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一、文献综述
1.研究背景
随着我国社会经济和科技的发展，智能化逐渐走进人们的生活，人们的生活质量和生活水平有着很大的提升。在许多休闲广场、景区或游乐场里，经常看到喷水按一定的规律喷水或变化式样，若在夜晚配上各种彩色的灯光显示，更加迷人。如下图所示为一花式喷水池，采用PLC控制是比较方便的，在花式喷水时序确定的前提下，可以通过改变时序或者改变控制开关，就可以改变控制方式，达到显现各种复合状态的要求。
2.国外研究现状
国外对PLC的研究开始较早，1978年，Pico Electronics公司研发了国际通用的面向智能家居的电力线通信协议X10，成为全球第一个利用电力线控制电器设备的标准。目前，国外对于PLC的研究主要分为两大方向：一类是窄带电力线通信的研究，其带宽在不同的国家地区有不同的规定，主要应用于智能抄表、设备管理、照明控制等领域；另一类为宽带电力线通信的研究，在美国指4-20MHz频段，主要用于户内通信，在欧洲尚无统一的标准。随着技术的不断发展，PLC在国外已经开始投入灯光喷泉的使用，市场份额逐年增加。
Feiyu W ,Ying Z ,Anan S是几位美国教育家，他阐述了AI智能技术的不断发展，观赏性水资源设计已应用于各个领域，新型灯光喷泉与计算机的交互应用也更加广泛，这使得更多的控制电路需要计算机来完成，并朝着智能化、分散化、综合化、多样性的方向发展。人工灯光喷泉通常有两个系统组成，一个是控制程序系统，主要控制水的样式和流量，另一个是灯光控制系统，主要通过计算机编程代码，并根据不同的灯光，编程，从而实现形状同步灯光和水相结合，发出不同风格的艺术效果。灯光喷泉的景观娱乐应用场景延伸相当丰富，喷泉可以设计出不同的图案，通过程序编程按照一定的规律来控制水的图案，使其色彩斑斓，造型各异。很多广场都包含大型娱乐场所，加上灯光喷泉元素，整体美感可以得到提升，设计一款符合时代主流的节能图案喷泉控制器[14]。
Jinsong Wang;Pengju Yan针对城市街道路灯效率低、智能化程度低,人工监控比例高的问题,设计了一种智能路灯系统。路灯系统由硬件部分和软件部分组成。硬件部分以STM32F103ZET6芯片单片机作为主控系统的微控制器,通过I2C总线采集光传感器的信号,并采用PWM调光技术调节LED灯的亮度。软件部分主要采用模糊控制算法实现路灯的智能控制,包括设计的照明模糊控制器和车速模糊控制器。利用MATLAB对算法进行了仿真分析,并结合硬件系统进行了实验测试。通过仿真分析和测试表明,该系统能够智能地模拟人工控制的过程和方法,为目前常规路段路灯照明的使用提供了参考[15]。
3.国内研究现状
近些年来，在现实生活中的许多方面都可以看到PLC控制系统的应用。在我国，从小型PLC控制系统的产生到不断发展进步到现在，其功能逐渐具体化和完善化，其中PLC的生产已经有了发展的雏形，我们已经能够批量的去生产一些小中型的PLC 产品，许多的国产厂家发展迅猛，在一些重点的实验室和研发单位大型PLC也有了独特的中国智造，所生产的产品受到了大众的广泛好评。在国外，大规模、高速度、高性能、产品系列化的可编程控制器相继被研制出来，并在多个领域有着长足的发展8。现如今，PLC 控制系统在工业自动化领域有了新的发展方向，具体来说，在开关量与模拟量的调节等一些具有特殊功能模块的应用上已经基本能够满足用户的需求。近几十年来，伴随着科技革命性的的发展，PLC将会得到更好发展和不断地进步，PLC控制系统已经得到广泛应用。具体到本次设计而言，PLC在喷泉控制系统的应用逐渐增加，我们可以根据对喷泉控制的不同需要来选择不同的PLC功能。
随着我国喷泉控制设备的发展,现代的生产技术已经能够完成一些基本的现场控制，这就促使国内的许多设备制造企业开始进一步研发新的喷泉控制设备，以便于去获得更多的市场份额。目前，在我国具有代表性的喷泉公司有近百家，以上海雨琦喷泉工程有限公司为代表的喷泉公司有着很强劲的实力。
江苏大学流体机械及工程技术研究中心蔡斌分析随着计算机软硬件技术的飞速发展,新型喷泉与计算机的交互应用越来越广泛,音控灯光喷泉也越来越复杂和越来越精密,使得越来越多的控制部分需要计算机来完成,计算机控制音控灯光喷泉成为自然趋势。为此,建立以工控机为核心的多媒体计算机音乐灯光喷泉,采用基于预处理的计算机控制处理系统来协调音乐、灯光、流水的变化,获得较理想的效果[1]。
上海戏剧学院王非尘详述结合喷泉的起源、样式、艺术特征,谈喷泉灯光的作用、意义、运用手法,强调灯光设计对于喷泉整体效果的重要性和作为一种视觉艺术产业的可发展性[2]。
北京航空航天大学王永华阐述了从实际工程应用和便于教学需要出发,介绍和讲解了继电器控制系统和可编程序控制器控制系统的工作原理、设计方法和实际应用。和其他同类的教材相比,本书主要有以下特点:(1)除最基本的常用低压电器外,还介绍了和电气控制技术有关的其他器件和一些新型器件,讲解了软启动器和变频器的使用;(2)对传统的电气控制系统的内容进行了较大幅度的删减,简明扼要地讲解了其中最基础的知识,给出并讲解了电气控制线路和可编程序控制器程序的"简单设计法"[3]。
沈阳工学院信息与控制学院李佳坤, 魏颖.分析了近年来,人们的生活水平不断提高,娱乐设施普及程度也大为提高,城市里建起了一座座公园,其中大多数公园都有喷泉设施,基于PLC的喷泉控制系统。PLC可编程逻辑控制器是一种建立在计算机技术之上的可编程控制器,它具有维修便捷、可靠性高、应用范围广等优点,是一种人性化的设计[4]。
山西农业大学信息学院王蕊, 张孝元, 傅建平, 李宗昊分析花样喷泉是近几年来在园林艺术、工程建筑和景观观赏中所产生出的一项设施。以花样喷泉的模型为研究对象,并选择S7-200系列PLC对喷泉控制系统进行研究。做出了三套喷射方案并完成了喷泉模型控制系统的硬件配置和软件设计,最后利用喷泉实物模型进行了调试并修改。本设计改进了以往喷泉控制系统的诸多缺点,提升了喷泉的控制系统稳定性[5]。
山东省胶州市第一中学时方舟在本次研究中主要设计了一种集喷泉装置及加氧装置为一体的多功能喷泉系统,通过分析设计该多功能喷泉的系统需求、系统组成以及系统优势特点,并且借助该多功能喷泉的系统设计实例,就如何保障该喷泉水池氧气充足以满足饲养观赏鱼的需要等展开探索分析,结果表明本设计的制造成本价格低廉并且适用性较强[6]。
后英集团海城钢铁有限公司大屯分公司分析了现代电气控制技术研究包括智能控制技术的应用、电气系统模糊控制技术、电气控制系统中非线性控制技术。现代电气控制技术的应用特点有利于电气控制系统的完善与成熟、有利于科学选取电气控制设备、有利于电气工程系统运行环境的监测。介绍了PLC控制技术和应用特点,如系统结构更小、更便捷。PLC技术更简单,系统的抗干扰能力更强[7]。
天津现代职业技术学院田海一详述进入新世纪后,随着科学技术的地不断发展,工业生产技术逐渐成为社会进步的助推剂,电气自动化领域也发生了巨大的变化,在工业发展过程中扮演着重要的角色。可编程逻辑控制器(PLC)技术在现代化电气设备控制中发挥了至关重要的作用,尤其是其自动化控制部分。通过对现代计算机技术和通信技术的不断整合,使工业生产更加高效、安全和可靠。文章首先分析了PLC的定义和组成;其次研究了这项技术的特点;最后对其应用效果、要点及发展趋势进行了分析[8]。
吉林铁道职业技术学院电气工程学院岳殿霞分析了广场喷泉控制系统的控制要求,通过西门子PLC S7-1500系列实现控制,根据IO端口设计梯形图,利用组态技术制作了控制系统动态画面,在PLC应用技术和组态控制技术课程中具有较好的教学效果[9]。
江海职业技术学院的魏斌详细叙述了触摸屏来进行手动操作,使得选择多样性;采用了变频器调速技术,实现喷泉水柱的高低变化;采用PLC作为控制器,对喷泉和LED潜水灯进行控制,使其能有多彩的变化[10]。
广东石油化工学院毛泽华阐述PLC作为一种可编程的控制器,它的优势就是智能程度高、速度快、非常灵敏,探讨PLC技术的应用,包括数据控制、闭环控制、开关量控制、顺序控制、智能化的控制[11]。
山东省枣庄市台儿庄区职业中专陈长锋分析了PLC被叫做可编程逻辑控制，基于内部程序重点分析编程控制，且把相关数据及时上传到芯片，以此来提高运行效率。该技术是一种典型的电子控制技术，不只是广泛运用于工业控制系统，而且还能够融入日常生活中，目前已经发展成为自动化产业的重要设备。对此，本研究重点分析了PLC在现代电气控制中的具体应用，以此来指导实践[12]。
江西中烟工业有限责任公司南昌卷烟厂李建平详述了电气设备目前已实现了自动化控制,能够对其运行状态进行灵活的控制,这对于提高生产效率和工作安全是非常重要的。PLC技术是电气设备自动化控制的关键技术,它以微软处理器为核心,融合计算机技术、现代通信技术和自动控制技术,使PLC技术的便捷性、灵活性和可靠性得到了最大程度的发挥,这将极大地促进电气设备自动化的发展[13]。
总的来说灯光喷泉，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。
二、研究内容
设计一个灯光喷泉PLC控制系统。该系统包括建筑设计、水泵设计、灯光配置和控制系统，通过各个系统的设计来实现灯光和喷泉的相互配合。
1、 基本功能
（1）电源开关接通后，红灯开始亮，定时器开始计时5S，5S时间到红灯熄灭、黄灯开始亮，定时器开始计时6S，6S时间到黄灯熄灭、绿灯开始亮，定时器开始计时7S，7S时间到绿灯熄灭、蓝灯开始亮，定时器开始计时8S,8S时间到蓝灯熄灭，且开始循环直到按下停止按钮
（2）按下启动按钮，喷泉控制装置开始工作，按下停止按钮，喷头立刻停止。
（3）喷泉的工作方式由花样选择开关和单步、连续开关决定。
（4）当单步、连续开关在单步控制时，喷泉只能按照花样选择开关设置的方式运行一个循环。
2、目的和拟解决的关键问题
（1）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。
（2）本次设计的要求是对传感器和变频器的应用，要做好这次设计，首先必须了解喷泉控制系统的工作原理，再次掌握TIA博图软件的操作。
喷泉控制系统采用变频调速，现代喷泉控制系统常使用变频器来调节泵的运行速度,从而实现水流量和压力的精确控制。变频器可以根据系统的实际需求调节电机转速,以达到节能和高效的目的。采用压力传感器来检测喷泉系统的实时压力，将信号反馈给控制系统，以便调节泵的运行状态，保持系统压力稳定。
三、研究方案
本课题采用“硬件设计—PLC控制程序设计—仿真调试”的技术路线。软件设计采用西门子公司提供的博图V16编程软件编写控制程序，主要实现对灯光喷泉控制。仿真调试将利用博图V16软件进行，看其输入输出情况是否达到预期效果，进而完成相关技术要求。
 四、进度安排
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研究计划内容
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工作日程
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根据任务书，收集与课题相关的资料，查阅与现代电气控制及PLC应用技术分析相关的文献，完成开题报告；并由指导老师检查上传平台
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2024年12月15日
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2024年1月15日
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对设计中的硬件电路进行方案选择，软件进行编程与调试，给出相应的图纸并撰写毕业设计说明书；和指导老师进行沟通修改完成初稿上传
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2024年1月15日
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2024年4月15日
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结合指导老师的意见与要求对设计说明书和设计图纸进行进一步修改与校正，完成毕业设计终稿，并上传至平台，接受准备学校检查；检查结束后再次与指导老师沟通后进一步对设计说明书和设计图纸修改与校正，完成毕业设计终稿，并上传至平台，最后着手准备答辩材料
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2024年4月25日
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2024年5月25日
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