基于PLC花式喷泉控制设计——毕业设计论文

毕 业 设 计 作 品 题 目：基于PLC花式喷泉控制设计姓 名：专 业：机电班 级：学 号：校内指导老师：校外指导老师：填表日期： 湘潭医卫职业技术学院教务处制湘潭医卫职业技术学院 毕业设计作品二级学院医电学院专 业机电班 级姓 名学 号校内指导老师毕业设计名称基于PLC花式喷泉控制设计校外指导老师毕业设计时间 摘要随着可编程控制器在我国的迅速发展，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。用梯形图方法编程，可以使设计思路清晰，编程简便.本设计讲述的是如何利用PLC控制喷泉喷水方式，产生各样的样式，并给出了花式喷泉的喷水花样，选择西门子的PLC作为控制器，分配了种喷水花样下PLC的I/O 接口、设计了PLC的外部接线图及控制梯形图通过人机屏面和西门子PLC之间的通讯，实现了喷泉系统基于PLC监控。目录摘要 1ABSTRACT 2第1章绪论 11.1我国喷泉的发展及现状 21.2喷泉的设计目的及意义 21.3喷泉的设计内容 3第2章花式喷泉的系统方案 32.1花式喷泉系统的主控制器方案分析 42.2控制方案的分析 72.3花式喷泉控制原理图 8第3章 系统硬件设计 83.1硬件的概括和选择 93.1.1PLC 93.2水泵的选择 103.2.1水泵的介绍 113.2.2水泵的选型 123.3变频器的选择 133.4硬件接线图 133.5喷头的选择 143.5.1喷头的介绍 153.5.2各种喷头的选择 16第4章花式喷泉系统软件的设计 174.1喷泉PLC的流程图 184.2I/O分配 184.3I/O地址分配简介 194.4I/O接线图 194.5梯形图 20结论 28参考文献 29第一章绪论1.1 喷泉的发展1.1.1我国喷泉的发展城市化的进程在飞快的加速，在我国二十世纪八十年代以前，喷泉只是用来做林园造景和建筑的排水的一个技术，从设计到完成产品的制作，都还只是在展览馆和公园能见到一些中、小型的喷泉，技术水平过于简单，不够成熟。二十世纪九十年代以后，城市化进程加速，人们也追求高环境、高质量的文化生活，经济的增长推动了喷泉行业的发展。比如广场，大厦，小区等。花式喷泉是人造小气候，在炎热的夏日可以起到增湿和降温的作用；也为水体充氧，有利于水体增加自净能力，起到防止水体黑臭的作用。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，园林的主管部门、行业组织为城镇、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。现如今，喷泉的应用范围非常的广泛了，可以应用于商场、大型人造瀑布、旅游景点、游泳景点、大大小小的社区、酒楼、公园、溢水造景、办公室、居室等等。目前在为止生产的喷泉其器材的工厂在控制方面一般与科研机构相结合，使我国在喷泉设计上采用微机控制技术，已建成上海展览中心，深圳民俗村等处喷泉，体现了我国当前喷泉技术的水平。在辽阔的水平装设高射程的喷泉可获得雄伟壮观的景观，近年来我国许多地区和城市都提出高射程喷泉的计划，杭州已建成高75米的西湖喷泉。花样喷泉是程序设计的花样和喷泉的有机自动控制的结合，花样是喷泉的主题，喷泉是花样内涵的表达，控制是实现方法。中国花样喷泉设备产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。不过随着计算机软件硬件的快速发展，新型喷泉与计算机的结合应用越来越广泛，花样喷泉也越来越复杂，越来越精密，这样以来有很多的部分都需要用计算机来完成。所以，用计算机来控制花样喷泉是必然的趋势。1.2喷泉的设计目的及意义目的：改革开放以后，我国的经济发生了翻天覆地的变化，随着这样的趋势，带动了国民生活水平和质量的提高，计算机的高速发展，微电子技术及自动化控制的发展为喷泉发展提供了有利的条件，交流变频调速技术已经进入个崭新的时代，其应用的范围越来越广。而我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境成为了越来越重要地方，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。意义：喷泉的作用上可以湿润周围的空气，减少空气中的尘埃，还可以祈祷降低周围的气温。从学识的角度来思考，喷泉所喷出来的细小水珠同空气中的份子击撞，能够产生大量的负氧离子，有利于改善社区面貌和增进居民的身心的健康。1.3喷泉的设计内容本设计将在以下几个方面对花式喷泉的控制系统进行研究和论证。(1)花式喷泉控制系统的组成该设计的多种花样由西门子编程软件进行PLC编程，利用我们所学的知识，了解PLC的工作原理，结合开关、按钮、电源电路进行设计，将硬件系统和软件系统进行结合起来，从而达到喷泉能够实现花样的各种模式下的变化及控制。（2）花式喷泉的类型选择结合我们的知识对花式喷泉的特点和各类的类别和要求，在这个设计中我主要设计了四种模式启动可供选择，能够控制每环喷水管的顺序及时间，喷水时需要灯光的显示，这样可以添加视觉的色彩；可以根据不同的场合，不同季节改变喷泉的花样变化。首先将需要的灯光已经按照事先的分布排列组合在喷头的周围，利用计算机运行程序发出控制信号，达到水型与灯光的有机结合。给人视觉产生刺激，吸引观众的眼球。（3）花式喷泉的硬件系统选择本次课题的有关设计要求花式喷泉的运行速度准确度要高，增压泵的选择，其目的是用来提高出水压力，使水的高度具有不同的高度。在硬件设计的过程中主要需要考虑花式喷泉的稳定、经济实用、美观、灵活的需要。（4）变频调速本次课题的设计中采用了目前应用广泛的变频技术，其目的就是恒流控制或恒压控制等。利用变频器去控制四台水泵中其中随意的一台水泵，且在硬件设计时需要采用互锁方法，其目的是为了防止变频器同时启动二台或二台以上水泵而过载烧坏变频器。（5）花式喷泉的控制系统的软件设计本次课题的设计中采用了目前应用广泛的PLC编程语言梯形图，梯形图它能够很直观地反应设计的要求，而梯形图的编写运用了step7-microwin编程软件，此项软件支持全部的西门子CPU226系列S7-200，它并且具有非常强大的诊断功能，能够快速的找出故障所出的原因及位置，从而大大的缩短了人去维修的时间，提高了效率，稳定性也相当强。第2章 花式喷泉的系统方案2.1花式喷泉系统的主控制器方案分析：方案一：利用单片机控制花式喷泉单片机在特点上与PLC的特点都具有可靠性高，但单片机的体积相对而言要小的多，价格也低的多，易于产品化。由于单片机的良好控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在机电一体化产品中及实时工业控制的家用电器等领域都得到了极其广泛的应用。由于花式喷泉的原理是利用控制器控制水泵的喷水方式，而单片机的成本较低，适应的控制范围为较小的小型的花式喷泉。而单片机的控制原理，是用可控硅作为功率开关原件，所以单片机的可控硅承受过电压、过电流的能力差，因而不能长时间的运行工作。方案二：利用PLC控制花式喷泉随着工业化的进展发展到20世纪60年代中期以来在PLC的产品中的电力、化工、冶金等行业中发挥着巨大的作用，近20年来的计算机和信息技术的快速发展，也带动了功能的成倍增长和价格的降低，使得PLC的通讯网络技术、过程控制软件都获得了飞速的进步，让PLC的应用获得了更为广泛的应用。其PLC的优点很多，主要包括：功能强、性价比高、编程方法简单易学、用户使用方便、可靠性高、抗干扰性强、硬件配套齐全。它的系统设计、安装、调试工作量比较少；维修方便、体积小、能耗低等。正是因为PLC的这些优点，所以它如今已经应用在工业各种部门。2.2控制方案的分析：方案：花式喷泉系统的控制要求如下：1、按下启动按钮，喷泉装置开始工作，按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。 2、喷泉工作方式由花样选择开关和单步开关决定。 3、当单步开关在单步位置时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循环，否则就连续循环下去。 4、花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，现考虑四种喷水花样。 花样1按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时2秒后，3号喷头喷水，在延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2秒，1号喷水。15秒后，如果为单步工作方式，则停下来，否则继续循环下去。如图2.2.1：图2.2.1 花样1花样2 按下启动按钮后，1号喷头喷水，延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2秒后，3号喷头喷水，有延时2秒后，4号喷头喷水。30秒后，如果为单步工作方式，则停下来，否则继续循环下去。如图2.2.2图2.2.2 花样2花样3按下启动按钮后，1号、3号喷头同时喷水，延时3秒后，2号、4号喷头喷水，1号、3号喷头停止喷水。如此交替15秒后，4组喷头全喷水，30秒后，如果为单步工作方式，则停下来，否则继续循环下去。如图2.2.3：图2.2.3 花样3 花样4 按下启动按钮后，1234按顺序延时2秒喷水，然后一起喷水30秒后，1、2、3和4号水管分别延时2秒停水，再等待1秒，由4321反序分别延时2秒喷水，然后再一起喷水30秒为一个循环。如果为单步工作方式，则停下来，否则继续循环下去。如图2.2.4：图2.2.4 花样4无论在什么工作方式，按下停止按钮后，喷水池将停止运行。2.3花式喷泉控制原理图实现整个喷泉的功能中，通过按钮开关信号来控制PLC：因为有4层喷水，因此用了1个变频器控制水泵。花式喷泉控制系统的原理如图2-3所示：第3章 系统硬件设计3.1硬件的概括和选择3.1.1PLC可编程控制器，英文称Programmable Logic Controller,简称PLC，是用于工业现场的电气控制。源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它采用可以编制程序的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术等操作的指令，它通过运行在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到输入信息，变换成为所需要的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。（1） PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。（2）PLC的特点灵活、通用、可靠性高、抗干扰能力强、操作方便、维修容易、功能强、体积小、重量轻和易于实现机电一体化。（3）PLC的功能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在使用PLC时它具有可以大大缩短编程、设计和投产时间周期。功能强，可靠性高。PLC的发展还有很大的前景，将会再次革新，以满足工业与民用的更高需求。（4）选用PLC的优势由于单片机的良好控制性能和灵活的嵌入品质，近年来也得到了广泛的应用，但是适应的控制范围为较小的小型的花式喷泉。单片机的控制原理，是用可控硅作为功率开关原件，所以单片机的可控硅承受过电压、过电流的能力差，因而不能长时间的运行工作。而PLC的优点很多，主要包括：功能强、性价比高、编程方法简单易学、用户使用方便、可靠性高、抗干扰性强、硬件配套齐全。它的系统设计、安装、调试工作量比较少；维修方便、体积小、能耗低等。正是因为PLC的这些优点，所以它如今已经应用在工业各种部门。（5）PLC的选型及主要参数项目名称CPU226XM用户程序区16KB数据存储区10KB主机数字量输入/输出点数24/16模拟量输入/输出点数32/32扫描时间/1条指令0.37s最大输入/输出点数256位存储区256定时器256计数器256允许最大的扩展模块7模块允许最大的智能模块7模块时钟功能内置数字量输入滤波标准模拟量输入滤波标准高速计数器6个30kHz脉冲输出2个20kHz通信口2xRS485选型需要根据控制要求，估算输入输出点数，所需储存器容量，确定PLC功能，外部设备特性，I/O点数的估算应当考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%-20%的可扩充，余量后，作为输入输出点数估算数据。本设计采用CPU226XM系列S7-200PLC，本设计中需要用9个输入点数，需要16个输出点数，故该主机输入输出点满足本设计的要求，功能强大，控制能力好，性价比高。3.2水泵的选择3.2.1水泵的介绍泵的定义：通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力、即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机械统称为泵。深井提水的重要设备。使用时整个机组潜入水中工作。把地下水提取到地表，是生活用水、矿山抢险、工业冷却等。还可用于喷泉景观，热水潜水泵用于温泉洗浴，还可适用于从深井中提取地下水，也可用于河流、水库、水渠等提水工程。可供中央空调冷却、热泵机组、矿山、工地排水使用。 一般流量可以达到(10 m650 m)每小时、扬程可达到1500米。3.2.2水泵的选型（1）水泵的主要参数水泵参数是指工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、允许吸上真空高度、效率和比转数等。现有喷泉常用的潜水泵有QS 、QY、QX、QJ等系列。QS系列潜水泵体积小、性能可靠，机泵一体、潜入水中运行主要优越性是：运行可靠、经久耐用、使用方便、功率大、故障少，维修费用低等。流量：10250m/h。杨程：5140m。QY系列潜水泵QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三部分组成。电泵的上端，多为离心式水泵；下端为三相鼠笼立式异步电动机。电机全部采用优质整圆硅钢片，效率高，耗电少潜水深度不超过5米水温不超过+40。流量：10300m/h。杨程：4110m。QX系列潜水泵，结构紧凑，非常适合于基建及矿山的搬运和安装无需引水，使用简便双端密封，电器保护设计合理、性能优良、几无噪音。流量：520m/h。杨程：2060m。QJ系列潜水泵电机与水泵直联，机组全部潜入水中工作，具有结构紧凑、安装、维护方便、体积小、重量轻、高效节能等特点。工作介质为清水或化学性质类似于清水的液体。额定扬程：150米。额定流量：10立方米/小时。本设计中，所需工作流量为150230m/h，最大扬程为8m。从该喷泉所需的扬程、流量、水质、价格等方面考虑，该喷泉选择QS系列的潜水泵，其规格型号为：200QS80-66，Q=1050m/h，H=580m，如图3-2所示。图3-2 QS系列潜水泵3.3变频器的选择MM420系列变频器主要参数：序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P0304230380电动机的额定电压（380V）2P03053.250.35电动机的额定电流（0.35A）3P03070.750.06电动机的额定功率60w4P031050.0050.00电动机的额定频率(50Hz)5P031101430电动机的额定转速(1430r/min)6P100022模拟输入7P108000电动机的最小频率(0Hz)8P10825050.00电动机的最大频率(50Hz)9P11201010高速时间（10S）10P11211010低速时间（10S）11P070022选择命令源12P070111ON/OFF（接通/停止命令）采用变频调速技术主要是为了提高效率。变频器选型时要确定以下几点：（1）采用变频的目的：恒流控制或恒压控制等。（2）变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。（3）变频器与负载的匹配问题(1) 电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。(2) 电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。(3) 转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生。a. 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。b. 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样的情况下，变频器容量要更大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。c. 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器的容量要放大一档。我选用的是西门子MM420系列变频调速器。其实物图如图3-3示。图3.3西门子MM420系列变频调速器3.4硬件接线图3.5喷头的选择3.5.1喷头的介绍喷泉喷头其中常用的有：可调直流喷头、半球形喷头、树冰形喷头、礼花喷头、涌泉喷头、加气喷头、直上喷头等产品系列。3.5.2各种喷头的选择(1) 第1组喷头的选择第1组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以第1组喷头选择直上喷头。直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。该喷头也叫中心喷头。可调节射流的方向。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图3-5-1所示。图3-5-1 直上喷头实物图及安装简图(2) 第2组喷头的选择第2组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比第2组所喷出的水柱稍细比第1组所喷的水柱要低。所以我第2组选择可调直流喷头。可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球形接头，可沿垂直方向15度进行调节。可根据水池形状大小决定，可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果，射流的高低和角度的变化。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图3-5-2所示。图3-5-2 可调直流喷头实物图及安装简图(3) 第3组喷头的选择第3组喷头应该比第2组喷头喷射高度略低比第3组略高，所喷水柱比第2组水柱略粗壮、挺拔。所以第3组喷头选择树冰形喷头。树冰形喷头喷水时外观效果庞大丰满，粗壮挺拔，抗风力较强。喷头安装在导流筒上端与水面齐平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图3-5-3所示。图3-5-3 树冰形喷头实物图及安装简图(4) 第4组喷头的选择第4组位于该喷泉的最外侧，水柱所喷高度应该最低，水量应该较大，择所喷水柱比较灵动。所以选择涌泉喷头。涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，水沫轻溅，古朴灵动。加气喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷出的水柱呈白色不透明状，反光效果好。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图3-5-4所示。图3-5-4 涌泉喷头实物图及安装简图第4章花式喷泉系统软件的设计4.1喷泉PLC的流程图：图4.1系统流程图4.2I/O分配根据题目的要求，设置下表所示的I/O分配表。其中I0.7是用来控制总的运行的，I0.7有效，则处于断电状态，其他按键都无效。SB1和SB2分别为运行过程中的启动和停止开关。四个喷头分别用四盏灯表示，灯亮表示该喷头在喷水，灯灭表示停止。喷泉的样式由SA1到SA4这四个开关选择。该系统的输入、输出信号分配表如表4.1所示。表4.2 I/O分配表输 入输 出启动开关SB1I0.01号喷头Q0.1花样1开关SA1I0.12号喷头Q0.2花样2开关SA2I0.23号喷头Q0.3花样3开关SA3I0.34号喷头Q0.4花样4开关SA4I0.4单步/连续开关SQI0.5停止开关SB2I0.6电源总开关I0.74.3I/O地址分配简介I/O模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入和模拟量输出4类。CPU分配给数字量I/O模块的地址以字节为单位，一个字节由8个数字量I/O点组成。扩展模块I/O点的字节地址由I/O的类型和模块在同一类I/O模块链中的位置来决定。4.4I/O接线图4.4 I/O接线图根据PLC I/