PLC控制花样喷泉.docx
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PLC控制花样喷泉
PLC控制花样喷泉
摘要：
花样喷水池是近年来出现的一种园林建筑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。
本文以4环花样喷泉为研究对象，采用了三菱FX1N系列可编程序控制器作为喷泉的控制器。
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。
对花式喷水池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。
并提出了喷水池硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案。
本设计改善了喷泉系统的控制品质，并达到了实时控制的要求。
关键词：
花样喷泉可编程控制器三菱硬件
ThePLCControlPatternFountain
Abstract:
Fancyfountainisaproductofakindoflandscapearchitectureinrecentyearsandcombiningthefancywatch.WiththeprogrammablecontrollerinChina'srapiddevelopment,fancyfountaincontrolrequirementsarealsogettinghigherandhigher,makingmoreandmorecontroloftheprogrammablecontrollerisrequiredtoachieve.Basedonthe4ringpatternfountainastheresearchobject,usingtheMitsubishiFX1Nseriesprogrammablecontrollerasthefountainofthecontroller.TheuseofPLCcontrolfancyfountain,iseasytouse,reliableoperation,thecontrolprogramdesignandsimple.Theoverallfunctionoffancyfountaincontrolsystemareanalyzed,thispaperdescribesthecompositionandworkingprincipleoftheprogrammablecontroller.Andthevariousmodulesfountainofhardwareandthedetaileddesignofhardwaremodules.Thedesignofthefountainsystemtoimprovequalitycontrol,andmeettherequirementsofreal-timecontrol.
Keywords:
programmablecontrollerMitsubishihardwaresynchronizedfountain
PLC控制花样喷泉
1.绪论
1.1研究背景和意义
1.1.1背景分析
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。
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，有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影等。
喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。
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。
随着城市化进程的加速，花式喷泉可以在人们周围随处可见。
比如广场，大厦，小区等。
花式喷泉是人造小气候，在炎热的夏日可以起到增湿和降温的作用；也为水体充氧，有利于水体增加自净能力，起到防止水体黑臭的作用。
花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花式喷泉的控制系统息息相关。
花式喷泉可以根据自己的设计，设计出各种各样的花样，加上灯光，能给人有种不错的视觉享受。
1.1.2本课题的研究意义
随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在许多城市的市民广场、单位居民生活区里都能看到各种形式的喷泉。
我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。
其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。
伴随着科学技术突飞猛进的发展，在喷泉工程中采用了大量的高新技术，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有种愉悦的感受。
喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。
从而使喷泉效果更多绚丽多彩，阿罗多姿，令人赏心悦目、流连忘返。
1.2课题研究方法和内容
1.2.1研究方法
本论文在撰写过程中主要运用了以下两种研究方法：
文献研究法，根据论文的研究目的以及课题需要，通过查阅与论文相关的文献来获得相关资料，从而全面、客观、正确地了解所要研究的问题，找出事物的本质属性，从中发现问题。
理论研究法，是人们认识客观世界，并使认识的结果系统化的活动。
通过对实际系统进行软硬件设计的研究，并进行相关资料的搜集、整理、分析以形成自己的观点。
1.2.2研究内容
本论文一共分为五个部分，具体内容安排如下：
第1章：
绪论。
主要介绍本论文的研究背景，分析花样喷泉在国内的背景意义。
同时，对花样喷泉的相关文献资料进行综述。
阐述本论文的研究意义。
第2章：
设计方案。
主要介绍花样喷泉的分类，同时详细的介绍了布局设计涉及的问题，给出了系统控制的基本要求以及流程图控制。
第3章：
硬件设计。
简单介绍了PLC及其选型标准，并且阐述了泵，喷头，灯具的选择标准。
第4章：
软件设计。
根据上一章的内容，首先列出了I/O分配表，然后以SFC详细叙述了梯形图的设计步骤。
第5章：
组态王监控系统设计。
使用组态王软件对系统进行了演示。
2.花样喷泉系统设计方案
2.1花样喷泉分类
喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头洒出来具有一定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。
现代城市中的喷泉形式已十分丰富。
随着构筑物的大小及水压等的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈。
可分为以下7种：
（1）普通喷泉：
只有简单的几种固定水型及灯光，随着电源的开闭而控制喷泉的运行、水型和灯光的变化。
（2）程控喷泉：
将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变化。
（3）音乐喷泉：
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。
（4）水幕激光喷泉：
将激光器发出的激光束射在水幕喷头的水幕上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多样的图案及色彩，照射在晶莹透明的水膜上，形成斑斓夺目的起义效果。
（5）水珍珠喷泉：
利用特殊音波将水变成球体的喷水装置和全频高速闪光灯的视觉图像效果的产品组成。
（6）游戏喷泉：
又称感应泉，喷泉水柱根据游人的动作产生反应，而且这种应具有不确定性，是一种互动式喷泉，增强了娱乐氛围。
（7）跳跳喷泉：
又名光亮泉。
是一种高科技水景艺术，水形似根根晶莹透彻地冰柱，一串串飞向空中，轻舞飞扬。
采用PLC控制花样喷泉具有以下优点：
（1）控制方式上看：
PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
（2）工作方式看：
PLC串行工作，不受制约。
（3）控制速度上看：
PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而五抖动一说。
（4）定时、计数看：
PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有记忆功能。
（5）可靠、维护看：
PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
由PLC与工业控制计算机组成花式喷泉的实时监控系统。
该系统采用上下位机主从式结构，PLC作为下位机完成现场数据的实时采集和分站控制功能；上位机采用工业控制计算机实现数据的显示、报警等功能。
该控制系统可实现花式喷泉的自动控制、模拟显示、故障报警、实时控制等。
控制系统结构框图如图2-1所示。
图2-1控制系统结构框图
2.2花样喷泉的布局设计
在花式喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：
（1）深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。
（2）确定I/O设备。
根据花式喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。
（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。
（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出端子的接线图。
（5）设计花式喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图（6）程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。
（7）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。
本设计布局如图2-21所示。
图2-2喷泉布局图
2.3花样喷泉控制要求
花式喷泉系统的控制要求如下：
本设计由四组喷头组成，分别为A组B组C组D组。
本设计有单周期和连续两种操作方式。
按下开始按钮后指示灯亮，当选择单周期方式时A组D组同时喷6秒然后A组和C组同时喷7秒然后B组和D组同时喷10秒然后ABC三组同时喷水5秒停2秒后报警器发出声音报警，按停止按钮终止报警。
当选择连续方式时重复单周期方式时的过程20次后停两秒后报警，按停止按钮终止报警。
每个喷头工作时，都连带红，绿，黄，蓝四组彩色灯间隔1S循环发光。
如图2-2系统流程图所示当系统上电后，点击开始按钮SB1，PLC的输入口X1=1，则Y10=1指示灯被点亮，等待用户选择运行方式。
当用户选择单次运行时点击单次运行按钮SB3则X3=1，Y12=1水泵开始工作，同时Y0=1、Y3=1，A、D两组喷头的电磁阀得电，A、D两组喷头开始喷出水柱同时T5开始计时。
当T5=6S时Y3=0、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，C组喷头的电磁阀得电。
所以A、C组喷头喷出水柱，D组喷头停止喷水，同时T6开始计时。
当T6=7S时Y1=0、Y2=0、Y1=1、Y3=1，A、C两组喷头的的电磁阀失电，B、D两组喷头的电磁阀得电。
所以B组喷头和D组喷头喷出水柱A组喷头和C组喷头停止喷水，同时T7开始计时。
当T7=10S时Y3=0、Y0=1、Y1=1、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，A、B、C组喷头的电磁阀得电。
所以A组喷头和C组喷头喷出水柱D组喷头停止喷水，同时T8开始计时。
当T8=5S时系统停止两秒后开始报警。
当用户选择连续运行时点击连续运行按钮SB4则X4=1，Y12=1水泵开始工作，同时Y0=1、Y3=1，A、D两组喷头的电磁阀得电，A、D两组喷头开始喷出水柱同时T1开始计时。
当T1=6S时Y3=0、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，C组喷头的电磁阀得电。
所以A、C组喷头喷出水柱，D组喷头停止喷水，同时T2开始计时。
当T2=7S时Y1=0、Y2=0、Y1=1、Y3=1，A、C两组喷头的的电磁阀失电，B、D两组喷头的电磁阀得电。
所以B组喷头和D组喷头喷出水柱A组喷头和C组喷头停止喷水，同时T3开始计时。
当T3=10S时Y3=0、Y0=1、Y1=1、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，A、B、C组喷头的电磁阀得电。
所以A组喷头和C组喷头喷出水柱D组喷头停止喷水，同时T4开始计时。
当T4=5S时C0开始计数，当CO<20时重复上述动作当C0=20时系统停止2S后开始报警。
当系统报警时点击停止按钮SB2则系统停止报警。
图2-2系统流程图
3.花样喷泉系统硬件设计
3.1PLC控制器概述
3.1.1PLC简介
编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,PLC自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。
PLC是用于工业现场的电控制器。
它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。
它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：
1.逻辑处理功能；
2.数据运算功能；
3.准确定时功能；
4.高速计数功能；
5.中断处理（可以实现各种内部中断）功能；
6.程序与数据存储功能；
7.联网通信功能；
8.自检测、自诊断功能。
3.1.2花样喷泉PLC选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
（1）输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%~20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
（2）存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。
（3）控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
根据本课题所设计控制的需求，主要介绍一下几种功能的选择。
1.控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
2.编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式降低系统成本，但使用和调试不方便。
在离线编程方式：
CU和编程器有各自的CPU，主机CPU负载现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。
五种标准化编程语言：
顺序功能（SFC）、梯形图（LD）、功能模式图块（FBD）三种图形化语言和语句表（il）、结构体文（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守其标准（IEC113123），同时，还应该支持多种语言编程方式，如C,Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
3.诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外币输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
4.机型的选择
通过对输入/输出点的选择、对存储量的选择？
对I/O响应时间的选择输出负载的特点选型的分许。
该控制系统选用三菱公司FX1N系列的PLC。
它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的链接，可以增加输入/输出点数。
PLC接线图如图3-1所示。
图3-1三菱FX1NPLC
3.2花样喷泉泵的选择
泵是一种面大量广通用型号机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力、冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位。
泵的电能消耗起了积极作用。
但是目前在国民经济各个领域中，由于选型不合理，许多的泵处于不合理运行状况，运行效率低，浪费了大量能量。
还有的泵由于选型不合理，根本不能使用，或者使用维修成本增加，经济效益低。
由此可见，合理选泵对节约能源同样具有重要意义。
所谓合理选泵，就是要综合考虑泵机组和泵站的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。
具体来说，有以下几个方面：
必须满足使用流量和扬程的要求，即要求泵的运行工次点经常保持在高效间运行，这样既能剩动力又不易损坏。
所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率。
具有良好的抗气蚀性能，这样既能减小泵房的开挖深度，又不使水泵发生气蚀，运行平衡、寿命长。
3.3花样喷泉喷头的选择
喷泉的喷头分为可调直流喷头、涌泉喷头、集束喷头、旋转喷头等等，种类繁多，喷出的水型也各不相同。
喷泉喷头也称喷泉喷嘴全部采用铜或不锈钢制作，这样具有黄金的色彩或银光闪闪，喷头显得豪华气派。
其工艺精巧美观，结构合理，性能高效节能。
本文采用的是集束喷头，该喷头由多个直流喷头组合而成，直射喷头口径大小可确定喷头的出水量及高度，它可以作为整个喷泉的主喷（喷泉最高点），也可以由多个集束喷头组合成不同的排列。
3.4花样喷泉彩灯的选择
本文选择DC24V，功率18＊1WLED水下灯，可实现流水，渐变，跳变，慧尾追逐，炫彩等效果。
喷泉用四组彩灯分别为红，绿，黄，蓝。
从里到外分别对应A处用红色的彩灯，B处为绿色的彩灯，C处为黄色彩灯，D处为蓝色彩灯。
每一个喷头处对应一个相应颜色的彩灯。
因为喷泉用彩灯都是安装在水下所以对光线的要求高，对安全性能的要求也要很高，同时对使用寿命要求要长。
如图3-2所示。
图3-2LED水下灯
4.花样喷泉系统软件设计
4.1花样喷泉系统I/O分配
根据第2章的介绍可以得出该喷泉的开始、停止、单周期、连续需要用到四个按钮，这四个按钮开关分别接到PLC的四个输入口上。
而A、B、C、D四组喷泉口需要用到4个水用电磁阀，这四个电磁阀需要接到PLC上面的四个输出口上。
红绿黄蓝四组彩灯、指示灯、报警器和控制水泵的接触器也需要接到PLC的七个输出口上，所以该系统需要用到4个输入口和11个输出口。
表4-1为它们所对应的I/O口。
表4-1I/O分配表
输入口
输出口
设备符号
设备名称
PLC口
设备符号
设备名称
PLC口
SB1
开始按钮
X1
KM1
A口喷头电磁阀
Y0
SB2
停止按钮
X2
KM2
B口喷头电磁阀
Y1
SB3
单周期按钮
X3
KM3
C口喷头电磁阀
Y2
SB4
连续按钮
X4
KM4
D口喷头电磁阀
Y3
LR
红色彩灯
Y4
LG
绿色彩灯
Y5
LY
黄色彩灯
Y6
LB
蓝色彩灯
Y7
HL
指示灯
Y10
HA
报警器
Y11
KM
控制泵的接触器器
Y12
4.2花样喷泉系统梯形图设计
为了解决应用可编程控制器（PLC）的基本逻辑指令编写顺序控制梯形图时所存在的编程复杂、不易理解等问题,采用PLC的顺序功能图（SFC）来编写顺序控制梯形图是一种非常有效的方法,该方法具有编程简单而且直观等特点。
本设计采用顺序功能图（SFC）的方法编写其控制梯形图,从编程结果可以看出,与应用PLC的基本逻辑指令方法相比具有简单、直观、逻辑性强,提高编程的效率。
与梯形图相比简单，出现错误时更容易检查。
如图4-1所示为PLC从停止→启动运行切换瞬间使特殊辅助继电器M8002接通，从而使状态器S0被激活。
图4-1系统启动程序
如图4-2所示为按下启动按钮X0使状态器S20被激活，Y10得电，指示灯点亮等待用户选择运行模式。
图4-2按下开始系统等待用户选择运行模式程序
如图4-3所示为用户按下X4选择连续运行，使状态器S21被激活（用户按下X3选择单次运行，使状态器S28被激活）。
Y0、Y3、Y12得电，使水泵开始工作同时A组和D组的电磁阀导通，使A组和C组同时喷出水柱。
同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。
同时当选择连续时TO开始计时6秒（当选择单次运行时T5开始计时6秒）。
图4-3用户选择连续（单次）运行AD同时喷水程序
如图4-4所示为选择连续时TO计时6秒时间到，T0的常开触点闭合，使状态器S22被激活（选择单次时T5计时6秒时间到，T5的常开触点闭合，使状态器S29被激活）。
Y0、Y2、Y12得电，水泵工作同时A组和C组的电磁阀导通使A组和C组喷出水柱。
同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。
同时当选择连续运行时T1开始计时7秒（当选择单次运行时T6开始计时7秒）。
图4-4AC同时喷水程序
如图4-5所示为当选择连续运行时T1计时7秒时间到，T1的常开触点闭合，使状态器S23被激活（当选择单次运行时T6计时7秒时间到，T6的常开触点闭合，使状态器S30被激活）。
Y1、Y3、Y12得电，水泵工作同时B组和D组的电磁阀导通使B组和D组喷出水柱。
同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。
同时当选择连续运行时T2开始计时10秒（当选择单次运行时T7开始计时10秒）。
图4-5BD同时运行程序
如图4-6所示为当选择连续运行时T2计时10秒时间到，T2的常开触点闭合，使状态器S24被激活（当选择单次运行时T7计时10秒时间到，使状态器S31被激活）。
Y0、Y1、Y2、Y12得电，水泵工作同时A组、B组和C组的电磁阀导通使A组、B组和C组喷出水柱。
同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。
同时当选择连续运行时T3开始计时5秒（当选择单次续运行时T8开始计时5秒）。
图4-6ABC同时运行程序
如图4-7所示为为当选择连续运行时T3计时5秒时间到，T3的常开触点闭合，使状态器S25被激活。
T4开始计时2秒（当选择单次运行时T8计时5秒时间到，T8的常开触点闭合，使状态器S25被激活。
T9开始计时2秒）。
图4-7系统停止运行2秒程序
如图4-8所示为为T4计时2秒时间到，T4的常开触点闭合，使状态器S26被激活。
C0开始计数20次。
图4-8计数器计数20次程序
如图4-9所示为当选择连续运行时C0计数在未达到20次则跳转到状态器S21处循环运行，当CO计数达到20次则C0的常开触点闭合状态器S27被激活，同时特殊辅助继电器M8013被激活，同时Y11得电，报警器报警。
同时计数器CO复位。
图4-9选择连续运行时
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