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花样喷泉设计论文
毕业论文
题目:
广场花样喷泉控制系统设计
学生 李东
专 业生产过程自动化
指导教师姚晴洲
完成日期2010年5月
湖职院自动化类专业毕业论文
广场花样喷泉控制系统设计
学生：
李东
*******
2010年5月
摘要
随着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。
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。
花式喷泉采用了可编程控制器PLC和变频器，用软件实现对花式喷泉运行的自动控制，可靠性大大提高。
控制系统结构简单，外部线路简化，可方便的增加或改变控制功能，也可以进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
用SFC方法编程,可以使设计思路清晰,编程简便。
而变频器调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因素和节电效果，可以控制喷泉水位的高度，广泛的适用范围及其它许多优点而获国内外公认为最有发展前途的调速方式。
因此，可编程控制器PLC技术加变频器调速技术已成为现代喷泉行业的一个热点。
本设计是利用PLC和变频器的调速技术，因而有三种喷水花样可供选择；能够控制每环喷水管喷水的高度；喷水时要有灯光显示；可以根据不同的季节、不同的场合可改变喷水的花样。
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。
关键字：
可编程控制器PLC；花式喷泉；梯形图；变频器；控制；水泵
.
摘要................................................................................................................................................Ⅰ
目录................................................................................................................................................Ⅱ
第1章 绪 论
1.1课题研究背景
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。
1969年美国数字设备公司（DEC）研制书上世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。
但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简称PLC（programmablelogiccontroller）。
70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmablecontroller）.但由于PC容易与个人计算机（programmablecomputer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。
1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：
可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来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的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。
继电器在控制系统中主要起两种作用：
（1）逻辑运算
（2）弱电控制强电。
PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。
可编程控制器，简称PLC。
它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。
具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少4.功能强、通用性好5.开发周期短，成功率高6.体积小，重量轻、功耗底等特点。
具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。
与继电——接触器系统相比系统更加可靠；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。
因此，进行花式喷泉的PLC控制系统的设计，可以推动喷泉行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。
1.2课题设计的内容
本设计将在以下几个方面对花式喷泉的控制系统进行研究和论证。
1花式喷泉类型的选择。
综合花式喷泉的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究能有三种喷水花样可供选择；能够控制每环喷水管喷水的高度；喷水时要有灯光显示；可以根据不同的季节、不同的场合可改变喷水的花样。
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。
2花式喷泉硬件系统的设计。
本课题设计的花式喷泉要求运行迅速准确度高，在花式喷泉的格层检测系统中选用用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现控制。
由于本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了花式喷泉的经济实用、稳定、灵活、美观的需要。
3.花式喷泉控制系统软件的设计。
在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计花式喷泉控制的要求，梯形图的编写运用SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，此软件支持全部的三菱FX系列的PLC，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了维修时间。
1.3课题设计的目的和意义
随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已进入个崭新的时代，其应用越来越广。
而随着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。
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。
可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
花式喷泉控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。
通过PLC对程序设计，提高了喷泉的控制水平，并改善了喷泉的样式。
第2章 系统控制方案的确定
2.1 花式喷泉的概述
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。
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：
（一）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、水型和灯光变化。
（二）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。
（三）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。
（四）水幕激光喷泉：
将激光器发出的激光束射在水幕喷头喷出的水膜上，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，形成斑斓夺目的奇异效果。
（五）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。
（六）游戏喷泉：
又称感应泉，喷泉水柱根据游人的动作产生反应，而且这种反应具有不确定性，是一种互动式喷泉，增强了娱乐氛围。
（七）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。
2.2采用PLC控制花式喷泉的优点
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、工作方式上看：
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，顾而无抖动一说。
4、定时、记数看：
PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。
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。
2.3系统设计的基本步骤
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者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程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。
6.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。
2.4系统控制方案
花式喷泉系统的控制要求如下：
（一）1、2均为外环形状的喷水管,3为内环形状的喷水管,4为星形喷水管。
灯光系统由三条支路组成,分别为绿色灯支路（在1，2之间）、黄色灯支路（在2，3之间）、红色灯支路（在3，4之间）。
（二）该喷泉共有三种花样可供选择。
按下启动按钮,喷泉即开始工作,按下停止按钮,则停止喷水。
喷泉的工作方式（即喷水花样）由选择开关来实现。
（三）该花式喷泉有三种喷水花样可供选择:
第一种花样,4、3、2、1隔2秒依次喷水,一起喷水15秒后停下,再按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水,再一起喷15秒后停下,以此规律循环。
第二种花样,1、3同时喷水,延时3秒后1、3停喷,同时2、4喷水,交替运行5次后1、2、3、4一起喷水,30秒后停止,以此规律循环。
第三种花样,1、2、3、4按顺序延时2秒喷水,然后一起喷30秒后1、2、3、4再分别延时2秒停喷,以此规律循环。
（四）通过变频器可以控制每环喷水管的高度。
在第一种花样中，1、3管为慢速正转喷水，2、4管为中速正转喷水。
（五）灯光系统的控制:
由PLC的X5输入端为灯光系统控制的选择按钮,当需要灯光配合时,接通X5输入端。
此时可实现三路灯光的控制,即3,4任意一层喷水时,红色灯亮;2喷水时,黄色灯亮;所有的喷头喷水时,绿色灯亮。
花式喷泉池示意图如图2-1所示：
图2-1花式喷泉池示意图
2.5花式喷泉控制系统的原理图
在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC；因为有4层喷水，因此用了1个变频器来控制4个水泵。
花式喷泉控制系统的原理图如图2-2所示：
图2-2花式喷泉控制系统原理图
第三章系统硬件设计
3.1 可编程控制器（PLC）的选型
3.1.1PLC概述
可编程控制器，英文称ProgrammableController，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。
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基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。
普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。
而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。
特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。
PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。
其功能要比继电控制装置多的多、强的多。
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（可以实现各种内外中断）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。
可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。
像PLC这样。
有很丰富的功能，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。
3.1.2PLC的选型
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替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
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要，主要介绍以下几种功能的选择。
（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。
离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。
在线编程方式：
CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，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。
这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，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与外部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、对存储容量的选择、对I/O响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分许。
该控制系统选用三菱公司FXON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,通过扩展模块的连接,可以增加输入/输出点数。
我设计的花式喷泉模型共有6个输入,11个输出,因此,选用型号为FX2N-32MR的PLC。
3.2变频器的选型
我设计的是通过变频器调速技术来控制每环喷水管的高度。
我选用的是FR-S520（S）E系列变频调速器。
其实物图如图3-1示。
图3-1FR-S520（S）E系列变频调速器的实物图
3.3水泵的选型
由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确起停，而且其输出功率必须能够精确的进行控制。
我选用品牌为DESHB（德士比）的QYP100-4.5-2.2喷泉泵。
具有以下优点：
结构紧凑；无需引水、使用简便；双端密封、电器保护；设计合理、性能优良；经久耐用、安全可靠。
并且水泵出口采用圆法兰结构,电机为F级绝缘,适用于音乐喷泉等场合对电机频繁启动的要求.叶轮具有防松装置,不怕反转.其实物图见其3-2所示：
图3-2QYP喷泉泵的实物图
3.4硬件接线图
系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。
具体的如图3-3,3-4所示：
图3-3硬件接线图
3.5I/O分配表
输入：
见表3-1
序号
输入
说明
1
X0
停止按钮
2
X1
启动按钮
3
X2
选择开关1的位置
4
X3
选择开关2的位置
5
X4
选择开关3的位置
6
X5
灯控按钮
输出：
见表3-2
序号
输出
说明
1
Y0
电源指示
2
Y1
控制1管喷水
3
Y2
控制2管喷水
4
Y3
控制3管喷水
5
Y4
控制4管喷水
6
Y5
红色灯
7
Y6
黄色灯
8
Y7
绿色灯
9
Y10
中速
10
Y11
慢速
11
Y12
正转
第四章系统软件设计
4.1PLC梯形图概述
梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。
该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。
如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。
使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
梯形图两侧的垂直公共线称为母线（Busbar），。
在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左是正而右是负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。
右母线可以不画出。
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。
梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。
解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。
逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。
4.2SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的操作方法
本课题采用的编程软件为SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，具体的操作方法如下：
1．打开SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，之后点击
，在下拉菜单栏里点击“新文件（N）…”，再选择
，确定打开后就可以绘制梯形图编本课题的程序。
2．在打开文件之后就可以绘制梯形图，根据所编的程序的，在页面右面的功能图，如4-2所示：
图4-2SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的功能图
在绘制梯形图中选择需要的输入元件，完成对梯形图的绘制。
3．完成了对梯形图的绘制后，在软件的菜单栏中点击
，并在下拉菜单中的“寄存器（R）..数据传送”的子栏中选择“写出”，将程序编入三菱FX2N-64M。
4.3系统工作过程分析（见附录Ⅰ）
1.按下启动按钮和灯控按钮，开始运行。
2．按下位置开关2，则是第一种花样喷泉。
3.按下位置开关3，则是第二种花样喷泉。
4.按下位置开关4，则是第三种花样喷泉。
5.无论哪种花样喷泉，只要当第三或者第四任意一层喷水的时候，黄灯亮；当第二层喷水的时候，红灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。
6.按下停止按钮，则运行结束。
4.4控制系统程序设计
4.4.1花式喷泉的第一种花样
当选择开关2的位置时，喷泉运行第一种花样：
4、3、2、1隔2秒依次喷水,一起喷水15秒后停下,再按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水,再一起喷15秒后停下,以此规律循环。
1、3管以慢速正转喷水，2、4管以中速正转喷水。
当第三或者第四任意一层喷水的时候，黄灯亮；当第二层喷水的时候，红灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。
见图4-1所示：
图4-1第一种花样的梯形图
4.4.2花式喷泉的第二种花样
当选择开关3的位置时，喷泉第二种花样：
1、3同时喷水,延时3秒后1、3停喷,同时2、4喷水,交替运行5次后1、2、3、4一起喷水,30秒后停止,以此规律循环。
1、3管以慢速正转喷水，2、4管以中速正转喷水。
当第三或者第四任意一层喷水的时候，黄灯亮；当第二层喷水的时候，红灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。
见图4-2所示：
图4-2第二种花样的梯形图
4.4.3花式喷泉的第三种花样
当选择开关4的位置时，第三种花样：
1、2、3、4按顺序延时2秒喷水,然后一起喷30秒后1、2、3、4再分别延时2秒停喷,以此规律循环。
1、3管以慢速正转喷水，2、4管以中速正转喷水。
当第三或者第四任意一层喷水的时候，黄灯亮；当第二层喷水的时候，红灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。
见图4-3所示：
图4-3第三种花样的梯形图
第五章结论
本系统主要以可编程控制器PLC和变频器为核心，利用可编程控制器PLC和变频器的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器和变频器控制花式喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。
当花式喷泉的功能增加时，只需增加一个I/O扩展模块即可。
原来的接线不需改变，软件上只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少。
调试结果表明，在适应性、灵活性、精确性和可靠性方面，到达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。
通过本设计，我学习到了很多东西，在
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