陳 洪 清

(福建生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福州 350008)

國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80年代以前，噴泉只是建筑給排水和園林造景專(zhuān)業(yè)的一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)，從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制作、工程安裝都沒(méi)有形成規(guī)模。改革開(kāi)放以來(lái) ，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、園林主管部門(mén)在城市建設(shè)、改造過(guò)程中對(duì)噴泉美化和文化氛圍營(yíng)造上提出了要求，結(jié)合當(dāng)時(shí)先進(jìn)的單片機(jī)、通過(guò)電磁閥和直流電機(jī)調(diào)速實(shí)行變量控制，設(shè)計(jì)出了一批噴泉水景。

近年來(lái)，噴泉走出公園、園林的圍墻和廣場(chǎng)的中心，深入延伸到人們的各個(gè)社會(huì)活動(dòng)場(chǎng)所。專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員把計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)，以及聲、光、電、霧、火、激光、音樂(lè)、水幕電影等學(xué)科的技術(shù)應(yīng)用到噴泉之中，這些噴泉按照一定的規(guī)律改變噴泉式樣，輔以五顏六色的燈光和優(yōu)美的音樂(lè)，使人心曠神怡，流連忘返。隨著可編程控制器在我國(guó)的迅速發(fā)展，人們對(duì)花式噴泉控制的要求也越來(lái)越高，使得越來(lái)越多的控制部分需用可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 噴泉的發(fā)展

1.1 噴泉的種類(lèi)

噴泉景觀概括可以分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形結(jié)構(gòu)，仿照天然水景制作而成的，如壁泉、涌泉等；第二類(lèi)是完全依靠噴泉設(shè)備人工造泉的，這類(lèi)水景應(yīng)用廣泛，種類(lèi)繁多，發(fā)展速度很快。

1.2 現(xiàn)代噴泉應(yīng)用

人們對(duì)噴泉的造景功能、娛樂(lè)功能，認(rèn)識(shí)逐步提高，開(kāi)拓了噴泉的應(yīng)用范圍。

適宜于節(jié)日、大型集會(huì)的廣場(chǎng)噴泉和城市主題調(diào)速?lài)娙煨秃?jiǎn)潔、明快、莊重、大方。

在商業(yè)廣場(chǎng)、購(gòu)物中心以及一些景點(diǎn)的大型激光彩色音樂(lè)噴泉，歡快、跳躍，富有詩(shī)意，有些噴泉配以水幕電影，給人們帶來(lái)變幻奇妙的視聽(tīng)效果。

近年來(lái)，隨著房地產(chǎn)市場(chǎng)的逐漸升溫，一些住宅小區(qū)在景觀設(shè)計(jì)中，融入了噴泉，使其與小區(qū)園林景觀遙相呼應(yīng)。商場(chǎng)、酒樓內(nèi)的噴泉小巧、別致，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)氣溫。

這些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，噴泉方案的制作技術(shù)有了極大的發(fā)展，方案設(shè)計(jì)從最初的手工制圖發(fā)展到photoshop圖片，再到三維動(dòng)畫(huà)制作的動(dòng)態(tài)噴水方案。直觀快速、便于保存，易于修改的方案設(shè)計(jì)對(duì)噴泉設(shè)計(jì)方案的招投標(biāo)起到了極其重要的作用。

噴泉專(zhuān)用產(chǎn)品、設(shè)備不斷地更新?lián)Q代，新材料、新技術(shù)的采用，都為噴泉的良性發(fā)展提供了技術(shù)支持。大多數(shù)噴泉除了具有美化環(huán)境的功能之外，還具有良好的生態(tài)效應(yīng)、社會(huì)效應(yīng)和廣告效應(yīng)。

1.3 問(wèn)題及解決方法

在噴泉得到廣泛應(yīng)用的過(guò)程中，也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，一些認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)和不良傾向需要引起人們的重視。

(1)設(shè)計(jì)方案盲目，花樣設(shè)計(jì)缺乏新意；

(2)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不合理；

(3)控制器使用不合理，節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保問(wèn)題得不到重視，造成資源浪費(fèi)。

噴泉是耗能的景觀工程，在保障設(shè)計(jì)效果的前提下，在方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者需要盡可能地節(jié)約能源。我國(guó)是一個(gè)缺水的國(guó)家，節(jié)約用水是基本國(guó)策，噴泉設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮減少?lài)娙撵F化、飄逸損失；另外采用循環(huán)用水系統(tǒng)應(yīng)該配備過(guò)濾凈化裝置，搞好噴泉水精華，延長(zhǎng)噴泉水的使用周期，用過(guò)的池水可以澆灌周邊的綠化帶，這樣能夠節(jié)約用水，具有環(huán)保功能。

2 控制方案分析

2.1 花式噴泉的設(shè)計(jì)要求

(1)按下啟動(dòng)按鈕，噴泉控制裝置開(kāi)始工作，按下停止按鈕，噴泉控制裝置停止工作。

(2)噴泉的工作方式由花樣選擇開(kāi)關(guān)和單步、連續(xù)開(kāi)關(guān)決定。

(3)當(dāng)單步、連續(xù)開(kāi)關(guān)在單步控制時(shí)，噴泉只能按照花樣選擇開(kāi)關(guān)設(shè)置的方式運(yùn)行一個(gè)循環(huán)。

(4)花樣選擇開(kāi)關(guān)用于選擇噴泉的花樣，現(xiàn)在考慮4種噴水花樣。

①花樣選擇開(kāi)關(guān)在位置1時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕后，4號(hào)噴頭噴水，延遲3s后，3號(hào)噴頭噴水，再延遲3s后，2號(hào)噴頭噴水，又延遲3s后，1號(hào)噴頭噴水。10s后，如果為單步工作方式，則停止；如果為連續(xù)工作方式，則繼續(xù)循環(huán)下去。

②花樣選擇開(kāi)關(guān)在位置2時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，1號(hào)噴泉噴水，延遲3s后，2號(hào)噴泉噴頭噴水，再延遲3s后，3號(hào)噴頭噴水，又延遲3s后，4號(hào)噴頭噴水。20s后，如果為單步工作方式，則停止。如果為連續(xù)工作方式，則繼續(xù)循環(huán)下去。

③花樣選擇開(kāi)關(guān)在位置3時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕后，1號(hào)、3號(hào)噴頭同時(shí)噴水，延遲3s后，2號(hào)、4號(hào)噴頭同時(shí)噴水，1號(hào)、3號(hào)噴頭停止噴水。如此交替18s后，4組噴頭全噴水。30s后，如果為單步工作方式，則停止；如果為連續(xù)工作方式，則繼續(xù)循環(huán)下去。

④花樣選擇開(kāi)關(guān)在位置4時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕后，按照1-2-3-4的順序，依次間隔3s噴水，然后一起噴水。10s后，按照4-3-2-1的順序分別延遲3s依次停止噴水。在經(jīng)1s延遲時(shí)，按照4-3-2-1的順序，依次間隔3s噴水，然后一起噴水。30s后停止。如果為單步工作方式，則停止。如果為連續(xù)工作方式，則繼續(xù)循環(huán)下去。

從工程實(shí)際出發(fā)，在制定控制系統(tǒng)的方案時(shí)，充分考慮工程的組成及實(shí)現(xiàn)，主要從機(jī)械部件的動(dòng)作順序、動(dòng)作條件、必要的保護(hù)和聯(lián)鎖，系統(tǒng)工作方式(如手動(dòng)、自動(dòng)、半自動(dòng))和安全保護(hù)措施及緊急情況處理等著手設(shè)計(jì)。以下幾點(diǎn)為梯形圖設(shè)計(jì)過(guò)程的主要思路：

(1)先打開(kāi)花樣選擇開(kāi)關(guān)然后按下啟動(dòng)按鈕；

(2)每個(gè)花樣獨(dú)立運(yùn)行，通過(guò)輔助繼電器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制工程；

(3)需要立即結(jié)束時(shí)，按下停止按鈕立即斷電。

2.2 設(shè)計(jì)流程

通過(guò)設(shè)計(jì)要求可以確定控制的主動(dòng)向?yàn)椋?/p>

根據(jù)實(shí)際的選擇開(kāi)關(guān)選項(xiàng)，用PLC來(lái)控制這些步驟，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。

3 硬件的選擇

3.1 PLC的選擇

(1)對(duì)輸入/輸出點(diǎn)的選擇。盲目選擇點(diǎn)數(shù)多的機(jī)型會(huì)造成一定浪費(fèi)。要先弄清楚控制系統(tǒng)的I/O總點(diǎn)數(shù)，再按照實(shí)際需要的總點(diǎn)數(shù)的15%～20%留出備用量，為系統(tǒng)的改造留有余地，確定PLC所需的點(diǎn)數(shù)。

(2)對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇。對(duì)用戶(hù)存儲(chǔ)容量作粗略的估算。

(3)對(duì)I/O響應(yīng)時(shí)間的選擇。PLC的I/O響應(yīng)時(shí)間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時(shí)間延遲(一般在2～3個(gè)掃描周期)。對(duì)開(kāi)關(guān)量控制的系統(tǒng)，PLC和I/O響應(yīng)時(shí)間一般都能滿(mǎn)足實(shí)際工程的要求?？梢圆槐乜紤]I/O響應(yīng)時(shí)間。但對(duì)模擬量控制的系統(tǒng)、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個(gè)問(wèn)題。

(4)對(duì)PLC結(jié)構(gòu)形式的選擇。在相同功能和相同I/O點(diǎn)數(shù)的情況下，整體式比模塊式價(jià)格低。但是模塊式具有功能擴(kuò)展靈活，維修方便，容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，要按需要選擇PLC的結(jié)構(gòu)形式。

綜上所述，根據(jù)花樣噴泉的控制要求，聯(lián)系到實(shí)際控制需求，輸入、輸出等變量的特點(diǎn)，在此使用的是日本三菱的FXCPU FX1NC系列繼電器輸出型的PLC來(lái)滿(mǎn)足上面的控制要求。

3.2 I/O設(shè)備分配表

通過(guò)對(duì)工作流程的分析，設(shè)置SB1、SB2、ST1、ST2、ST3、ST4、ST5(單步/連續(xù)開(kāi)關(guān))，其中SB1是作為啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，SB2為停止開(kāi)關(guān)。執(zhí)行器件為Y1～Y4四個(gè)電磁閥，其分配情況如表1所示。

表1I/O設(shè)備分配表

3.3 PLC硬件接線(xiàn)圖以及外部接法

3.4 水泵的選擇方案

水泵的種類(lèi)根據(jù)不同的要求，大致分為臥式水泵和潛水泵。根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)水泵的揚(yáng)程、流量和適用場(chǎng)合、能耗比、性?xún)r(jià)比來(lái)分析。由于潛水泵放置在水中，不需要泵房，可以降低造價(jià)。潛水泵能耗低、體積小、重量輕，不需灌引水，使用、維護(hù)及管理方便，能夠達(dá)到節(jié)約水資源的目的，適合噴泉的噴水要求。

3.5 噴頭的選擇方案

噴泉的噴頭大致分為直流噴頭、涌泉噴頭、集束噴頭和旋轉(zhuǎn)噴頭等，種類(lèi)繁多，噴出的水型各不相同。根據(jù)噴泉設(shè)計(jì)方案，4號(hào)噴頭位于花式噴泉的中心，采用中間小、四周大的技術(shù)噴頭組合方案，能夠產(chǎn)生中間噴出的水柱較四周要高、要細(xì)的視覺(jué)效果。

2號(hào)、3號(hào)噴頭位于輻射方向中間，噴頭個(gè)數(shù)較多，可以采用直流噴頭。1號(hào)噴頭在整體噴泉的最外圍，可以采用旋轉(zhuǎn)噴頭，使噴泉的觀感更具放射性。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC流程控制圖

4.2 軟件的選用

本設(shè)計(jì)采用三菱SWOPC-FXGP-WIN-C編程軟件編寫(xiě)系統(tǒng)程序。該軟件是一個(gè)可應(yīng)用于三菱FX系列可編程控制器PLC的編程軟件，可在windows下運(yùn)行，在SWOPC-FXGP/WIN-C中，用戶(hù)可通過(guò)線(xiàn)路符號(hào)，列表語(yǔ)言及SFC符號(hào)來(lái)創(chuàng)建順控指令程序，建立注釋數(shù)據(jù)及設(shè)置寄存器數(shù)據(jù)。創(chuàng)建順控指令以及將其存儲(chǔ)為文件，用于打印機(jī)打印。修改程序可在串行系統(tǒng)中與可編程控制器PLC通訊。編程軟件界面如圖6所示。

4.3 噴泉控制系統(tǒng)部分程序的梯形圖

在程序的編寫(xiě)過(guò)程中，連接輸入端口地址X0和X6的開(kāi)關(guān)SB1和ST5至關(guān)重要。ST5是獨(dú)立的啟動(dòng)按鈕，負(fù)責(zé)啟動(dòng)單步或連續(xù)的運(yùn)行。P1、P2、P3和P4四個(gè)子程序分別代表噴泉的四種花式，通過(guò)使X001、X002、X003和X004其中一個(gè)觸點(diǎn)閉合來(lái)選擇噴泉的噴發(fā)效果。

主程序中采用了設(shè)置多個(gè)輔助繼電器和添加自鎖功能來(lái)使工作線(xiàn)圈能夠穩(wěn)定得電，使電磁閥和指示燈能夠順利地工作。而閉合輔助繼電器M30、M31、M32和M33分別使指示燈所對(duì)應(yīng)的輸出接口線(xiàn)圈得電，使得指示燈與噴頭工作模式一一對(duì)應(yīng)。

圖8為噴泉控制系統(tǒng)中1號(hào)噴泉花樣的程序梯形圖。以這個(gè)程序?yàn)槔?，可以看到：在四個(gè)花式子程序中，應(yīng)用了多個(gè)定時(shí)器來(lái)控制噴頭的噴射時(shí)間。這是因?yàn)镻LC通過(guò)得電或斷電來(lái)控制電磁閥，以達(dá)到控制多組噴頭的噴射效果，在子程序的編寫(xiě)中，采用這種多個(gè)定時(shí)器依次工作的方式，定時(shí)器之間互不影響。當(dāng)定時(shí)器T4時(shí)間達(dá)到10s后，T4常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)如果程序?yàn)檫B續(xù)運(yùn)行模式，則子程序循環(huán)運(yùn)行。

大量采用輔助繼電器，可能會(huì)對(duì)程序檢測(cè)和調(diào)試帶來(lái)一定的困難，但是通過(guò)這樣編寫(xiě)出來(lái)的程序運(yùn)行比較穩(wěn)定。

4.4 程序調(diào)試說(shuō)明

(1)在程序調(diào)試前，明確程序的邏輯關(guān)系，謹(jǐn)記PLC程序執(zhí)行順序從下到上循環(huán)執(zhí)行；

(2)使用計(jì)數(shù)器(C0 K10)后輸出高電平，必須使用[RST C0]復(fù)位后才能能繼續(xù)使用；

(3)由于在該系統(tǒng)中輔助繼電器較多，程序中必須把按鈕接在選擇開(kāi)關(guān)后以防止出現(xiàn)輔助繼電器一直工作的現(xiàn)象。

(4)程序中的一些PLC指令，能夠起到簡(jiǎn)化過(guò)程的作用，但是不容易理解，跳躍性較強(qiáng)，對(duì)于初次使用者來(lái)說(shuō)需要好好地理解和查閱相關(guān)資料。

5 結(jié)語(yǔ)

在完成全部的程序硬件選擇、軟件設(shè)計(jì)、接線(xiàn)安裝和程序調(diào)試之后，該系統(tǒng)能夠正常地完成工作。本系統(tǒng)現(xiàn)有四種花樣可供選擇，因此程序分為五個(gè)部分，即一個(gè)主程序和四個(gè)子程序。如果要改換成其他的噴水方式，只需要改寫(xiě)子程序，即可達(dá)到改變噴水方式的目的。由此可以看出該系統(tǒng)的擴(kuò)展性較強(qiáng)，成本不高，安裝方便，適合于多種場(chǎng)所。

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