毕业设计（论文）-基于PLC控制的花式喷泉系统.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 27 页 共 36 页1 引言1.1 本课题的研究背景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。从而使喷泉效果更绚丽多彩，婀娜多姿，令人赏心悦目、流连忘返。喷泉在炎热的夏日可以起到增湿和降温的作用；也为水体充氧，有利于水体增加自净能力，起到防止水体黑臭的作用。花样喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花样喷泉的控制系统息息相关。花式喷泉可以根据自己的设计，设计出各种各样的花样，加上灯光，能给人有种不错的视觉享受。1969 年美国数字设备公司研制书上世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，70 年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使可编程序控制器 从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器。可编程序控制器是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。同时它也是在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。具有可靠性高、抗干扰能力强 、设计、安装容易，维护工作量少 、功能强、通用性好、开发周期短、成功率高 、体积小，重量轻、功耗底等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比系统更加可靠；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器及与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。因此，进行花样喷泉控制系统的设计。可以推动喷泉行业的发展，扩大可编程序控制器在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。1.2 课题研究目的及意义本设计的主要的目的，是通过对自动化生产设备、自动化生产线、控制过程的调查研究，明确生产工艺对plc控制提出的各项要求。根据这些要求进行接线图设计、器件选型、梯形图设计和系统调试，使我们在毕业设计的全过程中，进一步明确设计任务中的各项要求，建立机电系统设计工作的整体概念，从工程环境、实现手段和操作方式的各个环节入手来设计控制系统，通过不断的调试和完善硬件设计，最终能够满足这些要求。这次课程设计不仅培养我们的工程应用功能，独立完成工作的能力外，还培养了我们文献检索的能力和对所学知识的综合运用的能力，并未我们毕业后的工作能力打下良好的基础。2 喷泉的介绍2.1 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会效益和广告效应等间接的经济效益。2.2 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。3 plc的简介3.1 可编程序控制器简介可编程序控制器pc(programmable controller)又称可编程序控制器plc（programmable logic controller），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。plc现已成为现代工业控制三大支柱(plc、cad/cam、robot)之一，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。plc的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。3.2 plc的结构plc和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。plc的硬件系统由微处理器(cpu)、存储器(eprom，rom)、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。plc的软件系统是指plc所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plc成品必须包括的部分，由plc厂家提供，用于控制plc本身的运行，系统程序固化在eprom中。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plc系统，他们是相辅相成，缺一不可的。3.3 plc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plc具有以下优点：(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，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plc采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plc能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。plc采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plc不仅具有条件控制、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plc采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plc是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。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。3.4 plc的主要功能plc是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(fa)和计算机集成制造系统(cims)内占重要地位。plc系统主要有以下功能：(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。plc的重量、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plc还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。plc产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。3.5 plc的经济性分析综上所述，在各种环境中，使用plc控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。对plc的经济分析，应从以下几方面考虑：(1) 从影响成本的各个因素综合考虑。对目前生产设备控制装置来说，有三种类型： 继电器控制； 半导体器件控制； plc控制。价格仅是选择plc品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。(2) 从设计、生产周期长短考虑。不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而plc则完全可以实现。这是因为使用plc不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。据调查，目前我国70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了可靠性差外，程序设计也很繁杂。从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用plc控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在eeprom模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既简单、方便又保密。3.6 plc发展状况及趋势现代plc的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。(1) 大型网络化。主要是朝dcs方向发展，使其具有dcs系统的一些功能。网络化和通信能力强是plc发展的一个重要方面，向下可将多个plc、i/o框架相连，向上与工业计算机、以太网、map网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。 (2) 多功能。随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使plc控制领域更加宽广。3.7 plc的编程语言在iec61131-3中，规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示，并对以往编程语言进行了部分修改后形成目前通用的5种语言。在这5种语言中，有3种是图形化语言，2种是文本化语言。图形化编程语言包括：梯形图（ldladder diagram）、功能块图（fbd function block diagram）、顺序功能图（sfc sequential function chart）。文本化编程语言包括：指令表(il-instruction list)和结构化文本 (st-strutured text)。继电器梯形图编程语言是plc首先采用的编程语言，也是plc最普遍采用的编程语言。梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。plc的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。 4 喷泉总体设计4.1 喷泉的布局设计 本设计布局如图4-1所示。图4-1中a组喷水管，有一个喷水管该喷水管所喷出的水柱为4组喷水管中最大，喷射高度为4组喷水管最高为8(m)。图4-1中b组喷水管所处的圆上由8个喷水管组成，该组喷水管所喷出的水柱为比a组的水柱略小，所喷高度比a组的高度略底，所喷高度为6(m)。图4-1中c组喷水管所处的圆上由20个喷水管组成，该组所喷出的水柱比b组的水柱小，所喷高度比b组水柱低，所喷高度为4(m)。图4-1中d组喷水管所处的圆上组由30个喷水管组成，该组所喷水柱为4组中水柱最小，所喷高度最低的一组。所喷高度为2(m)。为了在每组喷水管工作时能够更好的欣赏，能区别4组所喷出的水柱，所以b组所处的圆的半径为r=2(m)，c组所处的圆的半径为r=4(m)，d组所处的圆的半径为r=6(m)。图4-1 喷泉布局图本设计中a组喷头所喷的水柱最高，本设计中4组喷头所喷的水柱高度为 28(m)。本设计的最多时有a、b、c三组喷头同时喷出水柱，最少时有两组喷头喷出水柱，所以流量为150230(m/h)。水质为自来水。4.2 控制要求本设计由四组喷头组成，分别为a组b组c组d组。本设计有单周期和连续两种操作方式。按下开始按钮后指示灯亮，当选择单周期方式时a组d组同时喷6秒然后a组和c组同时喷7秒然后b组和d组同时喷10秒然后abc三组同时喷水5秒停2秒后报警器发出声音报警，按停止按钮终止报警。当选择连续方式时重复单周期方式时的过程20次后停两秒后报警，按停止按钮终止报警。每个喷头工作时，都连带红，绿，黄，蓝四组彩色灯间隔1s循环发光。图4-2 系统流程图如图4-2系统流程图所示当系统通电后，点击开始按钮sb1，plc的输入口x1=1，则y10=1指示灯被点亮，等待用户选择运行方式。(1) 当用户选择连续运行时点击连续运行按钮sb4 则x4=1， y12=1水泵开始工作，同时y0=1、y3=1，a、d两组喷头的电磁阀得电，a、 d两组喷头开始喷出水柱同时t0开始计时。当t0=6s时y3=0、y2=1,d组喷头的电磁阀失电，c组喷头的电磁阀得电。所以a、 c组喷头喷出水柱，d组喷头停止喷水，同时t1开始计时。当t1=7s时y1=0、y2=0、y1=1、y3=1，a、c两组喷头的电磁阀失电，b、d两组喷头的电磁阀得电。所以b组喷头和d组喷头喷出水柱a组喷头和c组喷头停止喷水，同时t2开始计时。当t2=10s时y3=0、y0=1、y1=1、y2=1,d组喷头的电磁阀失电，a、b、c组喷头的电磁阀得电。所以a组喷头和c组喷头喷出水柱d组喷头停止喷水，同时t3开始计时。当t3=5s时系统停止2s，然后c0开始计数，当co20时重复上述动作当c0=20时后开始报警。(2) 当用户选择单周期运行时点击单次运行按钮sb3 则x3=1， y12=1水泵开始工作，同时y0=1、y3=1，a、d两组喷头的电磁阀得电，a、 d两组喷头开始喷出水柱同时t5开始计时。当t5=6s时y3=0、y2=1,d组喷头的电磁阀失电，c组喷头的电磁阀得电。所以a、 c组喷头喷出水柱，d组喷头停止喷水，同时t6开始计时。当t6=7s时y1=0、y2=0、y1=1、y3=1，a、c两组喷头的电磁阀失电，b、d两组喷头的电磁阀得电。所以b组喷头和d组喷头喷出水柱a组喷头和c组喷头停止喷水，同时t7开始计时。当t7=10s时y3=0、y0=1、y1=1、y2=1,d组喷头的电磁阀失电，a、b、c组喷头的电磁阀得电。所以a组喷头和c组喷头喷出水柱d组喷头停止喷水，同时t8开始计时。当t8=5s时系统停止两秒后开始报警。当系统报警时点击停止按钮sb2则系统停止报警。当系统报警时点击停止按钮sb2则系统停止报警。5 硬件设计5.1 plc的选择现在应用最广泛的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、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i/o 10点到最大i/o 128点的选择空间。本设计需要速度快而稳定，同时从价格等方面考虑我们选择三菱plc，本设计所使用的点数不是太多，所以我们选择三菱fx1n -40mr型plc，如图5-1所示。图5-1 三菱fx1n -40mr plc5.2 泵的选择5.2.1 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(10 m650 m)每小时、扬程可达到1500米。5.2.2 泵的选型 现有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：10250(m/h)。杨程：5140(m)。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：10300(m/h)。杨程：4110(m)。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：520(m/h)。杨程：2060(m)。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：150米。额定流量：10立方米/小时。本设计中，所需工作流量为150230(m/h)，最大扬程为8(m)。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，其规格型号为：200qs80-66，q=1050(m/h)，h=580(m)，如图5-2所示。图5-2 qs系列潜水泵5.3 喷头的选择5.3.1 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。 5.3.2 各种喷头的选择(1) a组喷头的选择a组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以a组喷头选择直上喷头。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，如图5-3所示。图5-3 直上喷头实物图及安装简图(2) b组喷头的选择b组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比a组所喷出的水柱稍细比a组所喷的水柱要低。所以我b组选择可调直流喷头。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，如图5-4所示。图5-4 可调直流喷头实物图及安装简图(3) c组喷头的选择c组喷头应该比b组喷头喷射高度略低比d组略高，所喷水柱比b组水柱略粗壮、挺拔。所以c组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，如图5-5所示。图5-5 树冰形喷头实物图及安装简图(4) d组喷头的选择d组位于该喷泉的最外侧，水柱所喷高度应该最低，水量应该较大，择所喷水柱比较灵动。所以选择涌泉喷头。涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，水沫轻溅，古朴灵动。加气喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷出的水柱呈白色不透明状，反光效果好。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图5-6所示。图5-6 涌泉喷头实物图及安装简图5.4 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。如图5-7所示。 图5-7 水用电磁阀5.5 灯具的选择该喷泉用四组彩灯分别为红，绿，黄，蓝。从里到外分别对应a处用红色的彩灯，b处为绿色的彩灯，c处为黄色彩灯，d处为蓝色彩灯。每一个喷头处对应一个相应颜色的彩灯。因为喷泉用彩灯都是安装在水下所以对光线的要求高，对安全性能的要求也要很高，同时对使用寿命要求要长。led水下灯能够达到上述的要求，所以本设计选择ac 220v led水下灯，如图5-8所示。图5-8 led水下灯5.6 元器件明细表硬件配置的明细表，如表5-9所示。表5-9 元器件明细表元 器 件规格型号plc三菱fx1n -40mr潜水泵200qs80-66a组喷头直上喷头b组喷头可调直流喷头c组喷头树冰形喷头d组喷头涌泉喷头阀水用电磁阀灯具led水下灯6 系统软件设计6.1 i/o分配根据第一章的介绍可以得出该喷泉的开始、停止、单周期、连续需要用到四个按钮，这四个按钮开关分别接到plc的四个输入口上。而a、b、c、d四组喷泉口需要用到四个水用电磁阀，这四个电磁阀需要接到plc上面的四个输出口上。红绿黄蓝四组彩灯、指示灯、报警器和控制水泵的接触器也需要接到plc的七个输出口上，所以该系统需要用到四个输入口和十一个输出口。表6-1为它们所对应的i/o接口。表6-1 i/o分配表输 入 口输 出 口设备符号设备名称plc口设备符号设备名称plc口sb1开始按钮x1km1a口喷头电磁阀y0sb2停止按钮x2km2b口喷头电磁阀y1sb3单周期按钮x3km3c口喷头电磁阀y2sb4连续按钮x4km4d口喷头电磁阀y3lr红色彩灯y4lg绿色彩灯y5ly黄色彩灯y6lb蓝色彩灯y7hl指示灯y10ha报警器y11km控制泵的接触器器y126.2 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。6.3 sfc程序分步介绍(1) 如图6-2所示为plc从停止启动运行切换瞬间使特殊辅助继电器m8002接通，从而使状态器s0被激活。 图6-2 系统启动程序图 6-3 按下开始系统等待用户选择运行模式程序(2) 如图6-3所示为按下启动按钮x1使状态器s20被激活， y10得电，指示灯点亮等待用户选择运行模式。图6-4 用户选择连续（单次）运行ad同时喷水程序(3) 如图6-4所示为用户按下x4选择连续运行，使状态器s21被激活（用户按下x3选择单次运行，使状态器s28被激活）。y0、y3、y12得电，使水泵开始工作同时a组和d组的电磁阀导通，使a组和c组同时喷出水柱。同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。同时当选择连续时to开始计时6秒（当选择单次运行时t5开始计时6秒）。图6-5 ac同时喷水程序(4) 如图6-5所示为选择连续时to计时6秒时间到，t0的常开触点闭合，使状态器s22被激活（选择单次时t5计时6秒时间到，t5的常开触点闭合，使状态器s29被激活）。y0、y2、y12得电，水泵工作同时a组和c组的电磁阀导通使a组和c组喷出水柱。同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。同时当选择连续运行时t0开始计时，计时7秒（当选择单次运行时t5开始计时，计时7秒）。图6-6 bd同时运行程序(5) 如图6-6所示为当选择连续运行时t1计时7秒时间到，t1的常开触点闭合，使状态器s23被激活（当选择单次运行时t6计时7秒时间到，t6的常开触点闭合，使状态器s30被激活）。y1、y3、y12得电，水泵工作同时b组和d组的电磁阀导通使b组和d组喷出水柱。同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。同时当选择连续运行时t2开始计时10秒（当选择单次运行时t7开始计时10秒）。图6-7 abc同时运行程序(6) 如图6-7所示为当选择连续运行时t2计时10秒时间到，t2的常开触点闭合，使状态器s24被激活（当选择单次运行时t7计时10秒时间到，使状态器s31被激活）。y0、y1、y2、y12得电，水泵工作同时a组、b组和c组的电磁阀导通使a组、b组和c组喷出水柱。同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。同时当选择连续运行时t3开始计时5秒（当选择单次运行时t8开始计时5秒）。图6-8 系统停止运行2秒程序(7) 如图6-8所示为为当选择连续运行时t3计时5秒时间到，t3的常开触点闭合，使状态器s25被激活。t4开始计时2秒（当选择单次运行时t8计时5秒时间到，t8的常开触点闭合，使状态器s25被激活。t9开始计时2秒）。图6-9 计数器计数20次程序(8) 如图6-9所示为t4计时2秒时间到，t4的常开触点闭合，使状态器s26被激活。c0开始计数20次。图6-10 选择连续运行时报警和返回s21程序(9) 如图6-10所示为当选择连续运行时 c0计数在未达到20次则跳转到状态器s21处循环运行，当co计数计到20次则c0的常开触点闭合状态器s27被激活，m8013延时1s，y11得电，报警器报警。同时计数器co复位。 (10) 如图6-11所示为当选择的是单次运行时当t9计时2秒时间到，t9的常开触点闭合，状态器s33被激活，m8013延时1s，y11得电，报警器报警。图6-11 单次运行时报警程序(11) 如图6-12所示为按下停止按钮x2后系统停止报警，同时回到系统开始。图6-12 系统停止运行程序(12) 总程序见附录a。7 组态王监控系统设计组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。7.1 组态王与设备通信“组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现组态王和外部设备的通讯，组态王内置了大量设备的驱动作为组态王和外部设备的通讯接口，在开发过程中您只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”一步步完成连接过程即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。每一个驱动都是一个com对象，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。7.2 监控画面本设计的仿真画面分为4个单元，分别为按钮单元，彩灯单元，计时计数单元，喷泉模拟单元。7.2.1 按钮单元介绍图7-1 组态王按钮单元如图7-1所示该单元由绿色、红色、粉红色、黄色四个按钮组成。它们分别绿色对应开始按钮，红色对应停止按钮，粉红色对应单周期按钮，连续对应连续按钮。7.2.2 彩灯单元介绍图7-2 组态王彩灯单元如图7-2所示该彩灯单元由两排六盏灯组成，其中第一排由红色、绿色、黄色、蓝色四盏灯。它们分别对应红色、绿色、黄色、蓝色四组led灯。第二排由紫色和红色的两盏小一些的灯组成，它们分别对应着系统开始的指示灯和报警灯。7.2.3 计时计数单元图7-3 组态王计时计数单元如图7-3所示该计时计数单元由6组数据组成，前面5组是计时长的数据，第一组为ad两组同时喷水的时长。第二组为ac两组同时喷水的时长，第三组为bd两组同时喷水的时长，第四组为abc三组同时喷水的时长，第五组为循环结束后停止时间的时长。第六组是选择连续时完成了几次循环的计数器。7.2.4 喷泉模拟单元介绍图7-4 组态王喷泉模拟单元如图7-4所示该喷泉模拟单元由四个长方体组成，分别代表a、b、c、d四组喷头，当所对应的喷头工作时四个长方体会填充满并变为蓝色。组态王监控画面见附录c。 本科毕业设计说明书（论文）第 31 页 共 36 页8 系统调试在系统调试时先将附录a中的系统程序接到plc里，然后打开组态王软件监控系统的运行情况。当plc上电后点击监控系统中的开始按钮，监控画面中的指示灯点亮等待用户选择运行模式，如图6-1所示。图6-1 点击开始后指示灯亮监控画面当指示灯点亮后点击单周期或者连续，监控画面中代表a、d两组喷头的a、d两长方体填充上蓝色，ad的计时器开始计时，同时红绿黄蓝四盏灯循环点亮，如图6-2所示。 图6-2 ad同时运行监控画面到ad计时器到6秒后，监控画面中代表d组喷头的d长方体缩回，代表c组喷头的c长方体填充上蓝色。ac计时器开始计时，同时红绿黄蓝四盏灯循环点亮。如图6-3所示。图6-3 ac同时运行监控画面当ac计时器计时到7秒后a、c缩回，b、d填充上蓝色，计时器bd开始计时，红绿黄蓝四盏灯循环点亮。如图6-4所示。图6-4 bd同时运行监控画面图 当bd计时器计时到10秒后d缩回，a、c填充上蓝色，计时器abc开始计时，红绿黄蓝四盏灯循环点亮。如图6-5所示。 6-5 abc同时运行监控画面 当abc计时器计时到5秒后，a、b、c、d停止运行，计时器计时2秒后如果选择的是连续则计数器加1后继续运行，当计数器计数到20次后，报警器报警。如果选择的是单周期则abc计时器计时到5秒后，报警器开始报警。如图6-6所示。图6-6 报警器报警图6-7 系统接线实物图做完上面的工作后，用11盏灯代表电磁阀、led灯、交流接触器、报警器等，并按照附录b的plc接线图将它们接到plc上，如图6-7所示。图中上起依次代表a组喷头的电磁阀，b组喷头的电磁阀，c组喷头的电磁阀，d组喷头的电磁阀，红色led灯，绿色led灯，黄色led灯，蓝色led灯，系统开始指示灯，报警器，控制泵的交流