【文章內(nèi)容簡介】 般會達(dá)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(shí)間的電壓干擾和波動(dòng)會比我們想象中嚴(yán)重的多 ，而最為明顯的將是變頻器所控制的水泵電機(jī)，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(jī)和下位機(jī)。安裝在控制機(jī)房內(nèi) （ 機(jī)房必須遠(yuǎn)離設(shè)備 ）的上位機(jī)來實(shí)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(jī)房，我們一般選擇那些可以直接看到噴泉全景的地點(diǎn)。工控機(jī)、 PLC以及單片機(jī)都可以作為下位機(jī)使用，如果我們綜合性能價(jià)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(shè)計(jì)期間，我制定了如下 任務(wù)： （ 1） 花樣噴泉設(shè)計(jì)方案 。 （ 2）完成 PLC型號的選擇 、 PLC的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 和 軟件編制 。 （ 3） 花樣噴泉 I/O分配 、 開關(guān)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(shè)計(jì) 、 噴泉控制流程圖 。 選擇開關(guān)和單步 /連續(xù)開關(guān) 決定了花式噴泉的兩種工作方式 ：當(dāng)單步 /連續(xù)開關(guān)在單 步位置時(shí)，噴泉只能按照花式選擇開關(guān)設(shè)定方式，完成 一個(gè)循環(huán)。 花式選擇開關(guān)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(guān)在位置 1 時(shí)，啟動(dòng) 按鈕 按下 后， 4 號噴頭噴水，延時(shí) 2 秒， 3 號噴水，再延時(shí) 2 秒， 2 號噴水，延時(shí) 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?jiǎng)t會繼續(xù) 循環(huán)。 運(yùn)行流程圖如下圖： 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 4號噴頭噴水，延遲 2秒 3號噴頭噴水，延遲 2秒 2號噴頭噴水，延遲 2秒 1號噴頭噴水，延遲 15秒 單步 停止 連續(xù) 1號 噴頭噴水，延遲 2秒 2號噴頭噴水，延遲 2秒 3號噴頭噴水，延遲 2秒 4號噴頭噴水，延遲 30秒 單步 停止 連續(xù) 圖 22 花樣 1流程圖 2） 花式選擇 開關(guān)在位置 2 時(shí)，啟動(dòng)按鈕 按下 后， 1 號噴頭噴水，延時(shí) 2 秒， 2 號噴水，再延時(shí) 2 秒， 3 號噴水，延時(shí) 2 秒， 4 號 噴水。 20 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?jiǎng)t會繼續(xù) 循環(huán)。 運(yùn) 行流程圖如下圖： 圖 23 花樣 2流程圖 3）花式選擇開關(guān)在位置 3 時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕后， 號噴頭同時(shí)噴水，延時(shí) 3 秒， 4 號同時(shí)噴水， 3 號停止，如此交替運(yùn)行 15秒后，四組噴頭全噴水， 30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?jiǎng)t會繼續(xù)循環(huán)。 系統(tǒng)控制方案的確定 8 運(yùn)行流程圖如下圖： 圖 23 花樣 3流程圖 4） 花式選擇 開關(guān)在位置 4 時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕后，按照 1234 的順序，一次間隔 2 秒噴水，然后一起噴水， 30 秒后按照 1234 的順序，分別延時(shí) 2 秒，依次停止噴 水，再經(jīng) 1 秒延時(shí)，按照 4321 的順序，依次間隔 2 秒噴水，然后一起噴水， 30秒后停止。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?jiǎng)t會繼續(xù)循環(huán)。 運(yùn)行流程圖如下圖： 1號、 3號同時(shí)噴水并且延遲 3秒 2號、 4號同時(shí)噴水， 1號、 3號停止 交替 5次 1號到 4號同時(shí)噴水30秒 單步 停止 連續(xù) 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 從 1號到 4號噴水各延時(shí) 2秒 從 1號到 4號公用噴水 30秒 從 1號到 4號 各延時(shí) 1秒停止 等待 1秒 從 4號到 1號噴水各延時(shí) 2秒 1號到 4號共同噴水 30秒 單步 停止 連續(xù) 圖 24 花樣 4流程圖 本章小結(jié) 在該章節(jié) 中 ，我們重點(diǎn)講述了我們對于花樣噴泉的設(shè)計(jì)，對比了一些設(shè)計(jì)的方案 ,對其中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較 ， 之后 做出了 設(shè)計(jì)要求的選擇，綜合 我們對于噴泉的花樣的設(shè)計(jì)要求 ， 將此設(shè)計(jì)于 其中， 這樣可以設(shè)計(jì)出美觀的花樣噴泉 。 花樣噴泉的硬件設(shè)計(jì) 10 第 3 章 花樣噴泉的硬件設(shè)計(jì) 硬件的選擇 PLC 的概述 可編程控制器 （ Programmable Controller） ,簡稱 PLC。 PLC 是用于工業(yè)線程的電控制器。 PLC 源于繼電器控制，但是又基于電子計(jì)算機(jī)。它通過運(yùn)行儲存在其內(nèi)存中的程序，把輸入電路的物理過程所得到的輸入信息，轉(zhuǎn)換成所要求的輸出信息，然后通過輸出電路的物理過程來實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的控制。 PLC 所基于的是電子計(jì)算機(jī)，并非等同于普通計(jì)算機(jī)。普通計(jì)算機(jī)進(jìn)行輸入輸出信息交換式，大多只考慮信息的本省，而信息的輸入輸出過程一般不考慮。但是 PLC 就會考慮信息輸入輸出的可靠 性、實(shí)時(shí)性，以及信息的實(shí)際使用。特別要考慮 怎么適應(yīng)于工作環(huán)境，比如需要便于安裝，便于維修以及抗干擾等問題， PLC 實(shí)現(xiàn)了控制的兩個(gè)基本要點(diǎn)：輸入輸出信息的變換及可靠的物理實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然， PLC 可以通過它的外部設(shè)備或者通信接口與外界進(jìn)行信息的交換。它的功能要比繼電器控制裝置要多很多，同時(shí)強(qiáng)很多。 PLC 擁有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的 I/O 接口、通信接口，擁有的大存儲量的內(nèi)存，而他的監(jiān)控系統(tǒng)也相當(dāng)可靠 ，因而它具有如下基本 的 功能： （ 1） 邏輯處理的功能 。 （ 2） 數(shù)據(jù)運(yùn)算的功能； （ 3） 高速計(jì)數(shù)的功能； （ 4） 聯(lián)網(wǎng)通信 的功能； （ 5） 中斷處理的功能（可以實(shí)現(xiàn)各種內(nèi)外中斷）； （ 6） 準(zhǔn)確定時(shí)的功能； （ 7） 程序和數(shù)據(jù)存儲的功能； （ 8） 自檢測和自診斷的功能； PLC 的豐富功能，是傳統(tǒng)的繼電控制電路所無法比擬的，也為 PLC 提供了廣泛的應(yīng)用，為自動(dòng)化行業(yè)的遠(yuǎn)程化、信息化以及智能化創(chuàng)造了條件。 PLC 的選擇方案 （ 1）對于輸入和輸出點(diǎn)的選擇 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 盲目的選擇輸入輸出點(diǎn)數(shù)過多的機(jī)型會造成浪費(fèi)，所以我們應(yīng)該先弄清系統(tǒng)的 I/O總點(diǎn)數(shù)，再根據(jù)我們的實(shí)際需要使用來確定 PLC 的點(diǎn)數(shù)， 選擇點(diǎn)數(shù)時(shí)應(yīng)按照實(shí)際所需點(diǎn)數(shù)的 15%20%留出備用量，這樣可以為系統(tǒng)的改造留下余地。 （ 2）對 I/O 響應(yīng)時(shí)間的選擇 輸入電路的延遲、輸出電路的延遲，當(dāng)然，掃描工作方式也會引起時(shí)間的延遲（一般是 23 個(gè)所掃描的周期）等。當(dāng)然，由于一些 系統(tǒng) 是由開關(guān)量控制的 ， PLC 的響應(yīng)時(shí)間 正常情況下都不會產(chǎn)生過大的影響， 所以 PLC 對于 I/O 的響應(yīng)時(shí)間的選擇時(shí) ，我們可以不考慮 I/O 響應(yīng)的問題，但有些 系統(tǒng) 是由模擬量控制量 ，特別是閉環(huán)系統(tǒng)，我們就必須去考慮這個(gè)問題了。 （ 3） 對于存儲容量的選擇 我們需要對用戶存儲容量做出粗略的估算。 （ 4）對于 PLC 結(jié)構(gòu)形式的選擇 在 相同功能和相同 I/O 點(diǎn)數(shù)的情況之下，整體式的 PLC 的價(jià)格要比模塊式底，到那時(shí)模塊式擁有擴(kuò)展靈活、維修方便和容易判斷故障燈優(yōu)點(diǎn)，所以我們 要按照實(shí)際需來選擇 PLC 的結(jié)構(gòu)模塊。 在此次 設(shè)計(jì)中，我 們 采用了三菱 FX2N 系列 PLC,這種 PLC 功能強(qiáng)大，控制能力好，同時(shí)性價(jià)比也比較高。 圖 31三菱 FX2N32MR PLC 花樣噴泉的硬件設(shè)計(jì) 12 水泵的選擇方案 水泵的種類可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行分類：比如臥式水泵和潛水泵，我們需要根據(jù)水泵的揚(yáng)程、流量、使用的場合以及對比性價(jià)比來選擇自己所需要的是泵。 根據(jù)本文的設(shè)計(jì)要求，我們采用潛水泵，因?yàn)闈撍檬欠胖迷谒碌?，所以不再需要泵房，這樣可以有效降低工程的造價(jià)。同時(shí)潛水泵具有能耗低、體積小、重量輕、不需要灌引水、使用維護(hù)及管理方便，并且達(dá)到了節(jié)約水資源的目的，具有臥式水泵所不具有的很多優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)花樣噴泉的噴水要求。 在此次 設(shè)計(jì)中 ，我們 采用了上海申一水泵制造有限公司生產(chǎn)的 QY型油浸式潛水泵。QU 型油浸式潛水電泵是由充油式潛水電機(jī)與離心式水泵同軸聯(lián)接組合。這符合JB/TB0921996 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，產(chǎn)品取得了全國生產(chǎn)許可證，經(jīng)過了三十多年的不斷改進(jìn)和完善，廣泛應(yīng)用與農(nóng)業(yè)灌溉、水景噴泉、魚塘增氧 、工礦排水、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及防洪排澇等領(lǐng)域。具有泵電一體，結(jié)構(gòu)緊湊；雙端密封，電器保護(hù)；設(shè)計(jì)合理，性能游廊；無需引水，使用簡便等特點(diǎn)。水泵的使用條件是泵水深度不超過 5 米；水溫不能超過177。 40 度； PH 值也應(yīng)該在 59 之間，因此，很適合本次設(shè)計(jì)的要求。 圖 32 QY系列油浸式潛水電泵 噴頭的選擇 噴泉的噴頭可分為可調(diào)節(jié)直流噴頭、集束噴頭、旋轉(zhuǎn)噴頭、涌泉噴頭等等，種類常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 繁多，而噴出的水型也各不相同。 在此次 設(shè)計(jì)的噴泉中，第 4 組位于噴泉的中央位置，我們選取能噴出雄壯而且噴射高度高的直上噴頭。直上噴頭是在同一個(gè)配水室上安裝多角度直射噴嘴，這樣噴嘴規(guī)格相同時(shí)，噴出的水姿雄壯筆直、粗狂美觀；這樣噴嘴規(guī)格不完全相同時(shí)，大小噴嘴布設(shè)得 當(dāng)，噴出的水姿粗壯有力、層次分明、主題 突出、是大型噴泉中心必備的主要噴頭，這樣的噴頭也被稱為中心噴頭 ，可調(diào)節(jié)射流的方向。 圖 33 直上噴頭實(shí)物圖及安裝簡圖 第 3 組位于噴泉的第二層，所以噴出的水柱應(yīng)該比第一組所噴出的水柱稍微細(xì)些，同時(shí)噴出的水柱也要低一些，在這一層，我們選用了可調(diào)直流噴頭。這種直流噴頭在各種場合的噴水池中運(yùn)用廣泛，同時(shí)也是音樂噴泉的必備噴頭，這種噴頭裝有球形接頭，可以沿垂直方向 15 度進(jìn)行調(diào)節(jié) ，可調(diào)直流噴頭可以組合各種不同形狀的噴射效果，噴射的高低和角度的變化，可以根據(jù)水池形狀大小決定。 花樣噴泉的硬件設(shè)計(jì) 14 圖 34 可調(diào)直流噴頭實(shí)物圖及安裝簡圖 第 2 組位于噴泉的第三層，要求噴頭比第 3 組噴頭噴射高度略低，比第 1 組略高，所以噴射的水柱比第 3 組噴射的水柱略粗壯，挺拔，所以我們選擇了樹冰形噴頭。樹冰形噴頭噴水時(shí)外觀效果龐大豐滿，粗壯挺拔，抗風(fēng)能力強(qiáng)。噴頭安裝在導(dǎo)流筒上端與水面齊平，噴水時(shí)能將池水帶出，形成粗大壯觀的水柱。 圖 35 樹冰形噴頭 實(shí)物圖及安裝簡圖 第 1 組位于噴泉的最外側(cè)，水柱所噴高度應(yīng)該是最低的，水量應(yīng)該較大，所噴水柱應(yīng)該比較靈活，我們選用涌泉噴頭。 涌泉噴頭也是加氣噴頭的一種，又稱為鼓泡噴頭、珍珠 噴頭。噴水時(shí)能將氣吸入，使水姿形成充滿空氣的白色水丘，水沫輕濺，古樸靈動(dòng)。加氣噴托采用射流泵的原理，噴水時(shí)將空氣吸入，以少量的水長生豐滿的射常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 流，噴出的水柱呈現(xiàn)白色不透明狀，反光效果好。 圖 36 涌泉噴頭實(shí)物圖及安裝簡圖 電機(jī)與變頻器的選擇 經(jīng)過查閱資料，我發(fā)現(xiàn)一般的音樂噴泉的功率并不大，一般不會超過 ，所以我們選擇了三菱 型號的電機(jī)，我們需要使用到 4 組電機(jī)，通過四組電機(jī)控制四組的噴頭來實(shí)現(xiàn)噴水花樣的變化。而變頻器，我們選擇了三菱 FRS520（ S） E型號的變頻調(diào) 速器。 如下圖，是系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)與變頻器的連接圖。 我們在后面的附錄給出變頻器的接線圖。 圖 37 系統(tǒng)變頻器與頂級接線圖 M變頻器M M ML 1 L 2 L 3 PHUVWL 1L 2L 3QSQS 1QS 2 QS 3 QS 4 QS 5FR 1 FR 2FR 3 FR 4KM 1 KM 2 KM 3 KM 4 KM 5 KM 6 KM 7 KM