，以花样喷泉做为我们的研究课题，结合大量的资料以及文献，研究花样喷泉的控制问题，设计出一套可行性高的、完整的花样喷泉控制系统。我们的研究内容主要是设计出根据PLC控制的花样喷泉系统，为喷泉提供多种的花样设计，做成美观的花样喷泉。本文同时针对花样喷泉出现的很多问题做出了一系列研究：喷泉控制系统的组成；花样喷泉的控制任务和要求；花样喷泉的硬件配置和软件设计，并且通过仿真软件进行模拟。1.5 本章小结在该章节中，我们主要讲述了喷泉的国内外发展，以及喷泉的应用现状，同时针对现代的
14、喷泉，指出一些其中存在的问题，我们也提出了关于喷泉设计中一些新的技术，也为我们之后的论文写作阐述了我们的研究内容和我们的安排。 第2章 系统控制方案的确定2.1 主控制器方案分析及选择对于主控制器方案，我们提出如下几个方案： 方案1：利用单片机控制花样喷泉 单片机的特点是控制性能好，可靠性高，同时具有体积小，价格低廉，便于产品化等。正是由于这些特点，单片机近年来在智能仪器、机电一体化产品、实时控制家用电器等多个领域都获得了极其广泛的应用。花样喷泉的原理是利用控制器控制水泵的喷泉的喷水方式。单片机的成本较低，所以一般适合运用于控制小型的花样喷泉，单片机通知控制步进电机来控制电磁阀，从而实现对喷头
15、流量的控制，使喷泉水姿、灯光色彩产生变化。但如果采用单片机的控制方案，是以可控硅做为功率开关元件，由于可控硅承受过电压、过电流的能力较差，所以不能长时间运行，这是单片机控制方案的最大弊端。方案2：使用三菱FX2N PLC控制花样喷泉20世纪60年代中期以来，PLC在电力、冶金、化工等刚也发挥了重大作用。尤其实在进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，使得PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足的发展，也使PLC得到了更广泛的应用。PLC的优点很多，比如：简单易学的编程方法；功能强、性价比高；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
16、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、能耗低等优点。而且PLC在各个工业部门的应用范围都得到了扩展。在这次设计中，在三菱FX2N系列采用PLC作为系统的主控器。三菱FX2N系列PLC具有小型、高速、高性能和方便等特点，相当于所有最高等级的FX系列超小型程序装置。不光可以进行输入输出1625点的独立使用,也可以应用在许多基本的组件之间的连接，模拟控制,位置控制和其他广泛的特殊用途,是一个足以满足不同的需要的PLC。固定和灵活的系统配置也得到了我们的青睐。我们将连续扩展单元或者扩展模块连接到基本单元中，这样就能实现16到256的灵活多变的输入输出组合。选择性强大，品种的齐全
17、，16/32/48/64/80/128点的主机也为我们提供了很多的选择，而扩展板块最小甚至可以支持8点的扩展。我们可以根据我们自己对于电源和输出形式的需要去选择。高性能的程序容量也让人很是安心，800步RAM内置于其中，不光可以使用存储盒，而且可以输出注释，16K步也是他的最大可能的扩充。根据课题的设计要求，我们利用三菱FX2N PLC控制电磁阀，从而达到对喷泉流量的控制，产生各种不同花样的喷泉。2.2 喷泉控制方案的分析及选择 根据设计要求，我设计出如下图2-1 的喷泉模型：图 2-1 花样喷泉布局示意图采用PLC对喷泉进行控制，在花样喷泉时序确定的前提下，我们可以通过改变时序或者控制开关来
18、实现控制方式的改变，这样可以达到呈现各种不同喷水状态的要求。如图 1 ，其中1为外环形状喷水管，2为次外环形状喷水管，3为内环喷水管，4为中心喷水管。在本次设计中，喷泉控制阀选用电磁阀，考虑到电磁阀的驱动，以及同时驱动的个数和环保等问题，我们选用小功率电磁阀。根据电磁阀的选用要求，我们可以确定PLC的输出功率为小功率，I / O 个数应该小于15个，在综合喷泉的工作性质，PLC对环境湿度的要求比较高，最后我们综上，选择三菱FX2N系列PLC做为控制。在设计中，我们对花样喷泉进行优化，加入了音乐的元素，将花样喷泉与音乐相结合，做成音乐花样喷泉。音乐喷泉的原理是利用从电脑声卡中采集出来的音乐信号，
19、一路由音响设备直接播放；一路把从音响设备扬声器两端取得的电流信号，送入三菱FX2N系列PLC模拟模块进行AD转换，PLC可以利用限幅和滤波等处理方式将我们转换过来的数字量进行分析，之后模拟量模块中的D/A输出口就可以进行D/A转换，0-10V的直流电压信号就是被这样输出的，这时候我们就可以将上面得到的直流电压信号发送到变频器所在的控制端子。信号一但被接受，变频器就会开始迅速启动，水泵电机会随之转动，同时会跟随音乐频率做出改变，这样我们就完成了所需要的喷泉所产生的花样与优美的音乐完成同步。我们一般在主题公园、广场中心看到音乐喷泉，现在也有很多音乐喷泉被建造在湖中，这样的设计也使美观效果得到了提升
20、。一个完整的喷泉控制系统我们需要配电屏、水泵、变频器、音响以及灯光等等，总装机容量一般会达到数千kW，但是喷泉系统的工作是间歇变化的，所以极短时间的电压干扰和波动会比我们想象中严重的多，而最为明显的将是变频器所控制的水泵电机，它的高频电流变化将产生巨大的影响，所以我们在音乐喷泉的控制系统中采用的工作方式是上位机和下位机。安装在控制机房内（机房必须远离设备）的上位机来实现操作的控制，这样有利于我们监视和控制，所以对于机房，我们一般选择那些可以直接看到喷泉全景的地点。工控机、PLC以及单片机都可以作为下位机使用，如果我们综合性能价格比、工作环境和抗干扰能力的话，我觉得可编程控制器PLC更适合作为我
21、们的选择，我们采用的是三菱 FX2N 系列的 PLC 做操作系统，利用上述原理将两者结合，形成美妙的音乐喷泉。2.3 喷泉的控制要求在设计期间，我制定了如下任务：（1）花样喷泉设计方案。（2）完成PLC型号的选择、PLC的网络设计和软件编制。（3）花样喷泉I/O分配、开关量输出模块的选择、模拟量IO模块的选择、特殊功能模块的选择和系统I/O分配表。（4）PLC外部接线图、喷泉控制过程模拟、软件设计、喷泉控制流程图。选择开关和单步/连续开关决定了花式喷泉的两种工作方式：当单步/连续开关在单步位置时，喷泉只能按照花式选择开关设定方式，完成一个循环。 花式选择开关决定了是喷泉的喷泉的花式，现考虑四种
22、喷水花样： 1）花式选择开关在位置1时，启动按钮按下后，4号喷头喷水，延时2秒，3号喷水，再延时2秒，2号喷水，延时2秒，1号喷水。18秒后，如果为单步工作方式，则停下来，在连续工作方式的前提下，喷泉则会继续循环。运行流程图如下图：图2-2 花样1流程图 2）花式选择开关在位置2时，启动按钮按下后，1号喷头喷水，延时2秒，2号喷水，再延时2秒，3号喷水，延时2秒，4号喷水。20秒后，如果为单步工作方式，则停下来，在连续工作方式的前提下，喷泉则会继续循环。运行流程图如下图：图2-3 花样2流程图3）花式选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1.3号喷头同时喷水，延时3秒，2、4号同时喷水，1、3号
23、停止，如此交替运行15秒后，四组喷头全喷水，30秒后，如果为单步工作方式，则停下来，在连续工作方式的前提下，喷泉则会继续循环。 运行流程图如下图：图2-3 花样3流程图 4）花式选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1-2-3-4的顺序，一次间隔2秒喷水，然后一起喷水，30秒后按照1-2-3-4的顺序，分别延时2秒，依次停止喷水，再经1秒延时，按照4-3-2-1的顺序，依次间隔2秒喷水，然后一起喷水，30秒后停止。如果为单步工作方式，则停下来，在连续工作方式的前提下，喷泉则会继续循环。运行流程图如下图：图2-4 花样4流程图2.4 本章小结在该章节中，我们重点讲述了我们对于花样喷泉的设计，对
24、比了一些设计的方案,对其中的优缺点进行了比较，之后做出了设计要求的选择，综合我们对于喷泉的花样的设计要求，将此设计于其中，这样可以设计出美观的花样喷泉。 第3章 花样喷泉的硬件设计3.1 硬件的选择3.1.1 PLC的概述可编程控制器（Programmable Controller）,简称PLC。PLC是用于工业线程的电控制器。PLC源于继电器控制，但是又基于电子计算机。它通过运行储存在其内存中的程序，把输入电路的物理过程所得到的输入信息，转换成所要求的输出信息，然后通过输出电路的物理过程来实现对负载的控制。PLC所基于的是电子计算机，并非等同于普通计算机。普通计算机进行输入输出信息交换式，大
25、多只考虑信息的本省，而信息的输入输出过程一般不考虑。但是PLC就会考虑信息输入输出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工作环境，比如需要便于安装，便于维修以及抗干扰等问题，PLC实现了控制的两个基本要点：输入输出信息的变换及可靠的物理实现。当然，PLC可以通过它的外部设备或者通信接口与外界进行信息的交换。它的功能要比继电器控制装置要多很多，同时强很多。PLC拥有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，拥有的大存储量的内存，而他的监控系统也相当可靠，因而它具有如下基本的功能：（1）逻辑处理的功能;（2）数据运算的功能；（3）高速计数的功能；（4）联网通信的功能；（
26、5）中断处理的功能（可以实现各种内外中断）；（6）准确定时的功能；（7）程序和数据存储的功能；（8）自检测和自诊断的功能；PLC的丰富功能，是传统的继电控制电路所无法比拟的，也为PLC提供了广泛的应用，为自动化行业的远程化、信息化以及智能化创造了条件。3.1.2 PLC的选择方案（1）对于输入和输出点的选择 盲目的选择输入输出点数过多的机型会造成浪费，所以我们应该先弄清系统的I/O总点数，再根据我们的实际需要使用来确定PLC的点数，选择点数时应按照实际所需点数的15%-20%留出备用量，这样可以为系统的改造留下余地。（2）对I/O响应时间的选择输入电路的延迟、输出电路的延迟，当然，扫描工作方式
27、也会引起时间的延迟（一般是2-3个所扫描的周期）等。当然，由于一些系统是由开关量控制的，PLC的响应时间正常情况下都不会产生过大的影响，所以PLC对于I/O的响应时间的选择时，我们可以不考虑I/O响应的问题，但有些系统是由模拟量控制量，特别是闭环系统，我们就必须去考虑这个问题了。（3）对于存储容量的选择我们需要对用户存储容量做出粗略的估算。（4）对于PLC结构形式的选择在相同功能和相同I/O点数的情况之下，整体式的PLC的价格要比模块式底，到那时模块式拥有扩展灵活、维修方便和容易判断故障灯优点，所以我们要按照实际需来选择PLC的结构模块。 在此次设计中，我们采用了三菱FX2N系列PLC,这种P
28、LC功能强大，控制能力好，同时性价比也比较高。图3-1三菱FX2N-32MR PLC3.1.3 水泵的选择方案水泵的种类可以根据不同的需要进行分类：比如卧式水泵和潜水泵，我们需要根据水泵的扬程、流量、使用的场合以及对比性价比来选择自己所需要的是泵。根据本文的设计要求，我们采用潜水泵，因为潜水泵是放置在水下的，所以不再需要泵房，这样可以有效降低工程的造价。同时潜水泵具有能耗低、体积小、重量轻、不需要灌引水、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很多优点，可以适应花样喷泉的喷水要求。在此次设计中，我们采用了上海申一水泵制造有限公司生产的QY型油浸式潜水泵。QU型油浸
29、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合。这符合JB/TB092-1996标准规定，产品取得了全国生产许可证，经过了三十多年的不断改进和完善，广泛应用与农业灌溉、水景喷泉、鱼塘增氧、工矿排水、水产养殖以及防洪排涝等领域。具有泵电一体，结构紧凑；双端密封，电器保护；设计合理，性能游廊；无需引水，使用简便等特点。水泵的使用条件是泵水深度不超过5米；水温不能超过40度；PH值也应该在5-9之间，因此，很适合本次设计的要求。图3-2 QY系列油浸式潜水电泵3.1.4 喷头的选择喷泉的喷头可分为可调节直流喷头、集束喷头、旋转喷头、涌泉喷头等等，种类繁多，而喷出的水型也各不相同。在此次设计的喷
30、泉中，第4组位于喷泉的中央位置，我们选取能喷出雄壮而且喷射高度高的直上喷头。直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这样喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；这样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、层次分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头，这样的喷头也被称为中心喷头，可调节射流的方向。图3-3 直上喷头实物图及安装简图第3组位于喷泉的第二层，所以喷出的水柱应该比第一组所喷出的水柱稍微细些，同时喷出的水柱也要低一些，在这一层，我们选用了可调直流喷头。这种直流喷头在各种场合的喷水池中运用广泛，同时也是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球形接头，可以沿垂直
31、方向15度进行调节，可调直流喷头可以组合各种不同形状的喷射效果，喷射的高低和角度的变化，可以根据水池形状大小决定。图3-4 可调直流喷头实物图及安装简图第2组位于喷泉的第三层，要求喷头比第3组喷头喷射高度略低，比第1组略高，所以喷射的水柱比第3组喷射的水柱略粗壮，挺拔，所以我们选择了树冰形喷头。树冰形喷头喷水时外观效果庞大丰满，粗壮挺拔，抗风能力强。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。图3-5 树冰形喷头实物图及安装简图第1组位于喷泉的最外侧，水柱所喷高度应该是最低的，水量应该较大，所喷水柱应该比较灵活，我们选用涌泉喷头。涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称为鼓
32、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。加气喷托采用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水长生丰满的射流，喷出的水柱呈现白色不透明状，反光效果好。图3-6 涌泉喷头实物图及安装简图3.1.5 电机与变频器的选择经过查阅资料，我发现一般的音乐喷泉的功率并不大，一般不会超过7.5KM，所以我们选择了三菱SF-JR-7.5KW型号的电机，我们需要使用到4组电机，通过四组电机控制四组的喷头来实现喷水花样的变化。而变频器，我们选择了三菱FR-S520（S）E型号的变频调速器。如下图，是系统的电动机与变频器的连接图。我们在后面的附录给出变频器的接线图。图3-7 系统变频器与顶级接线图3.1.6 电磁阀的选择电磁阀拥有密闭的腔，在不同的位置开有通孔，每个孔通往不同的水管，腔的中间就是阀，它的两面是两块电磁铁，哪一面的磁铁
