基于PLC的花樣噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王蕊 張孝元 傅建平 李宗昊

摘要 花樣噴泉是近幾年來在園林藝術(shù)、工程建筑和景觀觀賞中所產(chǎn)生出的一項(xiàng)設(shè)施。本文以花樣噴泉的模型為研究對(duì)象，并選擇S7-200系列PLC對(duì)噴泉控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。本文做出了三套噴射方案并完成了噴泉模型控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)，最后利用噴泉實(shí)物模型進(jìn)行了調(diào)試并修改。本設(shè)計(jì)改進(jìn)了以往噴泉控制系統(tǒng)的諸多缺點(diǎn)，提升了噴泉的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】花樣噴泉 PLC 自動(dòng)控制

1 引言

花樣噴泉是一種供人們欣賞娛樂的優(yōu)美水造型景觀，是通過人工設(shè)計(jì)并建造的可噴射出樣式繁多、姿態(tài)優(yōu)美的水柱造型的整體型噴射裝置。在現(xiàn)代的園林藝術(shù)中，除了植被景觀外，花樣噴泉也成為了大型公共娛樂設(shè)施中非常關(guān)鍵的組成部分。它不僅可以用水來表現(xiàn)藝術(shù)，在動(dòng)靜結(jié)合之余，還能渲染清新活潑，與自然、生命和諧相處的氣氛，讓人們體驗(yàn)自然之美。與此同時(shí)，在改善空氣質(zhì)量方面，花樣噴泉還可以增加空氣中的濕度、降低環(huán)境溫度，吸收廢氣等。花樣噴泉在大型公共娛樂設(shè)施中備受人們青睞，它在人們?nèi)粘Ｉ钪兄幸舱加信e足輕重的地位，它還可以給大家們帶來悅目娛心的感覺。因此，花樣噴泉控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題就成為一項(xiàng)重要的研究課題。本文花樣噴泉控制系統(tǒng)是基于可編程控制器設(shè)計(jì)的，該控制系統(tǒng)具備著配置合理、自動(dòng)化水準(zhǔn)高、可靠性強(qiáng)、設(shè)計(jì)周期短、操縱和維護(hù)簡便等許多優(yōu)點(diǎn)。

2 花樣噴泉系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的花樣噴泉系統(tǒng)中共有編號(hào)從1-20的20個(gè)噴射口，這些噴射口形成一個(gè)五角星形狀。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 花樣噴泉系統(tǒng)的工作過程

本文針對(duì)該花樣噴泉設(shè)計(jì)出三套不同的控制方案，每一套方案都需先觸發(fā)啟動(dòng)按鈕和相應(yīng)的方案開關(guān)，設(shè)備才開始工作，觸發(fā)停止按鈕，設(shè)備停止工作。具體工作過程如下：

方案1：首先1、2、3、4、5開始噴射，2S后6、7、8、9、10、11、12、13、14、15開始噴射，再過2S后16、17、18、19、20開始噴射，4S后全部停止，如此循環(huán)下去，形成從外到里三層交替噴射的效果。

方案2：首先1、2、3、4、5開始噴射，1S后停止，然后6、7、8、9、10、11、12、13、14、15開始噴射，1S后停止，然后16、17、18、19、20開始噴射，1S后停止，然后全部開始噴射，1S后全部停止，如此循環(huán)下去，形成從外到里三層依次噴射的效果。

方案3：首先l和6噴射、16和15噴射、5和14噴射、20和13噴射、4和12噴射、19和11噴射、3和10噴射、18和9噴射、2和8噴射、17和7噴射，然后1、6、16. 15.5、14. 20. 13.4、12. 19. 11.3、10、18、9、2、8、17、7依次開始噴射，然后1、6、16、20、13、4、12、19、18、9、2、8、17、 16.、15、5、14、20、 19、 11、3、10、18、17、7依次噴射，然后全部開始噴射，如此循環(huán)下去，形成兩輛噴射完成之后從五角星頂點(diǎn)開始逆時(shí)針依次噴射，然后五條邊依次噴射，最后全部噴射的效果。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 選配PLC型號(hào)

4.1.1 I/0點(diǎn)數(shù)的估算

在選擇PLC型號(hào)前需約算一下本設(shè)計(jì)中所需要的I/O數(shù)目，并留出15～20%的余量，才能大致確定所需PLC的型號(hào)。根據(jù)方案可知，本次設(shè)計(jì)所需的I/O點(diǎn)數(shù)約為輸入5點(diǎn)，輸出20點(diǎn)。

4.1.2 PLC功能結(jié)構(gòu)的選擇

PLC的結(jié)構(gòu)有三種，分別是整體式、模塊式和疊裝式。本文的花樣噴泉控制系統(tǒng)是小型的、集中的控制系統(tǒng)，因此本文可選取的PLC結(jié)構(gòu)是整體式或疊裝式。

4.1.3 儲(chǔ)存容量估算

開關(guān)量輸入元件：15B*5=75B

開關(guān)量輸出元件：10B*20=200B

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：2B*8=16B

通信接口：300B*1=300B

總占用空間= （75+200+16+300）*130%=769B

綜上所述，本次設(shè)計(jì)選擇西門子S7-200系列CPU224型號(hào)的PLC，此PLC含有14個(gè)輸入及10輸出端。

4.2 擴(kuò)展模塊的選擇

由于所選PLC本身的I/O點(diǎn)數(shù)不足，需對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，表1為各擴(kuò)展模塊參數(shù)。

綜合成本因素本文最終選擇EM223-1BL22-OXA8的擴(kuò)展模塊。

4.3 輸入/輸出元件的選擇

輸入信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，本文選擇微動(dòng)開關(guān)：

輸出信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，本文選擇發(fā)光二極管代替噴頭電磁閥。

4.4 花樣噴泉控制系統(tǒng)的I/O分配表如表2所示。

4.5 花樣噴泉控制系統(tǒng)的端子接線圖如圖2所示。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)控制流程圖

如圖3、圖4、圖5所示，本文根據(jù)花樣噴泉控制系統(tǒng)的三套方案分別畫出了方案流程圖。

5.2 系統(tǒng)控制梯形圖

按照輸入輸出分配表，利用STEP7-Micro/WIN32軟件編寫了梯形圖，并利用制作的花樣噴泉模型的進(jìn)行了調(diào)試和修改，最終實(shí)現(xiàn)了該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。如圖6、圖7所示。

6 結(jié)論

本文對(duì)花樣噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩大部分，在硬件部分選擇了控制器的型號(hào)，選擇了擴(kuò)展模塊的型號(hào)，輸入輸出元件和電源等等，列出了與之對(duì)應(yīng)的I/O分配表，并畫出了外部連線圖;在軟件方面，畫出了方案流程圖，編寫了程序梯形圖，最后進(jìn)行了調(diào)試，并加以修改完善，從而確保了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了花樣噴泉模型的控制目的。通過實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)可以大大提高噴泉控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且操作簡單，使用方便。

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