自动化专业基于西门子SPLC的花样喷泉和音乐喷泉控制新版专业系统设计.doc

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY
本 科 毕 业 论 文

基于PLC花样喷泉控制系统设计
The design of fancy fountain control system
based on PLC

学院名称： 电子信息和电气学院
专业班级： 自动化级1班
学生姓名： XX
指导老师姓名： XX
指导老师职称： XXXXXX

5月

毕业设计（论文）原创性申明和使用授权说明

原创性申明
本人郑重承诺：所呈交毕业设计（论文），是我个人在指导老师指导下进行研究工作及取得结果。尽我所知，除文中尤其加以标注和致谢地方外，不包含其它人或组织已经发表或公布过研究结果，也不包含我为取得安阳工学院及其它教育机构学位或学历而使用过材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献个人或集体，均已在文中作了明确说明并表示了谢意。

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使用授权说明
本人完全了解安阳工学院相关搜集、保留、使用毕业设计（论文）要求，即：根据学校要求提交毕业设计（论文）印刷本和电子版本；学校有权保留毕业设计（论文）印刷本和电子版，并提供目录检索和阅览服务；学校能够采取影印、缩印、数字化或其它复制手段保留论文；在不以赢利为目标前提下，学校能够公布论文部分或全部内容。

作者署名：　　 　 　　 日　 期：　　　 　

目录
摘要 I
Abstract II
引 言 1
第一章 方案分析 5
1.1 主控制器方案分析 5
1.2 喷泉水柱控制方案分析 6
1.3 喷泉控制要求 7
第二章 花式喷泉硬件设计 11
2.1 硬件选择 11
2.1.1 PLC选择方案 11
2.1.2 变频器选择方案 12
2.1.3 水泵选择方案 15
2.1.3 喷头选择方案 17
2.1.4 控制面板 18
2.1.5 喷泉水泵布局 19
2.1.6 彩灯布局 19
2.1.7 PLC控制接线图 20
2.1.8 变频器控制接线图 21
第三章 系统软件设计 23
3.1 花式喷泉PLC控制步骤图 23
3.2 I/O模块选择 23
3.3 花式喷泉I/O分配 23
3.4 西门子MM420变频器设置 24
3.5 软件选择 25
3.6 系统主程序 27
3.7 系统程序可行性 29
第四章 系统仿真和调试 30
4.1 仿真软件选择 30
4.2 系统调试 30
第五章 WinCC组态和监控 33
5.1 WinCC介绍 33
5.2 WinCC组态 33
5.2.1 组态用户项目 33
5.2.2 WinCC和PLCSIM连接 35
5.2.3 WinCC组态画面监控 36
结论 38
致谢 39
参考文件 40
附录 41

基于PLC花样喷泉控制系统设计
摘要：花式喷泉是多年来伴随控制系统发展，出现一个控制技术和花式观赏相结合一个产物。伴随可编程控制器在中国快速发展，对花式喷泉控制要求也越来越高，使得越来越多控制部分需要可编程控制器来实现。本文结合毕业设计任务书要求，以花式喷泉为研究对象，采取了S7-300系列PLC作为变频器控制器，变频器再控制电机输出功率。对花式喷泉控制系统总体功效进行了分析，叙述了可编程控制器组成和工作原理。提出了喷泉硬件各组成模块及具体硬件模块设计方案，并对控制方法进行了设计和程序编写。本设计采取变频器作为水泵控制器，改善了喷泉系统控制品质，并真正地达成了节能和实时控制要求。
关键词：PLC；喷泉；控制系统

The design of PLC control system of fancy fountain
Abstract：Fancy fountain In recent years, with the development of control systems, control technology and the emergence of a fancy watch combination of a product. With the programmable controller in the rapid development of our country, the fancy fountain control requirements are also increasing, making more and more control programmable controller. In this paper, the tasks required of graduate design, fancy fountain as the research object, using the S7-300 series PLC as controller of the inverter, and the inverter to control the motor output power. The overall function of the fancy fountain control system analysis of the composition and working principle of the programmable controller. Fountain hardware building blocks and the hardware module design, the design and procedures for the preparation and control mode. This design uses the controller of the inverter as pumps, improved the fountain system control quality, and truly achieve energy efficiency and real-time control requirements.
Key words：PLC;fountain;control system

引 言
所谓花样喷泉，就是利用控制器控制喷水花型组合改变、水柱高低、远近改变和灯光色彩组合、明暗改变喷泉。花样喷泉是把现代控制技术应用于人工喷泉，在程序控制喷泉基础上也可加入了音乐控制系统，经过音乐控制喷泉水形及灯光改变，从而达成喷泉水型、灯光及色彩改变和音乐情绪完美结合，使喷泉演出生动且富有内涵。
喷泉起源很早，早在公元前6世纪巴比伦空中花园中就已建有喷泉。古希腊时代开始由饮用水式泉逐步发展成为装饰性泉。还有一个说法认为喷泉起源于伊斯兰国家斋戒沐浴给水方法。在伊斯兰园林中，喷泉沿轴线部署或作为局部构图中心。文艺复兴时期喷泉技术有很大发展，多和雕像、柱饰、水池等结合造景，如意大利伊斯尤其墅著名“百泉步道”和莱恩脱喷泉水渠。7到18世纪，喷泉在欧洲城市盛极一时。著名法国凡尔赛宫太阳神喷泉，俄国彼得宫带雕像群大瀑布喷泉，而罗马更有3000多个喷泉，被称为喷泉之城。中国古典园林崇尚自然，努力争取清雅素静、富于野趣，重视对天然水态艺术再现。18世纪，西方法喷泉传入中国。1747年清乾隆皇帝在圆明园建“谐奇趣”、“海晏堂”、“大水法”三大喷泉。20世纪，喷泉发展成为一个大型水景，用水柱组成多种形态。如建于1958年日内瓦莱蒙湖大喷泉，它，用两台1360马力水泵将水喷到145米高空。夜色下巨型探照灯照射着银色水柱直划夜空，颇为景色壮观。日本水力喷射动物园在一个直径10米水池内，安装着6036个旋转喷头，能喷射出老虎狮子搏斗、老鹰羚羊厮杀等奇妙场面。这些喷泉多是利用电脑控制水、光、音、色，使喷泉艺术进入崭新时代。现代喷泉，已经是一个集声、光、电、水、力为一体高科技产物。中国现代意义喷泉始于上世纪80年代，起步虽晚，发展却十分神速，有些技术在世界上含有领先地位。
中国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一个技术细节，从设计到产品制作，工程安装全部没有形成规模。只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到部分中、小喷泉，产品水平也是简单、粗放。二十世纪八十年以后，伴随国民经济恢复和发展，人民生活水平提升，部分城市城建、园林主管部门在城市建设、改造过程中，和环境美化和文化气氛营造上对喷泉提出了求新要求，一部分建筑、园林、水利设计院、研究所及大专院校，综合了土建结构、给排水、机电控制等传统专业技术，加受骗初优异单片机，经过电磁阀和直流电机调速实施变量控制，设计出一批喷泉、水景。得到了良好社会反应和社会效益。在这个时期，部分喷泉设备专业加工厂和企业开始组建、发展，为喷泉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紧，大家也追求高质量文化生活和环境美。市场需求推进了喷泉行业发展。喷泉走出公园、园林围墙和广场中心，深入延伸到大家各个社会活动场所。很多喷泉专业生产厂商和专业企业，在这段时间内应运而生，快速发展起来。专业技术人员把计算机技术、信息技术，和声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科技术应用到喷泉之中，把喷泉行业技术水平推上了一个新层面，开拓了宽广应用空间，喷泉行业得到了快速发展。
大家对喷泉造景功效、娱乐功效、环境保护功效认识提升，开拓了喷泉应用范围。喷泉能够湿润周围空气，降低尘埃，降低气温。喷泉细小水珠同空气分子撞击，能产生大量负氧离子。所以，喷泉有益于改善城市面貌和促进居民身心健康。
喷泉景观概括来说能够分为两大类：一是因地制宜，依据现场地形结构，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。这类水景多年来在建筑领域广泛应用，发展速度很快，种类繁多，一般喷泉分音乐喷泉、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。
漂浮式：整座水景喷泉管道系统全部安装在浮箱上，所以喷泉设备运行不受季节性水位高低影响。漂浮式喷泉制作、安装工艺技术性强，但维护方便，易于保养。在大型自然湖泊或多种人工湖中广泛应用。
跑泉：多个喷头，按时序控制，组成多种形态瞬时改变水型。能够形成跑动、跳动、波动等形状，又能够成固定造型喷水形态，气势雄伟，改变多端。
水幕激光：采取特殊入映机播放，使用影片也是专门为水幕电影特制影带。因为电影屏幕是透明水膜，所以在电影播放时会有一个特殊光学效果，屏幕视觉穿透性可使画面含有一个立体感，影片内容可和水面巧妙结合，更有一个身临其境般奇幻感觉。
伴随时代发展，科技水平提升，城市喷泉设备已经十分优异，多种音乐喷泉、程控喷泉、激光喷泉已经层出不穷，改变多端。规模可大可小，射程可高可低，喷出水，大者如珠，细者如雾，改变万千，引人入胜。喷泉，使静水变为动水，使水也有了灵魂，又辅之以多种灯光效果，使水体含有丰富多采形态，能够缓冲、软化城市中“凝固建筑物”和硬质地面，以增加城市环境生机，有益和身心健康并能满足视觉艺术需要。大型城市广场中人工动态喷泉，也多来自自然种种水态，如瀑布、叠水、水帘、溢流、溪流、壁泉等，伴随科学技术发展进步，多种喷泉真是花样翻新、层出不穷，几乎达成了大家随心所欲发明多种晶莹剔透、绚丽多姿动态水景程度。喷泉在当今时代，已经形成了一道独特人文景观。喷泉专用产品，设备也在不停地更新换代，新材料、新技术采取，环境保护型产品愈加安全、可靠，售后服务周到、立即，这些全部为喷泉良性发展提供了技术支撑，使得大多数喷泉在美化环境之外，还发挥了良好生态效应社会效益和广告效应等间接经济效益。
在喷泉得到广泛应用过程中，也出现了部分问题和不足，有些认识上误区和不良倾向应该引发大家重视。不然将对喷泉行业健康发展产生负面影响。首先，我们政府在审批城市公共广场喷泉建设时，要充足了解其建设面积，审查设计方案避免跟风工程。另外，相关部分应组织教授和研究人员设置行业规范和标准，杜绝低质量工程建设。其次，多种工程设计者应该充足考虑整体建筑协调性欲艺术性，使喷泉水体景观功效得到比很好发挥。同时，让喷泉景观充足结合其它元素，愈加好表现水体景观水体美。最终，喷泉水体设计者应该充足结合实际，考虑环境对于喷泉景观容纳性，建设高质量且据实用性喷泉，不要出现喷泉水体建设不具其利反被其害现象。
伴随科技发展，喷泉水体景观建设能够结合光电技术和喷水射流技术，开发很多新奇特高新技术喷泉设计。另外，能够经过对于喷泉水池补水、流动和喷射采取电脑控制，充足节省水资源。完善喷泉土建结构，预防地下水渗透。自动控制喷泉灯光、供电系统，确保喷泉水体水质，让喷泉不仅是造景元素更是一个愉悦大众环境艺术。
本文依据生活当中出现部分情况，以花式喷泉为研究对象，结合了大量资料及文件，研究花式喷泉控制问题，整理出一套可行性较高喷泉控制系统。
本系统研究内容关键包含了喷泉发展情况及所存在一系列问题；喷泉控制系统组成；花式喷泉控制任务和要求；花式喷泉硬件配置和软件设计，再经过仿真软件来实现。
在设计当中，结合了音乐喷泉和程控喷泉优点，音乐喷泉关键由音频开关信号控制，而程控喷泉则由人为选择。其中程序喷泉分为手动和自动两种模式，手动关键是为了调试，而自动则可连续运行。当按下电源按钮，按下自动按钮，则喷泉根据预设程序循环运行。假如按下手动按钮，则自动运行停止，切为手动运行，接着选择喷水花样，系统处于连续运行状态，直到按下停止按钮，系统立即断开电源，停止运行。

第一章 方案分析
1.1 主控制器方案分析
方案1：使用单片机控制花式喷泉
单片机作为微型计算机一个关键分支，其应用范围很广，发展也很快。1971年Intel企业首次宣告40044位微处理器，1974年12月Fairchild(仙童)企业即推出了8位单片机F8，开创了单片机门户。
单片机已在各行业得到广泛应用，假如本设计采取单片机作为控制系统关键，因为单片机输入输出电流电压很小，那么将需要用到大量输出继电器和输入继电器，外围电路将会很复杂，增加了系统直观性和可维护性。而外围电路复杂，也会增加系统投入成本，且其可靠性也大大降低。
方案2：使用S7-300PLC控制花式喷泉
自20世纪60年代中期以来PLC产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近20年来计算机和信息技术飞速发展,不停成倍扩大功效和成倍降低价格,使PLC、通讯联网技术、过程控制软件全部取得了长足进步,也使PLC广泛应用成为可能。
PLC是一个专门为在工业环境下应用而设计数字运算操作电子装置。它采取能够编制程序存放器，用来在其内部存放实施逻辑运算、次序运算、计时、计数和算术运算等操作指令，并能经过数字式或模拟式输入和输出，控制多种类型机械或生产过程。PLC及其相关外围设备全部应该按易于和工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功效标准而设计。可编程控制器之所以越来越受到控制界人士重视，是因为它含有以下特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强。（2）配套齐全，功效完善，适用性强。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。（4）系统设计、建造工作量小，维护方便，轻易改造。（5）体积小，重量轻，能耗低。
此方案采取西门子S7-300系列PLC作为主控制器。S7-300PLC是中型PLC，它适适用于各行各业，多种场所中自动检测、监测及控制等。S7-300PLC强大功效使其不管单机运行，或连成网络全部能实现复杂控制功效。S7-300PLC可提多个CPU可供选择使用，而且体积小，功效强、可靠性高，灵活性强和可扩展性特点经过改变喷泉控制程序或改变方法选择开关，就能够改变花式喷泉喷水规律，从而改变出很多花样，同时，PLC含有很强自诊疗功效，快速方便检验出故障，缩短检修时间，所以确保控制系统可靠性，稳定性。
基于本设计控制要求，可采取S7-300系列PLC来控制MicroMaster420变频器，变频器控制水泵输出功率，从而达成对水泵流量控制，产生多种方法喷水花样。
采取PLC控制后，因为PLC是采取程序控制，是软接线，所以可靠性大大提升了。音乐喷泉关键控制是由可编程控制器实现，可编程控制器是整个系统“大脑”，用程序控制变频器输出频率，从而控制水泵输入功率。其中中央音乐喷泉水泵由程序实现用音乐频率转换开关量去控制喷泉水柱改变。可编程控制器简化了控制线路，提升了工作速度和可靠性和系统操作灵活性，也提升了喷泉工程智能化性能。
方案3：使用S7-200PLC控制花式喷泉
假设设计采取S7-200PLC作为喷泉主控制器来控制水泵运行。S7-200PLC是一个小型PLC，它有5种CPU模块，最多能够扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB程序存放空间和数据存放空间。集成了6个有12种工作模式高速计数器和两点高速脉冲发生器、脉冲宽度调制器。本设计方案能够选择S7-200CPU226PLC作为主控制器，该型号PLC共14入10出24个I/O点。从I/O点分配方面来说很适合本设计控制要求。不过这也限制了它以后发展，对于较大喷泉控制系统，S7-200PLC在没有实物情况下，不能仿真，这对于一个较大型控制系统，在运行前，不仿真是不可靠。而且S7-200PLC因为I/0点数限制，在改变喷水方法时候很不方便，所以不利于调整。
1.2 喷泉水柱控制方案分析
方案1：采取电磁阀控制
喷泉能够采取电磁阀控制，经过控制电磁阀通断，控制喷头通断，从而切换喷头。水泵输出功率不变，所以水泵流量是固定，当喷头切换到粗口径喷头时，水柱输出高度变低；同理，当切换到细口径喷头时，因为水压作用，喷泉水柱高度上升。喷泉常见阀门有球阀、蝶阀、闸阀、止回阀、水下液压阀、水下电磁阀、水下数控阀等。
假如采取电磁阀控制，经过控制电磁阀通断，从而切换喷头，达成改变水柱高度和喷水形态效果。在这种控制中，每个水泵输出功率是不变，只能以工频运行，当喷泉水柱降低时，水泵不需要以工频运行，造成了能源浪费。
方案2：采取变频器控制
变频器关键任务是把工频电源变换为另一频率交流电，以满足交流电动机变频调速需要。现在使用变频器关键采取交-直-交方法（VVVF，变频或矢量控制变频），先把工频交流电经过整流器转换成直流电，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制交流电，以供给电动机。变频器电路通常由整流器、中间直流步骤、逆变器和控制电路4个部分组成。
交流电动机同时转速表示式为 n = 60 f (1− s) / p
式中：n—异步电动机转速；f—异步电动机频率；s—电动机转差率；p—电动机极对数。
由上式可知，异步电动机转速n 和频率f成正比，只要改变频率f 即可改变电动机转速，当频率f 在0～50 Hz 范围内改变时，电动机转速调整范围很宽。变频器就是经过改变电动机电源频率实现速度调整，是一个理想高效率、高性能调速手段。
若采取变频器控制，因为本设计并不需要连续调整转速，只要切换若干段固定转速就能够了。所以只需要用到变频器3点数字量输入信号，就能够实现八段转速控制(15Hz-50Hz)，而且能够避免使用昂贵PLC模拟量输出模块来连续调整变频器输出频率。经过PLC输出数字量控制变频器输出频率，从而改变水泵输出功率，达成控制喷泉水柱高地目标。
采取变频器控制水泵，较其它控制方法而言，能够改变水泵输出功率，当喷泉水柱降低时，电机输出功率降低，节省了电能。对于一个长久运行喷泉系统而言，其产生效益是随时间而积累。所以，本设计采取变频器控制。
1.3 喷泉控制要求
（1）按下开启按钮，中间音乐喷泉无音频信号输入时，进入预置状态。当有音频开关信号输入时，喷泉水柱随音频信号进行改变。周围程控喷泉装置进入预备状态，按下手动按钮后，按下花样1按钮，喷泉根据花样1循环运行；断开花样1按钮，按下花样2按钮，喷泉根据花样2循环运行；断开花样2按钮，按下花样3按钮，喷泉根据花样3循环运行；按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作；按下自动运行按钮，喷泉进入自动工作状态。
（2）喷泉喷水方法由花样选择开关决定，现考虑3种喷水花样。
（3）按下开启按钮和手动按钮后，选择花样1后，1s后，变频1输出频率变为20Hz；2s后，变频器2输出频率变为25Hz；3s后，变频器输出频率变为30Hz，依次类推。直到7s后，全部变频器保持其设定频率5s后，变频器输出频率变回基础状态，循环运行。变频器直接影响水泵输出功率，从而影响喷泉水柱高度。花样喷泉共分7个水泵，通电后，在PLC控制下，按1-2-3-4-5-6-7次序改变喷水高度，最终保持梯形5s,然后恢复0s时高度，再循环上次改变。具体情况见图1.1所表示。
图1.1 花样1示意图
按下开启按钮后，按下手动开关，选择花样2后，全部变频器输出频率变为25Hz,此时喷泉水柱在最高水柱和最低水柱中间状态。1s后，变频器输出频率变为50Hz，全部水泵输出功率变为最大，此时喷泉水柱向上冲击，3s后变为25Hz水柱高度。如此循环，形成升降喷泉效果，直到按下停止按钮。具体情况见图1.2所表示。
图1.2 花样2示意图
按下开启按钮后，按下手动选择开关，按下花样3选择开关，1s后水泵1,3，5，7根据50Hz频率运行；水泵2，4，6根据25Hz频率运行。2s后，泵2，4,6根据50Hz频率运行；水泵1，3，5,7根据25Hz频率运行。然后根据上述规律进行循环，形成波浪效果，直到按下停止按钮。具体情况见图1.3所表示。

图1.3 花样3示意图
按下开启按钮后，按下自动开关，花样1子程序被调用，喷泉根据花样1运行；花样1运行12s后调用花样2子程序，根据花样2程序运行，同时花样1停止；花样2连续12s后运行花样3，同时断开花样2；花样3运行12s后，运行花样1，如此循环，直到按下I124.1停止按钮。
对于中间音乐喷泉，则关键有音频信号控制。当无音频信号时，按下开启按钮，变频器控制其输出功率为50Hz时最大功率。当有任何音频开关信号输入时，其输出改为由音频开关信号控制，且高位开关信号优先于低位开关信号，随音频信号改变而改变，直到按下停止按钮，停止运行。

第二章 花式喷泉硬件设计
2.1 硬件选择
2.1.1 PLC选择方案
（1）对输入/输出点选择
盲目选择点数多机型会造成一定浪费。要先搞清除控制系统I/O总点数，通常情况下，在得出总数基础上增加10%～15%冗余，假如考虑以后调整扩充，则留有30%左右冗余。
（2）对存放容量选择
对用户存放容量作粗略估算。存放器内存容量估算没有固定公式，很多文件资料中给出了不一样公式，大致上全部是按数字量I/O点数10～15倍，加上模拟I/O点数100倍，以此数为内存总字数（16位为一个字），另外再按此数25%考虑余量。
（3）对I/O响应时间选择
PLCI/O响应时间包含输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方法引发时间延迟（通常在2～3个扫描周期）等。对开关量控制系统，PLC和I/O响应时间通常全部能满足实际工程要求，可无须考虑I/O响应问题。但对模拟量控制系统、尤其是闭环系统就要考虑这个问题。
（4）对PLC结构形式选择
在相同功效和相同I/O点数据情况下，整体式比模块式价格低。但模块式含有功效扩展灵活，维修方便（换模块），轻易判定故障等优点，要按实际需要选择PLC结构形式。
本设计采取S7-300 CPU313-2DPPLC。该PLC属于中型PLC，功效强大，控制能力好，性价比高，具体配置见图2.1所表示。

图2.1 PLC硬件配置
2.1.2 变频器选择方案
变频器用于交流异步电动机调速，其性能远远超出以往任何交、直流调速方法，而且其结构简单、调速范围宽、调速精度高、安装调试、使用方便、保护功效完善、运行稳定可靠、节能效果显著，是交流电动机调速主流技术。变频器是运动控制系统中功率变换器，当今运动控制系统是综合了多个学科高新技术领域，是自动化技术“前沿”，总发展趋势是：驱动交流化，功率交换高频化，控制技术数字化、智能化和网络化。所以，变频器作为系统关键功率变换部件，提供可控高性能变压变频交流电源，肯定会伴着系统技术发展而发展。异步电动机调速转动时,变频器能够依据电动机特征对供电电压、电流、频率进行合适控制,不一样控制方法所得到调速性能、特征和用途也不一样。变频器基础原理图2.2所表示。

图2.2 变频器基础组成
异步电动机调速转动时,变频器能够依据电动机特征对供电电压、电流、频率进行合适控制,不一样控制方法所得到调速性能、特征和用途也不一样.
变频器控制方法大致大致可分为开环控制和闭环控制两种，后者进行电动机速度反馈。开环控制有控制方法，闭环控制有转差频率控制和矢量控制等方法。
(1) 控制：
对于异步电动机，只要改变其供电电源频率，即能够改变电动机转速，达成进行调速运转目标。不过，对于一个实际交流调速控制系统来说，事情远远不是那么简单。这是因为当电动机电源频率被改变时，电动机内部阻抗也将随之改变，从而引发励磁电流改变，使电动机出现励磁不足或励磁过强情况。在励磁不足情况下电动机将难以给出足够转矩，而在励磁过强时电动机又将出现磁饱和，造成电动机功率因数和效率下降。所以，为了得到理想转矩速度特征，在改变电源频率进行调速同时，必需采取必需方法来确保电动机气隙磁通处于高效状态（即保持磁通不变）。这就是控制出发点。
这种变频器即使结构比较简单，不过，因为这种变频器采取是开环控制方法，其精度和动态特征并不是十分理想，尤其是在低速区电压调整比较困难，难以得到较大调速范围。所以采取这种控制方法变频器通常是对控制性能要求不太高通用变频器。
⑵ 转差频率控制：
转差频率控制需要检出电动机转速，组成速度闭环，速度调整器输出为转差频率，然后以电动机转速和转差频率之和作为变频器给定输出频率。因为经过控制转差频率来控制转矩和电流，和控制相比其加减速特征和限制过电流能力得到提升。另外它有速度调整器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度静差小，适适用于自动控制系统。转差频率控制方法通常见于单机运转。
因为在采取转差频率控制方法时需要检测电动机实际转速，所以需要在异步电动机轴上安装速度传感器。而电动机转速检测则由速度传感器和变频器控制电路中运算电路完成。控制电路还将经过合适算法依据检测到电动机速度产生转差频率和其它控制信号。另外，在采取了转差频率控制方法变频器中往往还加有电流负反馈，对频率和电流进行控制，所以这种变频器含有良好稳定性，并对急速加减速和负载变动有良好响应特征 [10] 。
⑶ 矢量控制：
矢量控制基础思想是认为异步电动机和直流电动机含有相同转矩产生机理，即电动机转矩为磁场和和其相垂直电流积，而异步电动机定子电流则能够分为产生磁场电流分量（磁场电流）和产生转矩电流分量（转矩电流）。所以，经过控制电动机定子电流大小和相位（即定子电流矢量），即能够分别对电动机励磁电流和转矩电流进行控制，从而达成控制电动机转矩目标。
MICROMASTER420 是用于控制三相交流电动机速度变频器系列。本系列有多个型号，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选择。该变频器由微处理器控制，并采取含有现代优异技术水平绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。所以，它们含有很高运行可靠性和功效多样性。其脉冲宽度调制开关频率是可选，所以降低了电动机运行噪声。全方面而完善保护功效为变频器和电动机提供了良好保护。
MICROMASTER420 含有缺省工厂设置参数，它是数量众多简单电动机控制系统供电理想变频驱动装置。因为MICROMASTER420 含有全方面而完善控制功效，在设置相关参数以后，它也可用于更高级电动机控制系统。
MICROMASTER 420 既可用于单机驱动系统，也可集成到‘自动化系统’中。
MICROMASTER420含有模块化设计。操作面板和通讯模块能够不使用任何工具，很方便用手进行更换，MICROMASTER420适适用于多种变速驱动系统装置，尤其适适用于水泵，风机和传送带系统驱动装置。
MICROMASTER430适适用于工业部门水泵和风机。比MICROMASTER420含有更多输入输出端，还含有优化带有手动，自动切换操作面板，和自适应功效软件。
MICROMASTER440属于高端变频器。适适用于多种变速驱动装置。尤其适适用于吊车和起重系统，立体仓储系统，食品，饮料和烟草工业和包装工业定位系统。这些应用对象要求变频器含有比常规应用更高技术性能和愈加快动态响应。
综上可得，选择MICROMASTER420即可满足控制要求，所以选择西门子MICROMASTER420变频器，作为水泵控制器。
2.1.3 水泵选择方案
水泵种类依据不一样要求，分类比较多；大致有卧式水泵和潜水泵。但全部是依据各自对水泵扬程、流量、使用场所、能耗比、性价比等来选择适宜自己水泵。
依据本文要求，采取QSP系列喷泉专用泵。喷泉专用泵其外壳、过流部件及外部零件材质均采取铸铁或不锈钢（304、316、316L）制成，而且该产品还保留了原来喷泉专用泵性能。样品见图2.3所表示。

图2.3 喷泉专用水泵
其优越性能以下：　
1、采取铸铁或不锈钢材料，提升泵耐腐蚀性。　
2、叶轮采取专用材料预防叶轮时叶轮松动。
3、漏电保护方法：采取定电位接地装置。　
4、在原一般泵基础上，依据喷泉专用泵要求，企业经过数次试验，在技术上不停开发，加工材料上不停改善，使喷泉专用泵能够频繁起动，完全适合音乐喷泉使用。
5、泵采取不锈钢滤网护罩，三相四线电缆。
6、不锈钢喷泉泵为自动注水功效。　
7、该电机为自循环充水式冷却。
喷泉专用水泵使用条件：
1、电泵应完全浸入水中运行,潜水深度大于0.5米,小于5米。
2、环境水温度应不高于40℃。
3、工作介质为无腐蚀性清水,含沙量小于0.1%,PH值为6.5~8.5。
4、电源应为三相50赫兹,额定电压为380伏,供电电压确保在342~420伏范围。
5、电泵应在额定扬程周围适用范围内使用。
6、电泵应配置对应开启保护器，可靠接地。
2.1.3 喷头选择方案
喷泉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，喷出水型也各不相同。本设计采取是可调直流喷头又称万向直流在多种场所喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉必备喷头，这种喷头装有球型接头，可沿垂直方向15度进行调整，万向直流喷头可组合多种不一样形状喷射效果，射流高低和角度改变，可依据水池形状大小定。见图2.4所表示。

图2.4 万向直射喷头示意图，实物图及效果图
部分型号万向直射喷头数据,见表2.1所表示。
表2.1 部分万向喷头数据示例
喷头型号
关键性能
连接管
安装尺寸(mm)
水压
(kpa)
流量
(m3/h)
喷高
(m)
直径
DN(mm)
连接形式
A
B
KTB-117
43-67
0.6-0.8
1.6-3.5
15
内螺纹
701
+40
KTB-115
47-77
1.5-2.0
3.4-5.0
20
内螺纹
110
+40
KTB-104
49-96
2.5-3.5
4.0-8.0
25
内螺纹
130
+40
KTB-216
48-100
3.5-6.5
4.6-9.0
40
内螺纹
170
60
KTB-105
50-120
5-7.5
5.0-9.5
50
内螺纹
250
+60
KTB-118
90-160
12-15
7-12
65
内螺纹
300
+60
2.1.4 控制面板
系统控制面板图见图2.5所表示。图中分别是花样选择开关、开启、手动、停止和自动运行开关。

图2.5 花式喷泉控制面板
2.1.5 喷泉水泵布局
喷泉水泵放置为圆形，圆直径约为6m，水泵1,2,3,4,5,6,7依次排列在圆一周，两两相隔约2.2m，水泵8放置在圆心。其布局图见图2.6所表示。

图2.6 喷泉水泵布局
2.1.6 彩灯布局
在本设计中喷泉要用8个彩灯，每一个水泵对应一个彩灯。彩灯选择混合彩色品种，比如一个彩灯上LED集合了红、黄、蓝、绿四种颜色，晚上能形成梦幻效果。
因为喷泉用彩灯全部是安装在水下所以对光线要求高，对安全性能要求也要很高，同时对使用寿命要求要长。LED水下灯能够达成上述要求，所以本设计选择AC 220V LED水下灯。
对于彩灯接线，因为每个水泵全部是380V驱动，由接触器控制，则把每个彩灯对应接到接触器引出线任意两根线上，彩灯发光功率也水泵功率而改变。因为接线简单，这里不多做说明。
2.1.7 PLC控制接线图
开启按钮接入PLCI124.0端子，停止按钮接入I124.1端子，花样1按钮接入124.2端子，花样2按钮接入124.3端子，花样3按钮接入124.4端子，I125.0—I125.7接收开关量信号，Q124.0—Q124.4和Q125.0—Q125.2用于控制变频器输出频率选择。PLC硬件连接图图2.7和图2.8所表示所表示。

图2.7 PLC控制端子连接图1

图2.8 PLC控制端子连接图2
2.1.8 变频器控制接线图
硬件连接见图2.9所表示，在变频器8上，PLC输出口Q125.0—Q125.2连接到变频器DIN1—DIN3端子上，经过PLC输出地开关量控制变频器输出预置固定频率，变频器输出地预置频率由设置参数决定。这里只给出变频器8连接示意图，其它变频器接线方法相同。

图2.9 变频器端子连接图

第三章 系统软件设计
3.1 花式喷泉PLC控制步骤图
花式喷泉程序控制步骤图见图3.1所表示。
图3.1 系统控制步骤图
图，通电后，进入工作状态。如按下开启按钮，喷泉装置进入准备工作状态，若不按，则回到初始状态。接着选择喷水花样，共三种喷水花样可供选择。如不选择喷水花样，系统则只保持通电状态。如按下花样选择开关，喷泉根据设定程序开始运行。假如按下停止按钮，系统则停止运行，假如不按停止按钮，系统则根据选择花样继续运行下去直到按下停止按钮。
3.2 I/O模块选择
本设计选择SM332作为PLCI/O模块，其I/O接口全部是配对模块，I为输入、Q为输出。用于连接接触器、灯和变频器。
3.3 花式喷泉I/O分配
喷泉I/O分配见表3.1。
表3.1 花式喷泉I/O分配表
输入
开启按钮
I124.0
停止按钮
I124.1
花样选择开关1
I124.2
花样选择开关2
I124.3
花样选择开关3
I124.4
自动运行按钮
I124.5
手动运行按钮
I124.6
彩灯控制按钮
I124.7
输出
变频器1
Q0.0
Q0.1
Q0.2
变频器2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
变频器3
Q0.6
Q0.7
Q1.0
变频器4
Q1.1
Q1.2
Q1.3
变频器5
Q1.4
Q1.5
Q1.6
变频器6
Q1.7
Q124.0