PLC控制自动喷泉的设计.doc

毕业设计毕业设计 论文论文 题题 目 目 PLCPLC 控制自动喷泉的设计控制自动喷泉的设计 姓姓 名 名 指导教师 指导教师 专专 业 业 机械制造与设计机械制造与设计 层层 次 次 专专 科科 成绩评定表 PLC 控制自动喷泉的设计论文评分 指导教师评语及评分 指导教师 签名 年 月 日 PLC 控制自动喷泉的设计评审评分 评审教师评语及评分 组长 签名 年 月 日 成 绩 综合评分 评定人签名 年 月 日 毕业论文 设计 任务书 题 目 PLC 控制自动喷泉的设计 学生姓名专业层次学号 指导教师 概述 本设计为基于可编程逻辑控制器 PLC 的喷泉控制系统 用可编程逻辑控制器 PLC 不仅能够进行多种水型切换 而且能将各种水型 灯光 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 使水型 灯光 实现多姿多彩的变化 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 要求阅读或检索的参考资料及文献 包括指定给学生阅读的外文资料 1 贾树军 组态王在音乐喷泉中的应用 山西机械出版社 2003 年 9 月第 3 期 2 陶虹 音乐喷泉控制系统设计 内江师范学院学报 2004 12 第 19 卷第 6 期 3 求是科技 PLC 应用开发技术与工程实践 人民邮电出版社 2005 4 章文浩 可编控制器原理及实验 第一版 国防工业出版社 2003 年 7 月 5 南建辉 MCS 51 单片机原理及应用实例 清华大学出版社 2004 目录 前言 1 1 系统总体方案设计 2 1 1 单片机喷泉控制系统 2 1 2 工控机喷泉控制系统 2 1 3 PLC 喷泉控制系统 3 1 4 总体实现方案 3 2 硬件系统实现 5 2 1PLC 的等效工作电路 5 2 2 PLC 的工作过程 5 2 3 PLC 选型 6 2 4 硬件系统组成 6 3 软件系统实现 8 3 1 PLC 控制程序设计 8 3 2 喷泉 PLC 程序设计 8 3 3 组态程序设计 12 结论 14 致谢 15 参考文献 16 摘要 随着计算机软硬件技术的飞速发展 新型喷泉与计算机的交互应用越来越广泛 自动喷泉也越来越复杂和约来月精密 使得越来越多的 控制部分需要计算机来完成 计算机控制灯光喷泉成为必然趋势 为此 建立以 PLC 为核心的多媒体计算机自动控 制喷泉 采用基于组态程序的计算机控制系统监控音乐 灯光 流水的变化 获得较 理想的效果 本文基于可编程逻辑控制器 设计三种喷泉类型 不仅能够进行多种 水形 灯光 按照设定的排列组合进行控制 实现了 PLC 的自动喷泉控制 通过上位机与 PLC 直接 的通讯监控喷泉的状态与效果 并利用组态王设计了上位机监控程序 实现了喷泉 的 自动控制与远程实时监控 关键词 程控喷泉 自动控制技术 PLC 组态 1 前 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 不断地出现在城市广场 居民小区 公园等场所 它不仅可以增 加周围空气湿度 较少空气中的 尘埃 降低空气温度 更为人们生活增添了不少情趣 自动控制彭荃能自动且连续的改变其形态 呈现丰富多彩的花型变化 从而给人以美 好的视觉感受 由单片机或可编程控制器 PLC Programmable Logic Controller 组成的小型喷 泉系统在 软件及硬件上军可以较好地 满足控制喷泉造型变化的要求 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 灯光的控制 并向计算机发送实时控制数据 上位计 算机实现喷泉花型监控等功能 自动喷泉控制的实现放大很多 本设计为基于可编程逻辑控制器 PLC 的喷泉 控制系统 用可编程逻辑控制器 PLC 不仅能够进行多种水型切换 而且能将各种 水型 灯光 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 使水型 灯光实现多姿多彩的变化 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 2 1 系统总体方案设计 1 1 单片机喷泉控制系统 单片机也称为单片微型计算机 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 的微型计算机 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 8 位单片机仍占有单片机 市场 60 以上的份额 促进了 8 位单片机朝着高性能和多功能化方向发展 其他单片机 都使各具优点 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 计数器对喷泉喷 射的时间进行控制 并且也可以利用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较高 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好 否则便很容易降低系统的稳定性 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 综上所述 此次设计采用单片机控制系统不是最佳方案 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 全称 Industrial Personal Computer 工控机通俗的说就是专门为工业现场 而设计的计算机 工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机 而工业现场一般具有强烈 的震动 灰尘特别多 另有很高的电磁场力干扰等特点 且一般工厂均是连续作业即 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 1 机箱采用钢结构 有较高的防磁 防尘 防冲击的能力 2 机箱内有专门电源 电源有较强的抗干扰能力 3 机箱内有专用底板 底板上有 PCI 何 ISA 插槽 4 要求具有连续长时间工作能力 自 1984 年国内开始从事开发和推广应用工控机以来 已被广泛地应用于钢铁冶金 石油化工 机电成套设备 医药食品 数控机床 工业炉窑等工业领域 以及军工和 3 科研设备中 对于工控机作为喷泉 控制系统 由于喷泉控制系统的环境相对工业控制环境要好 得多 而且喷泉控制系统对连续长时间工作的能力要求也不是很高 用工控机设计喷 泉控制系统实属有些大材小用 而且工控机的价格较同层次的 PC 机要偏高 这样就更 增加了系统的成本 降低了整体的性价比 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取代传统续电器装置以来 PLC 得 到了快速发展 在世界各地得到了广泛应用 同时 PLC 的功能也不断完善 随着计算 机技术 信号处理技术 控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高 PLC 在 开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能 今天的 PLC 不再局限于逻 辑控制 在运动控制 过程控制等领域也发挥着十分重要的作用 作为离散控制的首选产品 PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展 世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20 30 随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC 市场容量基数的不断扩大 在自动化领域占据着十分重要的位置 PLC 使用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 值有开关量 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 得控制器 可以接受几千个 I O 点 最多可达 8000 多个 I O 对于喷泉控 制系统这样被控对象主要是设备连锁 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 机为上位机 组成的控制系统是此次设计喷泉控制系统的最佳方案 1 4 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 如图 2 4 所示 PLC 对喷泉的水泵进行时序控制 产生各种不同的喷水造型 需设计三种不同的喷泉类 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 并且符合美学标准 逻辑合理 组 4 态软件要求画面美观大方 具备人机对话功能 且操作简单 如图 1 1 所示 图 1 1 喷泉系统方框图 计算机 组态王 人机界面 软逻辑 高速运行 逻辑分析 音乐分析曲目设定 控制文件实时采集 泵 灯阀变频器 指令下发 状态回读 现场总线 5 2 硬件系统实现 2 1PLC 的等效工作电路 PLC 是一种微机控制系统 其工作原理也与微机相同 但在应用时 可不必用计算 机的概念去做深入的了解 只需将它看成是由普通的继电器 定时器 计数器 移位 器等组成的装置 从而把 PLC 等效成输入 输出和内部控制电路三部分 输入部分 1 这部分的作用是接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息 2 内部控制电路 这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息 并判断应产生哪些输出 输出部分 这部分的作用是驱动外部负载 总之 在使用 PLC 时 可以把输入端等效为一个继电器线圈 其相应的续电器接 点 动合 或动断 可在内部控制电路中使用 而输出端又以等效为内部输出继电器的 一个动合触点 驱动外部设备 2 2 PLC 的工作过程 PLC 一般采用循环扫描方式工作 当 PLC 加电后 首先进行初始化处理 包括清除 I O 及内部辅助继电器 复位所有定时器 检查 I O 单元的连接等 开始运行之后 串 行执行存贮器中的程序 这个过程可以分为如下四个阶段 PLC 工作时 上述过程周而 复始 称为扫描周期 1 公共处理阶段 这部分在每次循环开始都要被执行 包括复位系统定时器 检查程序存贮器 检 查 I O 总线 检查扫描时间等 如出现异常情况 则通过自诊断给出故障信号 或自 行进行相应的处理 这将有助于及时发现或提前预报系统的故障 提高系统的可靠性 2 执行外围设备命令阶段 当有简易编程器 图形编程器 打印机等外部设备与 PLC 相连时 则 PLC 在每次 循环时 都将执行来自外部设备的命令 3 程序执行阶段 在这个阶段 CPU 将指令逐条调处并执行 即按程序对所有的数据进行处理 包括 逻辑 算术运算 再将结果送到输出状态寄存器 4 PLC 的 CPU 在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新 CPU 对各个输入 6 端进行扫描 并将输入端的状态送到输入状态寄存器中 同时 吧输出状态寄存器的 状态通过输出不见转换成外部设备能接受的电压或电流信号 以驱动被控设备 这种 对输入 输出状态的集中处理过程 称为批处理 这是 PLC 工作的重要特点 2 3 PLC 选型 目前 全世界的 PLC 生产厂家有 200 价 生产 300 多个品种的产品 主要集中在 美国 德国 日本等多家公司 其中德国和美国是以大型 PLC 而闻名 而日本则主要 生产小型 PLC 2 4 硬件系统组成 根据系统要求 我们选择性价比比较好的 K30H 型 PLC 共有 16 点 mA 光隔 输入 和 16 点继电器输出 输入点为 P00 P07 P10 P17 输出点为 P20 P27 P30 P37 由于实验设备有限 因此用了韩国 GoldStar 公司生产的 MASTER K30 型 PLC 其输 入输出规格如表 2 1 表 2 1 PLC 输入规格 输出形式输出形式DCDC 输入输入 点数16 点 额定输入电压 DC24V 额定输入电流10mA 1 点 动作 ON 电压 OFF 19V 以上 6V 以下 响应 OFF ON 时间 ON OFF 10ms 以下 10ms 以下 输出显示绿色 LED 绝缘方式光电绝缘 7 表 2 2 PLC 输出规格 输出形式输出形式继电器继电器 点数16 点 额定输出电压 AC250V DC30V 额定输出电流5A 4 点 响应 OFF ON 时间 ON OFF 10ms 以下 10ms 以下 输出显示红色 LED 绝缘方式光电绝缘 图 2 1 继电器输出接线图 8 3 软件系统实现 3 1 PLC 控制程序设计 PLC 作为一个工业控制计算机采用软件编程逻辑代替传统的硬件有线逻辑实现控制 其编成语言是面向被控对象 面向操作者 易于为熟悉继电器电路的广大电气技术人 员掌控 通常 PLC 的编程语言有梯形图语言 不同厂家 甚至不同型号的 PLC 产品使用的编程及编程语言中所采用的符号也不 尽相同 1 梯形图语言 梯形图语言是在继电器接触器充值原理的基础上演变而来的一种图形语言 它形 象 直观 为广大电气人员所熟悉 是中 小型 PLC 的主要程序语言 2 指令助记符语言 梯形图语言虽然直观方便 但 PLC 须配有较大的显示器才能输入图形符号 而小 机型 特别是在生产现场编制调试程序时 常要借助编程器 它显示屏小 采用的是 助记符语言 这是一种类似微机的汇编语言的助记符编程表达式 3 功能图编程语言 SCF 这是一种较新的编程方法 它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制 过程 目前国际电工协会 IEC 正在实施发展这种新式的编程标准 4 高级语言编程 近几年推出的 PLC 产品 尤其是大型 PLC 已经开始使用 BASIC 高级语言进行编程 编辑软件 KGL WE Application 简介 3 2 喷泉 PLC 程序设计 本系统要有三种不同喷泉控制模式 即要完成三种不同花色类型的喷泉程序设计 对于喷泉的控制实际就是对输出点的顺序控制 喷泉一控制要求 喷泉有 1 号 6 号 六组喷头组成 按动开始按钮后 1 号先喷 两秒后 2 号喷 再 1 秒后 3 号喷 3 号喷 5 秒后 4 5 6 号间隔 1 秒喷 齐喷 5 秒后 3 号 2 号依次间隔 1 秒停 2 秒后 6 5 4 依次间隔 1 秒停 再 2 秒后 齐喷 5 秒 停 3 秒后循环 2 6 步骤 按动停止按钮后 6 组喷头全部停止 9 PCL 系统资源分配 喷泉控制系统的输入有两个按钮 开始按钮和结束按钮 也就是有两个输入量 输出要控制设备有 1 号 6 号六组喷头 输出量是 6 个 PCL 系统资源分配如表 3 1 所示 喷泉二控制要求 喷泉由 1 号 11 号喷头组成 按动开始按钮后 1 号先喷 2 秒后 2 号喷 然后 3 号 10 号喷头间隔 1 秒开始喷 10 号喷后间隔 2 秒后 11 号喷 持续 5 秒后全部停 再 3 秒后重复上 2 4 步骤 按动停止按钮后 所有喷头全部停止 PCL 系统资源分配 喷泉控制系统的输入有两个按钮 开始按钮和结束按钮 也就是有两个输入量 输出要控制设备有 1 11 号喷头 输出量是 11 个 PLC 系统资源分配如表 3 2 所示 梯形图如表 3 2 所示 喷泉三控制要求 喷泉由 16 组喷头组成 按动开始按钮后 16 组喷头依次喷 间隔时间为 1 秒 当 16 组喷头都喷水后 保持同时喷 10 秒 10 秒后 16 组喷头再以相反顺序依次停止 间隔时间为 1 秒 当全部停止后 再 10 秒后重复 2 4 步骤 按动停止按钮后 全部停止 PLC 系统资源分配 喷泉控制系统的输入有两个按钮 开始按钮和结束按钮 也就是有两个输入量 输出要控制设备有 16 组喷头 输出量是 16 个 PCL 昔日资源分配如表 3 3 所示 梯形图如图 3 3 所示 10 表 3 1 喷泉一输入 输出继电器地址分配表 I O 端子作用 P0000开始按钮 P0001结束按钮 P00201 号喷头 P00212 号喷头 P00223 号喷头 P00234 号喷头 P00245 号喷头 P00256 号喷头 表 3 2 喷泉二输入 输出继电器地址分配表 I O 端子作用 P0000开始按钮 P0001结束按钮 P00201 号喷头 P00212 号喷头 P00223 号喷头 P00234 号喷头 P00245 号喷头 P00256 号喷头 P00267 号喷头 P00278 号喷头 P00309 号喷头 P003110 号喷头 P003211 号喷头 11 表 3 3 喷泉三输入 输出继电器地址分配表 I O 端子作用 P0000开始按钮 P0001结束按钮 P00201 号喷头 P00212 号喷头 P00223 号喷头 P00234 号喷头 P00245 号喷头 P00256 号喷头 P00267 号喷头 P00278 号喷头 P00289 号喷头 P002910 号喷头 P003011 号喷头 P003112 号喷头 P003213 号喷头 P003314 号喷头 P003415 号喷头 12 图 3 3 喷泉三的梯形图 3 3 组态程序设计 组态程序在使用工控 软件中 我们经常提到组态一词 组态英文是 Configuration 其意义究竟是什么呢 简单来讲 组态就是用英语软件中提供的 工具方法完成工程中某一具体任务的过程 与硬件生产相对照 组态与组装类似 如要组装一台电脑 实现提供了各种型号 的主板 机箱 电源 CPU 显示器 硬盘光驱等 我们的工作就是用这些部件拼凑成 自己需要的点按哦 当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的 发挥空间 因为他一 般要比硬件中的部件更多 而且每个部件都很灵活 因为软部件都有内部属性 通过 该变属性可以改变其规格 在组态概念出现之前 要实现某一任务 都是通过编写程序来实现的 编写程序 不但工作量大 周期长 而且容易犯错 不能保证工期 组态软件的出现解决了这个 问题 对于过去需要几个月的工作 通过组态几天就可以完成 组态软件是北京亚控科技发展有限公司经过八年开发 五年的各种突发环境的真 是考验 两万五千余例工程 钢铁 化工 电力 国家粮库 环保 水处理 冶金等 各行业 的现场运行 现已经成为国内组态软件的客户首选 并且作为首家国内组态 软件应用与国防 航空航天等重大工程之中 设备的输入提供现场的信息 例如产品的位置 及其的转速