花式喷泉PLC监控系统设计-唐山学院毕业设计

唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 1 花式喷泉花式喷泉 PLCPLC 监控系统设计监控系统设计 摘要 此次设计基于 SIMATIC PIC 的花式喷泉监控系统的主要组成是 PLC 和触摸 屏。在选用 PLC 时还应当考虑到其工作环境，对其相对湿度的要求较高，根据 以上的考虑确定使用小型 PLC 中的西门子 S7-200 系列 CPU224 型 PLC。 ，触摸屏 选择为 PLC 型号的输入输出电压相匹配的表面声波触摸屏， 控制器选为电磁阀， 根据电磁阀的个数来确定 PLC 的输入、输出点数15 个即可满足控制要求。 用 PLC 来实现喷泉花样的选择，以触摸屏监控喷泉的运行状态，并可通过 触摸屏修改喷水时间等有关参数，使用潜水泵为喷泉喷水提供动力。此设计经 济实用，操作简单，可应用性强。 关键词关键词：PLC触摸屏监控 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 2 The design of PLC monitoring control system in fancy fountains Abstract Based on the design of SIMATIC PIC fancy fountain monitoring system of main component is PLC and touch screen. In selecting a PLC when consideration should be given to the work environment for its relative humidity, the demand is higher, according to the above considerations make sure to use small PLC of Siemens S7-200 PLC CPU224 type series. Screen, choose for PLC type of input/output voltage matching surface acoustic touch screen, the controller elected electromagnetic valve, electromagnetic valve according to the number of PLC to determine the input and output more than 15 points can meet the needs of the control system. Use PLC to realize the pattern choice, fountain touch-screen control fountain operation state, and can be modified by touch water, use time parameters for submersible pump water fountains. This design economic and practical, simple operation, strong applicability. Keywords: PLC ；Touch screen ；Monitoring control 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 3 1 引言 喷泉是现代城市生活的重要娱乐施设之一，近来许多大城市的街心花园有 各具特色的喷泉点缀其间，成为引人注目的一景。随着时代的发展，科技水平 的提高， 城市的喷泉设备已经十分先进， 如用工业可编程控制器 （PLC） 控制等。 喷泉，使静水变为动水，使水也有了灵魂，又辅之以各种灯光效果，使水体具 有丰富多彩的形态，可以缓冲、软化城市中的“凝固的建筑物”和硬质的地面， 以增加城市环境的生机，有益于身心健康并能满足视觉艺术的需要。 可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC 或 PC，是从 早期的继电器逻辑控制系统发展而来的综合了计算机技术、自动控制技术和通 信技术的新型的通用的自动控制装置，它更加适合工业现场和市场的要求：高 可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、地价格长寿命。因此 PLC 在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、 轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 在众多的 PLC 产品中， 西门子公司生产的 S7200 系列的 CPU224 型 PLC 以 极高的可靠性、便捷的操作、强劲的通讯能力 、丰富的扩展模块和价位等方面 的优点，被应用与此次设计任务中。为了具体的体现出程序的梯形图，本次设 计的软件用的是西门子的 STEP 7-MicroWIN32 编程软件，该软件具有直观、形 象等优点，易于修改和维护。 为了操作的方便，本次设计采用了触摸屏实现控制操作，与传统的开关等 输入设备相比，显得更加的美观、便捷。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 4 2 绪论 2.1 设计的目的与意义 通过此次毕业设计了解喷泉发展状况，利用触摸屏实现人机界面的转换， 受到 PLC 系统开发的综合训练，熟悉 PLC 喜用开发相关的知识及设计步骤，达 到独立进行 PLC 系统设计并实施的目的，培养我们能够将理论与实践相结合， 来解决实际问题的能力。 通过设计培养我们工程绘图、数据处理、设计计算、实验研究、查阅文献、 语言文字表达能力、计算机办公软件运用、外文资料的阅读与翻译等基本工作 能力，培养我们将知识转化为生产力的能力，对三年学习进行一次总结。 2.2 设计项目的发展情况 我们的喷泉是在 70 年代悄然兴起的，那是全国只有少数几家喷泉厂，喷泉 的造型也较为单调。当时连水下灯都没有，经过上海电光研究所、重庆灯泡厂 等单位才把其列为科研项目，在短短的时间里，就有了很大变化。 喷泉行业犹如雨后春笋般迅速的发展壮大。喷泉的造型也有低级到高级， 有简单到复杂。使用的新型喷泉专利有数百个，花色品种应有尽有。水下的彩 灯有国产、进口的，红、黄、蓝、绿等各种颜色的射灯、高效充气灯、激光头 射日趋完美。喷泉的规模从一平方米水面到几十、几百、几千甚至几万平方米； 从一个水池只有一个喷头到几十、几百甚至几千上万个喷头；造价也从几百到 几万、几十万、几百万，乃至上千万。控制系统也是日新月异，有手动控制、 电子版控制、单片机控制、PLC 控制、音乐控制。随着电子计算机的应用，喷 泉更是如鱼得水，随心所欲的变化。 现代 PLC 的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更 强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容 性和多功能方面发展。 （1）大型网络化 主要是朝着 DCS 方向发展，使其具有 DCS 系统的一些功能。网络化和通信 能力是 PLC 发展的一个重要方面，向下可将多个 PLC、I/O 框架相连;向上与工 业计算机、以太网、MAP 网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。 （2）多功能随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现， 使 PLC 控制领域更加宽广。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 5 如西门子公司早在 80 年代就研制出了多回路闭环控制模块、 步进电机控制 模块、仿真模块和通信处理模块等。在 1995 年西门子公司有成功的开发了 S7-200、S7-300 系列，它具有 TD 200 和 COROS OPS 操作模板（OPS）为用户提 供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集， MPI 接口和通过工业现场总线 PROFIBUS 以及以太网的网络能力，强劲的内部集 成功能，全面的故障诊断功能：模块式结构可用于各种性能的扩展，脉冲输出 晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了 高速计数器，告诉中断处理可以分别响应过程时间，大幅度降低了成本。 （3）高可靠性 由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、 冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并 采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。S7-400 PLC 及时在恶劣、不稳 定的工作环境下，坚固、金密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模 板还可热插拔。 2.3 设计原理 此次设计基于 SIMATIC PIC 的花式喷泉监控系统的主要成分是 PLC 和触摸 屏，设计的原理主要是两者的工作原理，下面分别介绍两者的工作原理。 2.3.1 PLC 的基本组成 可编程序控制器（Programmable Logic Controller,简称 PLC）是一种已 微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是工业控制专用计算机。因 此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由中央处理单元（PLC） 、存 储器（EEPROM、RAM） 、输入/输出（I/O）接口、电源等组成。如图 2.1 所示。 图 2.1 PLC 的基本组成 输 入 电 路 输 出 电 路 中央处理器单元 （CPU） 编程器 系统程序存储器系统程序存储器 电源 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 6 （1）输入部件 输入部件是 PLC 与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进 入 PLC 的桥梁。该不见接受来自主令元件、检测元件的信号。其输入方式有两 种：一种是数字量输入， 另一种是模拟量输入。 （2）输出部件 输出部件也是 PLC 与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进 行工作（如电机的启、停、正/反转，设备的转动、移动、升降等） 。同样输出 的方式也有数字量输出和模拟量输出两种。 （3）中央处理器（CPU） 与一般的计算机控制系统一样，CPU 是整个 PLC 系统的核心部件，它按照 PLC 中系统程序赋予的功能，指挥 PLC 有条不紊的工作。其主要任务有：控制 从编程器输入的用户程序及数据的接受与储存；用扫描的方式通过 I/O 部件接 受现场的状态和数据，并存入输入状态表或数据存储器中；诊断电源、PLC 内 部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC 进入运行状态后，从存储器租 调读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算 术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存表的内容，再经 由输出部件实现输出控制、制表打印和数据通信等功能。目前，PLC 所采用的 微处理器有以下三种：通用微处理器、单片微处理器、片位式微处理器。 （4）存储器 PLC 中的存储器是用来存储系统程序、用户程序及数据的。目前，系统程 序存储器通常由 EPROM 构成，用户程序存储器则有 EPROM 或 EEPROM 构成,而用 户数据存储器则由 RAM 构成。 （5）通信接口 为了实现通信功能，PLC 中配有通信接口。通过这些通信接口，PLC 可以与 监视器、打印机以及其他 PLC 或计算机相连。 智能 I/O 接口为了满足更加复杂的控制功能需求，PLC 配有多种智能 I/O 接口。如位置闭环控制模板、高速计数模板等。通常这类智能模板都拥有自身 的处理器系统。 （6）I/O 扩展接口 当用户所需的输入/输出 （I/O） 点数超过 PLC 基本单元的输入/输出点数时， 就需要对系统进行扩展。I/O 扩展接口就是用来连接中心基本单元与扩展单元 的。 （7）编程器 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 7 编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程 器一般分为简易型和职能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图 转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器） ，不但 可以联机编程，而且还可以脱机编程。操做方便且功能强大。 （8）其它部件 通常 PLC 还可配有盒式磁带机、打印机、EPROM 写入器等其他外部设备。 2.3.2 PLC 的基本工作原理 PLC 的工作原理：可变程序控制器是采用“顺序扫描、不断循环”的方式 进行工作的。即可编程控制器运行时，CPU 根据用户程序存储器中的用户程序， 按指令步序号（或地址号）做周期性循环扫描。如果无跳转指令，则从第一条 指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令， 开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和输出 状态的刷新等工作。 可编程序控制器的扫描工作过程可分为输入采样、程序执行和输出刷新三 个阶段。如图 2.2 所示。 （1）输入采样阶段 PLC 在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中 的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其存入（写入）各对应的输入状 态锁存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执 行阶段，即使输入状态有变化，输入状态存储器的内容也不会改变。变化了的 出入状态只能在下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。 （2）程序执行阶段 PLC 在程序执行阶段，按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令， 第个 扫描周期 输出刷新 输入采样输出刷新 输入采样用户执行程序 第 个扫描周期 第个 扫描周期 图2.2可变程序控制器的扫描工作过程 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 8 所需要的执行条件可从输入状态寄存器和当前输出状态寄存器中读入，经过相 应的运算和处理后，其结果再写入输出状态存储器中。所以，输出状态存储器 中所有的内容随着程序的执行而改变。 （3）输出刷新阶段 当所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送 至输出锁存器中，并通过一定方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相 应的输出设备工作，这就是 PLC 的实际输出。 经过这三个阶段，完成一个扫描周期。对于小型 PLC，由于采用这种集中 采样，集中输出的方式，使得在每一个扫描周期中，只对输入状态采样一次， 对输出状态刷新一次，在一定程度上降低了系统的响应程度，即存在输入/输出 滞后的现象。但从另一个角度看，却大大提高了系统的抗干扰能力，使可靠性 增强。另外 PLC 几毫秒至几十微秒的响应延迟对一般工业系统的控制室无关紧 要的。 2.3.3 触摸屏的组成及工作原理 触摸屏最早出现在 20 世纪 70 年代，由于触摸屏比传统的开关和其他的输 入设备更简单，美观，即使没有接触过计算机的人也能使用，因此人们用触摸 屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显 示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息 输入。触摸屏（触摸屏的工作原理）有出没检测部件和触摸屏控制器组成；触 摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏 控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接受触摸信息，并 将它转化成触点坐标，在送给 CPU，它同时能接受 CPU 发来的命令并加以执行。 触摸屏的系统结构基本分为两部分：配合显像管 CRT 或 LCD 表面的坐标信 号接收部分，即触摸感应屏幕部分；处理坐标信号并与主机通讯的触摸屏控制 部分，即触摸屏的控制卡或控制盒。 按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们 分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。每一类触摸屏都有其 各自的优缺点，要了解哪种触摸屏适用于哪种场合，关键就在于要了解每一类 触摸屏技术的工作原理和特点。 由于此次设计我采用的是表面声波式触摸屏，下面介绍表面声波式触摸屏 的工作原理： 表面声波式触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平 板，安装在 CRT、LED、LCD 或是等离子显示器屏幕的前面。这块玻璃平板只是 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 9 一块强化的玻璃，区别于其它触摸屏技术是没有任何贴膜和覆盖层。玻璃屏的 左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定 了两个相应的超声波接受换能器。玻璃屏的四个周边则刻有 45角由疏到密间 隔非常精密的反射条纹。 发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的信号转化为声波能量向左方表 面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给 X 轴的接受换能器，接受换能器将返回的表面声波能量变为电信号。发射信号与 接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。当手 指或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X 轴途经手指部位向上 走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰 减缺口。接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置记得 触摸坐标，控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定 X 坐标。之后 Y 轴同样的过程判定出触摸点的 Y 坐标。 除了一般触摸屏都能响应的 X、 Y 坐标外， 表面声波触摸屏还响应第三轴 Z 轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值。 三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 10 3 3 系统控制要求及控制方案系统控制要求及控制方案 3.1 喷水管的控制及要求 在许多休闲广场、景区或游乐场所里，常看到喷泉按照一定的规律变化花 样，其中喷水管的布置对喷水花样的形成很重要。 该喷泉采用 PLC 控制， 在花式喷水 时序确定的前提下， 可以通过改变控制 开关， 实现控制方式的改变， 达到显现 各种复杂状态的要求。 本设计课题采用 PLC 和触摸屏构 成花式喷泉监控系统。 1 为外环形状喷 水管，2 为次外环形状喷水管，3 为内 环形状喷水管，4 为中心喷水管。如图 3.1 所示。 3.2 PLC 程序及要求 1 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， 喷泉只运行一次循环； 在连续位置时， 喷泉运行一直继续下去。 3选择开关用来选择喷泉的喷水花样，该喷泉要求实现以下工作方式： 选择开关在“1”位置时，按下启动按钮后，4、3、2、1 隔 2 秒依次喷 水，一起喷水 15 秒后停下；隔 2 秒，然后按 1、2、3、4 的次序隔 2 秒依次喷 水，在一起喷水 15 秒后停下。以此规律循环。 选择开关在“2”位置时，按下启动按钮后，1、3 同时喷水，延时 3 秒 后，2、4 喷水，1、3 停喷，交替运行 5 次后，隔 1、2、3、4 全喷水，30 秒后 停止。以此规律循环。 选择开关在“3”位置时，按下启动按钮后，1、2、3、4 按顺序延时 2 秒喷水，然后一起喷水 30 秒后，1、2、3、4 再分别延时 2 秒停喷。以此规律 循环。 4.不论在什么工作方式下，按下停止按钮，喷泉停止运行。 5.用触摸屏监控喷泉的运行状态， 并通过触摸屏修改喷水时间等有关参数。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 11 3.3 控制方案的确定 此次设计的控制器选为电磁阀，根据电磁阀的个数来确定 PLC 的输入、输出 点数15 个即可满足控制要求。在选用 PLC 时还应当考虑到其工作环境，对其 相对湿度的要求较高， 根据以上的考虑确定使用小型 PLC 中的西门子 S7-200 系 列 CPU224 型 PLC。 S7-200 系列 CPU224 型 PLC 的工作环境： 温度：工作温度：055，最高为 60； 储存温度：-40+85 湿度：相对湿度为 5%95%，为了保证 PLC 的绝缘性能，空气的相对湿 度应小于 85%（无凝露） 实现该监控系统设计中 PLC 程序采用定时器、计数器及基本位逻辑指令和 置/复位逻辑指令等来完成。 触摸屏选择为 PLC 型号的输入输出电压相匹配的表面声波触摸屏。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 12 4 PLC 的硬件设计 目前，世界上生产 PLC 的厂家很多，如西门子、ABB、LG、欧姆龙、三棱、 松下等公司。不同的厂家生产的 PLC 产品的功能基本上相似，但价格及使用的 编程软件确有一些差别，即使是同一厂家生产的 PLC 产品中的不同系列也有一 些差别，即便是同一系列中的产品因为有不同型号的 CPU，那么其功能也不是 完全相同。简单 PLC 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通 PLC 的 运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数 据传送等；大型 PLC 中还有模拟量的 PID 运算和其他高级运算功能。随着开放 系统的出现，目前在 PLC 中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信， 有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行 数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算 功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些数据需要数据 传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转化和 PID 运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 PLC 按结构分为整体型和模块型两种；按应用环境分为现场安装和控制室 安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用 角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型 PLC 的 I/O 点数固 定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数，功能扩展 方便灵活，一般用于大中型控制系统。 从前边的介绍中，我认为选择小型机就可以达到控制的要求，从何价格、 稳定性等方面考虑，西门子 S7-200 系列 CPU224 型 PLC 可满足设计的要求。 S7-200 系列 CPU224 型 PLC 的工作环境： 温度：工作温度：055，最高为 60； 储存温度：-40+85 湿度：相对湿度为 5%95%，为了保证 PLC 的绝缘性能，空气的相对湿 度应小于 85%（无凝露） 震动和撞击：应使 PLC 远离强烈的振动源，防止振动频率为 1055Hz 的 频繁或连续振动。当使用环境不可避免振动时，必须采取防振措施，如采用减 振胶等。 空气：避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中 有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将 PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制 柜中。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 13 电源：AC200V，允许变化范围为-15%+15%，频率为 4753Hz，瞬时 停电保持 10ms。 4.1 硬件的选择 4.1.1 I/O 模块的选择 此次设计的执行设备为电磁阀，初步确定选用开关量 I/O，根据电磁阀的 数量选择合适的 I/O 的点数。 PLC 与电气回路的接口，时通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集成 了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反应输出锁存器 状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（DI） ，开关量输出（DO） ，模拟量输出（AO）等模块。 1.常用的 I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220VAC、110 VAC、240 VDC，按隔离方式分， 有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量： 按信号类型分， 有电流型 （4-20Ma,0-20mA） 、 电压型 （0-10V， 0-5V， -10-10V）等，有 12bit，14 bit，16 bit 等。除了上述通用 IO 外，还有特殊 IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。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.常用的输出方式有继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型。 通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较 长等有点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，使 用寿命数长，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出 和模拟量输出等，与应用要求应一致。 根据以上的介绍，I/O 模块确定为 12 点输入，10 点晶体管输出，工作电压 为 24V 的 EM222 开关量 I/O 模块。 3.根据控制要求及 I/O 点数确定 I/O 分配表如表 4.1 所示。 4.根据 I/O 分配表画出 PLC 外部接线图如图 4.1 所示。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 14 图 4.1I/O 分配表和外部接线图 输入输出 符号地址功能描述 符号地址 功能描述 SB1I0.0启动按钮YV1Q0.0 控制外环形状喷 水管 SB2I0.1花样 1 选择开关YV2Q0.1 控制次外环形状 喷水管 SB3I0.2花样 2 选择开关YV3Q0.2 控制内外环形状 喷水管 SB4I0.3花样 3 选择开关YV4Q0.3控制中心喷水管 SB5I0.4 单步/连续 选择 开关 SB6I0.5停止按钮 220AC 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 15 4.1.2 内存容量的选择 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器单元的大小。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，须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。存储期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的公式， 大体上都是按数字量I/O点数的1015倍， 加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（16 位为一个字） ，另外 再按次数的 25%考虑余量。 4.1.3 CPU 功能与结构的选择 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接受并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由 现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程 序存贮器中逐条读取指令， 经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号， 去指挥有关的控制电路。CPU 主电路由运算器、控制器、存储器及实现它们之 间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及 有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元， 在使用者看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制 还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令 及执行指令。但工作节奏由振荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算， 在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控 制器指挥下工作。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度，I/O 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 S7-200 系列 PLC 可提供 4 个不同的基本型号的 8 种 CPU 可以使用。 CPU 单元设计 集成的 24V 负载电源： 可直接连接到传感器和变送器 （执行器） ， CPU 221,222 具有 180mA 输出，CPU 224,CPU 226 分别输出 280，400mA。可用作负载电源。 本机数字量输入/输出点 CPU 221 具有 6 个输入点和 4 个输出点，CPU 220 具有 8 个输入点和 6 个 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 16 输出点。CPU 224 具有 14 个输入点和 10 个输出点。CPU 226 具有 24 个输入点 和 16 个输出点。 CPU222224226 可方便的用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机 输入信号进行仿真，用于调试用户程序。 由以上介绍本人使用的西门子 S7-200 系列 CPU224 型 PLC 可满足设计的要 求。 4.2 电源模块的选择 4.2.1 电源的处理 PLC 的供电电源，除了引进设备时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和 选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源于国内电网电压一致，重 要的应用场合应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用电 源时应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接电源，为防止外部 高压电源因误操作而引入 PLC，对输入输出信号的隔离是必要的，有时可采用 简单的二极管或熔丝管隔离。 4.2.2 安装布线的注意事项 动力线、 控制线以及 PLC 的电源和 I/O 线应分别配线， 隔离变压器与 PLC 和 I/O 之间应采用双脉线连接。将 PLC 的 IO 线和大功率线分开走线，如必须在 同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线最好，这不仅 能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。 PLC 应远离强干扰源如：电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备， 不能与高压电器安装在同一开关柜内。在柜内 PLC 应远离动力线（二者之间距 离应大于 200mm） 。与 PLC 装在同一柜子内的电感性负载 ，如功率较大的继电 器、接触器的线圈，应并联 RC 消弧电路。 PLC 的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开铺设。模拟 量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽 层电阻的 1/10. 交流输出线和直流输出线不能在同一根电缆， 输出线应尽量远离高压线 和动力线，避免并行。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 17 4.2.3 PLC 接口的接地 良好的接地是保证 PLC 可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲 击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全；其二是为了抑制干扰。完善 的接地系统时 PLC 控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。 PLC 控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统 混乱对 PLC 系统的干扰主要是各个接地点点位分布不均，不同接地点存在地电 位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地， 如果电缆屏蔽层两端 A、B 都接地，就存在 ，有电流流过屏蔽层，当发生异常 状态如雷击时，地线电流将更大。 此外，屏蔽层、接地和大地有可能构成闭合回路，在变化磁场的作用下， 屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。 若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位 分布，影响 PLC 内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC 工作的逻辑电压干扰 容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响 PLC 的逻辑运算和数据存储，造成 数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对 信号测控的严重失真和误动作。 4.3 执行器的选择 在此次设计中使用潜水泵为喷泉喷水提供动力。 （如图 4.2 所示） 潜水泵的工作原理： 开泵前，吸入管和泵内必须充满液体。开泵后，叶轮高速旋转，其中的液 体随着叶片一起旋转，在离心力的作用下，飞离叶轮向外射出，射出的液体在 泵可扩散室内速度逐渐变慢，压力逐渐增加，然后从泵出口，排出管流出。此 时，在叶片中心处由于液体被甩向周围而形成既没有空气又没有液体的真空地 区，液池中的液体在池面大气压的作用下，惊喜入关流入泵内，液体就是这样 连续不断的从液池中被抽吸上来又连续不断的从排出管流出。 从水泵的流量、流程、工作环境、寿命和价格考虑，选择中型的水泵即可 满足设计的要求。 设计中喷泉喷水的执行器应选为电磁阀。 电磁阀的工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔 都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀 体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 18 进油孔是长开得，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油 缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁 的电流就控制了机械运动。 图 4.2 潜水泵图 4.3 先导式电磁阀 追溯电磁阀的发展史，到目前为止，国内外的电磁阀从原理上分为三大类 （即：直动式、分布直动式、线导式） ，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上 的区别又分为六个分支小类（制动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、 制动活塞结构、分布活塞结构、先导活塞结构） 。 1.直动式电磁阀 原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开； 断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过 25mm。 2.分步直动式电磁阀 原理： 它是一种直动和先导式相结合的原理， 当出口与入口压差0.05Mpa， 通电时，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入 口与出口压差0.05Mpa， 通电时， 电磁力先打开先导小阀， 主阀下腔压力上升， 上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀和主阀利用弹 簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。 特点：在零压差或真空、高压时亦能可靠工作，但功率较大，要求竖直安 装。 3 先导式电磁阀(如图 4.3 所示) 原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周 围形成上低下高的压差，推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 19 先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速进入上腔室在关阀件周围形成下低上高 的压差，推动关闭件向下移动，关闭阀门。 特点：流体压力范围上限很高，但必须满足流体压差条件。 此次设计中要求喷水管具有很好的密封性、打通性、控制灵活，具有很好的耐 压性能，因此使用先导式电磁阀比较合适。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 20 5 PLC 的软件设计 5.1 控制程序的顺序功能图（如图 5.1） 5.2 编程方法的思路介绍 在设计中主要采用了基本位逻辑指令、置/复位指令、定时器及计数器来完 成程序设计的。先画出顺序功能图，然后根据顺序功能图按照喷泉喷水管的喷 水要求进行编程，程序的逻辑性较强，程序的运行按照顺序进行便于程序的维 护。3 种喷泉花样之间不干扰，不影响，通过不同的操作来实现不同花样的循 环。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 21 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 22 5.3 梯形图程序 (如图 5.2 所示) 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 23 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 24 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 25 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 26 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 27 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 28 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 29 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 30 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 31 图 5.2梯形图程序 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 32 6 触摸屏的硬/软件设计 6.1 触摸屏的选型 由于表面声波触摸屏采用了钢化玻璃材质， 有极好的防刮性， 寿命长 （5000 万次无故障） ，分辨率极高（40964096 点） ，不受温度、湿度等环境因素的影 响；它的表面没有涂层，透光率高（92%） ，能保持清晰透亮的图像质量；没有 漂移，最适合公共场所使用。但受其反应原理的限制，使用时会受尘埃的影响， 必须保持表面声波触摸屏表面清洁，定期进行清洁维护服务。 6.2 触摸屏的软件设计 此次设计中的触摸屏的软件采用了 Touch 触摸屏程序制作系统 2.10。 Touch 触摸屏程序制作系统是为触摸用户及触摸软件设计人员提供的一套 理想的触摸屏制作软件。该系统易于掌握、使用方便、功能完善，设计者不需 要掌握专业的软件开发技术即可实现触控查询系统的完美之作。 触摸屏程序制作系统突出页的设计，以按钮为纽带将众多的屏幕页和子窗 体连接起来，实现灵活多样的显示效果；系统提供了多种类型界面的按钮并支 持鼠标金进入、离开、点击三种状态；系统支持多种静态的图像格式（BMP 图 像、 JPEG 图像） 和动态图像格式 （GIF 动画， FLASH） ； 同时还支持影像文件 （AVI、 WAV、MOV、WMV、RM、RMVB）和影音文件（MP3）的播放。同时系统还提供了和 SqlServer,Orcal,Access 等数据连接的功能。用此功能可以轻松的制作一个数据 查询页面触摸屏程序制作系统页为编辑修改提供了方便快捷的工具，使用这些 工具，可以使系统的变更和调整实现起来非常容易，可以说触摸屏程序制作系 统时一套不用写代码的开发环境。 由Touch触摸屏程序制作系统2.10中文窗口编辑软件设计的人机操作界面 如图 6.1 所示 图 6.1 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 33 7 7 程序说明程序说明 7.1 启动 程序中的启动按钮为 I0.0，通电后按下，喷泉开始工作，在通过单步/连 续、花样选择开关，来实现不同的花样控制要求。 7.2 单步/连续 单步/连续的选用 I0.5 来控制，I0.5 有闭合、断开两种状态，当 I0.5 处 于闭合（常开触头闭合）状态时，喷水处于循环状态，当 I0.5 处于断开（常闭 触头闭合）状态时，再通过选择开关，来实现花样 1，花样 2，花样 3 的各自运 行一次。 7.3 花样选择 喷水花样的选择开关 1、2、3 分别由程序中的 I0.1、I0.2、I0.3 实现。当 单步/连续开关 I0.5 处于断开（常闭触头闭合）状态时，选择开关选择任意花 样，然后按启动按钮 I0.0，实现不同花样的循环。 7.4 停止 在此次设计中，采用主要是置/复位指令来实现控制要求的。置/复位指令的特 点是：当置位指令置位后，去控制相应的继电器通电，在没有复位指令的情况 下，置位指令一直处于保持状态，因此要实现停止的要求，必须让所有的抚慰 线圈通电，而置位线圈断电， I0.4 为停止按钮，当按下 I0.4 时，将所有的复 位指令通电，所有的置位指令断开，从而实现停止操作。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 34 结束语 经过一个多月的设计和研究，成功的完成了基于 SIMATIC PLC的话是喷 泉的监控系统的设计，并能够准确、稳定的实现此次设计中的控制要求。 通过此次设计，我学到了很多在书本上所学不到的知识，开阔了眼界，培 养了自己的实际动手能力，是对三年来理论学习的一次很好的总结。在设计过 程中，我对喷泉及其工作原理有了一定的认识，利用可编程控制器系统的设计 和触摸屏及其软件设计得到了进一步的强化，并且在这个过程中，我能够做到 查缺补漏，对过去疏忽的知识点进行在学习，增加了相关的知识和经验的积累。 通过此次设计培养了我们工程绘图、数据处理、设计计算、实验研究、查 阅文献、语言文字表达能力、计算机办公软件运用、外文资料的阅读与翻译等 基本工作能力，初步掌握了科学研究的思路和方法，对以后的工作、学习和生 活打下了很好的基础。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 35 谢辞谢辞 在此次设计过程中得到了很多老师的帮助，他们扎实的专业知识，认证负 责的工作态度，严谨求实的作风使我受益匪浅。我们非常感谢廉文利老师，他 对此次设计提出了很多宝贵的意见和建议，对于我们成功的完成设计任务起到 了至关重要的作用，设计中遇到的难题，他能够引导我们的思路，并能够耐心 的提出自己的观点和见解。感谢在这三年来对我的学习和生活有过莫大帮助的 张红娟老师、廉文利老师、王蕊老师、孙军老师、向波老师、曹胜敏老师等老 师对我们的帮助。 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 36 参考文献参考文献 1 易泓可. 电气控制系统设计基础与范例。北京：机械工业出版社，2005 2 史国生. 电气控制与可编程控制器技术。第二版。北京：化学工业出版社 教材出版中心，2005 3 范思冲. 机械基础（电气信息类）M，北京，机械工业出版社，2005 4 廖常初.S7-200PLC 编程及应用M，北京，机械工业出版社，2006 年 5 王淑英. 电器控制与 PLC 控制技术M，北京，机械工业出版社，2007 6 刘介才. 工厂供电M，第四版，北京，机械工业出版社，2006 年 7 吴晓君. 电气控制与可编程序控制器应用M，北京，中国建材工业出版 社,2004 8 史国生. 电气控制与可编程控制器技术M，第二版，北京，化学工业出版 社教材出版中心,2005 9 顾绳谷. 电机及拖动基础M，北京，机械工业出版社，2005 10 李道霖. 电气控制与 PLC 原理及应用M，北京，电子工业出版社，2004 年 11 顾绳谷. 电机及拖动基础M，北京，机械工业出版社，2005 12 李清新. 伺服系统与机床电气控制机械工业出版社2004 13 Simon Haykin.Adaptive Filter Theory. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2003 14 Wu J P,Duan F Y. Study non-linear time series forecasting method based on neural networks.Systems Engineering,1997 唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计 37 外文资料外文资料 What is the PLC Control System Has promoted the programmable logical controller since the 20th century 60s US (Programmable Logic Controller, PLC) to substitute for the tradition black-white control installment, PLC obtained the fast development, obtained the widespread application in world each place. At the same time, the PLC function also unceasingly consummates. Along with the computer technology, the signal processing technology, the control technology networking unceasing development and the user demand unceasing enhancement, PLC increased simulation functions and so on quantity processing and movement control in the