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1.2喷泉的发展.......................................................................................3
1.3喷泉的种类.......................................................................................4
1.4喷泉的设计.......................................................................................5
1.5喷泉设计涉及的知识领域................................................................5
第二章花样喷泉设计方案
2.1音乐喷泉设计示意图.........................................................................7
2.2音乐喷泉控制要求.............................................................................8
2.3喷泉设备使用简介.............................................................................8
第三章PLC、电磁阀、水泵等简介
3.1PLC简介............................................................................................9
3.2电磁阀简介........................................................................................13
3.3水泵简介及型号的选择....................................................................17
3.4变频器简介........................................................................................21
3.5彩灯简介22
第四章花样喷泉设计
4.1PLC型号的选择................................................................................24
4.2PLC编程注意事项............................................................................24
4.3花样喷泉I/O分配.............................................................................25
4.4PLC外部接线图................................................................................25
第五章软件设计
5.1系统程序设计........................................................................................26
致谢..........................................................................30
参考文献..........................................................................31
摘要
进入了21世纪，随着人们生活水平的提高和建立绿色城市的向往，音乐喷泉以其独特的魅力和特殊的功能，愈来愈成为休闲娱乐产业中的一项重要产品,音乐喷泉的兴建也越来越多。
根据目前音乐喷泉的发展现状，完成了小型音乐喷泉系统硬件结构设计和控制系统设计。
控制系统的原理是利用可编程控制器PLC来控制喷泉的功能，分级控制单相电动机，最终达到控制喷头流量的方法。
采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制喷泉。
音频信号还影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。
从而使灯光色彩、灯光的闪烁和喷泉水姿随音乐节奏而变化。
音乐喷泉是通过千变万化的喷泉造型，结合五颜六色的彩光照明，来反映音乐的内涵及音乐的主题，一座好的音乐喷泉，水形的变化应该能够充分地表现乐曲。
音乐表演喷泉是在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，计算机通过对音频及MIDI信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步，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，使喷泉表演更加生动更加富有内涵。
音乐喷泉：
可以根据音乐的高低起伏变化。
用户可以通过PLC编程程序在编辑界面编写自己喜爱的音乐程序，来自由控制喷泉的效果。
播放系统可以实现音乐、水、灯光气氛统一，播放同步。
本设计课题旨在设计的过程中，培养广泛的学习兴趣，涉及更多的知识领域，无论是在课本的学习中所学到的还是在其他的资料中所参考得到，都要把它变成自己的知识加以巩固和学习，从而达到设计的初衷。
关键词：
可编程控制器（PLC）、水泵、电磁阀、音乐喷泉
第一章：
喷泉概述
喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。
现代的喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。
园林中的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。
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、瀑布、水帘、跌水等。
随着人们生活水平的提高，为了造景需要，现已成为建造在园林、广场和公共建筑的喷水装置
1.1喷泉的意义
喷泉对于城市环境具有多种价值，不仅能湿润周围空气、清除尘埃，而且能通过水珠与空气的撞击产生大量对人体有益的负氧离子，因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心身体健康；
同时，婀娜多姿的喷泉造型，随着音乐欢快跳动的水花，配上色彩纷呈的灯光，既能美化环境、提高城市文化艺术面貌，又能使人精神振奋，给人以美的享受。
喷泉从其外形可分为水泉和旱泉，其类型有普通装饰性喷泉、与雕塑结合的喷泉、水雕塑、自控喷泉，控制方式可分为手控、程控、声控。
水姿多样，富于变换，创造无穷意境。
因此，喷泉在建筑、园林、旅游事业中，受到了广泛的重视。
喷泉是水的艺术、水的文化。
1.2喷泉的发展
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。
喷泉发展到今天，已经广泛应用于城市中心、广场、车站、公园、房地产及各种公共场所。
它不仅起着美化城市环境，提高广场、车站、公园等公共场所的品味，还以独特多变的动感造型，改善人们的居住环境，因而在现代环境的设计中被广泛采用。
1.3喷泉的种类
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。
音乐喷泉由计算机控制，集声、光、色为一体，喷头灯光伴随着优雅的乐曲，梦幻般的起伏，交叉生辉，构成一幅五彩缤纷、优美动人的场景，热烈欢乐的水姿，令人心旷神怡，叹为观止，留恋忘返。
1.程控喷泉是按照预先编辑的程序变换喷水造型和灯光色彩强弱变化的喷泉，可实时显示各个喷泉的工作状态和灯光状态，以及水泵和灯光的故障指示，程序一般可以随时修改，也可储存多种程序，随意调用。
旱地喷泉是在水喷泉的基础是进一步完善的，旱地喷泉地表清洁整齐，喷头和灯光设置在盖板下端，不喷水时表面平整阔广，喷水时，水柱通过盖板筚子或花岗岩辅装孔喷出，既是广场休闲，又能观赏喷泉，一举两得。
2.跑动喷泉由数码控制阀、电脑控制有机结合，是音乐喷泉中的重要组成部分。
多个一线排列的喷头，按使序控制喷水，构成各种形式喷水瞬间变化的喷泉。
可形成跑动形态，还可构成各种跳动、波动等形态，水柱跑动自如灵活，给人以欢快流畅的感觉，带来美的享受。
3.光亮喷泉是一种新型的喷泉装置。
灯光和喷头科学结合，水流通过光源反射，喷出的水柱透明光滑，具有较高的艺术品位和观赏效果。
如果安装个数多于两个可追逐、跟踪等功能，程序可根据用户需要编制。
4.水幕电影主要由水幕发生器、投影机（放影机）组成。
水幕高达20余米，宽30-50米，各种VCD光盘或水幕专用影均可在水幕上播放，影视效果奇特、新颖并是极佳的广告宣传工具，各种广场及阔旷的水面均可安装水幕电影。
5.超高喷泉一般指喷水高度在百米以上的喷泉，也常常称为百米喷泉水柱从湖面一跃而起，迅速升至百米高处，从远处望去，犹如一条从湖中喷薄而出的巨龙。
同时，百米喷泉还配有灯光和激光，气势磅礴辉煌、壮丽。
1.4喷泉的设计
喷泉系统设计，就是为喷泉立"
意"
。
如果说立"
是喷泉的灵魂，那么，运用先进的科学技术进行喷泉设计则是艺术的表现手段。
喷泉的设计主要包括以下几个部分：
一 场地设计二供水设计三喷头设计
四灯光设计
五控制设计
1.场地设计是喷泉景观所在的地方要在人们休闲娱乐的地方，喷泉选址和几何尺度的确定必须服从环境的整体要求和规划
2.供水设计喷泉一般都采用自循环方式。
进水管的设计要求在较短时间内能充满水池。
管路与潜泵应贯彻结构紧骤、独立供水的原则，以便设备布局和系统的调试与控制
3.喷头设计是喷泉的喷头选择，喷泉喷头一般有三种基本类型：
直流式、水膜式和雾化式。
不同类型喷头的排列与组合，可以构造出千姿百态的喷泉形式。
4.灯光设计
喷泉的色彩来自两种光源，一种是水下彩色光源，另一种是水面外的投射光源。
水下光源安装在喷头附近的水面下，投射光源则根据水形与流向确定其安装位置和照射方向。
5.控制设计
喷泉系统的控制方式通常有手动控制、程序控制和音乐控制三种。
手动控制缺乏变化，但成本低廉。
程序控制有丰富的水形变化。
音乐控制采用无级调速控制，将音乐与水形变化完美结合，同时给人们以视觉和听觉的享受。
1.5喷泉设计涉及的知识领域
1.PLC
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC,是一种以微处理器为基础、带有指令存储器和输入输出接口、综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的新一代工业控制装置。
在音乐喷泉的设计中，它起到核心作用，对于喷泉的水泵和电磁阀控制，都得用到PLC技术。
2.电磁阀
电磁阀来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；
并不限于液压，气动。
电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压缸控制，所以就会用到电磁阀。
电磁阀的工作原理将在下面的章节中所涉及。
3.水泵
水泵顾名思义就是让喷泉的水扬到空中，再通过PLC的变频技术控制水泵的转速，以达到预期效果，再加上和电磁阀的配合，给人一种强烈的视觉冲击和愉悦的心情。
水泵的种类繁多，在这里不再一一介绍。
4.变频器
变频器的英文译名是VFD（Variable-frequencyDrive），变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。
4.彩灯等其它
要想设计一个完美的音乐喷泉，各方面的附属器件也是不可缺少的，例如：
彩灯和音响等，彩灯使喷泉看上去更华美鲜艳，让人赏心悦目。
音响则使人在眼睛欣赏喷泉的同时，听觉上也给人以享受
5．喷头效果图
图1-1喷头效果图
第二章：
控制方案及要求
2.1音乐喷泉设计示意图
如图2-1所示为喷泉设计的示意图
1
2
43
5
6
图2-1喷泉设计示意图
注：
图中
表示为彩灯，椭圆表示喷头，
表示一台水泵。
2.2音乐喷泉控制要求
如图2-1所示，按下启动按钮，根据五角星的画法不同，开始依次喷水。
先是2~2~2~2~3~4~5~3~2~1~2~3~5~4~3，形成一笔画五角星，整个喷泉实现前面的过程循环。
另外，喷泉喷出的水柱高低变化也能增加喷泉的观赏性，本设计中，按照依次递减的水柱高低变化，以增加喷泉的层次感，在整个喷泉的喷射过程中，再加上动感的音乐，将使欣赏带来多种感官上的享受。
2.3喷泉设备使用简介
喷泉共分为两层，设备分布如下：
喷头→1层5个，2层5个，电磁阀→1层4个，2层4个，本设计中彩灯→1层5个，2层15个，水泵有4台。
一台水泵控制2个电磁阀，另外，水泵型号的选择将在下面的章节中讲到。
第三章：
PLC、电磁阀、水泵等简介
3.1PLC简介
可编程序控制器，英文称ProgrammableLogicalController，简称PLC。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的复杂接线、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；
调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
早期的可编程控制器虽然采用了计算机技术的优点和设计思想，并注重了面向用户、用于控制和适合工业现场的特点，但限于当时的技术发展水平，其功能很有限，器件多、线路复杂且体积大，名称也不统一。
随着网络技术的发展，现代可编程控制器对网络功能的要求更强，一般都有现场总线功能、互连网接入功能等，EASY嵌入式PLC采用CANbus现场总线技术并支持专用的嵌入式Web服务器。
目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工业等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的实现。
3.1.1PLC的特点及发展趋势
主要特点：
1．可靠性高、抗干扰能力强
2．可实现机电一体化
3．编程简单、使用方便、控制程序可变、具有很好的柔性
4．体积小、重量轻、功耗低
发展趋势：
1．向高速度、大容量方向发展
2．向超大型、超小型两个方向发展
3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
4．增强外部故障的检测与处理能力
5．编程语言多样化
3.1.2PLC的分类和基本结构
1.按输入/输出点数分
（1）小型机
小型PLC I/O总点数在256点以下，用户程序存储容量在4KB左右。
（2）中型机
中型PLC I/O总点数在256∽2048点之间，用户程序存储容量在8KB左右。
（3）大型机
大型PLC I/O总点数在2048点以上，用户程序存储容量在16KB以上。
2.按结构形式分
（1）整体式
（2）模块式
3.按生产厂家分
目前世界上PLC产品按地域分成三大流派：
美国、欧洲和日本。
日本和美国的PLC产品较相似。
占PLC市场80%以上的生产公司是：
德国的西门子公司、法国的施耐德自动化公司、日本的欧姆龙、三菱以及松下公司。
PLC的基本结构如图3-1所示：
图3-1PLC的基本结构图
3.1.3PLC的应用范围
随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。
目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、轻工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、交通、建筑、食品、娱乐等各行各业，日益跃居现代工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的主导地位。
3.1.4PLC的主要功能
1．条件控制功能
2．定时/计数控制功能
3．步进功能
4．数据处理功能
5．A/D与D/A转换功能
6．运动控制功能
7．过程控制功能
8．扩展功能
9．远程I/O功能
10．通信联网功能
11．监控功能
3.1.5PLC的技术性能
基本技术性能
1．输入/输出点数（即I/O）
所谓I/O点数即PLC外部的输入、输出端子数。
这些端子可以通过螺钉或电缆端口与外部设备相连。
2．程序容量
一般以PLC所能存放用户程序的多少来衡量。
3．扫描速度
4．指令条数
5．内部继电器和寄存器
6．编程语言及编程手段
7．高级模块
3.1.6PLC的内存分配及I/O点数
S7-200CPU224、CPU226部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示
表3-1S7-200CPU224、CPU226功能说明表
元件名称
代表字母
编号范围
功能说明
输入寄存器
I
I0.0～I1.5共14点
接受外部输入设备的信号
输出寄存器
Q
Q0.0～Q1.1共10点
输出程序执行结果并驱动外部设备
位存储器
M
M0.0～M31.7
在程序内部使用，不能提供外部输出
定时器
256（T0～t255）
T0,T64
保持型通电延时1ms
T1～T4,T65～T68
保持型通电延时10ms
T5～T31,T69～T95
保持型通电延时100ms
T32,T96
ON/OFF延时,1ms
T33～T36,T97～T100
ON/OFF延时,10ms
T37～T63,T101～T255
ON/OFF延时,100ms
计数器
C
C0～C255
加法计数器，触点在程序内部使用
高速计数器
HC
HC0～HC5
用来累计比CPU扫描速率更快的事件
顺序控制继电器
S
S0.0～S31.7
提供控制程序的逻辑分段
变量存储器
V
VB0.0～VB5119.7
数据处理用的数值存储元件
局部存储器
L
LB0.0～LB63.7
使用临时的寄存器，作为暂时存储器
特殊存储器
SM
SM0.0～SM549.7
CPU与用户之间交换信息
SM（只读）
SM0.0～SM29.7
接受外部信号
累加寄存器
AC
AC0～AC3
用来存放计算的中间值
PLC的工作原理：
PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（如图所示）
在内部处理阶段，可编程序控制器检查CPU，模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。
在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。
在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。
在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的通/断状态传送到输出锁存器。
图3-2PLC的工作原理图
3.1.7
3.1.8PLC的功能及应用
可编程控制器自问世以来发展极为迅速。
在工业控制方面正逐步取代传统的继电器控制系统，成为现代工业自动化生产的三大支柱之一。
1.顺序逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它正逐步取代传统的继电器顺序控制。
2.运动控制
PLC和计算机数控（CNC）设备集成在一起，可以完成机床的运动控制。
3.定时和计数控制
定时和计数精度高，设置灵活，且高精度的时钟脉冲可用于准确的实时控制。
4.模拟量控制
PLC能完成数模转换或者模数转换，控制大量的物理参数，例如，温度、压力、速度和流量等。
5.数据处理
能完成数据运算，逻辑运算、比较传送及转换等。
6.通信和联网
PLC之间、PLC和上级计算机之间有很强的通信功能。
作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。
3.2电磁阀简介
3.2.1工作原理
电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的水管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排水的孔，而进水孔是常开的，液压水就会进入不同的排水管，然后通过水的压力来推动水刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。
这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
3.2.2电磁阀的分类
1．直动式电磁阀
原理：
通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；
断电时，电磁力消失
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