自动化专业-基于西门子S7-300PLC的花样喷泉和音乐喷泉控制系统设计

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 基于 PLC 的花样喷泉控制系统设计 The design of fancy fountain control system based on PLC 学院名称 电子信息与电气学院 专业班级 自动化 2009 级 1 班 学生姓名 XX 指导教师姓名 XX 指导教师职称 XXXXXX 2013 年 5 月 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别 加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果 也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解安阳工学院关于收集 保存 使用毕业设计 论 文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和 电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并 提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其 它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论 文的部分或全部内容 作者签名 日 期 目录 摘要 I Abstract II 引 言 1 第一章 方案分析 5 1 1 主控制器方案分析 5 1 2 喷泉水柱控制方案分析 6 1 3 喷泉的控制要求 7 第二章 花式喷泉的硬件设计 11 2 1 硬件的选择 11 2 1 1 PLC 的选择方案 11 2 1 2 变频器选择方案 12 2 1 3 水泵的选择方案 15 2 1 3 喷头的选择方案 17 2 1 4 控制面板 18 2 1 5 喷泉水泵布局 19 2 1 6 彩灯布局 19 2 1 7 PLC 控制接线图 20 2 1 8 变频器控制接线图 21 第三章 系统的软件设计 23 3 1 花式喷泉的 PLC 控制流程图 23 3 2 I O 模块的选择 23 3 3 花式喷泉的 I O 分配 23 3 4 西门子 MM420 变频器设置 24 3 5 软件的选用 25 3 6 系统主程序 27 3 7 系统程序的可行性 29 第四章 系统的仿真和调试 30 4 1 仿真软件的选用 30 4 2 系统的调试 30 第五章 WinCC 组态与监控 33 5 1 WinCC 简介 33 5 2 WinCC 组态 33 5 2 1 组态用户项目 33 5 2 2 WinCC 与 PLCSIM 连接 35 5 2 3 WinCC 组态画面监控 36 结论 38 致谢 39 参考文献 40 附录 41 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 花式喷泉是近年来随着控制系统的发展 出现的一种控制技术与花式观 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 本文 结合毕业设计任务书的要求 以花式喷泉为研究对象 采用了 S7 300 系列 PLC 作为变频器的控制器 变频器再控制电机输出功率 对花式喷泉的控制系统的 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 本设计采用变频器作为水泵的控制器 改善了喷泉系统的控制品质 并真正地达到了节能和实时控制的要求 关键词 关键词 PLC 喷泉 控制系统 The design of PLC control system of fancy fountain Abstract Fancy fountain In recent years with the development of control systems control technology and the emergence of a fancy watch combination of a product With the programmable controller in the rapid development of our country the fancy fountain control requirements are also increasing making more and more control programmable controller In this paper the tasks required of graduate design fancy fountain as the research object using the S7 300 series PLC as controller of the inverter and the inverter to control the motor output power The overall function of the fancy fountain control system analysis of the composition and working principle of the programmable controller Fountain hardware building blocks and the hardware module design the design and procedures for the preparation and control mode This design uses the controller of the inverter as pumps improved the fountain system control quality and truly achieve energy efficiency and real time control requirements Key words PLC fountain control system 0 引 言 所谓花样喷泉 就是利用控制器控制喷水的花型组合变化 水柱高低 远 近变化和灯光色彩组合 明暗变化的喷泉 花样喷泉是把现代控制技术应用于 人工喷泉 在程序控制喷泉的基础上也可加入了音乐控制系统 通过音乐控制 喷泉的水形及灯光的变化 从而达到喷泉水型 灯光及色彩的变化与音乐情绪 的完美结合 使喷泉表演生动且富有内涵 喷泉起源很早 早在公元前 6 世纪的巴比伦空中花园中就已建有喷泉 古 希腊时代开始由饮用水式泉逐渐发展成为装饰性泉 还有一种说法认为喷泉起 源于伊斯兰国家的斋戒沐浴给水方法 在伊斯兰园林中 喷泉沿轴线布置或作 为局部构图的中心 文艺复兴时期喷泉技术有很大的发展 多与雕像 柱饰 水池等结合造景 如意大利伊斯特别墅的著名 百泉步道 和莱恩脱的喷泉水 渠 7 到 18 世纪 喷泉在欧洲城市盛极一时 著名的法国凡尔赛宫的太阳神喷 泉 俄国彼得宫的带雕像群的大瀑布喷泉 而罗马更有 3000 多个喷泉 被称为 喷泉之城 中国古典园林崇尚自然 力求清雅素静 富于野趣 重视对天然水 态的艺术再现 18 世纪 西方式喷泉传入中国 1747 年清乾隆皇帝在圆明园建 谐奇趣 海晏堂 大水法 三大喷泉 20 世纪 喷泉发展成为一种大型 水景 用水柱构成各种形态 如建于 1958 年的日内瓦莱蒙湖大喷泉 它 用两 台 1360 马力的水泵将水喷到 145 米的高空 夜色下巨型探照灯照射着银色水柱 直划夜空 颇为景色壮观 日本的水力喷射动物园在一个直径 10 米水池内 安 装着 6036 个旋转的喷头 能喷射出老虎狮子搏斗 老鹰羚羊厮杀等奇妙的场面 这些喷泉多是利用电脑控制水 光 音 色 使喷泉艺术进入崭新的时代 现 代的喷泉 已经是一种集声 光 电 水 力为一体的高科技产物 我国现代 意义的喷泉始于上世纪 80 年代 起步虽晚 发展却十分神速 有些技术在世界 上具备领先地位 国内在二十世纪八十年代以前 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 二 十世纪八十年以后 随着国民经济的恢复和发展 人民生活水平的提高 一些 1 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 在这个时期 一些喷泉设 备专业加工厂和公司开始组建 发展 为喷泉的专业化发展提供了力量 打下 了基础 二十世纪九十年代以后 社会主义市场经济快速发展 全国城市建设速度 加快 人们也追求高质量的文化生活和环境美 市场的需求推动了喷泉行业的 发展 喷泉走出公园 园林的围墙和广场的中心 深入延伸到人们的各个社会 活动场所 许多喷泉专业的生产厂商和专业公司 在这段时间内应运而生 迅 速发展起来 专业技术人员把计算机技术 信息技术 以及声 光 电 雾 火 激光 音乐 水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中 把喷泉行业的技术 水平推上了一个新的层面 开拓了广阔的应用空间 喷泉行业得到了快速发展 人们对喷泉的造景功能 娱乐功能 环保功能认识的提高 开拓了喷泉的 应用范围 喷泉可以湿润周围空气 减少尘埃 降低气温 喷泉的细小水珠同 空气分子撞击 能产生大量的负氧离子 因此 喷泉有益于改善城市面貌和增 进居民身心健康 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 普通喷泉分音乐喷泉 程控 喷泉 旱地喷泉 跑动喷泉 光亮喷泉 趣味喷泉 激光水幕电影 超高喷泉 等 漂浮式 整座水景喷泉的管道系统全部安装在浮箱上 所以喷泉设备的运 行不受季节性水位高低的影响 漂浮式喷泉制作 安装工艺技术性强 但维护 方便 易于保养 在大型自然湖泊或各种人工湖中广泛应用 跑泉 多个喷头 按时序控制 构成各种形态瞬时变化的水型 可以形成 2 跑动 跳动 波动等形状 又可以成固定造型的喷水形态 气势雄伟 变化多 端 水幕激光 采用特殊的入映机播放 使用的影片也是专门为水幕电影特制 的影带 由于电影的屏幕是透明的水膜 因此在电影播放时会有一种特殊的光 学效果 屏幕的视觉穿透性可使画面具有一种立体感 影片的内容可与水面巧 妙的结合 更有一种身临其境般的奇幻感觉 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 各种 音乐喷泉 程控喷泉 激光喷泉已经层出不穷 变化多端 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 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 多采的形态 可以缓冲 软化城市中 凝固的建筑物 和硬质的地面 以增加 城市环境的生机 有益与身心健康并能满足视觉艺术的需要 大型城市广场中 的人工动态喷泉 也多来自自然的种种水态 如瀑布 叠水 水帘 溢流 溪 流 壁泉等 随着科学技术的发展进步 各种喷泉真是花样翻新 层出不穷 几乎达到了人们随心所欲创造各种晶莹剔透 绚丽多姿动态水景的程度 喷泉 在当今时代 已经形成了一道独特的人文景观 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 在喷泉得到广泛应用的过程中 也出现了一些问题和不足 有些认识上的 误区和不良倾向应该引起人们的重视 否则将对喷泉行业的健康发展产生负面 影响 首先 我们政府在审批城市公共广场喷泉的建设时 要充分了解其建设 的面积 审查设计的方案避免跟风的工程 另外 相关部分应组织专家与研究 人员设立行业的规范与标准 杜绝低质量的工程建设 其次 各种工程设计者 应该充分考虑整体建筑的协调性欲艺术性 使喷泉的水体景观功能得到比较好 的发挥 同时 让喷泉景观充分结合其他的元素 更好的体现水体景观的水体 美 最后 喷泉水体设计者应该充分结合实际 考虑环境对于喷泉景观的容纳 性 建设高质量且据实用性的喷泉 不要出现喷泉水体的建设不具其利反被其 3 害的现象 随着科技的发展 喷泉水体景观建设可以结合光电技术和喷水射流的技术 开发很多新奇特的高新技术喷泉设计 另外 可以通过对于喷泉水池的补水 流动与喷射采用电脑控制 充分节约水资源 完善喷泉的土建结构 防止地下 水的渗入 自动控制喷泉的灯光 供电系统 保证喷泉水体的水质 让喷泉不 仅是造景元素更是一种愉悦大众的环境艺术 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 研究花式喷泉的控制问题 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 花式喷泉的控制任务和要求 花式喷泉的硬件配置以及软 件的设计 再通过仿真软件来实现 在设计当中 结合了音乐喷泉和程控喷泉的优点 音乐喷泉主要由音频开 关信号控制 而程控喷泉则由人为选择 其中程序喷泉分为手动和自动两种模 式 手动主要是为了调试 而自动则可连续运行 当按下电源按钮 按下自动 按钮 则喷泉按照预设的程序循环运行 如果按下手动按钮 则自动运行停止 切为手动运行 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 4 第一章 方案分析 1 1 主控制器方案分析 方案 1 使用单片机控制花式喷泉 单片机作为微型计算机的一个重要分支 其应用范围很广 发展也很快 1971 年 Intel 公司首次宣布 4004 的 4 位微处理器 1974 年 12 月 Fairchild 仙童 公司即推出了 8 位单片机 F8 开创了单片机的门户 单片机已在各行业得到广泛应用 如果本设计采用单片机作为控制系统的 核心 由于单片机的输入输出电流电压很小 那么将需要用到大量的输出继电 器和输入继电器 外围电路将会非常复杂 增加了系统的直观性和可维护性 而外围电路的复杂 也会增加系统投入的成本 且其可靠性也大大降低 方案 2 使用 S7 300PLC 控制花式喷泉 自 20 世纪 60 年代中期以来 PLC 产品在电力 冶金 化工等行业发挥了重 大作用 尤其近 20 年来计算机和信息技术的飞速发展 不断成倍扩大的功能和成 倍降低的价格 使 PLC 通讯联网技术 过程控制软件都获得了长足的进步 也 使 PLC 的广泛应用成为可能 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用可以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工 5 业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 可编程控制器之所 以越来越受到控制界人士的重视 是由于它具有以下特点 1 可靠性高 抗 干扰能力强 2 配套齐全 功能完善 适用性强 3 易学易用 深受工程 技术人员欢迎 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 5 体积小 重量轻 能耗低 此方案采用西门子 S7 300 系列 PLC 作为主控制器 S7 300PLC 是中型的 PLC 它适用于各行各业 各种场合中的自动检测 监测及控制等 S7 300PLC 的强大功能使其无论单机运行 或连成网络都能实现复杂的控制功能 S7 300PLC 可提多种 CPU 可供选择使用 并且体积小 功能强 可靠性高 灵活性 强和可扩展性的特点通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关 就可以改 变花式喷泉的喷水规律 从而变化出很多花样 同时 PLC 具有很强的自诊断 功能 迅速方便的检查出故障 缩短检修时间 因而确保控制系统的可靠性 稳定性 基于本设计的控制要求 可采用 S7 300 系列的 PLC 来控制 MicroMaster420 变频器 变频器控制水泵的输出功率 从而达到对水泵流量的 控制 产生各种方式的喷水花样 采用 PLC 控制后 由于 PLC 是采用程序控制 是软接线 因此可靠性大 大提高了 音乐喷泉的核心控制是由可编程控制器实现的 可编程控制器是整 个系统的 大脑 用程序控制变频器输出频率 从而控制水泵输入功率 其中 中央音乐喷泉水泵由程序实现用音乐频率转换的开关量去控制喷泉水柱的变化 可编程控制器简化了控制线路 提高了工作的速度和可靠性以及系统操作的灵 活性 也提升了喷泉工程的智能化性能 方案 3 使用 S7 200PLC 控制花式喷泉 假设设计采用 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 200CPU226 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 6 本设计的控制要求 但是这也限制了它以后的发展 对于较大的喷泉控制系统 S7 200PLC 在没有实物的情况下 不能仿真 这对于一个较大型的控制系统 在运行前 不仿真是不可靠的 而且 S7 200PLC 由于 I 0 点数的限制 在改变 喷水方式的时候很不方便 因此不利于调整 1 2 喷泉水柱控制方案分析 方案 1 采用电磁阀控制 喷泉可以采用电磁阀控制 通过控制电磁阀的通断 控制喷头的通断 从 而切换喷头 水泵的输出功率不变 所以水泵的流量是固定的 当喷头切换到 粗口径喷头时 水柱输出高度变低 同理 当切换到细口径喷头时 由于水压 作用 喷泉水柱高度上升 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 如果采用电磁阀控制 通过控制电磁阀的通断 从而切换喷头 达到改变 水柱高度和喷水形态的效果 在这种控制中 每个水泵的输出功率是不变的 只能以工频运行 当喷泉水柱降低时 水泵不需要以工频运行 造成了能源的 浪费 方案 2 采用变频器控制 变频器的主要任务是把工频电源变换为另一频率的交流电 以满足交流电 动机的变频调速的需要 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 先把工频交流电通过整流器转换成直流电 然后再把直 流电转换成频率 电压均可控制的交流电 以供给电动机 变频器的电路一般 由整流器 中间直流环节 逆变器和控制电路 4 个部分组成 交流电动机的同步转速表达式为 n 60 f 1 s p 式中 n 异步电动机的转速 f 异步电动机的频率 s 电动机转差率 p 电动机极对数 由上式可知 异步电动机的转速 n 与频率 f 成正比 只要改变频率 f 即可 改变电动机的转速 当频率 f 在 0 50 Hz 的范围内变化时 电动机转速调节 范围非常宽 变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的 是一种理 想的高效率 高性能的调速手段 若采用变频器控制 由于本设计并不需要连续调节转速 只要切换若干段 7 固定的转速就可以了 所以只需要用到变频器的 3 点数字量输入信号 就可以 实现八段转速控制 15Hz 50Hz 而且可以避免使用昂贵的 PLC 模拟量输出模块 来连续调节变频器的输出频率 通过 PLC 输出的数字量控制变频器的输出频率 从而改变水泵的输出功率 达到控制喷泉水柱高地的目的 采用变频器控制水泵 较其他控制方法而言 可以改变水泵的输出功率 当喷泉水柱降低时 电机的输出功率降低 节约了电能 对于一个长期运行的 喷泉系统而言 其产生的效益是随时间而积累的 因此 本设计采用变频器控 制 1 3 喷泉的控制要求 1 按下启动按钮 中间音乐喷泉无音频信号输入时 进入预置状态 当 有音频开关信号输入时 喷泉水柱随音频信号进行变化 周围程控喷泉装置进 入预备状态 按下手动按钮后 按下花样 1 按钮 喷泉按照花样 1 循环运行 断开花样 1 按钮 按下花样 2 按钮 喷泉按照花样 2 循环运行 断开花样 2 按 钮 按下花样 3 按钮 喷泉按照花样 3 循环运行 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 3 种喷水花样 3 按下启动按钮和手动按钮后 选择花样 1 后 1s 后 变频 1 输出频 率变为 20Hz 2s 后 变频器 2 输出频率变为 25Hz 3s 后 变频器输出频率变 为 30Hz 依次类推 直到 7s 后 所有变频器保持其设定频率 5s 后 变频器输 出频率变回基本状态 循环运行 变频器直接影响水泵的输出功率 从而影响 喷泉水柱高度 花样喷泉共分 7 个水泵 通电后 在 PLC 的控制下 按 1 2 3 4 5 6 7 的顺序改变喷水高度 最后保持梯形 5s 然后恢复 0s 时的高度 再循 环上次的改变 具体情况见图 1 1 所示 8 0 10 20 30 40 50 60 1s2s3s4s5s6s 花花样样1 1示示意意图图 时时间间 喷喷水水高高度度 水泵1 水泵2 水泵3 水泵4 水泵5 水泵6 水泵7 图 1 1花样 1 示意图 按下启动按钮后 按下手动开关 选择花样 2 后 所有变频器的输出频率 变为 25Hz 此时喷泉的水柱位于最高水柱与最低水柱的中间状态 1s 后 变频 器输出频率变为 50Hz 所有水泵的输出功率变为最大 此时喷泉水柱向上冲击 3s 后变为 25Hz 水柱高度 如此循环 形成升降喷泉的效果 直到按下停止按 钮 具体情况见图 1 2 所示 0 10 20 30 40 50 60 0s1s3s 花花样样2 2 时时间间 喷喷水水高高度度 水泵1 水泵2 水泵3 水泵4 水泵5 水泵6 水泵7 图 1 2花样 2 示意图 9 按下启动按钮后 按下手动选择开关 按下花样 3 选择开关 1s 后水泵 1 3 5 7 按照 50Hz 的频率运行 水泵 2 4 6 按照 25Hz 的频率运行 2s 后 泵 2 4 6 按照 50Hz 的频率运行 水泵 1 3 5 7 按照 25Hz 的频率运行 然后 按照上述规律进行循环 形成波浪的效果 直到按下停止按钮 具体情况见图 1 3 所示 0 10 20 30 40 50 60 0s2s4s 花花样样3 3 时时间间 喷喷水水高高度度 水泵1 水泵2 水泵3 水泵4 水泵5 水泵6 水泵7 图 1 3花样 3 示意图 按下启动按钮后 按下自动开关 花样 1 子程序被调用 喷泉按照花样 1 运行 花样 1 运行 12s 后调用花样 2 子程序 按照花样 2 程序运行 同时花样 1 停止 花样 2 持续 12s 后运行花样 3 同时断开花样 2 花样 3 运行 12s 后 运行花样 1 如此循环 直到按下 I124 1 停止按钮 对于中间的音乐喷泉 则主要有音频信号控制 当无音频信号时 按下启 动按钮 变频器控制其输出功率为 50Hz 时的最大功率 当有任何音频开关信号 输入时 其输出改为由音频开关信号控制 且高位开关信号优先于低位开关信 号 随音频信号变化而变化 直到按下停止按钮 停止运行 10 第二章 花式喷泉的硬件设计 2 1 硬件的选择 2 1 1 PLC 的选择方案 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 通常情况下 在得出总数的基础上增加 10 15 冗余 如果考虑今后调整 扩充 则留有 30 左右的冗余 2 对存储容量的选择 对用户存储容量作粗略的估算 存储器内存容量的估算没有固定的公式 11 许多文献资料中给出了不同公式 大体上都是按数字量 I O 点数的 10 15 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 再按此数的 25 考虑余量 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 2 3 个扫描周期 等 对开关量控制的系统 PLC 和 I O 响应时间一般都能满足实际工程的要求 可不必考虑 I O 响应问题 但对 模拟量控制的系统 特别是闭环系统就要考虑这个问题 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 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 本设计采用 S7 300 CPU313 2DP 的 PLC 该 PLC 属于中型 PLC 功能强大 控制能力好 性价比高 具体配置见图 2 1 所示 图 2 1PLC 硬件配置 2 1 2 变频器选择方案 变频器用于交流异步电动机调速 其性能远远超过以往任何交 直流调速 12 方式 而且其结构简单 调速范围宽 调速精度高 安装调试 使用方便 保 护功能完善 运行稳定可靠 节能效果显著 是交流电动机调速的主流技术 变频器是运动控制系统中的功率变换器 当今的运动控制系统是综合了多种学 科的高新技术领域 是自动化技术的 前沿 总的发展趋势是 驱动的交流化 功率交换的高频化 控制技术的数字化 智能化和网络化 因此 变频器作为 系统的重要功率变换部件 提供可控的高性能变压变频交流电源 必然会伴着 系统技术发展而发展 异步电动机调速转动时 变频器可以根据电动机的特性对 供电电压 电流 频率进行适当的控制 不同的控制方式所得到的调速性能 特 性以及用途也不同 变频器的基本原理如图 2 2 所示 整流电路直流中间电路逆变电路 控制电路 交流电 商用电源 交流电 频率和电压可 调的交流电 图 2 2变频器的基本构成 异步电动机调速转动时 变频器可以根据电动机的特性对供电电压 电流 频率进行适当的控制 不同的控制方式所得到的调速性能 特性以及用途也不同 变频器控制方式大致大体可分为开环控制和闭环控制两种 后者进行电动 机速度反馈 开环控制有控制方式 闭环控制有转差频率控制和矢量控制 fU 等方式 1 控制 fU 对于异步电动机 只要改变其供电电源的频率 即可以改变电动机的转速 达到进行调速运转的目的 但是 对于一个实际的交流调速控制系统来说 事 情远远不是那么简单 这是因为当电动机电源的频率被改变时 电动机的内部 阻抗也将随之改变 从而引起励磁电流的变化 使电动机出现励磁不足或励磁 过强的情况 在励磁不足的情况下电动机将难以给出足够的转矩 而在励磁过 强时电动机又将出现磁饱和 造成电动机功率因数和效率的下降 因此 为了 13 得到理想的转矩速度特性 在改变电源频率进行调速的同时 必须采取必要的 措施来保证电动机的气隙磁通处于高效状态 即保持磁通不变 这就是 控制的出发点 fU 这种变频器虽然结构比较简单 但是 由于这种变频器采用的是开环控制 方式 其精度和动态特性并不是十分理想 尤其是在低速区电压调整比较困难 难以得到较大的调速范围 所以采用这种控制方式的变频器一般是对控制性能 要求不太高的通用变频器 转差频率控制 转差频率控制需要检出电动机的转速 构成速度闭环 速度调节器的输出 为转差频率 然后以电动机转速与转差频率之和作为变频器的给定输出频率 由于通过控制转差频率来控制转矩和电流 与控制相比其加减速特性和限 fU 制过电流的能力得到提高 另外它有速度调节器 利用速度反馈进行速度闭环 控制 速度的静差小 适用于自动控制系统 转差频率控制方式通常用于单机 运转 因为在采用转差频率控制方式时需要检测电动机的实际转速 所以需要在 异步电动机轴上安装速度传感器 而电动机的转速检测则由速度传感器和变频 器控制电路中的运算电路完成 控制电路还将通过适当的算法根据检测到的电 动机速度产生转差频率和其他的控制信号 此外 在采用了转差频率控制方式 的变频器中往往还加有电流负反馈 对频率和电流进行控制 所以这种变频器 具有良好的稳定性 并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性 10 矢量控制 矢量控制的基本思想是认为异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生 机理 即电动机的转矩为磁场和与其相垂直的电流的积 而异步电动机的定子 电流则可以分为产生磁场的电流分量 磁场电流 和产生转矩的电流分量 转 矩电流 因此 通过控制电动机定子电流的大小和相位 即定子电流矢量 即可以分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制 从而达到控制电动机转 矩的目的 MICROMASTER420 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列 本系 列有多种型号 从单相电源电压 额定功率 120W 到三相电源电压 额定功率 14 11KW 可供用户选用 该变频器由微处理器控制 并采用具有现代先进技术水 平的绝缘栅双极型晶体管 IGBT 作为功率输出器件 因此 它们具有很高的 运行可靠性和功能的多样性 其脉冲宽度调制的开关频率是可选的 因而降低 了电动机运行的噪声 全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的 保护 MICROMASTER420 具有缺省的工厂设置参数 它是数量众多的简单的电 动机控制系统供电的理想变频驱动装置 由于 MICROMASTER420 具有全面而 完善的控制功能 在设置相关参数以后 它也可用于更高级的电动机控制系统 MICROMASTER 420 既可用于单机驱动系统 也可集成到 自动化系统 中 MICROMASTER420 具有模块化设计 操作面板和通讯模块可以不使用任 何工具 非常方便的用手进行更换 MICROMASTER420 适合用于各种变速驱 动系统装置 尤其适合用于水泵 风机和传送带系统的驱动装置 MICROMASTER430 适合用于工业部门的水泵和风机 比 MICROMASTER420 具有更多的输入输出端 还具有优化的带有手动 自动切 换的操作面板 以及自适应功能的软件 MICROMASTER440 属于高端变频器 适合用于各种变速驱动装置 尤其 适合用于吊车和起重系统 立体仓储系统 食品 饮料和烟草工业以及包装工 业的定位系统 这些应用对象要求变频器具有比常规应用更高的技术性能和更 快的动态响应 综上可得 选用 MICROMASTER420 即可满足控制要求 因此选用西门子 MICROMASTER420 变频器 作为水泵的控制器 2 1 3 水泵的选择方案 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 采用 QSP 系列喷泉专用泵 喷泉专用泵其外壳 过流部 件及外部零件材质均采用铸铁或者不锈钢 304 316 316L 制成的 并且该 产品还保留了原来喷泉专用泵性能 样品见图 2 3 所示 15 图 2 3喷泉专用水泵 其优越的性能如下 1 采用铸铁或者不锈钢材料 提高泵的耐腐蚀性 2 叶轮采用专用材料防止叶轮时叶轮松动 3 漏电保护措施 采用定电位接地装置 4 在原普通泵的基础上 根据喷泉专用泵的要求 公司经过多次试验 在 技术上不断开发 加工材料上不断改进 使喷泉专用泵可以频繁起动 完全适 合音乐喷泉的使用 16 5 泵采用不锈钢滤网护罩 三相四线电缆 6 不锈钢喷泉泵为自动注水功能 7 该电机为自循环充水式冷却 喷泉专用水泵的使用条件 1 电泵应完全浸入水中运行 潜水深度不小于 0 5 米 不大于 5 米 2 环境水温度应不高于 40 3 工作介质为无腐蚀性清水 含沙量不大于 0 1 PH 值为 6 5 8 5 4 电源应为三相 50 赫兹 额定电压为 380 伏 供电电压保证在 342 420 伏 范围 5 电泵应在额定扬程附近的适用范围内使用 6 电泵应配置相应的启动保护器 可靠接地 2 1 3 喷头的选择方案 喷泉的喷头分为可调直流喷头 涌泉喷头 集束喷头 旋转喷头等等 种 类繁多 喷出的水型也各不相同 本设计采用的是可调直流喷头又称万向直流 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 型接头 可沿垂直方向 15 度进行调节 万向直流喷头可组合各种不同形状的喷 射效果 射流的高低和角度的变化 可根据水池形状大小定 见图 2 4 所示 图 2 4万向直射喷头示意图 实物图及效果图 17 一些型号万向直射喷头数据 见表 2 1 所示 表 2 1部分万向喷头数据示例 主要性能连接管 安装尺寸 mm 喷头型号 水压 kpa 流量 m3 h 喷高 m 直径 DN mm 连接形式 AB KTB 11743 670 6 0 81 6 3 515 内螺纹 701 40 KTB 11547 771 5 2 03 4 5 020 内螺纹 110 40 KTB 10449 962 5 3 54 0 8 025 内螺纹 130 40 KTB 21648 1003 5 6 54 6 9 040 内螺纹 17060 KTB 10550 1205 7 55 0 9 550 内螺纹 250 60 KTB 11890 16012 157 1265 内螺纹 300 60 2 1 4 控制面板 系统的控制面板图见图 2 5 所示 图中分别是花样选择开关 启动 手动 停止和自动运行开关 图 2 5花式喷泉的控制面板 18 2 1 5 喷泉水泵布局 喷泉水泵放置为圆形 圆的直径约为 6m 水泵 1 2 3 4 5 6 7 依次排列在 圆的一周 两两相隔约 2 2m 水泵 8 放置在圆心 其布局图见图 2 6 所示 图 2 6喷泉水泵布局 2 1 6 彩灯布局 在本设计中喷泉要用 8 个彩灯 每一个水泵对应一个彩灯 彩灯选择混合 彩色的品种 例如一个彩灯上的 LED 集合了红 黄 蓝 绿四种颜色 晚上能 形成梦幻效果 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 对于彩灯的接线 由于每个水泵都是 380V 驱动 由接触器控制 则把每个 彩灯对应接到接触器引出线的任意两根线上 彩灯的发光功率也水泵的功率而 19 变化 由于接线简单 这里不多做说明 2 1 7 PLC 控制接线图 启动按钮接入 PLC 的 I124 0 端子 停止按钮接入 I124 1 端子 花样 1 按 钮接入 124 2 端子 花样 2 按钮接入 124 3 端子 花样 3 按钮接入 124 4 端子 I125 0 I125 7 接收开关量信号 Q124 0 Q124 4 和 Q125 0 Q125 2 用于控 制变频器的输出频率选择 PLC 硬件连接图如图 2 7 和图 2 8 所示所示 图 2 7PLC 控制端子连接图 1 20 图 2 8PLC 控制端子连接图 2 2 1 8 变频器控制接线图 硬件连接见图 2 9 所示 在变频器 8 上 PLC 输出口 Q125 0 Q125 2 连接 到变频器 DIN1 DIN3 端子上 通过 PLC 输出地开关量控制变频器输出预置的固 定频率 变频器输出地预置频率由设置参数决定 这里只给出变频器 8 连接示 意图 其余变频器接线方法相同 21 图 2 9变频器端子连接图 22 第三章 系统的软件设计 3 1 花式喷泉的 PLC 控制流程图 花式喷泉的程序控制流程图见图 3 1 所示 图 3 1系统控制流程图 如图 通电后 进入工作状态 如按下启动按钮 喷泉装置进入准备 工作状态 若不按 则回到初始状态 接着选择喷水花样 共三种喷水花 样可供选择 如不选择喷水花样 系统则只保持通电状态 如按下花样选 择开关 喷泉按照设定的程序开始运行 如果按下停止按钮 系统则停止 运行 如果不按停止按钮 系统则按照选择的花样继续运行下去直到按下 停止按钮 3 2 I O 模块的选择 本设计选择 SM332 作为 PLC 的 I O 模块 其 I O 接口都是配对模块 I 为 输入 Q 为输出 用于连接接触器 灯和变频器 23 3 3 花式喷泉的 I O 分配 喷泉的 I O 分配见表 3 1 表 3 1花式喷泉的 I O 分配表 启动按钮 I124 0 停止按钮 I124 1 花样选择开关 1 I124 2 花样选择开关 2 I124 3 花样选择开关 3 I124 4 自动运行按钮 I124 5 手动运行按钮 I124 6 输入 彩灯控制按钮 I124 7 变频器 1 Q0 0Q0 1Q0 2 变频器 2 Q0 3Q0 4Q0 5 变频器 3 Q0 6Q0 7Q1 0 变频器 4 Q1 1Q1 2Q1 3 变频器 5 Q1 4Q1 5Q1 6 变频器 6 Q1 7Q124 0Q124 1 变频器 7 Q124 2Q124 3Q124 4 变频器 8 Q125 0Q125 1Q125 2 接触器 KA1 至 KA8Q2 0 至 Q2 7 输出 接触器 KA9 至 KA18Q3 0 至 Q3 7 3 4 西门子 MM420 变频器设置 一般涉及到的参数有 电机参数 可参考电机铭牌 如电机额定的电压 功率 电流 转速等 选择控制电机启动 停止方式 如通过变频器面板还 是端子 选择变频器运行频率控制方式 如变频器面板 电位器 需设置对 应频率范围 还是若干个固定频率 通过变频器端子选择对应频率 变 频器运行最小 最大频率 加 减速时间等 变频器控制方式 在本系统中需要是设置的参数有 24 1 P0010 参数为 30 P0970 参数设定为 1 变频器复位到 工厂设定值 2 P0003 参数为 2 扩展用户的参数访问范围 3 P0700 参数为 2 由模拟端子 数字输入控制变频器 4 P0701 参数为 17 BCD 码选择 ON 命令 5 P0702 参数为 17 BCD 码选择 ON 命令 6 P0703 参数为 17 BCD 码选择 ON 命令 7 P0704 参数为 1 正转启动 8 P1000 参数为 3 固定频率设定值 9 P1001 参数为 20 固定频率 1 为 20Hz 10 P1002 参数为 25 固定频率 2 为 25Hz 11 P1003 参数为 30 固定频率 3 为 30Hz 12 P1004 参数为 35 固定频率 4 为 35Hz 13 P1005 参数为 40 固定频率 5 为 40Hz 14 P1006 参数为 45 固定频率 6 为 45Hz 15 P1007 参数为 50 固定频率 7 为 50Hz 变频器由数字信号控制 将 P0700 参数设置为 2 控制编码形式为 BCD 码 实现变频器对水泵电机多段调速控制 变频信号由 PLC 发出 接入变频器 为用户提供的 3 个完全可编程的数字输入端 3 个数字输入量控制变频器的 7 种频率输出 通过参数设置 7 种不同的固定频率 数字信号经光电隔离输入 CPU 处理后通过逆变器实现对电机的控制 变频器设置水泵正转启动 数字 输入与对应频率如表 3 2 所示 表 3 2数字输入与对应频率 DIN11010101 DIN20110011 DIN30001111 频率值 Hz 20253035404550 3 5 软件的选用 25 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 编程软件界面见图 3 2 所示 图 3 2软件编程界面 本设计采用模块化化程序 比线性化有更大的灵活性 继承性 适用于比 较复杂 规模较大的控制工程的程序设计 在 FC1 中编写花样 1 子程序 在 FC2 中编写花样 2 子程序 在 FC3 中编写花样 3 子程序 在 FC4 中编写音乐喷 泉子程序 然后在 OB1 中编写主程序并调用子程序 其结构示意图见图 3 3 所 示 26 图 3 3 模块化程序示意图 3 6 系统主程序 27 28 图 3 4系统主程序 I124 0 为启动按钮 负责启动 I124 1 为停止按钮 按下后 所有输出断 电 I124 5 为自动运行开关 当按下 I124 5 的时候 系统按照花样 1 花样 2 花样 3 的顺序循环运行 I124 6 和 I124 7 分别为水泵和彩灯的控制开关 每 个开关都为点动开关 按下后自动弹起 子程序 FC1 为花样 1 子程序 FC2 为 花样 2 子程序 FC3 为花样 3 子程序 FC4 为音乐喷泉子程序 FC5 为自动运行 子程序 FC6 为手动运行子程序 3 7 系统程序的可行性 本系统共有三种花样可供选择 因此程序分为七个部分 即一个主程序 六个个个子程序 如果要改变为其他的喷水方式 只需要改写子程序 即可达 到改变喷水方式的目的 本系统安全可靠 功能强大 安装方便 因此适合于 多种场所 而且喷水花样丰富 观赏性较强 29 第四章 系统的仿真和调试 4 1 仿真软件的选用 仿真 PLC 具有实际 PLC 所没有的功能 首先 仿真 PLC 可以立即暂时停止 执行用户程序 对程序状态不会有什么影响 其次 仿真 PLC 由 RUN 模式进入 STOP 模式不会改变输出的状态 再次 在视图对象中的变动立即使对应的存储 区中的内容发生相应改变 实际的 CPU 要等到扫描结束时才会修改存储区 第 四 仿真 PLC 可以选择单次扫描或者连续扫描 第五 可使定时器自动运行或 者手动运行 可以手动复位全部定时器或复位制定的定时器 第六 仿真 PLC 可以对过程影像存储器与外设存储器的处理等 本设计采用 PLCSIM 软件进行系统的仿真 通过执行用户程序来检查系统 的功能 4 2 系统的调试 启动按钮按下后 M0 0 M0 4 和 M0 7 得电 所有水泵接触器闭合 中 央音乐喷泉初始化 喷水最高 仿真见图 4 1 所示 图 4 1启动仿真图 当按下 I124 0 启动按钮后 按下手动开关 I124 6 和花样 1 选择开关 I124 2 时 M0 0 得电 M0 1 得电 子程序花样 1 按照预定程序运行 按下停止按钮 I0 1 时 系统断电 仿真图见图 4 2 所示 30 图 4 2花样 1 仿真图 花样 2 仿真图见图 4 3 所示 图 4 3花样 2 仿真图 当按下 I0 0 启动按钮后 按下花样 2 选择开关 I0 3 时 M0 0