基于plc的花式喷水池控制系统设计

目录第一章绪论211喷泉的发展212喷泉的种类4第二章PLC（可编程控制器）的介绍521PLC的基本概念和简介522PLC的发展和运用6第三章设计花样喷泉的方案分析831主控制器方案分析832喷泉控制方案分析8第四章PLC控制系统总设计1041PLC的基本结构和I/O分配表1042I/O接线图及主电路1143流程图和梯形图1244设计的分析23总结24致谢25参考文献26常州工学院（成人教育）毕业设计（论文）题目基于PLC花式喷泉控制系统设计副标题性质毕业设计毕业论文学生姓名施健年级2008级教学点无锡技师学院专业电气自动化指导教师周江涛评定成绩优良中及格不及格摘要花式喷水池是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物。随着可编程控制器在我国的迅速发展，对花式喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需要可编程控制器来实现。在游人和居民经常光顾的场所，如公园、广场、旅游景点及一些知名建筑前，经常会修建一些喷泉供人们休闲、观赏。这些喷泉按一定的规律改变喷水式样，如果再与五颜六色的灯光相配合，在和和谐优雅的音乐中，更使人心旷神怡，流连忘返。本文讲述的是如何利用PLC控制喷泉喷水方式，产生各样的样式，本文结合任务设计书的要求，以4环花式喷泉为研究对象，采用了西门子S7200系列可编程序控制器作为喷泉的控制器。对花式喷水池的控制系统的总体功能进行了分析，阐述了可编程控制器的组成和工作原理。并提出了喷水池硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案。本设计改善了喷泉系统的控制品质，并真正地达到了实时控制的要求。关键词可编程序控制器花式喷水控制系统第一章绪论11喷泉的发展111我国喷泉的发展国内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的一个技术细节，从设计到产品制作，工程安装都没有形成规模。只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的。二十世纪八十年以后，随着国民经济的恢复和发展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造的过程中，以及环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了求新的要求，一部分建筑、园林、水利的设计院、研究所及大专院校，综合了土建结构、给排水、机电控制等传统的专业技术，加上当时先进的单片机，通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出一批喷泉、水景。得到了良好的社会反映和社会效益。在这个时期，一些喷泉设备专业加工厂和公司开始组建、发展，为喷泉的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快，人们也追求高质量的文化生活和环境美。市场的需求推动了喷泉行业的发展。喷泉走出公园、园林的围墙和广场的中心，深入延伸到人们的各个社会活动场所。许多喷泉专业的生产厂商和专业公司，在这段时间内应运而生，迅速发展起来。专业技术人员把计算机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中，把喷泉行业的技术水平推上了一个新的层面，开拓了广阔的应用空间，喷泉行业得到了快速发展。2001年中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会成立了水景喷泉专业委员会，行业组织为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、公司提供服务，促进喷泉行业健康有序地发展。一些大学和中专的建筑、园林专业也开设了水景、喷泉课程，为喷泉行业的今后发展提供了知识储备。喷泉行业的发展进入到一个新的阶段。112喷泉的应用状况人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，开拓了喷泉的应用范围。我们可以看到适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取，凝聚向上的感受。在商业广场、购物中心以及一些景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。河、湖自然水面上喷水高度超过百米的高水柱喷泉，其雄伟、壮观的水造型往往成为这个城市或旅游景点的特征之一。喷泉进入了住宅小区，多与建筑小品和雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足的形式。松弛、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受。商场内、酒楼里的喷泉小巧、别致，既调节了室内小气候，又增添了画意。依托大型建筑物和自然地形建成的人工瀑布及溢水造景给人们以清新和另有韵味的感受。喷泉在电视转播厅和大型歌舞上频频出现，调谐得当的水形烘托着演出的效果。精巧的微型喷泉进入了办公室和居室，给室内增添了动态的装饰。喷泉是艺术和技术的结合物，建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计、创作中。不少成功的作品都注意喷泉的设计风格与周边的环境、建筑物风格的协调一致，注意当地人文、文化心理，所以好的方案设计是至关重要的，它是成功的起点。在喷泉方案的制作上，短短的几年时间就从手工制图发展到PHOTOSHOP图片再发展到三维动画制作的光盘描绘的动态喷水方案，计算机技术极大地丰富和开拓了人们的思维空间。快速、直观、便于保存、易于修改的优点很快地就被建设方接受，成为喷泉设计方案招投标的必备内容。喷泉的专用产品，设备也在不断地更新换代，新材料、新技术的采用，环保型的产品更加安全、可靠，售后服务周到、及时，这些都为喷泉的良性发展提供了技术支撑，使得大多数的喷泉在美化环境之外，还发挥了良好的生态效应社会效益和广告效应等间接的经济效益。113现代喷泉中出现的问题在喷泉得到广泛应用的过程中，也出现了一些问题和不足，有些认识上的误区和不良倾向应该引起人们的重视。否则将对喷泉行业的健康发展产生负面影响。（1）方案设计上的盲目性，往往导致作品成为败笔，使作品难于长久存在。（2）细部设计的不合理直接影响作品效果。（3）质次价高的伪劣产品直接影响着有关厂商和公司的信誉。（4）节能、节水、环保问题应引起足够的重视。喷泉的水造型是通过细部设计来实现的，机、泵、管、阀门、喷头的合理选配，直接影响着喷水效果。有些喷泉的设计，只注意了流量、工作压力等技术指标，忽视了流态效果这个重要因素，水造型效果差。例如成功的超高水柱密实段长，破裂段和雾化段短，水柱直径和喷水高度比例合适，抗风能力强，喷水效果挺拔、雄伟。而目前的一些超高水柱，水柱密实段短，破裂段和雾化段长，水柱直径与喷水高度相比显得细小单薄，抗风能力差，水柱很容易被吹散飘移，这就是有关参数选配不合理所致。在整体水造型的组合效果上也存在差类似的问题。细部设计不合理，是技术经济指标差的表现，需要在设计阶段给予解决。喷泉是耗能的景观工程，在保障设计效果的前提下，尽可能地节约能源，这在方案设计阶段时就应该进行量体裁衣的设计。我国是一个缺水的国家，节水是基本国策，喷泉要提倡循环用水，设计时应考虑减少喷水的雾化，飘移损失。循环用水系统应该有过滤净化装置，现在有许多旱喷泉，喷水很容易把地面上的泥土、脏物冲入地下水池，水质极易污染，搞好池水净化，延长池水使用周期，用过的池水可以浇灌周边的草坪、绿地，既节约了用水，又有环保的功能。12喷泉的种类喷泉景观概括来说可以分为两大类一是因地制宜，根据现场地形结构，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。这类水景近年来在建筑领域广泛应用，发展速度很快，种类繁多，普通喷泉分音乐喷泉、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。第二章PLC（可编程控制器）的介绍21PLC的基本概念和简介ERRORNOBOOKMARKNAMEGIVEN211PLC的基本概念可编程控制器PROGRAMMABLECONTROLLER是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机PERSONALCOMPUTER的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,PLC自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。ERRORNOBOOKMARKNAMEGIVEN212PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。一输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。二用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序梯形图。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。三输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。22PLC的发展和运用221PLC的发展自第一台可编程控制器问世以来，可编程控制器的发展与计算机技术、自动控制技术、半导体技术及通信技术等高新技术的发展是紧密相关的。这些技术的每次革新，都会给可编程控制器带来功能和特性的新变化，使得可编程控制器技术的与飞速发展。目前，可编程控制器以实现从“单片机控制自动化生产线控制自动化全厂生产自动化”的三级解决方案，成为工业自动化的核心控制设备。回顾可编程控制器的发展历程，大致可划分为4个阶段。1从1969年到20世纪70年代中期这一阶段可编程控制器主要用于逻辑运算和技术技术运算其中央处理器由中小规模数字集成电路组成存储器为此信存储器，控制功能比较简单。典型产品有莫迪康公司的084、ALLENBRADLEYAB公司的PDQ2等。由于这些产品主要完成逻辑运算功能，因此，被称为可编程序逻辑控制器（PLC）。220世纪70年代中期到80年代初期这一阶段可编程控制器的CPU采用微车力气，存储器采用半导体存储器，不仅整机的体积减小，而且数据处理能力获得很大提高，增加了数据运算、传送、比较等功能，实现了对模拟量的控制。可编程控制器的名称碎屑为PC，但为了于个人计算机的名称缩写PC相区别，通常还把可编程控制器简称为PLC。320世纪80年代初期到90年代初期这一阶段由于16位，32位微处理器的出现和应用，PLC向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展，形成了多种系列化产品，出现了结构紧凑、功能强大、性能价格比搞的新一代产品，并出现多种不同性能的分布式网络系统，在功能上，PLC具有了数学运算、数据采集和处理、运动控制、闭环控制、联网通信等功能，而且随着应用领域的不断迅速扩大，PLC已成为构成生产过程自动控制系统的主要设备。在此期间，国际电工委员会颁布了PLC标准，似的PLC向标准化发展。典型产品有罗克韦尔自动化公司的PLC2系列、PLC3系列，西门子公司的SYMATICS5系列等。420世纪90年代至今这一阶段PLC继续得到快速发展，系统在网络通信、热备冗余方面都有了长足的进步，成为了一种功能强大的、成熟的控制系统。同时，通信从各厂家的自称系统逐步向开放的、统一的和通用的标准网络结构发展，如控制层的控制网、设备网和现场总线、管理层的以太网等。产品系列不断丰富，互通功能得到了较大的发展，系统性能日趋可靠、完善。同时，还捉不采用了符合IEC611313标准的程序设计语言，增加了高级编程语言等，似的各种生产数据采集和信息系统管理的视线变得容易、直接。这是，PLC已不是单纯意义上的可编程控制器了，而是一种完全的过程系统。典型产品有罗克韦尔自动化公司的PLC5系列、CONTROLLOGIX系列，西门子公司的SYMATICS7系统，莫迪康公司的QUANTUM系列等。222PLC的运用PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛，主要可以归纳为以下几类（1）开关量的逻辑控制可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。（2）模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（ANALOG）和数字量（DIGITAL）之间的A/D转换及D/A转换。（3）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。（4）过程控制过程控制是指对连续变化的量进行控制。如对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。目前已广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。（5）数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能。可以完成数据的采集、监测、分析和处理。这些数据可以与参考值比较，完成一定的控制操作。也可以利用通讯功能传送到其他的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型过程控制系统，如冶金、造纸、食品工业中的一些大型控制系统。第三章设计花样喷泉的方案分析31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的特点是控制性能和可靠性高，体积小、价格低、易于产品化。由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在智能仪表、机电一体化产品、实时工业控制家用电器等各个领域都获得了极其广泛的应用。花式喷泉的原理是利用控制器控制水泵的喷水的方式，此方案采用AT80C51系列单片机作为主控制器来控制喷泉的喷水方式。单片机的成本较低，适合用于控制小型的花式喷泉。单片机通过控制步进电机来控制电磁阀,实现对喷头流量的控制,从而使喷泉水姿、灯光色彩产生变化。但采用单片机控制原理，是以可控硅作为功率开关元件，由于可控硅承受过电压、过电流的能力较差，因而不能长时间运行。方案2使用S7200系列控制花式喷泉自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的飞速发展,不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格,使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足的进步,也使PLC的广泛应用成为可能。PLC的优点很多，主要包括编程方法简单易学；功能强、性能价格比高；硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强；可靠性高、抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量低、维修方便；体积小、能耗低等。而且PLC在各个工业部门的应用范围都得到了扩展。32喷泉控制方案分析1、花式喷水池示意图图A中4为中间喷水管，3为内环状喷水管，2为中环形状喷水管，1为外环形状喷水管。图B中的选择开关可有4种选择，可分别用4个开关模拟实现；单步/连续开关为“1”单步，“0”连续，其他为单一功能开关。2、控制要求1234A）花式喷水池喷嘴布局示意图1234选择开关启动停止单步/连续电源B）花式喷水池控制开关面板图1水池控制电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置即开始工作。按下停止按钮，则停止喷水。工作方式由“选择开关”和“单步/连续”开关来决定。（2）“单步/连续”开关在单步位置时，喷水池只运行一个循环；在连续位置时，喷水池反复循环运行。3方式选择开关用以选择喷水池的喷水花样，14号喷水管的工作方式选择如下A）选择开关在位置“1”按下启动按钮后，4号喷水，延时2S，3号喷水，再延时2S，2号喷水，再延时2S，1号喷水，接着一起喷水15S为一个循环。B）选择开关在位置“2”按下启动按钮后，1号喷水，延时2S，2号喷水，再延时2S，3号喷水，再延时2S，4号喷水，接着一起喷水30S为一个循环。C选择开关在位置“3”按下启动按钮后，1、3号同时喷水，延时3S后，2、4号同时喷水，1、3号停止喷；交替运行5次后，再14号全部喷水30S为一个循环。D）选择开关在位置“4”按下启动按钮后，喷水池14号水管的工作顺序为1234按顺序延时2S喷水，然后一起喷水30S后，1、2、3和4号水管分别延时2S停水，再等待1S，由4321反序分别延时2S喷水，然后再一起喷水30S为一个循环。（4）不论在什么工作方式，按下停止按钮，喷水池立即停止工作，所有存储器复位。第四章PLC控制系统总设计41PLC的基本结构和I/O分配表PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为A、电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在1015范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去B、中央处理单元CPU中央处理单元CPU是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。C、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。D、输入输出接口电路1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。E、功能模块如计数、定位等功能模块F、通信模块如以太网、RS485、PROFIBUSDP通讯模块等I/O分配表分析系统及控制要求知需8个输入和四个输出，所以选CPU222即可满足要求（CPU222有8输入和6输出）。I/O分配表如下表。输入信号输出信号序号功能元件地址序号控制对象元件地址1启动按钮SF0I0014号接触器QA3QA3Q032选择开关1SF1I0123号接触器QA2QA2Q023选择开关2SF2I0232号接触器QA1QA1Q014选择开关3SF3I0341号接触器QA0QA0Q005选择开关4SF4I046停止按钮SF5I057连续开关SF6I068单步开关SF7I07原理和操作说明1水池控制电源开关接通后，工作方式由“选择开关”和“单步/连续”开关来决定。（2）“单步/连续”开关在单步位置时，喷水池只运行一个循环；在连续位置时，喷水池反循环运行。按下启动按钮，喷水装置即开始工作。按下停止按钮，则停止喷水。当选择开关在SF1时，按动启动按钮时程序自动进入S01运行，程序运行到最后时自行判断是单步或连续，就入戏一个环节；当选择开关在SF2SF3SF4时同上。42I/O接线图及主电路I/O接线图主电路43流程图和梯形图分析系统及控制要求绘出如下流程图开始选择开关开关1开关2开关4开关3启动启动启动启动YV4通电,4号喷水YV1通电,1号喷水YV1YV4依次延时,2S通电,14号依次喷水YV1,YV2通电,1,3号同时喷水延时2S后,YV3通电,3号喷水延时2S后,YV2通电,2号喷水延时2S后,YV1通电,1号喷水一起喷水15S单步延时2S后,YV2通电,2号喷水延时2S后,YV3通电,3号喷水延时2S后,YV4通电,4号喷水一起喷水15S单步延时3S后,YV2，YV4通电,YV1，YV3断电,1,3号停喷,2,4号喷水循环次数5YV1，YV3通电,14号同喷水30S单步一起喷水30SYV4YV1依次延时2S断电,41号依次停喷延时时1S后,YV4YV1依次延时2S通电,41号依次喷水一起喷水30S单步结束YYYYNNNNYN程序梯形图44设计的分析优点在相同功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。本设计采用S7200PLC。该PLC属于中型PLC，功能强大，控制能力好，性价比高。缺点花样不是很漂亮，在调试过程中还发现很多小问题，还得不断的修改和完善。总结课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，PLC已经成为当今计算机应用中的领域，生活中可以说是无处不在。因此对于二十一世纪的大学生来说掌握PLC技术是