基于PLC的喷泉控制

基 于 P L C 的 喷 泉 控 制 学号 姓名 日期 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1 1 选题的背景与意义 1 第 2 章 系统总体设计 2 2 1 方案的选择 2 2 1 1 喷泉控制装置 2 2 1 2 喷泉控制要求 2 2 2 系统总体设计 3 第 3 章 硬件设计 4 3 1 硬件选型 4 3 1 1 PLC 的选择 4 3 1 2 喷头的选择 4 3 1 3 水泵的选择 5 3 1 4 喷泉灯和按钮的选择 5 3 1 5 变频器的选择 6 3 2 PLC 输入输出 I O 设计 6 3 3 系统的硬件接线图 7 第 4 章 软件设计 8 4 1 系统流程 8 4 1 1 程序流程图 8 4 1 2 顺序功能图 8 4 2 梯形图 9 4 3 指令表 11 4 4 程序分析 11 第五章 仿真结果 12 5 1 系统仿真 12 结 论 14 参考文献 15 第 1 章 绪论 1 1 选题的背景与意义 国内在 20 世纪 80 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 改革开放以来 随着国 民经济的发展 人民生活水平的提高 一些城市的城建 园林主管部门在城市建 设 改造过程中对喷泉美化和文化氛围营造上提出了要求 结合当时先进的单片 机 通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制 设计出了一批喷泉水景 近年来 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 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 这些喷泉按照一定的规律改变喷泉式样 辅以五颜六色的灯光和优美的音乐 使人心旷神怡 流连忘返 随着可编程控制 器在我国的迅速发展 人们对花式喷泉控制的要求也越来越高 使得越来越多的 控制部分需用可编程控制器来实现 人们对喷泉的造景功能 娱乐功能 认识逐步提高 开拓了喷泉的应用范围 适宜于节日 大型集会的广场喷泉和城市主题调速喷泉 造型简洁 明快 庄重 大方 在商业广场 购物中心以及一些景点的大型激光彩色音乐喷泉 欢快 跳 跃 富有诗意 有些喷泉配以水幕电影 给人们带来变幻奇妙的视听效果 近年 来 随着房地产市场的逐渐升温 一些住宅小区在景观设计中 融人了喷泉 使 其与小区园林景观遥相呼应 商场 酒楼内的喷泉小巧 别致 可以调节室内气 温 这些年 随着计算机技术的广泛应用 喷泉方案的制作技术有了极大的发展 方案设计从最初的手工制图发展到 photoshop 图片 再到三维动画制作的动态喷 水方案 喷泉专用产品 设备不断地更新换代 新材料 新技术的采用 都为喷 泉的良性发展提供了技术支持 大多数喷泉除了具有美化环境的功能之外 还具 有良好的生态效应 社会效应和广告效应 第 2 章 系统总体设计 2 1 方案的选择 2 1 1 喷泉控制装置 喷泉工作示意图如图 2 1 所示 图 2 1 喷泉工作示意图 2 1 2 喷泉控制要求 本设计中喷泉的控制要求为 1 按下启动按钮 喷泉控制装置开始工作 按下停止按钮 喷泉控制装置停 止工作 2 按下喷泉启动开关后 喷泉工作指示灯一直保持亮的状态 3 在喷泉工作指示灯亮 2 秒后 循环执行下面动作 中央喷水灯 中央喷 水阀 环状灯 环状喷水阀每个动作持续时间为 2 秒 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 所采用的工作方式是循环扫描的方式 在前期准备工作完成后按下喷泉启动按钮 PLC 扫描到该信号时开始工作 因为 PLC 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 所以利用 PLC 这一特点可以方便的实现控制要求中每个动作持续时间为 2 秒的设计 PLC 就物理结构来看 有丰富的输入 输出端 从 PLC 的逻辑结构来看 内部有许多 软元件 如输入继电器 输出继电器 状态组件 定时器 计数器和数据寄存器 及器件对应的常开 常闭接点 方便对喷泉开启 停止 计时等信号的输入和数 量 位置的显示 2 2 系统总体设计 从工程实际出发 在制定控制系统的方案时 充分考虑工程的组成和实现 主要从机械部件的动作顺序 动作条件 必要的保护和联锁 系统的工作方式 如手动 自动 半自动 和安全保护措施及紧急情况处理等着手设计 以下几 点为梯形图设计过程的主要思路 1 需要时按下开始开关喷泉开始动作 2 通过辅助继电器 计数器 定时器等来实现自动控制工程 3 需要立即结束时 按下停止按钮立即断电 以 PLC 为核心的喷泉控制系统整体结构如图 2 2 所示 该系统主要包括电 源部分 操作控制部分 变频器部分 喷泉系控制系统部分 电源部分主要实现 电力的提供等 操作面板主要实现系统的启动 停止 喷泉系统开关 变频器部 分实现对电机 水泵等变频要求 喷泉系统由 PLC 系统进行控制 主要是对喷 水装置及彩灯的实时控制 控制 PLC 变 面板 频 喷泉 器 系统 电源 图 2 2 控制系统整体结构框图 第 3 章 硬件设计 3 1 硬件选型 3 1 1 PLC 的选择 根据喷泉的控制要求 联系到实际控制需求 输入 输出等变量的特点 在此使用的是日本三菱的 FX2N 32MR 继电器输出行的 PLC 来满足控制要求 除输 入出 16 25 点的独立用途外 该 PLC 还可以适用于在多个基本组件间的连接 模 拟控制 定位控制等特殊用途 在基本单元上连接扩展单元或扩展模块 可进行 16 256 点的灵活输入输出组合 可选用 16 32 48 64 80 128 点的主机 可以采用 最小 8 点的扩展模块进行扩展 可根据电源及输出形式 自由选择 程序容量 内置 800 步 RAM 可输入注释 可使用存储盒 最大可扩充至 16K 步 丰富的 软元件应用指令中有多个可使用的简单指令 高速处理指令 输入过滤常数可变 中断输入处理 直接输出等 便利指令数字开关的数据读取 16 位数据的读取 矩阵输入的读取 7 段显示器输出等 数据处理 数据检索 数据排列 三角函 数运算 平方根 浮点小数运算等 特殊用途 脉冲输出 20KHZ DC5V KHZ DC12V 24V 脉宽调制 PID 控制指令等 外部设备相 互通信 串行数据传送 ASCII code 印刷 HEX ASCII 变换 校验码等 时计控 制内置时钟的数据比较 加法 减法 读出 写入等 3 1 2 喷头的选择 喷泉的喷头大致分为直流喷头 涌泉喷头 集柬喷头和旋转喷头等 种类 繁多 喷出的水型各不相同 根据喷泉设计方案 中央喷头位于花式喷泉的中心 采用中间小 四周大的技术喷头组合方案 能够产生中间喷出的水柱较四周要高 要细的视觉效果 本设计选用 SZ 310 型号 其余喷头位于整体喷泉的最外围 喷头个数较多 可以采用直流喷头 本设计选用 WX 115 型号 具体参数如表 3 1 所示 表 3 1 喷头参数 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 喷洒直 径 m 直径 mm 连接 方式 AB SZ 310100 150 200 250 19 23 25 28 3 5 6 11 1 0 1 3 1 4 1 6 50内螺纹220 120 WX 11547 771 5 2 03 4 5 020内螺纹110 40 3 1 3 水泵的选择 水泵的种类更具不同的要求 大致分为卧式水泵和潜水泵 根据设计要求对 水泵的扬程 流量和适用场合 能耗比 性价比来分析 由于潜水泵放置在水中 不需要泵房 可以降低造价 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 能够达到节约水资源的目的 适合喷泉的喷水要求 本设 计中央水泵选用 QSP10 13 0 75 型号 外围水泵选用 QSP10 10 0 55 具体参数如 表 3 2 所示 表 3 2 水泵参数 型号 流量 m3 h 扬程 m 功率 kw 使用电 压 v 频率 hz 水泵高 度 mm 最大外 径 mm QSP10 13 0 7510130 7538050440168 QSP10 10 0 5510100 5538050420150 3 1 4 喷泉灯和按钮的选择 本设计喷泉灯选用 SD 007 电压 AC12V 24V 功率 9 1W 颜色红黄绿蓝白七 彩 防护等级 IP68 外壳材质全不锈钢制造 该产品由 9 颗高亮度的美国大功率 LED 灯作光源 特制硅胶密封圈 外壳为户外全天候型 符合国家标准 电器三 级绝缘 灯体采用全不锈钢 安全 24V 电源供电 超低功耗 使用寿命长达 5W 小时以上 低能耗 高亮度 低温冷光 不发热 健康环保 无红 紫外线辐射 固体发光无污染 无闪屏 防腐防锈 广泛用于喷水池鱼池人工瀑布假山草坪水 下泳池等装饰点缀使用 本设计按钮选择 GQ12B 高强度彩色按钮开关 安装孔尺寸 12mm 开关额定 值 2A 36VDC 开关组合 1NO 操作类型自复式 外壳材料锌铝合金 钮头材料 PBT 头部颜色有红绿黄蓝白黑等 防护等级 IP65 IK08 3 1 5 变频器的选择 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 本设计是通过变频器调速技术来控制每环喷水的高度 本设计选用的 是 FR S520 E 系列变频调速器 其功率范围 0 4 3 7kw 三相 220 FR S520E 系列 0 4 1 5kw 单相 220v FR S520E 系列 自动转矩提升 实现 5Hz 时 150 转矩 输出 柔性 PWM 实现更低噪音运行 内置独立 RS485 通讯口 数字式拨盘 设 定简单快捷 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 特别注意负载的特性曲线 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 1 电压匹配 变频器的额定电压与负载的额定电压相符 2 电流匹配 普通的离心泵 变频器的额定电流与电动机的额定电流相符 对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数 以最大电 3 2 PLC 输入输出 I O 设计 系统控制器硬件电路的设计主要是 PLC 外围电路的设计 其关键部分为 I O 分配表的设计 I O 分配表包含了在 PLC 控制过程中 PLC 对输入信号的检 测以及对输出设备潜水泵 彩灯等的控制 详细的 PLC I O 分配表如表 3 1 所 示 表 3 1 I O 分配表 输入输出 X0总启动按钮 SB1Y0喷泉工作指示灯 X1总停止按钮 SB2Y1中央潜水泵 Y2外围潜水泵 Y3中央喷水灯 Y4外围喷水灯 3 3 系统的硬件接线图 系统的硬件连接图即 PLC 与系统中各个硬件的连接如图 3 1 所示 图 3 1 PLC 与硬件接线图 第 4 章 软件设计 4 1 系统流程 4 1 1 程序流程图 软件部分主要实现整个系统的运行和准确控制 图 4 1 为该系统的主程序流 程图 主要包括系统初始化程序 启动判断和喷泉系统动作等部分 开始 初始化 是否启动 否 是 喷泉系统动作 否 是否结束 是 结束 图 4 1 程序流程图 4 1 2 顺序功能图 用基本逻辑指令编写的 PLC 程序 重在强调编程软元件之间的关联性及逻辑 性 通过梯形图之间的逻辑关系 能较容易理解程序的功能 但从程序设计的角 度而言 因逻辑性较强 程序往往较难编写 且程序的扩展能力也比较弱 本设 计中喷泉控制系统的运行 从控制要求分析可以看出 其具有顺序控制的特点 即可以采用先做什么 在做什么 然后在做什么的方式 一步步来解决 为此可 以采用步进顺控指令来实现喷泉控制系统的运行 三菱 FX2N 系列的步进顺控指 令 STL 的状态继电器的常开触点 称 STL 触点 的顺控区包括负载驱动 指定 转换条件和制定转换目标等三个功能 本设计的顺序功能图如图 4 2 所示 M8002 S0 X0 Y0 S20 T0 T0 S21 Y3 T1 T1 S22 Y1 T2 T2 S23 Y4 T3 T3 S24 Y2 T4 T4 1X 图 4 2 顺序功能图 4 2 梯形图 喷泉的控制梯形图如图 4 3 所示 图 4 3 梯形图 4 3 指令表 根据梯形图可得喷泉控制系统的步进顺控如表 4 1 所示 表 4 1 指令表 LD M8002STL S20OUT T1 K20SET S23OUT Y2 SET S0OUT T0 K20LD T1STL S23OUT T4 K20 LD X0LD T0SET S22OUT Y4LD T4 OUT Y0OR T4STLS22OUT T3 K20ANI X1 STL S0SET S21OUT Y1LD T3SET S20 LD X0STL S21OUT T2 K20SET S24RET SET S20OUT Y3LD T2STL S24END 4 4 程序分析 PLC 运行后 有特殊辅助继电器 M8002 产生一个扫描周期的脉冲 程序自动 进入初始状态 S0 按下启动按钮后 喷泉工作指示灯 Y0 点亮 且系统 2 秒后进 入 S20 状态 驱动定时器计时 2 秒时间到后 进入下一通用状态 S21 驱动 Y3 中央喷水灯开始工作点亮 2 秒时间到后 进入下一通用状态 S22 驱动 Y1 中央潜水泵开始工作喷水 2 秒时间到后 进入下一通用状态 S23 驱动 Y4 外围喷水灯开始工作点亮 2 秒时间到后 进入下一通用状态 S24 驱动 Y2 外围潜水泵开始工作喷水 时间到后回到 S20 状态 循环运行 第五章 仿真结果 5 1 系统仿真 按下启动按钮后喷泉系统工作指示灯一直亮 其仿真结果如图 5 1 所示 图 5 1 系统工作指示灯仿真 定时 2 秒时间到后 中央喷水灯点亮 仿真结果如图 5 2 所示 图 5 2 中央喷水灯仿真 定时 2 秒时间到后 中央潜水泵开始工作喷水 仿真结果如图 5 3 所示 图 5 3 中央潜水泵仿真 定时 2 秒时间到后 外围喷水灯点亮 仿真结果如图 5 4 所示 图 5 4 外围喷水灯仿真 定时 2 秒时间到后 外围潜水泵开始工作喷水 仿真结果如图 5 5 所示 图 5 5 外围潜水泵仿真 2 秒时间到后 系统开始循环工作 中央喷水灯点亮 仿真结果如图 5 6 所 示 图 5 6 系统循环工作仿真 结 论 在完成全部的程序硬件选择 软件设计 接线安装和程序调试之后 该系统 能够正常地完成工作 运用 PLC 来设计喷泉的控制系统和进行系统仿真无论是从 设计思路还是设计过程来说 都非常的方便 并且调试管理简单明了 人们使用 起来得心应手 通过这次设计实践 我掌握了 PLC 的基本编程方法 对 PLC 的工作原理和使 用方法也有了更深刻的理解 在对理论的运用中 提高了我们的工程素质 在没 有做实践设计以前 我们对知道的撑握都是思想上的 对一些细节不加重视 当 我们把自己想出来的程序与到 PLC 中的时候 问题出现了 不是不能运行 就是 运行的结果和要求