毕业设计(论文)-PLC花样音乐喷泉设计

毕业设计（论文）
（说明书）
题目：花样音乐喷泉
姓名：
编号：
平顶山工业职业技术学院
2008年月日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
姓名
专业应用电子技术
任务下达日期年月日设计（论文）开始日期年月日设计（论文）完成日期年月日设计（论文）题目：
A·编制设计
B·设计专题（毕业论文）
目录
摘要 (2)
目录
第一章喷泉概述
1.1 喷泉的意义 (3)
1.2 喷泉的发展 (3)
1.3 喷泉的种类 (4)
1.4 喷泉的设计 (5)
1.5 喷泉设计涉及的知识领域 (5)
第二章花样喷泉设计方案
2.1 音乐喷泉设计示意图和效果图 (7)
2.2 音乐喷泉控制要求 (8)
2.3 喷泉设备使用简介 (9)
第三章PL C、电磁阀、水泵等简介
3.1 PLC简介 (10)
3.2 电磁阀简介 (14)
3.3 水泵简介及型号的选择 (18)
3.4 彩灯简介 (22)
第四章花样喷泉设计
4.1 PLC型号的选择 (23)
4.2 PLC编程注意事项 (24)
4.3 花样喷泉I/O分配 (25)
4.4 PLC外部接线图 (26)
第五章软件设计
5.1系统程序设计 (27)
致谢 (28)
参考文献 (29)
摘要
进入了21世纪，随着人们生活水平的提高和建立绿色城市的向往，音乐喷泉以其独特的魅力和特殊的功能，愈来愈成为休闲娱乐产业中的一项重要产品,音乐喷泉的兴建也越来越多。

根据目前音乐喷泉的发展现状，完成了小型音乐喷泉系统硬件结构设计和控制系统设计。

控制系统的原理是利用可编程控制器PLC来控制喷泉的功能，分级控制单相电动机，最终达到控制喷头流量的方法。

采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制喷泉。

音频信号还影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。

从而使灯光色彩、灯光的闪烁和喷泉水姿随音乐节奏而变化。

音乐喷泉是通过千变万化的喷泉造型，结合五颜六色的彩光照明，来反映音乐的内涵及音乐的主题，一座好的音乐喷泉，水形的变化应该能够充分地表现乐曲。

音乐表演喷泉是在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，计算机通过对音频及MIDI信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步，从而达到喷泉水型、灯光及色彩的变化与音乐情绪的完美结合，使喷泉表演更加生动更加富有内涵。

音乐喷泉：可以根据音乐的高低起伏变化。

用户可以通过PLC编程程序在编辑界面编写自己喜爱的音乐程序，来自由控制喷泉的效果。

播放系统可以实现音乐、水、灯光气氛统一，播放同步。

本设计课题旨在设计的过程中，培养广泛的学习兴趣，涉及更多的知识领域，无论是在课本的学习中所学到的还是在其他的资料中所参考得到，都要把它变成自己的知识加以巩固和学习，从而达到设计的初衷。

关键词：可编程控制器（PLC）、水泵、电磁阀、音乐喷泉
第一章：喷泉概述
喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。

现代的喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体。

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。

随着人们生活水平的提高，为了造景需要，现已成为建造在园林、城市街道、广场和公共建筑具有装饰性的喷水装置。

1.1喷泉的意义
喷泉对于城市环境具有多种价值，不仅能湿润周围空气、清除尘埃，而且能
通过水珠与空气的撞击产生大量对人体有益的负氧离子，因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心身体健康；同时，婀娜多姿的喷泉造型，随着音乐欢快跳动的水花，配上色彩纷呈的灯光，既能美化环境、提高城市文化艺术面貌，又能使人精神振奋，给人以美的享受。

喷泉从其外形可分为水泉和旱泉，其类型有普通装饰性喷泉、与雕塑结合的喷泉、水雕塑、自控喷泉，控制方式可分为手控、程控、声控。

水姿多样，富于变换，创造无穷意境。

因此，喷泉在建筑、园林、旅游事业中，受到了广泛的重视。

喷泉是水的艺术、水的文化。

1.2喷泉的发展
随着时代的发展，科技水平的提高，城市的喷泉设备已经十分先进，各种音乐喷泉、程控喷泉、激光喷泉已经层出不穷，变化多端。

规模可大可小，射程可高可低，喷出的水，大者如珠，细者如雾，变化万千，引人入胜。

喷泉，使静水变为动水，使水也有了灵魂，又辅之以各种灯光效果，使水体具有丰富多采的形态，可以缓冲、软化城市中“凝固的建筑物”和硬质的地面，以增加城市环境的生机，有益与身心健康并能满足视觉艺术的需要。

大型城市广场中的人工动态喷泉，也多来自自然的种种水态，如瀑布、叠水、水帘、溢流、溪流、壁泉等，随着科学技术的发展进步，各种喷泉真是花样翻新、层出不穷，几乎达到了人们随心所欲创造各种晶莹剔透、绚丽多姿动态水景的程度。

喷泉在当今时代，已经形成了一道独特的人文景观。

喷泉发展到今天，已经广泛应用于城市中心、广场、车站、公园、房地产及各种公共场所。

它不仅起着美化城市环境，提高广场、车站、公园等公共场所的品味，还以独特多变的动感造型，改善人们的居住环境，因而在现代环境的设计中被广泛采用。

1.3喷泉的种类
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。

音乐喷泉由计算机控制，集声、光、色为一体，喷头灯光伴随着优雅的乐曲，梦幻般的起伏，交叉生辉，构成一幅五彩缤纷、优美动人的场景，热烈欢乐的水姿，令人心旷神怡，叹为观止，留恋忘返。

1.程控喷泉是按照预先编辑的程序变换喷水造型和灯光色彩强弱变化的喷泉，可实时显示各个喷泉的工作状态和灯光状态，以及水泵和灯光的故障指示，程序一般可以随时修改，也可储存多种程序，随意调用。

旱地喷泉是在水喷泉的基础是进一步完善的，旱地喷泉地表清洁整齐，喷头和灯光设置在盖板下端，不喷水时表面平整阔广，喷水时，水柱通过盖板筚子或花岗岩辅装孔喷出，既是广场休闲，又能观赏喷泉，一举两得。

2.跑动喷泉由数码控制阀、电脑控制有机结合，是音乐喷泉中的重要组成部分。

多个一线排列的喷头，按使序控制喷水，构成各种形式喷水瞬间变化的喷泉。

可形成跑动形态，还可构成各种跳动、波动等形态，水柱跑动自如灵活，给人以欢快流畅的感觉，带来美的享受。

3.光亮喷泉是一种新型的喷泉装置。

灯光和喷头科学结合，水流通过光源反射，喷出的水柱透明光滑，具有较高的艺术品位和观赏效果。

如果安装个数多于两个可追逐、跟踪等功能，程序可根据用户需要编制。

4.游乐喷泉是可供人游乐、玩耍参与其中的喷泉，也可以称作戏水喷泉，如：戏水踏泉、迷宫喷泉、环型跳泉、水击球赛、跳舞喷泉等，形式多种多样，娱乐性和参与性极强，给人以欢快流畅的感觉，带来美的享受。

水幕电影主要由水幕发生器、投影机（放影机）组成。

水幕高达20余米，宽30-50米，各种VCD光盘或水幕专用影均可在水幕上播放，影视效果奇特、新颖并是极佳的广告宣传工具，各种广场及阔旷的水面均可安装水幕电影。

5.超高喷泉一般指喷水高度在百米以上的喷泉，也常常称为百米喷泉水柱从湖面一跃而起，迅速升至百米高处，从远处望去，犹如一条从湖中喷薄而出的巨龙。

同时，百米喷泉还配有灯光和激光，气势磅礴辉煌、壮丽。

1.4喷泉的设计
喷泉系统设计，就是为喷泉立"意"。

如果说立"意"是喷泉的灵魂，那么，运
用先进的科学技术进行喷泉设计则是艺术的表现手段。

喷泉的设计主要包括以下几个部分：一场地设计二供水设计三喷头设计四灯光设计五控制设计
1.场地设计是喷泉景观所在的地方要在人们休闲娱乐的地方，喷泉选址和几何尺度的确定必须服从环境的整体要求和规划
2.供水设计喷泉一般都采用自循环方式。

进水管的设计要求在较短时间内能充满水池。

管路与潜泵应贯彻结构紧骤、独立供水的原则，以便设备布局和系统的调试与控制
3.喷头设计是喷泉的喷头选择，喷泉喷头一般有三种基本类型：直流式、水膜式和雾化式。

不同类型喷头的排列与组合，可以构造出千姿百态的喷泉形式。

4.灯光设计喷泉的色彩来自两种光源，一种是水下彩色光源，另一种是水面外的投射光源。

水下光源安装在喷头附近的水面下，投射光源则根据水形与流向确定其安装位置和照射方向。

5.控制设计喷泉系统的控制方式通常有手动控制、程序控制和音乐控制三种。

手动控制喷泉缺乏变化，但成本低廉。

程序控制喷泉有丰富的水形变化。

音乐控制喷泉采用无级调速控制，将音乐与水形变化完美结合，同时给人们以视觉和听觉的享受。

1.5喷泉设计涉及的知识领域
1. PLC
可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC, 是一种以微处理器为基础、带有指令存储器和输入输出接口、综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的新一代工业控制装置。

在音乐喷泉的设计中，它起到核心作用，对于喷泉的水泵和电磁阀控制，都得用到PLC技术，因此，对于它的介绍将在下面的章节中涉及到，在这里不再赘述。

2. 电磁阀
电磁阀来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。

电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压缸控制，所以就会用到电磁阀。

电磁阀的工作原理将在下面的章节中所涉及。

3. 水泵
水泵顾名思义就是让喷泉的水扬到空中，再通过PLC的变频技术控制水泵
的转速，以达到预期效果，再加上和电磁阀的配合，给人一种强烈的视觉冲击和愉悦的心情。

水泵的种类繁多，在这里不再一一介绍。

4. 彩灯等其它
要想设计一个完美的音乐喷泉，各方面的附属器件也是不可缺少的，例如：彩灯和音响等，彩灯使喷泉看上去更华美鲜艳，让人赏心悦目。

音响则使人在眼睛欣赏喷泉的同时，听觉上也给人以享受
第二章：控制方案及要求
2.1 音乐喷泉设计示意图和效果图
如图2-1所示为喷泉设计的示意图
图2-1 喷泉设计示意图
注：图中喷头除A层表示一个外，其余层一个表示5个喷头，彩灯除A层表示一个外，其余层一个表示5盏彩灯电磁阀除A层表示一个外，其余层一个表示5个电磁阀，水泵，一个表
示1台。

如图2-2所示为喷泉设计效果图：
图2-2 喷泉设计效果图
2.2 音乐喷泉控制要求
如图2-1所示，喷泉共四层，有A,B,C,D四组喷头。

按下启动按钮，中心层A喷60S，当A喷到10S的时候，B组喷头开始喷水，当A喷水到20S的时候，C组开始喷水，当A喷到30S的时候，D组开始喷。

A,B,C,D四组全部喷出后，再喷30S后全部停止5S,5过后，C组先喷10S，当C组喷到5S的时候，B组开始喷5S，B开始喷到1S的时候，A喷出，A喷出4S后，全部停止。

全部停止2S后，整个喷泉实现前面的过程循环。

另外，喷泉喷出的水柱高低变化也能增加喷泉的观赏性，本设计中，中心层A的喷射高度为10M，B层水柱为7M，C 层水柱喷射高度为4M，D层水柱为2M ，按照依次递减的水柱高低变化，以增加喷泉的层次感，在整个喷泉的喷射过程中，再加上动感的音乐，将使欣赏带来
多种感官上的享受。

2.3 喷泉设备使用简介
喷泉共分为四层，设备分布如下：
喷头→A层1个，B层10个，C层20个，D层50个。

电磁阀→A层1个，B 层5个，C层10个，D层25个，本设计中除A层外，其余是一个电磁阀控制两个喷头。

彩灯→A层1个，B层10个，C层20个，D层50个。

水泵→A层1台，B层2台，C层4台，D层10台。

本设计中除A层外，其余各层均是一台水泵控制5个电磁阀，另外，水泵型号的选择将在下面的章节中讲到。

第三章：PLC、电磁阀、水泵等简介
3.1 PLC简介
1969年，美国数字设备公司（DEC）根据对生产过程进行控制的需要，研制出了第一台可编程控制器，并在美国通用汽车公司（GM）的汽车自动装配线上试用成功。

尽管当时的可编程控制器功能有限、体积庞大，但它标志着这门新技术的产生和迅速发展的开始。

早期的可编程控制器虽然采用了计算机技术的优点和设计思想，并注重了面向用户、用于控制和适合工业现场的特点，但限于当时的技术发展水平，其功能很有限，器件多、线路复杂且体积大，名称也不统一。

随着网络技术的发展，现代可编程控制器对网络功能的要求更强，一般都有现场总线功能、互连网接入功能等，EASY嵌入式PLC采用CAN bus现场总线技术并支持专用的嵌入式Web服务器。

可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC,是一种以微处理器为基础、带有指令存储器和输入输出接口、综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的新一代工业控制装置。

1968 年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司(GM) 为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。

目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工业等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的实现。

3.1.1 PLC的及发展趋势
主要特点：
1．可靠性高、抗干扰能力强
2．可实现机电一体化
3．编程简单、使用方便、控制程序可变、具有很好的柔性
4．体积小、重量轻、功耗低
发展趋势：
1．向高速度、大容量方向发展
2．向超大型、超小型两个方向发展
3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
4．增强外部故障的检测与处理能力
5．编程语言多样化
3.1.2 PLC 的分类和基本结构
1.按输入/输出点数分
(1)小型机
小型PLC I/O总点数在256点以下，用户程序存储容量在4KB左右。

(2)中型机
中型PLC I/O总点数在256∽2048点之间，用户程序存储容量在8KB左右。

(3)大型机
大型PLC I/O总点数在2048点以上，用户程序存储容量在16KB以上。

2.按结构形式分
(1)整体式
(2)模块式
3.按生产厂家分
目前世界上PLC产品按地域分成三大流派：美国、欧洲和日本。

日本和美国的PLC产品较相似。

占PLC市场80%以上的生产公司是：德国的西门子公司、法国的施耐德自动化公司、日本的欧姆龙、三菱以及松下公司。

PLC的基本结构如图3-1所示：
图3-1 PLC的基本结构图
3.1.3 PLC的应用范围
随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。

目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、轻工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、交通、建筑、食品、娱乐等各行各业，日益跃居现代工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的主导地位。

3.1.4 PLC的主要功能
1．条件控制功能
2．定时/计数控制功能
3．步进功能
4．数据处理功能
5．A/D与D/A转换功能
6．运动控制功能
7．过程控制功能
8．扩展功能
9．远程I/O功能
10．通信联网功能
11．监控功能
3.1.5 PLC的技术性能
基本技术性能
1．输入/输出点数（即I/O）
所谓I/O点数即PLC外部的输入、输出端子数。

这些端子可以通过螺钉或电缆端口与外部设备相连。

2．程序容量
一般以PLC所能存放用户程序的多少来衡量。

3．扫描速度
4．指令条数
5．内部继电器和寄存器
6．编程语言及编程手段
7．高级模块
3.1.6 PLC的内存分配及I/O点数
在使用PLC 之前，深入了解PLC 内部寄存器的配置和功能，以及I/O 分配情况对使用者是至关重要的。

表3-1是一般PLC 产品的内部寄存器去划分情况：
表3-1 PLC 的内部寄存器划分
PLC 的工作原理：
PLC 虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，而PLC 则采用循环扫描工作方式。

在PLC 中用户程序按先后顺序存放，如图3-2所示为PLC 扫描工作过程图：
1
23...
1011
x x x
x x x x x x x x
x
x
x x
x
ED
...
图1.1-3 P LC 循环扫描工作示意图
图3-2 PLC 扫描示意图
3.1.7 PLC 的功能及应用
可编程控制器自问世以来发展极为迅速。

在工业控制方面正逐步取代传统的继电器控制系统，成为现代工业自动化生产的三大支柱之一。

1.顺序逻辑控制
这是PLC 最基本、最广泛的应用领域，它正逐步取代传统的继电器顺序控制。

2.运动控制
PLC 和计算机数控 (CNC) 设备集成在一起，可以完成机床的运动控制。

3.定时和计数控制
定时和计数精度高，设置灵活，且高精度的时钟脉冲可用于准确的实时控制。

4.模拟量控制
PLC 能完成数模转换或者模数转换，控制大量的物理参数，例如，温度、压力、速度和流量等。

5.数据处理
能完成数据运算，逻辑运算、比较传送及转换等。

6.通信和联网
PLC 之间、 PLC 和上级计算机之间有很强的通信功能。

作为实时控制系统，不仅 PLC 数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。

3.2电磁阀简介
3.2.1工作原理
电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的水管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排水的孔，而进水孔是常开的，液压水就会进入不同的排水管，然后通过水的压力来推动水刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。

这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。

3.2.2电磁阀的分类
1．直动式电磁阀
原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。

2．分布直动式电磁阀
原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，
通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。

当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。

特点：在零压差或真空、高压时亦能动作，但功率较大，要求必须水平安装。

如图3-3所示为直动式电磁阀：
图3-3 直动式电磁阀
3．先导式电磁阀
原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。

特点：流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。

如图3-4所示为先导式电磁阀：
图3-4 先导式电磁阀
3.3.3电磁阀在选型时的注意事项
1．适用性
根据持续工作时间长短来选择：常闭、常开、或可持续通电，当电磁阀需要长时间开启，并且持续的时间多余关闭的时间应选用常开型。

要是开启的时间短或开和关的时间不多时，则优先选用常闭型。

但是有些用于安全保护的工况，如炉窑火焰监测、锅炉加温系统，则不能选常开时，应选用可持续长期通电型。

电磁阀在选择时要注意：管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。

流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度。

电磁阀允许液体粘度一般在20CST以下，大于20CST应注明。

工作压差，管路最高压差在小于0.04MPa时应选用如ZS,2W,ZQDF,ZCM系列等直动式和分步直动式；最低工作压差大于0.04MPa时可选用先导式（压差式）电磁阀；最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力；一般电磁阀都是单向工作，因此要注意是否有反压差，如有安装止回阀。

流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器，一般电磁阀对介质要求清洁度要好。

注意流量孔径和接管口径；电磁阀一般只有开关两位控制；条件允许请安装旁路管，便于维修；有水锤现象时要定制电磁阀的开闭时间调节。

注意环境温度对电磁阀的影响。

电源电流和消耗功率应根据输出容量选取，电源电压一般允许±10%左右，必须注意交流起动时VA值较高。

2．可靠性
电磁阀分为常闭和常开二种；一般选用常闭型，通电打开，断电关闭；但在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。

寿命试验，工厂一般属于型式试验项目，确切地说我国还没有电磁阀的专业标准，因此选用电磁阀厂家时慎重。

动作时间很短频率较高时一般选取直动式，大口径选用快速系列。

3．安全性
一般电磁阀不防水，在条件不允许时请选用防水型，工厂可以定做。

电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力，否则使用寿命会缩短或产生其它意外情况。

有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型，强腐蚀性流体宜选用塑料王（SLF）电磁阀。

爆炸性环境必须选用相应的防爆产品。

4．经济性
有很多电磁阀可以通用，但在能满足以上三点的基础上应选用最经济的产品。

3.3.4 电磁阀的安装注意事项
1．安装时应注意阀体上箭头应与介质流向一致。

不可装在有直接滴水或溅水的地方。

电磁阀应垂直向上安装。

2．电磁阀应保证在电源电压为额定电压的15%-10%波动范围内正常工作。

3．电磁阀安装后，管道中不得有反向压差。

并需通电数次，使之适温后方可正式投入使用。

4．电磁阀安装前应彻底清洗管道。

通入的介质应无杂质，阀前装过滤器。

5．当电磁阀发生故障或清洗时，为保证系统继续运行，应安装旁路装置。

3.3.5电磁阀的故障与排除
1．电磁阀通电后不工作
检查电源接线是否不良→重新接线和接插件的连接；
检查电源电压是否在±工作范围-→调致正常位置范围；
线圈是否脱焊→重新焊接；
线圈短路→更换线圈；
工作压差是否不合适→调整压差→或更换相称的电磁阀；
流体温度过高→更换相称的电磁阀；
有杂质使电磁阀的主阀芯和动铁芯卡死→进行清洗,如有密封损坏应更换密封并安装过滤器；
液体粘度太大，频率太高和寿命已到→更换产品；
2．电磁阀不能关闭
主阀芯或铁动芯的密封件已损坏→更换密封件；
流体温度、粘度是否过高→更换对口的电磁阀；
有杂质进入电磁阀产阀芯或动铁芯→进行清洗；
弹簧寿命已到或变形→更换；
节流孔平衡孔堵塞→及时清洗；
工作频率太高或寿命已到→改选产品或更新产品；
3．其它情况。