基于PLC的花式喷泉的控制设计书

1 基于 花式喷泉的控制设计书 1 概述 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。 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 2 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 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会效益和广告效应等间接的经济效益。 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。 （ 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 3 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。 泉的种类 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。 音乐喷泉由计算机控制，集声、光、色为一体，喷头灯光伴随着优雅的乐曲，梦幻般的起伏，交叉生辉，构成一幅五彩缤纷、优美动人的场景，热烈欢乐的水姿，令人心旷神怡，叹为观止，留恋往返。 程控喷泉是按照预先编辑的程序变换喷水造型和灯光色彩强弱变化的喷泉，可实时显示各个喷泉的工作状态和灯光状态，以及水泵和灯光的故障指示，程序一般可以随时修改，也可储存多种程序，随意调用。 旱地喷泉是在水喷泉的基础是进一步完善的，旱地喷泉地表清洁整齐，喷头和灯光设置在盖板 下端，不喷水时表面平整阔广，喷水时，水柱通过盖板筚子或花岗岩辅装孔喷出，既是广场休闲，又能观赏喷泉，一举两得。 跑动喷泉由数码控制阀、电脑控制有机结合，是音乐喷泉中的重要组成部分。多个一线排列的喷头，按使序控制喷水，构成各种形式喷水瞬间变化的喷泉。可形成跑动形态，还可构成各种跳动、波动等形态，水柱跑动自如灵活，给人以欢 4 快流畅的感觉，带来美的享受。 光亮喷泉是一种新型的喷泉装置。灯光和喷头科学结合，水流通过光源反射，喷出的水柱透明光滑，具有较高的艺术品位和观赏效果。如果安装个数多于两个可追逐、跟踪等功 能，程序可根据用户需要编制。 可供人游乐、玩耍参与其中的喷泉。也可以称作游乐喷泉或戏水喷泉等，如：戏水踏泉、迷宫喷泉、环型跳泉、水击球赛、跳舞喷泉等，形式多种多样，娱乐性和参与性极强，给人以欢快流畅的感觉，带来美的享受。 水幕电影主要由水幕发生器、投影机（放影机）组成。水幕高达 20 余米，宽 30，各种 盘或水幕专用影均可在水幕上播放，影视效果奇特、新颖并是极佳的广告宣传工具，各种广场及阔旷的水面均可安装水幕电影。 超高喷泉一般指喷水高度在百米以上的喷泉，也常常称为百米喷泉水柱从湖面一 跃而起，迅速升至百米高处，从远处望去，犹如一条从湖中喷薄而出的巨龙。同时，百米喷泉还配有灯光和激光，气势磅礴辉煌、壮丽。 泉中的一些新技术 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。 编程控制器简介 可编程序控制器 称可编程序控制器 ，是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以 5 微处理器为核心 用作数字控制的专用计算机。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。 已成为现代工业控制三大支柱(一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备计数与位控等高 性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电接触控制系统在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用。 应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。 结构 一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 硬件系统由微处理器 (存储器 (输入输出 (I/O)部件、电源部件、编程器、 I/O 扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线 (电源总 线、控制总线、地址总线、数据总线 )连接而成。 软件系统是指 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 品必须包括的部分，由 家提供，用于控制 身的运行，系统程序固化在 。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的 们是相辅相成，缺一不可的。 特点 可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统， 它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为 有以下优点： (1) 灵活、通用。在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器， 6 整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制 功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。 (2) 可靠性高、抗干扰能力强。对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件 (如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等 )下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代 用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程 度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证 在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。 (3) 操作方便、维修容易。 用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。 (4) 功能强。现代 仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成 A/D、 D/A 转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。 (5) 体积小、重量轻和易于实现机电一体化。由于 用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。且 为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。 7 同样，可 编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。 主要功能 一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化 (计算机集成制造系统 (占重要地位。 统主要有以下功能： (1) 多种控制功能； (2) 数据采集、存储与处理功能； (3) 通信联网功能； (4) 输入、输出接口调理功能； (5) 人机界面功能； (6) 编程、调试功能 。 重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用 可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。 品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。 8 2 方案分析 控制器方案分析 自 20 世纪 60 年代中期以来 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 讯联网技术、过 程控制软件都获得了长足的进步 ,也使广泛应用成为可能。 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。而且各个工业部门的应用范围都得到了扩展。 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 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：使用三菱 列 制花式喷泉 三菱 小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当 列中 最高档次的超小程序装置，除输入出 16 25 点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的 特点 有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共 9 同的外部设备。 因此，本设计采用三菱 列 控制系统。 图 菱 泉的控制要求 止按钮。喷泉的工作方式由花样选择开关和单周期 /连续开关决定，当单周期连续开关在单周期位置时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循环。花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，现考虑两种喷水花样。 时，按下启动按钮后， 4 号喷头喷水，延时 2S 后，3 号喷头喷水，再延时 2S 后， 2 号喷头喷水，又延时 2S 后， 1 号喷头喷水。 16果是单周期工作方式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。 时，按下启动按钮后， 1 号喷头喷水，延时 2S 后，2 号喷头喷水，再延时 2S 后， 3 号喷头喷水又延时 2S 后， 4 号喷头喷水。 12果是单周期工作方式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。 10 3 花式喷泉的硬件设计 件的选择 （ 1）对输入 /输出点的选择 盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。要先弄清除控制系统的 I/O 总点数，再按实际所需总点数的 15 20留出备用量 （为系统的改造等留有余地）后确定所需 点数。 （ 2）对存储容量的选择 对用户存储容量作粗略的估算。 （ 3）对 I/O 响应时间的选择 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 2 3 个扫描周期）等。对开关量控制的系统， I/不必考虑 I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。 （ 4）对 构形式的选择 在相同功能和相同 I/O 点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活 ，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择 结构形式。 本设计采用三菱 列 主控系统，其优点有：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。 水泵的种类根据不同的要求，分类比较多；大致有卧式水泵和潜水泵。但都是根据各自对水泵的扬程、流量、使用的场合、能耗比、性价比等来选择合适自己水泵。 根据本文的要求，选择采用潜水泵。因为潜水泵是放置在水下，因此 不需要泵房，这样可以降低造价。而且潜水泵能耗低，体积小，重量轻，不需灌引水，使用维护及管理方便，并且达到了节约水资源的目的，具有卧式水泵所不具有的 11 优点，可以适应喷泉的喷水要求。 本设计采用上海申一水泵制造有限公司生产的 油浸式潜水泵。 油浸式潜水电泵是由充油式潜水电机与离心式水泵同轴联接组成。符合8092准规定，产品取得全国生产许可证，经过三十多年来不断的改进和完善，广泛应用于农业灌溉、工矿排水、水景喷泉、水产养殖，鱼塘增氧、防洪排涝等领域。具有泵电一体，结构紧凑；无需引水、使用 简便；双端密封、电器保护；设计合理、性能优良等特点。水泵的使用条件是潜水深度不超过 5米；水温不超过 +40 ； 应在 5间，因此，很适合用本设计的要求 喷泉的喷头分为可调直流喷头、涌泉喷头、集束喷头、旋转喷头等等，种类繁多，喷出的水型也各不相同。本设计采用的是集束喷头，该喷头由多个直流喷头组合而成，直射喷头口径大小可确定喷头的出水量及高度，它可以作为整个喷泉的主喷（喷泉最高点），也可以由多个集束喷头组合成不同的排列。本文采用的集束喷头是中间小，四周大的喷头组合方案。中间的小喷头在同样的压力下，喷出的水 柱较之周围的大喷头要高，要细，可达到最佳的视觉效果，见图 4 图 3头的样式及喷水示意图 中间部分为装饰物。左图为喷头的设计方案图，每个喷头的设计方案都是相同