花样喷泉的控制系统设计

1 电气控制与电气控制与 PLCPLC 课程设计说明书课程设计说明书 题题 目 目 花样喷泉的控制系统设计花样喷泉的控制系统设计 专业班级 专业班级 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师 指导教师 成绩 指导老师签名 日期 目目 录录 1 系统概述系统概述 3 2 方案论证方案论证 5 2 1 方案选择 5 2 2 方案完成计划表 6 2 3 方案总结 7 3 硬件设计硬件设计 7 3 1 系统的原理方框图 7 3 2 主电路 8 3 3 I O 分配 9 3 4 元器件选型 10 4 软件设计软件设计 10 4 1 主流程 10 4 2 梯形图 5 5 系统调试系统调试 5 设计心得设计心得 5 产考文献产考文献 5 3 1 1 系统概述系统概述 随着社会的发展 人们的经济水平的提高 人们再也不用为吃喝而发愁 越 来越重视享受生活 在闲余的时间去外面旅游 看看风景 放松放松心情 而 社会也在力求美化社区 美化城市 在这样的背景下 花样式喷泉就这样出现 的 花样式喷泉能给人一样自然地美感 而且花样式喷泉有很多样式 给人一 种心旷神怡之感 花式喷泉是人造小气候 在炎热的夏日可以起到增湿和降温 的作用 也为水体充氧 有利于水体增加自净能力 起到防止水体黑臭的作用 花样式喷泉有很多类型 最先进的有音乐喷泉 它能根据音乐来改变喷 的高度 我设计的这个花样式喷泉比较简单 它有四个圆围成 4 圈 共有 29 个喷头 从第一圈到第四圈喷头个数分别为 1 4 8 16 为了简单期间我 用电磁阀来代表喷头 电磁阀为 24v5W 的 是直流控制的电磁阀 达到的 这样的过程 1 按下启动按钮后 第一组喷水 2 第一组喷水 5 秒后第二组喷水 3 第二组喷水 6 秒后第三组喷水 4 第三组喷水 8 秒后第四组喷水 5 第四组喷水 5 秒后第二组喷水 6 第二组喷水 3 秒后重复 2 3 4 5 步骤 7 无论在何种喷水状态下 按动停止按钮后 系统停止 其设计喷头的如下图 1 0 所示的形状 4 1 4 3 2 9 1 3 7 5 2 4 1 2 2 3 8 1 0 6 1 1 2 5 2 7 1 6 2 9 1 7 1 9 1 8 2 6 2 8 2 0 1 5 2 2 2 1 要完成以上的要求可以有很多方案 可以用单片机来完成这个控制任务 也可 以用 PLC 可编程逻辑控制器来完成此任务 由于我刚学过 PLC 所以就运用 PLC 来完成这个控制任务 接着 我想到的是用什么样的 PLC 由于我刚学过三棱的 PLC FX2N系列 的 PLC FX2N 32MR 是继电器输出 有 I o 口 32 个 16 个输入 16 个输出 这个已经够用 虽然电磁阀需要 29 个 但是电磁阀功率小 可以几个公用一个 输出口 而且 在每圈的喷泉都是同时动作 这样都大大节省了 I o 口的数量 继而大大节省了投资成本 而且也方便接线 方便管理 但是不好之处在于扩 展能力都大大下降 但这是我自己设计的比较简单 所以都不考虑那么多了 根据设计要求 这四圈喷泉要求在一定的时间内只有一圈在工作 而且要形成 循环 只要工作都这样持续下去 我使用的 FX2N 32MR 是继电器输出 有 I o 口 32 个 16 个输入 16 个输出 已经够用 因为是继电器输出 它能经 受的电流是有限的 一般来说不大于 2A 为了安全期间 我设计的每个继电器流 过的电流最大为 1A 这样不会对 PLC 造成危害 也避免了影响 PLC 的功能 由 于 FX2N 32MR 是集成式的 PLC 它内部带有 24V 的电源模块 这样节省了由 于外加电源而产生的费用 也简化了电路 方便接线 由于是使用的 PLC 控制 它的稳定性好 所以此系统稳定性好 便于接线 便于维修 系统工作的流程 图如下图 1 1 所示 5 PLC电机 水泵电磁阀 有上图 1 1 可以清晰的看出我设计的思路以及工作流程 2 2 方案论证方案论证 2 1 方案选择 此系统可以有单片机或者 PLC 作为主控制器来完成 但用单片机完成的话 接 线麻烦 虽然说可能便宜些 维修起来也相对麻烦一点 因为我先学习了 PLC 所以我用 PLC 来作为主控制器 来完成这个任务 我选择的 PLC 有三棱的 PLC 和西门子的 PLC 还有其他不同的控制期间 根据需要 根据实际情况我 设计了两种方案供选择 一种较为简单 较为便宜一些 一种较为麻烦 较为 贵重一些 一些表格详细说明了我选择的硬件 它包裹了生产厂家 型号 额 定电流 额定功率 价格等参数 第一种方案 类型 仪器 型号厂家 价格 元 个数 额定 功率 W 额定电流 A PLCFX1N 24M 001三棱公司7301 电机 YEJ7123上海德东 电机 57514K8 8 6 水泵 40 250 I BTQL 天泉水泵185014K 继电器 KM HHC 1BCJQX 38F 温州大华 仪器有限 公司 381 40 热继电 器 FR JES1 12 5SHEK231 12 开关HD11F 10 38SHNAIGER431 100 按钮 SB GQ22 11ONPOW432 熔断器 FU KF 32KKACOM114 32 电磁阀 4M210 08CFNL25294W0 8 总合计 4664 元 第二种方案 类型 仪器 型号厂家 价格 元 额定 功率 W 个数 额定电流 A PLC EM223 16 输入 16 输 出 西门子 1000 1 电机 Y112M 2 杰速 17004K18 8 水泵 80 125A I BTQR 天泉水 泵 31004K1 继电器 KM HHC 1BCJQX 38F 温州大 华仪器 有限公 司 38 140 热继电 器 JES1 12 5SHEK23 112 7 FR 开关 HD11F 10 38 SHAIGE R 43 1100 按钮 SB LASO B1YONPOW10 4 2 熔断器 FU KF 32KKACOM11 4 32 电磁阀 4M210 08CFNL254W290 8 总合计 6693 4 元 这就是我设计的两种方案 其价格相差 2000 元左右 主要是电机和水泵 由于 PLC 我用到的功能不是很多 所以价格不会相差很大 由于设计简单 与实际 还有点距离 所以一些功能没有被考虑在内 又不全的地方以后再求改进 就 性价比而言我就选第一种方案来完成这个设计要求 2 22 2 方案完成计划表方案完成计划表 就以上方案我设定了下表 它包含了我对这几天完成设计要求的计划 每 一 天做什么 干什么 完成那些东西 做了大概的叙述 方案完成计划表如图 1 2 所示 时间 任务 第一天第二天第三天 第四 五 天 熟悉课程设计 任务及要求 查阅技术资料 确定设计方案 按照确定的方 案设计单元电 路 要求画出 单元电路图 元件及元件参 数选择要有依 据 各单元电 路的设计要有 详细论述 软件设计 编 写程序 撰写课程 设计报告 按照以上表格所指定的计划 来逐步完成设计任务 2 32 3 方案总结方案总结 对比两种方案 根据需要来选择合适的方案设计方法 主要是经济实惠 设计系统工作稳定可靠 维修方便 接线简单 我先用了第一种方案来完成这 8 个设计要求 设计成本较低 性价比较高 而且能够很好的完成设计要求的内 容 用电机带动水泵 有 PLC 控制电磁阀的关和开 从而达到花样式喷泉喷水 要求 当然此设计也缺少一些细节问题 比如管道的排布 以及安装 喷泉形 状的设计 喷泉形状的多样化 由于时间有限 这些都没考虑在内如果需要 以后再仔细考虑 3 3 硬件设计硬件设计 3 13 1 系统原理方框图系统原理方框图 与设计要求 我设计的花样式喷泉虽然比较简单 但是设计思想和那些复 杂的花样式喷泉的设计思想是一致的 为了简单明了的表示出我设计的花样式 喷泉的原理 下面原理方框图可以清楚的表名我的设计思路 原理方框图如图 1 3 所示 由上图可知 系统方框图中的 PLC 用到三个输入端口 而输出用到了 6 个端口 由于输出是继电器输出 最大电流最好不要超过 2A 由于电磁阀功率很小 而 且控制喷泉的电磁阀 具有同时打开和关闭的要求 这样都大大节省了 I O 口 资源 但对 24V 的电源要求能提供 1 7A 的电流 FX2N 24M 内部电源应给能提 供这样的电流 为什么要求那么大的电流呢 这是由于 8 个电磁阀同时工作的话 要有电源提供的电流为 I P U 8 1 67A 电流很大 但这样大大节省了 I O 口资 源 当 SB1 闭合式开始喷水 首先 Y0 闭合 是最内的一个电磁阀工作喷泉喷水 5S 后 Y5 闭合 Y0 打开 随着 Y5 的闭合第二圈电磁阀 2 3 4 5 开始工作 及 第二圈喷泉开始喷水 喷水 6S 后 Y5 闭合第二圈电磁阀 2 3 4 5 停止工作 第二圈喷泉停止喷水 同时 Y6 闭合 第三圈电磁阀 6 7 8 9 10 11 12 13 得 电 阀门打开 第三圈喷泉开始喷水 喷水 8S 后 Y6 打开 电磁阀 6 7 8 9 10 11 12 13 失电 在弹簧的作用下阀门闭合 停止喷水 同时 Y7 闭合 电磁阀 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 得电阀门 打开 第四圈喷泉开始喷水 喷水 5S 后 Y7 打开 所对应的电磁阀也打开 9 停止喷水 同时 Y5 闭合 2 3 4 5 电磁阀得电阀门打开 开始喷水 3S 后 Y5 失电 所对应电磁阀闭合 停止喷水 这是 Y0 得电 就这样循环下去 当有 SB2 按下时不论那一圈在喷水所有电磁阀都失电 电机也失电 所有设备停止 工作 当 SB1 闭合是 有开始喷水 这个系统的控制程序很简单 就是一个典型的循环程序控制 但电磁阀的 选型有点麻烦 对于我这个初学者来说应该是很麻烦的了 我找了一天的资料 才找到比较合适的电磁阀 当然电机以及水泵的选择也是很重要的 特别是水 泵的选择 虽然功率相同的水泵的 但它们的扬水高度是不一样的 对于花样 式喷泉来说 要选择扬水高度比较高的水泵 才能达到很好的视觉效果 3 23 2 主电路主电路 对于主电路部分 主要是电机的控制 通过控制电机从而来控制水泵 通 过控制水泵来控制喷泉的喷水的开始和终止 而电磁阀主要是控制喷泉的花样 通过控制电磁阀的打开和关闭从而达到那个喷泉口喷水的目的 喷泉口喷水那 个打开 那个关闭的不同组合就形成了不同的喷水花样 给你不同的视觉效果 就是复杂的音乐式喷泉也是这样来控制的 不同的是他不是用的电磁阀他可能 用到的是喷泉口能控制形状的控制器 来达到控制不同喷泉形状的目的 而我 设计的花样式喷泉比较简单 它只有一种形状 每个喷泉口喷出来的形状都是 一样的 这就大大降低了设计的难度 同时也就失去的很好视觉的效果 但是 设计的思想只要掌握住了 那么以后如果遇到这样的设计 自己都会得心应手 可能还会遇到一些困难 但是能够有下手的点了 不会遇到会一脸的茫然 我 设计的花样式喷泉的主电路如下 主电路图如下 1 4 10 我的还在主电路图上及 CAD 图上插入了设备器件的价格 型号等参数表格 以便于购买 主电路中我选择的热继电器和熔断器 分别作为过载保护和短路保护 3 3 I O 分配表分配表 I O X0 喷泉开始开关 SB1 X1 喷泉停止开始 SB2 X2 热继电器 FR Y0 继电器 KM1 Y5 1 号电磁阀 Y6 2 3 4 5 号电磁阀 Y7 6 7 8 9 10 11 12 13 号电磁阀 Y8 14 15 16 17 18 19 21 22 号电磁阀 Y9 23 24 25 26 27 28 28 号电磁阀 11 3 4 元器件选型元器件选型 对于元器件选择来说 上面已经提及到 现在在大概说一下 电机来说 只要 尽力选性能好的 水泵要扬水要高的 电磁阀要开关迅速的 电容丝和热继电 器由于电动的启动电流就定 电机的额定电流大约是 8A 电机不是频繁的启动 热继电器的额定电流大约是 20A 即可 而 PLC 选择很多 因为此系统所有 PLC 的功能不是很多 不需要功能强大的 PLC 还有用 I 0 口要求也不是很多 综 合上述三棱的 FX2N 24M 有 14 输入 10 个输出 已经够用了 而电磁阀的选 择只要迅速就可以了 而且要有效地关闭 其他的比如管道 管道排布这里不 在讨论 我只是设计电气的东西 不管机械方面的知识 具体选择 上面方案 选这种已经给出 这里不在详细说明 4 软件设计软件设计 4 1 主流程主流程 软件的主流程图主要是循环程序 其流程图如图 1 4 所示 第一圈喷水5秒 第二圈喷水6秒 第三圈喷水8秒 第四圈喷水5秒 第二圈喷水3秒 到 到 到 到 到 关 结束关 关 关 关 开始 从软件流程图可以看出这个软件控制程序很简单就是一个循环程序 还有就是 开关打开是不论那圈喷泉在喷水 都会停止 电机也会停止工作 所有器件都 停止工作 如果有再加上变频器 就可以调节喷水的高度 这样更有视觉效果 但是系统变得都发麻了 这可以以后再去设计 4 2 梯形图梯形图 12 我编写的 PLC 程序如下 当开关 X0 按下时 M0 为 1 使 M1 为 1 这是 Y0 闭合电机 水泵开始工作 通 知 Y5 也为 1 T0 开始计时 5S 后 T0 为 1 T0 为 1 使 M2 为 1 并保持这时 Y6 为 1 同时 T1 开始计时 M2 为 1 使 Y5 为 0 6S 到 T1 为 1 使 M3 为 1 同时 M3 为 1 使 M2 为 0 这是 Y6 为 0 M3 为 1 使 Y7 为 1 T2 开始计时 8S 到 T2 为 1 使 M4 为 1 M4 为 1 使 M3 为 0 M3 为 0 使 Y7 为 0 13 M4 为 1 使 Y8 Y9 为 1 同时 T3 开始计时 5S 后 T3 为 1 使 M5 为 1 M5 为 1 使 M4 为 0 M4 为 0 使 Y8 Y9 为 0 同时 M5 为 1 是 Y5 为 1 使 T4 计时开始 三秒后 T4 为 1 T4 为 使 M6 为 1 会使 M5 为 0 系统重新开始 如果有 X1 或者 X2 闭合会使 M0 为 0 输出都为 0 则系统停止工作 Yx 为 0 继电器闭合 为 1 继电器打开 5 系统调试系统调试 把所写程序通过 GX devepoler 软件进行调试 把所对应的每一圈的电磁阀 用一个发光二极管来表示四圈从里到外分别用 1 2 3 4 二极管 可以看出当开 关 SB1 没按下是 所有的灯都不亮 同理用两个二极管 5 6 分别代表电机 和 水泵 当开关 SB2 按下时 5 6 1 发光二极管发光 及电机 水泵 第一圈喷 头开始喷水 5S 后 1 发光二极管灭 2 发光二极管亮 5 6 发光二极管依然发 光 及第一圈喷头停止喷水 第二圈喷头开始喷水 电机和水泵继续工作 再 过 6S 后 2 放光二极管熄灭 同时 3 二极管发光 5 6 二极管状态不变 及第 二圈喷头停止喷水 第三圈喷头开始喷水