基于西门子PLC实现的音乐喷泉喷泉软件系统的设计Word文件下载.docx
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第二章音乐喷泉设计方案………………………………………………………9
2.1音乐喷泉设计示意图…………………………………………………………………9
2.2音乐喷泉控制要求……………………………………………………………………10
2.3喷泉设备使用简介……………………………………………………………………10
第三章控制系统方案设计………………………………………………………15
3.1音乐喷泉控制系统整体设计…………………………………………………………15
3.2控制方案选择…………………………………………………………………………16
3.3变频器选择……………………………………………………………………………17
3.4计算机硬件系统组成…………………………………………………………………19
第四章硬件电路设计……………………………………………………………20
4.1控制系统硬件组成……………………………………………………………………20
4.2PLC控制电路设计……………………………………………………………………21
4.3电路原理图……………………………………………………………………………22
4.4PLC外部接线图………………………………………………………………………24
第五章软件程序流程图…………………………………………………………27
5.1系统整体流程图………………………………………………………………………27
5.2梯形图…………………………………………………………………………………27
第六章调试过程…………………………………………………………………28
6.1硬件调试………………………………………………………………………………28
6.2软件调试………………………………………………………………………………28
第七章总结与展望………………………………………………………………29
参考文献…………………………………………………………………………30
附录…………………………………………………………………………31
引言
在现代建筑设计中，特别是在园林建筑、旅游建筑以及其化大型公共建筑设计中，建筑师常常把自然界中的水引进设计中去，用水的艺术形态来补充和丰富人类的环境。
不论是涓涓细流、平静台镜的水面，或是奔腾的瀑布、热情奔放的喷泉，都能成为建筑师创作的要素，或者形成以水景为建筑空间的景观中心，或者以水景作为建筑物的悦衬。
如在设计中再巧妙地运用现代材料和雕塑艺术可以构成许多精美的环境和衬托出恰当的气氛。
常用的水景形式，主要为喷泉、瀑布、溪流、旋涡、波浪、镜池等等。
可根据具体工程的自然条件（如地形、风向等），周围环境，单独采用某一水景形式或者采用几种形式的综合，以最少的能量消耗和基建投资，去获得最佳的艺术效果。
同时在设计中应充分考虑管理条件、运转费用，合理确定所设计喷泉的复杂程度，否则，即使建成后，也难以长期正常运转。
作为水景设计的关键专业之一的给排水专业，则应力从“水”的角度运用现代技术和设备，与其化专业密切协作来实现总的设计意图。
喷泉主要由喷水池、喷嘴、灯光照明、管道系统、水泵及控制设备等组成。
近年来，将彩色的灯光、音乐与喷水的姿态结合起来，形成所谓舞蹈喷泉或音乐喷泉。
喷泉与雕塑艺术结合起来则形成所谓雕塑喷泉，随着喷嘴构造形式的改变和安装位置、角度的不同，或者控制方式的变化，或者结合瀑布水景，还可形成模拟自然景观的涌泉，间歇泉、瀑布喷泉，呈现出各种喷水姿态。
场地设计
建造场地和水池形状的选择通常应依据两个原则：
一是整体原则。
喷泉处于特定的地理、人文环境中，是环境的一个组成部分，喷泉选址和几何尺度的确定必须服从环境的整体要求。
二是实用原则。
喷泉在总体规划下确定主题、水池的形状及大小，以及投资规模的确定应符合实际需要。
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。
管路与水泵应贯彻结构紧骤、独立供水的原则，以便设备布局和系统的调试与控制。
喷头设计
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。
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。
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。
第一章喷泉概述
喷泉是园林、城市街道广场和公共建筑等的装饰品之一。
喷泉对城市环境有多种价值，不仅能湿润周围购空气、清除尘埃，而且由于喷泉喷射U1的细小水珠与空气分子掩击，能产生出大量对人体有益的负氧离子。
据对菜喷泉周围lIl定，喷水前空气中负氧离子的浓度为300个／毫升，正离子浓度为500个／毫九而喷水寸．A钟后，负氧离子浓度增加到300000个／毫升，正离子浓度增加到50000个／毫升。
空气离子，尤其是负氧离子对人们的健康有良好的作用，被誉为“空气长寿素”。
喷泉阅娜多姿的造型，欢快跳动的水花，还能使人振奋精执陶冶情愫，美化环境。
因此，喷泉既有益于提高城市的文化艺术面貌，给人以美的享色又有益于环境保护，增进人的身心健康。
随着城市现代化，文明生产及园林、旅游等事业的发展，喷泉越来越受到人们的喜玖喷泉技术也在不断地发展，各式各样的喷泉正在各地竞相出现。
它比较适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取、凝聚向上的感受在商业广场、购物中心以及游泳景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。
河、湖自然水面上喷水高度超过百米的高水柱喷泉，其雄伟、壮观的水造型往往成为这个城市或旅游景点的特征之一。
喷泉进入了住宅小区，多与建筑小品和雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足的形式。
松驰、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受。
水是生命的核心，对于人类生存而言，水是最重要的因素之一，水不仅能够满足人们
基本生活的需求，而且还能提高人们身心的舒适度，由于人们对于水的依赖和亲近，从人类活动开始，人们就依水而居，从古代的城镇发展开始，人们就不断地开发水的造景功能、娱乐功能和环保功能，喷泉作为城镇建设和园林造景的一部分，是满足人们文化需求和精神需求的产品和作品。
查询古今中外的建筑史，园林史，其中有许多精美的喷泉成为城市或建筑的象征，这些传世佳作保留至今，它们是美化城市的神来之笔，在美化城市、美化环境中起到了画龙点睛的作用。
陶冶和启迪着后人，为今天的喷泉的发展奠定了基础。
1.1音乐喷泉的意义
近年来，水景的应用技术发展很快，许多技术已大量应用于实践中，水艺景观已逐渐形成相对独立的工程分支，但在工程设计实践中系统的指导理论尚不完善。
水艺景观概括来说可以分为两大类：
一是利用地势或土建结构，仿照天然水景观而成。
如溪流、瀑布、人工湖、养鱼池、泉涌、跌水等，这些在我国传统园林中的有较多应用。
二是完全依靠喷泉设备造景。
各种各样的喷泉如音乐喷泉、程序控制喷泉、旱地喷泉、雾化喷泉等。
这类水景是近年来才在建筑领域广泛应用的，但其发展速度很快。
各种水景工程，一般由以下几个方面构成：
土建池体、管道阀门系统、动力水泵系统、灯光照明系统等。
较大的水体或对水质观感要求较高的场所，还必须有水质处理系统。
随着人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，开拓了喷泉的应用范围。
我们可以看到，喷泉比较适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取、凝聚向上的感受在商业广场、购物中心以及游泳景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。
商场内、酒楼里的喷泉小巧、别致，既调节了室内小气候，又增添了画意；
依托大型建筑物和自然地形建成的人工瀑布及溢水造景给人们以清新和另有韵味的感受；
喷泉的电视转播厅和大型歌舞上频频出现，调谐得当的水形烘托着演出的效果；
精巧的微型喷泉进入了办公室和居室，给室内增添了动态装饰…。
喷泉是艺术和技术的结合物，建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计、创作中。
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。
1．2喷泉的发展我国喷泉的发展
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。
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。
1.3喷泉的种类
喷泉可按控制方式和功能分为两类。
1.3.1按喷泉的控制方式
按喷泉的控制方式分可分为人工控制、程控与音乐控制喷泉。
（1）人工控制喷泉人工控制喷泉是最原始的、最简单的喷泉，喷泉的喷高、水形、彩色都是事先设计安装好的，只要人工开启水泵、闸门就可以喷射。
（2）程序控制喷泉这是一种根据设计者的意图预先编辑的程序，变换喷射水形、彩灯颜色与照射强度的喷泉，并可显示程序过程中，喷泉的工作状态与彩灯照度、水泵故障、漏电指示等工况。
（3）音乐控制喷泉音乐控制喷泉是目前最先进的控制方式，喷泉的水形可以按照音乐的旋律而喷射，成为有形的音乐，故也称会唱歌喷泉。
1.3.2按喷泉的功能分
（1）跳泉或踩泉
（2）喷雾喷泉
（3）音乐喷泉
（4）时钟喷泉
张衡发明的水力机械定时器——漏水转浑天仪是世界上最早的定时器。
这种定时器容积很大，一直沿用到清代，现存故宫博物院钟表馆内。
14世纪中叶意大利工匠制造出机械打点钟，16世纪瑞士出现有装饰功能及保值功能的钟表，直至19世纪瑞士才有制表机械。
时钟喷泉是我国对古人发明的继承与延续。
（5）旱喷泉
所谓“旱"
喷泉，是指喷头、管道、彩灯、电缆、水泵等一切设备均安装在地槽内。
只有在喷头出口及彩灯处留有足够的空隙，供水柱喷出。
回落的水可迅速流至地槽。
喷泉停止喷射时，仍然是广场，可供集会、休闲或其他集体活动。
喷射时游人可穿行嬉戏于喷泉之间。
这种喷泉有非常好的娱乐性和参与性，而且可维持广场的多功能性，其主要的缺点是水耗比较大，并易受地面污染，需要定期净化处理
1.4喷泉涉及领域
1.4.1喷头
它是把在压力作用下的液体（有时混有气体）通过接头进入单个或多个喷嘴，然后喷至空中的整体单元装置。
1.4.2管道
喷泉工程的管道宜选用不锈钢管、铜管。
可采用焊接、卡压、法兰等接口方式连接。
受投资条件限制时，可采用热镀锌钢管，连接方式可采用螺纹连接或法兰连接。
室内水景喷泉工程和移动式水景喷泉工程在无抗冻、抗震要求时，可选用塑料管。
1.4.3专用潜水泵
电机性能：
采用优质材料DR470、增加电机绕组的匝数及线径使水泵耐频繁起动。
水力部分：
采用优秀水力模型设计，使水泵流量、扬程、效率三者更为合理。
结构特点：
该电机为自循环充水式冷却；
电缆用三相四线JHS型喷泉专用电缆；
叶轮采用了防松动装置；
滤网护罩采用全不锈钢材料；
电改进使之更适用喷泉工程频繁起运的要求
1.4.4彩灯
喷泉照明一般采用水下和水上两种照明方式。
水下照明一般采用LED水下彩灯，其具有高效、节能和长寿命等特点，其工作电压为12V安全电压，安装方式为固定式安装。
水上照明一般采用投光灯和强光灯等机内腔定转子采用进口涂料，提高了水下电机耐腐蚀性，通过以上结
喷泉工程中常用的阀门有铜球阀、截止阀、闸阀、蝶阀、快开阀、调节阀、止回阀等，对于程控喷泉、音乐喷泉、跑构。
1.4.5阀门泉、跳泉等，还经常用到水下电磁阀、数控阀、液压阀或气压阀等。
1.4.6特技效果传感系统
在喷泉工程的一些特技效果中，经常用到一些特殊的机械和设备，如水下摇摆电机、减速机、各种摇摆机构、各种配水器、整流器等。
有了这些机械和设备，喷泉水形大大提高了艺术造型的变化，提高了喷泉水景的观赏效果及艺术水平。
1.4.7音响系统
音响系统是音乐喷泉的音源。
主要设备有音箱、功放，调音台、激励器等，我公司采用国内外知名品牌，保证音乐、水型、灯光三者高度同步。
1.4.8控制系统
在喷泉控制系统中，采用单片机控制原理，以可控硅作为功率开关元件，由于可控硅承受过电压、过电流的能力较差，因而不能长时间运行。
但采用PLC能有效的解决这一问题，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。
但成本较高。
本文以喷泉控制系统为例，采用西门子300系列S7-300PLC作为主控制器。
S7-300PLC系列PLC，详细介绍了系统的硬件配置、设计方案以及软件设计的顺序功能图和梯形图，并且介绍了编程中的关键问题。
第二章音乐喷泉设计方案
2.1音乐喷泉示意图如图2—1
喷泉布局图2—1
本课题布局图2—1所示。
图中A组喷水管，有一个喷水管该喷水管所喷出的水柱为4组喷水管最大，喷射高度为4组喷水管最高为8（m）。
图中B组喷水管所处的圆上由8个喷水管组成，该组喷水管所喷出的水柱为比A组的水柱略小，所喷高度比A组的高度略底，所喷高度为6（m）。
图中C组喷水管所处的圆上由20个喷水管组成，该组所喷出的水柱比B组的水柱小，所喷高度比B组水柱低，所喷高度为4（m）。
图中D组喷水管所处的圆上组由30个喷水管组成，该组所喷水柱为4组中水柱最小，所喷高度最低的一组。
所喷高度为2（m）。
为了在每组喷水管工作时能够更好的欣赏，能区别4组所喷出的水柱，所以B组所处的圆的半径为R=2（m），C组所处的圆的半径为R=4（m），D组所处的圆的半径为R=6（m）。
本课题中A组喷头所喷的水柱最高，本课题中4组喷头所喷的水柱高度为2-8（m）。
本课题的最多时有A、B、C三组喷头同时喷出水柱，最少时有两组喷头喷出水柱，所以流量为150-230（m3/h）。
水质为自来水。
2.2音乐喷泉控制要求
本控制器能充分发挥变频调速器的特点，为喷泉增光添彩。
它可将来自光盘CD、VCD、DVD的音乐信号自动转换成变频调速器所要求的控制信号。
输出信号与输入的音乐信号大小成线性关系，使喷泉的喷高随音乐信号大小变化，音乐、水花、彩灯融为一体，演出一场交响水诗。
该控制器除以上把音频信号转化为模拟量信号，还可以在某点音频信号实行开关量输出，另外还带有音频启动信号。
所以该控制器不仅能控制变频器，而且还能控制固态继电器。
2.3音乐喷泉控制设备说明
接线面板说明如图2—2
图2—2
表2—1
编号
名称
说明
（1）
音频放大倍数调节旋钮
调节单位音频对应输出电压的大小
（2）
起始电压调节旋钮
调节没有音频输入时的输出电压,
（3）
固态驱动设定电压调节旋钮
固态驱动设定电压和输出电压比较,当输出电压大时,固态输出点就有输出，当输出电压小时，固态输出点截止
（4）
音频输入选择开关
OFF时把音频输入信号切断,ON时开着音频输入信号
（5）
起始电压输入选择开关
OFF时关掉起始电压（起始电压为0V）,ON时为开启起始电压
（6）
频谱显示切换开关
用于切换显示固态设定驱动频谱和实际输出频谱。
左边固态设定输出频谱，右边为实际输出频谱
（7）
频谱显示
显示输出频谱强度和固态设定频谱强度
（8）
电源指示灯
有电源就亮
（9）
音频启动指示灯
有音频信号输入就亮，确认音乐信号开始播放
（10）
固态输出指示灯
固态输出点有输出就亮
功能及动作原理如表2—1
1.音频放大倍数旋钮：
调节单位音频的对应输出电压。
如果输出电压随音频输入信号变化不大，输出电压只在很小范围内变化，则可调大放大倍数；
如果在有很小的音频信号输入时输出信号就超过10V，并且启动电压不太高，那么就调小音频放大倍数。
2.起始电压旋钮：
起始电压是没有音频输入时，对外的输出电压。
调节起始电压可以确定变频器在没有音频信号时变频器的输出频率，当有音频信号输入时变频器输出频率是此基础上的叠加。
如果没有起始电压的情况下，当刚有音频信号输入时，变频器频率上升，而水泵是来不及出水的，这样音控效果就很不明显。
如果加了起始电压，水泵在没有音频信号的输入情况下就有出水，当有音频信号输入时，出水量增加，音控效果就比较明显。
3.固态驱动设定电压旋钮：
把开关（6）选择到固态显示，（7）上显示的频谱的大小对应固态驱动设定电压大小。
当输出电压大于固态驱动设定电压时，固态输出点对外输出，输出电压小于固态驱动设定电压时，固态输出点截止。
用固态来实现音控时，在输入的音频信号是比较柔和的情况下，那么固态驱动设定电压就要调小一点，如果在输入的音频信号比较强烈，那么固态驱动设定电压就要调大一点。
（起始电压＜固态驱动设定电压＜该音乐最大输出电压）
4.音频输入选择开关：
OFF时断开音频输入信号，ON时接通音频输入信号。
5.起始电压开关：
当为OFF的时，起始电压就为0V，ON时起始电压为起始电压旋钮选择的电压。
在（4）为OFF，（6）选择到输出显示情况下，（7）显示的频谱大小对应起始电压大小。
6.显示切换开关：
选择显示固态设定输出频谱和实时输出频谱。
7.频谱显示光柱：
实时显示当前音乐节奏及音乐强度+起始电压，当切换固态显示时显示当前固态
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