自動(dòng)化專業(yè) 基于西門子S7-300PLC的花樣噴泉和音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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1、 ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本 科 畢 業(yè) 論 文 基于PLC的花樣噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) The design of fancy fountain control system based on PLC 學(xué)院名稱： 電子信息與電氣學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化2009級(jí)1班 學(xué)生姓名： XX 指導(dǎo)教師姓名： XX 指導(dǎo)教師職稱： XXXXXX

2、 2013年5月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得安陽工學(xué)院及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名：　　 　 　　 日　 期：　　　 　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　　 　

3、 使用授權(quán)說明 本人完全了解安陽工學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　　 　 目錄 摘要 I Abstract II 引 言 1 第一章 方案分析 5 1.1 主控制器方案分析 5 1.2 噴泉水柱控制方案分析 6 1.3 噴

4、泉的控制要求 7 第二章 花式噴泉的硬件設(shè)計(jì) 11 2.1 硬件的選擇 11 2.1.1 PLC的選擇方案 11 2.1.2 變頻器選擇方案 12 2.1.3 水泵的選擇方案 15 2.1.3 噴頭的選擇方案 17 2.1.4 控制面板 18 2.1.5 噴泉水泵布局 19 2.1.6 彩燈布局 19 2.1.7 PLC控制接線圖 20 2.1.8 變頻器控制接線圖 21 第三章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 23 3.1 花式噴泉的PLC控制流程圖 23 3.2 I/O模塊的選擇 23 3.3 花式噴泉的I/O分配 23 3.4 西門子MM420變頻器設(shè)置 24 3.5

5、軟件的選用 25 3.6 系統(tǒng)主程序 27 3.7 系統(tǒng)程序的可行性 29 第四章 系統(tǒng)的仿真和調(diào)試 30 4.1 仿真軟件的選用 30 4.2 系統(tǒng)的調(diào)試 30 第五章 WinCC組態(tài)與監(jiān)控 33 5.1 WinCC簡介 33 5.2 WinCC組態(tài) 33 5.2.1 組態(tài)用戶項(xiàng)目 33 5.2.2 WinCC與PLCSIM連接 35 5.2.3 WinCC組態(tài)畫面監(jiān)控 36 結(jié)論 38 致謝 39 參考文獻(xiàn) 40 附錄 41 基于PLC的花樣噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：花式噴泉是近年來隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，出現(xiàn)的一種控制技術(shù)與花式觀賞

6、相結(jié)合的一種產(chǎn)物。隨著可編程控制器在我國的迅速發(fā)展，對(duì)花式噴泉的控制要求也越來越高，使得越來越多的控制部分需要可編程控制器來實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，以花式噴泉為研究對(duì)象，采用了S7-300系列PLC作為變頻器的控制器，變頻器再控制電機(jī)輸出功率。對(duì)花式噴泉的控制系統(tǒng)的總體功能進(jìn)行了分析，闡述了可編程控制器的組成和工作原理。提出了噴泉硬件的各組成模塊及詳細(xì)的硬件模塊設(shè)計(jì)方案，并對(duì)控制方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)和程序的編寫。本設(shè)計(jì)采用變頻器作為水泵的控制器，改善了噴泉系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并真正地達(dá)到了節(jié)能和實(shí)時(shí)控制的要求。 關(guān)鍵詞：PLC；噴泉；控制系統(tǒng)

7、 The design of PLC control system of fancy fountain Abstract：Fancy fountain In recent years, with the development of control systems, control technology and the emergence of a fancy watch combination of a product. With the programmable controller in the rapid development of our cou

8、ntry, the fancy fountain control requirements are also increasing, making more and more control programmable controller. In this paper, the tasks required of graduate design, fancy fountain as the research object, using the S7-300 series PLC as controller of the inverter, and the inverter to control

9、 the motor output power. The overall function of the fancy fountain control system analysis of the composition and working principle of the programmable controller. Fountain hardware building blocks and the hardware module design, the design and procedures for the preparation and control mode. This

10、design uses the controller of the inverter as pumps, improved the fountain system control quality, and truly achieve energy efficiency and real-time control requirements. Key words：PLC;fountain;control system 引 言 所謂花樣噴泉，就是利用控制器控制噴水的花型組合變化、水柱高低、遠(yuǎn)近變化和燈光色彩組合、明暗變化的噴泉?；訃娙前熏F(xiàn)代控

11、制技術(shù)應(yīng)用于人工噴泉，在程序控制噴泉的基礎(chǔ)上也可加入了音樂控制系統(tǒng)，通過音樂控制噴泉的水形及燈光的變化，從而達(dá)到噴泉水型、燈光及色彩的變化與音樂情緒的完美結(jié)合，使噴泉表演生動(dòng)且富有內(nèi)涵。 噴泉起源很早，早在公元前6世紀(jì)的巴比倫空中花園中就已建有噴泉。古希臘時(shí)代開始由飲用水式泉逐漸發(fā)展成為裝飾性泉。還有一種說法認(rèn)為噴泉起源于伊斯蘭國家的齋戒沐浴給水方法。在伊斯蘭園林中，噴泉沿軸線布置或作為局部構(gòu)圖的中心。文藝復(fù)興時(shí)期噴泉技術(shù)有很大的發(fā)展，多與雕像、柱飾、水池等結(jié)合造景，如意大利伊斯特別墅的著名“百泉步道”和萊恩脫的噴泉水渠。7到18世紀(jì)，噴泉在歐洲城市盛極一時(shí)。著名的法國凡爾賽宮的太陽神噴泉，

12、俄國彼得宮的帶雕像群的大瀑布噴泉，而羅馬更有3000多個(gè)噴泉，被稱為噴泉之城。中國古典園林崇尚自然，力求清雅素靜、富于野趣，重視對(duì)天然水態(tài)的藝術(shù)再現(xiàn)。18世紀(jì)，西方式噴泉傳入中國。1747年清乾隆皇帝在圓明園建“諧奇趣”、“海晏堂”、“大水法”三大噴泉。20世紀(jì)，噴泉發(fā)展成為一種大型水景，用水柱構(gòu)成各種形態(tài)。如建于1958年的日內(nèi)瓦萊蒙湖大噴泉，它，用兩臺(tái)1360馬力的水泵將水噴到145米的高空。夜色下巨型探照燈照射著銀色水柱直劃夜空，頗為景色壯觀。日本的水力噴射動(dòng)物園在一個(gè)直徑10米水池內(nèi)，安裝著6036個(gè)旋轉(zhuǎn)的噴頭，能噴射出老虎獅子搏斗、老鷹羚羊廝殺等奇妙的場(chǎng)面。這些噴泉多是利用電腦控制水

13、、光、音、色，使噴泉藝術(shù)進(jìn)入嶄新的時(shí)代。現(xiàn)代的噴泉，已經(jīng)是一種集聲、光、電、水、力為一體的高科技產(chǎn)物。我國現(xiàn)代意義的噴泉始于上世紀(jì)80年代，起步雖晚，發(fā)展卻十分神速，有些技術(shù)在世界上具備領(lǐng)先地位。 國內(nèi)在二十世紀(jì)八十年代以前，噴泉只是建筑給排水和園林造景專業(yè)的一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)，從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制作，工程安裝都沒有形成規(guī)模。只是在展覽館等公共建筑和公園里能見到一些中、小噴泉，產(chǎn)品的水平也是簡單、粗放的。二十世紀(jì)八十年以后，隨著國民經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)和發(fā)展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、園林主管部門在城市建設(shè)、改造的過程中，以及環(huán)境的美化和文化氛圍的營造上對(duì)噴泉提出了求新的要求，一部分建筑、園林、水利的設(shè)

14、計(jì)院、研究所及大專院校，綜合了土建結(jié)構(gòu)、給排水、機(jī)電控制等傳統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)，加上當(dāng)時(shí)先進(jìn)的單片機(jī)，通過電磁閥和直流電機(jī)調(diào)速實(shí)行變量控制，設(shè)計(jì)出一批噴泉、水景。得到了良好的社會(huì)反映和社會(huì)效益。在這個(gè)時(shí)期，一些噴泉設(shè)備專業(yè)加工廠和公司開始組建、發(fā)展，為噴泉的專業(yè)化發(fā)展提供了力量，打下了基礎(chǔ)。 二十世紀(jì)九十年代以后，社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，全國城市建設(shè)速度加快，人們也追求高質(zhì)量的文化生活和環(huán)境美。市場(chǎng)的需求推動(dòng)了噴泉行業(yè)的發(fā)展。噴泉走出公園、園林的圍墻和廣場(chǎng)的中心，深入延伸到人們的各個(gè)社會(huì)活動(dòng)場(chǎng)所。許多噴泉專業(yè)的生產(chǎn)廠商和專業(yè)公司，在這段時(shí)間內(nèi)應(yīng)運(yùn)而生，迅速發(fā)展起來。專業(yè)技術(shù)人員把計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息

15、技術(shù)，以及聲、光、電、霧、火、激光、音樂、水幕電影等學(xué)科的技術(shù)應(yīng)用到噴泉之中，把噴泉行業(yè)的技術(shù)水平推上了一個(gè)新的層面，開拓了廣闊的應(yīng)用空間，噴泉行業(yè)得到了快速發(fā)展。 人們對(duì)噴泉的造景功能、娛樂功能、環(huán)保功能認(rèn)識(shí)的提高，開拓了噴泉的應(yīng)用范圍。噴泉可以濕潤周圍空氣，減少塵埃，降低氣溫。噴泉的細(xì)小水珠同空氣分子撞擊，能產(chǎn)生大量的負(fù)氧離子。因此，噴泉有益于改善城市面貌和增進(jìn)居民身心健康。 噴泉景觀概括來說可以分為兩大類：一是因地制宜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形結(jié)構(gòu)，仿照天然水景制作而成，如：壁泉、涌泉、霧泉、管流、溪流、瀑布、水簾、跌水、水濤、漩渦等。二是完全依靠噴泉設(shè)備人工造景。這類水景近年來在建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)

16、用，發(fā)展速度很快，種類繁多，普通噴泉分音樂噴泉、程控噴泉、旱地噴泉、跑動(dòng)噴泉、光亮噴泉、趣味噴泉、激光水幕電影、超高噴泉等。 漂浮式：整座水景噴泉的管道系統(tǒng)全部安裝在浮箱上，所以噴泉設(shè)備的運(yùn)行不受季節(jié)性水位高低的影響。漂浮式噴泉制作、安裝工藝技術(shù)性強(qiáng)，但維護(hù)方便，易于保養(yǎng)。在大型自然湖泊或各種人工湖中廣泛應(yīng)用。 跑泉：多個(gè)噴頭，按時(shí)序控制，構(gòu)成各種形態(tài)瞬時(shí)變化的水型。可以形成跑動(dòng)、跳動(dòng)、波動(dòng)等形狀，又可以成固定造型的噴水形態(tài)，氣勢(shì)雄偉，變化多端。 水幕激光：采用特殊的入映機(jī)播放，使用的影片也是專門為水幕電影特制的影帶。由于電影的屏幕是透明的水膜，因此在電影播放時(shí)會(huì)有一種特殊的光學(xué)效果，屏

17、幕的視覺穿透性可使畫面具有一種立體感，影片的內(nèi)容可與水面巧妙的結(jié)合，更有一種身臨其境般的奇幻感覺。 隨著時(shí)代的發(fā)展，科技水平的提高，城市的噴泉設(shè)備已經(jīng)十分先進(jìn)，各種音樂噴泉、程控噴泉、激光噴泉已經(jīng)層出不窮，變化多端。規(guī)?？纱罂尚?，射程可高可低，噴出的水，大者如珠，細(xì)者如霧，變化萬千，引人入勝。噴泉，使靜水變?yōu)閯?dòng)水，使水也有了靈魂，又輔之以各種燈光效果，使水體具有豐富多采的形態(tài)，可以緩沖、軟化城市中“凝固的建筑物”和硬質(zhì)的地面，以增加城市環(huán)境的生機(jī)，有益與身心健康并能滿足視覺藝術(shù)的需要。大型城市廣場(chǎng)中的人工動(dòng)態(tài)噴泉，也多來自自然的種種水態(tài)，如瀑布、疊水、水簾、溢流、溪流、壁泉等，隨著科學(xué)技術(shù)的

18、發(fā)展進(jìn)步，各種噴泉真是花樣翻新、層出不窮，幾乎達(dá)到了人們隨心所欲創(chuàng)造各種晶瑩剔透、絢麗多姿動(dòng)態(tài)水景的程度。噴泉在當(dāng)今時(shí)代，已經(jīng)形成了一道獨(dú)特的人文景觀。噴泉的專用產(chǎn)品，設(shè)備也在不斷地更新?lián)Q代，新材料、新技術(shù)的采用，環(huán)保型的產(chǎn)品更加安全、可靠，售后服務(wù)周到、及時(shí)，這些都為噴泉的良性發(fā)展提供了技術(shù)支撐，使得大多數(shù)的噴泉在美化環(huán)境之外，還發(fā)揮了良好的生態(tài)效應(yīng)社會(huì)效益和廣告效應(yīng)等間接的經(jīng)濟(jì)效益。 在噴泉得到廣泛應(yīng)用的過程中，也出現(xiàn)了一些問題和不足，有些認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)和不良傾向應(yīng)該引起人們的重視。否則將對(duì)噴泉行業(yè)的健康發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。首先，我們政府在審批城市公共廣場(chǎng)噴泉的建設(shè)時(shí)，要充分了解其建設(shè)的面積

19、，審查設(shè)計(jì)的方案避免跟風(fēng)的工程。另外，相關(guān)部分應(yīng)組織專家與研究人員設(shè)立行業(yè)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，杜絕低質(zhì)量的工程建設(shè)。其次，各種工程設(shè)計(jì)者應(yīng)該充分考慮整體建筑的協(xié)調(diào)性欲藝術(shù)性，使噴泉的水體景觀功能得到比較好的發(fā)揮。同時(shí)，讓噴泉景觀充分結(jié)合其他的元素，更好的體現(xiàn)水體景觀的水體美。最后，噴泉水體設(shè)計(jì)者應(yīng)該充分結(jié)合實(shí)際，考慮環(huán)境對(duì)于噴泉景觀的容納性，建設(shè)高質(zhì)量且據(jù)實(shí)用性的噴泉，不要出現(xiàn)噴泉水體的建設(shè)不具其利反被其害的現(xiàn)象。 隨著科技的發(fā)展，噴泉水體景觀建設(shè)可以結(jié)合光電技術(shù)和噴水射流的技術(shù)，開發(fā)很多新奇特的高新技術(shù)噴泉設(shè)計(jì)。另外，可以通過對(duì)于噴泉水池的補(bǔ)水、流動(dòng)與噴射采用電腦控制，充分節(jié)約水資源。完善噴泉的

20、土建結(jié)構(gòu)，防止地下水的滲入。自動(dòng)控制噴泉的燈光、供電系統(tǒng)，保證噴泉水體的水質(zhì)，讓噴泉不僅是造景元素更是一種愉悅大眾的環(huán)境藝術(shù)。 本文根據(jù)生活當(dāng)中出現(xiàn)的一些情況，以花式噴泉為研究對(duì)象，結(jié)合了大量資料及文獻(xiàn)，研究花式噴泉的控制問題，整理出一套可行性較高的噴泉控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要包括了噴泉的發(fā)展情況及所存在的一系列問題；噴泉控制系統(tǒng)的組成；花式噴泉的控制任務(wù)和要求；花式噴泉的硬件配置以及軟件的設(shè)計(jì)，再通過仿真軟件來實(shí)現(xiàn)。 在設(shè)計(jì)當(dāng)中，結(jié)合了音樂噴泉和程控噴泉的優(yōu)點(diǎn)，音樂噴泉主要由音頻開關(guān)信號(hào)控制，而程控噴泉?jiǎng)t由人為選擇。其中程序噴泉分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，手動(dòng)主要是為了調(diào)試，而自動(dòng)

21、則可連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)按下電源按鈕，按下自動(dòng)按鈕，則噴泉按照預(yù)設(shè)的程序循環(huán)運(yùn)行。如果按下手動(dòng)按鈕，則自動(dòng)運(yùn)行停止，切為手動(dòng)運(yùn)行，接著選擇噴水花樣，系統(tǒng)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，直到按下停止按鈕，系統(tǒng)立即斷開電源，停止運(yùn)行。 第一章 方案分析 1.1 主控制器方案分析 方案1：使用單片機(jī)控制花式噴泉 單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，其應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展也很快。1971年Intel公司首次宣布4004的4位微處理器，1974年12月Fairchild(仙童)公司即推出了8位單片機(jī)F8，開創(chuàng)了單片機(jī)的門戶。 單片機(jī)已在各行業(yè)得到廣

22、泛應(yīng)用，如果本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，由于單片機(jī)的輸入輸出電流電壓很小，那么將需要用到大量的輸出繼電器和輸入繼電器，外圍電路將會(huì)非常復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的直觀性和可維護(hù)性。而外圍電路的復(fù)雜，也會(huì)增加系統(tǒng)投入的成本，且其可靠性也大大降低。 方案2：使用S7-300PLC控制花式噴泉 自20世紀(jì)60年代中期以來PLC產(chǎn)品在電力、冶金、化工等行業(yè)發(fā)揮了重大作用,尤其近20年來計(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PLC、通訊聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、過程控制軟件都獲得了長足的進(jìn)步,也使PLC的廣泛應(yīng)用成為可能。 PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置

23、。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。可編程控制器之所以越來越受到控制界人士的重視，是由于它具有以下特點(diǎn)：（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。（2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。（4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造。（5）體積小，重量輕，能耗低。 此方案采用西門子S7-300系列PLC作為主控制器。S7-300PLC是中型的P

24、LC，它適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。S7-300PLC的強(qiáng)大功能使其無論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。S7-300PLC可提多種CPU可供選擇使用，并且體積小，功能強(qiáng)、可靠性高，靈活性強(qiáng)和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)通過改變噴泉的控制程序或改變方式選擇開關(guān)，就可以改變花式噴泉的噴水規(guī)律，從而變化出很多花樣，同時(shí)，PLC具有很強(qiáng)的自診斷功能，迅速方便的檢查出故障，縮短檢修時(shí)間，因而確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定性。 基于本設(shè)計(jì)的控制要求，可采用S7-300系列的PLC來控制MicroMaster420變頻器，變頻器控制水泵的輸出功率，從而達(dá)到對(duì)水泵流量的控制，產(chǎn)生各種方式的

25、噴水花樣。 采用PLC控制后，由于PLC是采用程序控制，是軟接線，因此可靠性大大提高了。音樂噴泉的核心控制是由可編程控制器實(shí)現(xiàn)的，可編程控制器是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，用程序控制變頻器輸出頻率，從而控制水泵輸入功率。其中中央音樂噴泉水泵由程序?qū)崿F(xiàn)用音樂頻率轉(zhuǎn)換的開關(guān)量去控制噴泉水柱的變化?？删幊炭刂破骱喕丝刂凭€路，提高了工作的速度和可靠性以及系統(tǒng)操作的靈活性，也提升了噴泉工程的智能化性能。 方案3：使用S7-200PLC控制花式噴泉 假設(shè)設(shè)計(jì)采用S7-200PLC作為噴泉的主控制器來控制水泵的運(yùn)行。S7-200PLC是一種小型的PLC，它有5種CPU模塊，最多可以擴(kuò)展7個(gè)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到2

26、48點(diǎn)數(shù)字量I/O或者38路模擬量I/O，最多有30多KB的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。集成了6個(gè)有12種工作模式的高速計(jì)數(shù)器和兩點(diǎn)高速脈沖發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)制器。本設(shè)計(jì)方案可以選擇S7-200CPU226的PLC作為主控制器，該型號(hào)的PLC共14入10出24個(gè)I/O點(diǎn)。從I/O點(diǎn)分配方面來說很適合本設(shè)計(jì)的控制要求。但是這也限制了它以后的發(fā)展，對(duì)于較大的噴泉控制系統(tǒng)，S7-200PLC在沒有實(shí)物的情況下，不能仿真，這對(duì)于一個(gè)較大型的控制系統(tǒng)，在運(yùn)行前，不仿真是不可靠的。而且S7-200PLC由于I/0點(diǎn)數(shù)的限制，在改變噴水方式的時(shí)候很不方便，因此不利于調(diào)整。 1.2 噴泉水柱控制方案分析

27、方案1：采用電磁閥控制 噴泉可以采用電磁閥控制，通過控制電磁閥的通斷，控制噴頭的通斷，從而切換噴頭。水泵的輸出功率不變，所以水泵的流量是固定的，當(dāng)噴頭切換到粗口徑噴頭時(shí)，水柱輸出高度變低；同理，當(dāng)切換到細(xì)口徑噴頭時(shí)，由于水壓作用，噴泉水柱高度上升。噴泉常用的閥門有球閥、蝶閥、閘閥、止回閥、水下液壓閥、水下電磁閥、水下數(shù)控閥等。 如果采用電磁閥控制，通過控制電磁閥的通斷，從而切換噴頭，達(dá)到改變水柱高度和噴水形態(tài)的效果。在這種控制中，每個(gè)水泵的輸出功率是不變的，只能以工頻運(yùn)行，當(dāng)噴泉水柱降低時(shí)，水泵不需要以工頻運(yùn)行，造成了能源的浪費(fèi)。 方案2：采用變頻器控制 變頻器的主要任務(wù)是把工頻電源變

28、換為另一頻率的交流電，以滿足交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速的需要。現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交-直-交方式（VVVF，變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電，然后再把直流電轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電，以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路4個(gè)部分組成。 交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為 n = 60 f (1? s) / p 式中：n—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f—異步電動(dòng)機(jī)的頻率；s—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 由上式可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 與頻率f成正比，只要改變頻率f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f 在0～50 Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)

29、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 若采用變頻器控制，由于本設(shè)計(jì)并不需要連續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，只要切換若干段固定的轉(zhuǎn)速就可以了。所以只需要用到變頻器的3點(diǎn)數(shù)字量輸入信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)八段轉(zhuǎn)速控制(15Hz-50Hz)，而且可以避免使用昂貴的PLC模擬量輸出模塊來連續(xù)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率。通過PLC輸出的數(shù)字量控制變頻器的輸出頻率，從而改變水泵的輸出功率，達(dá)到控制噴泉水柱高地的目的。 采用變頻器控制水泵，較其他控制方法而言，可以改變水泵的輸出功率，當(dāng)噴泉水柱降低時(shí)，電機(jī)的輸出功率降低，節(jié)約了電能。對(duì)于一個(gè)長期運(yùn)行的噴泉系統(tǒng)而言，其

30、產(chǎn)生的效益是隨時(shí)間而積累的。因此，本設(shè)計(jì)采用變頻器控制。 1.3 噴泉的控制要求 （1）按下啟動(dòng)按鈕，中間音樂噴泉無音頻信號(hào)輸入時(shí)，進(jìn)入預(yù)置狀態(tài)。當(dāng)有音頻開關(guān)信號(hào)輸入時(shí)，噴泉水柱隨音頻信號(hào)進(jìn)行變化。周圍程控噴泉裝置進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)，按下手動(dòng)按鈕后，按下花樣1按鈕，噴泉按照花樣1循環(huán)運(yùn)行；斷開花樣1按鈕，按下花樣2按鈕，噴泉按照花樣2循環(huán)運(yùn)行；斷開花樣2按鈕，按下花樣3按鈕，噴泉按照花樣3循環(huán)運(yùn)行；按下停止按鈕，噴泉控制裝置停止工作；按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕，噴泉進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)。 （2）噴泉噴水方式由花樣選擇開關(guān)決定，現(xiàn)考慮3種噴水花樣。 （3）按下啟動(dòng)按鈕和手動(dòng)按鈕后，選擇花樣1后，1s后，變頻

31、1輸出頻率變?yōu)?0Hz；2s后，變頻器2輸出頻率變?yōu)?5Hz；3s后，變頻器輸出頻率變?yōu)?0Hz，依次類推。直到7s后，所有變頻器保持其設(shè)定頻率5s后，變頻器輸出頻率變回基本狀態(tài)，循環(huán)運(yùn)行。變頻器直接影響水泵的輸出功率，從而影響噴泉水柱高度?；訃娙卜?個(gè)水泵，通電后，在PLC的控制下，按1-2-3-4-5-6-7的順序改變噴水高度，最后保持梯形5s,然后恢復(fù)0s時(shí)的高度，再循環(huán)上次的改變。具體情況見圖1.1所示。 圖1.1 花樣1示意圖 按下啟動(dòng)按鈕后，按下手動(dòng)開關(guān)，選擇花樣2后，所有變頻器的輸出頻率變?yōu)?5Hz,此時(shí)噴泉的水柱位于最高水柱與最低水柱的中間狀態(tài)。1s后，變頻器輸出頻率變

32、為50Hz，所有水泵的輸出功率變?yōu)樽畲螅藭r(shí)噴泉水柱向上沖擊，3s后變?yōu)?5Hz水柱高度。如此循環(huán)，形成升降噴泉的效果，直到按下停止按鈕。具體情況見圖1.2所示。 圖1.2 花樣2示意圖 按下啟動(dòng)按鈕后，按下手動(dòng)選擇開關(guān)，按下花樣3選擇開關(guān)，1s后水泵1,3，5，7按照50Hz的頻率運(yùn)行；水泵2，4，6按照25Hz的頻率運(yùn)行。2s后，泵2，4,6按照50Hz的頻率運(yùn)行；水泵1，3，5,7按照25Hz的頻率運(yùn)行。然后按照上述規(guī)律進(jìn)行循環(huán)，形成波浪的效果，直到按下停止按鈕。具體情況見圖1.3所示。 圖1.3 花樣3示意圖 按下啟動(dòng)按鈕后，按下自動(dòng)開關(guān)，花樣1子程序被調(diào)用，噴泉按照花樣1

33、運(yùn)行；花樣1運(yùn)行12s后調(diào)用花樣2子程序，按照花樣2程序運(yùn)行，同時(shí)花樣1停止；花樣2持續(xù)12s后運(yùn)行花樣3，同時(shí)斷開花樣2；花樣3運(yùn)行12s后，運(yùn)行花樣1，如此循環(huán)，直到按下I124.1停止按鈕。 對(duì)于中間的音樂噴泉，則主要有音頻信號(hào)控制。當(dāng)無音頻信號(hào)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，變頻器控制其輸出功率為50Hz時(shí)的最大功率。當(dāng)有任何音頻開關(guān)信號(hào)輸入時(shí)，其輸出改為由音頻開關(guān)信號(hào)控制，且高位開關(guān)信號(hào)優(yōu)先于低位開關(guān)信號(hào)，隨音頻信號(hào)變化而變化，直到按下停止按鈕，停止運(yùn)行。 第二章 花式噴泉的硬件設(shè)計(jì) 2.1 硬件的選擇 2.1.1

34、PLC的選擇方案 （1）對(duì)輸入/輸出點(diǎn)的選擇 盲目選擇點(diǎn)數(shù)多的機(jī)型會(huì)造成一定浪費(fèi)。要先弄清除控制系統(tǒng)的I/O總點(diǎn)數(shù)，通常情況下，在得出總數(shù)的基礎(chǔ)上增加10%～15%冗余，如果考慮今后調(diào)整擴(kuò)充，則留有30%左右的冗余。 （2）對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇 對(duì)用戶存儲(chǔ)容量作粗略的估算。存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。 （3）對(duì)I/O響應(yīng)時(shí)間的選擇 PLC的I/O響應(yīng)時(shí)間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時(shí)間

35、延遲（一般在2～3個(gè)掃描周期）等。對(duì)開關(guān)量控制的系統(tǒng)，PLC和I/O響應(yīng)時(shí)間一般都能滿足實(shí)際工程的要求，可不必考慮I/O響應(yīng)問題。但對(duì)模擬量控制的系統(tǒng)、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個(gè)問題。 （4）對(duì)PLC結(jié)構(gòu)形式的選擇 在相同功能和相同I/O點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，整體式比模塊式價(jià)格低。但模塊式具有功能擴(kuò)展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，要按實(shí)際需要選擇PLC的結(jié)構(gòu)形式。 本設(shè)計(jì)采用S7-300 CPU313-2DP的PLC。該P(yáng)LC屬于中型PLC，功能強(qiáng)大，控制能力好，性價(jià)比高，具體配置見圖2.1所示。 圖2.1 PLC硬件配置 2.1.2 變頻器選擇方案 變頻器用于交流異

36、步電動(dòng)機(jī)調(diào)速，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往任何交、直流調(diào)速方式，而且其結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、安裝調(diào)試、使用方便、保護(hù)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著，是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主流技術(shù)。變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器，當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是綜合了多種學(xué)科的高新技術(shù)領(lǐng)域，是自動(dòng)化技術(shù)的“前沿”，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率交換的高頻化，控制技術(shù)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻交流電源，必然會(huì)伴著系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),變頻器可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性對(duì)供電電壓、電流、頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?不同的控制方式所得到的調(diào)速性能、特

37、性以及用途也不同。變頻器的基本原理如圖2.2所示。 圖2.2 變頻器的基本構(gòu)成 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),變頻器可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性對(duì)供電電壓、電流、頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?不同的控制方式所得到的調(diào)速性能、特性以及用途也不同. 變頻器控制方式大致大體可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種，后者進(jìn)行電動(dòng)機(jī)速度反饋。開環(huán)控制有控制方式，閉環(huán)控制有轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制等方式。 (1) 控制： 對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，只要改變其供電電源的頻率，即可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。但是，對(duì)于一個(gè)實(shí)際的交流調(diào)速控制系統(tǒng)來說，事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是那么簡單。這是因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)電源的頻率被改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部阻抗

38、也將隨之改變，從而引起勵(lì)磁電流的變化，使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁過強(qiáng)的情況。在勵(lì)磁不足的情況下電動(dòng)機(jī)將難以給出足夠的轉(zhuǎn)矩，而在勵(lì)磁過強(qiáng)時(shí)電動(dòng)機(jī)又將出現(xiàn)磁飽和，造成電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和效率的下降。因此，為了得到理想的轉(zhuǎn)矩速度特性，在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，必須采取必要的措施來保證電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通處于高效狀態(tài)（即保持磁通不變）。這就是控制的出發(fā)點(diǎn)。 這種變頻器雖然結(jié)構(gòu)比較簡單，但是，由于這種變頻器采用的是開環(huán)控制方式，其精度和動(dòng)態(tài)特性并不是十分理想，尤其是在低速區(qū)電壓調(diào)整比較困難，難以得到較大的調(diào)速范圍。所以采用這種控制方式的變頻器一般是對(duì)控制性能要求不太高的通用變頻器。 ⑵ 轉(zhuǎn)差頻率控制：

39、 轉(zhuǎn)差頻率控制需要檢出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差頻率之和作為變頻器的給定輸出頻率。由于通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流，與控制相比其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外它有速度調(diào)節(jié)器，利用速度反饋進(jìn)行速度閉環(huán)控制，速度的靜差小，適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制方式通常用于單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 因?yàn)樵诓捎棉D(zhuǎn)差頻率控制方式時(shí)需要檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，所以需要在異步電動(dòng)機(jī)軸上安裝速度傳感器。而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)則由速度傳感器和變頻器控制電路中的運(yùn)算電路完成?？刂齐娐愤€將通過適當(dāng)?shù)乃惴ǜ鶕?jù)檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)速度產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率和其他的控制信號(hào)。此外，在采用了轉(zhuǎn)差

40、頻率控制方式的變頻器中往往還加有電流負(fù)反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，所以這種變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性 [10] 。 ⑶ 矢量控制： 矢量控制的基本思想是認(rèn)為異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為磁場(chǎng)和與其相垂直的電流的積，而異步電動(dòng)機(jī)的定子電流則可以分為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（磁場(chǎng)電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）。因此，通過控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位（即定子電流矢量），即可以分別對(duì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。 MICROMASTER420 是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器系列。

41、本系列有多種型號(hào)，從單相電源電壓，額定功率120W到三相電源電壓，額定功率11KW可供用戶選用。該變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)。 MICROMASTER420 具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是數(shù)量眾多的簡單的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動(dòng)裝置。由于MICROMASTER420 具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級(jí)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。 MICR

42、OMASTER 420 既可用于單機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也可集成到‘自動(dòng)化系統(tǒng)’中。 MICROMASTER420具有模塊化設(shè)計(jì)。操作面板和通訊模塊可以不使用任何工具，非常方便的用手進(jìn)行更換，MICROMASTER420適合用于各種變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置，尤其適合用于水泵，風(fēng)機(jī)和傳送帶系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。 MICROMASTER430適合用于工業(yè)部門的水泵和風(fēng)機(jī)。比MICROMASTER420具有更多的輸入輸出端，還具有優(yōu)化的帶有手動(dòng)，自動(dòng)切換的操作面板，以及自適應(yīng)功能的軟件。 MICROMASTER440屬于高端變頻器。適合用于各種變速驅(qū)動(dòng)裝置。尤其適合用于吊車和起重系統(tǒng)，立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)，食

43、品，飲料和煙草工業(yè)以及包裝工業(yè)的定位系統(tǒng)。這些應(yīng)用對(duì)象要求變頻器具有比常規(guī)應(yīng)用更高的技術(shù)性能和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 綜上可得，選用MICROMASTER420即可滿足控制要求，因此選用西門子MICROMASTER420變頻器，作為水泵的控制器。 2.1.3 水泵的選擇方案 水泵的種類根據(jù)不同的要求，分類比較多；大致有臥式水泵和潛水泵。但都是根據(jù)各自對(duì)水泵的揚(yáng)程、流量、使用的場(chǎng)合、能耗比、性價(jià)比等來選擇合適自己水泵。 根據(jù)本文的要求，采用QSP系列噴泉專用泵。噴泉專用泵其外殼、過流部件及外部零件材質(zhì)均采用鑄鐵或者不銹鋼（304、316、316L）制成的，并且該產(chǎn)品還保留了原來噴泉專用泵性能。

44、樣品見圖2.3所示。 圖2.3 噴泉專用水泵 其優(yōu)越的性能如下：　 1、采用鑄鐵或者不銹鋼材料，提高泵的耐腐蝕性?！? 2、葉輪采用專用材料防止葉輪時(shí)葉輪松動(dòng)。 3、漏電保護(hù)措施：采用定電位接地裝置。　 4、在原普通泵的基礎(chǔ)上，根據(jù)噴泉專用泵的要求，公司經(jīng)過多次試驗(yàn)，在技術(shù)上不斷開發(fā)，加工材料上不斷改進(jìn)，使噴泉專用泵可以頻繁起動(dòng)，完全適合音樂噴泉的使用。 5、泵采用不銹鋼濾網(wǎng)護(hù)罩，三相四線電纜。 6、不銹鋼噴泉泵為自動(dòng)注水功能?！? 7、該電機(jī)為自循環(huán)充水式冷卻。 噴泉專用水泵的使用條件： 1、電泵應(yīng)完全浸入水中運(yùn)行,潛水深度不小于0.5米,不大于5米。 2、環(huán)境水溫度

45、應(yīng)不高于40℃。 3、工作介質(zhì)為無腐蝕性清水,含沙量不大于0.1%,PH值為6.5~8.5。 4、電源應(yīng)為三相50赫茲,額定電壓為380伏,供電電壓保證在342~420伏范圍。 5、電泵應(yīng)在額定揚(yáng)程附近的適用范圍內(nèi)使用。 6、電泵應(yīng)配置相應(yīng)的啟動(dòng)保護(hù)器，可靠接地。 2.1.3 噴頭的選擇方案 噴泉的噴頭分為可調(diào)直流噴頭、涌泉噴頭、集束噴頭、旋轉(zhuǎn)噴頭等等，種類繁多，噴出的水型也各不相同。本設(shè)計(jì)采用的是可調(diào)直流噴頭又稱萬向直流在各種場(chǎng)合的噴水池中廣泛應(yīng)用，并是音樂噴泉的必備噴頭，這種噴頭裝有球型接頭，可沿垂直方向15度進(jìn)行調(diào)節(jié)，萬向直流噴頭可組合各種不同形狀的噴射效果，射流的高低和角度

46、的變化，可根據(jù)水池形狀大小定。見圖2.4所示。 圖2.4 萬向直射噴頭示意圖，實(shí)物圖及效果圖 一些型號(hào)萬向直射噴頭數(shù)據(jù),見表2.1所示。 表2.1 部分萬向噴頭數(shù)據(jù)示例 噴頭型號(hào) 主要性能 連接管 安裝尺寸(mm) 水壓 (kpa) 流量 (m3/h) 噴高 (m) 直徑 DN(mm) 連接形式 A B KTB-117 43-67 0.6-0.8 1.6-3.5 15 內(nèi)螺紋 701 +40 KTB-115 47-77 1.5-2.0 3.4-5.0 20 內(nèi)螺紋 110 +40 KTB-104 49-96 2.5-

47、3.5 4.0-8.0 25 內(nèi)螺紋 130 +40 KTB-216 48-100 3.5-6.5 4.6-9.0 40 內(nèi)螺紋 170 60 KTB-105 50-120 5-7.5 5.0-9.5 50 內(nèi)螺紋 250 +60 KTB-118 90-160 12-15 7-12 65 內(nèi)螺紋 300 +60 2.1.4 控制面板 系統(tǒng)的控制面板圖見圖2.5所示。圖中分別是花樣選擇開關(guān)、啟動(dòng)、手動(dòng)、停止和自動(dòng)運(yùn)行開關(guān)。 圖2.5 花式噴泉的控制面板 2.1.5 噴泉水泵布局 噴泉水泵放置為圓形，圓的直徑約為6m，水泵1,

48、2,3,4,5,6,7依次排列在圓的一周，兩兩相隔約2.2m，水泵8放置在圓心。其布局圖見圖2.6所示。 圖2.6 噴泉水泵布局 2.1.6 彩燈布局 在本設(shè)計(jì)中噴泉要用8個(gè)彩燈，每一個(gè)水泵對(duì)應(yīng)一個(gè)彩燈。彩燈選擇混合彩色的品種，例如一個(gè)彩燈上的LED集合了紅、黃、藍(lán)、綠四種顏色，晚上能形成夢(mèng)幻效果。 因?yàn)閲娙貌薀舳际前惭b在水下所以對(duì)光線的要求高，對(duì)安全性能的要求也要很高，同時(shí)對(duì)使用壽命要求要長。LED水下燈能夠達(dá)到上述的要求，所以本設(shè)計(jì)選擇AC 220V LED水下燈。 對(duì)于彩燈的接線，由于每個(gè)水泵都是380V驅(qū)動(dòng)，由接觸器控制，則把每個(gè)彩燈對(duì)應(yīng)接到接觸器引出線的任意兩根線上，

49、彩燈的發(fā)光功率也水泵的功率而變化。由于接線簡單，這里不多做說明。 2.1.7 PLC控制接線圖 啟動(dòng)按鈕接入PLC的I124.0端子，停止按鈕接入I124.1端子，花樣1按鈕接入124.2端子，花樣2按鈕接入124.3端子，花樣3按鈕接入124.4端子，I125.0—I125.7接收開關(guān)量信號(hào)，Q124.0—Q124.4和Q125.0—Q125.2用于控制變頻器的輸出頻率選擇。PLC硬件連接圖如圖2.7和圖2.8所示所示。 圖2.7 PLC控制端子連接圖1 圖2.8 PLC控制端子連接圖2 2.1.8 變頻器控制接線圖 硬件連接見圖2.9所示，在變頻器8上，PLC輸出口Q1

50、25.0—Q125.2連接到變頻器DIN1—DIN3端子上，通過PLC輸出地開關(guān)量控制變頻器輸出預(yù)置的固定頻率，變頻器輸出地預(yù)置頻率由設(shè)置參數(shù)決定。這里只給出變頻器8連接示意圖，其余變頻器接線方法相同。 圖2.9 變頻器端子連接圖 第三章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 3.1 花式噴泉的PLC控制流程圖 花式噴泉的程序控制流程圖見圖3.1所示。 圖3.1 系統(tǒng)控制流程圖 如圖，通電后，進(jìn)入工作狀態(tài)。如按下啟動(dòng)按鈕，噴泉裝置進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)，若不按，則回到初始狀態(tài)。接著選擇噴水花樣，共三種噴水花樣可供選擇。如不選擇噴水花樣，系統(tǒng)則只保持通電狀態(tài)。如

51、按下花樣選擇開關(guān)，噴泉按照設(shè)定的程序開始運(yùn)行。如果按下停止按鈕，系統(tǒng)則停止運(yùn)行，如果不按停止按鈕，系統(tǒng)則按照選擇的花樣繼續(xù)運(yùn)行下去直到按下停止按鈕。 3.2 I/O模塊的選擇 本設(shè)計(jì)選擇SM332作為PLC的I/O模塊，其I/O接口都是配對(duì)模塊，I為輸入、Q為輸出。用于連接接觸器、燈和變頻器。 3.3 花式噴泉的I/O分配 噴泉的I/O分配見表3.1。 表3.1 花式噴泉的I/O分配表 輸入 啟動(dòng)按鈕 I124.0 停止按鈕 I124.1 花樣選擇開關(guān)1 I124.2 花樣選擇開關(guān)2 I124.3 花樣選擇開關(guān)3 I124.4 自動(dòng)運(yùn)行按鈕 I124.5

52、手動(dòng)運(yùn)行按鈕 I124.6 彩燈控制按鈕 I124.7 輸出 變頻器1 Q0.0 Q0.1 Q0.2 變頻器2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 變頻器3 Q0.6 Q0.7 Q1.0 變頻器4 Q1.1 Q1.2 Q1.3 變頻器5 Q1.4 Q1.5 Q1.6 變頻器6 Q1.7 Q124.0 Q124.1 變頻器7 Q124.2 Q124.3 Q124.4 變頻器8 Q125.0 Q125.1 Q125.2 接觸器KA1至KA8 Q2.0至Q2.7 接觸器KA9至KA18 Q3.0至Q3.7 3.4 西門子MM

53、420變頻器設(shè)置 一般涉及到的參數(shù)有：①電機(jī)參數(shù)，可參考電機(jī)銘牌，如電機(jī)額定的電壓、功率、電流、轉(zhuǎn)速等。②選擇控制電機(jī)啟動(dòng)、停止方式，如通過變頻器面板還是端子。③選擇變頻器運(yùn)行頻率控制方式，如變頻器面板、電位器（ 需設(shè)置對(duì)應(yīng)頻率范圍） 還是若干個(gè)固定頻率（ 通過變頻器端子選擇對(duì)應(yīng)頻率） 。④變頻器運(yùn)行最小、最大頻率，加、減速時(shí)間等。⑤變頻器控制方式。 在本系統(tǒng)中需要是設(shè)置的參數(shù)有： （1） P0010參數(shù)為“30”， P0970參數(shù)設(shè)定為“1”，——變頻器復(fù)位到工廠設(shè)定值 （2） P0003參數(shù)為“2”——擴(kuò)展用戶的參數(shù)訪問范圍 （3） P0700參數(shù)為“2”——由模擬端子/數(shù)字輸入

54、控制變頻器 （4） P0701參數(shù)為“17”——BCD碼選擇+ON命令 （5） P0702參數(shù)為“17”——BCD碼選擇+ON命令 （6） P0703參數(shù)為“17”——BCD碼選擇+ON命令 （7） P0704參數(shù)為“1”——正轉(zhuǎn)啟動(dòng) （8） P1000參數(shù)為“3”——固定頻率設(shè)定值 （9） P1001參數(shù)為“20”——固定頻率1為20Hz （10） P1002參數(shù)為“25”——固定頻率2為25Hz （11） P1003參數(shù)為“30”——固定頻率3為30Hz （12） P1004參數(shù)為“35”——固定頻率4為35Hz （13） P1005參數(shù)為“40”——固定頻率5為40H

55、z （14） P1006參數(shù)為“45”——固定頻率6為45Hz （15） P1007參數(shù)為“50”——固定頻率7為50Hz 變頻器由數(shù)字信號(hào)控制，將P0700參數(shù)設(shè)置為“2”，控制編碼形式為BCD碼，實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)水泵電機(jī)多段調(diào)速控制。變頻信號(hào)由PLC發(fā)出，接入變頻器為用戶提供的3個(gè)完全可編程的數(shù)字輸入端，3個(gè)數(shù)字輸入量控制變頻器的7種頻率輸出，通過參數(shù)設(shè)置7種不同的固定頻率。數(shù)字信號(hào)經(jīng)光電隔離輸入CPU，處理后通過逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。變頻器設(shè)置水泵正轉(zhuǎn)啟動(dòng)。數(shù)字輸入與對(duì)應(yīng)頻率如表3.2所示。 表3.2 數(shù)字輸入與對(duì)應(yīng)頻率 DIN1 1 0 1 0 1 0 1 DI

56、N2 0 1 1 0 0 1 1 DIN3 0 0 0 1 1 1 1 頻率值（Hz） 20 25 30 35 40 45 50 3.5 軟件的選用 本設(shè)計(jì)采用STEP 7軟件進(jìn)行編寫系統(tǒng)程序，該軟件主要有組態(tài)硬件；組態(tài)通信連接；使用編程語言編寫用戶程序；下載和調(diào)試用戶程序、啟動(dòng)、維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷等功能。功能強(qiáng)大，很適合用來編寫噴泉的控制程序。編程軟件界面見圖3.2所示。 圖3.2 軟件編程界面 本設(shè)計(jì)采用模塊化化程序，比線性化有更大的靈活性，繼承性。適用于比較復(fù)雜，規(guī)模較大的控制工程的程序設(shè)計(jì)。在FC1中編寫花樣1子程序，在FC

57、2中編寫花樣2子程序，在FC3中編寫花樣3子程序，在FC4中編寫音樂噴泉子程序，然后在OB1中編寫主程序并調(diào)用子程序。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3.3所示。 圖3.3 模塊化程序示意圖 3.6 系統(tǒng)主程序 圖3.4 系統(tǒng)主程序 I124.0為啟動(dòng)按鈕，負(fù)責(zé)啟動(dòng)。I124.1為停止按鈕，按下后，所有輸出斷電。I124.5為自動(dòng)運(yùn)行開關(guān)，當(dāng)按下I124.5的時(shí)候，系統(tǒng)按照花樣1.花樣2.花樣3的順序循環(huán)運(yùn)行。I124.6和I124.7分別為水泵和彩燈的控制開關(guān)。每個(gè)開關(guān)都為點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按下后自動(dòng)彈起。子程序FC1為花樣1子程序，F(xiàn)C2為花樣2子程序，F(xiàn)C3為花樣3子程序，F(xiàn)C4為音

58、樂噴泉子程序，F(xiàn)C5為自動(dòng)運(yùn)行子程序，F(xiàn)C6為手動(dòng)運(yùn)行子程序。 3.7 系統(tǒng)程序的可行性 本系統(tǒng)共有三種花樣可供選擇，因此程序分為七個(gè)部分，即一個(gè)主程序，六個(gè)個(gè)個(gè)子程序。如果要改變?yōu)槠渌膰娝绞剑恍枰膶懽映绦?，即可達(dá)到改變噴水方式的目的。本系統(tǒng)安全可靠，功能強(qiáng)大，安裝方便，因此適合于多種場(chǎng)所。而且噴水花樣豐富，觀賞性較強(qiáng)。 第四章 系統(tǒng)的仿真和調(diào)試 4.1 仿真軟件的選用 仿真PLC具有實(shí)際PLC所沒有的功能。首先，仿真PLC可以立即暫時(shí)停止執(zhí)行用戶程序，對(duì)程序狀態(tài)不會(huì)有什么影響；其次，仿真PLC由RUN模式進(jìn)入STOP模式不會(huì)改變輸出的狀態(tài)；再次，在視圖對(duì)象中的

59、變動(dòng)立即使對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中的內(nèi)容發(fā)生相應(yīng)改變。實(shí)際的CPU要等到掃描結(jié)束時(shí)才會(huì)修改存儲(chǔ)區(qū)；第四，仿真PLC可以選擇單次掃描或者連續(xù)掃描；第五，可使定時(shí)器自動(dòng)運(yùn)行或者手動(dòng)運(yùn)行，可以手動(dòng)復(fù)位全部定時(shí)器或復(fù)位制定的定時(shí)器；第六，仿真PLC可以對(duì)過程影像存儲(chǔ)器與外設(shè)存儲(chǔ)器的處理等。 本設(shè)計(jì)采用PLCSIM軟件進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，通過執(zhí)行用戶程序來檢查系統(tǒng)的功能。 4.2 系統(tǒng)的調(diào)試 啟動(dòng)按鈕按下后，M0.0，M0.4和M0.7得電，所有水泵接觸器閉合，中央音樂噴泉初始化，噴水最高，仿真見圖4.1所示。 圖4.1 啟動(dòng)仿真圖 當(dāng)按下I124.0啟動(dòng)按鈕后，按下手動(dòng)開關(guān)I124.6和花樣1選擇開關(guān)

60、I124.2時(shí)，M0.0得電，M0.1得電，子程序花樣1按照預(yù)定程序運(yùn)行。按下停止按鈕I0.1時(shí)，系統(tǒng)斷電。仿真圖見圖4.2所示。 圖4.2 花樣1仿真圖 花樣2仿真圖見圖4.3所示。 圖4.3 花樣2仿真圖 當(dāng)按下I0.0啟動(dòng)按鈕后，按下花樣2選擇開關(guān)I0.3時(shí)，M0.0得電，M0.2得電，當(dāng)M1.5得電的時(shí)候，Q1.4得電。按下停止按鈕I0.1時(shí),系統(tǒng)斷電。 花樣3仿真圖見圖4.4所示。 圖4.4 花樣3仿真圖 當(dāng)按下I124.0啟動(dòng)按鈕后，按下手動(dòng)開關(guān)I124.6和花樣3選擇開關(guān)I124.4時(shí)，M0.3得電，子程序3運(yùn)行。按下停止按鈕I124.1時(shí)，系統(tǒng)斷電。

61、 自動(dòng)運(yùn)行仿真圖見圖4.5所示。 圖4.5 自動(dòng)運(yùn)行仿真圖 按下自動(dòng)開關(guān)I124.5，M5.1得電后，子程序5運(yùn)行，系統(tǒng)安裝子程序5中的設(shè)定，循環(huán)導(dǎo)通M0.1，M0.2，M0.3，切換子程序循環(huán)運(yùn)行。按下停止按鈕I124.1時(shí)，系統(tǒng)斷電。 通過對(duì)本系統(tǒng)的仿真調(diào)試，可以看出，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕I124.0后，選擇手動(dòng)開關(guān)I124.6，手動(dòng)運(yùn)行。選擇自動(dòng)開關(guān)I124.5時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)按下停止按鈕I0.1時(shí)，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行，滿足預(yù)期要求。 第五章 WinCC組態(tài)與監(jiān)控 5.1 WinCC簡介 SIMATIC WinCC是第一個(gè)使用最新

62、的32位技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。功能強(qiáng)大，通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語言支持，全球通用 ；可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于Web持續(xù)延展，采用開放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡便；集成的Historian 系統(tǒng)作為IT 和商務(wù)集成的平臺(tái)；可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展 ；“全集成自動(dòng)化” 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。WinCC集生產(chǎn)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)了相互之間的整合，這在大量應(yīng)用和各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例中業(yè)已證明，包括：汽車工業(yè)、化工和制藥行業(yè)、印刷行業(yè)、能源供應(yīng)和分配、貿(mào)易和服務(wù)行業(yè)、塑

63、料和橡膠行業(yè)、機(jī)械和設(shè)備成套工程、金屬加工業(yè)、食品、飲料和煙草行業(yè)、造紙和紙品加工、鋼鐵行業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)、水處理和污水凈化。 5.2 WinCC組態(tài) 5.2.1 組態(tài)用戶項(xiàng)目 （1） 啟動(dòng)WinCC WinCC幾乎可以運(yùn)行在所有Windows平臺(tái)下，安裝好WinCC后，桌面會(huì)有一個(gè)“SIMATIC WinCC Explorer”的快捷方式，雙擊快捷方式進(jìn)入啟動(dòng)畫面。或者，在“開始”按扭下，通過“Siemens Automation”→“SIMATIC”→“WinCC”→“WinCC Explorer”啟動(dòng)WinCC資源管理器。 （2） 創(chuàng)建一個(gè)WinCC新項(xiàng)目第一次打開WinCC新項(xiàng)目

64、時(shí)候，將出項(xiàng)對(duì)話框，有3個(gè)選項(xiàng)，如圖默認(rèn)為選擇單用戶項(xiàng)目，單擊“確定”按扭。在彈出的對(duì)話框中定義新項(xiàng)目的名稱和儲(chǔ)存路徑后，進(jìn)入WinCC資源管理器。 （3） 添加PLC應(yīng)用程序?yàn)榱耸筗inCC能夠于PLC通信，需要選擇PLC驅(qū)動(dòng)程序，在此選擇SIMATIC S7 PLC。 ①右擊WinCC資源管理器的左邊子穿口中的“變量管理器”。 ②在彈出的菜單中，單擊“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”選項(xiàng)。 ③在“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”對(duì)話框中，選擇“SIMATIC S7協(xié)議集”，選擇的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒊霈F(xiàn)在變量管理器的下面。 ④創(chuàng)建一個(gè)新的連接，單擊顯示程序前方的圖標(biāo)，將顯示所有的可以同的通道單元。⑤右擊通道單元MPI

65、。⑥在彈出的菜單中，單擊“新建驅(qū)動(dòng)程序連接”選象。在輸入新建的名稱，如：S7-300。 (4） 變量在WinCC中，用變量來表示真實(shí)值，如灌水的水位，或者表示在WinCC中用來計(jì)算或模擬的內(nèi)部值。過程變量位于PLC或類似于驅(qū)動(dòng)器的存儲(chǔ)器中。內(nèi)部變量位于WinCC內(nèi)，提供于PLC相同的功能存儲(chǔ)單元，可以在計(jì)算中修改內(nèi)部變量。步驟是新建變量，然后設(shè)置變量屬性，最后指定在PLC中的地址。 新建的過程變量見圖5.1和圖5.2所示。由于WinCC對(duì)于輸入位是只讀的，無法進(jìn)行“寫“操作，所以在WinCC組態(tài)項(xiàng)目中，為了方便在WinCC界面進(jìn)行操作，所以要先把所有的輸入改為位寄存器，此次設(shè)計(jì)把I124所

66、有為改為M15的位。 圖5.1 WinCC中的過程變量1 圖5.2 WinCC中的過程變量2 （5） 創(chuàng)建過程畫面，默認(rèn)畫面名稱為“Newpdl.pdl”，顯示在WinCC資源管理器的右邊的窗口中。打開并進(jìn)行編輯，此次設(shè)計(jì)總共創(chuàng)建八個(gè)3D棒圖代表八個(gè)水泵的噴水高度，八個(gè)按鈕進(jìn)行控制，八個(gè)靜態(tài)文本提示。組態(tài)好的畫面見圖5.3所示。然后通過通過設(shè)置屬性或者通過組態(tài)對(duì)話框，使畫面中的對(duì)象與過程變量連接起來。 圖5.3 WinCC圖形畫面組態(tài) 5.2.2 WinCC與PLCSIM連接 WinCC與PLCSIM可以通過MPI網(wǎng)仿真，TCP/IP網(wǎng)仿真，以及通過PROFIBUS網(wǎng)進(jìn)行仿真，此次選擇MPI網(wǎng)絡(luò)仿真。遵循以下步驟： （1） PC/PG端口選擇：STEP7選PLCSIM（MPI），WINCC選MPI（WinCC）――＞PLCSIM（MPI）。 （2） 先在STEP7V5.5軟件編好控制程序。打開S7-PLCSIMV5.4軟件，在出來的窗口中勾下面的那個(gè)選項(xiàng)，點(diǎn)第二個(gè)選項(xiàng)，選擇打開STEP7V5.4程序的項(xiàng)目。 （3） 下載程序并運(yùn)行。 （4） 打開WINC