基于PLC的喷泉控制.docx
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基于PLC的喷泉控制
基
于
P
L
C
的
喷
泉
控
制
学号：
姓名:
日期:
目 录
第1章绪论
1、1选题的背景与意义
国内在20世纪80年代以前，喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细节，从设计到产品制作、工程安装都没有形成规模。
改革开放以来,随着国民经济的发展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造过程中对喷泉美化和文化氛围营造上提出了要求，结合当时先进的单片机、通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出了一批喷泉水景。
近年来，喷泉走出公园、园林的围墙和广场的中心,深入延伸到人们的各个社会活动场所。
专业技术人员把计算机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中，这些喷泉按照一定的规律改变喷泉式样，辅以五颜六色的灯光和优美的音乐，使人心旷神怡，流连忘返.随着可编程控制器在我国的迅速发展，人们对花式喷泉控制的要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需用可编程控制器来实现。
人们对喷泉的造景功能、娱乐功能,认识逐步提高，开拓了喷泉的应用范围。
适宜于节日、大型集会的广场喷泉和城市主题调速喷泉，造型简洁、明快、庄重、大方。
在商业广场、购物中心以及一些景点的大型激光彩色音乐喷泉，欢快、跳跃，富有诗意，有些喷泉配以水幕电影，给人们带来变幻奇妙的视听效果。
近年来,随着房地产市场的逐渐升温，一些住宅小区在景观设计中，融人了喷泉，使其与小区园林景观遥相呼应。
商场、酒楼内的喷泉小巧、别致,可以调节室内气温.
这些年，随着计算机技术的广泛应用，喷泉方案的制作技术有了极大的发展，方案设计从最初的手工制图发展到photoshop图片，再到三维动画制作的动态喷水方案。
喷泉专用产品、设备不断地更新换代，新材料、新技术的采用,都为喷泉的良性发展提供了技术支持.大多数喷泉除了具有美化环境的功能之外，还具有良好的生态效应、社会效应和广告效应。
第2章系统总体设计
2。
1方案的选择
2.1。
1喷泉控制装置
喷泉工作示意图如图2—1所示：
图2-1喷泉工作示意图
2。
1.2喷泉控制要求
本设计中喷泉的控制要求为：
1）按下启动按钮,喷泉控制装置开始工作，按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。
2）按下喷泉启动开关后,喷泉工作指示灯一直保持亮的状态.
3）在喷泉工作指示灯亮2秒后,循环执行下面动作:
中央喷水灯→中央喷水阀→环状灯→环状喷水阀每个动作持续时间为2秒。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它所采用的工作方式是循环扫描的方式，在前期准备工作完成后按下喷泉启动按钮，PLC扫描到该信号时开始工作。
因为PLC采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程,所以利用PLC这一特点可以方便的实现控制要求中每个动作持续时间为2秒的设计。
PLC就物理结构来看，有丰富的输入、输出端，从PLC的逻辑结构来看，内部有许多软元件，如输入继电器、输出继电器、状态组件、定时器、计数器和数据寄存器及器件对应的常开、常闭接点，方便对喷泉开启、停止、计时等信号的输入和数量、位置的显示。
2.2系统总体设计
从工程实际出发，在制定控制系统的方案时，充分考虑工程的组成和实现,主要从机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护和联锁,系统的工作方式（如手动、自动、半自动）和安全保护措施及紧急情况处理等着手设计。
以下几点为梯形图设计过程的主要思路：
1）需要时按下开始开关喷泉开始动作；
2）通过辅助继电器、计数器、定时器等来实现自动控制工程；
3）需要立即结束时，按下停止按钮立即断电.
以PLC为核心的喷泉控制系统整体结构如图2-2所示。
该系统主要包括电源部分、操作控制部分、变频器部分、喷泉系控制系统部分。
电源部分主要实现电力的提供等；操作面板主要实现系统的启动、停止、喷泉系统开关;变频器部分实现对电机、水泵等变频要求;喷泉系统由PLC系统进行控制，主要是对喷水装置及彩灯的实时控制。
控制PLC变
面板频喷泉
器系统
电源
图2—2控制系统整体结构框图
第3章硬件设计
3。
1硬件选型
3.1。
1PLC的选择
根据喷泉的控制要求,联系到实际控制需求、输入、输出等变量的特点，在此使用的是日本三菱的FX2N—32MR继电器输出行的PLC来满足控制要求。
除输入出16—25点的独立用途外，该PLC还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制,定位控制等特殊用途。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16—256点的灵活输入输出组合。
可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展.可根据电源及输出形式,自由选择。
程序容量：
内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒,最大可扩充至16K步。
丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变,中断输入处理,直接输出等。
便利指令数字开关的数据读取,16位数据的读取，矩阵输入的读取,7段显示器输出等。
数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。
特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V—24V）,脉宽调制，PID控制指令等。
外部设备相互通信,串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEXASCII变换，校验码等.时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。
3.1。
2喷头的选择
喷泉的喷头大致分为直流喷头、涌泉喷头、集柬喷头和旋转喷头等，种类繁多，喷出的水型各不相同.根据喷泉设计方案,中央喷头位于花式喷泉的中心，采用中间小、四周大的技术喷头组合方案，能够产生中间喷出的水柱较四周要高、要细的视觉效果，本设计选用SZ—310型号,其余喷头位于整体喷泉的最外围,喷头个数较多，可以采用直流喷头，本设计选用WX-115型号,具体参数如表3—1所示：
表3-1喷头参数
喷头
型号
主要性能
连接管
安装尺寸（mm）
水压（kpa）
流量（m3/h）
喷高
（m）
喷洒直径（m）
直径（mm）
连接
方式
A
B
SZ-310
100-150
200-250
19—23
25—28
3—5
6—11
1。
0-1.3
1.4-1。
6
50
内螺纹
220
+120
WX—115
47—77
1。
5-2。
0
3.4—5。
0
20
内螺纹
110
+40
3。
1。
3水泵的选择
水泵的种类更具不同的要求,大致分为卧式水泵和潜水泵。
根据设计要求对水泵的扬程、流量和适用场合、能耗比、性价比来分析，由于潜水泵放置在水中,不需要泵房,可以降低造价。
潜水泵能耗低、体积小、重量轻，不需灌引水，使用、维护及管理方便，能够达到节约水资源的目的，适合喷泉的喷水要求。
本设计中央水泵选用QSP10-13—0。
75型号，外围水泵选用QSP10-10—0.55,具体参数如表3-2所示：
表3—2水泵参数
型号
流量（m3/h）
扬程
（m）
功率
（kw）
使用电压（v）
频率
（hz）
水泵高度（mm）
最大外径（mm）
QSP10-13—0。
75
10
13
0.75
380
50
440
168
QSP10-10-0。
55
10
10
0。
55
380
50
420
150
3.1。
4喷泉灯和按钮的选择
本设计喷泉灯选用SD-007,电压AC12V/24V，功率9*1W，颜色红黄绿蓝白七彩，防护等级IP68，外壳材质全不锈钢制造。
该产品由9颗高亮度的美国大功率LED灯作光源，特制硅胶密封圈，外壳为户外全天候型,符合国家标准，电器三级绝缘.灯体采用全不锈钢，安全24V电源供电，超低功耗，使用寿命长达5W小时以上，低能耗,高亮度，低温冷光，不发热，健康环保，无红、紫外线辐射，固体发光无污染，无闪屏,防腐防锈，广泛用于喷水池鱼池人工瀑布假山草坪水下泳池等装饰点缀使用.
本设计按钮选择GQ12B高强度彩色按钮开关，安装孔尺寸Φ12mm，开关额定值2A/36VDC，开关组合1NO,操作类型自复式，外壳材料锌铝合金，钮头材料PBT，头部颜色有红绿黄蓝白黑等,防护等级IP65/IK08。
3。
1。
5变频器的选择
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置.本设计是通过变频器调速技术来控制每环喷水的高度，本设计选用的是FR-S520（E）系列变频调速器，其功率范围0.4—3.7kw（三相220FR-S520E系列），0。
4-1.5kw（单相220vFR-S520E系列）；自动转矩提升，实现5Hz时150％转矩输出;柔性PWM,实现更低噪音运行；内置独立RS485通讯口；数字式拨盘，设定简单快捷。
变频器选型时要确定以下几点:
1。
采用变频的目的：
恒压控制或恒流控制等。
2.变频器的负载类型：
如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的特性曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3。
变频器与负载的匹配问题：
（1）电压匹配:
变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
（2）电流匹配：
普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数,以最大电
3。
2PLC输入输出（I/O）设计
系统控制器硬件电路的设计主要是PLC外围电路的设计，其关键部分为I/O分配表的设计。
I/O分配表包含了在PLC控制过程中，PLC对输入信号的检测以及对输出设备潜水泵、彩灯等的控制。
详细的PLCI/O分配表如表3—1所示:
表3—1I/O分配表
输入
输出
X0
总启动按钮SB1
Y0
喷泉工作指示灯
X1
总停止按钮SB2
Y1
中央潜水泵
Y2
外围潜水泵
Y3
中央喷水灯
Y4
外围喷水灯
3.3系统的硬件接线图
系统的硬件连接图即PLC与系统中各个硬件的连接如图3—1所示：
图3—1PLC与硬件接线图
第4章软件设计
4.1系统流程
4。
1。
1程序流程图
软件部分主要实现整个系统的运行和准确控制。
图4—1为该系统的主程序流程图，主要包括系统初始化程序、启动判断和喷泉系统动作等部分.
开始
初始化
是否启动否
是
喷泉系统动作
否是否结束
是
结束
图4-1程序流程图
4.1.2顺序功能图
用基本逻辑指令编写的PLC程序，重在强调编程软元件之间的关联性及逻辑性。
通过梯形图之间的逻辑关系，能较容易理解程序的功能，但从程序设计的角度而言，因逻辑性较强，程序往往较难编写，且程序的扩展能力也比较弱。
本设计中喷泉控制系统的运行，从控制要求分析可以看出，其具有顺序控制的特点，即可以采用先做什么、在做什么、然后在做什么的方式，一步步来解决,为此可以采用步进顺控指令来实现喷泉控制系统的运行。
三菱FX2N系列的步进顺控指令STL的状态继电器的常开触点（称STL触点）的顺控区包括负载驱动、指定转换条件和制定转换目标等三个功能.本设计的顺序功能图如图4—2所示:
M8002
S0
X0Y0
S20T0
T0
S21Y3T1
T1
S22Y1T2
T2
S23Y4T3
T3
S24Y2T4
T4
图4—2顺序功能图
4.2梯形图
喷泉的控制梯形图如图4-3所示:
图4—3梯形图
4.3指令表
根据梯形图可得喷泉控制系统的步进顺控如表4-1所示：
表4-1指令表
LDM8002
STLS20
OUTT1K20
SETS23
OUTY2
SETS0
OUTT0K20
LDT1
STLS23
OUTT4K20
LDX0
LDT0
SETS22
OUTY4
LDT4
OUTY0
ORT4
STLS22
OUTT3K20
ANIX1
STLS0
SETS21
OUTY1
LDT3
SETS20
LDX0
STLS21
OUTT2K20
SETS24
RET
SETS20
OUTY3
LDT2
STLS24
END
4.4程序分析
PLC运行后，有特殊辅助继电器M8002产生一个扫描周期的脉冲,程序自动进入初始状态S0,按下启动按钮后,喷泉工作指示灯Y0点亮,且系统2秒后进入S20状态，驱动定时器计时；2秒时间到后，进入下一通用状态S21，驱动Y3，中央喷水灯开始工作点亮；2秒时间到后，进入下一通用状态S22,驱动Y1，中央潜水泵开始工作喷水；2秒时间到后，进入下一通用状态S23,驱动Y4，外围喷水灯开始工作点亮；2秒时间到后，进入下一通用状态S24，驱动Y2，外围潜水泵开始工作喷水,时间到后回到S20状态，循环运行。
第五章仿真结果
5。
1系统仿真
按下启动按钮后喷泉系统工作指示灯一直亮，其仿真结果如图5-1所示:
图5-1系统工作指示灯仿真
定时2秒时间到后，中央喷水灯点亮，仿真结果如图5-2所示：
图5-2中央喷水灯仿真
定时2秒时间到后，中央潜水泵开始工作喷水，仿真结果如图5—3所示:
图5—3中央潜水泵仿真
定时2秒时间到后，外围喷水灯点亮，仿真结果如图5-4所示：
图5—4外围喷水灯仿真
定时2秒时间到后，外围潜水泵开始工作喷水,仿真结果如图5—5所示：
图5—5外围潜水泵仿真
2秒时间到后，系统开始循环工作,中央喷水灯点亮,仿真结果如图5-6所示：
图5—6系统循环工作仿真
结 论
在完成全部的程序硬件选择、软件设计、接线安装和程序调试之后，该系统能够正常地完成工作。
运用PLC来设计喷泉的控制系统和进行系统仿真无论是从设计思路还是设计过程来说,都非常的方便,并且调试管理简单明了，人们使用起来得心应手.
通过这次设计实践,我掌握了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解.在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前,我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了,不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。
能过解决一个个在调试中出现的问题,我们对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距，这对我以后有着深远的影响.
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