基于PLC控制喷泉

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。

关键词：喷泉、PLC、设计

第一章 绪论

1.1 可编程控制器控制喷泉的意义

喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。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，有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影等。

喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。园林中的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。

随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在许多城市的市民广场、单位居民生活区里都能看到各种形式的喷泉。随着科学技术突飞猛进的发展，在喷泉工程中采用了大量的高新技术，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有种愉悦的感受。从而使喷泉效果更多绚丽多彩，阿罗多姿，令人赏心悦目、流连忘返。

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。

1.2 喷泉的现状与发展

不同环境选择不同的喷泉。现在喷泉的应用范围已经不再像原来那么狭窄了，随着人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，喷泉已经出现了多种多样的形式。大大提高了可观赏性。

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、购物中心以及游泳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。松驰、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。 喷泉的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。

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。

随着我国的经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速的发展，交流变频调速技术已进入个崭新的时代，其应用越来越广。而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠痛空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。

可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。花式喷泉控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC对程序设计，提高了喷泉的控制水平，并改善了喷泉的样式。

1.3 喷泉的控制设计要求

1、某一喷水池的控制器，形式如下：

图2.2花式喷水池喷嘴布局示意图 图2.3花式喷水池控制开关面板图

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，1～4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1～4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1～4号水管的工作顺

序为：1→2→3→4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4→3→2→1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。 3、I/O编址· 4、编程并调试 5、I/O端子接线图

第二章 系统设计方案分析

2.1 喷泉控制原理

本次设计的喷泉控制系统由启动控制程序、位移脉冲控制程序、复位控制程序、驱动控制程序、停止控制程序组成。通过启动控制程序实现喷泉的准备，通过位移脉冲控制程序实现子元件中的内容在存储器间的移动，通过复位控制程序实现喷泉花样的循环，通过驱动控制程序实现喷泉的喷射，通过停止程序来实现对喷泉的停止。

电源按钮开关信号PLC水泵

图2.1 喷泉控制原理图

2.2 任务设计思路

经分析及老师建议本设计题目使用顺序控制指令完成，思路清晰、易于理解。而顺序控制指令是PLC生产厂家为用户提供的可视功能图编程简单化和规范化的指令。本设计中使用顺序控制指令虽梯形图网络众多，操作比较繁琐，但思路清晰、易于理解。故选择顺序控制指令完成。本设计中涉及可选择的分支和链接、跳转和循环。

为方便编程，我采用先编写状态转移图后再将状态转移图编写为梯形图，这样方便分析每一步的步骤。 使用三菱编程软件编写梯形图，使用步进指令 SET STL 复位指令 RST 总复位指令ZRST。

第三章 系统硬件设计

3.1 PLC的选择

3.1.1 PLC的介绍

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(Programmable 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优良，功能强大。 3.1.2 PLC的选型

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

1.输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%-20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。

2.存储器容量的估算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数位内存的总字数（16位为一个字），另外再按次数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间

3.控制功能的选择

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 （1）控制功能

PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专门的只能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。

（2）编程功能

离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场总线控

制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到逐句，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

五种标注化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。

4.机型的选择

通过对输入输出点的选择、对存储容量选择、对I/O响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分析。 该控制系统选用三菱公司FX2N系列的PLC。它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块链接，可以增加输入/输出点。

3.2 I/O 地址分配

表3.1 I/O地址分配表

名称 启动按钮 单步／循环选择开关 停止按钮 1号方式选择开关 2号方式选择开关 3号方式选择开关 4号方式选择开关 喷水池工作指示 1号喷水阀工作 2号喷水阀工作 3号喷水阀工作 4号喷水阀工作

元件 开关SA1 开关SA2 开关SA3 选择器开关1 选择器开关2 选择器开关3 选择器开关4 电源指示灯 1号喷水阀 2号喷水阀 3号喷水阀 4号喷水阀 X0 X6 X5 X1 X2 X3 X4 输出 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 PLC元件 输入 启动喷泉系统 选择是否循环状态 停止喷泉系统 喷泉选择1号方式喷水 喷泉选择2号方式喷水 喷泉选择3号方式喷水 喷泉选择4号方式喷水 1号喷水阀喷水 2号喷水阀喷水 3号喷水阀喷水 4号喷水阀喷水 说明

3.3 PLC I/O接口分配接线图

启动X0停止X5 开关1X1 开关2X2 开关3X3 开关4X4X6COMY0Y1Y2Y3Y4COM0COM1COM2COM3COM4电源指示外环中环内环中间电源

图3.2 I/O口分配接线图

第四章 软件设计

4.1 软件流程图

开开N开开开开开开开开Y开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开Y开开N

4.2 系统状态转移图

8002SEY0S0TXS25ZRSS2S50XT14XS21SE1TTK2Y4S2T00SE02TTK2Y3S2T11SE03Y2S2T2TTK22SE04TTY1S2T33ZRSK150Y5XT1Y46S21X0XS32SES43SE1TTK2Y11SETY1S3T44SE0T8TTK3Y32TTK2Y2S48SE0S3T55SE03TTK2Y32SETY2CRSTY4S3T66SE004TTY4RSTY1CCTY3S3T7ZRS7K1505XTY1Y0S40K5SE43SETY16SETY2S3T9SETY31S4T9TK30Y40Y4ZRSTY14S41XS541Y1T1T1K2000Y2T1K2T110T11Y33T1T1K22Y420T13K300S5RS2Y1T1TK2T144RS0TY2T1K2T1T1RS5075TT1Y3K2T16RS60TY4T1K1S5703Y4T1K2T1808Y3T1K2T1909Y2T2K2T2T20010Y1T2K30S5ZRS104XTY1Y46S51

4.3 系统程序梯形图

4.4 程序指令

结束语

通过这次毕业设计使我把平时所学的理论知识在得到了应用，使我对这些知识得到了巩固。通过查资

料也学会了很多在课堂上没学到的很多东西，使我的自学能力得到了提高。

在即将进入工作岗位前通过做这次的毕业设计让我先熟悉了以后工作中将会遇到的一些东西，这使我在以后的工作中遇到这些东西时能够得心应手而不会感觉到无从下手。能使我更有竞争力，不会在以后工作中被淘汰。

通过这次毕业设计增长了知识面，学会了怎样把很多独立的东西结合起来用，结合起来设计成一个系统。

参考文献

（1）章国华、苏东《典型生产线原理、安装与调试》北京理工大学出版社2008.04 （2）计时鸣《机电一体化控制技术与系统》西安电子大学出版社2008.06 （3）华满香《电气控制及PLC应用》人民邮电出版社2008.05

（4）邓其贵、周炳《变频器操作与工程项目应用》北京理工大学出版社2009.08