喷泉控制系统设计Word下载.docx
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第一章课题背景
1.1喷泉的发展
1.1.1我国喷泉的发展
自古以来,喷泉水景在我国园林建造中应用广泛,但是就其技术而言,只是利用地形之高差或自然的水压,而形成镜池、溪流、涌泉、壁流、瀑布等,景观形式较为单一。
二十世纪八十年代以后，伴随着改革开放的春风，国民经济快速恢复并且持续发展，人民生活得到稳步提升。
在一些大中型城市中，城市建设和园林设计部门对喷泉景观在环境的美化和文化氛围的
营造上提出了新的要求。
一些园林，水利的设计院，研究所及大专院校，根据土建结构、给水排水、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，设计出许多优秀的喷泉、水景。
令人耳目一新,给人以视听上的高度享受，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。
喷泉水景逐步成为美化城市改善环境的重要手段。
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。
喷泉开始进入到人们的各个社会活动场所中，从此走出公园、园林的围墙和广场的中心。
市场经济的推动让喷泉设计和制造行业进入了快速发展的新天地。
一些喷泉专业的生产厂商和制造公司，在这段时间内应运而生，快速发展起来。
专业研究人员把微机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等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，喷泉行业得到了飞速发展。
2001年中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会成立了水景喷泉专业委员会，行业组织为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、公司提供服务，促进喷泉行业健康有序地发展。
一些大学和中专的建筑、园林专业也开设了水景、喷泉课程，为喷泉行业的今后发展提供了知识储备。
喷泉行业的发展进入到一个新的阶段。
1.1.2喷泉的应用状况
随着人们生活水平的提高，精神生活的不断丰富，人们对喷泉的景观功能，环保功能，娱乐功能提出了新的要求。
在喷泉方案的制作上，短短的几年时间就从手工制图发展到photoshop图片再发展到三维动画制作的光盘描绘的动态喷水方案，计算机技术极大地丰富和开拓了人们的思维空间。
快速、直观、便于保存、易于修改的优点很快地就被建设方接受，成为喷泉设计方案招投标的必备内容。
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。
一些大型城市的城市主题喷泉造型雄伟，壮观，给人团结向上，气势磅礴的感觉，像西安大雁塔的音乐喷泉已经成为城市的地标，城市精神面貌提升到很高的等级。
在广场和公园的大型喷泉，结合了多种技术，形成了许多令人留恋往返的喷泉，像激光音乐喷泉，火焰音乐喷泉，结合水幕电影的主题喷泉，既动感十足，又富有诗意，配合声、光、电、雾、火，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。
在购物中心，商业广场的景观喷泉，松弛、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受，也加湿了空气，降低温度。
随着住宅小区的越来越高档，喷泉景观也逐步走入了小区人民的生活，伴随假山，景观湖，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足的形式。
商场内、酒楼里的喷泉小巧、别致，既调节了室内小气候，又增添了画意。
依托大型建筑物和自然地形建成的人工瀑布及溢水造景给人们以清新和另有韵味的感受。
喷泉在电视和大型歌舞上频频出现，水形烘托着演出的效果给人眼前一亮的感觉。
精巧优美的微型喷泉走进了办公室和居室，给室内增添了动态的装饰。
喷泉是艺术和技术的结合物，建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计、创作中。
不少成功的作品都注意喷泉的设计风格与周边的环境、建筑物风格的协调一致，注意当地人文、文化心理，所以好的方案设计是至关重要的，它是成功的起点。
1.1.3现代喷泉出现的问题
随着喷泉的广泛应用，喷泉的一些问题也逐渐暴漏出来，有些认识上的误区和不良倾向应该引起人们的重视。
否则会对喷泉行业的持续发展会造成严重打击。
（1）方案设计上的很盲目，导致作品成为败笔，使作品难于长久保存。
（2）细部设计的不合理，直接影响作品效果。
（3）质次价高的伪劣产品直接影响着有关厂商和公司的信誉。
（4）节能、节水、环保问题应引起足够的重视。
喷泉的水造型是通过细部设计来实现的，机、泵、管、阀门、喷头的合理选配，直接影响着喷水效果。
有些喷泉的设计，只注意了流量、工作压力等技术指标，忽视了流态效果这个重要因素，水造型效果差。
例如：
超高水柱密实段长，破裂段和雾化段短，水柱直径和喷水高度比例合适，抗风能力强，喷水效果挺拔、雄伟。
而目前的一些超高水柱，水柱密实段短，破裂段和雾化段长，水柱直径与喷水高度相比显得细小单薄，抗风能力差，水柱很容易被吹散飘移，这就是有关参数选配不合理所致。
在整体水造型的组合效果上也存在类似的问题。
细部设计不合理，是技术经济指标差的表现，需要在设计阶段给予解决。
喷泉是耗能的景观工程，在保障设计效果的前提下，尽可能地节约水能源，这在方案设计阶段时就应该进行量体裁衣的设计。
我国是一个缺水的国家，节水是我国的基本国策，喷泉要提倡循环用水，设计时应考虑减少喷水的雾化，飘移损失。
循环用水系统应该有过滤净化装置，现在有许多旱喷泉，喷水很容易把地面上的泥土、脏物冲入地下水池，水质极易污染，搞好池水净化，延长池水使用周期，用过的池水可以浇灌周边的草坪、绿地，既节约了用水，又有环保的功能。
这就达到了喷泉应该体现的价值。
1.1.4常见的几种花样喷泉
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，使水体具有丰富多彩的形态，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、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。
下面是一些我们日常生活中常见的喷泉:
音乐喷泉是音乐和喷泉的结合，音乐是喷泉的主题，喷泉是音乐内涵的表达，如图1-1
图1-1音乐喷泉
程控喷泉是按照预先编辑的程序定时变换喷水造型，如图1-2。
图1-2程控喷泉
跑动喷泉是按照时序控制喷水，构成各种跑动、跳动、波动等形态，变化多端，如图1-3
图1-3跑动喷泉
本次设计采用为程控喷泉，其优点在于喷泉造价适中，程序变化繁多。
预先对水型、灯光的变化组合进行PLC程序编程，运行时候该程序转换为信号控制水泵、数控阀、灯光等器件，产生绚丽多彩的灯光效果。
其特点为程序固定、控制精确。
第二章系统主控元件选择
2.1主控元件比较
2.1.1单片机喷泉控制系统
单片机也称为单片微型计算机，是把微型计算机的各部件——中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器/计数器等制作在一块集成电路芯片上，构成一个完整的微型计算机，如图2-1所示。
由于单片机在一块小芯片上就集成了一台计算机有具备的功能，所以其在工业控制中占据很重要的地位。
它具有超小型化、结构紧凑、抗干扰能力强等优势。
特别适用于实时工业测量控制、智能化仪器仪表和家用电器控制等应用系统。
目前，市场上流行的单片机种类繁多，如MCS-51系列，8位单片机仍占有单片机市场60%以上的份额，促进了8位单片机朝着高性能和多功能化方向发展。
其他单片机，如凌阳公司的SPCE061A16位单片机，美国TEXASINSTRUMENTS公司的MSP430系列单片机，ARM（Advanced
RISC
Machine）嵌入式单片机等都是各有优点，在不同的领域中有着很好的应用。
图2-1单片机控制系统
单片机控制系统用于喷泉控制是完全可行的，它可以通过定时器/计数器对喷泉喷射的时间进行控制，并且也可以利用串行接口与上位机进行通讯。
由于单片机的价格比较便宜，所以大批量生产时的性能价格比很高。
但由于单片机需要附属很多的外围电路，对电路的设计水平要求很高，否则便很可能降低系统的稳定性。
而且，由于喷泉控制系统很少会有批量生产的情况，对于小规模制作时，PCB印刷电路板的制作成本是很高的。
综上所述，此次设计采用单片机控制系统不是最佳方案。
2.1.2工控机喷泉控制系统
工控机即工业控制计算机，但现在更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑，英文简称IPC，全称IndustrialPersonalComputer。
工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，如图2-2所示。
工控机特点
工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。
因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：
1）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。
2）机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。
3）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。
4）要求具有连续长时间工作能力。
自1984年国内开始从事开发和推广应用工控机以来，已被广泛地应用于钢铁冶金、石油化工、机电成套设备、医药食品、数控机床、工业炉窑等工业领域、以及军工和科研设备中。
图2-2工控机控制系统
对于工控机作为喷泉控制系统，由于喷泉控制系统的环境相对工业控制环境要好得多，而且喷泉控制系统对连续长时间工作的能力要求也不是很高，用工控机设计喷泉控制系统实属有些大材小用。
而且工控机的价格较同层次的PC机要偏高，这样就更增加了系统的成本，降低了整体的性价比。
2.1.3PLC喷泉控制系统
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、控制技术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。
如图2-3所示。
作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，在自动化领域占据着十分重要的位置。
PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；
并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
图2-3PLC控制系统
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。
对于喷泉控制系统这样，被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在组态软件设计方面，要容易一些。
且PLC通常都支持现场总线，会使得系统通信得到有利保障，更适合实现上位机的远程监控。
目前适用于喷泉控制的中小型PLC种类繁多，价格低廉。
使设计者会有更多的选择余地。
系统整体造价会比工控机低，而且不会降低系统的稳定性。
经过以上三种控制系统的可行性分析可以看出，以PLC为下位机，PC机为上位机组成的控制系统是此次设计喷泉控制系统的最佳方案。
2.2PLC的研究现状
2.2.1 PLC的简介
1、定义
PLC即可编程逻辑控制器（可编程控制器件）。
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
2、基本结构
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
（1）电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
（2）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
（3）存储器
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。
（4）输入输出接口电路
1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
（5）功能模块
如计数、定位等功能模块。
（6）通信模块
3、工作原理
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
一、输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
二、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；
相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
三、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。
2.2.2 PLC的应用领域
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:
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，直接开关量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。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；
也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.2.3PLC的应用特点
1、功能丰富
PLC的功能非常丰富。
这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。
它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数据的运算。
凡普通计算机能做到的，它也都可作到。
它的内部器件，即内存中的数据存储区，种类繁多，容量宏大。
I/O继电器，可以用以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至10几万。
这意味着它可进行这么多I/O点的入出信息变换，进行这么大规模的控制。
它的内部种种继电器，相当于中间继电器，数量更多。
内存中的一个位就可作为一个中间继电器。
它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。
小小的箱体或模块，其内部定时器、计数器可达成百、成千。
这也是因为只要用内存中的一个字，再加一些标志位，即可成为定时器、计数器，所以才那么多。
而且，这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的，即上电后予以清零的。
以满足不同的使用要求。
这些也是继电器件所难以做到的。
2、使用方便
用PLC实现对系统的控制是非常方便的。
这是因为：
首先PLC控制逻辑的建立是程序,用程序代替硬件接线。
编程序变接线，更改程序变更改接线，当然要方便得多。
其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。
而且，这些模块是配套的，已实
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