基于PLC的花式喷水池控制系统控制

实 习 报 告题 目：基于PLC的花式喷水池 控制系统设计学生姓名：学 号：院系名称：电气和信息工程学院 专业班级：指导教师：职 称：二一二年八月二十四日目录第1章引言4第2章系统总体设计52.1系统总体设计52.2系统控制要求52.3 工艺流程图6第3章控制系统硬件设计73.1PLC选型及扩展模块73.1.1 PLC的选型73.1.2扩展模块的选择83.2I/O分配表93.3电机及驱动控制103.3.1电机选型103.3.2变频器的选择103.4低压电器的选型113.4.1低压断路器的选型原则113.4.2熔断器的选型113.4.3控制按钮的选型123.5电源型号133.6人机接口设计14第4章控制系统软件设计154.1控制程序流程图154.2控制程序设计154.3 显示操作界面设计164.4程序调试16结束语20参考文献21附录221 PLC 源程序222 电控柜元件布置图333 电控柜控制面板元件布置图33第1章 引言随着城市化进程的加速，花式喷泉可以在人们周围随处可见。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。花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这和花式喷泉的控制系统息息相关。花式喷泉可以根据自己的设计，设计出各种各样的花样，加上灯光，能给人有种不错的视觉享受在许多休闲广场、景区或游乐场里，经常看到喷水池按一定的规律喷水或变化式样，若在夜晚配上各种彩色的灯光显示，更加迷人。花式喷水池是近年来出现的一种园林建筑和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。设计一花式喷水池，采用PLC控制是比较方便的，在花式喷水时序确定的前提下，可以通过改变时序或者改变控制开关，就可改变控制方式，达到显现各种复合状态的要求。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，如果再和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。利用PLC控制喷泉喷水方式，产生各样的样式。在系统的硬件组成以及软件的实现，通过PLC控制电磁阀开关来决定喷水的效果。实际使用效果良好。 电气控制和PLC课程设计是电气自动化技术专业一个重要的实践性教学环节，通过课程设计达到掌握电气控制柜的原理设计、安装工艺图纸设计的基本方法，并能达到熟练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，熟练地进行系统外围电路设计、接线、编程、调试等工作。本系统采用PLC是基于以下三个原因： PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上； 编程能力强，程序指令简单，可以使控制过程方便地用软件来实现； 抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证花式喷水池可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC。 第2章 系统总体设计2.1 系统总体设计对花式喷水池进行PLC控制，我们的总体思路是先设计硬件电路，再设计软件系统。硬件电路设计思路是对PLC各个I/O口进行功能分配，共有四个档位按钮，启动按钮和停止按钮，单步开关和连续开关。软件系统设计是利用步进指令进行编程控制其喷水规律。 设计过程中主要考虑以下几点： （1）深入了解和分析花式喷水池的工艺条件和控制要求。 （2）确定I/O设备。根据花式喷水池控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。 （3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。 （4）分配I/O点。分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出端口的接线图。 （5）设计花式喷水池系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图。 （6）程序，这是整个花式喷水池系统设计的核心工作。（7）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。为方便编程，采用先编写状态转移图，再将状态转移图编写为梯形图的方式，这样方便分析每一步的步骤。使用西门子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。 2.2 系统控制要求图2.1 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2.2 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。控制要求如下：（1）控制器电源开关接通后，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。2.3 工艺流程图图2.3 系统流程图第3章 控制系统硬件设计3.1 PLC选型及扩展模块3.1.1 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。工艺流程的特点和使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 输入输出（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使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，由于用户使用程序还未编制，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。 （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。选用西门子的S7-200-224型（输入14点/输出10点）PLC作控制单元来控制整个系统。西门子S7-200的结构功能 本设计采用西门子S7-200系列PLC作为控制核心，所以现在就以它来讲述PLC的结构性能。西门子S7-200系列可编程控制系统由主机（基本单元）、I/O扩展单元、功能单元（模块）和外部设备（文本图形显示器、编程器）等组成。 西门子S7-200系列PLC属于小型整体式结构的PLC, 本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它结构小巧，运行速度快，可靠性高，具有极其丰富的指令系统和扩展模块，实时特性和通信能力强大，便于操作、易于掌握，性价比非常高，在各种行业中的使用越来越广，成为中小规模控制系统的理想控制设备。 西门子S7-200系列PLC的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。3.1.1 扩展模块的选择当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行系统扩展。系统扩展包括I/O点数的扩展和功能的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范，比如可连接的扩展模块的数量和种类等，这些主要受CPU的功能限制。模拟量输入/输出扩展模块EM235只有一种4路AI/1路AO（占用2路输出地址）的产品。工作电压为24（V），输出频率为100（KHZ）。引脚图如下图3.1 EM232引脚图3.2 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CPU224即可满足要求（CPU224有14输入和10输出）。I/O分配表如下表。表3.1 地址分配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SF0I0.014号接触器QA3QA3Q0.32停止按钮SF1I0.123号接触器QA2QA2Q0.23单步/连续开关SF2I0.232号接触器QA1QA1Q0.14选择开关1SF3I0.341号接触器QA0QA0Q0.05选择开关2SF4I0.46选择开关3SF5I0.57选择开关4SF6I0.6图3.2 I/O接线3.3 电机及驱动控制3.3.1 电机选型电动机是生产机械电力拖动系统的拖动元件，选择电动机时，应考虑电动机的功率、转速、结构形式、额定电压等。喷水管的运动主要由电动机M1、M2、M3、M4实现喷水，完成喷水池的喷水花样。选择电动机的功率的依据是负载功率。功率选的过大，设备投资将造成浪费，同时由于电动机欠载运行，使之效率和功率因数降低，运行费用也会提高；相反，功率选的过小，电动机过载运行，使之寿命降低。 交流电动机额定电压应和供电电网电压一致。中小型异步电动机额定电压为220V/380V及380V/660V两种，当功率较大时，可选用相应电压的高压电动机。 对于额定功率相同电动机，额定转速越高，电动机尺寸、质量愈小，成本愈低，所以选择告诉电动机较为经济。但由于生产机械所需转速一定，电动机转速愈高，传动机构转速比愈大，传动机构愈复杂。因此应考虑综合分析来确定电动机的额定转速。 电动机的结构形式按其安装位置的不同可分为卧式和立式两种，应以电动机和工作机构的连接方便、紧凑为原则来选择。 综上考虑，电动机选择型号为：Y160 M-4,11KW,380V,23.0A,1460r/min。3.3.2 变频器的选择西门子MM440是用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器。本系列有多种型号，额定功率范围120W到200kW(恒定转矩(CT)控制方式)，或者可达250 kW(可变转矩(VT)控制方 式)，供用户选用。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MM440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变 频传动装置。由于MM440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。西门子MM440既可用于单独传动系统，也可集成到自动化系统中。图3.3 主电路3.4 低压电器的选型3.4.1 低压断路器的选型原则（1）断路器的额定工作电压应大于或等于线路或设备的额定工作电压。对于配电电路来说应注意区别是电源端保护还是负载保护，电源端电压比负载端电压高出约5%左右。（2）断路器主电路额定工作电流大于或等于负载工作电流。（3）断路器的过载脱扣整定电流应等于负载工作电流。（4）断路器的额定通断能力大于或等于电路的最大短路电流。（5）断路器的欠电压脱扣器额定电压等于主电路额定电压。（6）断路器类型的选择，应根据电路的额定电流及保护的要求来选用。3.4.2 熔断器的选型工业上选择熔断器一般应从以下几个方面考虑：（1）熔断器的类型应根据线路的要求、使用场合及安装条件进行选择。（2）熔断器的额定电压必须等于或高于熔断器工作点的电压。（3）熔断器的额定电流根据被保护的电路（支路）及设备的额定负载电流选择。熔断器的额定电流必须等于或高于所装熔体的额定电流。（4）熔断器的额定分断能力必须大于电路中可能出现的最大故障电流。（5）熔断器的选择需考虑电路中其他配电电器、控制电器之间选择性配合等要求。为此，应使上一级（供电干线）熔断器的熔体额定电流比下一级（供电支线）大1-2个级差。选择熔断器类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。例如，用于保护照明和电动机的熔断器，一般是考虑它们的过载保护，这时，希望熔断器的熔化系数适当小些。所以，容量较小的照明线路和电动机宜采用熔体为铅锌合金熔断器，而大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力。若短路电流较小时，可采用熔体为锡质的或熔体为锌质的熔断器。用于车间低压供电线路的保护熔断器，一般是考虑短路时的分断能力，当短路电流较大时，宜采用高分断能力的熔断器。当短路电流相当大时，宜采用限流作用的熔断器。熔体额定电流的选择： 1.用于保护照明或电热设备的熔断器，因负载电流比较稳定，熔体的额定电流一般应等于或稍大于负载的额定电压，即式中：为熔体的额定电流，为负载的额定电流 2.用于保护单台长期工作的电动机（即供电支线）的熔断器，考虑电动机启动时不应熔断，即 I re（1.52.5）Ie轻载启动或启动时间比较短时，系数可取近似1.5。带重载启动或启动时间比较长时，系数可取近似2.5。 3.用于保护频繁启动电动机（即供电支线）的熔断器，考虑频繁启动时发热而熔断器也不应熔断，即 I re（33.5）Ie 式中：为熔体的额定电流，为电动机的额定电流。3.4.3 控制按钮的选型控制按钮简称按钮，是一种结构简单且使用广泛的手动电器，在控制电路中用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器等。我们这次选择的是LA39-11型的按钮开关。元件明细表如下：表3.2 元件明细表序号文字符号器件名称型号主要参数数量1QA0 塑料外壳式低压断路器DZ20Y-100/330050/60（Hz），800（V），400（A）12FU1-FU4熔断器RL1-15500（V）熔体：10（A）43MM440变频器6SE6420-2UD27-5CA0.37（kW）-250（kW），三相AC380（V），6（A）44KF1-KF4电磁继电器HH52PDC24（V），10A(切换)，10（V）(切换)65SF0-SF7按钮开关LA39-11220（V），10（A），60104次86DC直流电源NES-50-2450（W）24（V）20+60（度）37PLC中央处理单元G6Q-TR4A50（kHz），220（V）18模拟量输出扩展模块西门子EM232 (6ES7 232-0HB22-0XA0)24（V），100（kHz）29MA0-MA3电动机Y160 M-411（K）W,380（V）,23.0（A）,1460（r/min）43.5 电源型号根据本设计需求选择型号NES-50-24，调制方式：脉冲宽度调制（PWM式），输入电压：24（V），输出功率：50（HZ）,输出电压：24（V），工作效率：86%，输出纹波电压：200（mV），输出电压精度：1%，输出电流：2.2（A）。其方框图如下：图3.4 电源方框图3.6 人机接口设计TD200使用液晶（有背光LED）能显示2行，每行20个字符或10个汉字，有4个可编程的功能键和5个系统键，最多可以处理80个报警信息、64个过程画面、864个变量。下面是按键说明：1 命令键说明（1）ENTER 用此键写入新数据和确认信息。（2）ESC 用此键转换Display Message方式和Menu方式，或紧急停止一个编辑。（3）UP ARROW UP箭头用于递增数据和上卷光标到下一个更高优先级的信息。（4）DOWN ARROW DOWN箭头用于递减数据和卷动光标到下一个较低优先级的信息。 （5）SHIFT SHIFT键转换所有功能键的数值。当按SHIFT键时，在TD显示区的右下方显示一个闪烁的S。 2 功能键说明（1）F1 功能键F1设置标志位Mx.0。（S7-200 M存储区x字节的第0位）如果按SHIFT键的同时（或预先按下SHIFT键）按下功能键F1，则设置标志位Mx.4（2）F2 功能键F2设置标志位Mx.1。如果按SHIFT键的同时（或预先按下SHIFT键）按下功能键F2，则设置标志位Mx.5（3）F3 功能键F3设置标志位Mx.2。如果按SHIFT键的同时（或预先按下SHIFT键）按下功能键F3，则设置标志位Mx.6（4）F4 功能键F4设置标志位Mx.3。如果按SHIFT键的同时（或预先按下SHIFT键）按下功能键F4，则设置标志位Mx.7 对于S7200PLC的供电电源，应该设计一个独立的开关，它能够同时切断CPU、输入电路和输出电路的所有供电，如有可能，可使用熔断器或直接使用断路器等过电唁保护装置来限制供电线路的电流。第4章 控制系统软件设计4.1 控制程序流程图图4.1程序流程图4.2 控制程序设计表4.1 内部元件明细表输入地址功能输出地址功能I0.0启动Q0.01号喷头动作I0.1停止Q0.12号喷头动作I0.2单步动作Q0.23号喷头动作I0.3花式1动作Q0.34号喷头动作I0.4花式2动作I0.5花式3动作I0.5花式4动作4.3 显示操作界面设计（见附录图2 ）4.4程序调试（仿真图）按下第一种运行方式，喷水池开始运行，如图下图所列图4.2 程序调试图图4.3 程序调试图图4.4 程序调试图图4.5 程序调试图图4.6 程序调试图图4.7 程序调试图图4.8 程序调试图其余三种循环方式，也是在喷泉处于单步运行状态时，进行调试。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。 以上调试完成后，喷泉在默认（连续）状态下启动，喷泉一直运行下去。结束语本次PLC课程设计题目和实际生活联系紧密，使我充分认识到了这门课程的实际意义和现实重要性。通过本次课程设计我掌握了电气控制的原理设计的基本方法，并能达到熟练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，尤其是对于顺序控制指令的使用。基本可以熟练地进行系统外围电路设计、接线、编程、调试等工作。通过合作，我们的合作意识得到加强，合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工和合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能够比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。在设计的过程中我们还得到了老师的帮助和意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，可以让自己在最短的时间内把自己不能解决的问题得以解决，从而提高学习的效率。参考文献1谢少荣.常用可编程序控制器极其使用M.化学工业出版社,2006. 2张鹤鸣，刘耀元.可编程控制器原理及使用教程M.北京大学出版社,2007.3胡文金.可编程序控制器实训教程M.重庆大学出版社，2007.4郭崇山.国际大学生程序设计竞赛例题解（三）M.电子工业出版社，2007. 5张浩风.PLC梯形图设计方法和使用实例M.机械工业出版社，2008.6谢文辉，张志芳.PLC使用技术易读通M.中国电力出版社，2008.7严盈富.触摸屏和PLC入门M.人民邮电出版社，2006. 8周军. 电气控制及PLCM. 北京机械工业出版社, 2001. 9廖常初.FX系列PLC编程及使用M .机械工业出版社, 2005.10廖常初.PLC编程及使用 M.机械工业出版社,2002.附录1 PLC 源程序2 电控柜元件布置图3 电控柜控制面板元件布置图实习体会经过了一个学期PLC技术的学习，我们基本上掌握了老师上课所介绍的知识点，还有通过学习过程中的试验部分也让我们对PLC控制设计有了初步的认识。当我们充分了解该系统的控制要求及安全、准确、稳定性方面的要求后，仔细翻阅课本和借鉴以往试验课程中PLC程序设计的经验，最后经过我们共同商榷，确定了该设计方案。通过这次课程设计我们对PLC程序设计有了进一步的认识，把以前学习上盲点也通过这次课程设计一并解决。而且分组工作的方式给了我和同学合作的机会，提高了我和人合作的意识和能力。 通过这次设计实践。我巩固和提高了我的PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，改善了我们对一些细节不加重视的坏习惯，当我们把自己想出来的程序和到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能够解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践和理论的差距。实 习 任 务 书组内学生姓名冯浩然，赵常宏，王海波，李世鹏，邢静人数5系部名称电气和信心工程学院专业电气工程及其自动化班级、学号09-3班指导教师姓名徐鹿眉，王希凤职称讲师从事专业电气工程题目名称基于PLC的花式喷水池控制系统设计一、工程实践的目的、意义花式喷水池是近年来出现的一种园林建筑和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。在许多休闲广场、景区或游乐场里，经常看到喷水池按一定的规律喷水或变化式样，若在夜晚配上各种彩色的灯光显示，更加迷人。设计一花式喷水池，采用PLC控制是比较方便的，在花式喷水时序确定的前提下，可以通过改变时序或者改变控制开关，就可改变控制方式，达到显现各种复合状态的要求。二、工程实践的主要内容、技术要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、工作量要求等）设计要求：（1）控制器电源开关接通后，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