SJ005-1

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY

毕业设计说明书

题目 ： 基于PLC控制的花样喷泉系统设计

二级学院： 延陵学院 专 业: 电气工程及其自动化 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 评阅教师： 职称： 2013 年 6 月

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摘要

花样喷泉是近年来出现的一种园林建筑与花样观赏相结合的一种产物。得益于可 编程控制器（Programmable Logic Controller,简称PLC）在我国的迅速发展，使得对 花样喷泉的控制要求也越来越高，这样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控制花样喷泉，具有运行可靠，使用方便，控制程序设计简单等优点。我 们结合任务设计书的要求，以4环音乐花样喷泉为研究对象，采用三菱FX2N系列PLC控制 器做为花样音乐喷泉的控制器。对花样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。并且提出喷水池的硬件的各种组成模块和详细 的硬件模块设计方案，以及软件的设计和程序的编写，我们力求改善了喷泉系统的控 制品质，以达到实时控制的要求，希望音乐喷泉能够得到新的发展。

关键词 ：可编程控制器（PLC）；花样喷泉；控制系统

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Abstract

Pattern fountain is a landscape architecture in recent years combined with the pattern ornamental product. Thanks to the programmable controller (Programmable Logic Controller, PLC) in China's rapid development, control requirements have become more sophisticated pattern fountain, this allows more and more control part of the programmable controller.

Using PLC control pattern fountain, with the advantages of reliable operation, the use of reliable operation, simple design control procedures. In this paper, the task design document, than 4 ring music pattern fountain as the research object, Mitsubishi FX2N series PLC controller as the controller of the pattern musical fountain. The overall function of the pattern fountain control system analysis of the composition and working principle of the programmable controller. And made the fountain hardware building blocks and the hardware module design, the design of improved the fountain system control quality, in order to achieve real-time control requirements.

Keyword: Programmable Logic Controller Plc; Pattern fountain; Control system

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目录

摘要.................................................................................. I
Abstract ............................................................................. II
第1章绪论........................................................................ - 1 -
1.1 喷泉的发展................................................................ - 1 -
1.1.1 喷泉在我国的发展....................................................- 1 -
1.1.2 喷泉的应用状况......................................................- 2 -
1.1.3 现代喷泉中遇到的问题................................................- 2 -
1.2 喷泉的种类................................................................- 2 -
1.3 喷泉中的一些新技术........................................................- 3 -
1.4 设计的主要研究内容和安排..................................................- 3 -
1.5 本章小结..................................................................- 3 -
第2章系统控制方案的确定..........................................................- 4 -
2.1 主控制器方案分析及选择....................................................- 4 -
2.2 喷泉控制方案的分析及选择..................................................- 5 -
2.3 喷泉的控制要求............................................................- 6 -
2.4 本章小结..................................................................- 9 -
第3章花样喷泉的硬件设计.........................................................- 10 -
3.1 硬件的选择...............................................................- 10 -
3.1.1 PLC的概述..........................................................- 10 -
3.1.2 PLC的选择方案......................................................- 10 -
3.1.3 水泵的选择方案.....................................................- 12 -
3.1.4 喷头的选择.........................................................- 12 -
3.1.5 电机与变频器的选择.................................................- 15 -
3.1.6 电磁阀的选择.......................................................- 16 -
3.1.7 接触器和固态继电器的选择........................................... - 16 -
3.2 控制面板的设计...........................................................- 17 -
3.3 本章小结.................................................................- 17 -
第4章花样喷泉系统的软件设计.....................................................- 18 -
4.1 花样喷泉的PLC控制流程图..................................................- 18 -
4.2 I/O模块的选择............................................................- 19 -
4.2.1 PLC I/O分配简介....................................................- 19 -
4.2.2 开关量输出模块的选择...............................................- 20 -
4.2.3 模拟量I/O模块的选择................................................- 20 -
4.2.4 特殊功能模板的选择.................................................- 20 -
4.3 系统I/O的分配表..........................................................- 20 -
4.4 PLC的外部接线图..........................................................- 21 -
4.5 音乐控制部分.............................................................- 22 -
4.6 编程软件的使用...........................................................- 23 -

III

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4.7 系统的主程序设计.........................................................- 25 -
4.7.1 启动和停止的设计................................................... - 25 -
4.7.2 花样喷泉控制的的设计...............................................- 25 -
4.8 系统程序的可行性.........................................................- 26 -
4.9 本章小结.................................................................- 26 -
第5章系统的仿真与调试...........................................................- 27 -
5.1 仿真软件的选择...........................................................- 27 -
5.2 系统的调试...............................................................- 28 -
第6章总结....................................................................... - 31 -
参考文献......................................................................... - 32 -
致谢............................................................................. - 34 -
附录A ........................................................................... - 35 -
附录B........................................................................... - 38 -
附录C........................................................................... - 39 -
附录D............................................................................ - 40 -

IV

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第1章绪论

1.1 喷泉的发展

1.1.1 喷泉在我国的发展

我国在二十世纪八十年代初，喷泉只是做为一个技术细节被建筑师运用于排水和 园林造景设计，从设计到产品制作，当时并没有相对规模化的工程安装。只是在游乐 园、公园等一些公共建筑中能看到些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的。但 是进入二十世纪八十年代之后，随着祖国整体经济的恢复和发展，在人民生活水平得 到提高的情况下，一部分城市的园林主管部门以及城市的建设部门将喷泉考虑到园林 景区的改造和城市的规划中，但是我们对于喷泉又有了新的要求，这些要求大多数来 自于环境的美化和我们对于文化氛围的营造，一些水利设计院、建筑单位、园林规划 单位、和许多研究所以及大专院校，在给排水、机电控制、土建结构等以前所传统拥 有的技术得到了融合之后，并且由于当时单片机的运用，单片机也出现在喷泉的设计 中来，通过直流电机调速以及电磁阀来实现变量控制，良好的社会反映和社会效益给 予了那些喷泉水景设计师们很大的鼓励。在这个时期，从事专业设计和生产的一些加 工厂和公司开始步入了建设和发展，这为之后喷泉的专业发展打下了良好的基础，提 供了强有力的力量。

进入了二十世纪九十年代，迅速的发展的社会主义市场经济，使得全国城市建设 速度加快，人们对于文化生活的质量以及环境审美意识得到了进一步的提升。喷泉的 迅速发展响应了市场对于喷泉的强大需要，这时候的喷泉不光出现在公园里面、也不

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在是园林和市场中心设计的专利，在人们的各个社会活动场所都得到了延生。众多从 事专业喷泉设计和生产的公司以及工厂开始出现，如同雨后春笋般的迅速发展。从事 喷泉设计的专业技术人员把他们所学到信息技术以及计算机技术应用到喷泉之中，同 时电、火、光、雾、声音、音乐、激光特效、水幕电影也被运用到喷泉的设计中来， 这使喷泉的发展得到了一个新的发展，得到了更广阔的的运用，喷泉行业也在此期间 得到了迅速的发展。水景喷泉专业委员会于2001年由中国给水排水设备分会和中国建 筑结构协会共同成立，行业组织为所有的专业生产厂家以及公司和那些城市园林的主 管部门和设计院所提供最大的帮助。一些大学和中专的园林专业或者建筑系也开设了 水景、喷泉相关的专业课程，这为喷泉行业的之后的蓬勃发展打下了结实的知识储 备。喷泉行业的发展也进入到一个新的阶段。

1.1.2 喷泉的应用状况

随着城市化的加速发展，花样喷泉在我们身边已经随处可见，比如在广场、大 厦、小区等。花样喷泉是一种人造的小气候，在炎热的夏天可以起到降温和增湿的作 用；也能让水体充氧，有利于水体提高增强自净能力，这样可以防止水体黑臭。人们 经常看见喷泉按照一定的规律喷水，景色迷人；花样喷泉运行的灵活性是评价花样喷 泉优劣的关键，而这与花样喷泉的控制系统密切相关。花样喷泉可以根据自己的设 计，设计出各种不同的花样，也可以加上灯光、音乐，给人一种很不错的视觉和听觉 的享受。传统的喷泉所采用的控制系统一般是由单片机组成的，通过控制潜水泵，让 其进行间歇工作，从而完成各式不同花样的喷水形态，可是这种控制系统也存在着缺 点，由于采用额定是可控硅做功率开关元件，所以过电流能力差，长时间的运行是不 被允许的，需要配置较多的保护电路；程序的增减、修改和运行监视不灵活；抗干扰 能力差；功率因数较低等。为了有效解决上述问题，确保控制系统的正常运行，我们 可以采用PLC控制。PLC具有体积小、功能强、可靠性高等优点，且具有较大的灵活性 和可扩展性的特点，通过改变喷泉的控制程序或者改变方式选择开关，就可以改变花

绪论

样喷泉的喷水规律，从而变换出各种各样，可以适应不同季节、不同场合的喷水要 求。

1.1.3 现代喷泉中遇到的问题

在现在喷泉大势发展的今天，我们不能忽视其中产生的问题，只有直面问题，才能 想办法去解决，这样才能得以更长久、更好的发展：

• （1）方案设计的局限性，使很多喷泉不能得以长久使用。

• （2）在细节设计中，未能做到完美，使得很多喷泉缺少部分功能。

（3）质量的参差不齐，使得很多厂商和公司的信誉也受到了影响，影响了喷泉的 长期发展。

（4）节能、节水和环保还需要优化，所有的设计建设必须考虑到这些方面影响。

1.2 喷泉的种类

喷泉大概有两种，一种是因地制宜，根据场地结构设计出来的喷泉，第二种是完 全根据人工意愿制造人工的喷泉。第一种是天然水景制造而成的，比如瀑布、水帘、 壁泉、涌泉、管流、雾泉、溪流、跌水、水涛、漩涡等。第二种现在则广泛应用与建 筑领域，发展速度快，总类也变得更加的繁多，比如程控喷泉、旱地喷泉、光亮喷 泉、跑动喷泉、趣味喷泉、激光水幕喷泉、超高喷泉等。

1.3 喷泉中的一些新技术

在设计中，我们希望能将花样喷泉和灯光效果，以及音乐播放联系在一起，组成一 体的花样音乐喷泉，播放音乐时，水柱会随音乐的不同而呈现不同的变化，形成极佳 的观赏性和视觉享受。

1.4 设计的主要研究内容和安排

我们根据实际生活中遇到的问题和情况，以花样喷泉做为我们的研究课题，结合 大量的资料以及文献，研究花样喷泉的控制问题，设计出一套可行性高的、完整的花

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样喷泉控制系统。

我们的研究内容主要是设计出根据PLC控制的花样喷泉系统，为喷泉提供多种的花 样设计，做成美观的花样喷泉。本文同时针对花样喷泉出现的很多问题做出了一系列 研究：喷泉控制系统的组成；花样喷泉的控制任务和要求；花样喷泉的硬件配置和软 件设计，并且通过仿真软件进行模拟。

1.5 本章小结

在该章节中，我们主要讲述了喷泉的国内外发展，以及喷泉的应用现状，同时针 对现代的喷泉，指出一些其中存在的问题，我们也提出了关于喷泉设计中一些新的技 术，也为我们之后的论文写作阐述了我们的研究内容和我们的安排。

第2章系统控制方案的确定

2.1 主控制器方案分析及选择

对于主控制器方案，我们提出如下几个方案：

方案1：利用单片机控制花样喷泉

单片机的特点是控制性能好，可靠性高，同时具有体积小，价格低廉，便于产品 化等。正是由于这些特点，单片机近年来在智能仪器、机电一体化产品、实时控制家 用电器等多个领域都获得了极其广泛的应用。

花样喷泉的原理是利用控制器控制水泵的喷泉的喷水方式。单片机的成本较低， 所以一般适合运用于控制小型的花样喷泉，单片机通知控制步进电机来控制电磁阀，

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从而实现对喷头流量的控制，使喷泉水姿、灯光色彩产生变化。但如果采用单片机的 控制方案，是以可控硅做为功率开关元件，由于可控硅承受过电压、过电流的能力较 差，所以不能长时间运行，这是单片机控制方案的最大弊端。

方案2：使用三菱FX2N PLC控制花样喷泉

20世纪60年代中期以来，PLC在电力、冶金、化工等刚也发挥了重大作用。尤其实 在进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， 使得PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足的发展，也使PLC得到了更广泛 的应用。

PLC的优点很多，比如：简单易学的编程方法；功能强、性价比高；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、能耗低等优点。而且PLC在各个工业部 门的应用范围都得到了扩展。

在这次设计中，在三菱FX2N系列采用PLC作为系统的主控器。三菱FX2N系列PLC具有 小型、高速、高性能和方便等特点，相当于所有最高等级的FX系列超小型程序装置。 不光可以进行输入输出16–25点的独立使用,也可以应用在许多基本的组件之间的连 接，模拟控制,位置控制和其他广泛的特殊用途,是一个足以满足不同的需要的PLC。固 定和灵活的系统配置也得到了我们的青睐。我们将连续扩展单元或者扩展模块连接到 基本单元中，这样就能实现16到256的灵活多变的输入输出组合。选择性强大，品种的 齐全，16/32/48/64/80/128点的主机也为我们提供了很多的选择，而扩展板块最小甚 至可以支持8点的扩展。我们可以根据我们自己对于电源和输出形式的需要去选择。高 性能的程序容量也让人很是安心，800步RAM内置于其中，不光可以使用存储盒，而且 可以输出注释，16K步也是他的最大可能的扩充。

根据课题的设计要求，我们利用三菱FX2N PLC控制电磁阀，从而达到对喷泉流量的 控制，产生各种不同花样的喷泉。

2.2 喷泉控制方案的分析及选择

根据设计要求，我设计出如下图2-1 的喷泉模型：