自动喷泉PLC控制系统

摘要

自动喷泉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。

自动喷泉PLC控制系统设计首先分析了自动喷泉的工作原理、控制要求，根据工艺要求，统计了自动喷泉所需要的输入和输出端子，其中输入点为6个，输出点为16个，共计22个输入输出点。根据PLC的I/O点数和内存容量选型原则，选择了三菱FX2N-48MR继电器型PLC作为自动喷泉的控制器，同时选择了其它电器元件，设计了PLC的外部接线图。然后利用SFC（Sequential Function Chart，顺序功能图）图法设计了自动喷泉的程序梯形图。为了验证设计的正确性，运用三菱GX Developer仿真软件进行程序仿真。仿真结果证明，设计能够有效的保证自动喷泉的准确性、快速性、安全性，满足工艺要求，具有一定的应用价值。

关键词：喷泉；PLC;控制系统；设计

目录

1 绪论

课题的背景及意义

随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入个崭新的时代，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。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，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。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。

喷泉控制的现状

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。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。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。

本文的主要内容

根据生活当中出现的一些情况，以花式喷泉为研究对象，结合了大量资料及文献，研究喷泉的控制问题，整理出一套可行性较高的喷泉控制系统。

系统的研究内容主要包括了喷泉的发展情况及所存在的一系列问题；喷泉控制系统的组成；I/O点的统计；喷泉的软件设计；仿真与调式等。

设计说明书共分4章。

第1章绪论，主要介绍了自动喷泉控制的现状和背景意义。

第2章自动喷泉的硬件设计，主要介绍了自动喷泉控制系统的硬件设计，主要写了自动喷泉的工作原理、I/O点的统计、PLC的选型和PLC的外部接线图设计。

第3章自动喷泉的软件设计，主要介绍了自动喷泉的流程图、I/O口总分配、单独的花样设计。

第4章仿真与调式，主要介绍了仿真软件的使用方法与仿真结果。

2 自动喷泉硬件设计

自动喷泉设计要求

该喷泉喷头分布如图1所示，共16个喷头，圆形喷泉中心一个喷头，外围三个圈每个圈5个喷头，相互之间与圆心72度角均匀分布。每个圈上的喷头由一个输出口控制分别对应Y0~Y3。本次设计喷头由灯光代替。

图1 模拟图

有16个彩灯代表16个喷头，有4个选按钮，采用PLC进行控制，实现四种以上的自动喷泉花样。

该自动喷泉有四种喷泉花样可共选择：

（1）花样选择开关在位置1时，按下启动择按钮后，4号喷头喷水，延迟3s后，3号喷头喷水，再延迟3s后，2号喷头喷水，又延迟3s后，1号喷头喷水。15s后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。

（2）花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，1号喷头喷水，延迟3s 后，2号喷头喷水，再延迟3s后，3号喷头喷水，又延迟3s后，4号喷头喷水。15s后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。

（3）花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1号、3号喷头同时喷水，延迟3s后，2号、4号喷头同时喷水，1号、3号喷头停止喷水。如此交替15s后，4组喷头全喷水，30s后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。

（4）花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1-2-3-4的顺序，以此间隔2s喷水，然后一起喷水。30s后，按照1-2-3-4的顺序，分别延迟3s 依次停止喷水。再经1s延迟时，按照4-3-2-1的顺序，依次间隔3s喷水，然后一起喷水。30s后停止。如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。

I/O点的统计

输入点的统计

自动喷泉设计所需的输入点分别为：启动开关，占用1个输入点；停止开关，占用1个输入点；工作方式1开关，占用1个输入点；工作方式开关2，占1个输入点；工作方式开关3，占用1个输入点；工作方式开关4，占用1个输入点；经统计共有6个输入点。具体输入点统计如表1所示。

表1 输入点统计

序号输入点数量

1 启动开关 1

2 停止开关 1

3 单步/连续开关 1

3 工作方式1开关 1

4 工作方式2开关 1

5 工作方式3开关 1

6 工作方式4开关 1

共计7

输出点统计

自动喷泉设计所需的输出点分别为：输出点是由16个喷头组成的，经统计共有16个输出点。具体输出点统计如表2所示。

表2 输出统计

序号输出点数量

1 喷头1 1

2 喷头2 1

3 喷头3 1

4 喷头4 1

5 喷头5 1

6 喷头6 1

7 喷头7 1

8 喷头8 1

9 喷头9 1

10 喷头10 1

11 喷头11 1

12 喷头12 1

13 喷头13 1

14 喷头14 1

15 喷头15 1

16 喷头16 1

共计16

PLC的选型及参数介绍

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。

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、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I/O10点到最大I/O128点的选择空间。

本设计需要速度快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I/O口不是太多所以我们选择三菱FX-2N-48MR型PLC。

PLC FX2N-48MR参数介绍

三菱PLC FX2N-48MR系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。FX2N-48MR 继电器型PLC的输入和输出点数都是48个，其技术指标包括一般技术指标、电源技术指标、输入和输出技术指标，及功能技术指标，具体的参数如下所示FX 为三菱系列的名称其具体参数如下。

（1）一般技术指标：环境温度，使用时为0至55摄氏度；环境湿度，一般以不结露为准，使用时在35%至89%；抗噪音干扰，用噪音仿真器产生电压为1000Vp-p、周期为30至100HZ的噪音，在此噪音干扰下PLC能够正常工作；

（2）电源技术指标：电源电压一般为AC100至240V和50/60HZ。

（3）输出技术指标：输出电压为DC24V,输入电流为7mA。

（4）技术功能指标：输入输出方式为批处理方式。

I/O总分配及自动喷泉原理图

PLC的I/O总分配

通过PLC选型可知，设计采用三菱FX2N-48MR继电器型PLC作为自动喷泉的控制核心，根据I/O点数的统计可知，X0代表的是启动开关，用于系统启动；X5代表的是停止开关，用于使运行中的系统停止；X6代表单步/连续开关，用于选择是否循环；X1代表的是方式1的开关，用于启动方式1；X2代表的是工作方式2的开关，用于启动方式2；X3代表的是工作方式3的开关，用于启动方式3；X4代表的是工作方式4的开关用于启动方式4。输出Y0~Y3共用4点，其中Y0控制第一组喷头，Y1控制第二组喷头，Y2控制第3组喷头，Y3控制第4组喷头，综上所述，PLC的I/O分配表如表3所示。

PLC的I/O总分配表见表3所示。

表3 PLC的I/O总分配表

序号名称输入点序号名称输出点

0 SB1 X000 1 喷头1-5 Y000

1 SA

2 X001 2 喷头6-10 Y001

2 SA

3 X002 3 喷头11-15 Y002

3 SA

4 X003 4 喷头16 Y003

4 SA

5 X004

5 SB2 X005

6 SA1 X006

自动喷泉的原理图

PLC的原理图和6个输入点4个输出点组成，输入点SB1为启动开关，SB2为停止开关，SA1为单步/连续开关，SA2~SA5为工作方式开关，选用ZB2-BE101C 型号的开关，带1个常开触点，额定工作特性交流下220V/3A，自动喷泉PLC的外部接线图如图2所示。

图2 PLC的外部接线

3 自动喷泉的软件设计

3.1编程方法的选择

（1）经验法：在PLC发展的初期，沿用了设计继电器电路图的方法来设计梯形图，即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。有时需要多次反复地调试和修改梯形图，不断地增加中间编程元件和辅助触点，最后才能得到一个较为满意的结果。这种方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是惟一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，所以有人把这种设计方法叫做经验设计法，它可以用于较简单的梯形图的设计。

（2）时序流程图法：时序流程图法使首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图写成 PLC 程序。时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程方法。

（3）逻辑代数法：由于电气控制线路与逻辑代数有一一对应的关系，因此对开关量的控制过程可用逻辑代数式表示、分析和设计。?

基本设计步骤如下：根据控制要求列出逻辑代数表达式；对逻辑代数式进行化简；根据化简后的逻辑代数表达式画梯形图。

（4）顺序功能图：顺序功能图是一种新的编程方法，常用来编写开关量顺序控制类程序。它包括阔步、路径、转换三个要素，也提供了一种组织程序的图形方法。

（5）SFC图法：按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。

综上所述，通过对比比较可知，自动喷泉设计采用SFC图法作程序设计的语言，具有可读性、易懂性。能够比较直观的展现程序的功能和设计的思路。自动喷泉流程图

自动喷泉设计是主要用了跳转指令完成过程循环的过程，用定时器定时实现喷头之间的运行，通过互锁实现单独的工作方式运行不会出现多种方式共同运行的情况。通电后，进入工作状态。如按下启动按钮，喷泉装置进入准备工作状态，若不按，则回到初始状态。如按下启动开关，喷泉按照设定的程序开始运行。如果按下停止按钮，系统则停止运行，如果不按停止按钮，系统则按照选择的花样继续运行下去直到按下停止按钮。自动喷泉流程图如图3所示。

图3 自动喷泉流程图

PLC控制程序设计

为了便于程序清晰明了，分别调用不同的四个花样，采用了子程序调用指令（CALL P），并通过[SRET]返回原始指令。

不同花样的选择采用手动选择开关，内部通过时间继电器和辅助继电器实现自动化控制来完成各花样内的循环动作。

为了使系统能有单步/连续两种工作方式，例如在花样1中，当时间继电器计完18s后使T11的常开触点与单步/连续开关X006的常开和常闭触点分别串联。在X006的常闭触点支路中，输出M0，M0的常闭触点分别串到各支路中，当X006闭合时，即可实现连续循环；在X006的常开触点支路中，输出[RST]指令，使M11、M12、M13、M14复位，即可实现单步工作方式。同理，其他花样中也以同样的方式实现单步或连续工作的方式。梯形图如图4所示。

图4 单步/连续控制梯形图

在花样3中，使用M30的常闭触点和时间继电器T31结合实现互锁，即当喷头2和4同时喷水时，喷头1和3不喷水；反之，当喷头1和3同时喷水时，喷头2和4不喷水。当出现紧急情况时，请及时按下停止按钮或关闭电源，立即停止工作。

4 上位机组态监控软件系统设计

组态监控软件选择

组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和

I/O设备，与高可靠的工控计算机和网络系统组合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。

组态软件的特点：

（1）使用简单，用户只需编写少量自己所需的控制算法代码，甚至可以不写代码。

（2）运行可靠。

（3）提供数据采集设备的驱动程序。

（4）提供自动化应用系统所需的软件。

（5）强大的图形设计工具。

本设计的组态监控软件选择三菱公司的编程软件GT designer3。三菱触摸屏编程软件GT Designer 3是用于三菱电机自动化GOT1000系列图形操作终端的画面设计软件，并且集成有GT Simulator3仿真软件，具有仿真模拟的功能。 GT Designer3 进行工程和画面创建、图形绘制、对象配置和设置、公共设置以及数据传输等的软件。GT Simulator3 在PC机上模拟GOT运行的仿真软件。

上位监控系统组态设计

此设计选择七个输入点，分别为一个启动按钮，一个停止按钮，一个单步/连续按钮，四个花样选择开关。按下启动按钮，喷泉控制装置开始工作，按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。喷泉的工作方式由花样选择开关和单步、连续开关决定。当单步、连续开关在单步控制时，喷泉只能按照花样选择开关设置得方式运行一个循环。上位监控系统组态图如下。

图5 上位监控系统主界面

实现效果

按下开始按钮X0，喷泉进入准备状态。喷泉启动状态效果图如下。

图6 喷泉启动状态效果图

花样选择开关用于选择喷泉得喷水花样，共设计4种喷水花样:

第一种，花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延迟3s后，3号喷头喷水，再延迟3s后，2号喷头喷水，又延迟3s后，1号喷头喷水。15s后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。

第二种，花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，1号喷头喷水，延迟3s后，2号喷头喷水，再延迟3s后，3号喷头喷水，又延迟3s后，4号喷头喷水。15s后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。

第三种，花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1号、3号喷头同时喷水，延迟3s后，2号、4号喷头同时喷水，1号、3号喷头停止喷水。如此交替15s后，4组喷头全喷水，30s后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。

第四种，花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1-2-3-4的顺序，以此间隔2s喷水，然后一起喷水。30s后，按照1-2-3-4的顺序，分别延迟3s依次停止喷水。再经1s延迟时，按照4-3-2-1的顺序，依次间隔3s喷水，然后一起喷水。30s后停止。如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。

图7 第一组喷头效果图

图8 第二组喷头效果图

图9 第三组喷头效果图

图10 第四组喷头效果图

图11 四组喷头效果图

结束语

系统主要以可编程控制器PLC强大的控制功能，实现了利用可编程控制器和变频器控制花式喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当花式喷泉的功能增加时，只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少，调试结果表明，在适应性、灵活性、精确性和可靠性方面，都达到了设计要求，表明该设计方案是可行的。

本次综合实训基本上是成功的。但是对程序的应用存在不够好导致编程语句过长。4种花样不能自动的转换。必须再加一个程序把前四个程序连在一起才能实现四种程序的自动转换。

在设计过程中还使用了GX Simulator对控制程序进行监控和控制，由于之前没有接触过GX Simulator仿真，对于设计中仿真的建立，有许多地方设计的还不是很合理。设置时存在很多不理解不明确的地方。通过多次对程序的调试和改进，终于达到了预期的目标。

从最初的选题，开题到完成设计。其间，查找资料，与同学交流，反复修改，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。

通过这次实践，对PLC的用途及工作原理有了很大的提高，熟悉了PLC的应用，锻炼了实践能力。此次综合实训是对专业知识的一次实际检验和巩固。

参考文献

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致谢

综合实训是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是检验我们在校学习专业知识成果的标准在自动喷泉的设计过程中，首先感谢学校和领导提供的帮助，是你们免费开放了实验室，让我们在设计的过程中能够有机会及时通过实验器材验证设计的正确性，也让我们有机会将书本上学到的知识应用到实践中去，锻炼了我们单独设计PLC程序的能力，体会了学以致用、收获自己劳动成果的喜悦心情，也让我们从中发现了学习的不足之处和对知识掌握的薄弱环节，从而加以弥补。

其次，我要感谢我的指导老师在设计过程中，每当遇到不解或者难以完成的内容时，老师总会耐心的指导我，为我解答心中的疑惑。在老师的帮助下，所有的难题都不再是难以逾越的鸿沟，每次都能在理解后完成设计内容。这次综合实训的每个细节和步骤，都离不开老师的细心指导，在您紧张而有序的安排下，终于顺利的完成了课程设计。

最后我要感谢我的同学和父母，没有同学的帮助我的综合实训就不会按时完成，我的父母把我养大没有他们就没有现在的我。

附录附录A 梯形图