1、基于 PLC 的花样喷泉控制系统第 1 页 共 23 页摘 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，采用了三菱 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，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 控制系统基于 PLC 的花
2、样喷泉控制系统第 2 页 共 23 页第 1章 绪 论1.1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
3、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
4、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。1.2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
5、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、图 1-1 现代花样喷泉基于 PLC 的花样喷泉控制系统第 3 页 共 23 页富有诗意的“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（如图 1-1） 。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
6、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 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
7、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。1.3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，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
8、喷泉的控制任务和要求；花式喷泉的硬件配置。基于 PLC 的花样喷泉控制系统第 4 页 共 23 页第二章 PLC 简介2.1 PLC的定义国际电工委员会在 1987 年 2 月通过了对它的定义：PLC 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC 一起有关外部设备，都按易于工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则设计。可编程控制器是计算机家族中的一员， 是专为工业控制应用设计制造的，本应该简称为PC，但是为了
9、避免于个人计算机的简称混淆，所以将其简称为 PLC。2.2 PLC的发展历史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
10、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 PDQ2 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 采用微处理器，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。最初可编程控制器的简称为 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 9
11、0 年代初期基于 PLC 的花样喷泉控制系统第 5 页 共 23 页这一阶段由于 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，使得 PLC 向标准化发展。(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
12、网络通信等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，还逐步采用了符合IEC61131-3 标准的程序设计语言，增加了高级编程语言等，使得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
13、统，莫迪康公司的 Quantum 系列等。2.3 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。PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个 PLC 成品必须包括的部分，由 PLC 厂家提供，用于控制 PLC 本身的运行，系统程序固化在 EPROM 中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬
14、件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，他们是相辅相成，缺一不可的。基于 PLC 的花样喷泉控制系统第 6 页 共 23 页PLC 硬件结构简图如下：图 2-1 PLC 硬件结构图2.4 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
15、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，整个系统将提高的可靠性。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。多基于 PLC 的花样喷泉控制系统第 7 页 共 23 页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、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
16、迎PLC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，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计，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，同时日常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而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。2.5 PLC的工作原理2.5.1 扫描技术 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
17、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映象区中的相应的单元内。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
18、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；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。 即，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，而且排在上面基于 PLC 的花样喷泉控制系统第 8 页 共 23 页的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，
19、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，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。这时，才是PLC的真正输出。基于 PLC 的花样喷泉控制系统第 9 页 共 23 页第三章 方案分析3.1主控制器方案分析方案
20、 1：使用单片机控制花样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潜入品质，几年来在智能仪表、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
21、2：使用三菱 PLC 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。本系统选取了三菱 PLC 控制花样喷泉，主要原因是因为 PLC 的编程方法简单易学；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 在各个工业部门的应用范围都得到了扩展。3.2喷泉控
22、制方案分析喷泉由 5 种不同的水柱组成。其中 1 表示大水柱所在的位置，其水柱较大，喷射高度较高；2 表示中水柱所在的位置，由六支中水柱均匀分布在轨迹上，水量比大水柱的水量小，其喷射高度比大水柱低；3 表示小水柱，它由 150 支小水柱均匀分布在圆的轨迹上，其水柱较细，其喷射高度比中水柱略矮；4 和 5 为花朵式和旋转式喷泉，各由 18 支喷头组成，最外层的轨迹上，其水量压力均较弱。本设计花样喷泉模型如下: 基于 PLC 的花样喷泉控制系统第 10 页 共 23 页图 3-1 花样喷泉模型33 控制要求3.3.1 PLC控制花样喷泉运行要求1） 、按下启动按钮，喷泉进入运行等待状态。2） 、按
23、下喷泉喷水花样的循环方式按钮，喷泉开始运行，每隔 10s 改变一次花样。在连续运行方式下，喷水花样将一直循环下去，在单步运行方式下，喷水花样只运行一个循环。按下其他任意一个循环方式按钮，喷泉喷水花样的循环方式立刻改变。3） 、按下停止按钮，喷泉停止运行。3.3.2 花样控制的运行过程按下喷泉控制系统的启动按钮 X0，M10 得电，喷泉进入等待运行状态。整个过程分为 8 段，每段 10S，且自动转换，全过程为 80S。当单步开关不动作时：花样选择开关置于 1 时（X4 闭合） ，其喷泉水柱的动作顺序如下：12（1+3+4）（2+5）（1+2）（2+3+4）（2+4）（1+2+3+4+5）1。花样选择开关置于 2 时（X5 闭合） ，其喷泉水柱的动作顺序如下：12（2+4）（2+5）（1+2）（2+3+4）（1+3+4）（1+2+3+4+5）1。花样选择开关置于 3（X6 闭合）时，其喷泉水柱的动作顺序如下：12（1+3+4）（1+2）（2+5）（2+3+4）（2+4）（1+2+3+4+5）1。花样选择开关置于 4（X7 闭合）时，其喷泉水柱的动作顺序如下：12（1+3+4）（2+5）（1+2）（2+4）（2+3+4）（1+2+3+4+5）1。以上每个花样重复运行，直到按下停止按钮，水柱喷泉才停止工作；当单步开关闭合时，喷泉水柱的动作只运行一个循环，全部喷发 10 秒以后喷泉停止。
