【正文】 ................................................................. 35 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(guó)的發(fā)展 我國(guó) 在二十世紀(jì) 八十年代初 ，噴泉 只是做為一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)被建筑師運(yùn)用于排水和園林造景設(shè)計(jì) ，從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制作， 當(dāng)時(shí)并沒(méi)有相對(duì)規(guī)?；墓こ贪惭b 。 但是進(jìn)入二十世紀(jì)八十年代之后 ， 隨著祖國(guó)整體經(jīng)濟(jì)的 恢復(fù)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(shè)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(duì)于噴泉又有了新的要求，這些要求大多數(shù)來(lái)自于環(huán)境的美化和我們對(duì)于文化氛圍的營(yíng)造 ， 一些 水利設(shè)計(jì)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(jī)電控制、土建結(jié)構(gòu)等以前所傳統(tǒng)擁有的技術(shù)得到了融合之后 ， 并且由于當(dāng)時(shí)單片機(jī)的運(yùn)用，單片機(jī)也出現(xiàn)在噴泉的設(shè)計(jì)中來(lái) ，通過(guò) 直流電機(jī)調(diào)速以及電磁閥來(lái) 實(shí)現(xiàn)變量控制， 良好的社會(huì)反映和社會(huì)效益 給予了那些噴泉水景設(shè)計(jì)師們很大的鼓勵(lì) 。 進(jìn)入了 二十世紀(jì)九十年代， 迅速的發(fā)展的社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì) ， 使得 全國(guó)城市建設(shè)速度加快，人們 對(duì)于文化生活的質(zhì)量以及環(huán)境審美意識(shí)得到了進(jìn)一步的提升 。 眾多從事專業(yè)噴泉設(shè) 計(jì)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 。水景噴泉專業(yè)委員會(huì) 于 2001 年由中國(guó)給水排水設(shè)備分會(huì)和中國(guó)建筑結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)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(shè)計(jì)院所提供最大的幫助 。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(shuō)明書 2 噴泉行業(yè)的發(fā)展 也 進(jìn)入到一個(gè)新的階段。花樣噴 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(qiáng)自凈能力，這樣可以防止水體黑臭?；訃娙梢愿鶕?jù)自己的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì) 出各種不同的花樣，也可以加上燈光、音樂(lè)，給人一種很不錯(cuò)的視覺(jué) 和聽(tīng)覺(jué)的享受。為了有效解決上述問(wèn)題，確保控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，我們可以采用 PLC控制。 現(xiàn)代 噴泉中遇到的問(wèn)題 在現(xiàn)在噴泉大勢(shì)發(fā)展的今天，我們不能忽視其中產(chǎn)生的問(wèn)題，只有直面問(wèn)題，才能想辦法去解決，這樣才能得以更長(zhǎng)久、更好的發(fā)展： （ 1）方案設(shè)計(jì)的局限性，使很多噴泉不能得以長(zhǎng)久使用。 （ 3）質(zhì)量的參差不齊，使得很多廠商和公司的信譽(yù)也受到了影響， 影響了噴泉的長(zhǎng)期發(fā)展。 噴泉的 種類 噴泉大概有兩種，一種是因地制宜，根據(jù)場(chǎng)地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)的噴泉，第二種是完全根據(jù)人工意愿制造人工的噴泉。第二種現(xiàn)在則廣泛應(yīng)用與建筑領(lǐng)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(dòng)噴泉、趣味噴泉、 激光水幕噴泉、超高噴泉等。 設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容和安排 我們 根據(jù)實(shí)際生活中遇到的問(wèn)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(xiàn)，研究花樣噴泉的控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一套可行性高的、完整的花樣噴泉控制系統(tǒng)。 本文同時(shí)針對(duì)花樣噴泉出現(xiàn)的很多問(wèn)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(wù)和要求；花樣噴泉的硬件 配置和軟件設(shè)計(jì)，并且通過(guò)仿真軟件進(jìn)行模擬。 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(duì)于主控制器方案，我們提出如下幾個(gè)方案： 方案 1：利用單片機(jī)控制花樣噴泉 單片機(jī)的特點(diǎn)是控制性能好，可靠性高， 同時(shí)具有體積小，價(jià)格低廉，便于產(chǎn)品化等。 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。但如果采用單片機(jī)的控制方案，是以可控硅做為功率開關(guān)元件，由于可控硅承受過(guò)電壓、過(guò)電流的能力較差，所以不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，這是單片機(jī)控制方案的最大弊端。尤其實(shí)在進(jìn) 20年來(lái)計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷成倍擴(kuò)大的功能和成倍降低的價(jià)格，使得 PLC、通訊聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、過(guò)程控制軟件都獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，也使 PLC 得到了更廣泛的應(yīng)用。而且 PLC 在各個(gè)工業(yè)部門的應(yīng)用范圍 都得到了擴(kuò)展。三菱 FX2N 系列 PLC具有 小型、高速、高性能和方便 等特點(diǎn)， 相當(dāng)于所有最高等級(jí)的 FX 系列 超小型程序裝置 。固定和靈活的系統(tǒng)配置 也得到了我們的青睞。選擇性強(qiáng)大，品種的齊全 ， 16/32/48/64/80/128 點(diǎn)的主機(jī) 也為我們提供了很多的選擇 ， 而擴(kuò)展板塊最小甚至可以支持 8 點(diǎn)的擴(kuò)展 。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(chǔ)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(shuō)明書 5 盒，而且可以輸出注釋， 16K 步 也是他的最大 可能的 擴(kuò)充 。 噴泉控制方案的分析及選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 ，我設(shè)計(jì)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(duì)噴泉進(jìn)行控制，在花樣噴泉時(shí)序確定的前提下，我們可以通過(guò)改變時(shí)序或者控制開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制方式的改變，這樣可以達(dá)到呈現(xiàn)各種不同噴水狀態(tài)的要求。在本次設(shè)計(jì)中， 噴泉控制閥選用電磁閥，考慮到電磁閥的驅(qū)動(dòng)，以及同時(shí)驅(qū)動(dòng)的個(gè)數(shù)和環(huán)保等問(wèn)題，我們選用小功率電磁閥。 在 設(shè)計(jì)中，我們對(duì)花樣噴泉進(jìn)行優(yōu)化，加入了音樂(lè)的元素，將花樣噴泉與音樂(lè)相結(jié)合，做成音樂(lè)花樣噴泉。信號(hào)一但被接受，變頻器就會(huì)開始迅速啟動(dòng)，水泵電機(jī)會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)會(huì)跟隨音樂(lè)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(lè) 完成 同步 。一個(gè)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(jī)容量一般會(huì)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(huì)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?cè)谝魳?lè)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)。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(jué)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(lè)噴泉。 （ 2）完成 PLC型號(hào)的選擇 、 PLC的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 和 軟件編制 。 （ 4） PLC 外部接線圖 、 噴泉控制過(guò)程模擬 、 軟件設(shè)計(jì) 、 噴泉控制流程圖 。 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(hào)噴頭噴水，延時(shí) 2 秒， 3 號(hào)噴水，再延時(shí) 2 秒， 2 號(hào)噴水，延時(shí) 2 秒， 1 號(hào) 噴水。 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(shuō)明書 7 4號(hào)噴頭噴水，延遲 2秒 3號(hào)噴頭噴水，延遲 2秒 2號(hào)噴頭噴水，延遲 2秒 1號(hào)噴頭噴水，延遲 15秒 單步 停止 連續(xù) 1號(hào) 噴頭噴水，延遲 2秒 2號(hào)噴頭噴水，延遲 2秒 3號(hào)噴頭噴水，延遲 2秒 4號(hào)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(hào)噴頭噴水，延時(shí) 2 秒， 2 號(hào)噴水，再延時(shí) 2 秒， 3 號(hào)噴水，延時(shí) 2 秒， 4 號(hào) 噴水。 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(hào)噴頭同時(shí)噴水，延時(shí) 3 秒， 4 號(hào)同時(shí)噴水， 3 號(hào)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(lái)，在連續(xù)工作方式的前提下，噴泉?jiǎng)t會(huì)繼續(xù)循環(huán)。如果為單步工作方式，則停下來(lái)， 在連續(xù)工作方式的前提下，噴泉?jiǎng)t會(huì)繼續(xù)循環(huán)。 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(jiǎn)稱 PLC。 PLC 源于繼電器控制，但是又基于電子計(jì)算機(jī)。 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)。但是 PLC 就會(huì)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。當(dāng)然， PLC 可以通過(guò)它的外部設(shè)備或者通信接口與外界進(jìn)行信息的交換。 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(chǔ)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 。 PLC 的選擇方案 （ 1）對(duì)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(shuō)明書 11 盲目的選擇輸入輸出點(diǎn)數(shù)過(guò)多的機(jī)型會(huì)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(lái)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。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(huì)產(chǎn)生過(guò)大的影響， 所以 PLC 對(duì)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(wèn)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(wèn)題了。 （ 4）對(duì)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(lái)選擇 PLC 的結(jié)構(gòu)模塊。 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(chǎng)合以及對(duì)比性價(jià)比來(lái)選擇自己所需要的是泵。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。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。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(wú)需引水，使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。 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。 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。 圖 33 直上噴頭實(shí)物圖及安裝簡(jiǎn)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。 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(jiǎn)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。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。 涌泉噴頭也是加氣噴頭的一種，又稱為鼓泡噴頭、珍珠噴頭。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(zhǎng)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(shuō)明書 15 流，噴出的水柱呈現(xiàn)白色不透明狀，反光效果好。而變頻器，我們選擇了三菱 FRS520（ S） E型號(hào)的變頻調(diào)速器。 我們?cè)诤竺娴母戒浗o出變頻器的接線圖。綜上，我們選用了 DC24V 水用電磁閥。 查閱資料所得數(shù)據(jù)，我選用了 SW1DDH14C 的型號(hào)的固體繼電器，而接觸PLC 固態(tài)繼電器 交流繼電器 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(shuō)明書 17 PLC+ 3 1 4 2MSSRSW 1 DD H 1 4 CEB 16 30 01繼電器我選用的型號(hào)是 EB163001。圖中分別是花樣選擇開關(guān)、啟動(dòng)開關(guān)以及停止開關(guān)、單步與連續(xù)的選擇開關(guān)、電源指示燈。我根據(jù)第 一章節(jié)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀等問(wèn)題，以及我們對(duì)于方案的設(shè)計(jì)，我們選擇了所 需要的硬件。 按下啟動(dòng)開關(guān) 選擇單步運(yùn)行 選擇連續(xù)運(yùn)行 按下花樣選擇開關(guān) 花樣 1 花樣 2 花樣 3 花樣 4 水泵進(jìn)入工作狀態(tài)