基于plc控制喷泉

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。使用 PLC 控制花式喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。用 SFC 方法编程，可以使设计思路清晰，编程简便.若需要改变喷水花样和喷水时间，设计方案不必作很大调整，只要把控制程序作相应的修改，即可实现控制目的。本设计以4环花式喷泉为研究对象，采用了三菱 FX1N 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，并达到了实时控制的要求。关键词：喷泉、PLC、设计第一章 绪论1.1 可编程控制器控制喷泉的意义喷 泉 是一种将水 或其他液体经过一定压力通过喷头喷 洒出来具有特定形状的组合体，提供水 压 的一般为 水 泵 。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，有音 乐 喷 泉 、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激 光 水 幕 电 影 等。喷 泉 原是一种自然景观，是承压水的地面露头。园 林 中的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负 氧 离 子 。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在许多城市的市民广场、单位居民生活区里都能看到各种形式的喷泉。随着科学技术突飞猛进的发展，在喷泉工程中采用了大量的高新技术，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有种愉悦的感受。从而使喷泉效果更多绚丽多彩，阿罗多姿，令人赏心悦目、流连忘返。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。1.2 喷泉的现状与发展不同环境选择不同的喷泉。现在喷泉的应用范围已经不再像原来那么狭窄了，随着人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，喷泉已经出现了多种多样的形式。大大提高了可观赏性。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、购物中心以及游泳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。松驰、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。 喷泉的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。 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。随着我国的经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速的发展，交流变频调速技术已进入个崭新的时代，其应用越来越广。而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠痛空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。花式喷泉控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过 PLC对程序设计，提高了喷泉的控制水平，并改善了喷泉的样式。1.3 喷泉的控制设计要求1、某一喷水池的控制器，形式如下：图 2.2 花式喷水池喷嘴布局示意图 图 2.3 花式喷水池控制开关面板图图 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：(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。3、I/O 编址4、编程并调试5、I/O 端子接线图第二章 系统设计方案分析2.1 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 。按钮开关信号P L C电源 水泵图 2.1 喷泉控制原理图2.2 任务设计思路经分析及老师建议本设计题目使用顺序控制指令完成，思路清晰、易于理解。而顺序控制指令是 PLC 生产厂家为用户提供的可视功能图编程简单化和规范化的指令。本设计中使用顺序控制指令虽梯形图网络众多，操作比较繁琐，但思路清晰、易于理解。故选择顺序控制指令完成。本设计中涉及可选择的分支和链接、跳转和循环。为方便编程，我采用先编写状态转移图后再将状态转移图编写为梯形图，这样方便分析每一步的步骤。使用三菱编程软件编写梯形图，使用步进指令 SET STL 复位指令 RST 总复位指令 ZRST。第三章 系统硬件设计3.1 PLC的选择3.1.1 PLC的介绍编程控制器(Programmable Controller)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(Programmable Logic Controller)，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(Personal Computer)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。3.1.2 PLC的选型在 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 。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 。存 储 器 内 存 容 量 的 估 算 没 有 固 定 的 公 式 ， 许 多 文 献 资 料 中 给 出 了 不 同 公 式 ， 大 体 上 都 是 按 数 字 量 I/O 点 数的 10-15 倍 ， 加 上 模 拟 I/O 点 数 的 100 倍 ， 以 此 数 位 内 存 的 总 字 数 （ 16 位 为 一 个 字 ） ， 另 外 再 按 次 数 的 25%考虑 余 量 。 因 此 本 课 题 的 PLC 内 存 容 量 选 择 应 能 存 储 2000 条 梯 形 图 ， 这 样 才 能 在 以 后 的 改 造 过 程 中 有 足 够 的 空间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 。（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 门 的 只 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 可 降 低 系 统 成 本 ， 但 使 用 和 调 试 不 方 便 。 在 线 编 程 方 式 ： CPU 和 编 程 器 有 各 自 的 CPU， 主 机 CPU 负 责 现 场 总线 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 逐 句 ， 下 一 扫 描周 期 ， 主 机 就 根 据 新 收 到 的 程 序 运 行 。 这 种 方 式 成 本 较 高 ， 但 系 统 调 试 和 操 作 方 便 ， 在 大 中 型 PLC 中 常 采 用 。五 种 标 注 化 编 程 语 言 ： 顺 序 功 能 图 （ SFC） 、 梯 形 图 （ LD） 、 功 能 模 块 图 （ FBD） 三 种 图 形 化 语 言 和 语 句 表（ IL） 、 结 构 文 本 （ ST） 两 种 文 本 语 言 。 选 用 的 编 程 语 言 应 遵 守 其 标 准 （ IEC6113123） ， 同 时 ， 还 应 支 持 多 种语 言 编 程 形 式 ， 如 C， Basic 等 ， 以 满 足 特 殊 控 制 场 合 的 控 制 要 求 。4.机型的选择通 过 对 输 入 输 出 点 的 选 择 、 对 存 储 容 量 选 择 、 对 I/O 响 应 时 间 的 选 择 以 及 输 出 负 载 的 特 点 选 型 的 分 析 。该 控 制 系 统 选 用 三 菱 公 司 FX2N 系 列 的 PLC。 它 体 积 小 ， 重 量 轻 ， 使 用 寿 命 长 ， 编 程 和 维 护 方 便 ， 故 障 率低 ， 通 过 扩 展 模 块 链 接 ， 可 以 增 加 输 入 /输 出 点 。3.2 I/O 地址分配表 3.1 I/O 地址分配表名称 元件 PLC 元件 说明输入启动按钮 开关 SA1 X0 启动喷泉系统单步循环选择开关 开关 SA2 X6 选择是否循环状态停止按钮 开关 SA3 X5 停止喷泉系统1 号方式选择开关 选择器开关 1 X1 喷泉选择 1 号方式喷水2 号方式选择开关 选择器开关 2 X2 喷泉选择 2 号方式喷水3 号方式选择开关 选择器开关 3 X3 喷泉选择 3 号方式喷水4 号方式选择开关 选择器开关 4 X4 喷泉选择 4 号方式喷水输出喷水池工作指示 电源指示灯 Y01 号喷水阀工作 1 号喷水阀 Y1 1 号喷水阀喷水2 号喷水阀工作 2 号喷水阀 Y2 2 号喷水阀喷水3 号喷水阀工作 3 号喷水阀 Y3 3 号喷水阀喷水4 号喷水阀工作 4 号喷水阀 Y4 4 号喷水阀喷水3.3 PLC I/O接口分配接线图启动停止开关 1开关 2开关 3开关 4X 0X 5X 1X 2X 3X 4C O MY 0Y 1Y 2Y 3Y 4C O M 0C O M 1C O M 2C O M 3C O M 4电源指示外环中环内环中间X 6电源图 3.2 I/O 口分配接线图第四章 软件设计4.1 软件流程图开始是否按下启动按钮选择开关水泵工作花式一 花式二 花式三 花式四按系统程序运行按下停止按钮与否结束NYY判断单步或连续连续N单步4.2 系统状态转移图S 0S 2 0S E T Y 08 0 0 2X 5S 2 1 S E T Y 4X 0X 1T 0T 0K 2 0S 2 2 S E T Y 3T 1T 1K 2 0S 2 3 S E T Y 2T 2S 2 4 S E T Y 1T 3T 2K 2 0T 3K 1 5 0S 2 5Z R S TY 1X 6S 2 1S 3 1 S E T Y 1X 2T 4T 4K 2 0S 3 2 S E T Y 2T 5T 5K 2 0S 3 3 S E T Y 3T 6S 3 4 S E T Y 4T 7T 6K 2 0T 7K 1 5 0S 3 5 Z R S T Y 1X 6S 3 1X 3S 4 1 S E T Y 1S E T Y 3T 8K 3 0S 4 2 S E T Y 2S E T Y 4R S T Y 1R S T Y 3C 0K 5T