1、 I I 摘要 . 1 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 喷泉的发展 .1 1.1.1 我国喷泉的发展 . 1 1.1.2 喷泉的应用状况 . 2 1.1.3 现代喷泉中出现的问题 . 2 1.2 喷泉的种类 .3 1.3 喷泉中的一些新技术 .3 1.4 设计的主要研究内容及安排 .4 第 2 章 方案分析 . 5 2.1 主控制器方案分析 .5 2.2 喷泉控制方案分析 .5 2.3 喷泉的控制要求 .6 第 3 章 花式喷泉的硬件设计 . 7 3.1 硬件的概况及选择 .7 3.1.1PLC .7 3.1.2 水泵的选择方案 . 14 3.1.3 喷头的选择方案 . 14 第 4 章
2、系统的软件设计 . 17 4.1 花式喷泉的 PLC 控制流程图 .17 4.2 花式喷泉的 I/O 分配 .18 4.3PLC 的 I/O 地址分配简介 .19 4.4PLC 的 I/O 接线图 .19 4.5CPU 介绍 .20 4.6 梯形图 .21 总结 . 22 致谢 . 23 参考文献 . 24 1 1 花式喷泉的 PLC 控制 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 S7-200
3、 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，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 1 1 第 1 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
4、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
5、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
6、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。 2 2 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
7、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
8、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
9、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。 3 3 （ 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
10、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
11、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。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
12、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4 4 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
13、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；花式喷泉的控制任务和要求；花式喷泉的硬件配置 。 5 5 第 2 章 方案分析 2.1 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
14、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 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
15、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。 2.2 喷泉控制方案分析 方案 ：三组喷头交替 喷水 此方案使用的喷头有三组，共 12 个喷头，每组 4 个。三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 2-1 6 6 图 2-
16、1 三组喷头示意图 2.3 喷泉的控制要求 有 123 三组喷头，一点开关控制启动，启动后， 1 组先喷五秒，然后 23 两组同时 喷且 1 组停，五秒后 2 组停，在五秒后 3 组停，而 12 两组又同时喷，再经过两秒， 3 组也开始喷，持续五秒后，全部停止喷水，再过三秒后重复前述过程。 7 7 第 3 章 花式喷泉的 硬件设计 3.1 硬件的 概况及 选择 3.1.1PLC （ 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（ International Electrotechnical
17、 Commission， 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
18、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、 AB 公司的 PDQIl、 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
19、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 8 8 (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
20、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 发展历史 自第一台可编程控制器问世以来
21、，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。
