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平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语
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摘要
随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在我国许多城市的市民广场、单位和居民生活小区里都能看到各种形式的音乐喷泉。
音乐喷泉，顾名思义就是指喷泉的水形根据播放音乐的旋律和节拍有规律地进行变化，同时辅以灯光、激光或其它介质的变化，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有愉悦的感受。
随着科学技术的不断发展和人们生活水平的不断提高，人们对环境的要求越来越高，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。
这就要求我们应该对音乐喷泉这一艺术形式进行较为深入的分析和研究。
通常一些小型喷泉只有一台潜水泵，其变化按常规讲只能是喷或不喷的变化，但如果引进变频调速器技术，其变化将是极其丰富的。
变频调速器技术正大步走进喷泉控制领域，发挥着不可替代的作用。
本文针对音乐喷泉这一系统，采用变频调速器技术。
首先，介绍了音乐喷泉的发展现况，工作原理和形成过程，紧接着介绍了我所设计的音乐喷泉涉及的主要内容有：
电气设计方案的选择、电气控制系统设计的概况、电气控制系统电气原理图的设计、电气元件的选型、PLC的程序设计、操作面板布置设计、如何提高该控制系统可靠性的措施等。
用组态软件、可编程控制器、变频器、音响系统、灯光系统和其它工控器件组成的高技术含量和高可靠性的音乐喷泉控制系统可以提供完整的音乐喷泉解决方案。
关键词：
音乐喷泉控制器PLC变频器
第一章绪论
1.1音乐喷泉的发展历史和现状的发展趋势
喷泉作为一项建筑艺术，在国内外均有较悠久的历史。
而音乐喷泉的构思及萌生则是本世纪30年代开始的，1930年，德国的OTTO PRZYSTAWIK（奥图．皮士特霍）首先提出了喷泉和音乐相结合的设想，并设计成小型装置应用于酒店及商场，其后则逐步发展到大型化及多样化。
GUNTERPRZYSTAWIK继承父业使音乐喷泉更为多姿多采，并于l952年夏在西柏林工业展览会上进行展示，经纽约一摄影师将其引进应用于纽约无线电音乐厅，从此，音乐喷泉陆续在世界各地应用推广，目前，西方工业发达国家已有制造音乐喷泉成套装置的专业工厂、如美国的WALTZING，MIDAS．加拿大的PEM，意大利的NeonALPina．日本的KAWAMURA等公司。
随着音乐喷泉市场的需求越来越大，国内关于音乐喷泉的研究和开发工作也蒸蒸日上。
我国在80年代中期相继引进和自行设计建造了多座音乐喷泉，为美化环境，活跃人民的文化生活起了良好的作用。
据不完全统计，2006年整个喷泉行业年总产值也早已达到几十亿元以上。
同时我国行政主管和技术监督部门、学术团体和出版界等，也为推动喷泉技术的发展做了不少工作：
1989年出版的《给水排水设计手册》，第一次将“水景设计”以专章列入设计手册；
1989年出版、1990年开始施行的《建筑给水排水设计规范》，第一次将“喷泉设计”以专节列入国家设计规范；
1990年出版了第一本专门著作《喷泉设计》；
1991年在中国土木工程学会建筑给水排水委员会和中国标准化协会建筑给水排水委员会的大力推动下，成立了第一届“全国喷泉研讨会”，有关喷泉的专门设计规程和术语标准等也公开发布执行。
音乐喷泉以其水柱绚丽多姿，水柱随着音乐而跳动，给人以视觉和听觉的双重享受。
大型的音乐喷泉功能齐全，规模大，有很强的震撼力，适用于大型音乐广场，对软硬件要求高，投资大。
随着人民生活水平的提高，对美化住宅小区以及别墅环境的要求越来越高，小型化音乐喷泉成为一个发展方向。
大型音乐喷泉的科技含量高,设计和制造难度大。
目前,我国的大型音乐喷泉技术已日趋成熟,但对小型音乐喷泉的研究较少，小型音乐喷泉存在着协调性能差等缺点。
小型音乐喷泉系统适用于住宅小区和酒店厅堂等场所，一个好的音乐喷泉就是一个精美的艺术品，可以美化环境、愉悦身心。
而其控制系统是整个音乐喷泉的关键。
对小型音乐喷泉控制系统的研究具有很大的经济效益和社会效益。
为了使控制简单可靠，适应现代社会的市场需求，各种形式的喷泉层出不穷，并逐步转向小型和营业性较强的方向发展。
其音乐喷泉的控制也变得灵活多样，如单片机、PLC、DSP等都在音乐喷泉中有所运用，当然也具有优缺点。
本文是针对性的应用plc技术，阐述整个系统的的电器控制。
1.2音乐喷泉相关类型的描述
音乐喷泉是近几年来出现的一种园林建筑和音乐欣赏相结合的产物。
喷泉是人工环境中观赏价值最高、最富有生命力的理想景观之一。
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，有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影等。
虽然喷泉的种类繁多，如广场喷泉、景点喷泉、旱泉、跑泉、激光喷泉、层流喷泉、趣味喷泉、水幕电影等等，这些喷泉喷水时的花形都具有千姿百态的效果，但都有一个共同的特点：
即形成水形的基本通路都是由水泵、管道、阀门和喷头组成。
因此，音乐喷泉工程中无疑也会安装大量的电磁阀门、彩灯、水泵和产生其它机械动作的电机。
除个别变频水泵需要用模拟信号来连续调节水柱高度、实现特定的艺术效果之外，其它部件基本是通过开关量进行控制。
这些开关信号驱动阀门、彩灯、水泵随着音乐进行不同的组合，从而产生各种水形和灯光变换效果。
为了达到听觉、视觉的和谐统一，控制系统应能根据音乐的节奏、旋律和感情色彩输出，产生各种不同的状态组合来控制水形和灯光实时变化，这也是音乐喷泉的控制不同于工业控制的主要特点
1.3音乐喷泉设计的主要内容
音乐喷泉的工作原理为：
根据播放的音乐来控制喷泉的花形大小变化和水柱的高度变化，以使水柱高度的变化及花形大小的变化和音乐的节奏同步，喷泉管路中的水流由水泵调节，而水泵是由三相异步电动机驱动的。
因此只要控制了三相异步电动机的转速，就可以可能控制管路中的流量，当给三相异步电动机通入工频电源时，则转速是不变化的；
当采用变频器控制电机的转速时，可以使管路中的流量发生柔性变化，这样喷泉运行时花形变化就更灵活。
随着音乐喷泉的使用越来越广泛，涉及到的控制方式也就越多，变频器，PLC，上位机，触摸屏等，于是喷泉的控制涵盖了自动化的各个学科，并且形象直观。
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：
喷头，管道计，专用泵，彩灯
控制设计
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。
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。
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
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,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。
5.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。
6.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。
7.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。
第二章音乐喷泉的硬件设计
2.1泵的选择
2.1.1潜水泵介绍
深井提水的重要设备。
使用时整个机组潜入水中工作。
把地下水提取到地表，是生活用水、矿山抢险、工业冷却、农田灌溉、海水提升、轮船调载，还可用于喷泉景观，热水潜水泵用于温泉洗浴，还可适用于从深井中提取地下水，也可用于河流、水库、水渠等提水工程。
主要用于农田灌溉及高山区人畜用水，亦可供中央空调冷却、热泵机组、冷泵机组、城市、工厂、铁路、矿山、工地排水使用。
一般流量可以达到（10m3~650m3）每小时、扬程可达到1500米。
2.1.2泵的选型
现在喷泉常用的潜水泵有QS、QY、QX、、QJ等系列。
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）。
QY系列潜水泵QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三部分组成。
电泵的上端，多为离心式水泵；
下端为三相鼠笼立式异部电动机。
电机全部采用优质整圆硅钢片，效率高，耗电少潜水深度不超过5米水温不超过+40℃。
10-300（m3/h）。
4-110（m）。
QX系列潜水泵工程潜水泵泵电一体，结构紧凑，非常适合于基建及矿山的搬运和安装无需引水，使用简便双端密封，电器保护设计合理、性能优良、几无噪音。
5-20（m3/h）。
20-60（m）
QJ系列潜水泵电机和水泵直联，机组全部潜入水中工作，具有结构紧凑、安装、维护方便、体积小、重量轻、高效节能等特点。
工作条件1、工作介质为清水或化学性质类似于清水的液体。
额定扬程：
150米额定流量：
10立方米/小时。
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.
图2-1QS系列潜水泵
2.2喷头的选择
2.2.1喷头的介绍
喷泉喷头也称喷泉喷嘴全部采用铜或不锈钢制作，这样具有黄金的色彩或银光闪闪，喷头显得豪华气派。
其工艺精巧美观，结构合理，性能高效节能。
其中常用的有：
可调直流喷头、半球形喷头、树冰形喷头、礼花喷头、涌泉喷头、加气喷头、直上喷头等产品系列。
2.2.2各种喷头的选择
1.A组喷头的选择
A组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以A组喷头选择直上喷头。
直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；
这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。
该喷头也叫中心喷头。
可调节射流的方向。
喷头材质：
铸铜、不锈钢.
2.B组喷头的选择
B组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比A组所喷出的水柱稍细比A组所喷的水柱要低。
所以我B组选择可调直流喷头。
可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球形接头，可沿垂直方向向15度进行调节。
可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果，射流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小决定。
铸铜、不锈钢。
3.C组喷头的选择
C组喷头应该比B组喷头喷射高度略低比D组略高，所喷水柱比B组水柱略粗壮、挺拔。
所以C组喷头选择树冰形喷头。
树冰形喷头喷水时外观效果庞大丰满，粗壮挺拔，抗风力较强。
喷头安装在导流筒上端和水面齐平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱。
4.D组喷头的选择
D组位于该喷泉的最外侧，水柱所喷高度应该最低，水量应该较大，择所喷水柱比较灵动。
所以选择涌泉喷头。
涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。
喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，水沫轻溅，古朴灵动。
加气喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷出的水柱呈白色不透明状，反光效果好。
图2-2涌泉喷头实物图及安装简图
2.3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、水下数控阀等。
本设计的喷泉采用PLC控制同时在工作时会接触水，所以选择DC24V水用电磁阀。
图2-3水用电磁阀
2.4电磁阀的选型
2.4.1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。
2.4.2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，当入口和出口没有压差时，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。
当入口和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。
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。
图2-4直动式电磁阀
3．先导式电磁阀
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。
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。
：
图2-5先导式电磁阀
2.4.3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。
2.4.4电磁阀的安装注意事项
1安装时应注意阀体上箭头应和介质流向一致。
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。
2.4.5电磁阀的故障和排除
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
内泄漏→检查密封件是否损坏,弹簧是否装配不良；
外泄漏→连接处松动或密封件已坏→紧螺丝或更换密封件；
通电时有噪声→头子上坚固件松动，拧紧。
电压波动不在允许范围内，调整好电压。
铁芯吸合面杂质或不平，及时清洗或更换.
2.5灯具的选型
该喷泉用四组彩灯分别为红，绿，黄，蓝。
从里到外分别对应A处用红色的彩灯，B处为绿色的彩灯，C处为黄色彩灯，D处为蓝色彩灯。
每一个喷头处对应一个相应颜色的彩灯。
因为喷泉用彩灯都是安装在水下所以对光线的要求高，对安全性能的要求也要很高，同时对使用寿命要求要长。
LED水下灯能够达到上述的要求，所以本设计选择AC220VLED水下灯.
图2-6LED水下灯
2.6PLC简介
2.6.1PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：
1.开关量逻辑控制
取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2.工业过程控制
在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
3.运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4.数据处理
PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
5.通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC和其它智能设备间的通信。
随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.6.2PLC的应用特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统将极高的可靠性。
2.配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号和表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备
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