花式喷水池控制系统设计

过程控制系统过程控制系统 课程设计课程设计 题题 目目 基于组态王的花式喷泉设计基于组态王的花式喷泉设计 院系名称 院系名称 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 自动化自动化 学生姓名 学生姓名 董新杰董新杰 学学 号 号 201323020425201323020425 指导教师 指导教师 鲁可鲁可 设计地点 设计地点 3152031520 设计时间 设计时间 2016 06 23 2016 07 72016 06 23 2016 07 7 设计成绩 设计成绩 指导教师 指导教师 本栏由指导教师根据大纲要求审核后 填报成绩并签名 I 摘摘 要要 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 用 SFC 方法编程 可以使设计思路清晰 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 本设计以4环花式喷泉为研究对象 采用了三菱 FX1N 系列可编 程序控制器作为喷泉的控制器 对花式喷水池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 并提出了喷水池硬件的各组成模 块及详细的硬件模块设计方案 本设计改善了喷泉系统的控制品质 并达到了 实时控制的要求 关键词 喷泉 PLC SFC 编程 目录 摘 要 I 1 系统控制方案的确定 1 1 1 喷泉的布局设计 1 1 2 控制要求 2 2 系统硬件设计 4 2 1PLC 的选择 4 2 2 泵的选择 5 2 3喷头的选择 7 2 3阀的选择 9 2 4 灯具的选择 10 3 系统软件设计 11 3 1 I O 分配 11 3 2 梯形图设计 11 4 组态王监控系统设计 16 4 1组态王与设备通信 16 4 2监控画面 16 5 系统调试 19 设计心得 22 参考文献 23 附录 A 系统程序 24 附录 B PLC 接线图 26 附录 C 组态王监控画面 27 1 1 1 系统控制方案的确定系统控制方案的确定 1 11 1 喷泉的布局设计喷泉的布局设计 图 1 1 喷泉布局图 本设计布局如图 1 1 所示 图 1 1 中 A 组喷水管 有一个喷水管该喷水管 所喷出的水柱为 4 组喷水管最大 喷射高度为 4 组喷水管最高为 8 m 图 1 1 中 B 组喷水管所处的圆上由 8 个喷水管组成 该组喷水管所喷出的水柱为比 A 组的水柱略小 所喷高度比 A 组的高度略底 所喷高度为 6 m 图 1 1 中 C 组喷水管所处的圆上由 20 个喷水管组成 该组所喷出的水柱比 B 组的水柱小 所喷高度比 B 组水柱低 所喷高度为 4 m 图 1 1 中 D 组喷水管所处的圆上 组由 30 个喷水管组成 该组所喷水柱为 4 组中水柱最小 所喷高度最低的一组 所喷高度为 2 m 为了在每组喷水管工作时能够更好的欣赏 能区别 4 组所 喷出的水柱 所以 B 组所处的圆的半径为 R 2 m C 组所处的圆的半径为 R 4 m D 组所处的圆的半径为 R 6 m 本设计中 A 组喷头所喷的水柱最高 本设计中 4 组喷头所喷的水柱高度为 2 8 m 本设计的最多时有 A B C 三组喷头同时喷出水柱 最少时有两组 喷头喷出水柱 所以流量为 150 230 m3 h 水质为自来水 2 1 21 2 控制要求控制要求 本设计由四组喷头组成 分别为 A 组 B 组 C 组 D 组 本设计有单周期和连 续两种操作方式 按下开始按钮后指示灯亮 当选择单周期方式时 A 组 D 组同 时喷 6 秒然后 A 组和 C 组同时喷 7 秒然后 B 组和 D 组同时喷 10 秒然后 ABC 三组 同时喷水 5 秒停 2 秒后报警器发出声音报警 按停止按钮终止报警 当选择连 续方式时重复单周期方式时的过程 20 次后停两秒后报警 按停止按钮终止报警 每个喷头工作时 都连带红 绿 黄 蓝四组彩色灯间隔 1S 循环发光 如图 1 2 系统流程图所示当系统上电后 点击开始按钮 SB1 PLC 的输入口 X1 1 则 Y10 1 指示灯被点亮 等待用户选择运行方式 当用户选择单次运行 时点击单次运行按钮 SB3 则 X3 1 Y12 1 水泵开始工作 同时 Y0 1 Y3 1 A D 两组喷头的电磁阀得电 A D 两组喷头开始喷出水柱同时 T5 开始计时 当 T5 6S 时 Y3 0 Y2 1 D 组喷头的的电磁阀失电 C 组喷头的电 磁阀得电 所以 A C 组喷头喷出水柱 D 组喷头停止喷水 同时 T6 开始计时 当 T6 7S 时 Y1 0 Y2 0 Y1 1 Y3 1 A C 两组喷头的的电磁阀失电 B D 两组喷头的电磁阀得电 所以 B 组喷头和 D 组喷头喷出水柱 A 组喷头和 C 组喷 头停止喷水 同时 T7 开始计时 当 T7 10S 时 Y3 0 Y0 1 Y1 1 Y2 1 D 组喷 头的的电磁阀失电 A B C 组喷头的电磁阀得电 所以 A 组喷头和 C 组喷头 喷出水柱 D 组喷头停止喷水 同时 T8 开始计时 当 T8 5S 时系统停止两秒后开 始报警 当用户选择连续运行时点击连续运行按钮 SB4 则 X4 1 Y12 1 水泵开始 工作 同时 Y0 1 Y3 1 A D 两组喷头的电磁阀得电 A D 两组喷头开始喷 出水柱同时 T1 开始计时 当 T1 6S 时 Y3 0 Y2 1 D 组喷头的的电磁阀失电 C 组喷头的电磁阀得电 所以 A C 组喷头喷出水柱 D 组喷头停止喷水 同时 T2 开始计时 当 T2 7S 时 Y1 0 Y2 0 Y1 1 Y3 1 A C 两组喷头的的电磁 阀失电 B D 两组喷头的电磁阀得电 所以 B 组喷头和 D 组喷头喷出水柱 A 组 喷头和 C 组喷头停止喷水 同时 T3 开始计时 当 T3 10S 时 Y3 0 Y0 1 Y1 1 Y2 1 D 组喷头的的电磁阀失电 A B C 组喷头的电磁阀 得电 所以 A 组喷头和 C 组喷头喷出水柱 D 组喷头停止喷水 同时 T4 开始计时 当 T4 5S 时 C0 开始计数 当 CO 20 时重复上述动作当 C0 20 时系统停止 2S 后 3 开始报警 当系统报警时点击停止按钮 SB2 则系统停止报警 开 始 指示灯是否点 亮 Y10 1 是 否 O 单 次连 续 A D 同时喷水 T5 计时 6S T5 6S 是 否 A D 同时喷水 T0 计时 6S T0 6S 是 否 A C 同时喷水 T6 计时 7S T6 7S 否 A C 同时喷水 T1 计时 7S T0 7S 是 否 B D 同时喷水 T7 计时 10S T7 10S 是 否 B D 同时喷水 T2 计时 10S T2 10S 否 A B C 同时喷水 T8 计时 5S T8 5S 是 否 A B C 同时喷水 T3 计时 5S T3 5S 是 A B C D 停止 C0 计数 20 次 C0 20 次 是 否 是 是 报 警 X2 0 否 是 4 图 1 2 系统流程图 5 2 2 系统硬件设计系统硬件设计 2 12 1PLCPLC 的选择的选择 2 1 1 PLC 介绍 编程控制器 Programmable Controller 是计算机家族中的一员 是为工 业控制应用而设计制造的 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 它主要用来代替继电器实现逻 辑控制 随着技术的发展 这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围 因此 今天这种装置称作可编程控制器 简称 PC 但是为了避免与个人计算机 Personal Computer 的简称混淆 所以将可编程控制器简称 PLC PLC 自 1966 年出现 美国 日本 德国的可编程控制器质量优良 功能强大 2 1 2 PLC 选型 现在应用最广泛的 PLC 有三菱 西门子 欧姆龙 松下等 三菱 PLC 结构灵活 传输质量高 速度快 带宽稳定 范围广 成本低 适用面广但是数据处理比西门子弱 西门子 PLC 性能强大 可操作性强 有相配套的伺服系统和组态软件但是 价钱太高 欧姆龙 PLC 欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求 东欧的老机床器件 符号输进去好多都不认 按它的标准老图的标示都要变很不方便 松下 PLC 超小型尺寸 轻松扩展 扩展单元可直接连接到控制单元上 不 需任何电缆 从 I O 10 点到最大 I O 128 点的选择空间 本设计需要速度快稳定同时从价格等方面考虑我们选择三菱 PLC 本设计所 使用的 I O 口不是太多所以我们选择三菱 FX 1N 型 PLC 如图 2 1 所示 6 图 2 1 三菱 FX1N PLC 2 22 2 泵的选择泵的选择 2 1 1 潜水泵介绍 深井提水的重要设备 使用时整个机组潜入水中工作 把地下水提取到地 表 是生活用水 矿山抢险 工业冷却 农田灌溉 海水提升 轮船调载 还 可用于喷泉景观 热水潜水泵用于温泉洗浴 还可适用于从深井中提取地下水 也可用于河流 水库 水渠等提水工程 主要用于农田灌溉及高山区人畜用水 亦可供中央空调冷却 热泵机组 冷泵机组 城市 工厂 铁路 矿山 工地 排水使用 一般流量可以达到 10m3 650m3 每小时 扬程可达到1500米 2 2 2 泵的选型 现在喷泉常用的潜水泵有 QS QY QX QJ 等系列 QS 系列潜水泵体积小 性能可靠 机泵一体 潜入水中运行主要优越性是 运行可靠 经久耐用 使用方便 功率大 故障少 维修费用低等 流量 10 250 m3 h 杨程 5 140 m QY 系列潜水泵 QY 型潜水电泵由电动机 水泵和密封三部分组成 电泵的 7 上端 多为离心式水泵 下端为三相鼠笼立式异部电动机 电机全部采用优质 整圆硅钢片 效率高 耗电少潜水深度不超过5米水温不超过 40 流量 10 300 m3 h 杨程 4 110 m QX 系列潜水泵工程潜水泵泵电一体 结构紧凑 非常适合于基建及矿山的 搬运和安装无需引水 使用简便双端密封 电器保护设计合理 性能优良 几 无噪音 流量 5 20 m3 h 杨程 20 60 m QJ 系列潜水泵电机与水泵直联 机组全部潜入水中工作 具有结构紧凑 安装 维护方便 体积小 重量轻 高效节能等特点 工作条件1 工作介质 为清水或化学性质类似于清水的液体 额定扬程 150米额定流量 10立方米 小时 从该喷泉所需的扬程 流量 水质 价格等方面考虑该喷泉选择 QS 系列的 潜水泵 如图2 2所示 图2 2 QS 系列潜水泵 8 2 3喷头的选择喷头的选择 2 3 1 喷头的介绍 喷泉喷头也称喷泉喷嘴全部采用铜或不锈钢制作 这样具有黄金的色彩或 银光闪闪 喷头显得豪华气派 其工艺精巧美观 结构合理 性能高效节能 其中常用的有 可调直流喷头 半球形喷头 树冰形喷头 礼花喷头 涌泉喷 头 加气喷头 直上喷头等产品系列 2 3 2 各种喷头的选择 1 A 组喷头的选择 A 组位于中间位置 需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱 所以 A 组喷头 选择直上喷头 直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴 这些喷嘴规格相 同时 喷出的水姿雄壮笔直 粗狂美观 这些喷嘴规格不完全相同时 大 小喷嘴布设得当 喷出的水姿粗壮有力 层次分明 主题突出 是大型喷 泉中心必备的主要喷头 该喷头也叫中心喷头 可调节射流的方向 喷头材质 铸铜 不锈钢 如图 2 3 所示 图 2 3 直上喷头实物图及安装简图 2 B 组喷头的选择 B 组位于第二层的位置 所喷出的水柱应该比 A 组所喷出的水柱稍细比 A 组所喷的水柱要低 所以我 B 组选择可调直流喷头 可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用 并是音乐喷泉的必 备喷头 这种喷头装有球形接头 可沿垂直方向向 15 度进行调节 9 可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果 射流的高低和角度的变化 可根据水池形状大小决定 喷头材质 铸铜 不锈钢 如图 2 4 所示 图 2 4 可调直流喷头实物图及安装简图 3 C 组喷头的选择 C 组喷头应该比 B 组喷头喷射高度略低比 D 组略高 所喷水柱比 B 组水柱略 粗壮 挺拔 所以 C 组喷头选择树冰形喷头 树冰形喷头喷水时外观效果庞大丰满 粗壮挺拔 抗风力较强 喷头安 装在导流筒上端与水面齐平 喷水时能将池水带出 形成粗大壮观的水柱 喷头材质 铸铜 不锈钢 如图 2 5 所示 图 2 5 树冰形喷头实物图及安装简图 4 D 组喷头的选择 10 D 组位于该喷泉的最外侧 水柱所喷高度应该最低 水量应该较大 择所 喷水柱比较灵动 所以选择涌泉喷头 涌泉喷头也是加气喷头的一种 又称鼓泡喷头 珍珠喷头 喷水时能 将气吸入 使水姿形成充满空气的白色水丘 水沫轻溅 古朴灵动 加气喷头 用射流泵的原理 喷水时将空气吸入 以少量的水产生丰满 的射流 喷出的水柱呈白色不透明状 反光效果好 喷头材质 铸铜 不锈钢 如图 2 6 所示 图 2 6 涌泉喷头实物图及安装简图 2 3阀的选择阀的选择 喷泉常用的阀门有球阀 蝶阀 闸阀 止回阀 水下液压阀 水下电磁阀 水下数控阀等 本设计的喷泉采用 PLC 控制同时在工作时会接触水 所以选择 DC 24V 水用电磁阀 如图 2 7 所示 图 2 7 水用电磁阀 11 2 42 4 灯具的选择灯具的选择 该喷泉用四组彩灯分别为红 绿 黄 蓝 从里到外分别对应 A 处用红色 的彩灯 B 处为绿色的彩灯 C 处为黄色彩灯 D 处为蓝色彩灯 每一个喷头处 对应一个相应颜色的彩灯 因为喷泉用彩灯都是安装在水下所以对光线的要求高 对安全性能的要求 也要很高 同时对使用寿命要求要长 LED 水下灯能够达到上述的要求 所以 本设计选择 AC 220V LED 水下灯 如图 2 8 所示 图 2 8 LED 水下灯 12 3 3 系统软件设计系统软件设计 3 13 1 I OI O 分配分配 根据第一章的介绍可以得出该喷泉的开始 停止 单周期 连续需要用到 四个按钮 这四个按钮开关分别接到 PLC 的四个输入口上 而 A B C D 四组喷泉口需要用到四个水用电磁阀 这四个电磁阀需要接到 PLC 上面的四个 输出口上 红绿黄蓝四组彩灯 指示灯 报警器和控制水泵的接触器也需要接 到 PLC 的七个输出口上 所以该系统需要用到四个输入口和十一个输出口 表 3 1 为它们所对应的 I O 口 表 3 1 I O 分配表 输 入 口输 出 口 设备符号设备名称PLC 口设备符号设备名称PLC 口 SB1开始按钮X1KM1A 口喷头电磁阀Y0 SB2停止按钮X2KM2B 口喷头电磁阀Y1 SB3单周期按钮X3KM3C 口喷头电磁阀Y2 SB4连续按钮X4KM4D 口喷头电磁阀Y3 LR红色彩灯Y4 LG绿色彩灯Y5 LY黄色彩灯Y6 LB蓝色彩灯Y7 HL指示灯Y10 HA报警器Y11 KM控制泵的接触器 器 Y12 3 23 2 梯形图设计梯形图设计 为了解决应用可编程控制器 PLC 的基本逻辑指令编写顺序控制梯形图时所 存在的编程复杂 不易理解等问题 采用 PLC 的顺序功能图 SFC 来编写顺序 控制梯形图是一种非常有效的方法 该方法具有编程简单而且直观等特点 本设 计采用顺序功能图 SFC 的方法编写其控制梯形图 从编程结果可以看出 与应 用 PLC 的基本逻辑指令方法相比具有简单 直观 逻辑性强 提高编程的效率 13 与梯形图相比简单 出现错误时更容易检查 3 2 1 SFC 程序分步介绍 如图 3 1 所示为 PLC 从停止 启动运行切换瞬间使特殊辅助继电器 M8002 接通 从而使状态器 S0 被激活 图 3 1 系统启动程序 如图 5 2 所示为按下启动按钮 X0 使状态器 S20 被激活 Y10 得电 指示 灯点亮等待用户选择运行模式 图 3 2 按下开始系统等待用户选择运行模式程序 如图 3 3 所示为用户按下 X4 选择连续运行 使状态器 S21 被激活 用户按 下 X3 选择单次运行 使状态器 S28 被激活 Y0 Y3 Y12 得电 使水泵开始 工作同时 A 组和 D 组的电磁阀导通 使 A 组和 C 组同时喷出水柱 同时红绿黄 蓝四组彩灯间隔一秒点亮 同时当选择连续时 TO 开始计时 6 秒 当选择单次运 行时 T5 开始计时 6 秒 图 3 3 用户选择连续 单次 运行 AD 同时喷水程序 如图 3 4 所示为选择连续时 TO 计时 6 秒时间到 T0 的常开触点闭合 使 状态器 S22 被激活 选择单次时 T5 计时 6 秒时间到 T5 的常开触点闭合 使 14 状态器 S29 被激活 Y0 Y2 Y12 得电 水泵工作同时 A 组和 C 组的电磁阀导 通使 A 组和 C 组喷出水柱 同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮 同时当选择 连续运行时 T1 开始计时 7 秒 当选择单次运行时 T6 开始计时 7 秒 图 3 4 AC 同时喷水程序 如图 3 5 所示为当选择连续运行时 T1 计时 7 秒时间到 T1 的常开触点闭 合 使状态器 S23 被激活 当选择单次运行时 T6 计时 7 秒时间到 T6 的常开 触点闭合 使状态器 S30 被激活 Y1 Y3 Y12 得电 水泵工作同时 B 组和 D 组的电磁阀导通使 B 组和 D 组喷出水柱 同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮 同时当选择连续运行时 T2 开始计时 10 秒 当选择单次运行时 T7 开始计时 10 秒 图 3 5 BD 同时运行程序 如图 3 6 所示为当选择连续运行时 T2 计时 10 秒时间到 T2 的常开触点闭 15 合 使状态器 S24 被激活 当选择单次运行时 T7 计时 10 秒时间到 使状态器 S31 被激活 Y0 Y1 Y2 Y12 得电 水泵工作同时 A 组 B 组和 C 组的电磁 阀导通使 A 组 B 组和 C 组喷出水柱 同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮 同时当选择连续运行时 T3 开始计时 5 秒 当选择单次续运行时 T8 开始计时 5 秒 图 3 6 ABC 同时运行程序 如图 3 7 所示为为当选择连续运行时 T3 计时 5 秒时间到 T3 的常开触点 闭合 使状态器 S25 被激活 T4 开始计时 2 秒 当选择单次运行时 T8 计时 5 秒时间到 T8 的常开触点闭合 使状态器 S25 被激活 T9 开始计时 2 秒 图 3 7 系统停止运行 2 秒程序 如图 3 8 所示为为 T4 计时 2 秒时间到 T4 的常开触点闭合 使状态器 S26 被激活 C0 开始计数 20 次 16 图 3 8 计数器计数 20 次程序 如图 3 9 所示为当选择连续运行时 C0 计数在未达到 20 次则跳转到状态器 S21 处循环运行 当 CO 计数达到 20 次则 C0 的常开触点闭合状态器 S27 被激活 同时特殊辅助继电器 M8013 被激活 同时 Y11 得电 报警器报警 同时计数器 CO 复位 图 3 9 选择连续运行时报警和返回 S21 程序 如图 3 10 所示为当选择的是单次运行时当 T9 计时 2 秒时间到 T9 的常开触点闭合 状态器 S33 被激活 特殊辅助继电器 M8013 被激活 同时 Y11 得电 报警器报警 图 3 10 单次运行时报警程序 如图 3 11 所示为按下停止按钮 X2 后后系统停止报警 同时回到系统开始 图 3 11 系统停止运行程序 总程序见附录 A 17 4 4 组态王监控系统设计组态王监控系统设计 组态王开发监控系统软件 是新型的工业自动控制系统 它以标准的工 业计算机软 硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统 4 1组态王与设备通信组态王与设备通信 组态王 把每一台与之通讯的设备看作是外部设备 为实现组态王和外 部设备的通讯 组态王内置了大量设备的驱动作为组态王和外部设备的通讯接 口 在开发过程中您只需根据工程浏览器提供的 设备配置向导 一步步完成 连接过程即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接 在运行期间 组态王就 可通过驱动接口和外部设备交换数据 包括采集数据和发送数据 指令 每一个 驱动都是一个 COM 对象 这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统 既保 证了运行系统的高效率 也使系统有很强的扩展性 4 2监控画面监控画面 本设计的仿真画面分为 4 个单元 分别为按钮单元 彩灯单元 计时计数 单元 喷泉模拟单元 4 2 1 按钮单元介绍 18 图 4 1 组态王按钮单元 如图 4 1 所示该单元由绿色 红色 粉红色 黄色四个按钮组成 它们分 别绿色对应开始按钮 红色对应停止按钮 粉红色对应单周期按钮 连续对应 连续按钮 4 2 2 彩灯单元介绍 图 4 2 组态王彩灯单元 彩灯单元由两排六盏灯组成 其中第一排由红色 绿色 黄色 蓝色四盏 灯 它们分别对应红色 绿色 黄色 蓝色四组 LED 灯 第二排由紫色和红色 的两盏小一些的灯组成 它们分别对应着系统开始的指示灯和报警灯 4 2 3 计时计数单元 图 4 3 组态王计时计数单元 计时计数单元由 6 组数据组成 前面 5 组是计时长的数据 第一组为 AD 两组同时喷水的时长 第二组为 AC 两组同时喷水的时长 第三组为 BD 两组 同时喷水的时长 第四组为 ABC 三组同时喷水的时长 第五组为循环结束后停 19 止时间的时长 第六组是选择连续时完成了几次循环的计数 4 2 4 喷泉模拟单元介绍 图 4 4 组态王喷泉模拟单元 喷泉模拟单元由四个长方体组成 分别代表 A B C D 四组喷头 当所 对应的喷头工作时四个长方体会填充满并变为蓝色 组态王监控画面见附录 C 19 5 5 系统调试系统调试 在系统调试时先将附录 A 中的系统程序烧到 PLC 里 然后打开组态王软件 监控系统的运行情况 当 PLC 上电后点击监控系统中的开始按钮 监控画面中的指示灯点亮等待 用户选择运行模式 如图 5 1 所示 图 5 1 点击