基于PLC控制的花样喷泉.docx
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基于PLC控制的花样喷泉
基于PLC控制的花样喷泉
摘要：
在现代社会中随着人们对环境越来越重视，计算机硬件技术越来越普遍，喷泉的应用也更加受欢迎。
用PLC技术控制喷泉结构简单，控制方便，可随意改变控制功能达到变换喷泉喷水花样的目的，所以在现代社会中有很大的发展空间。
关键词：
PLC；花样喷泉；变频器
一、概述
机电控制技术这门课程是多学科的交叉和综合，涉及的相关专业知识较多，它是综合运用机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换以及软件编程等技术的群体技术。
机电专业是一个古老而又新型的专业。
机电的起源历史漫长，它的发展为人类的进步和文明作出了巨大贡献，随着科学技术的高速发展和现代工业生产对机电设备的要求，使得机械与电子技术有机的结合成为了当今人们所说的机电一体化。
它们的完美结合使得当今的工业生产设备有了一个飞速发展，朝着自动化、智能化方向迈上了一个新的台阶。
哪里有高质量的产品，哪里有好的经济效益，哪里必然就有我们的先进机器设备，哪里必然就需要机电控制技术。
★机电控制技术是机械、电子、计算机和自动控制等技术有机结合的一门复合技术，它是在从大规模集成电路和微型计算机为代表的微电子技术高度发展并向传统机械工业领域迅速渗透、与机械电子技术深度结合的现代工业基础上，综合运用机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换以及软件编程等技术的群体技术。
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1.1.1机电控制技术概念
机电控制技术是在新技术浪潮中，电子技术、信息技术向机械工业渗透并与机械技术相互融合的产物。
机电控制技术外文名词：
Mechatronics，来源于日本（70年代）。
取英语Mechanics（机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部拼合而成。
我国通常称为机电控制技术或机械电子学。
日本企业界在1970年左右最早提出“机电一体化技术”这一概念，当时他们取名为“Mechatronics”，即结合应用机械技术和电子技术于一体。
随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）方向发展，应用范围愈来愈广。
1.1.2机电一体化定义
机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。
机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容。
但其基本特征可概括为：
机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。
由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。
1.1.3机电一体化的发展状况
机电一体化的发展大体分为3个阶段。
第一阶段：
20世纪60年代以前，这一阶段称为初级阶段。
第二阶段：
20世纪70～80年代，称为蓬勃发展阶段。
第三阶段：
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20世纪90年代后期，机电一体化进入深入发展时期。
机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。
20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。
在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。
特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。
那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。
由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。
20世纪70～80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。
这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。
大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。
这个时期的特点是：
①mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；
②机电一体化技术和产品得到了极大发展；
③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。
20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。
一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。
同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。
这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。
我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。
国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。
在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。
许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。
1.1.4机电控制技术涉及到的学科
机械学：
机械设计、机械制造
电子学：
电工学、电机学、数字电路、模拟电路
控制论：
经典控制（控制工程基础）、现代控制（多变量）
计算机科学：
微处理系统及接口技术，应用软件技术（CAD、CAM、CNC）
CAD／CAM：
计算机辅助设计与制造（简称CAD／CAM）。
CAD／CAM集成技术将传统的设计与制造彼此相对分离的任务作为一个整体来规划和开发，实现信息处理的高度一体化。
该技术将独立的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺设计技术（CAPP）及计算机辅助制造技术（CAM）单元技术有机地结合起来，形成CAD／CAM集成系统。
CAD：
计算机辅助设计
CAPP：
计算机辅助工艺设计技术
CAM：
计算机辅助制造技术
CNC：
采用通用小型计算机或微型计算机作为数控装置，这种数控系统称计算机数控系统（简称CNC），又称软件数控。
1.2机电控制系统的组成
构成机电控制系统的要素很多，其中五大要素是必须的，可以从构成人体的五大要素得到启发。
如图1所示为人体的五大要素，图2所示为机电控制技术的五大要素。
★一个较完善的机电控制系统，应包括以下几个基本要素：
机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信息处理单元及接口，各要素和环节之间通过接口相联系。
1．机械本体 是系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机械联接等。
由于机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体要在机械结构、材料、加工工艺性及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观等要求。
2．动力部分 这部分按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，使系统正常运行。
用尽可能小的动力输入，获得尽可能大的功能输出，是机电一体化产品的显著特征之一。
3．测试传感部分 这部分对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息，其功能一般由专门的传感器和仪表完成。
4．执行机构 根据控制信息和指令，完成要求的动作。
执行机构是运动部件
用机械、电磁、电液等机构。
根据机电控制系统的匹配性要求，需要考虑改善性能
刚性，减轻质量，实现组件化、标准化和系统化，提高系统整体可靠性等。
5．驱动部分 这部分在控制信息作用下提供动力，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。
机电控制系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特征，同时要求有较高的可靠性和对水、油、温度、尘埃等外部环境有较强的适应性。
由于几何尺寸上的限制，要求动作范围狭窄，所以还需考虑维修和标准化的要求。
随着电力电子技术的高速发展，高性能步进驱动、直流和交流伺服驱动大量应用于机电控制系统。
6．控制及信息处理单元 这部分将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。
控制及信息处理单元一般由计算机、可编程序控制器（即PLC）、数控装置以及逻辑电路、A／D与D／A转换、I／O（输入／输出）接口和计算机外部设备等组成。
机电控制系统对控制和信息处理单元的基本要求是：
提高信息处理速度、可靠性、增强抗干扰能力，以及完善系统自诊断功能，实现信息处理智能化和小型、轻量、标准化等。
7．接口 接口是系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的联接界面，其具有对信号进行变换、放大及传递的功能。
由于接口的作用使各组成要素联接成为一个有机整体，由控制和信息处理单元的预期信息导引，使各功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电控制系统工程。
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机电一体化结构图
“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。
只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。
这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。
机械工程技术由纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。
但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。
即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。
1.3机电控制的技术体系
1.3.1检测传感技术
是机电控制技术系统的感觉器官，即从待测对象获取信号并送到信息处理部分。
主要内容包括：
一是将物理量（位移、速度、加速度、力、力矩、温度等）转换成一定的与其成比例的电量；二是对转换的电信号的加工处理如放大、补偿、标定。
检测传感装置是实现自动控制的重要环节，要求传感器及其放大处理电路快速、精确地获取信息，并能够抗干扰、可靠性高。
传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。
其功能越强，系统的自动化程序就越高。
现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。
★为提高产品的性能、扩展功能，通常需对机械进行实时控制、监视、安全检查等，以提高其自动化和智能化的程度，这些都要通过检测传感手段来实现。
因此，检测传感技术是机电控制系统安全运行与提高产品质量的有力保证。
传感器是检测部分的核心，它相当于人的感觉器官，是将被测量变换成系统可识别的、与被测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置。
传感器将力、压力、位移、速度、加速度、温度等物理量转化为电量输入到信息处理系统，并作为相应的控制信号。
检测精度的高低将直接影响机械性能的好坏，现代工程技术要求传感器能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验；传感器应具有广的功能范围、高的精度、好的动态响应、高的灵敏性和分辨率、高的抗干扰能力和可靠性。
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1.3.2信息处理技术
包括信息的输入、变换、运算、存储及输出。
信息处理的工具是计算机，因此信息处理技术是和计算机技术紧密相关，包括硬件、软件、网络与通讯、数据库技术等。
在机电控制的技术体系中，信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。
★信息处理技术通常是指信息的输入、交换、运算、存储和输出等技术。
它包括计算机及外围设备、微处理机及可编程序控制器（PLC）、接口技术。
在机电控制系统中，信息处理部分相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。
信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此，希望能提高信息处理速度、运行的可靠性和抗干扰能力。
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1.3.3自动控制技术
机电系统自动控制包括位置控制、速度控制、力或力矩控制、自校正补偿等，自动控制的基础是自动控制原理，分为经典控制理论和现代控制理论。
自动控制技术其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。
★自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等技术。
自动控制技术能协调机械、电器各部分来正确地完成动作过程，因此在机电控制系统中起到很重要的作用。
在机电控制技术中，?
自动控制主要解决如何提高产品的精度、提高加工效率、提高设备的有效利用率等几个主要的问题。
其主要技术关键在于现代控制理论在机电控制技术中的工程化与实用化、优化控制模型的建立及边界条件的确定等。
计算机动态仿真技术的出现和发展为在控制系统的物理模型建立之前就能预见其动态性能，并为正确选择控制系统的有关参数提供了方便。
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1.3.4精密机械技术
是机电控制技术技术的基础，对系统的结构、重量、体积刚性、耐用性等有重要影响。
强调精密机械设计技术的运用，即利用高、新技术手段，实现结构上、材料上、性能上的变更，以满足：
1.减轻重量，2、减小体积提高刚度?
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3、实现标准化、通用化、系列化
机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。
在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。
较老式的同类型机械，新一代的机械制造技术中（★）机械部分的精度要求更高，要有更好的可靠性及维护性，同时要有更新颖的结构，要求零部件模块化、标准化、规格化等。
也就是说，在机电一体化产品中，对机械本体和机械技术本身都提出了新的要求。
这种要求的核心就是精密机械技术，要求机械结构减轻质量、缩小体积、提高刚性、提高精度、改善性能、提高可靠性。
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1.3.5伺服传动技术
在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。
伺服传动系统采用的驱动技术与使用的执行元件有关。
按照执行元件的不同分为电气伺服、液压伺服、气压伺服
伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。
★伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置。
这部分相当于人的手足，它直接执行各种有关的操作。
伺服传动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。
常见的伺服驱动有电动机、液压马达、脉冲液压缸、步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。
由于变频技术的进步，交流伺服驱动技术已取得了突破性进展，可为机电控制系统提供高质量的伺服驱动单元，极大地促进了机电控制技术的发展。
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1.3.6系统总体技术
从整体的观点出发，组织应用各种相关技术，即从全局和系统目标角度，将系统分解成若干功能子系统，对于每个子系统的技术方案要从整个系统技术协调的观点考虑，最终使整个系统实现最优化。
系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。
★机电控制技术不是几种技术的简单叠加，而是通过系统总体设计使它们形成一个有机整体。
系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再将各个功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价、优选的综合应用技术。
总体技术包括机电一体化机械的优化设计、CAD／CAM技术、研究和解决各组成部件之间的功能上的协调，可靠性设计及价值工程等。
显然，即使各部分技术都已掌握，性能、可靠性都很好，如果整个系统不能很好地协调，则它仍然不可能正常、可靠地运行。
由此可见系统总体技术的重要性。
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1.4机电控制技术的发展前景
1．性能上向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展。
2．功能上向模块化、微型化、轻型化、多功能方向发展。
3．层次上向网络化、绿色化、系统化、复合集成化方向发展。
机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。
因此，机电一体化的主要发展方向如下：
1.智能化
智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。
人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。
这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。
诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。
但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。
2.模块化
模块化是一项重要而艰巨的工程。
由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。
如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。
这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。
这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。
由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。
显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。
微型化
微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。
国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。
微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。
微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。
3.网络化
20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。
网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。
各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。
机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。
由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。
现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势?
，利用家庭网络（homenet）将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统（computerintegratedappliancesystem,CIAS），使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。
因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。
绿色化
工业的发达给人们生活带来了巨大变化。
一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。
于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。
绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。
绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。
设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。
机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。
系统化
系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。
系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。
表现特征之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS。
人格化
未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义。
一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。
另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体花产品。
事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。
1.5机电控制的技术、经济和社会效益
1．提高精度 2．增强功能
3．提高生产效率，降低成本 4．节约能源，降低消耗
5．提高安全性、可靠性 6．改善操作性和使用性
7．减轻劳动强度，改善劳动条件 8．简化结构，减轻质量
9．降低价格 10．增强柔性应用功能
1.6机电控制技术产品的分类
综上所述，机电一体化的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。
当然，与机电一体化相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。
★机电控制技术综合利用各相关技术优势，扬长避短，取得系统优化效果，有显著的社会效益和技术、经济效益。
1．提高精度 机电控制技术使机械传动部件减少，因而使机械磨损、配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测和控制、补偿、校正因各种干扰因素造成的动态误差，从而达到单纯机械装备所不能实现的工作精度。
如采用微型计算机误差分离技术的电子化圆度仪，其测量精度可由原来的0．025μm提高到0．01μm；大型镗铣床装感应同步器数显装置可将加工精度从0．06μm提高到0．02μm。
2．增强功能 现代高新技术的引入，极大地改变了机械工业产品的面貌，具有多种复合功能，成为机电一体化产品和应用技术的一个显著特征。
例如，加工中心机床可以将多台普通机床上的多道工序在一次装夹中完成，并且还有自动检测工件和刀具的精度、自动显示刀具动态轨迹图形、自动保护和自动故障诊断等极强的应用功能；配有机器人的大型激光加工中心，能完成自动焊接、划线、切割、钻孔、热处理等操作，可加工金属、塑料、陶瓷、木材、橡胶等各种材料。
这种极强的复合功能，是传统机械加工所不能比拟的。
3．提高生产效率，降低成本 机电一体化生产系统能够减少生产准备和辅助时间短新产品的开发周期，提高产品合格率，减少操作人员，提高生产效率，降低生产成本如，数控机床的生产效率比普通机床高5～6倍，柔性制造系统可使生产周期缩短40％，生产成本降低50％。
4．节约能源，降低消耗 机电一体化产品通过采用低能耗的驱动机构、最佳的调节控制和提高设备的能源利用率，来达到显著的节能效果。
例如工业锅炉若采用微机精确控制燃料与空气的混合比，可节煤5％～20％；被称为电老虎的电弧炉，是最大的耗电设备之一，如改用微型计算机实现最佳功率控制，可节电20％。
5．提高安全性、可靠性 具有自动检测监控的机电控制系统，能够
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