专业综合实验报告

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用PLC 控制的喷泉系统设计

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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FX2N-32MR 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

目 录

绪 论 ............................................................................................................................. 1

第一章 喷泉总体设计 ............................................................................................... 2

1.1 喷泉的布局设计 .......................................................................................... 2

1.2 控制要求 . ....................................................................................................... 3

第二章 系统硬件设计 ................................................................................................. 4

2.1 PLC 的选择 . ................................................................................................... 4

2.1.1 PLC 介绍 .......................................................................................... 4

2.1.2 PLC 选型 ...................................................................................... 4

2.2 泵的选择 ...................................................................................................... 6

2.1.1 潜水泵介绍 ....................................................................................... 6

2.2.2 泵的选型 ........................................................................................... 6

2.3 喷头的选择 . ................................................................................................... 7

2.3.1 喷头的介绍................................................................................................. 7

2.3.2 各种喷头的选择 ................................................................................. 7

2.4 阀的选择 . ....................................................................................................... 8

第三章 系统软件设计 ............................................................................................... 9

3.1 IO 分配 . ........................................................................................................ 9

3.2 梯形图设计 ................................................................................................ 10

3.2.1 控制程序梯形图 ............................................................................... 11

3.2.2 PLC 程序指令表 ............................................................................ 16

结束语 ......................................................................................................................... 20

致 谢 ........................................................................................................................... 21

参考文献 ..................................................................................................................... 22

绪 论

喷泉起源很早，公元前6世纪在巴比伦空中花园中已建有喷泉。古希腊时代就已由饮用水的泉逐渐发展成为装饰性的泉。有一种说法认为，喷泉起源于伊斯兰国家的斋戒沐浴给水方法。在伊斯兰园林中，喷泉或沿轴线布置，或作为局部构图的中心。文艺复兴时期喷泉技术有很大的发展，这一时期的喷泉多与雕像、柱饰、水池等结合造景。有名的喷泉如意大利伊斯特别墅的著名“百泉步道”和莱恩脱的喷泉水渠。当时还从事水趣音响设计。如著名的猫头鹰喷泉，有一群铜鸟啁啾，猫头鹰一声尖叫之后，顿时鸦雀无声，稍停片刻，铜鸟又喧闹起来。有的喷泉同雕像、叠落的瀑布结合起来造景，如埃斯特别墅中的“水风琴”等。

17-18世纪，喷泉在欧洲城市盛极一时。著名的如法国凡尔赛宫的太阳神喷泉，俄国彼得宫的带雕像群的大瀑布喷泉。罗马有3000多个喷泉，被称为喷泉之城。也有一些寓意很深的喷泉小品，如布鲁塞尔的于廉喷泉。它刻画了一个正在聚精会神地撒尿的孩子，相传敌军侵占布鲁塞尔后要炸毁城里的珍宝馆，小于廉发现燃烧着的导火线，急中生智，朝导火线撒了一泡尿；珍宝馆保住了，小英雄却壮烈牺牲。为了表彰他的功绩，1619年建造了这个喷泉。

到20世纪, 喷泉发展成为一种大型水雕塑，用水柱构成各种形态。如日内瓦莱蒙湖上耸入云表的大喷泉，建于1958年，它用两台1360马力的水泵，将水喷到145米的高空。夜晚，巨型探照灯照射着银色水柱直划夜空，景色壮观。

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1环喷水管，有一个喷水管该喷水管所喷出的水柱为5组喷水管最大，喷射高度为8m 。图1-1中2、3环喷水管形状分别6个喷水管组成，其喷水管所喷出的水柱为比1环的水柱略小，所喷高度比1环的高度略底，所喷高度为6m 。图1-1中4、5环喷水管形状分别由6个喷水管组成，所喷出的水柱总体比2、3环的水柱小，所喷高度比2、3环水柱低，所喷高度为4m 。为了在每组喷水管工作时能够更好的欣赏，能区别5组所喷出的水柱，所以2环所处的圆的半径为R=2m，3环所处的圆的半径为R=4m，4环所处的圆的半径为R=6m，5环所处的圆的半径为R=8m。

本设计中1环喷头所喷的水柱最高，本设计中5组喷头所喷的水柱高度为 4-8m 。本设计的最多时有5组喷头同时喷出水柱，最少时有一组喷头喷出水柱。水质为自来水。

1.2 控制要求

喷水池的控制器需满足下列要求:

(1)控制器的电源开关接通后，按下启动按讯，喷水装置开始工作；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”开关来共同决定。单步时，喷水池只运行一次循环；连续时，喷水池一直运行。不论在什么情况下，按下停止按钮，喷水池停止喷水。

(2)方式选择开关用来选择喷水池的喷水花样，1-4号喷水管的工作方式选择。其具体如下：

喷水花样一

控制要求5，4，3，2，1依次喷水各5S 后，全部停止喷水，2S 后1，2，3，4，5依次交替喷水，5S 后全部停止喷水。

喷水花样二

1喷水2S 后，2、3接着同时喷水，8S 后4、5接着同时喷水；8S 后4、5同时停止喷水，8S 后2、3同时停止喷水，8S 后1停止喷水。此过程重复3次。 喷水花样三

1、2、3、4、5一起喷水10S ，5停止喷水，5S 后4停止喷水，5S 后3停止喷水，5S 后，2停止喷水，5S 后，1停止喷水，之后2、3、4、5依次交替喷水各1S 即停止喷水。

喷水花样四

先从花样一到花样二，再到花样三，接着又到花样一。此过程不停循环重复直至X 小时（可人为设定）后停止。

第二章 系统硬件设计

2.1 PLC 的选择

2.1.1 PLC 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。

2.1.2 PLC 选型

PLC 选型依据有如下几点：

1.选用规模合适的PLC

PLC规模的大小是用输入输出（IO ）点数来衡量的，也就是选择合适IO 点数的PLC 。因此在选用PLC 时，首先应对与PLC 相连的全部输入，输出装置进行统计，并区分输出的性质及所需电压，电流的大小和种类。确定全部的IO 点数，再加上10%~15%的备用量，用来输出的扩展。这样就可以计算出系统需要的总IO 点数，作为输入输出点数估算数据。本次喷泉系统设计共有输入输出点51个，全部为开关量，其中输入点13个，输出点39个。

2.确定内存容量的大小小

内存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。一般用户程序区的内存容量与开关量IO 点数以及用户程序的编写质量等有关。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替代。估算时，可用经验公式：

总存储字数＝开关量IO 点数*（150~200）

计算后还可以考虑10%~25%的存储余量。由于科技的飞速发展PLC 的内存的大小足够我们设计的喷泉使用，所以可以不考虑在内。

3.控制功能的选择

简单PLC 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC 的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC 中还有模拟量的PID 运算和其他高级运算功能。

4.机型的选择

(1)PLC的类型

PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU 字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC 的IO 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC 提供多种IO 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的IO 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

(2)输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；

5.经济性的考虑

选择PLC 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响，所以应该选择合适点数的PLC 。

6.品牌功能的考虑

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IO 10点到最大IO 128点的选择空间。

本设计需要速度快稳定同时从以上的各个等方面综合考虑，我们决定选择三菱FX-1N 型PLC 。

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1500m 。

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：10-250m3。 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：10-300m3。

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：5-20m3。

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。工作介质为清水或化学性质类似于清水的液体。额定扬程：150m 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。

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环喷头的选择

1环位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以1环喷头选择直上喷头。

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。

2、3环喷头的选择

2、3环所喷出的水柱应该比1环所喷出的水柱稍细比1环所喷的水柱要低。所以我2、3环选择可调直流喷头。

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。

4、5环喷头的选择

4、5环喷头应该比2、3环喷头喷射高度略低，所喷水柱比2、3环水柱略粗壮、挺拔。所以4、5环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。

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DC 24V水用电磁阀。

第三章 系统软件设计

3.1 IO 分配

根据第一章的介绍可以得出该喷泉的启动、停止、单步连续和4个花式需要用到7个按钮，这7个按钮开关分别接到PLC 的7个输入口上。而1、2、3、4、5组喷泉口需要用到5个水用电磁阀，这5个电磁阀需要接到PLC 上面的5个输出口上，再加上报警需要输出，所以该系统需要用到7个输入口和6个输

出口。表3-1为它们所对应的IO 口，其对应的图3-1为IO 接线图。.

表3-1 IO分配表

IO 接线图是进行施工接线的主要技术文件，图3-1所示为花式喷泉控制系统的IO 接线图。

图3-1 花式喷泉的IO 接线图

3.2 梯形图设计

为了解决应用可编程控制器(PLC)的基本逻辑指令编写顺序控制梯形图时所存在的编程复杂、不易理解等问题，采用PLC 的顺序功能图（SFC ）来编写顺序控制梯形图是一种非常有效的方法，该方法具有编程简单而且直观等特点。本设计采用顺序功能图（SFC ）的方法编写其控制梯形图，从编程结果可以看出，与应用PLC 的基本逻辑指令方法相比具有简单、直观、逻辑性强，提高编程的效率。与梯形图相比简单，出现错误时更容易检查。

3.2.1 控制程序梯形图

3.2.2 PLC 程序指令表