花样喷泉控制系统设计与实现
开始系统启动按 钮是否按下？选择1号喷水方式选择2号喷水方式选择3号喷水方式选择4号喷水方式系统停止按 钮是否按下？是否处于连续状态？结束 图 3 系统控制流程图
要求完成以下控制要求：
（1）按下启动开关，喷泉控制装置开始工作，按下停止开关，喷泉控制装置停止工作。
（2）喷泉的工作方式由花样选择开关和单步、连续开关决定。
（3）当单步、连续开关在单步控制时，喷泉只能按照花样选择开关设置的方式运
6
花样喷泉控制系统设计与实现
行一个循环。
（4）花样选择开关用于选择喷泉得喷水花样，现考虑4种喷水花样。
1）花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延迟3s后，3号喷头喷水，再延迟3s后，2号喷头喷水，又延迟3s后，1号喷头喷水。18s后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。
2）花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，1号喷头喷水，延迟3s后，2号喷头喷水，再延迟3s后，3号喷头喷水，又延迟3s后，4号喷头喷水。30s后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。
3）花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1号、3号喷头同时喷水，延迟3s后，2号、4号喷头同时喷水，1号、3号喷头停止喷水。如此交替15s后，4组喷头全喷水，30s后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。
4）花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1-2-3-4的顺序，以此间隔2s喷水，然后一起喷水。30s后，按照1-2-3-4的顺序，分别延迟2s依次停止喷水。再经过1s延迟时，按照4-3-2-1的顺序，依次间隔2s喷水，然后一起喷水。30s后停止。如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。
3 花样喷泉控制系统硬件设计
在PLC系统设计时，本课题第一步确定了控制方案，第二步工作是就PLC工程设计来进行选型。而工艺流程的应用要求和特点是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的控制要求、特点，控制任务和范围确定所需的喷泉操作和动作，然后根据控制要求，估算花样喷泉输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
3.1 系统硬件结构图
PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。
现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单
7
花样喷泉控制系统设计与实现
系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。
综上所述，在各种环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。
具体的内部结构图如图4所示：
图4 系统硬件结构图
PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。
3.2 硬件设备设备选型
本课题需要对主控制器、变频器、水泵、喷头、筏等需要的硬件设备进行逐一选择。
3.2.1 主控制器的选择
此方案采用西门子300系列PLC作为主控制器。S7-300PLC是中型的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-300PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能[5]。S7-300PLC可提多种CPU可供选择使用，并且体积小，功能强、可靠性高，灵活性强和可扩展性的特点通过改变喷泉的控
8
花样喷泉控制系统设计与实现
制程序或改变方式选择开关，就可以改变花式喷泉的喷水规律，从而变化出很多花样，同时，PLC具有很强的自诊断功能，迅速方便的检查出故障，缩短检修时间，因而确保控制系统的可靠性，稳定性。
基于本设计的控制要求，本设计采用S7-300 CPU315-2DP的PLC。该PLC属于中型PLC，功能强大，控制能力好，性价比高。从而达到对喷头流量的控制，产生各种方式的喷水花样。本设计选择SM332作为PLC的I/O模块，其I/O接口都是配对模块，I为输入、Q为输出。用于连接电磁阀、接触器、小型电机、灯和电机起动器。
3.2.2 变频器的选型
变频器选型时要确定以下几点：
（1）采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。
（2）变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
（3）变频器与负载的匹配问题：
? 电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
? 电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对
于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
? 转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生。
本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水的高度。我选用的是FR-S520（E）系列变频调速器[7]。工频（50Hz）是发电的最佳频率此变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。主要采用交——直——交方式（转差频率控制变频），先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。整流部分为三桥式不可控整流器，逆变比分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
3.2.3 水泵的选择
水泵的种类根据不同的要求，分类比较多；大致有卧式水泵和潜水泵。但都是根据各自对水泵的扬程、流量、使用的场合、能耗比、性价比等来选择合适自己水泵。
根据本课题的要求，选择采用潜水泵。因为潜水泵是放置在水下，因此不需要泵房，这样可以降低造价[8]。而且潜水泵能耗低，体积小，重量轻，不需灌引水，使用维护及管理方便，并且达到了节约水资源的目的，具有卧式水泵所不具有的优点，可以适应喷
9
花样喷泉控制系统设计与实现
泉的喷水要求。
从该喷泉所需的扬程、流量、水质、价格等方面考虑该喷泉选择QS系列的潜水泵，如图6所示。QS系列潜水泵体积小、性能可靠，机泵一体、潜入水中运行主要优越性是：运行可靠、经久耐用、使用方便、功率大、故障少，维修费用低等。流量：10-250（m3/h）。杨程：5-140（m）。
本设计采用上海申一水泵制造有限公司生产的QY型油浸式潜水泵。QY型油浸式潜水电泵是由充油式潜水电机与离心式水泵同轴联接组成。符合JB/T8092-1996标准规定，产品取得全国生产许可证。具有泵电一体，结构紧凑；无需引水、使用简便；双端密封、电器保护；设计合理、性能优良等特点。水泵的使用条件是潜水深度不超过5米；水温不超过+40℃；PH值应在5-9之间，因此，很适合用本设计的要求。
3.2.4 喷头的选择
喷泉的喷头分为可调直流喷头、涌泉喷头、集束喷头、旋转喷头等等，种类繁多，喷出的水型也各不相同。本设计采用的是集束喷头，该喷头由多个直流喷头组合而成，直射喷头口径大小可确定喷头的出水量及高度，它可以作为整个喷泉的主喷（喷泉最高点），也可以由多个集束喷头组合成不同的排列。本文采用的集束喷头是中间小，四周大的喷头组合方案[9]。中间的小喷头在同样的压力下，喷出的水柱较之周围的大喷头要高，要细，可达到最佳的视觉效果，见图5。
图5 喷头的样式及喷水示意图
中间部分为装饰物。左图为喷头的设计方案图，每个喷头的设计方案都是相同的，中间4个小圆形图案为小喷头，外部4个大圆形图案为大喷头；右图为喷泉喷水方式示意图，4个大喷头喷出的水柱更粗更低，这样看起来更有层次感。
3.2.5 阀的选择
喷泉常用的阀门有球阀、蝶阀、闸阀、止回阀、水下液压阀、水下电磁阀、 水下
10