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基于plc的花样喷泉学位论文
目录
摘要1
Abstract2
第一章喷泉的概述3
1.1喷泉的发展3
1.1.1我国喷泉的发展3
1.1.2喷泉的应用状况3
1.1.3现代喷泉中出现的问题4
1.2喷泉的种类4
1.3喷泉中的一些新技术5
1.4喷泉的原理5
1.5设计的主要研究内容及安排6
第二章喷泉方案分析7
2.1喷泉控制方案分析7
第三章系统硬件设计8
3.1PLC的概述及选型8
3.1.1PLC的概述8
3.1.2PLC的选型12
3.2水泵的选择方案12
3.3喷头的选择方案13
3.4阀的选择16
3.4.1电磁阀16
3.4.2阀的选型18
第四章系统软件设计19
4.1喷泉流程图19
4.2花式喷泉的I/O分配19
4.3PLC的I/O地址分配简介19
4.4花式喷泉PLC接线图20
4.5花式喷泉PLC控制水泵电机的接线原理图20
4.6梯形图20
4.6.1梯形图的简介20
4.6.2梯形图21
第五章PLC的仿真与调试28
5.1仿真软件的选用28
5.2仿真软件的使用28
5.3调试结果及其分析32
5.4设计中遇到的问题解决方案32
总结33
致谢34
参考文献35
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。
本文结合任务设计书的要求，以花式喷泉为研究对象，采用了S7-200PLC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，阐述了可编程控制器的组成和工作原理。
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：
PLC；喷泉；控制系统
Abstract
Fancyfountainisaproductofakindoflandscapearchitectureinrecentyearsandcombiningthefancywatch.WiththeprogrammablecontrollerinChina'srapiddevelopment，fancyfountaincontrolrequirementsarealsogettinghigherandhigher，theymakemoreandmorecontroloftheprogrammablecontrollerisrequiredtoachieve.
Thistextbasedonthemissiondesignrequirements,tofancyfountainastheresearchobject，usingS7-200seriesPLCasafountainofthecontroller。
Theoverallfunctionoffancyfountaincontrolsystemareanalyzed，thispaperdescribesthecompositionandworkingprincipleoftheprogrammablecontroller。
Thefountainofhardwaremodulesandthedetaileddesignofhardwaremodules，anotherwaysofwritingdesignandprocedures。
Thisdesignimprovesthefountainsystem,controlquality,andtrulyachievethereal-timecontrolrequirements.
Keywords:
PLC;fountain;controlsystem
第一章喷泉的概述
1.1喷泉的发展
1.1.1我国喷泉的发展
国内在二十世纪八十年代以前，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。
只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的。
二十世纪八十年以后，随着国民经济的恢复和发展，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、改造的过程中，以及环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了求新的要求，一部分建筑、园林、水利的设计院、研究所及大专院校，综合了土建结构、给排水、机电控制等传统的专业技术，加上当时先进的单片机，通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出一批喷泉、水景。
得到了良好的社会反映和社会效益。
在这个时期，一些喷泉设备专业加工厂和公司开始组建、发展，为喷泉的专业化发展提供了力量，打下了基础。
二十世纪九十年代以后，社会主义市场经济快速发展，全国城市建设速度加快，人们也追求高质量的文化生活和环境美。
市场的需求推动了喷泉行业的发展。
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。
许多喷泉专业的生产厂商和专业公司，在这段时间内应运而生，迅速发展起来。
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，把喷泉行业的技术水平推上了一个新的层面，开拓了广阔的应用空间，喷泉行业得到了快速发展。
2001年中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会成立了水景喷泉专业委员会，行业组织为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、公司提供服务，促进喷泉行业健康有序地发展。
一些大学和中专的建筑、园林专业也开设了水景、喷泉课程，为喷泉行业的今后发展提供了知识储备。
喷泉行业的发展进入到一个新的阶段。
1.1.2喷泉的应用状况
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。
松弛、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受。
商场内、酒楼里的喷泉小巧、别致，既调节了室内小气候，又增添了画意。
依托大型建筑物和自然地形建成的人工瀑布及溢水造景给人们以清新和另有韵味的感受。
喷泉在电视转播厅和大型歌舞上频频出现，调谐得当的水形烘托着演出的效果。
精巧的微型喷泉进入了办公室和居室，给室内增添了动态的装饰。
喷泉是艺术和技术的结合物，建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计、创作中。
不少成功的作品都注意喷泉的设计风格与周边的环境、建筑物风格的协调一致，注意当地人文、文化心理，所以好的方案设计是至关重要的，它是成功的起点。
在喷泉方案的制作上，短短的几年时间就从手工制图发展到photoshop图片再发展到三维动画制作的光盘描绘的动态喷水方案，计算机技术极大地丰富和开拓了人们的思维空间。
快速、直观、便于保存、易于修改的优点很快地就被建设方接受，成为喷泉设计方案招投标的必备内容。
喷泉的专用产品，设备也在不断地更新换代，新材料、新技术的采用，环保型的产品更加安全、可靠，售后服务周到、及时，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。
1.1.3现代喷泉中出现的问题
在喷泉得到广泛应用的过程中，也出现了一些问题和不足，有些认识上的误区和不良倾向应该引起人们的重视。
否则将对喷泉行业的健康发展产生负面影响。
（1）方案设计上的盲目性，往往导致作品成为败笔，使作品难于长久存在。
（2）细部设计的不合理直接影响作品效果。
（3）质次价高的伪劣产品直接影响着有关厂商和公司的信誉。
（4）节能、节水、环保问题应引起足够的重视。
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。
有些喷泉的设计，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。
例如：
成功的超高水柱密实段长，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。
而目前的一些超高水柱，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。
喷泉是耗能的景观工程，在保障设计效果的前提下，尽可能地节约能源，这在方案设计阶段时就应该进行量体裁衣的设计。
我国是一个缺水的国家，节水是基本国策，喷泉要提倡循环用水，设计时应考虑减少喷水的雾化，飘移损失。
循环用水系统应该有过滤净化装置，现在有许多旱喷泉，喷水很容易把地面上的泥土、脏物冲入地下水池，水质极易污染，搞好池水净化，延长池水使用周期，用过的池水可以浇灌周边的草坪、绿地，既节约了用水，又有环保的功能。
1.2喷泉的种类
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，可称人造喷泉（文中喷泉均为人造喷泉）。
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，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。
1.3喷泉中的一些新技术
漂浮式：
整座水景喷泉的管道系统全部安装在浮箱上，所以喷泉设备的运行不受季节性水位高低的影响。
漂浮式喷泉制作、安装工艺技术性强，但维护方便，易于保养。
在大型自然湖泊或各种人工湖中广泛应用。
跑泉：
多个喷头，按时序控制，构成各种形态瞬时变化的水型。
可以形成跑动、跳动、波动等形状，又可以成固定造型的喷水形态，气势雄伟，变化多端。
水幕激光：
采用特殊的入映机播放，使用的影片也是专门为水幕电影特制的影带。
由于电影的屏幕是透明的水膜，因此在电影播放时会有一种特殊的光学效果，屏幕的视觉穿透性可使画面具有一种立体感，影片的内容可与水面巧妙的结合，更有一种身临其境般的奇幻感觉。
1.4喷泉的原理
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。
其原理图如图1-1，1-2所示。
图1-1多花样喷泉设计原理图
图1-2多花样喷泉设计原理图
1.5设计的主要研究内容及安排
本文根据生活当中出现的一些情况，以花式喷泉为研究对象，以水泵为控制对象，结合了大量资料及文献，研究花式喷泉的控制问题，整理出一套可行性较高的喷泉控制系统。
本系统的研究内容主要包括了喷泉的发展情况及所存在的一系列问题；喷泉控制系统的组成；花式喷泉的方案分析；花式喷泉的硬件配置以及软件的设计，再通过仿真软件来实现。
第二章喷泉方案分析
2.1喷泉控制方案分析
方案：
此方案使用了8个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2-1。
图2-1花式喷泉示意图
（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。
喷泉喷水的方式由花式选择开关决定，喷泉有三种花式可供选择。
（2）花式选择开关在位置2时，按下启动按钮后，按照0.1.2.3.4.5.6.7的顺序喷水，延迟时间为2s。
如此循环，直到按下停止按钮。
（3）花式选择开关在位置3时，按下启动按钮后，8个喷头同时喷水。
延迟时间为1s。
如此循环，直到按下停止按钮。
（4）花式选择开关在位置3时，按下启动按钮后，0到3号喷头一起喷水，1s后4-7号喷头喷水。
如此循环，直到按下停止按钮。
此报告设计了三种简单的花式，其余花式与这三种花式的实现原理相同，在这里就不过多说明。
第三章系统硬件设计
3.1PLC的概述及选型
3.1.1PLC的概述
1.PLC的产生背景
可编程控制器是基于微型计算机技术的通用工业自动控制设备，在其早期主要应用于开关量的逻辑控制。
l987年国际电工技术委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）颁布的PLC标准草案对PLC做了如下定义：
“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。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
在可编程控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。
这种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点，尤其是对生产工艺多变的系统适应性较差。
1968年，美国通用汽车公司（GM）根据市场形势与生产发展的需要，为了完成“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略，提出了研制新型逻辑顺序控制装置来取代继电器控制装置。
第2年，美国数字设备公司（DEC）就研制出了第一台PLC，将其应用于美国通用汽车自动装配生产线上，并取得了极大的成功。
此后随着计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的不断进步，PLC也迅速发展起来。
PLC初创阶段的代表产品有MODICON公司的084、DEC的PDP．14和日立公司的SCY．022等。
该时期PLC产品的主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、逻辑运算、定时和计数等。
它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，在I／O接口电路上做了改进以适应工业控制现场的要求，它的控制功能比较简单。
在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式——梯形图。
而通用汽车公司（GM）公司为了适应生产工艺不断更新的需求，从用户角度提出了新一代控制器应具备的10项指标：
（1）编程方便可现场修改程序
（2）维修方便采用模块化结构
（3）可靠性高于继电器控制装置
（4）体积小于继电器控制组装置
（5）具有数据通信功能数据可直接送入计算机管理
（6）成本可与继电器控制系统竞争
（7）输入可为市电
（8）输出可为市电容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等
（9）易于扩展扩展时原系统改变最小
（10）用户存储器大于4KB
根据这10项指标，美国数字设备公司（DEC公司）于1969年研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14，并在GM公司的汽车生产线上使用成功，可编程控制器自此诞生。
气候美国的莫迪康（MODICON）公司也推车了084控制器；1971年，日本推出了DSC-8控制器；1973年，西欧各国的可编程控制系也相继研制成功；我国于1974年开始研制可编程控制器，并于1977年开始工业应用。
2.PLC的构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
3.PLC的特点
<1>可靠性高，抗干扰能力强。
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。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，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，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
喷泉可靠性不高的改进方式：
对于喷泉喷不喷水的问题，可以在电磁阀旁安装一个压力监测计，检测水压，然后回馈给控制电脑。
使人们早发现，早制止。
<2>配套齐全，功能完善，适用性强。
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小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，现代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。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC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>易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
<4>系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
<5>体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
5.PLC的主要技术指标
PLC的性能指标较多，主要介绍与组成PLC控制系统关系较直接的几个。
（1）编程语言及指令功能
梯形图语言、助记符语言在PLC中较为常见，梯形图语言一般在计算机屏幕上编辑，使用起来简单方便。
助记符语言与计算机编程序相似，如果对有编制程序基础的工程技术人员来说，学习助记符会容易一些，只要理解各个指令的含义，就可以像做计算机PLC实际上只认识助记符语言，梯形图语言是需要转换成助记符语言后，存入PLC的存储器程序一样写PLC的控制程序。
如果两种语言都会使用更好，因为它们之间可以相互转换。
现在功能图语言的使用有上升趋势。
编程语言中还有一个内容是指令功能。
衡量指令功能强弱可看两个方面：
一是指令条数多少；二是指令中有多少综合性指令。
一条综合性指令一般就能完成一项专门操作。
用户编制的程序完成的控制任务，取决于PLC指令的多少，指令功能越多，编程越简单和方便，完成一定的控制任务越容易。
（2）输入输出点数
输入输出点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的最大数量，值得注意的是输入点数往往的大于输出点数的，且二者不能相互替代。
PLC的输出节点为继电器，继电器型可接交流220V或直流24V负载，没有极性要求。
（3）扫描速度数是指PLC扫描1k（1k=1024）字用户程序所需的时间，通常以ms/k字为单位，扫描速度越快越好。
（4）存储容量
存储容量是存放用户程序的存储器的容量。
通常用k来表示。
也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。
在编制PLC程序时，需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。
这些寄存器的多少，直接关系到程序的编制，该存储器的容量越大，就可以编制出更复杂的程序。
（5）可扩展性
在现代工业生产中PLC的可扩展性也显的非常重要。
主要包括：
1）输入输出点数的扩展；
2）存储容量的扩展；
3）联网功能的扩展；
4）可扩展的模块数；
另外，可编程序控制器的可靠性、易操作性及经济性等功能指示也受用户的关注。
（6）PLC的应用与发展趋势
可编程控制器的应用领域
PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛，主要可以归纳为以下几类：
1）开关量的逻辑控制
可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。
2）模拟量控制
在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
4）过程控制
过程控制是指对连续变化的量进行控制。
如对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
目前已广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。
5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能。
可以完成数据的采集、监测、分析和处理。
这些数据可以与参考值比较，完成一定的控制操作。
也可以利用通讯功能传送到其他的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型过程控制系统，如冶金、造纸、食品工业中的一些大型控制系统。
6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。
随着现代社会计算机技术的提高，网络通讯技术的不断发展，它也将和其他的工业控制计算机组网构成大型的控制系统，在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
PLC的发展趋势
许多年前就有人预言，PLC将要被PC-BASED控制系统取代。
但PLC的销售仍以十分稳定的增长率逐年上升。
目前的PLC已经与十年前大不相同，十年后的PLC与如今的PLC也势必不同；但有两个方面是不变的：
其一，PLC会提供稳定的控制响应；其二，高度的可靠性。
可以预见的PLC发展趋势如下：
1）向高速度、大容量方向发展
为提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。
为扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
2）向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器。
最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要。
3）PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力。
PLC厂商不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围
4）增强外部故障的检测与处理能力。
根据统计资料表明：
在PLC控制系
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