1、目 录第一章 绪论21.1 喷泉的发展 21.2 喷泉的种类 4第二章 PLC（可编程控制器）的介绍 52.1 PLC 的基本概念和简介 52.2 PLC 的发展和运用 6第三章 设计花样喷泉的方案分析83.1 主控制器方案分析 83.2 喷泉控制方案分析 8第四章 PLC 控制系统总设计 104.1 PLC 的基本结构和 I/O 分配表 104.2 I/O 接线图及主电路 114.3 流程图和梯形图124.4 设计的分析 23总结 24致谢25参考文献26基于 PLC 的花式喷水池控制系统设计第 1 页 共 26 页摘 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
2、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。在游人和居民经常光顾的场所，如公园、广场、旅游景点及一些知名建筑前，经常会修建一些喷泉供人们休闲、观赏。这些喷泉按一定的规律改变喷水式样，如果再与五颜六色的灯光相配合，在和和谐优雅的音乐中，更使人心旷神怡，流连忘返。本文讲述的是如何利用 PLC 控制喷泉喷水方式，产生各样的样式，本文结合任务设计书的要求，以4环花式喷泉为研究对象，采用了西门子 s7-200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
3、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，并真正地达到了实时控制的要求。关键词：可编程序控制器 花式喷水 控制系统基于 PLC 的花式喷水池控制系统设计第 2 页 共 26 页第一章 绪论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
4、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
5、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
6、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、湖自然水面上喷基于 PLC 的花式喷水池控制系统设计第 3 页 共 26 页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
7、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
8、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 photo shop 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
9、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，
10、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，现在有许多旱喷基于 PLC 的花式喷水池控制系统设计第 4 页 共 26 页泉，喷水很容易把地面上的泥土、脏物冲入地下水池，
11、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 。 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
12、 ，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。基于 PLC 的花式喷水池控制系统设计第 5 页 共 26 页第二章 PLC（可编程控制器）的介绍2.1 PLC 的基本概念和简介Error! No bookmark name given.2.1.1 PLC 的 基 本 概 念可 编 程 控 制 器 (Programmable Controller)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 (Programma
13、ble Logic Controller)， 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 (Personal Computer)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
14、优 良 ， 功 能 强 大 。 Error! No bookmark name given.2.1.2 PLC 的 工 作 原 理当 PLC 投 入 运 行 后 ， 其 工 作 过 程 一 般 分 为 三 个 阶 段 ， 即 输 入 采 样 、 用 户 程 序 执 行 和 输 出刷 新 三 个 阶 段 。 完 成 上 述 三 个 阶 段 称 作 一 个 扫 描 周 期 。 在 整 个 运 行 期 间 ， PLC 的 CPU 以 一 定的 扫 描 速 度 重 复 执 行 上 述 三 个 阶 段 。 (一 ) 输 入 采 样 阶 段 在 输 入 采 样 阶 段 ， PLC 以 扫 描 方 式 依
15、次 地 读 入 所 有 输 入 状 态 和 数 据 ， 并将 它 们 存 入 I/O 映 象 区 中 的 相 应 得 单 元 内 。 输 入 采 样 结 束 后 ， 转 入 用 户 程 序 执 行 和 输 出 刷 新阶 段 。 在 这 两 个 阶 段 中 ， 即 使 输 入 状 态 和 数 据 发 生 变 化 ， I/O 映 象 区 中 的 相 应 单 元 的 状 态 和数 据 也 不 会 改 变 。 因 此 ， 如 果 输 入 是 脉 冲 信 号 ， 则 该 脉 冲 信 号 的 宽 度 必 须 大 于 一 个 扫 描 周 期 ，才 能 保 证 在 任 何 情 况 下 ， 该 输 入 均 能
16、被 读 入 。 (二 ) 用 户 程 序 执 行 阶 段 在 用 户 程 序 执 行 阶 段 ， PLC 总 是 按 由 上 而 下 的 顺 序 依 次 地 扫 描 用户 程 序 (梯 形 图 )。 在 扫 描 每 一 条 梯 形 图 时 ， 又 总 是 先 扫 描 梯 形 图 左 边 的 由 各 触 点 构 成 的 控 制线 路 ， 并 按 先 左 后 右 、 先 上 后 下 的 顺 序 对 由 触 点 构 成 的 控 制 线 路 进 行 逻 辑 运 算 ， 然 后 根 据 逻 辑运 算 的 结 果 ， 刷 新 该 逻 辑 线 圈 在 系 统 RAM 存 储 区 中 对 应 位 的 状 态
17、； 或 者 刷 新 该 输 出 线 圈 在I/O 映 象 区 中 对 应 位 的 状 态 ； 或 者 确 定 是 否 要 执 行 该 梯 形 图 所 规 定 的 特 殊 功 能 指 令 。 在 用 户 程序 执 行 过 程 中 ， 只 有 输 入 点 在 I/O 映 象 区 内 的 状 态 和 数 据 不 会 发 生 变 化 ， 而 其 他 输 出 点 和 软设 备 在 I/O 映 象 区 或 系 统 RAM 存 储 区 内 的 状 态 和 数 据 都 有 可 能 发 生 变 化 ， 而 且 排 在 上 面 的 梯形 图 ， 其 程 序 执 行 结 果 会 对 排 在 下 面 的 凡 是 用
18、到 这 些 线 圈 或 数 据 的 梯 形 图 起 作 用 ； 相 反 ， 排 在下 面 的 梯 形 图 ， 其 被 刷 新 的 逻 辑 线 圈 的 状 态 或 数 据 只 能 到 下 一 个 扫 描 周 期 才 能 对 排 在 其 上 面 的程 序 起 作 用 。 在 程 序 执 行 的 过 程 中 如 果 使 用 立 即 I/O 指 令 则 可 以 直 接 存 取 I/O 点 。 即 使 用I/O 指 令 的 话 ， 输 入 过 程 影 像 寄 存 器 的 值 不 会 被 更 新 ， 程 序 直 接 从 I/O 模 块 取 值 ， 输 出 过 程影 像 寄 存 器 会 被 立 即 更 新
19、， 这 跟 立 即 输 入 有 些 区 别 。 (三 ) 输 出 刷 新 阶 段 当 扫 描 用 户 程 序 结 束 后 ， PLC 就 进 入 输 出 刷 新 阶 段 。 在 此 期 间 ， CPU按 照 I/O 映 象 区 内 对 应 的 状 态 和 数 据 刷 新 所 有 的 输 出 锁 存 电 路 ， 再 经 输 出 电 路 驱 动 相 应 的 外 设 。基于 PLC 的花式喷水池控制系统设计第 6 页 共 26 页这 时 ， 才 是 PLC 的 真 正 输 出 。 2.2 PLC 的 发 展 和 运 用2.2.1 PLC 的 发 展自第一台可编程控制器问世以来，可编程控制器的发展与计
20、算机技术、自动控制技术、半导体技术及通信技术等高新技术的发展是紧密相关的。这些技术的每次革新，都会给可编程控制器带来功能和特性的新变化，使得可编程控制器技术的与飞速发展。目前，可编程控制器以实现从“单片机控制自动化生产线控制自动化全厂生产自动化”的三级解决方案，成为工业自动化的核心控制设备。回顾可编程控制器的发展历程，大致可划分为 4 个阶段。(1)从 1969 年到 20 世纪 70 年代中期这一阶段可编程控制器主要用于逻辑运算和技术技术运算其中央处理器由中小规模数字集成电路组成存储器为此信存储器，控制功能比较简单。典型产品有莫迪康公司的 084、ALLEN-BRADLEY(AB)公司的 P
21、DQ2 等。由于这些产品主要完成逻辑运算功能，因此，被称为可编程序逻辑控制器（PLC ） 。(2)20 世纪 70 年代中期到 80 年代初期这一阶段可编程控制器的 CPU 采用微车力气，存储器采用半导体存储器，不仅整机的体积减小，而且数据处理能力获得很大提高，增加了数据运算、传送、比较等功能，实现了对模拟量的控制。可编程控制器的名称碎屑为 PC，但为了于个人计算机的名称缩写 PC 相区别，通常还把可编程控制器简称为 PLC。(3) 20 世纪 80 年代初期到 90 年代初期这一阶段由于 16 位，32 位微处理器的出现和应用，PLC 向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展，形成了多种系列
22、化产品，出现了结构紧凑、功能强大、性能价格比搞的新一代产品，并出现多种不同性能的分布式网络系统，在功能上，PLC 具有了数学运算、数据采集和处理、运动控制、闭环控制、联网通信等功能，而且随着应用领域的不断迅速扩大，PLC 已成为构成生产过程自动控制系统的主要设备。在此期间，国际电工委员会颁布了 PLC 标准，似的 PLC 向标准化发展。典型产品有罗克韦尔自动化公司的 PLC-2 系列、PLC-3 系列，西门子公司的 SYMATIC S5 系列等。(4) 20 世纪 90 年代至今这一阶段 PLC 继续得到快速发展，系统在网络通信、热备冗余方面都有了长足的进步，成为了一种功能强大的、成熟的控制系
23、统。同时，通信从各厂家的自称系统逐步向开放的、统一的和通用的标准网络结构发展，如控制层的控制网、设备网和现场总线、管理层的以太网等。产品系列不断丰富，互通功能得到了较大的发展，系统性能日趋可靠、完善。同时，还捉不采用了符合IEC61131-3 标准的程序设计语言，增加了高级编程语言等，似的各种生产数据采集和信息系统管理的视线变得容易、直接。这是，PLC 已不是单纯意义上的可编程控制器了，而是一种完全的过程系统。典型产品有罗克韦尔自动化公司的 PLC-5 系列、Control-Logix 系列，西门子公司的SYMATIC S7 系统，莫迪康公司的 Quantum 系列等。基于 PLC 的花式喷水
24、池控制系统设计第 7 页 共 26 页2.2.2 PLC 的运用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。
25、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
26、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。基于 PLC 的花式喷水池控制系统设计第 8 页 共 26 页第三章 设计花样喷泉的方案分析3.1 主控制器方案分析方案 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，
27、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 S7-200 系列控制花式喷泉自 20 世纪 60 年代中期以来 PLC 产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近 20年来计算机和信息技术的飞速发展,不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格,使 PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足的进步,也使 PLC 的广泛应用成为可能。PLC 的优点很多，主要包括：编程方法简单易学；功能强、性能价
28、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 在各个工业部门的应用范围都得到了扩展。3.2 喷泉控制方案分析1、花式喷水池示意图1234a） 花 式 喷 水 池 喷 嘴 布 局 示 意 图 1234选 择 开 关 启 动 停 止单 步 /连 续 电 源b） 花 式 喷 水 池 控 制 开 关 面 板 图基于 PLC 的花式喷水池控制系统设计第 9 页 共 26 页图 a 中 4 为中间喷水管，3 为内环状喷水管，2 为中环形状喷水管，1 为外环形状喷水管。图b 中的选择开关可有 4
29、种选择，可分别用 4 个开关模拟实现；单步/连续开关为“1”= 单步，“0”= 连续，其他为单一功能开关。2、控制要求：(1)水池控制电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置即开始工作。按下停止按钮，则停止喷水。工作方式由“选择开关”和“单步/连续”开关来决定。（2） “单步/连续”开关在单步位置时，喷水池只运行一个循环；在连续位置时，喷水池反复循环运行。(3)方式选择开关用以选择喷水池的喷水花样，14 号喷水管的工作方式选择如下：a）选择开关在位置“1”按下启动按钮后，4 号喷水，延时 2s，3 号喷水，再延时2s，2 号喷水，再延时 2s，1 号喷水，接着一起喷水 15s 为一个循环。b）选
30、择开关在位置“2”按下启动按钮后，1 号喷水，延时 2s，2 号喷水，再延时2s，3 号喷水，再延时 2s，4 号喷水，接着一起喷水 30s 为一个循环。c) 选择开关在位置“3”按下启动按钮后，1、3 号同时喷水，延时 3s 后，2、4 号同时喷水，1、3 号停止喷；交替运行 5 次后，再 14 号全部喷水 30s 为一个循环。d）选择开关在位置“4”按下启动按钮后，喷水池 14 号水管的工作顺序为：1234 按顺序延时 2s 喷水，然后一起喷水 30s 后，1、2、3 和 4 号水管分别延时 2s停水，再等待 1s，由 4321 反序分别延时 2s 喷水，然后再一起喷水 30s 为一个循环。（4） 不论在什么工作方式，按下停止按钮，喷水池立即停止工作，所有存储器复位。
