基于PLC控制的喷泉系统设计.docx
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基于PLC控制的喷泉系统设计
摘要
花式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。
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。
用SFC方法编程，可以使设计思路清晰，编程简便.若需要改变喷水花样和喷水时间，设计方案不必作很大调整，只要把控制程序作相应的修改，即可实现控制目的。
本设计以4环花式喷泉为研究对象，采用了三菱FX1N系列可编程序控制器作为喷泉的控制器。
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。
关键字：
喷泉、PLC、SFC编程
第一章喷泉总体设计
1.1喷泉的布局设计
图1-1喷泉布局图
本设计布局如图1-1所示。
图1-1中A组喷水管，有一个喷水管该喷水管所喷出的水柱为4组喷水管最大，喷射高度为4组喷水管最高为8（m）。
图1-1中B组喷水管所处的圆上由8个喷水管组成，该组喷水管所喷出的水柱为比A组的水柱略小，所喷高度比A组的高度略底，所喷高度为6（m）。
图1-1中C组喷水管所处的圆上由20个喷水管组成，该组所喷出的水柱比B组的水柱小，所喷高度比B组水柱低，所喷高度为4（m）。
图1-1中D组喷水管所处的圆上组由30个喷水管组成，该组所喷水柱为4组中水柱最小，所喷高度最低的一组。
所喷高度为2（m）。
为了在每组喷水管工作时能够更好的欣赏，能区别4组所喷出的水柱，所以B组所处的圆的半径为R=2（m），C组所处的圆的半径为R=4（m），D组所处的圆的半径为R=6（m）。
本设计中A组喷头所喷的水柱最高，本设计中4组喷头所喷的水柱高度为2-8（m）。
本设计的最多时有A、B、C三组喷头同时喷出水柱，最少时有两组喷头喷出水柱，所以流量为150-230（m3/h）。
水质为自来水。
1.2控制要求
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1-2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1-2系统流程图
第2章系统硬件设计
2.1PLC的选择
2.1.1PLC介绍
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。
2.1.2PLC选型
现在应用最广泛的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。
三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、适用面广但是数据处理比西门子弱。
西门子PLC性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。
欧姆龙PLC欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求，东欧的老机床器件符号输进去好多都不认，按它的标准老图的标示都要变很不方便。
松下PLC超小型尺寸，轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何电缆。
从I/O10点到最大I/O128点的选择空间。
本设计需要速度快稳定同时从价格等方面考虑我们选择三菱PLC本设计所使用的I/O口不是太多所以我们选择三菱FX-1N型PLC，如图2-1所示。
图2-1三菱FX1NPLC
2.2泵的选择
2.1.1潜水泵介绍
深井提水的重要设备。
使用时整个机组潜入水中工作。
把地下水提取到地表，是生活用水、矿山抢险、工业冷却、农田灌溉、海水提升、轮船调载，还可用于喷泉景观，热水潜水泵用于温泉洗浴，还可适用于从深井中提取地下水，也可用于河流、水库、水渠等提水工程。
主要用于农田灌溉及高山区人畜用水，亦可供中央空调冷却、热泵机组、冷泵机组、城市、工厂、铁路、矿山、工地排水使用。
一般流量可以达到（10m3~650m3）每小时、扬程可达到1500米。
2.2.2泵的选型
现在喷泉常用的潜水泵有QS、QY、QX、、QJ等系列。
QS系列潜水泵体积小、性能可靠，机泵一体、潜入水中运行主要优越性是：
运行可靠、经久耐用、使用方便、功率大、故障少，维修费用低等。
流量：
10-250（m3/h）。
杨程：
5-140（m）。
QY系列潜水泵QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三部分组成。
电泵的上端，多为离心式水泵；下端为三相鼠笼立式异部电动机。
电机全部采用优质整圆硅钢片，效率高，耗电少潜水深度不超过5米水温不超过+40℃。
流量：
10-300（m3/h）。
杨程：
4-110（m）。
QX系列潜水泵工程潜水泵泵电一体，结构紧凑，非常适合于基建及矿山的搬运和安装无需引水，使用简便双端密封，电器保护设计合理、性能优良、几无噪音。
流量：
5-20（m3/h）。
杨程：
20-60（m）
QJ系列潜水泵电机与水泵直联，机组全部潜入水中工作，具有结构紧凑、安装、维护方便、体积小、重量轻、高效节能等特点。
工作条件1、工作介质为清水或化学性质类似于清水的液体。
额定扬程：
150米额定流量：
10立方米/小时。
从该喷泉所需的扬程、流量、水质、价格等方面考虑该喷泉选择QS系列的潜水泵，如图2-2所示。
2.3喷头的选择
2.3.1喷头的介绍
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。
其中常用的有：
可调直流喷头、半球形喷头、树冰形喷头、礼花喷头、涌泉喷头、加气喷头、直上喷头等产品系列。
2.3.2各种喷头的选择
1：
A组喷头的选择
A组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以A组喷头选择直上喷头。
直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。
该喷头也叫中心喷头。
可调节射流的方向。
喷头材质：
铸铜、不锈钢，如图2-3所示。
2：
B组喷头的选择
B组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比A组所喷出的水柱稍细比A组所喷的水柱要低。
所以我B组选择可调直流喷头。
可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球形接头，可沿垂直方向向15度进行调节。
可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果，射流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小决定。
喷头材质：
铸铜、不锈钢，如图2-4所示。
3：
C组喷头的选择
C组喷头应该比B组喷头喷射高度略低比D组略高，所喷水柱比B组水柱略粗壮、挺拔。
所以C组喷头选择树冰形喷头。
树冰形喷头喷水时外观效果庞大丰满，粗壮挺拔，抗风力较强。
喷头安装在导流筒上端与水面齐平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱。
喷头材质：
铸铜、不锈钢。
4：
D组喷头的选择
D组位于该喷泉的最外侧，水柱所喷高度应该最低，水量应该较大，择所喷水柱比较灵动。
所以选择涌泉喷头。
涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。
喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，水沫轻溅，古朴灵动。
加气喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷出的水柱呈白色不透明状，反光效果好。
喷头材质：
铸铜、不锈钢
2.4阀的选择
喷泉常用的阀门有球阀、蝶阀、闸阀、止回阀、水下液压阀、水下电磁阀、水下数控阀等。
本设计的喷泉采用PLC控制同时在工作时会接触水，所以选择DC24V水用电磁阀。
2.5灯具的选择
该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。
LED水下灯能够达到上述的要求，所以本设计选择AC220VLED水下灯。
第三章系统软件设计
3.1I/O分配
根据第一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四个水用电磁阀，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四个输入口和十一个输出口。
表3-1为它们所对应的I/O口。
表3-1I/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
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