自动化专业 基于西门子S7300PLC的花样喷泉和音乐喷泉控制系统设计之欧阳史创编.docx

自动化专业 基于西门子S7300PLC的花样喷泉和音乐喷泉控制系统设计之欧阳史创编.docx

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自动化专业基于西门子S7300PLC的花样喷泉和音乐喷泉控制系统设计之欧阳史创编

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

时间：

2021.02.10

创作：

欧阳史

本科毕业论文

基于PLC的花样喷泉控制系统设计

Thedesignoffancyfountaincontrolsystem

basedonPLC

学院名称：

电子信息与电气学院

专业班级：

自动化2009级1班

学生姓名：

XX

指导教师姓名：

XX

指导教师职称：

XXXXXX

2013年5月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　日　期：

指导教师签名：

日　　期：

使用授权说明

本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　日　期：

基于PLC的花样喷泉控制系统设计

摘要：

花式喷泉是近年来随着控制系统的发展，出现的一种控制技术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。

本文结合毕业设计任务书的要求，以花式喷泉为研究对象，采用了S7-300系列PLC作为变频器的控制器，变频器再控制电机输出功率。

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。

本设计采用变频器作为水泵的控制器，改善了喷泉系统的控制品质，并真正地达到了节能和实时控制的要求。

关键词：

PLC；喷泉；控制系统

ThedesignofPLCcontrolsystemoffancyfountain

Abstract：

FancyfountainInrecentyears,withthedevelopmentofcontrolsystems,controltechnologyandtheemergenceofafancywatchcombinationofaproduct.Withtheprogrammablecontrollerintherapiddevelopmentofourcountry,thefancyfountaincontrolrequirementsarealsoincreasing,makingmoreandmorecontrolprogrammablecontroller.Inthispaper,thetasksrequiredofgraduatedesign,fancyfountainastheresearchobject,usingtheS7-300seriesPLCascontrolleroftheinverter,andtheinvertertocontrolthemotoroutputpower.Theoverallfunctionofthefancyfountaincontrolsystemanalysisofthecompositionandworkingprincipleoftheprogrammablecontroller.Fountainhardwarebuildingblocksandthehardwaremoduledesign,thedesignandproceduresforthepreparationandcontrolmode.Thisdesignusesthecontrolleroftheinverteraspumps,improvedthefountainsystemcontrolquality,andtrulyachieveenergyefficiencyandreal-timecontrolrequirements.

Keywords：

PLC;fountain;controlsystem

引言

所谓花样喷泉，就是利用控制器控制喷水的花型组合变化、水柱高低、远近变化和灯光色彩组合、明暗变化的喷泉。

花样喷泉是把现代控制技术应用于人工喷泉，在程序控制喷泉的基础上也可加入了音乐控制系统，通过音乐控制喷泉的水形及灯光的变化，从而达到喷泉水型、灯光及色彩的变化与音乐情绪的完美结合，使喷泉表演生动且富有内涵。

喷泉起源很早，早在公元前6世纪的巴比伦空中花园中就已建有喷泉。

古希腊时代开始由饮用水式泉逐渐发展成为装饰性泉。

还有一种说法认为喷泉起源于伊斯兰国家的斋戒沐浴给水方法。

在伊斯兰园林中，喷泉沿轴线布置或作为局部构图的中心。

文艺复兴时期喷泉技术有很大的发展，多与雕像、柱饰、水池等结合造景，如意大利伊斯特别墅的著名“百泉步道”和莱恩脱的喷泉水渠。

7到18世纪，喷泉在欧洲城市盛极一时。

著名的法国凡尔赛宫的太阳神喷泉，俄国彼得宫的带雕像群的大瀑布喷泉，而罗马更有3000多个喷泉，被称为喷泉之城。

中国古典园林崇尚自然，力求清雅素静、富于野趣，重视对天然水态的艺术再现。

18世纪，西方式喷泉传入中国。

1747年清乾隆皇帝在圆明园建“谐奇趣”、“海晏堂”、“大水法”三大喷泉。

20世纪，喷泉发展成为一种大型水景，用水柱构成各种形态。

如建于1958年的日内瓦莱蒙湖大喷泉，它，用两台1360马力的水泵将水喷到145米的高空。

夜色下巨型探照灯照射着银色水柱直划夜空，颇为景色壮观。

日本的水力喷射动物园在一个直径10米水池内，安装着6036个旋转的喷头，能喷射出老虎狮子搏斗、老鹰羚羊厮杀等奇妙的场面。

这些喷泉多是利用电脑控制水、光、音、色，使喷泉艺术进入崭新的时代。

现代的喷泉，已经是一种集声、光、电、水、力为一体的高科技产物。

我国现代意义的喷泉始于上世纪80年代，起步虽晚，发展却十分神速，有些技术在世界上具备领先地位。

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。

人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，开拓了喷泉的应用范围。

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。

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。

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。

随着时代的发展，科技水平的提高，城市的喷泉设备已经十分先进，各种音乐喷泉、程控喷泉、激光喷泉已经层出不穷，变化多端。

规模可大可小，射程可高可低，喷出的水，大者如珠，细者如雾，变化万千，引人入胜。

喷泉，使静水变为动水，使水也有了灵魂，又辅之以各种灯光效果，使水体具有丰富多采的形态，可以缓冲、软化城市中“凝固的建筑物”和硬质的地面，以增加城市环境的生机，有益与身心健康并能满足视觉艺术的需要。

大型城市广场中的人工动态喷泉，也多来自自然的种种水态，如瀑布、叠水、水帘、溢流、溪流、壁泉等，随着科学技术的发展进步，各种喷泉真是花样翻新、层出不穷，几乎达到了人们随心所欲创造各种晶莹剔透、绚丽多姿动态水景的程度。

喷泉在当今时代，已经形成了一道独特的人文景观。

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。

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。

首先，我们政府在审批城市公共广场喷泉的建设时，要充分了解其建设的面积，审查设计的方案避免跟风的工程。

另外，相关部分应组织专家与研究人员设立行业的规范与标准，杜绝低质量的工程建设。

其次，各种工程设计者应该充分考虑整体建筑的协调性欲艺术性，使喷泉的水体景观功能得到比较好的发挥。

同时，让喷泉景观充分结合其他的元素，更好的体现水体景观的水体美。

最后，喷泉水体设计者应该充分结合实际，考虑环境对于喷泉景观的容纳性，建设高质量且据实用性的喷泉，不要出现喷泉水体的建设不具其利反被其害的现象。

随着科技的发展，喷泉水体景观建设可以结合光电技术和喷水射流的技术，开发很多新奇特的高新技术喷泉设计。

另外，可以通过对于喷泉水池的补水、流动与喷射采用电脑控制，充分节约水资源。

完善喷泉的土建结构，防止地下水的渗入。

自动控制喷泉的灯光、供电系统，保证喷泉水体的水质，让喷泉不仅是造景元素更是一种愉悦大众的环境艺术。

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。

在设计当中，结合了音乐喷泉和程控喷泉的优点，音乐喷泉主要由音频开关信号控制，而程控喷泉则由人为选择。

其中程序喷泉分为手动和自动两种模式，手动主要是为了调试，而自动则可连续运行。

当按下电源按钮，按下自动按钮，则喷泉按照预设的程序循环运行。

如果按下手动按钮，则自动运行停止，切为手动运行，接着选择喷水花样，系统处于连续运行状态，直到按下停止按钮，系统立即断开电源，停止运行。

第一章方案分析

1.1主控制器方案分析

方案1：

使用单片机控制花式喷泉

单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快。

1971年Intel公司首次宣布4004的4位微处理器，1974年12月Fairchild（仙童）公司即推出了8位单片机F8，开创了单片机的门户。

单片机已在各行业得到广泛应用，如果本设计采用单片机作为控制系统的核心，由于单片机的输入输出电流电压很小，那么将需要用到大量的输出继电器和输入继电器，外围电路将会非常复杂，增加了系统的直观性和可维护性。

而外围电路的复杂，也会增加系统投入的成本，且其可靠性也大大降低。

方案2：

使用S7-300PLC控制花式喷泉

自20世纪60年代中期以来PLC产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近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PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足的进步,也使PLC的广泛应用成为可能。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

可编程控制器之所以越来越受到控制界人士的重视，是由于它具有以下特点：

（1）可靠性高，抗干扰能力强。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。

（5）体积小，重量轻，能耗低。

此方案采用西门子S7-300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。

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，可采用S7-300系列的PLC来控制MicroMaster420变频器，变频器控制水泵的输出功率，从而达到对水泵流量的控制，产生各种方式的喷水花样。

采用PLC控制后，由于PLC是采用程序控制，是软接线，因此可靠性大大提高了。

音乐喷泉的核心控制是由可编程控制器实现的，可编程控制器是整个系统的“大脑”，用程序控制变频器输出频率，从而控制水泵输入功率。

其中中央音乐喷泉水泵由程序实现用音乐频率转换的开关量去控制喷泉水柱的变化。

可编程控制器简化了控制线路，提高了工作的速度和可靠性以及系统操作的灵活性，也提升了喷泉工程的智能化性能。

方案3：

使用S7-200PLC控制花式喷泉

假设设计采用S7-200PLC作为喷泉的主控制器来控制水泵的运行。

S7-200PLC是一种小型的PLC，它有5种CPU模块，最多可以扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或者38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间。

集成了6个有12种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器、脉冲宽度调制器。

本设计方案可以选择S7-200CPU226的PLC作为主控制器，该型号的PLC共14入10出24个I/O点。

从I/O点分配方面来说很适合本设计的控制要求。

但是这也限制了它以后的发展，对于较大的喷泉控制系统，S7-200PLC在没有实物的情况下，不能仿真，这对于一个较大型的控制系统，在运行前，不仿真是不可靠的。

而且S7-200PLC由于I/0点数的限制，在改变喷水方式的时候很不方便，因此不利于调整。

1.2喷泉水柱控制方案分析

方案1：

采用电磁阀控制

喷泉可以采用电磁阀控制，通过控制电磁阀的通断，控制喷头的通断，从而切换喷头。

水泵的输出功率不变，所以水泵的流量是固定的，当喷头切换到粗口径喷头时，水柱输出高度变低；同理，当切换到细口径喷头时，由于水压作用，喷泉水柱高度上升。

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。

如果采用电磁阀控制，通过控制电磁阀的通断，从而切换喷头，达到改变水柱高度和喷水形态的效果。

在这种控制中，每个水泵的输出功率是不变的，只能以工频运行，当喷泉水柱降低时，水泵不需要以工频运行，造成了能源的浪费。

方案2：

采用变频器控制

变频器的主要任务是把工频电源变换为另一频率的交流电，以满足交流电动机的变频调速的需要。

现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF，变频或矢量控制变频），先把工频交流电通过整流器转换成直流电，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电，以供给电动机。

变频器的电路一般由整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成。

交流电动机的同步转速表达式为n=60f（1−s）/p

式中：

n—异步电动机的转速；f—异步电动机的频率；s—电动机转差率；p—电动机极对数。

由上式可知，异步电动机的转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

若采用变频器控制，由于本设计并不需要连续调节转速，只要切换若干段固定的转速就可以了。

所以只需要用到变频器的3点数字量输入信号，就可以实现八段转速控制（15Hz-50Hz），而且可以避免使用昂贵的PLC模拟量输出模块来连续调节变频器的输出频率。

通过PLC输出的数字量控制变频器的输出频率，从而改变水泵的输出功率，达到控制喷泉水柱高地的目的。

采用变频器控制水泵，较其他控制方法而言，可以改变水泵的输出功率，当喷泉水柱降低时，电机的输出功率降低，节约了电能。

对于一个长期运行的喷泉系统而言，其产生的效益是随时间而积累的。

因此，本设计采用变频器控制。

1.3喷泉的控制要求

（1）按下启动按钮，中间音乐喷泉无音频信号输入时，进入预置状态。

当有音频开关信号输入时，喷泉水柱随音频信号进行变化。

周围程控喷泉装置进入预备状态，按下手动按钮后，按下花样1按钮，喷泉按照花样1循环运行；断开花样1按钮，按下花样2按钮，喷泉按照花样2循环运行；断开花样2按钮，按下花样3按钮，喷泉按照花样3循环运行；按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作；按下自动运行按钮，喷泉进入自动工作状态。

（2）喷泉喷水方式由花样选择开关决定，现考虑3种喷水花样。

（3）按下启动按钮和手动按钮后，选择花样1后，1s后，变频1输出频率变为20Hz；2s后，变频器2输出频率变为25Hz；3s后，变频器输出频率变为30Hz，依次类推。

直到7s后，所有变频器保持其设定频率5s后，变频器输出频率变回基本状态，循环运行。

变频器直接影响水泵的输出功率，从而影响喷泉水柱高度。

花样喷泉共分7个水泵，通电后，在PLC的控制下，按1-2-3-4-5-6-7的顺序改变喷水高度，最后保持梯形5s,然后恢复0s时的高度，再循环上次的改变。

具体情况见图1.1所示。

图1.1花样1示意图

按下启动按钮后，按下手动开关，选择花样2后，所有变频器的输出频率变为25Hz,此时喷泉的水柱位于最高水柱与最低水柱的中间状态。

1s后，变频器输出频率变为50Hz，所有水泵的输出功率变为最大，此时喷泉水柱向上冲击，3s后变为25Hz水柱高度。

如此循环，形成升降喷泉的效果，直到按下停止按钮。

具体情况见图1.2所示。

图1.2花样2示意图

按下启动按钮后，按下手动选择开关，按下花样3选择开关，1s后水泵1,3，5，7按照50Hz的频率运行；水泵2，4，6按照25Hz的频率运行。

2s后，泵2，4,6按照50Hz的频率运行；水泵1，3，5,7按照25Hz的频率运行。

然后按照上述规律进行循环，形成波浪的效果，直到按下停止按钮。

具体情况见图1.3所示。

图1.3花样3示意图

按下启动按钮后，按下自动开关，花样1子程序被调用，喷泉按照花样1运行；花样1运行12s后调用花样2子程序，按照花样2程序运行，同时花样1停止；花样2持续12s后运行花样3，同时断开花样2；花样3运行12s后，运行花样1，如此循环，直到按下I124.1停止按钮。

对于中间的音乐喷泉，则主要有音频信号控制。

当无音频信号时，按下启动按钮，变频器控制其输出功率为50Hz时的最大功率。

当有任何音频开关信号输入时，其输出改为由音频开关信号控制，且高位开关信号优先于低位开关信号，随音频信号变化而变化，直到按下停止按钮，停止运行。

第二章花式喷泉的硬件设计

2.1硬件的选择

2.1.1PLC的选择方案

（1）对输入/输出点的选择

盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。

要先弄清除控制系统的I/O总点数，通常情况下，在得出总数的基础上增加10%～15%冗余，如果考虑今后调整扩充，则留有30%左右的冗余。

（2）对存储容量的选择

对用户存储容量作粗略的估算。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

（3）对I/O响应时间的选择

PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。

对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。

但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。

（4）对PLC结构形式的选择

在相同功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。

但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。

本设计采用S7-300CPU313-2DP的PLC。

该PLC属于中型PLC，功能强大，控制能力好，性价比高，具体配置见图2.1所示。

图2.1PLC硬件配置

2.1.2变频器选择方案

变频器用于交流异步电动机调速，其性能远远超过以往任何交、直流调速方式，而且其结构简单、调速范围宽、调速精度高、安装调试、使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著，是交流电动机调速的主流技术。

变频器是运动控制系统中的功率变换器，当今的运动控制系统是综合了多种学科的高新技术领域，是自动化技术的“前沿”，总的发展趋势是：

驱动的交流化，功率交换的高频化，控制技术的数字化、智能化和网络化。

因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频交流电源，必然会伴着系统技术发展而发展。

异步电动机调速转动时,变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制,不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途也不同。

变频器的基本原理如图2.2所示。

图2.2变频器的基本构成

异步电动机调速转动时,变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制,不同的控制