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摘要：
本文总结了可编程控制器（PLC）研究的背景和意义，评述了PLC控制系统的国内外研究现状，并由此引出了该领域目前存在的问题。
描述了可编程控制器PLC的组成与工作原理。
在此基础上，在花式喷泉控制系统的设计中，具体给出了花式喷泉的喷水花样，分配了几种喷水花样下PLC的输入/输出接口、设计了PLC的外部接线图、梯形图。
实验结果表明，将可编程控制器PLC应用于花式喷泉控制系统中，具有使用方便、运行可靠、控制程序设计简单等优点。
本文最后对可编程控制器PLC的发展趋势进行了展望。
关键词:
PLC；
花式喷泉；
控制
1引言
1.1可编程控制器PLC的发展背景与研究意义
1.1.1可编程控制器PLC的发展背景
随着微处理器和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在几乎所有的工业领域。
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，可编程序控制器（简称PLC）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置[1]。
可编程序控制器的英文为ProgrammableController，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。
由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；
加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，ProgrammableLogicController），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。
有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。
PLC是模仿继电器控制原理发展起来的。
1.1.2可编程控制器PLC的研究意义
可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发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[2]。
作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；
其功能从弱到强，实现了从逻辑控制到数字控制的进步；
其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越[3]。
今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用，因此，PLC的应用也就成为了一个热点问题。
在PLC诞生之前，工业控制设备的主流品种是以继电器、接触器为主体的控制装置。
继电器、接触器是一些电磁开关，后来随着工业自动化程度的不断提高，使用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不断地暴露出来，在20世纪60～70年代，社会的进步要求制造出小批量、多品种、多规格、低成本、高质量的产品以满足市场需要，不断的提出改善生产机械功能的要求。
加上当时电子技术已经有了一定的发展，于是人们开始寻求一种以存储逻辑代替接线逻辑的新型工业控制设备，这就是我们现在所说的PLC[4]。
1.2可编程控制器PLC控制花式喷泉的优势
目前，在游人和居民经常光顾的场所，如公园、广场、旅游景点及一些知名建筑前，经常会修建一些喷泉供人们休闲、观赏。
这些喷泉按一定的规律改变喷水式样，如果再与五颜六色的灯光相配合，在和谐优雅的音乐中，更使人心旷神怡，流连忘返。
在大型广场或景区的喷泉控制系统中，应用单片机控制原理，通过可控硅作为功率开关元件,完成对潜水泵间歇工作的控制，可实现各种花样的喷水，但是这种控制系统在实践中存在以下缺点：
由于可控硅承受过电压、过电流的能力差，因而不能长时间运行；
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。
为有效解决上述问题,确保控制系统的正常运行，采用PLC来控制喷泉控制系统。
若采用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，就可以改变花式喷泉的喷水规律，从而变换出各式花样，以适应不同季节、不同场合的喷水要求。
所以使用PLC控制花式喷泉，具有使用方便、运行可靠、控制程序设计简单等优点[5]。
若需要改变喷水花样和喷水时间,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[6]。
1.3可编程控制器PLC在国际上的发展现状
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。
PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：
高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。
它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。
PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。
PLC的应用领域目前也在不断扩大，并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全厂的综合自动化。
PLC的技术发展除了小型化、超高速，大容量存储器，多CPU，多任务并行运行外，PLC的开放性更大，通信联网能力更强，集成化软件更优。
标准化的IEC61131-3PLC编程语言已被众多PLC厂商所接受，其推广速度越来越快。
软PLC的应用范围将更广[7]。
1.4可编程控制器PLC在我国的发展现状、问题与对策
进入90年代，我国的可编程序控制器进入了广泛发展阶段，但是目前我国的可编程序控制器的发展主要面临着三大问题。
一是技术层面上的，在国际上可编程序控制器迅速发展的形势下，我国还没有具有自主知识产权，能够参与国际竞争的可编程序控制器产品，原因主要在于我国的整个基础工业还有一定差距。
二是竞争层面上的，实际上也是一个经济竞争的问题。
现在95%的国内市场由外国的可编程序控制器产品所占领，中、大型可编程序控制器中，几乎全部由国外几大公司垄断，随着我国使用可编程序控制器领域的不断扩大，市场越来越大，然而国外几大公司几乎每年都会针对市场推出新的产品，一旦人们使用了新的产品后，他们就会逐渐的提高产品市场价格，没有我国自己的自主知识产权的产品，在经济竞争中就只能处于被动。
三是市场秩序层面上的，随着我国改革开放的不断深入，特别是加入WTO后，我国巨大的市场份额极大的吸引了国外的大公司，他们开拓市场的方法都是采用大范围建立代理销售渠道，每个公司的分销商、系统集成商都会有数十家，甚至上百家之多，造成了我国的分销商、系统集成商之间的激烈竞争，而这些无序的竞争为国际大公司分而治之、获取稳定的高额利润创造条件[8]。
面对这些问题，我国可编程序控制器的发展应该采取如下对策：
（1）面对如此巨大的市场，我国应该集中资金和技术力量，尽快研制生产出具有自主知识产权的可编程序控制器的系列产品，就像以前的家电行业一样。
其实随着我国整个民族工业的不断发展，特别是近年来芯片工业的迅速发展，推出具有国际竞争力的可编程序控制器产品已成为可能。
（2）继续发挥我国科学技术人员可编程序控制器应用技术的优势，扩大可编程序控制器的应用领域，从而带动我国相关成套设备和软件产业的发展。
（3）在扩大可编程序控制器应用的同时，要在软件集成化上下功夫。
针对不同的工业生产过程，形成具有我国特点的系统集成软件、人机界面软件和系统应用软件，在一些我国领先的工业行业中制造出具有核心技术的系统应用软件。
真正形成具有国际标准的、可进行复制的模块化软件。
采取上述策略后，我国就能在可编程序控制器的应用上率先实现突破，融入全球一体化经济之中，形成具有自主知识产权的软件产业，进而研制、开发、生产出具有自主知识产权，能够参与国际竞争的可编程序控制器产品[9]。
2PLC的组成与工作原理
2.1可编程控制器PLC的分类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。
对PLC的分类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类[10]。
按I/O点数分类。
PLC按其I/O点数多少一般可分为以下4类：
（1）微型PLC：
I/O点数小于64点的PLC为超小型或微型PLC。
（2）小型PLC：
I/O点数为256点以下，用户程序存储容量小于8KB的为小型PLC。
它可以连接开关量和模拟量I/O模块以及其他各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网等功能。
（3）中型PLC：
I/O点数在512～2048点之间的为中型PLC。
它除了具有小型机所能实现的功能外，还具有更强大的通信联网功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。
（4）大型PLC：
I/O点数为2048点以上的为大型PLC。
它具有极强的软件和硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。
按结构分类。
PLC按其结构可分为整体式、模块式及叠装式3种：
（1）整体式PLC
将CPU、I/O单元、电源、通信等部件集成到一个机壳内的称为整体式PLC。
（2）模块式PLC
模块式PLC是将PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。
模块式PLC由母板（或框架）以及各种模块组成。
（3）叠装式PLC
将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC将CPU模块、电源模块、通信模块和一定数量的I/O单元集成到一个机壳内，如果集成的I/O模块不够使用，可以进行模块扩展。
按功能分类。
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档3类：
（1）低档PLC
具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（2）中档PLC
除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
（3）高档PLC
除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT可编程控制器原理与应用显示、打印和更强的通信联网功能。
2.2可编程控制器PLC的特点
可编程控制器之所以能得到飞速发展，与其自身特点是密不可分的[10]。
（1）可靠性高，抗干扰能力强高
PLC由于采用现大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
2.3循环扫描工作方式简介
采用循环执行用户程序的方式是PLC工作的基本原理，这种运行方式也称为扫描工作方式。
OB100是用于循环处理的组织块，相当于用户程序中的主程序，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断[11]。
图1给出了循环扫描的过程。
PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。
此外还要执行一次用户编写的“系统启动组织块”OB100，完成用户指定的初始化操作。
以后将进入周期性的循环运行。
下面是循环处理各个阶段的任务：
（1）操作系统启动循环时间控制。
（2）CPU将输出过程映像区的数据写到输出模块。
（3）CPU读取输入模块的输入状态，并存入输入过程映像区。
（4）CPU处理用户程序，执行用户程序中的指令。
（5）在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务，例如下载和删除块，接收和发送全局数据等。
（6）CPU返回第一阶段，重新启动循环时间监控。
图1扫描过程
2.4PLC的工作原理
PLC的工作原理是采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。
PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作[12]。
（1）输入处理：
输入处理也叫输入采样。
在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。
在此输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序执行阶段。
在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。
（2）程序执行：
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。
遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。
对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。
（3）输出处理：
程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
2.5PLC的硬件组成
一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。
但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。
对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。
无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合[13]。
PLC的基本结构框图2所示：
图2PLC基本结构图
可编程控制器的硬件结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。
通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。
（1）中央处理单元（CPU）
PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。
它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了[14]。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。
一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。
箱体式PLC的主箱体也有这些显示。
它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。
CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。
（2）存储器（RAM、ROM）
存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；
存放工作数据的存储器称为数据存储器。
常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。
RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。
RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。
掉电时，可有效地保持存储的信息。
EPROM、EEPROM都是只读存储器。
用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。
（3）输入输出单元（I/O单元）
I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。
I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。
接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。
PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。
（4）电源
PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。
PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。
（5）编程器
编程器是PLC的最重要外围设备。
利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。
除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。
利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。
2.6顺序功能图
顺序功能图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形。
顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，而是一种通用的技术语言，可以供进一步设计和在不同的人之间进行技术交流。
顺序功能图是设计顺序控制程序的有力工具。
步、转换、转换条件、有连线和动作说明是构成顺序功能图的基本要素。
在花式喷泉的设计中，本文只给出其详细的梯形图，而不给出顺序功能图。
2.7梯形图
其沿袭了继电器控制电路的形式，它是在电器控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变来的，形象、直观、实用[15]。
梯形图的设计应注意以下三点：
（1）梯形图按从左到右、从上到下的顺序排列。
每一逻辑行起始于左母线，然后是触点的串、并联接，最后是线圈与右母线相联。
（2）梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。
这个“概念电流”只是形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。
（3）输入继电器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。
因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。
输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出继电器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。
输出继电器的触点可供内部编程使用。
可编程控制器梯形图设计规则如下[16]：
（1）触点的安排
梯形图的触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。
（2）串、并联的处理
在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。
在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。
（3）线圈的安排
不能将触点画在线圈右边，只能在触点的右边接线圈。
（4）不准双线圈输出
如果在同一程序中同一元件的线圈使用两次或多次，则称为双线圈输出。
这时前面的输出无效，只有最后一次才有效，所以不应出现双线圈输出。
（5）重新编排电路
如果电路结构比较复杂，可重复使用一些触点画出它的等效电路，然后再进行编程就比较容易。
（6）编程顺序
对复杂的程序可先将程序分成几个简单的程序段，每一段从最左边触点开始，由上之下向右进行编程，再把程序逐段连接起来。
2.8PLC的应用领域
PLC的应用领域非常广泛。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类[17]。
（1）开关量的逻辑控制。
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制。
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制。
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
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