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第三章 花式喷泉系统硬件设计
3.1可编程控制器（PLC）的选择
PLC产品的种类繁多，PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义 。
3.1.1 PLC概述
可编程控制器，英文称Progammable Controller,简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。可编程控制器是基于微型计算机技术的通用工业自动控制设备，在其早期主要应用于开关量的逻辑控制。l987年国际电工技术委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）颁布的PLC标准草案对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制，因而具有以下基本的功能：
u 逻辑处理功能；
u 数据运算功能；
u 准确定时功能；
u 高速计数功能；
u 中断处理（可以实现各种内部中断）功能；
u 程序与数据存储功能；
u 联网通信功能；
u 自检测、自诊断功能。
可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。
3.1.2 PLC的机型选择
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求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特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、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。如下图所示为PLC控制系统示意图。
电源
指示灯
电磁阀
控制器
电源
按钮
限位开关
选择开关

CPU
模块
输入磨块
可编程控制器
输出模块
编程装置

图3-1 PLC控制系统示意图
（1）输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%~20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
（2）存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。
（3）控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。根据本课题所设计控制的需求，主要介绍一下几种功能的选择。
1.控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
2.编程功能
离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式降低系统成本，但使用和调试不方便。在离线编程方式：CU和编程器有各自的CPU，主机CPU负载现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。
五种标准化编程语言：顺序功能（SFC）、梯形图（LD）、功能模式图块(FBD)三种图形化语言和语句表（il）、结构体文（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC113123），同时，还应该支持多种语言编程方式，如C,Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
3.诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外币输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题，目前，生产PLC的厂家很多，如西门子，三菱，松下，欧姆龙，LG，ABB公司等，不同厂家的PLC产品虽然基本功能相似，但有些特殊功能，价格及使用的编程指令和编程软件都不想同，而同一厂家生产的PLC产品又不同系列，同一系类中又有不同的CPU型号，PLC的功能应强大，要具有开关量逻辑运算，定时，计数，数据处理等基本功能，鉴于本设计对控制速度要求不是很高，主要是开关量控制的应用系统。选用小型PLC就可满足要求。PLC的结构主要有整体性和模块式，本设计属于单片机控制系统宜选用整体式PLC结构。小型PLC一般使用简单编程器，它必须插在PLC上才能进行编程操作，其特点是编程器与PLC共用一个CPU，通过编程器上的方式开关选择PLC的编程，监控和运行工作状态，这种方法就是“离线编程”。简单编程器结构简单，体积小，携带方便，很适合在生产现场调试，修改程序用。
现在很多PLC都有相应的编程软件，与个人计算机或笔记本电脑相配合，就可以实现“在线编程”。综合以上西门子S7-200系类的CPU 224型PLC可满足设计要求。运用西门子STEP7-Micro/WIN32编程软件编写，调试程序并下载到PLC中，让PLC完成响应的控制任务。还可以在PLC运行的模式下调试程序，非常的方便。如下表3-1为PLC选型模块名称及工作环境条件
表3-1 PLC选型模块名称及工作环境条件
模块名称及工作环境条件
型号和说明
电源
AC200V，允许变化范围为-15%~+15%，频率为47~53HZ，瞬间停电保持10ms。
开关量输入模块
输入点为12点输入，工作电压为24V直流输入
开关量输出模块
10点晶体管输出，工作电压24V的EM222开关量I/O输出模块
CPU
CPU224型，水平安装0~550C，垂直安装0~450C，5~95%，8K字节/典型值为2.6K条指令的程序存储，2.5K字的数据存储，一个RS485通信接口
湿度
工作温度0~55℃，最高为60℃
存储温度
存储温度：-40℃~ +85℃
湿度
相对湿度为5%~95%（无凝结霜）
振动和冲击
满足国际电工委员会标准
3.1.3 PLCI/O模块及内存容量的选择
I/O模块：
本设计中的现场执行设备为电磁阀，初步确定选用开关量I/O。根据要求选择合适的I/O点数。
① 开关量输入模块种类很多，按输入点：常用的有8点，12点，16点，32点；按工作电压分：常用的有直流5V，12V，24V，48V几种。开关量输入模块工作电压等级主要根据现场检测原件与模块之间的距离来选择，该设计控制距离要求不是很远，可选择24V即可，为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电平的大小。所谓门槛电平是指输入点的接通电平和关断电平的差值。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也越远。
② 开关量输出模块的输出方式的选择
继电器输出方式价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，使用于动作不频繁的直流负载。
晶体管输出方式属于无触点开关输出，使用寿命长，开关频率高适用于通断频繁的场合基于以上因素，I/O模块确定为12点输入，10点晶体管输出，工作电压24V的EM222开关量I/O模块。
③ 根据控制要求和I/O点数确定I/O分配表如表3-2.所示
内存容量：
每个I/O点及有关功能原件占用的内存量大致为：
开关量输入原件：10~20B/点；
开关量输出原件：5~10B/点；
定时器/计数器：2B/个；
通信接口：一个接口一般需要300B以上。
表3-2 I/O分配表
输入
输出
符号
地址
功能描述
符号
地址
功能描述
SB1
I0.0
启动按钮
HL
Q0.0
电源指示灯控制
SB2
I0.1
停止按钮
YV1
Q0.1
控制中心喷水管
SB3
I0.2
电源开关
YV2
Q0.2
控制内环喷水管
SB4
I0.3
花样1选择开关
YV3
Q0.3
控制次外环喷水管
SB5
I0.4
花样2选择开关
YV4
Q0.4
控制外环喷水管
SB6
I0.5
花样3选择开关
LR
Q0.5
红色彩灯
SB7
I0.6
花样4选择开关
LG
Q0.6
绿色彩灯
SB8
I0.7
单步/连续 选择开关
LY
Q0.7
黄色彩灯

LB
Q1.1
蓝色彩灯

PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际要求的10%~25%考虑裕量。对于开关控制系统，存储字数为开关量I/O*8。
3.1.4 PLC工作原理
PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化工作。为使PLC的输出及时
读取输入
执行用户程序
处理信号请求
自诊断检查
改写输出
读取输入
自诊断检查
处理信号请求
改写输出
RUN模式
STOP模式

图3-2 扫描过程
的响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同的任务（见图3-2），这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
1. 读取输入
在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像寄存器和输出过程映像寄存器。
2. 执行用户程序
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺利排列。在RUN模式的程序执行阶段，如果没有跳转指令，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序。
3. 信号处理
在处理信号请求阶段，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候将信息传递给通信请求方。
4. CPU自诊断测试
自诊断测试包括定期检测CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将检测定期器复位，以及完成一些别的内容工作。
5. 改写输出
CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，起常开触电闭合。使外部负载通电工作。
3.2变频器的选择
变频调速技术是针对固定工频而采取的高效节能措施，工频（50Hz）是发电的最佳频率，但它并非是所有用电设备的最佳工作频率，因而导致许多设备长期处于低频率、低功率引述运行状态。占全国耗电2/3的交流电动机目前大多数还在工频、恒速下运动，运行效率只有60%左右。为了提高效率，所以在本设计中用到变频器。
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。我们现在使用的变频器主要采用交——直——交方式（VVVF变频或矢量控制变频），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。
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：
1.电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
2.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。
3.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。
Ⅰ.在使用变频器驱动告诉电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流地阿牛值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
Ⅱ.变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样的情况下，变频器容量要更大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
Ⅲ.对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器的容量要放大一档。
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，其实物图如图3-4示。下面简单介绍其功能特点：
简单、易用型
◆ 功率范围：0.4~3.7KW (三相200V FR-S520E系列)0.4~1.5kW (单相 220V FR-S520SE系列)
◆ 自动转矩提升，实现5Hz时150%转矩输出
◆ 数字式拨盘，设定简单快捷
◆ 柔性PWM，实现更低噪音运行
◆ 15段速，PID，4~20mA输入和漏源型转换等多功能
◆ 内置独立RS485通讯口

图3-3 FR-S520（E）系列变频调速器实物图
3.3泵的选择
泵是一种面大量广通用型号机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力、冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位。泵的电能消耗起了积极作用。但是目前在国民经济各个领域中，由于选型不合理，许多的泵处于不合理运行状况，运行效率低，浪费了大量能量。还有的泵由于选型不合理，根本不能使用，或者使用维修成本增加，经济效益低。由此可见，合理选泵对节约能源同样具有重要意义。所谓合理选泵，就是要综合考虑泵机组和泵站的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。具体来说，有以下几个方面：必须满足使用流量和扬程的要求，即要求泵的运行工次点经常保持在高效间运行，这样既能剩动力又不易损坏。所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率。具有良好的抗气蚀性能，这样既能减小泵房的开挖深度，又不使水泵发生气蚀，运行平衡、寿命长。
3.3.1选择步骤
（1）列出基本数据：
1.介质的特性：介质名称、比重、粘度、腐蚀性、毒性等。
2.介质中所含固体和颗粒、含量多少。
3.所需要的流量，一般工业用泵在工艺流程中可以忽略管道系统中的泄漏量压力，吸水池压力，排水池压力，管道系统中的压力降。
（2）确定流量扬程和流量
1.如果生产工艺中已给出最小、正常、最大流量，应按最大流量考虑。
2.如果生产工艺中只给出正常流量，应考虑留有一定的余量。
3.如果基本数据值只给重量流量，应换算成体积流量。
3.3.2泵的选型
泵是一种面大量广通用型号机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力、冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位。泵的电能消耗起了积极作用。由此可见，合理选泵对节约能源同样具有重要意义。所谓合理选泵，就是要综合考虑泵机组和泵站的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。具体来说，有以下几个方面：必须满足使用流量和扬程的要求，即要求泵的运行工次点经常保持在高效间运行，这样既能剩动力又不易损坏。所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率。具有良好的抗气蚀性能，这样既能减小泵房的开挖深度，又不使水泵发生气蚀，运行平衡、寿命长。
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。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℃。流量：10-300（m3/h）。杨程：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。流量：5-20（m3/h）。杨程：20-60（m）
QJ系列潜水泵电机与水泵直联，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的水泵必须满足大功率快速精确启停，我选用QY系列的潜水泵，品牌为DESHB(德士比)的QYP100-4.5-2.2喷泉泵。其实物图见其3-4所示：

图3-4 QYP喷泉泵的实物图
3.3.3水泵的参数及性能
（1）水泵的主要参数
水泵参数是指工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。
1.流量（Q）
泵的流量市直单位时间所排出的液体的数量。通常泵的流量用体积计算，以Q表示，单位为米3/时（m3/h）、米3/秒（m3/s）、升/秒（1/s），也可用重量计，以G表示，单位为吨/时（t/h）、吨/秒（t/S）、千克/秒（kg/s）。G与Q的关系：
G=r*Q r-液体的重量（千克/米3） （1-1）
因水的重量近似1000千克/米3，故 1升/秒=3.6米3/时=3.6吨/时
2.扬程（H）
泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。以H表示，实质上就是水泵能够扬水的高度，又叫总扬程或全扬程。单位为米液柱高度，习惯上省去“液柱”，以米（m）表示。泵的总扬程由吸水扬程两部分组成，因此：
总扬程=吸水扬程=出水扬程 （1-2）
但由于水流经过管路时受到各种阻力而减少了泵的吸水扬程和出水扬程，因此
吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程 （1-3）
出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程 （1-4）
损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程 （1-5）
总扬程=实际扬程+损失扬程 （1-6）
由于水泵铭牌上表明的扬程是上述水泵的总扬程，因此不能误认为铭牌上的扬程是实际扬程数值，水泵的实际扬程都比水泵铭牌上的扬程数值小。因此在确定水泵扬程时，这一点要特别注意，否则，如果只按实际扬程来确定水泵的扬程，订购来的水泵扬程就低了，那可能会降低水泵的效率，甚至打不上水来。损失扬程与管路上的水管和附近种类（低阀、闸阀、逆止阀、直管、弯管）、数量、水管内径、管长、水管内壁粗糙程度以及水泵流量等都有密切关系，这一点在管路设计和选配水管和附件时也应注意。
1.允许吸上真空高度（HS）
允许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程，也就是泵的吸水扬程（简称泵的吸程），包括实际吸水扬程和吸水损失扬程之和。以Hs表示，单位为米（m）。允许吸上真空高度是安装水泵高度的重要参数，安装水泵时，应使水泵的吸水扬程小于允许吸上真空高度值，否则安装过高，就吸不上水或产生气蚀现象、
2.转速（n）
转速是指泵叶轮每分钟的转数，以n表示，单位为转/分（r/min）。每台泵都有一定的转速，不能随意提高或降低，这个固定的转速称为额定转速，水泵铭牌上标定的转速即为额定转速。如果远大于额定转速，不但会引起动力机超载或转不动，而且泵的零部件也容易损坏；转速降低，泵的效率就会降低，影响水泵的正常工作。
3.比转数（ns）
在前述水泵型号中，有些型号的组成部分有比转数这个参数。比转数与转速是两个概念，水泵的比转数，简称比速，通常用符号为ns。水泵的比转数是指一个假象的所谓标准水泵叶轮的转数，这个假想的水泵与真实水泵的叶轮各部分都几乎相似而在消耗功率为0.735千瓦、扬程为1米、流量为0.075立方米/秒时所具有的转数。叶轮形状相同或相似的水泵比转数相同，叶轮形状不相同或不相似的水泵比转数不相同。如轴流泵比转数比混流泵大，混流泵比转数也是放映水泵特性的综合性指标。此外，要注意比转数大的水泵，其转速不一定高；比转数小的，转速不一定低。大流量、低扬程的水泵，比转数大，防止则小。一般比转数较低的离心泵，其流量小、扬程高；而比转数较高的轴流泵，其流量大、扬程低。
4.功率
功率是指机组在单位时间内作功的大小。水泵功率可分为有效功率、轴功率和配套功率三种。
（1）有效功率
它是出丢水泵内部损失功率后，纯用于羊水所消耗的功率，因此又称为净功率、输出功率或水马力。常用符号为N效，单位为千瓦（或马力）。有效功率只可用水泵的流量和扬程计算得出：
（1-7）
（2）轴功率
它是动力机传给水泵轴上的功率，因此称为轴功率或输入功率。要包括泵体内轴承的摩擦、水泵轴与填料的摩擦、水与叶轮、泵壳间的摩擦，以及泵内高压水的回漏等所消耗的功率。
（3）配套功率
它是指水泵应选配的动力机的功率，一次又称有用功率。常用符号为N配，它比轴功率大。这是因为动力机把动力传递给水泵的过程中，有传动损失；同时还要考虑水泵工作时，流量及扬程有波动而可能出现动力机超载，因此动力机需要比水泵轴功率大的功率储备。配套功率可按下式求得：
（1-8）
动力安全系数（或称备用系数）可根据水泵轴功率大小确定，轴功率小时取大值。
传动交率要根据传动类型和传动方式确定。采用联轴器直接传动时，取0.99。采用皮带传动时，开口式传动取0.98，交叉传动取0.9，半交叉取0.92～0.94；三角带传动取0.96。
5.、效率（n）
效率是指有效功率与轴功率的比值，因此他是反映泵对动力所给予的功率利用程度的技术经济指标。常用符号为n，其大小用百分数来表示。可用下式表达：
（1-9）
由于有效功率小与轴功率，因此水泵效率永远小于1。但水泵效率值越大说明有效功率越大，泵内损失功率越小。我们选择水泵时，应尽量选择效率高的水泵铭牌上的效率是指水泵可能达到的最高效率，一般农用水泵的最高效率为60%～80%，有些大型水泵超过了80%。
3.4喷头的选择
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。
1号喷头：
1号喷头位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以1号喷头选择直上喷头。
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，如图3-5所示。

图3-5 直上喷头实物图及安装简图
2号喷头：
2号喷头位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比1号所喷出的水柱稍细比1号所喷的水柱要低。所以2号选择可调直流喷头。
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。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图3-6所示。

图3-6 可调直流喷头实物图及安装简图
3号喷头：
3号喷头喷头应该比2号喷头喷射高度略低比4号喷头喷射高度略高，所喷水柱比2号水柱略粗壮、挺拔。所以3号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与水面齐平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图3-7所示。

图3-7 树冰形喷头实物图及安装简图
4号喷头：
4号喷头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。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图3-8

图3-8 涌泉喷头实物图及安装简图
3.5执行器—阀的选择
实现喷泉喷水管喷与不喷的执行器件为电磁阀。电磁阀是用电磁铁推动阀门的开启与关闭动作的电动执行器，主要优点是：体积小，动作可靠，维修方便，价格便宜。通常用于口径在100mm以下的两位控制中，尤其多用于接通，切断或转换气路或是液路等。
追溯电磁阀的发展史，电磁阀从原理上分为三大类：直动式、分步直动式、先导式。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。本设计中喷水管要求控制灵活，具有一定的工作压力，使得喷水管有很好的密封、打通特性，以满足喷水管的控制及要求，使用先导式电磁阀比较合适。如图3-9所示。

图3-9 先导式电磁阀
先导式电磁阀工作原理：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。动作时间很短频率较高时一般选用直动式，大口径选用先导式。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。
先导式电磁阀特性：先导膜片式结构，低功能。 保护型膜片结构设计，寿命延长两倍。配管方式可以任意角度安装，为增强寿命最好是水平管接线圈朝上。线圈防护等级IP65。
先导式电磁阀适用介质：液体、水、热水、气体、油、瓦斯等
3.6灯具的选择
该喷泉用四组彩灯分别为红，绿，黄，蓝。从里到外分别对应1处用蓝色的彩灯，2处为黄色的彩灯，3处为绿色彩灯，4处为红色彩灯。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AC 220V LED水下灯，如图3-10所示

图3-10 LED水下灯
3.7电源模块的选择
3.7.1安装布线的注意事项
电源往往是干扰进入PLC是主要途径。PLC系统的电源有两类：外部电源和内部电源。外部电源用来驱动PLC输出设备（负载）和提供输入信号，又称用户电源。同一台PLC的外部电源可能有多种。外部电源的容量与性能由输出负载和PLC的输入电路决定。由于PLC的I/O电路都具有滤波，隔离功能，所以外部电源对PLC性能影响不大，因此，对外部电源的要求不高。内部电源是PLC的工作电源，即PLC内部电路的工作电源。他的性能好坏直接影响到PLC的可靠性。因此，为了保证PLC的正常工作，对内部电源有较高的要求，一般的PLC的内部电源采用开关式稳压电源或是一次侧带低通滤波器的稳压电源。
在干扰较强或可靠性要求较高的场合，应该用带屏蔽层的隔离变压器，对PLC系统供电，还可以在隔离变压器二次侧串联LC滤波电路，同时，在安装时要注意以下问题：
动力部分、PLC以及I/O电源应分别配线。
隔离变压器与PLC和I/O电源之间最好采用双绞线，以控制串模干扰。
系统的动力线应该足够粗，以降低大容量设备启动时引起的线路压降。
PLC输入电路用外线直接电源时，最好采用稳压电源，以保证正确的输入信号，否则可能使PLC接收到错误的信号。
I/O线与动力线及其它控制线应分开走线，并保持一定的距离，尽量不要在同一线槽中布线。
交流线与直流线、输入线与输出线最好也分开走线。
3.7.2对电源的处理
电源模块的选择一般只需要考虑输出电流，电流模块的额定输出电流必须大于机器模块，I/O模块等消耗电流的总和。选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块，所有I/O模块，各种智能模块总消耗功率之和，并预留30%的余量。
3.7.3 PLC接地
良好的接地是PLC安全可靠性运行的重要条件，PLC与强电设备最好使用不同的接地装置，接地线的截面积应大于2mm²，接地点与PLC的距离应小于50m。
PLC一般最好单独接地，与其它设备分别使用各自的接地装置。在一个工程中，接地处理注意下面几个方面：机体接交流电源的GND并接地；柜内用到的直流电源，将直流电源的接地端点接到系统地；传送模拟信号的屏蔽线进行单点接地，若为了释放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应该并联点位均衡器，其电阻应小于屏蔽层电阻的1/10，并将屏蔽层两端接地。若干扰还是无法解决，加隔离器。
通信线全解接地，否则改成全隔离或者转成光钎通信，不受任何干扰；屏蔽接地电极与变压器零线等其它强电设备接地电极的距离大于15cm；信号线必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰场合，也要在在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。
3.8硬件接线图及元件明细表
系统硬件接线图：
CPU224本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器，CPU模块均可以配接多个扩展模块，连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左边的模块连接。
系统硬件接线图如下图所示，PLC内部已经集成了一定数目的数字量I/O点，但如果用户需要的I/O点数多于CPU单元I/O点数时，就必须对PLC做数字量I/O点数扩展。如下图所示硬件接线图，用开关电源要与PLC隔开，相应的过电流保护设备，短路保护和接地保护的处理要有，保证系统的安全可行性，其中L1为相线，N为零线，PE为保护接地端子，电路中应有基本的保护装置。
在外部AC/DC电源的输出端接大容量的电容器，负载突变时，可以维持电压稳定，以确保DC电源有足够的抗冲击能力，把所有的DC电源接地可以获得最佳的噪声抑制。
未接地的DC电源的公共端与保护地PE之间用RC并联电路连接，电容和电阻的典型值4700pF和1MΩ。电阻提供了静电释放电路，电容提供了高频噪声同路。

图3-11 系统硬件接线图

图3-12 变频器与水泵的接线图
元件明细表：
表3-3 系统所用元件明细表
序号
名称
规格/型号
单位
数量
备注
1
可编程控制器PLC
西门子S7-200系列CPU224型PLC
个
1
用EM222数字量扩展输出模块
2
变频器
FR-S520（E）系列变频调速器
个
1
内置独立RS485通讯口
3
泵
DESHB(德士比)的QYP100-4.5-2.2喷泉泵
个
4
流量：10-300（m3/h），杨程：4-110（m），最高效率为60%～80%。
4
喷头
1号
直上喷头
个
8

2号
可调直流喷头
个
8

3号
树冰形喷头
个
4

4号
涌泉喷头
个
1

5
执行器—阀
先导式电磁阀
个
4

6
灯具
AC 220V LED水下灯
个
若干
1处用蓝色的彩灯，2处为黄色的彩灯，3处为绿色彩灯，4处为红色彩灯。