【正文】 5 附錄 B ......................................................................... 38 附錄 C ......................................................................... 39 附錄 D ......................................................................... 40 緒論 1 第 1 章 緒論 噴泉的發(fā)展 噴泉在我國的發(fā)展 我國 在二十世紀 八十年代初 ，噴泉 只是做為一個技術細節(jié)被建筑師運用于排水和園林造景設計 ，從設計到產(chǎn)品制作， 當時并沒有相對規(guī)模化的工程安裝 。只是在 游樂園、公園 等 一些 公共建筑 中 能 看到些 中、小噴 泉，產(chǎn)品的水平也是簡單、粗放的。 但是進入二十世紀八十年代之后 ， 隨著祖國整體經(jīng)濟的 恢復和發(fā)展， 在 人民生活水平 得到 提高 的情況下 ， 一部分 城市的 園林主管部門以及城市的建設部門將噴泉考慮到園林景區(qū)的改造和城市的規(guī)劃中 ， 但是我們對于噴泉又有了新的要求，這些要求大多數(shù)來自于環(huán)境的美化和我們對于文化氛圍的營造 ， 一些 水利設計院、建筑單位、園林規(guī)劃單位、和許多研究所以及大專院校 ， 在給排水、機電控制、土建結(jié)構等以前所傳統(tǒng)擁有的技術得到了融合之后 ， 并且由于當時單片機的運用，單片機也出現(xiàn)在噴泉的設計中來 ，通過 直流電機調(diào)速以及電磁閥來 實現(xiàn)變量控制， 良好的社會反映和社會效益 給予了那些噴泉水景設計師們很大的鼓勵 。在這個時期， 從事專業(yè)設計和生產(chǎn)的一些加工廠和公司開始步入了建設和發(fā)展 ， 這為之后噴泉的專業(yè)發(fā)展打下了良好的基礎，提供了強有力的力量 。 進入了 二十世紀九十年代， 迅速的發(fā)展的社會主義市場經(jīng)濟 ， 使得 全國城市建設速度加快，人們 對于文化生活的質(zhì)量以及環(huán)境審美意識得到了進一步的提升 。 噴泉的迅速發(fā)展響應了市場對于噴泉的強大需要，這時候的噴泉不光出現(xiàn)在公園里面、也不在是園林和市場中心設計的專利 ， 在人們 的各個社會活動場所 都得到了延生 。 眾多從事專業(yè)噴泉設 計和生產(chǎn)的公司以及工廠開始出現(xiàn) ， 如同雨后春筍般的迅速發(fā)展 。 從事噴泉設計的 專業(yè)技術人員把 他們所學到信息技術以及計算機技術 應用到噴泉之中， 同時電、 火、光、霧、聲音、音樂、激光特效、水幕電影也被運用到噴泉的設計中來，這使噴泉的發(fā)展得到了一個新的發(fā)展 ， 得到了更廣闊的的運用 ，噴泉行業(yè) 也在此期間得到了迅速的 發(fā)展。水景噴泉專業(yè)委員會 于 2001 年由中國給水排水設備分會和中國建筑結(jié)構協(xié)會共同成立 ，行業(yè)組織為 所有的專業(yè)生產(chǎn)廠家以及公司和那些城市園林的主管部門和設計院所提供最大的幫助 。一些大學和中專的 園林專業(yè)或者建筑系 也開設了水 景、噴泉 相關的專業(yè)課程 ， 這為 噴泉行業(yè)的 之后的蓬勃發(fā)展打下了結(jié)實的 知識儲備。常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書 2 噴泉行業(yè)的發(fā)展 也 進入到一個新的階段。 噴泉的應用狀況 隨著城市化的加速發(fā)展，花樣噴泉在我們身邊已經(jīng)隨處可見，比如在廣場、大廈、小區(qū)等?；訃?泉是一種人造的小氣候，在炎熱的夏天可以起到降溫和增濕的作用；也能讓水體充氧，有利于水體 提高 增強自凈能力，這樣可以防止水體黑臭。人們經(jīng)?？匆妵娙凑找欢ǖ囊?guī)律噴水，景色迷人；花樣噴泉運行的靈活性是評價花樣噴泉優(yōu)劣的關鍵，而這與花樣噴泉的控制系統(tǒng)密切相關?；訃娙梢愿鶕?jù)自己的設計，設計 出各種不同的花樣，也可以加上燈光、音樂，給人一種很不錯的視覺 和聽覺的享受。傳統(tǒng)的噴泉所采用的控制系統(tǒng)一般是由單片機組成的，通過控制潛水泵，讓其進行間歇工作，從而完成各式不同花樣的噴水形態(tài)，可是這種控制系統(tǒng) 也存在著缺點，由于采用額定是可控硅做功率開關元件，所以過電流能力差，長時間的運行是 不被允許的 ，需要配置較多的保護電路；程序的增減、修改和運行監(jiān)視不靈活；抗干擾能力差；功率因數(shù)較低等。為了有效解決上述問題，確保控制系統(tǒng)的正常運行，我們可以采用 PLC控制。 PLC 具有體積小、功能強、可靠性高等優(yōu)點，且具有較大的靈 活性和可擴展性的特點，通過改變噴泉的控制程序或者改變方式選擇開關，就可以改變花樣噴泉的噴水規(guī)律，從而變換出各種各樣，可以適應不同季節(jié)、不同場合的噴水要求。 現(xiàn)代 噴泉中遇到的問題 在現(xiàn)在噴泉大勢發(fā)展的今天，我們不能忽視其中產(chǎn)生的問題，只有直面問題，才能想辦法去解決，這樣才能得以更長久、更好的發(fā)展： （ 1）方案設計的局限性，使很多噴泉不能得以長久使用。 （ 2）在細節(jié)設計中，未能做到完美，使得很多噴泉缺少部分功能。 （ 3）質(zhì)量的參差不齊，使得很多廠商和公司的信譽也受到了影響， 影響了噴泉的長期發(fā)展。 （ 4）節(jié)能、節(jié)水和環(huán)保還需要優(yōu)化，所有的設計建設必須考慮到這些方面影響。 噴泉的 種類 噴泉大概有兩種，一種是因地制宜，根據(jù)場地結(jié)構設計出來的噴泉，第二種是完全根據(jù)人工意愿制造人工的噴泉。第一種是天然水景制造而成的，比如瀑布、水簾、壁泉、涌泉、管流、霧泉、溪流、跌水、水濤、漩渦等。第二種現(xiàn)在則廣泛應用與建筑領域，發(fā)展速度快，總類也變得更加的繁多，比如程控噴泉、旱地噴泉、光亮噴泉 、緒論 3 跑動噴泉、趣味噴泉、 激光水幕噴泉、超高噴泉等。 噴泉中的一些新技術 在設計 中，我們 希望能 將花樣噴泉和燈光效果，以及音樂播放聯(lián)系在一起，組成一體的花樣音樂噴泉，播放音樂時，水柱會隨音樂的不同 而呈現(xiàn)不同的變化，形成極佳的觀賞性和視覺享受。 設計的主要研究內(nèi)容和安排 我們 根據(jù)實際生活中遇到的問題和情況，以花樣噴泉做為我們的研究課題，結(jié)合大量的資料以及文獻，研究花樣噴泉的控制問題，設計出一套可行性高的、完整的花樣噴泉控制系統(tǒng)。 我們 的研究內(nèi)容主要是設計出 根據(jù) PLC 控制的花樣噴泉系統(tǒng)，為噴泉提供多種的花樣設計，做成美觀的花樣 噴泉。 本文同時針對花樣噴泉出現(xiàn)的很多問題做出了一系列研究：噴泉控制 系統(tǒng)的組成；花樣噴泉的控制任務和要求；花樣噴泉的硬件 配置和軟件設計，并且通過仿真軟件進行模擬。 本章小結(jié) 在該章節(jié)中，我們 主要講述了噴泉的國內(nèi)外發(fā)展，以及 噴泉的應用現(xiàn)狀，同時針對現(xiàn)代的噴泉，指出一些其中存在的問題，我們 也提出了關于噴泉設計中一些新的技術，也為我們之后的論文寫作闡述了我們的研究內(nèi)容和我們的安排。 系統(tǒng)控制方案的確定 4 第 2 章 系統(tǒng)控制方案的確定 主控制器方案分析 及選擇 對于主控制器方案，我們提出如下幾個方案： 方案 1：利用單片機控制花樣噴泉 單片機的特點是控制性能好，可靠性高， 同時具有體積小，價格低廉，便于產(chǎn)品化等。正是由于這些特點，單片機近年來在智能儀器、機電一體化產(chǎn)品、實時控制家用電器等多個領域都獲得了極其廣泛的應用。 花樣噴泉的原理是利用控制器控制水泵的噴泉的噴水方式。單片機的成本較低，所以一般適合運用于控制小型的花樣噴泉，單片機通知控制步進電機來控制電磁閥，從而實現(xiàn)對噴頭流量的控制，使噴泉水姿、燈光色彩產(chǎn)生變化。但如果采用單片機的控制方案，是以可控硅做為功率開關元件，由于可控硅承受過電壓、過電流的能力較差，所以不能長時間運行，這是單片機控制方案的最大弊端。 方案 2：使用三 菱 FX2N PLC 控制花樣噴泉 20 世紀 60 年代中期以來， PLC 在電力、冶金、化工等剛也發(fā)揮了重大作用。尤其實在進 20年來計算機和信息技術的飛速發(fā)展，不斷成倍擴大的功能和成倍降低的價格，使得 PLC、通訊聯(lián)網(wǎng)技術、過程控制軟件都獲得了長足的發(fā)展，也使 PLC 得到了更廣泛的應用。 PLC 的優(yōu)點很多，比如：簡單易學的編程方法；功能強、性價比高；硬件配套齊全、用戶使用方便、適應性強；可靠性高、抗干擾能力強；系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量少；維修工作量低、維修方便；體積小、能耗低等優(yōu)點。而且 PLC 在各個工業(yè)部門的應用范圍 都得到了擴展。 在這次 設計中， 在三菱 FX2N 系列采用 PLC 作為系統(tǒng)的主 控器 。三菱 FX2N 系列 PLC具有 小型、高速、高性能和方便 等特點， 相當于所有最高等級的 FX 系列 超小型程序裝置 。 不光可以進行 輸入 輸 出 16– 25 點的 獨立使用 ,也可以應用在許多基本的組件之間的連接 ， 模擬控制 ,位置控制和其他 廣泛的 特殊用途 ,是一個 足 以滿足不同的需要 的PLC。固定和靈活的系統(tǒng)配置 也得到了我們的青睞。 我們將連續(xù)擴展單元或者擴展模塊連接到基本單元中 ， 這樣就能實現(xiàn) 16 到 256 的靈活多變的輸入輸出組合 。選擇性強大，品種的齊全 ， 16/32/48/64/80/128 點的主機 也為我們提供了很多的選擇 ， 而擴展板塊最小甚至可以支持 8 點的擴展 。 我們可以根據(jù)我們自己對于電源和輸出形式的需要去選擇 。高性能 的程序容量也讓人很是安心 ， 800 步 RAM 內(nèi)置于其中 ，不光 可以使用存儲常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書 5 盒，而且可以輸出注釋， 16K 步 也是他的最大 可能的 擴充 。 根據(jù)課題的設計要求，我們利用三菱 FX2N PLC 控制電磁閥，從而達到對噴泉流量的控制，產(chǎn)生各種不同花樣的噴泉。 噴泉控制方案的分析及選擇 根據(jù)設計要求 ，我設計出如下圖 21 的噴泉模型： 1234☆ 圖 21 花樣噴泉布局示意圖 采用 PLC對噴泉進行控制，在花樣噴泉時序確定的前提下，我們可以通過改變時序或者控制開關來實現(xiàn)控制方式的改變，這樣可以達到呈現(xiàn)各種不同噴水狀態(tài)的要求。如圖 1 ，其中 1為外環(huán)形狀噴水管， 2為次外環(huán)形狀噴水管， 3為內(nèi)環(huán)噴水管， 4為中心噴水管。在本次設計中， 噴泉控制閥選用電磁閥，考慮到電磁閥的驅(qū)動，以及同時驅(qū)動的個數(shù)和環(huán)保等問題，我們選用小功率電磁閥。根據(jù)電磁閥的選用要求，我們可以確定 PLC的輸出功率為小功率， I / O 個數(shù)應該小于 15個，在綜合噴泉的工 作性質(zhì)， PLC對環(huán)境濕度的要求比較高，最后我們綜上，選擇三菱 FX2N系列 PLC做為控制。 在 設計中，我們對花樣噴泉進行優(yōu)化，加入了音樂的元素，將花樣噴泉與音樂相結(jié)合，做成音樂花樣噴泉。音樂噴泉的原理是利用從電腦聲卡中采集出來的音樂信號，一路由音響設備直接播放；一路把從音響設備揚聲器兩端取得的電流信號，送入三菱FX2N系列 PLC模擬模塊進行 A／ D轉(zhuǎn)換， PLC可以利用限幅和濾波等處理方式將我們轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字量進行分析，之后模擬量模塊中的 D/A輸出口就可以進行 D/A轉(zhuǎn)換， 010V的直系統(tǒng)控制方案的確定 6 流電壓信號就是被這樣輸出的， 這時候我們就可以將上面得到的直流電壓信號發(fā)送到變頻器所在的控制端子。信號一但被接受，變頻器就會開始迅速啟動，水泵電機會隨之轉(zhuǎn)動，同時會跟隨音樂頻率做出改變，這樣我們就完成了所需要的噴泉所產(chǎn)生的花樣與優(yōu)美的音樂 完成 同步 。 我們一般在主題公園、廣場中心 看到音樂噴泉 ，現(xiàn)在也有很多 音樂噴泉被建造在湖中，這樣的設計也使美觀效果得到了提升。一個完整的噴泉控制系統(tǒng)我們需要配電屏、水泵、變頻器、音響以及燈光等等，總裝機容量一般會達到 數(shù)千 kW，但是噴泉系統(tǒng)的工作是間歇變化的，所以極短時間的電壓干擾和波動會比我們想象中嚴重的多 ，而最為明顯的將是變頻器所控制的水泵電機，它的高頻電流變化將產(chǎn)生巨大的影響，所以我們在音樂噴泉的控制系統(tǒng)中采用的工作方式是上位機和下位機。安裝在控制機房內(nèi) （ 機房必須遠離設備 ）的上位機來實現(xiàn)操作的控制，這樣有利于我們監(jiān)視和控制，所以對于機房，我們一般選擇那些可以直接看到噴泉全景的地點。工控機、 PLC以及單片機都可以作為下位機使用，如果我們綜合性能價格比、工作環(huán)境和抗干擾能力的話，我覺得可編程控制器 PLC更適合作為我們的選擇 ，我們 采用的是三菱 FX2N 系列的 PLC 做操作系統(tǒng)，利用上述原理將兩者結(jié)合，形成美 妙的音樂噴泉。 噴泉的控制要求 在設計期間，我制定了如下 任務： （ 1） 花樣噴泉設計方案 。 （ 2）完成 PLC型號的選擇 、 PLC的網(wǎng)絡設計 和 軟件編制 。 （ 3） 花樣噴泉 I/O分配 、 開關量輸出模塊的選擇 、 模擬量 I／ O模塊的選擇 、 特殊功能模塊的選擇 和 系統(tǒng) I/O分配表 。 （ 4） PLC 外部接線圖 、 噴泉控制過程模擬 、 軟件設計 、 噴泉控制流程圖 。 選擇開關和單步 /連續(xù)開關 決定了花式噴泉的兩種工作方式 ：當單步 /連續(xù)開關在單 步位置時，噴泉只能按照花式選擇開關設定方式，完成 一個循環(huán)。 花式選擇開關決定了是噴泉的噴泉的 花式 ，現(xiàn)考慮四種噴水花樣： 1） 花式選擇 開關在位置 1 時，啟動 按鈕 按下 后， 4 號噴頭噴水，延時 2 秒， 3 號噴水，再延時 2 秒， 2 號噴水，延時 2 秒， 1 號 噴水。 18 秒后，如果為單步工作方式，則停下來， 在 連續(xù)工作方式 的前提下，噴泉則會繼續(xù) 循環(huán)。 運行流程圖如下圖： 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書