毕业设计（论文）-基于PLC的花样喷泉控制系统设计.doc

基于基于 PLCPLC 的花样喷泉控制系统设计的花样喷泉控制系统设计 摘要：摘要：花样喷泉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，对花样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。 本文以花样喷泉为研究对象，采用了三菱 FX1N 系列 PLC 作为喷泉的控制器。 对花样喷泉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。提出了喷泉硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案，并对控 制方式进行了设计和程序的编写。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：关键词：花样喷泉，自动化，PLC， 目 录 1 1 绪绪 论论.1 1.1 课题研究背景.1 1.2 课题设计的目的和意义.1 1.3 课题设计的内容.2 2 2 系统控制方案的确定系统控制方案的确定.3 2.1 花样喷泉控制系统的设计总框图.3 2.2 花样喷泉的概述.3 2.2 系统设计的基本步骤.4 2.3 系统控制方案.4 2.4 控制面板.5 3 3 系统硬件设计系统硬件设计.7 3.1 可编程控制器（PLC）的选择.7 3.1.1 PLC 概述.7 3.1.2 PLC 的选型.7 3.2 水泵的选型.8 3.2.1 水泵的参数及性能.8 3.2.2 选择步骤.10 4 4 系统软件设计系统软件设计.11 4.1PLC 梯形图概述.11 4.2GX DEVELOPER编程软件的操作方法.11 4.3I/O 分配表.11 4.3.1 输入信号.13 4.3.2 输出信号.13 4.4 系统主程序.13 4.4.1 顺序连接图.13 4.4.2 根据顺序连接图编程，梯形图在附录 1.18 4.4.3 根据梯形图生成的指令附录 2.18 4.5 系统调试.18 4.5.1 仿真软件的选用.18 4.5.2 连接实物调试与分析.18 参考文献：参考文献： .20 致谢致谢.21 附录附录 1 1.22 附录附录 2 2.27 0 1 绪 论 1.1 课题研究背景 随着人们的生活日趋小康，一些必要的美化设施逐渐兴起，各式各样的广 场花园越来越多，这样的地方又怎能少了喷泉呢? 多花样喷泉形式多样，常常 能吸引人们的眼球，同时水又增加了环境的灵动性，多花样喷泉已经成为人们 建造各类娱乐广场的必需设施。那些控制简便，花样较多，价格低廉的喷泉慢 慢成为建设者的首选。现今，多花样喷泉的制造，延袭传统，结合现代，正日 益成为人们或出于对环境的追求，或为了居室的美化，等等，而得到众多品位 人士的追求。 在 1980 年前，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。在 1980 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。 1.2 课题设计的目的和意义 本文根据生活当中出现的一些情况，以花式喷泉为研究对象，结合了大量 资料及文献，研究花样喷泉的控制问题，整理出一套可行性较高的喷泉控制系 统。 本系统的研究内容主要包括了喷泉的发展情况及所存在的一系列问题；喷 泉控制系统的组成；花样喷泉的控制任务和要求；花样喷泉的硬件配置以及软 件的设计，再通过仿真软件来实现。 1 在设计当中，可能出现几个开关同时按，因此在所有花样中设置了互锁， 具有更大的安全保障。设计中并未添加单步/连续程序，因为如果单步运行，持 续时间太短，观赏性不强，因而只设置了连续运行，当按下启动按钮，接着选 择喷水花样，系统处于连续运行状态，直到按下停止按钮，系统立即断开电源， 停止运行。 1.3 课题设计的内容 本设计将在以下几个方面对花样喷泉的控制系统进行研究和论证。 （1）花样喷泉类型的选择。综合花样喷泉的类别和各类的特点和要求，在 本课题中主要研究能有三种喷水花样可供选择。 （2）花样喷泉硬件系统的设计。本课题设计的花样喷泉要求运行速度准确 度高，在花样喷泉的格层检测系统中选用在工业自动控制上大量运用的具有检 测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入 给 plc 来实现控制。由于本课题目具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑 了花样喷泉的经济实用、稳定、灵活、美观的需要。 （3）花样喷泉控制系统软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的 plc 编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计花样喷泉控制的要求， 梯形图的编写运用 GX Developer 编程软件，此软件支持全部的三菱 fx 系列的 plc，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了 维修时间。 2 系统控制方案的确定 2.1 花样喷泉控制系统的设计总框图 在喷泉中，通过按钮开关信号来控制 PLC。花样喷泉控制系统的原理如图 2-2 所示： 2 图 2.1 2.2 花样喷泉的概述 采用 PLC 控制花样喷泉的优点 （1）控制方式上看：PLC 软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或 增加功能。 （2）工作方式看：PLC 串行工作，不受制约。 （3）控制速度上看：PLC 通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而五 抖动一说。 （4）定时、计数看：PLC 时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有 记忆功能。 （5）可靠、维护看：PLC 无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执 行的监控功能，现场调试和维护方便。 2.2 系统设计的基本步骤 在花样喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点： （1）深入了解和分析花样喷泉的工艺条件和控制要求。 （2）确定 I/O 设备。根据花样喷泉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 3 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 输出端子 的接线图。 （5）设计花样喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯 形图（6）程序，这是整个花样喷泉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。 2.3 系统控制方案 花样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。按下自动运行按钮，喷泉进入自动工作状态， （2）喷泉喷水方式由花样选择开关决定，现考虑 4 种喷水花样。 （3）花样选择开关在位置 1 时，按下启动按钮后，首先 1、2、3、4 每隔 两秒依次喷水，然后四个喷水管同时喷水 18 秒后停止，如果为单步模式方式， 则停下来。如果为连续工作模式，则继续循环下去。 （4）花样选择开关在位置 2 时，按下启动按钮后，先 2、4 同时喷水两秒 然后停止，同时 1、3 同时喷水两秒然后停止，交替运行 5 次后四个喷水管同时 喷水 10 秒停止，如果为单步模式方式，则停下来。如果为连续工作模式，则继 续循环下去。 （5）花样选择开关在位置 3 时，按下启动按钮后，先 1、3、2、4 顺序喷 水，间隔两秒，然后同时喷水 10 秒后，按 2、4、1、3 顺序停喷，间隔两秒， 如果为单步模式方式，则停下来。如果为连续工作模式，则继续循环下去。 （6）花样选择开关在位置 4 时，按下启动按钮后，1 号、4 号喷头同时喷 水，延迟 4S 后，2 号、3 号喷头同时喷水，1 号、4 号喷头停止喷水。如此交替 运行 40S 后，4 组喷头全喷水，运行 3S 后停止。如果为单步模式方式，则停下 来。如果为连续工作模式，则继续循环下去。 花样喷泉池示意图如图 2.2 所示： 4 图 2.2 2.4 控制面板 系统的控制面板图如图所示。图中分别是花样选择开关、以及启动、停止 和自动运行开关。 5 图 2.3 在图 2.3 上，1、2、3、4 表示花样一、二、三、四档。还有开机、停 止、单步，连续按键。 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.1 可编程控制器（PLC）的选择 3.1.1 PLC 概述 可编程控制器，英文称 Progammable Controller,简称 PLC，本课题中用 PLC 作为它的简称。PLC 是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术， 但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理 过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理 过程去实现对负载的控制。 PLC 有丰富的指令系统，有各种各样的 I/O 接口、通信接口，有大容量的 内存，有可靠的自身监控系统。 可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC 几乎也都可以做到。 3.1.2 PLC 的选型 （1）对输入/输出点的选择 盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。要先弄清除控制系统的 I/O 总点 数，再按实际所需总点数的 1520留出备用量（为系统的改造等留有余地） 后确定所需 PLC 的点数。 （2）对存储容量的选择 对用户存储容量作粗略的估算。 （3）对 I/O 响应时间的选择 PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引 起的时间延迟（一般在 23 个扫描周期）等。 （4）对 PLC 结构形式的选择 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 6 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。 PLC 的网络设计： 当用 PLC 进行网络设计时，其难度比 PLC 单机控制大得多。首先你应选用 自己较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执 行速度和用户程序存储容量也应仔细了解 软件编： 在编制软件前，应首先熟悉所选用的 PLC 产品的软件说明书，待熟练后再 编程。若用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程， 应先画出梯形图，然后编程，这样可少出错，速度也快。编程结束后先空调程 序，待各个动作正常后，再在设备上调试。 从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点 8 个，开关量输出点 4 个， 参照三菱 FX PLC 产品目录及市场实际价格，选用主机为 FX1N19MR 的 PLC 为系 统核心控制. 3.2 水泵的选型 泵是一种面大量广通用型号机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力、 冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要 的地位。泵的电能消耗起了积极作用。但是目前在国民经济各个领域中，由于 选型不合理，许多的泵处于不合理运行状况，运行效率低，浪费了大量能量。 还有的泵由于选型不合理，根本不能使用，或者使用维修成本增加，经济效益 低。由此可见，合理选泵对节约能源同样具有重要意义。所谓合理选泵，就是 要综合考虑泵机组和泵站的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符 合经济、安全、适用的原则。具体来说，有以下几个方面：必须满足使用流量 和扬程的要求，即要求泵的运行工次点经常保持在高效间运行，这样既能剩动 力又不易损坏。所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好 的特性和较高的效率。具有良好的抗气蚀性能，这样既能减小泵房的开挖深度， 又不使水泵发生气蚀，运行平衡、寿命长。 7 3.2.1 水泵的参数及性能 （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、效率和 比转数等。 1.流量（Q） 泵的流量市直单位时间所排出的液体的数量。通常泵的流量用体积计算， 以 Q 表示，单位为米 3/时（m3/h） 、米 3/秒（m3/s） 、升/秒（1/s） ，也可用重 量计，以 G 表示，单位为吨/时（t/h） 、吨/秒（t/S） 、千克/秒（kg/s） 。 2.扬程（H） 泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。以 H 表示，实质上就 是水泵能够扬水的高度，又叫总扬程或全扬程。单位为米液柱高度，习惯上省 去“液柱” ，以米（m）表示。 1.允许吸上真空高度（HS） 允许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程，也就是泵的吸水扬程（简称 泵的吸程） ，包括实际吸水扬程和吸水损失扬程之和。 2.转速（n） 转速是指泵叶轮每分钟的转数，以 n 表示，单位为转/分（r/min） 。每台泵 都有一定的转速，不能随意提高或降低，这个固定的转速称为额定转速，水泵 铭牌上标定的转速即为额定转速。 3.比转数（ns） 在前述水泵型号中，有些型号的组成部分有比转数这个参数。比转数与转 速是两个概念，水泵的比转数，简称比速，通常用符号为 ns。 4.功率 功率是指机组在单位时间内作功的大小。水泵功率可分为有效功率、轴功 率和配套功率三种。 （1）有效功率 它是出丢水泵内部损失功率后，纯用于羊水所消耗的功率，因此又称为净 功率、输出功率或水马力。常用符号为 N 效，单位为千瓦（或马力） 。 （2）轴功率 8 它是动力机传给水泵轴上的功率，因此称为轴功率或输入功率。要包括泵 体内轴承的摩擦、水泵轴与填料的摩擦、水与叶轮、泵壳间的摩擦，以及泵内 高压水的回漏等所消耗的功率。 （3）配套功率 它是指水泵应选配的动力机的功率，一次又称有用功率。常用符号为 N 配， 它比轴功率大。 5.效率（n） 效率是指有效功率与轴功率的比值，因此他是反映泵对动力所给予的功率 利用程度的技术经济指标。常用符号为 n，其大小用百分数来表示。 3.2.2 选择步骤 （1）列出基本数据： 1.介质的特性：介质名称、比重、粘度、腐蚀性、毒性等。 2.介质中所含固体和颗粒、含量多少。 3.所需要的流量，一般工业用泵在工艺流程中可以忽略管道系统中的泄漏 量， 5.压力，吸水池压力，排水池压力，管道系统中的压力降。 （2）确定流量扬程和流量 1.如果生产工艺中已给出最小、正常、最大流量，应按最大流量考虑。 2.如果生产工艺中只给出正常流量，应考虑留有一定的余量。 3.如果基本数据值只给重量流量，应换算成体积流量。 由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确启停，我选用品牌为 DESHB(德士 比)的 QYP100-4.5-2.2 喷泉泵。 具有以下优点：结构紧凑、无需引水、使用简便；双端密封、电器保护;设 计合理、性能优良；经久耐用、安全可靠。并且水泵出口采用圆法兰结构，电 机为 F 级绝缘，适用于音乐喷泉等场合对电机频繁启动的要求。叶轮具有防松 装置，不怕反转。 9 4 系统软件设计 4.1PLC 梯形图概述 梯形图时使用的最多的图形编程语言，被称为 PLC 的第一编程语言。梯形 图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气 人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图 的设计成为编程。 4.2GX Developer 编程软件的操作方法 本文采用的编程软件为 GX Developer 编程软件，具体的操作方法如下： 1、打开 GX Developer 编程软件，之后点击文件，在下拉菜单栏里点击“创建 新工程”在选择 FXCPU/FX1N(C)，确定打开后可以绘制梯形图编本课题的程序。 2、在打开文件之后就可以回执梯形图，根据所编的程序，在上边的功能图， 在绘制梯形图中选择需要的输入元件，完成对梯形图的绘制。 4.3I/O 分配表 输入端口表： 输入 X000 花样 1 档(SB0) X001 花样 2 档(SB1) X002 花样 3 档(SB2) X003 花样 4 档(SB3) 10 X004 单步(SB4) X005 连续(SB5) X006 启动(SB6) X007 停止(SB7) 输入端口表 4.1 输出端口表： 输出 Y000 1 号喷头(KM1) Y001 2 号喷头(KM2) Y002 3 号喷头(KM3) Y003 4 号喷头(KM4) 输出端口表 4.2 11 图4.3 4.3.1 输入信号 启动按钮 SB7，花样选择位置 1 开关 SB1，花样选择位置 2 开关 SB2，花样 选择位置 3 开关 SB3，花样选择位置 4 开关 SB4，单步、连续开关 SB5 停止 按钮 SB6:。 4.3.2 输出信号 1 号喷头喷水开关接触器 KM1 12 2 号喷头喷水开关接触器 KM2 3 号喷头喷水开关接触器 KM3 4 号喷头喷水开关接触器 KM4 4.4 系统主程序 4.4.1 顺序连接图 由于有 4 中花样，所以应该分布考虑，按照花样的要求，编辑四种花样顺 序图，顺序图如下图所示： 其中启动代表开关打开，位置 1,2,3,4 代表花样档位位置，S 代表多少秒 后运行到下一步，单步/连续表示工作模式。 花样 1： 13 图花样 4.4 此花样档是 1、2、3、4 每隔两秒依次喷水，然后四个喷水管同时喷水 18 秒后停止 14 花样 2： 图花样 4.5 此花样档是先 2、4 同时喷水两秒然后停止，同时 1、3 同时喷水两秒然后停止， 交替运行 5 次后四个喷水管同时喷水 10 秒停止 15 花样 3： 图花样 4.6 此花样档是先 1、3、2、4 顺序喷水，间隔两秒，然后同时喷水 10 秒后， 按 2、4、1、3 顺序停喷，间隔两秒。 16 花样 4： 图花样 4.7 此花样档是 1 号、4 号喷头同时喷水，延迟 4S 后，2 号、3 号喷头同时喷 水，1 号、4 号喷头停止喷水。如此交替运行 40S 后，4 组喷头全喷水，运行 3S 后停止。 17 4.4.2 根据顺序连接图编程，梯形图在附录 1 4.4.3 根据梯形图生成的指令附录 2 4.5 系统调试 4.5.1 仿真软件的选用 由于是用三菱 PLC，所以直接用三菱 GX Developer 的 GX simulator 来仿 真 使用步骤： （1）把梯形图输入仿真软件。 （2）直接运行程序，观察时序图的输出波形是否正确。 图 4.8 4.5.2 连接实物调试与分析 把程序写入 PLC，观察实际效果 18 图 4.9 考虑到花样喷泉的花样复杂，选择了子程序控制，这样简单，明了。但还 是遇到许多的问题，比如在输入程序时的不小心，或者出现程序错误，由于是 四种花样工作，设计了自锁，调试工程中，由于双线圈不工作，所以用其他方 法代替，在自己设计程序的时候没有输入复位指令，导致程序不能调用现象。 经过自己的认真检查，调试过程顺利进行。 19 参考文献： 1三菱电机. MR-J2S-B 伺服驱动器的技术资料M. 上海: 三菱电机自动化上 海有限公司,2004,07. 2邓则名,邝穗芳等.电器与可编程控制器应用技术M.北京:机械工业出版社, 2004, 104-199. 3廖常初.PLC 编程及应用M. 北京. 机械工业