花样喷泉控制系统设计与实现
1 引言
花样喷泉是人工环境中最富有生命力的喷泉,它具有分隔空间、增加层次、净化空气美化环境的作用。现代高科技把美妙的音乐、多姿的喷泉造型、五彩缤纷的水下灯光、神奇的激光图文，通过电脑有机的结合在一起，给人以音乐声响、视觉形象、色彩变换三位一体的超自然享受。随着我国人民物质生活水平的不断提高，对于精神生活的要求也在不断提高，为进一步改造环境景观，建设一个喷泉是很有必要的。随着科学技术的不断发展和生活水平的不断提高，尤其是喷泉在城市和社区环境建设中起着尤其重要的作用。
我国在上世纪八零年代之前，喷泉还只不过是园林造景和建筑给排水专业的一个技术小细节，从设计到产品制作，工程安装都没有形成规模。只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的。上世纪八零年代以后，由于国内经济的恢复和发展，老百姓生活、消费水平的增长，很多城市的园林、城建主管部门在城市建设、发展的进程中，以及在环境的改造和文化气氛的创作上对花样喷泉提出了推陈出新的搞标准，一部分建筑、水利的设计院、园林、研究所和高等院校，配以当时先进的单片机技术，融合了给排水、土建结构、机电控制等成熟的喷泉专业技术，再通过直流电机调速和电磁阀实行控制变量，创造出了一大批优秀的水景，喷泉作品。获得了非常好的社会反响和经济效益[1]。与此同时，部分喷泉设备的专业制造厂和企业也开始探索、发展，这些新兴团体为我国花样喷泉的专业化发展贡献了新鲜的活力和力量，并打下了坚实的基础。
上世纪九零年代以来，随着我国城市建筑与环境建设加快速度，以及社会主义市场经济的快速发展，老百姓对于高品质的精神文化生活和优美的生活环境有了更高的追求。在市场对于喷泉行业提高需求的推动下，花样喷泉水景不再是公园、广场和园林的专属建筑，它已深入遍及到人们的大多数社会、娱乐、生活活动场所中来。许多花样喷泉专业的制造厂商和专业企业，于这几年内相继成立，快速发展起来。相关专业技术科研人员结合声、电、光、雾、激光、火、音乐、水幕电影等学科的技术，同时把计算机科技、信息科技应用到喷泉之中，这些新技术的集合与发展把喷泉行业的技术水平送进了一个更高的阶层，拓展了喷泉的应用空间，这又使得喷泉专业与商业行业得到了迅速发展。同时中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会在2001年成立了中国水景喷泉专业委员会，该组织主要为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、企业提供服务，从而促进花样喷泉行业蓬勃有序而健康良好地发展。一些高等学院也开设了水景、喷泉专业及相关课程，这为喷泉行业的今后发展提供了专业化得知识储备。喷泉行业的蓬勃发展进入到一个崭新的阶段。
国内在二十世纪八十年代以前，喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细
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节，从设计到产品制作，工程安装都没有形成规模。只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的。二十世纪八十年以后，随着国民经济的恢复和发展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造的过程中，以及环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了求新的要求，一部分建筑、园林、水利的设计院、研究所及大专院校，综合了土建结构、给排水、机电控制等传统的专业技术，加上当时先进的单片机，通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出一批喷泉、水景。得到了良好的社会反映和社会效益。在这个时期，一些喷泉设备专业加工厂和公司开始组建、发展，为喷泉的专业化发展提供了力量，打下了基础。
二十世纪九十年代以后，社会主义市场经济快速发展，全国城市建设速度加快，人们也追求高质量的文化生活和环境美。市场的需求推动了喷泉行业的发展。喷泉走出公园、园林的围墙和广场的中心，深入延伸到人们的各个社会活动场所。许多喷泉专业的生产厂商和专业公司，在这段时间内应运而生，迅速发展起来。专业技术人员把计算机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中，把喷泉行业的技术水平推上了一个新的层面，开拓了广阔的应用空间，喷泉行业得到了快速发展[15]。2001年中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会成立了水景喷泉专业委员会，行业组织为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、公司提供服务，促进喷泉行业健康有序地发展。一些大学和中专的建筑、园林专业也开设了水景、喷泉课程，为喷泉行业的今后发展提供了知识储备。喷泉行业的发展进入到一个新的阶段[2]。
花式喷水池是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物。随着可编程控制器在我国的迅速发展，对花式喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需要可编程控制器来实现。
喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头洒出来具有一定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。现代城市中的喷泉形式已十分丰富。随着构筑物的大小及水压等的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈。喷泉景观概括来说可以分为两大类：一是因地制宜，根据现场地形结构，仿照天然水景制作而成，如：壁泉、涌泉、雾泉、管流、溪流、瀑布、水帘、跌水、水涛、漩涡等。二是完全依靠喷泉设备人工造景。这类水景近年来在建筑领域广泛应用，发展速度很快，种类繁多，普通喷泉分音乐喷泉、程控喷泉、旱地喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、趣味喷泉、激光水幕电影、超高喷泉等。
现代喷泉技术日新月异，并出现了很多新的技术：
漂浮式：整座水景喷泉的管道系统全部安装在浮箱上，所以喷泉设备的运行不受季节性水位高低的影响。漂浮式喷泉制作、安装工艺技术性强，但维护方便，易于保养。在大型自然湖泊或各种人工湖中广泛应用。
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跑泉：多个喷头，按时序控制，构成各种形态瞬时变化的水型。可以形成跑动、跳动、波动等形状，又可以成固定造型的喷水形态，气势雄伟，变化多端。
水幕激光：采用特殊的入映机播放，使用的影片也是专门为水幕电影特制的影带。由于电影的屏幕是透明的水膜，因此在电影播放时会有一种特殊的光学效果，屏幕的视觉穿透性可使画面具有一种立体感，影片的内容可与水面巧妙的结合，更有一种身临其境般的奇幻感觉。
在喷泉得到广泛应用的过程中，也出现了一些问题和不足，有些认识上的误区和不良倾向应该引起人们的重视。否则将对喷泉行业的健康发展产生负面影响。
（1）方案设计上的盲目性，往往导致作品成为败笔，使作品难于长久存在。 （2）细部设计的不合理直接影响作品效果。
（3）质次价高的伪劣产品直接影响着有关厂商和公司的信誉。 （4）节能、节水、环保问题应引起足够的重视。
喷泉的水造型是通过细部设计来实现的，机、泵、管、阀门、喷头的合理选配，直接影响着喷水效果。有些喷泉的设计，只注意了流量、工作压力等技术指标，忽视了流态效果这个重要因素，水造型效果差。而目前的一些超高水柱，水柱密实段短，破裂段和雾化段长，水柱直径与喷水高度相比显得细小单薄，抗风能力差，水柱很容易被吹散飘移，这就是有关参数选配不合理所致。在整体水造型的组合效果上也存在差类似的问题。细部设计不合理，是技术经济指标差的表现，需要在设计阶段给予解决。
喷泉是耗能的景观工程，在保障设计效果的前提下，尽可能地节约能源，这在方案设计阶段时就应该进行量体裁衣的设计[14]。我国是一个缺水的国家，节水是基本国策，喷泉要提倡循环用水，设计时应考虑减少喷水的雾化，飘移损失。循环用水系统应该有过滤净化装置，现在有许多旱喷泉，喷水很容易把地面上的泥土、脏物冲入地下水池，水质极易污染，搞好池水净化，延长池水使用周期，用过的池水可以浇灌周边的草坪、绿地，既节约了用水，又有环保的功能。
随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，其应用越来越广。而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。其中花样喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。园林中的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。
电气控制与PLC课程设计是电气自动化技术专业一个重要的实践性教学环节，通过课程设计达到掌握电气控制柜的原理设计、安装工艺图纸设计的基本方法，并能达到熟
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练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，熟练地进行系统外围电路设计、接线、编程、调试等工作。
随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在许多城市的市民广场、单位居民生活区里都能看到各种形式的喷泉。随着科学技术突飞猛进的发展，在喷泉工程中采用了大量的高新技术，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有种愉悦的感受。从而使喷泉效果更多绚丽多彩，阿罗多姿，令人赏心悦目、流连忘返。
2 系统设计要求及设计方案
本文根据生活当中出现的一些情况，以花式喷泉为研究对象，结合了大量资料及文献，研究花式喷泉的控制问题，整理出一套可行性较高的喷泉控制系统。
本系统的研究内容主要包括了喷泉的发展情况及所存在的一系列问题；喷泉控制系统的组成；花式喷泉的控制任务和要求；花式喷泉的硬件配置以及软件的设计，再通过仿真软件来实现[3]。
2.1 系统设计的基本步骤
本设计布局如图1所示。在图1中，4为中间喷水管，3为内环状喷水管，2为一次外环形状喷水管，1为外环形状喷水管。
图1 花式喷泉池示意图
本课题在花式喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：
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（1）深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。
（2）确定I/O设备。根据花式喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。 （3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。
（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出端子 的接线图。
（5）设计花式喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图。 （6）程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。
（7）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善[13]。
2.2 系统控制原理及要求
喷泉控制系统由启动控制程序、位移脉冲控制程序、位移及复位控制程序、驱动控制程序组成。通过位移脉冲控制程序实现子元件中的内容在存储器间的移动，通过复位控制程序实现喷泉花样的循环，通过驱动控制程序实现喷泉的喷射。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机[4]。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC：因为有4层喷水，因此用了1个变频器控制4个水泵。花式喷泉控制系统的原理如图2所示。
按钮开关信号PLC变频器水泵电源 图2 花样喷泉控制系统原理图
图3为本课题系统控制流程图。
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