PLC的花样喷泉设计

基于PLC的花样喷泉设计

指导教xxx

07电气工程自动化 学号 32 姓名 xxx

摘要

针对传统的喷泉控制系统一旦设计好控制电路，就不能随意改变喷水花样及喷水时间等问题，本设计结合三菱可编程控制器设计能适应不同季节、不同场合的喷水要求目的的花样喷泉系统。该花样喷泉控制系统不但实现了自动转换花样喷泉的喷水样式，而且提高了系统的可靠性和安全性，具有一定的工程应用和推广价值。

关键词：PLC；花样喷泉；控制系统

The pattern design based on PLC fountain

Tutor: Guilin Liu

Professional Electrical automation 2008 No.200811957 Name：Qianqian Cao

Abstract

According to the traditional fountain control system design control circuit, if cannot change pattern and spray water, time, etc. This design with FX PLC design can adapt different season, the different requirements of the water fountain system designs purpose. This figure fountain control system not only realizes the automatic conversion pattern of the fountain of the water, and improve the system of style, the reliability and safety of engineering application and dissemination value.

Key words: PLC control, pattern fountain system

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目录

引言 .................................................................................................................................................. 1 第1章 可编程控制器 ................................................................................................................... 2

1.1 PLC简介 ............................................................................................................................ 2 第2章 喷泉的设计要求 ................................................................................................................. 8

2.1 喷泉规模的设计 ................................................................................................................ 8 2.2 喷泉水柱的分布 ................................................................................................................ 8 2.3喷泉及其参数的选择 ......................................................................................................... 9 第3章 PLC控制系统总设计 ...................................................................................................... 11

3.1 PLC型号 .......................................................................................................................... 11 3.2 PLC控制花样喷泉运行要求 ......................................................................................... 11 3.3喷泉的运行流程图 ........................................................................................................... 12 3.4喷泉的运行过程 ............................................................................................................... 13 3.5喷泉控制原理 ................................................................................................................... 13 3.6花样喷泉PLC控制主电路接线图 ................................................................................... 14 3.7花样喷泉PLC控制电路接线图 ...................................................................................... 14 3.8花样喷泉PLC控制输入输出点分配.............................................................................. 15 3.9花样喷泉PLC控制梯形图程序 ...................................................................................... 16 第4章 程序调试 ........................................................................................................................... 25

4.1连续状态下的调试 .......................................................................................................... 25 第五章 结论 ................................................................................................................................... 32

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引言

喷泉是人工环境中最富有生命力的喷泉,它具有分隔空间、增加层次、净化空气美化环境的作用, 具有美化环境的功能，常常博得观赏者的喜爱。喷泉水景首次在我国兴建是18世纪中期，北京圆明园(又名长春园)中的“西洋楼”建筑提升到高处的蓄水池(180m3)里，然后通过管道供给喷泉。近代，国内外随着城市和工业的发展，改善城市环境，兴建自然景观日益增多。因而水景的艺术形式和规模都有很大发展。

现代高科技把美妙的音乐、多姿的喷泉造型、五彩缤纷的水下灯光、神奇的激光图文，通过电脑有机的结合在一起，给人以音乐声响、视觉形象、色彩变换三位一体的超自然享受。随着我国人民物质生活水平的不断提高，对于精神生活的要求也在不断提高，为进一步改造环境景观，建设一个喷泉是很有必要的。随着科学技术的不断发展和生活水平的不断提高，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。当今喷泉工程和高新技术的结合正是历史发展的必然趋势，由于喷泉工程中采用了大量的高新技术，从而使喷泉效果更加绚丽多彩，婀娜多姿，令人赏心悦目、流连忘返。

本次的毕业设计是一个以FX-2N(PLC)控制为核心的花样喷泉控制系统的设计。花样喷泉在PLC的控制之下，喷出各种各样的水柱，给人以一种视觉上美的享受。

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第1章 可编程控制器

1.1 PLC简介

可编程序控制器PC（Programmable Controller）又称可编程序控制器PLC（Programmable Logic Controller），是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备告诉计数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电－接触控制系统在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用。PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。 1.2 PLC的结构

PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC

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系统，他们是相辅相成，缺一不可的。 PLC硬件结构简图如下：

电源 输入信号 输入部件 微处理器 运算器 控制器 输出部件 受控元件 外部设备 外设I/O接口 存储器 EPROM I/O 扩展接口 I/O 扩展单元 图1-1 PLC硬件结构图

1.3 PLC的特点

可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为PLC具有以下优点：

1）、灵活、通用

在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量

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的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。

2）、可靠性高、抗干扰能力强

对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。

3）、操作方便、维修容易

PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。

4）、功能强

现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。

5）、体积小、重量轻和易于实现机电一体化

由于PLC采用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。

同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编

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程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。 1.4 PLC的主要功能

PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。

PLC系统主要有以下功能： 1) 多种控制功能；

2) 数据采集、存储与处理功能； 3) 通信联网功能；

4) 输入、输出接口调理功能； 5) 人机界面功能； 6) 编程、调试功能。

PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。 1.5 PLC的经济性分析

综上所述，在各种环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。

对PLC的经济分析，应从以下几方面考虑： 1）、从影响成本的各个因素综合考虑

对目前生产设备控制装置来说，有三种类型：① 继电器控制；② 半导体器件控制；③ PLC控制。价格仅是选择PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。

2）、从设计、生产周期长短考虑

不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、

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设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。这是因为使用PLC不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。

据调查，目前我国70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了可靠性差外，程序设计也很繁杂。从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既简单、方便又保密。 1.6 PLC发展状况及趋势

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

现代PLC的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。

1）、大型网络化

主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。

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2）、多功能

随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。

但是目前尚存在一些不足，例如：DCS系统应用设计过于粗放，操作人员普遍素质较低，而且系统升级的费用较高。而FCS系统虽然可以大量的节省设备和空间，从而节省安装费用。但其本身技术还不太成熟，而且在现场总线产品开发，应用，系统集成方面的人才缺乏，阻碍了FCS的发展与应用。而PLC技术成熟，性能可靠，功能完善，得到了用户的认可，并能充分运用起来，所以以后的一段时间里会出现PLC,DCS,FCS共存的局面

1.7 PLC的编程语言

在IEC61131-3中，规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示，并对以往编程语言进行了部分修改后形成目前通用的5种语言。在这5种语言中，有3种是图形化语言，2种是文本化语言。图形化编程语言包括：梯形图（LD－Ladder Diagram）、功能块图（FBD － Function Block Diagram）、顺序功能图（SFC － Sequential Function Chart）。文本化编程语言包括：指令表(IL-Instruction List)和结构化文本 (ST-Strutured Text)。

继电器梯形图编程语言是PLC首先采用的编程语言，也是PLC最普遍采用的编程语言。梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。

指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。

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第2章 喷泉的设计要求

2.1 喷泉规模的设计

该喷泉占地面积俯视图为正方形，其面积S=100平方米；喷射范围俯视图为圆形，其半径R=4.5m。 喷泉概况平面图如1-1：

图2-1喷泉概况平面图

图1-1中，喷泉由5种不同的水柱组成。其中1表示大水柱所在的位置，其水柱较大，喷射高度较高；2表示中水柱所在的位置，由六支中水柱均匀分布在2的圆（r=2m）的轨迹上，水量比大水柱的水量小，其喷射高度比大水柱低；3表示小水柱，它由150支小水柱均匀分布在3（r=3m）的圆的轨迹上，其水柱较细，其喷射高度比中水柱略矮；4和5为花朵式和旋转式喷泉，各由18支喷头组成，均匀分布在4和5的圆（r=4m）的轨迹上，其水量压力均较弱。

2.2 喷泉水柱的分布

该喷泉的回水池俯视图为圆形，与喷泉喷射范围俯视图为同心圆，且半径相等。回水池的深度为4m。

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该回水池由1个半径为100cm的圆水池和3个有效宽度为50cm的圆环水池组成，且各个水池之间相通，连接池宽度为50cm，3个圆环水池的半径分别为4m、5m、6m。如图1-2所示：

图2-2回水池的设计

回水池上方由金属栏嵌入式覆盖。

大水柱喷头的内径d=50mm，中水柱喷头的内径d=30mm，小水柱喷头的内径d=20mm，花朵喷泉和旋转喷泉的内径d=30mm。

大水柱高度h=10m，中水柱高度h=7m，小水柱高度h=5m，花朵喷泉和旋转喷泉的喷水高度h=4m。

2.3喷泉及其参数的选择

QSP型喷泉是由潜水电机和水泵连接组合而成。该产品符合JB/T8092-1996标准规定，获得全国生产许可证。该产品经过不多的改进和完善，其结构合理，外形 美观，工作可靠，适应频繁启动而且响应速度快，安装方便，对水源无污染，广泛应用于农业灌溉，工矿排水，水景喷泉，水产养殖，鱼塘增氧，防洪排涝等。使用条件：

电泵应完全浸入水中运行，潜水深度不小于0.5米，不大于5米。 环境水温度应不高于40摄氏度。

工作介质为无腐蚀性清水，含沙量不大于0.1%,PH值为6.5~8.5。

电源应为三相50赫兹，额定电压为380伏，其供电电压必须保持在342~420伏范围之内。

电泵应在额定扬程附近的适用范围内使用。 结构如图2-3：

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图2-3 QSP潜水泵结构图

表2-1 潜水泵参数

额定扬程额定功率（米） （千瓦） 型号 (QSP) 额定电压（伏） 额定频率（赫兹） 大水柱 中水柱 小水柱 花朵水柱 旋转水柱 15-10-0.75 15-5-0.5 26-3-0.5 160-2-1 160-2-1 10 7 5 4 4 0.75 0.5 0.5 1 1 380 380 380 380 380 50 50 50 50 50 1

第3章 PLC控制系统总设计

3.1 PLC型号

本次设计采用FX2N系列plc进行编程。

3.2 PLC控制花样喷泉运行要求

1）、按下启动按钮，喷泉进入运行等待状态。

2）、按下喷泉喷水花样的循环方式按钮，喷泉开始运行，每隔10s改变一次花样。在连续运行方式下，喷水花样将一直循环下去，在单步运行方式下，喷水花样只运行一个循环。按下其他任意一个循环方式按钮，喷泉喷水花样的循环方式立刻改变。

3）、按下停止按钮，喷泉停止运行。

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3.3喷泉的运行流程图

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图3-1喷泉的运行流程图

3.4喷泉的运行过程

按下喷泉控制系统的启动按钮X0，M10得电，喷泉进入等待运行状态。 整个过程分为8段，每段10s，且自动转换，全过程为80s。当单步开关不动作时：

花样选择开关置于1时（X4闭合），其喷泉水柱的动作顺序如下：1→2→（1+3+4）→（2+5）→（1+2）→（2+3+4）→（2+4）→（1+2+3+4+5）→1。

花样选择开关置于2时（X5闭合），其喷泉水柱的动作顺序如下：1→2→（2+4）→（2+5）→（1+2）→（2+3+4）→（1+3+4）→（1+2+3+4+5）→1。

花样选择开关置于3（X6闭合）时，其喷泉水柱的动作顺序如下：1→2→（1+3+4）→（1+2）→（2+5）→（2+3+4）→（2+4）→（1+2+3+4+5）→1。

花样选择开关置于4（x7闭合）时，其喷泉水柱的动作顺序如下：1→2→（1+3+4）→（2+5）→（1+2）→（2+4）→（2+3+4）→（1+2+3+4+5）→1。

以上每个花样周而复始，直到按下停止按钮，水柱喷泉才停止工作；当单步开关闭合时，喷泉水柱的动作只运行一个循环，全部喷发十秒以后喷泉停止。

3.5喷泉控制原理

本次设计的喷泉控制系统由启动控制程序、位移脉冲控制程序、复位控制程序、驱动控制程序、停止控制程序组成。通过启动控制程序实现喷泉的准备，通过位移脉冲控制程序实现子元件中的内容在存储器间的移动，通过复位控制程序实现喷泉花样的循环，通过驱动控制程序实现喷泉的喷射，通过停止程序来实现对喷泉的停止。

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3.6花样喷泉PLC控制主电路接线图 3.7花样喷泉PLC控制电路接线图

图3-2 花样喷泉控制电路接线图

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3.8花样喷泉PLC控制输入输出点分配

表3-1花样喷泉PLC控制输入输出点分配 输入信号 名称 启动按钮 停止按钮 单步按钮 ---------- 花样1按钮 花样2按钮 花样3按钮 花样4按钮 代号 SB1 SB2 SB3 --------- SB4 SB5 SB6 SB7 输入点编号 X0 X1 X2 ----------- X4 X5 X6 X7 名称 大水柱接触器 中水柱接触器 小水柱接触器 花朵式喷泉接触器 旋转式喷泉接触器 黄色水景灯 红色水景灯 绿色水景灯 输出信号 代号 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 HL1 HL2 HL3 输出点编号 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 其中SB3（X2）是带自锁的按钮，其它是不带自锁的。

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3.9花样喷泉PLC控制梯形图程序

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0步，13-37步：启动控制系统。X0闭合，m10得电自锁，为花样喷泉启动做准

备，，闭合x4或x5或x6或x7，其对应的辅助继电器闭合自锁，

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为循环做准备。

45-246步：位移脉冲控制系统，采用mov指令。花样启动按钮闭合，喷泉开始

喷。发，通过各自的定时器开始延时，十秒换一次花样，直到喷泉全部喷发。

254步：复位控制系统。如果在单步运行方式下，十秒钟之后全部停止，但m10

始终得电，连续运行方式下程序重新回到第一个花样并重新开始计时循环。

4步：停止控制系统。闭合x1，喷泉停止；单步运行方式下，喷泉全部喷发十秒

以后，系统得电，y0-y7全为零，喷泉停止。

驱动控制系统：通过plc的输出端口的连接和程序里的mov指令来驱动外部的接

触器，水泵电机，和喷泉水景灯

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第4章 程序调试

4.1连续状态下的调试 以第一个花样为例：

首先打开GX软件，打开编有程序的文件，，并进行梯形图逻辑测试启动，接着进行软元件登陆，输入M0-M4，M10，Y0-Y7,然后点击“监视开始”，最后打开软元件测试窗口。

调试步骤如图所示：

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在软元件测试窗口内输入X0，点击“强制ON”，（以下的调试就简化说明）喷泉进入待命状态，如图4-1所示。

图4-1程序调试图

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（2）X4闭合，M0得电自锁，梯形图进行第一种花样的循环，其变化状态如下图所示：

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延时十秒再转回第一步：

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图4-2程序调试图

（3）在单步运行方式下，X2为带自锁的按钮，X2闭合，再按一下X4，前面八

个步骤与连续运行一样，喷泉全部喷发十秒后，全部停止，但M10始终得电，为下次花样运行做准备，其状态如图4-3：

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图4-3程序调试图

当喷泉第八种喷射花样结束后，喷泉进入停止状态。在此调试过程中，主要观察喷射花样的运行是否符合程序的设定。

其余三种循环方式，基本与第一种一样，只是中间的计时器和花样的顺序的不同

喷泉的四种循环方式选择开关，可在喷泉处于单步运行状态时，进行调试。喷泉运行状态下，按下喷泉循环方式选择按钮，完成四种方式间的切换调试。

经过调试，四种方式间的切换可以实现。

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第五章 结论

采用PLC控制，利用PLC体积小功能强，可靠性高，且具有较大的灵活性和可扩展性的特点，通过改变喷泉的控制程序或改变方式按钮，就可以改变花样喷泉的喷水规律，从而变换出各式各样的喷泉形状，以适应不同季节，不同场合的喷水要求。

通过本次毕业设计，充分体现了PLC的特点。PLC在控制上的优越性，使喷泉在实际生活中的喷水花样，变化更多，更加完美。在这次设计中我仿佛又经历了一次系统学习，在做毕业设计前，一直认为没有什么困难，但在实际运作过程中采清楚的认识到自己的不足。

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