PLC在喷泉控制系统中的应用.docx
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PLC在喷泉控制系统中的应用
目录
【摘要】1
【关键词】1
一、前言1
二、喷泉的应用及存在的问题1
2.1喷泉的应用1
2.2现代喷泉中存在的问题2
三、方案分析2
3.1主控制器方案选择2
3.2喷泉控制方案2
3.3花样控制的几种模式3
3.4各种模式的动作状态3
四、PLC的应用特点4
（1）、可靠性高，抗干扰能力强4
（2）、配套齐全，功能完善，适用性强4
（3）、对PLC结构形式的选择4
五、水泵的选择方案5
六、喷头的选择方案5
七、电磁阀的选型7
八、花式喷泉软件设计8
8.1PLC的I/O接线图8
8.2PLC的I/O分配表9
8.3喷泉控制过程9
8.4喷泉控制流程图10
8.5系统程序设计11
8.6部分程序介绍11
8.6.1花样选择程序11
设计总结：
11
结束语：
12
参考文献12
【摘要】花式喷泉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。
我们公司以花式喷泉为设计对象，采用了FX2N系列PLC作为喷泉的控制器。
对花式喷泉的控制系统的总体功能进行了分析。
提出了喷泉硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案，并对控制方式进行了设计和程序的编写。
本设计改善了公司喷泉系统的控制品质，并真正地达到了实时控制的要求。
【关键词】喷泉；PLC；开关的控制
一、前言
花样喷泉的核心设备是PLC，是一种以微处理器为核心、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。
它能够存储和执行指令，进行位置控制、逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
二、喷泉的应用及存在的问题
2.1喷泉的应用
人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，开拓了喷泉的应用范围。
我们可以看到：
适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取，凝聚向上的感受。
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，其动感十足的“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。
河、湖自然水面上喷水高度超过百米的高水柱喷泉，其雄伟、壮观的水造型往往成为这个城市或旅游景点的特征之一。
喷泉进入了住宅小区，多与建筑小品和雕塑相映、相伴，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。
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。
2.2现代喷泉中存在的问题
我们公司接到广州某公司的喷泉改造，发现了一些问题和不足。
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。
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。
实际要求超高水柱密实段长，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。
而该处的一些超高水柱，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差类似的问题。
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。
三、方案分析
3.1主控制器方案选择
方案1：
使用单片机控制花式喷泉
单片机的特点是控制性能和可靠性高，体积小、价格低、易于产品化。
由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在智能仪表、机电一体化产品、实时工业控制家用电器等各个领域都获得了极其广泛的应用。
花式喷泉的原理是利用控制器控制水泵的喷水的方式，此方案采用AT80C51系列单片机作为主控制器来控制喷泉的喷水方式。
单片机的成本较低，适合用于控制小型的花式喷泉。
单片机通过控制步进电机来控制电磁阀,实现对喷头流量的控制,从而使喷泉水姿、灯光色彩产生变化。
但采用单片机控制原理，是以可控硅作为功率开关元件，由于可控硅承受过电压、过电流的能力较差，因而不能长时间运行。
方案2：
使用FX2N系列控制花式喷泉
PLC的优点很多，主要包括：
编程方法简单易学；功能强、性能价格比高；硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强；可靠性高、抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量低、维修方便；体积小、能耗低等。
而且PLC在各个工程项目的应用范围都得到了扩展。
3.2喷泉控制方案
方案：
四组喷头交替喷水
此方案使用的喷头有四组，共21个喷头，根据环境空间，造型为圆形，每组喷头组成一定的形状，并在PLC的控制下交替喷水，具体情况见图3-1喷嘴布局图、开关面板图；
图3-1a1号为外单环状喷头、2号为一次外双环状喷头、3号为内环状喷头、4号为中间喷头，图3-1b为喷泉控制面板布局。
3.3花样控制的几种模式
（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）喷泉的工作方式由花样选择开关和单步/连续开关决定。
（3）当单步/连续开关在单步位置时，喷泉只能按照花样选择开关设置的方式运行一个循环。
（4）花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，现考虑4种喷水花样。
3.4各种模式的动作状态
（1）花样喷泉开关在位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延迟2S后，3号喷头喷水，再延迟2S后，2号喷头喷水，又延迟2S后，1号喷头喷水。
依次循环喷水18S后，如果为单步工作方式，则停下来。
如果为连续工作方式，则继续循环下去。
（2）花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后后，1号喷头喷水，延迟2S后，2号喷头喷水，再延迟2S后，3号喷头喷水，又延迟2S后，4号喷头喷水。
依次循环喷水30S后，如果为单步工作方式，则停下来。
如果为连续工作方式，则继续循环下去。
（3）花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1号、3号喷头同时喷水，延迟3S后，2号、4号喷头同时喷水，1号、3号喷头停止喷水。
如此交替运行15S后，4组喷头全喷水，依次循环喷水30S后，如果为单步工作方式，则停下来。
如果为连续工作方式，则继续循环下去。
（4）花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1-2-3-4的顺序，依次间隔2S喷水，然后一起喷水。
30S后，按照1-2-3-4的顺序，分别延迟2S，依次停止喷水。
再经1S延时，按照4-3-2-1的顺序，依次间隔2S喷水，然后一起喷水。
依次顺序喷水30S后。
如果为单步工作方式，则停下来。
如果为连续工作方式，则继续循环下去。
四、PLC的应用特点
（1）、可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统将极高的可靠性
（2）、配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、变量控制等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）、对PLC结构形式的选择
在相同功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。
但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。
本设计采用FX2N-48MR。
该PLC属于小型PLC，功能强大，控制能力好，性价比高。
五、水泵的选择方案
水泵的种类根据不同的要求，分类比较多；大致有卧式水泵和潜水泵。
但都是根据各自对水泵的扬程、流量、使用的场合、能耗比、性价比等来选择合适自己水泵。
选择采用潜水泵。
因为潜水泵是放置在水下，因此不需要泵房，这样可以降低造价。
而且潜水泵能耗低，体积小，重量轻，不需灌引水，使用维护及管理方便，并且达到了节约水资源的目的，具有卧式水泵所不具有的优点，可以适应喷泉的喷水要求。
设计采用上海申一水泵制造有限公司生产的QY型油浸式潜水泵。
见图4-1，QY型油浸式潜水电泵是由充油式潜水电机与离心式水泵同轴联接组成。
水泵的使用条件是潜水深度不超过5米；水温不超过+40℃；PH值应在5-9之间，因此，很适合用本设计的要求。
图4-1潜水泵
六、喷头的选择方案
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。
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。
采用的集束喷头是中间小，四周大的喷头组合方案。
中间的小喷头在同样的压力下，喷出的水柱较之周围的大喷头要高，要细，可达到最佳的视觉效果，见图6-1。
喷泉直射喷头涌泉喷头
涌泉喷头旋转喷头
图6-1喷头的样式
中间部分为装饰物。
左图为喷头的设计方案图，每个喷头的设计方案都是相同的，中间4个小圆形图案为小喷头，外部4个大圆形图案为大喷头。
七、电磁阀的选型
电磁阀选型首先应该依次遵循安全性，可靠性，适用性，经济性四大原则，其次是根据六个方面的现场工况（即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求进行选择）。
选型依据：
（一）、根据管道参数选择电磁阀的：
通径规格（即DN）、接口方式
1、按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径（DN）尺寸。
2、接口方式，一般>DN50要选择法兰接口，≤DN50则可根据用户需要自由选择。
（二）、根据流体参数选择电磁阀的：
材质、温度组
1、腐蚀性流体：
宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢；食用超净流体：
宜选用食品级不锈钢材质电磁阀。
2、高温流体：
要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀，而且要选择活塞式结构类型的。
（三）、根据压力参数选择电磁阀的：
原理和结构品种
1、公称压力：
这个参数与其它通用阀门的含义是一样的，是根据管道公称压力来定。
2、工作压力：
如果工作压力低则必须选用直动或分步直动式原理；最低工作压差在0.04Mpa以上时直动式、分步直动式、先导式均可选用。
（四）、电气选择：
电压规格应尽量优先选用AC220V、DC24较为方便。
（五）、根据持续工作时间长短来选择：
常闭、常开、或可持续通电
1、当电磁阀需要长时间开启，并且持续的时间多余关闭的时间应选用常开型。
2、要是开启的时间短或开和关的时间不多时，则选常闭型。
3、但是有些用于安全保护的工况，如炉、窑火焰监测，则不能选常开的，应选可长期通电型。
（六）、根据环境要求选择辅助功能：
防爆、止回、手动、防水雾、水淋、潜水
1、爆炸性环境：
必须选用相应防爆等级的电磁阀（现有：
dII BT4、d II CT5、Ex m I/II T4） 。
2、当管内流体有倒流现象时，可选择OK71-N、OK72-N系列带止回功能电磁阀。
3、当需要对电磁阀进行现场人工操作时，可选择OK71-S、OK72-S系列带手动功能电磁阀。
4、露天安装或粉尘多场合应选用防水，防尘品种（防护等级在IP54以上）。
5、用于喷泉必须采用潜水型电磁阀（防护等级在IP68以上）。
见图7-1
图7-1不锈钢防水电磁阀
八、花式喷泉软件设计
8.1PLC的I/O接线图
图8-1喷泉I/O接线图
8.2PLC的I/O分配表
输入
X000
启动（SB0）
X001
停止（SB1）
X002
连续循环（SB2）
X003
单步（SB3）
X004
花样1档（SB4）
X005
花样2档（SB5）
X006
花样3档（SB6）
X007
花样4档（SB7）
输出
Y001
1号喷头（KM1）/电磁阀
Y002
2号喷头（KM2）/电磁阀
Y003
3号喷头（KM3）/电磁阀
Y004
4号喷头（KM4）/电磁阀
图8-2PLC的I/O分配表
8.3喷泉控制过程
1.接通电源,按下启动按纽SB0,X000有信号输入,PLC处于待命状态,
2.花式选择开关,SB4,SB5,SB6,SB7,任意一开关接通,对应的PLC输入点X004,X005,X006,X007有信号输入,PLC处于相应选择的工作状态,
3.当按SB3,对应X003触发,PLC处于单步运转状态,
4.按下SB1,对应经X001断开,PLC停止工作.
详细过程如下:
1.当按下开关SB0,单步开关SB3断开,如选择开关SB4接通,PLC输出点Y007输出信号,KM4接通相联接的4号喷头,同时开始计时,两秒后动作接通Y005相对应的KM3接通联接的3号喷头,开始计时,两秒后动作接通Y004,相对应的KM2接通联接的2号喷头,同理,在两秒后,接通1号喷头,再接通4号循环下去......
2.在一的过程,如SB3接通的情况下,在一个过程后,自动停止.
3.同样,当选择其他位置开关,PLC按设定程序进行工作.
8.4喷泉控制流程图
图8-3控制流程图
8.5系统程序设计
本次系统为了方便运行,选择用PLC梯形图语言设计,所有程序见附件PLC程序。
8.6部分程序介绍
8.6.1花样选择程序
花式选择转换开关SB4,SB5,SB6,SB7转至任意一个,如SB4接通,则按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时2s后，3号喷头喷水，再延时2s，2号喷头喷水，又延时2s，1号喷头喷水。
18s后，如果为单步工作方式，则停下来。
如果为连续工作方式，则继续循环下去。
图8-4PLC部分程序图
设计总结：
通过对花样喷泉系统的控制,真正的把专业知识应用到实践中,加强了我的动手能力,在设计中,遇到了不少问题,通过努力研究,一个一个解决了,系统运行非常成功,总的来说,这次设计不难,关键在于细心,有时一些小问题,让我走了很多弯路,真正让我感觉到了学以致用的重要性.工作中，我认真地学习了专业课程基础知识，具有一定的设计理论基础和独立设计能力，由于项目设计的课题是一种整体性的，系统性的设计，我真的是很努力地在做，但还是感到力不从心，因而这次设计在深度和广度上都有一定的局限性，不过，我认为还是提高了认识，学到了东西。
使我学有所获。
结束语：
本次的电气控制系统设计得到了公司的大力支持，感谢公司领导给予了我一个提升自己能力的一个机会。
感谢培训学校给我一个学习的平台，感谢教师对我的精心教诲。
由于写作水平有限，时间仓促，有许多不足之处，敬请评委们多多指导，提出宝贵意见，以便在今后的工作中能把学到的知识应用到实处。
参考文献
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[10]项毅、吴宜平.1999年.《工厂电气控制设备实验与设计指导》接写工业出版社.
附件：
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