专业课程设计-自动喷泉的PLC控制.doc

专业课程设计设计说明书 题 目: 自动喷泉的PLC控制 院系名称： 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成时间： 目 录1、 引言.12、 设计任务及要求 2.1控制要求.2 2.2设计任务.2三、总体方案设计 3.1实现方法分析与可行性讨论.3 3.2总体方案实现.4四、硬件系统设计 4.1主电路设计.5 4.2 PLC的选型.5 4.3 I/0点数的分配及机型的选择.8 五、软件系统设计 5.1程序流程图设计.9 5.2系统外部接线图.10 5.3实现喷泉花样.11 5.4梯形图.12六、设计心得.14参考文献.15一、引言随着人民生活水平的提高，城市环境建设日益为人们所重视。喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景，不断出现在城市广场、居民小区、公园等场所。它不仅可以增加空气湿度，减少空气中的尘埃，降低空气温度，更为人们生活增添了不少情趣。自动控制喷泉能自动且连续的改变其形态，呈现丰富多彩的花样变化，从而给人以美好的视觉感受。由单片机或可编程控制器PLC组成的小型喷泉系统在软件及硬件上均可较好地满足控制喷泉花样变化的要求。由计算机作为上位机，PLC或单片机作为下位机的自动喷泉系统在功能上大大超越了传统的喷泉系统，PLC完成对喷泉现场的造型或灯光的控制。并向计算机发送实时控制数据。上位计算机实现喷泉花样监控等功能。自动喷泉控制的实现方法很多，本设计题目为基于可编程逻辑控制器（PLC）的喷泉控制系统，用PLC，不仅能够进行多种水型切换，而且能将各种水型，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行控制程序发出控制信号。通过上位机（PC）与PLC之间的通讯来监控喷泉的状态与效果，进而控制电动机，以达到顺利实现工业控制的要求及目的，同时还要达到低功耗、高性价比、运行安全可靠等基本要求。二、设计任务及要求2.1控制要求：有16个彩灯代表16个喷头，有4个选择按钮，如下图所示。采用PLC进行控制，实现四种以上的自动喷泉花样。 喷头分布与方式选择按钮2.2设计任务根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行自动喷泉的控制原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。 主要内容包括1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；2. 系统有启动/停止，单步/连续功能按钮；3. 运用跳转、移位等功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；实现四种以上的自动喷泉花样控制；5. 程序结构与控制功能自行创新设计；6. 进行系统调试，实现自动喷泉的控制要求。三、总体方案设计3.1实现方法分析与可行性讨论 3.1.1 单片机喷泉控制系统单片机也成为单片机微型计算机，是把微型计算机的各部件中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器/计数器等制作在一块集成电路芯片上，构成一个完整微型计算机。由于单片机在一块小芯片上就集成了一台计算机有具备的功能，所以其在工业控制中占据很重要的地位。它具有超小型化、结构紧凑、抗干扰能力强等优势。特别适用于实时工业测量控制、智能化仪器仪表和家用电器控制等应用系统。目前，市场上流行的单片机种类繁多，如MCS-51系列、凌阳公司的SPCE061A 16位单片机、美国TEXAS INSTRUMENTS公司的MSP430系列单片机、ARM嵌入式单片机等都是各优点，在不同的领域中有着很好的应用。单片机控制系统用于喷泉控制是完全可行的，它可以通过定时器/计数器队喷泉喷射的时间进行控制，并且也可以串行接口与上位机进行通讯。由于单片机的价格比较便宜，所以大批量生产时的性能价格比很高。但由于单片机需要附属很多的外围电路，对电路的设计水平要求很高，否则便很可能降低系统的稳定性。而且，由于喷泉控制系统很少会有批量生产的情况，对于小规模制作时，PCB印刷电路板的制作成本是很高的。综上所诉，此次设计采用单片机控制系统不是最佳方案。 3.1.2 工控机喷泉控制系统工控机即工业控制计算机，但现在更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑，英文简称IPC。工程机通俗的说就是专门为工业现场儿设计的计算机。而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业急一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。要求具有长时间工作能力。对于工控机作为喷泉系统，由于喷泉控制系统的环境相对工业控制的环境要好得多，而且喷泉控制系统队连续长时间工作的能力要求不是很高。用工控机设计喷泉系统实属大材小用。而且工控机的价格较同层次的PC机要偏高，这样就增加了系统的成本，降低了整体的性价比。 3.1.3 PLC喷泉控制系统 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各国得到了广泛应用。PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。对于喷泉控制系统这样，被控对象是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在组态软件设计方面要容易一些。且PLC通常都支持现场总线，会使得系统通信得到有利保障，更适合实现上位机的远程监控。目前适用于喷泉控制的中小型PLC种类繁多，价格低廉。使设计者会有更多的选择余地。系统整体造价会比工控机低，而且不会降低系统的稳定性。经过以上三种控制系统的可行性分析可以看出，以PLC为下位机，PC机位上位机组成的控制系统是此次设计喷泉控制系统的最佳方案。 3.2总体实现方案根据设计要求，该喷泉控制系统由PLC下位机及上位机PC组成，PLC队喷泉的水泵进行时序控制，产生各种不同的喷水造型。需设计四种不同的喷泉类型。上位机编写组态软件对喷泉的工作状态进行实时监控。要求喷泉控制程序能够产生不同的喷水造型，并且符合美学表追，逻辑合理。组态软件要求画面美观大方，具备人机对话功能，且操作简单。四、硬件系统设计4.1主电路的设计4.2 PLC的选型可编程控制器是是一种数字运算操作的电子系统，专业在工业环境下应用而设计。它利用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，来控制各类型的机械或生产的过程。(1) PLC的基本工作方式PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式 每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。 输入刷新过程。当输入端口关闭时,程序在进行执行阶段时,输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 元件印象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 扫描周期的长短由三条决定。CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。 由于采用集中采样，集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。 （2）PLC的基本结构PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成见下图。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。 PLC控制系统示意图（3）PLC工作过程PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化的工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停的分阶段处理各种不同的任务见下图，这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。扫描过程（4）PLC的功能逻辑控制定时控制计数控制步进顺序控制PID控制数据控制PLC具有数据处理能力通信和联网其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求.如：定位控制模块，CRT模块。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。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。 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。 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。根据本课题所设计控制的需求， 通过对输入/输出点的选择、 对存储量的选择。对 I/O 响应时间的选择输出负载的特点选型的分许。 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，通过扩展模块的链接，可以增加输入/输出点数。我设计的花式喷泉模型共有 6 个输入，16 个输出，因此，选用型号为 FX2N-48MR的PLC。 4.3 I/0点数的分配及机型的选择根据系统要求所选择的I/O功能分布表如表所示：功能元件输入点功能元件输出点启动按钮SB1X0指示灯L1Y1停止按钮SB2X1指示灯L2Y2花样选择开关K1X2指示灯L3Y3花样选择开关K2X3指示灯L4Y4花样选择开关K3X4指示灯L5Y5花样选择开关K4X5指示灯L6Y6指示灯L7Y7指示灯L8Y10指示灯L9Y11指示灯L10Y12指示灯L11Y13指示灯L12Y14指示灯L13Y15指示灯L14Y16指示灯L15Y17指示灯L16Y20五、软件系统设计5.1程序流程图设计5.2系统外部接线图 本设计根据系统要求所设计的系统主硬件电路接线图如图所示 系统硬件接线图5.3 实现喷泉花样样式一： 按下启动按钮X0，再按下K1选择花样喷泉1模式； 2、3、8同时先喷； 2s后12、14、15同时喷； 2、3、8、12、14、15持续喷10秒； 重复循环-步骤。 样式二： 按下K2选择花样喷泉2模式； 1、4号喷头先喷，3s后6号喷； 3s后10号喷头喷，3s后16号喷； 1、4、6、10、16同时喷20s； 重复循环-步骤。 样式三： 按下K3按钮选择花样喷泉3模式； 5、7号喷头先喷，3s后9号喷； 3s后11号喷，2s后13号喷； 同时喷16s后，5、7、9、11、13号都停； 重复循环-步骤。 样式四： 按下K4选择花样喷泉4模式 1、7、13同时先喷； 5s后2、8、14同时喷； 5s后5、9、15同时喷； 5s后4、10、16再喷； 16个喷头同时喷3s； 重复- 步骤。5.4梯形图依据设计思路和自动花样喷泉的控制流程用梯形图语言所编写的PLC梯形图，如下图所示：六、设计心得 这一次的课程设计，通过运用可编程序控制器来实现了花式喷泉的多种喷泉方式及效果。我掌握了更多关于自动控制系统的知识，明白了自动喷泉控制系统的组成，三菱系列PLC的功能及特点。使我更深入的学习了机电传动控制这门课程，熟练掌握了PLC的使用。并且由于希望更好的完成此次设计使我搜索了很多这方面的资料，使我对自动喷泉控制系统的设计制作过程有了很深的认识。对一个系统的设计步骤有了清楚的了解，并且掌握了一个系统的设计过程。学会了如何发现问题、解决问题。并在查阅资料的过程中对问题的认识和问题的解决提出了新的见解，分析问题出现的原因，使得对问题的理解更加深刻。总之，经过这段时间的课程设计，使我在可编程控制这方面受益匪浅。在这次的设计里长期的搜集资料，不断的整合，思考终于达到了设计的要求，并且取得了设计要求中的结果。参考文献1冯清秀、邓星钟.机电传动控制