喷泉的PLC控制设计(课程设计).doc

辽 宁 工 业 大 学PLC技术及应用课程设计（论文）题目：喷泉的PLC控制院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2013.12.92013.12.18 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目喷泉的PLC控制课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能喷泉可以起到净化空气，美化环境的作用，系统功能如下：（1）喷泉有A、B、C三组喷头；（2）按下开始按钮后，A组先喷，10s后停，然后B组和C组同时喷；（3）10s后B停，再10s后C停；（4）A、B又喷，5s后，C也喷，持续10s后全停；（5）再5s后重复上（2）（4）步；（6）按下停止按钮后，A、B、C3组喷头全部停止。喷泉水柱的高低由水泵控制，水泵是由三相异步电动机组成的，由变频器控制电机的转速，使水柱发生变化设计任务及要求1、根据系统功能，确定输入输出点数，选择PLC的型号和扩展模块；2、设计电机主电路；3、建立I/O分配表，完成PLC与输入/输出信号的的外部接线；4、按系统的控制要求，用梯形图设计程序；5、上机调试、完善程序；6、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数三相异步电动：额定功率1Kw，额定电压380V，额定转速1450rpm。进度计划1、 布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）2、 设计电机主电路（1天）3、 建立I/O分配，完成外部接线设计（1天）4、 按系统的控制要求，完成梯形图设计（2天）5、 上机调试、修改程序（2天）6、 撰写、打印设计说明书（2天）7、答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要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，降低空气湿度，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均可较好的满足控制喷泉花样变化的要求。自动喷泉控制实现的方法很多，本设计题目为基于可编程逻辑控制器（S7-200系列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，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。本设计是由PLC程序控制水泵的通断，由变频器来控制水泵的转速，从而控制喷水柱的高低。关键词：花样喷泉；变频器；S7-200 PLC 目录第1章 绪论21.1课题的提出21.2喷泉的现状与发展2第2章 控制系统的设计22.1 喷泉的控制方案22.2 PLC的工作原理22.3总体实现方案2第3章 系统硬件的设计23.1控制器的选择23.2变频器的选择23.3水泵的选择23.4电磁阀的选择23.5 PLC的外部接线23.6 系统中PLC的I/O分配表设计23.7 系统硬件接线图2第4章 系统的软件设计24.1 系统软件流程图24.2 软件的选用24.3 梯形图程序2第5章 课程设计总结2参考文献2附录1 系统软件流程图2附录2 系统软件梯形图222第1章 绪论1.1课题的提出喷泉是人工环境中观赏价值最高、最富有生命力的理想景观之一。规模可大可小，射程可高可低，喷出的水，大者如珠，细者如雾，变化万千，引人入胜。喷泉景观概括来说可以分为两大类：一是因地制宜，根据现场地形结构，仿照天然水景制作而成，如：壁泉、涌泉、雾泉、管流、溪流、瀑布、水帘、跌水、水涛、漩涡等。二是完全依靠喷泉设备人工造景。这类水景近年来在建筑领域广泛应用，发展速度很快，种类繁多，有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影等。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，如果再与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。实际应用效果良好。供人们休闲、观赏。花式喷水池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。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。PLC编程简便，若需要改变喷水花样和喷水时间,设计方案不必作很大调整,只要把控制程序作相应的修改,即可实现控制目的。1.2喷泉的现状与发展不同环境选择不同的喷泉。现在喷泉的应用范围已经不再像原来那么狭窄了，随着人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，喷泉已经出现了多种多样的形式。大大提高了可观赏性。适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取，凝聚向上的感受。在商业广场、购物中心以及游泳景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。 河、湖自然水面上喷水高度超过百米的高水柱喷泉，其雄伟、壮观的水造型往往成为这个城市或旅游景点的特征之一。 喷泉进入了住宅小区，多与建筑小品和雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足的形式。松驰、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受。喷泉是艺术和技术的结合物，建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计、创作中。 不少成功的作品都注意喷泉的设计风格与周边的环境、建筑物风格的协调一致，注意当地人文、文化心理，所以好的方案设计是至关重要的，它是成功的起点。在喷泉方案的制作上，短短的几年时间就从手工制图发展到photo shop图片再发展到三维动画制作的光盘描绘的动态喷水方案，计算机技术极大地丰富和开拓了人们的思维空间。快速、直观、便于保存、易于修改的优点很快地就被建设方接受，成为喷泉设计方案招投标的必备内容。 喷泉的专用产品，设备也在不断地更新换代，新材料、新技术的采用，环保型的产品更加安全、可靠，售后服务周到、及时，这些都为喷泉的良性发展提供了技术支撑，使得大多数的喷泉在美化环境之外，还发挥了良好的生态效应社会效益和广告效应等间接的经济效益。第2章 控制系统的设计2.1 喷泉的控制方案喷泉有A、B、C三组喷头（如图2.1）：按下开始按钮后，A组先喷，10s后停，然后B组和C组同时喷；10s后B停，再10s后C停；A、B又喷，5s后，C也喷，持续10s后全停；再5s后重复以上步骤；按下停止按钮后，A、B、C 3组喷头全部停止，控制流程图如图2.2。喷泉水柱的高低由水泵控制，水泵是由三相异步电动机组成的，由变频器控制电机的转速，使水柱发生变化。CBA图2.1 喷泉结构图 图2.2 控制系统流程图 2.2 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段：（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。PLC的基本结构图如图2.3所示。图2.3 PLC的基本结构2.3总体实现方案根据设计要求，该喷泉控制系统由PLC、变频器、水泵和电磁阀组成，PLC对喷泉的水泵进行时序控制，而变频器对水泵的转速进行实时控制，产生各种不同的喷水造型。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。第3章 系统硬件的设计3.1控制器的选择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。本方案采用S7-200PLC作为喷泉的主控制器来控制水泵的运行。S7-200PLC是一种小型的PLC，它有5种CPU模块，最多可以扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或者38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间。集成了6个有12种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器、脉冲宽度调制器。本设计方案可以选择S7-200CPU224的PLC作为主控制器，该型号的PLC共14入10出24个I/O点。从I/O点分配方面来说很适合本设计的控制要求。实物图如图3.1。 图3.1S7-200CPU224实物图3.2变频器的选择变频调速技术是针对固定工频而采取的高效节能措施，工频（50Hz）是发电的最佳频率，但它并非是所有用电设备的最佳工作频率，因而导致许多设备长期处于低频率、低功率引述运行状态。占全国耗电2/3的交流电动机目前大多数还在工频、恒速下运动，运行效率只有60%左右。为了提高效率，所以在本设计中用到变频器。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。整流部分为三桥式不可控整流器，逆变比分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 变频器选型时要确定以下几点：（1）采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。 （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。 本设计是通过变频器速调技术来控制每环喷水的高度。我选用的是VFD2200B43P系列变频调速器。其实物图如图3.2所示。图3.2 VFD2200B43P 变频器3.3水泵的选择水泵的种类根据不同的要求，分类比较多；大致有卧式水泵和潜水泵。但都是根据各自对水泵的扬程、流量、使用的场合、能耗比、性价比等来选择合适自己水泵。根据本文的要求，选择采用潜水泵。因为潜水泵是放置在水下，因此不需要泵房，这样可以降低造价。而且潜水泵能耗低，体积小，重量轻，不需灌引水，使用维护及管理方便，并且达到了节约水资源的目的，具有卧式水泵所不具有的优点，可以适应喷泉的喷水要求。本设计采用上海申一水泵制造有限公司生产的QY型油浸式潜水泵，其额定功率1KW，额定电压380V，额定转速1450rpm。QY型油浸式潜水电泵是由充油式潜水电机与离心式水泵同轴联接组成。符合JB/T8092-1996标准规定，产品取得全国生产许可证，经过三十多年来不断的改进和完善，广泛应用于农业灌溉、工矿排水、水景喷泉、水产养殖，鱼塘增氧、防洪排涝等领域。具有泵电一体化、结构紧凑的优点；无需引水、使用简便；双端密封、电器保护；设计合理、性能优良等特点。水泵的使用条件是潜水深度不超过5米；水温不超过+40；PH值应在5-9之间，因此，很适合用本设计的要求。图3.3 QY型油浸式潜水泵3.4电磁阀的选择水下专用电磁阀是自动控制系统中常见的开关元件、为音乐喷泉的核心控制设备，特别适用于跑泉的水路控制。主要技术参数：（1）原理结构：直动膜片型、先导膜片型控制方式：常闭式流体范围：水泵使用寿命：25万次（2）流体温度：-5+50；（3）接口形式：螺纹式、法兰式；（4）阀体材质：黄铜、304不锈钢；（5）标准电压：AC220V、DC24V；（6）电气连接：浇封预埋式防水电缆线；（7）防护等级：国际标准IP68。在这里要注意一点问题，PLC一般的输出电压为24V，假如电磁阀的功率较大的话驱动器就要使用中间驱动环节。但是在本设计中选择的水下电磁阀适合PLC的输出电压故不需中间驱动环节继电器。水下专用电磁阀是利用介质压力差工作的直动式电磁阀门，它采用膜片结构，具有启闭迅速、性能稳定、使用方便、可靠性高、寿命长等特点；该阀坑污能力极强，可在江、河、湖、海及各种人工水域中长期使用，基高超的性能处于国内领先水平。图3.4电磁阀实物图3.5 PLC的外部接线在PLC控制系统中，PLC是主要控制设备，它与控制对象中各输入信号如按钮，继电器触点和输出设备继电器、接触器、电磁阀的连接问题。现场的输入信号如开关按钮、拨动开关、限位开关和其他一些检测原件输出的开关量和模拟量，通过连接电路进入PLC。对于开关触点，当强电电路触点时，有些要求48V、50mA左右或110V、1520mA左右才能可靠接通，而输出模块的输入电源电压一般不高，额定电流也是毫安级，要求注意模拟量输入信号的数值范围应与PLC的模拟量输入口数值相匹配。 图3.5 PLC的外部接线图3.6 系统中PLC的I/O分配表设计根据系统要求所选择的I/O分配表如表3.1所示：表3.1 系统I/O分配表输入输出名称符号地址编号名称符号地址编号启动按钮SB1I0.01泵接触器KM1Q0.0停止按钮SB2I0.12泵接触器KM2Q0.13泵接触器KM3Q0.21变频器VF1Q0.32变频器VF2Q0.43变频器VF3Q0.53.7 系统硬件接线图系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。具体的如图3.6所示：三相电源R S TU V WM1KM1FU1变频器1R S TU V WM2KM2FU2变频器2QSR S TU V WM3KM3FU3变频器3图3.6系统硬件接线图第4章 系统的软件设计4.1 系统软件流程图PLC通电后，进入工作状态,首先进行系统的初始化，包括：配置定时器和变频器，如果按下启动按钮，喷泉装置进入工作状态，若不按，则回到初始状态，接着按着“A组先喷，10s后停；然后B组和C组同时喷；10s后B停；再10s后C停，A、B又喷；5s后C也喷；持续10s后全停；再5s后重复以上步骤”的要求进行执行程序，如果按下停止按钮，系统则停止运行，如果不按停止按钮，系统则按照要求的顺序循环运行下去直到按下停止按钮，流程图如图见附录1。 4.2 软件的选用本设计采用STEP 7软件进行编写系统程序，该软件主要有组态硬件；组态通信连接；使用编程语言编写用户程序；下载和调试用户程序、启动、维护、文件建档、运行和诊断等功能。功能强大，很适合用来编写喷泉的控制程序。编程软件界面如图4-2所示。 图4.2编程软件界面4.3 梯形图程序 见附录2第5章 课程设计总结通过这一周的课程设计，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，西门子系列PLC的功能及特点。使我更深入的学习了PLC技术及应用这门课程，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