基于PLC控制的喷泉毕业设计(论文).doc

本科生毕业设计（论文） 题 目：花式喷泉的PLC控制系统设计 摘 要PLC是一种以微处理器为基础、带有指令存储器和输入输出接口,综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的新一代工业控制装置。具有使用方便，运行可靠，控制程序段设计简单等优点。针对传统的喷泉控制系统一旦设计好控制电路，就不能随意改变喷水花样及喷水时间等问题，本设计结合西门子 S7-200 可编程控制器设计能适应不同季节、不同场合的喷水要求目的的花样喷泉系统。该花样喷泉控制系统不但实现了自动转换花样喷泉的喷水样式，而且提高了系统的可靠性和安全性，具有一定的工程应用和推广价值。关键词：PLC；花样喷泉；控制系统 The pattern design based on PLC fountainABSTRACTPLC is a microprocessor-based, with instruction memory and input-output interface, a combination of micro-electronic technology, computer technology, automation technology, communications technology, a new generation of industrial control devicesIt is easy to use, reliable operation and control procedures designed to be simple.According to the traditional fountain control system design control circuit, if cannot change pattern and spray water, time, etc. This design with Siemens S7-200 PLC design can adapt different season, the different requirements of the water fountain system designs purpose. This figure fountain control system not only realizes the automatic conversion pattern of the fountain of the water, and improve the system of style, the reliability and safety of engineering application and dissemination value.Key words: PLC control, pattern fountain system1 目 录中文摘要1英文摘要2 目 录3绪 论5第一章 喷泉总体设计61.1 喷泉的布局设计61.2 喷泉控制系统原理图6 1.2.1 喷泉的控制要求61.3 喷泉的电气接线图81.4 喷泉的运行流程图设计9第二章 系统硬件设计102.1 PLC的选择10 2.1.1 PLC介绍10 2.1.2 PLC选型102.2 泵的选择11 2.1.1 潜水泵介绍11 2.2.2 泵的选型112.3 喷头的选择122.3.1 喷头的介绍12 2.3.2各种喷头的选择132.4 阀的选择152.5 灯具的选择15第三章 系统软件设计173.1 I/O分配173.2 梯形图设计17 3.2.1 SFC程序分步介绍18第四章 组态王监控系统设计234.1 组态王与设备通信234.2 监控画面23 4.2.1 按钮单元介绍23 4.2.2彩灯单元介绍23 4.2.3计时计数单元24 4.2.4 喷泉模拟单元介绍24第五章 系统调试26结束语29致 谢30附录A 系统程序I附录B PLC接线图III附录C 组态王监控画面IV参考文献VIV绪 论喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。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，有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影等。喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。园林中的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。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。随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在许多城市的市民广场、单位居民生活区里都能看到各种形式的喷泉。随着科学技术突飞猛进的发展，在喷泉工程中采用了大量的高新技术，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有种愉悦的感受。从而使喷泉效果更多绚丽多彩，阿罗多姿，令人赏心悦目、流连忘返。 第一章 喷泉总体设计1.1 喷泉的布局设计 图1-1 喷泉布局图1.2 喷泉控制系统原理图在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC：因为有4层喷水，因此用了1个变频器控制4个水泵。花式喷泉控制系统的原理如图1-2所示： 水泵变频器按钮开关信号PLC电源图1-2系统原理图1.2.1 控制要求本设计布局如图1-1所示。（1）图1-1中1、2均为外环型状的喷水管，3为内环形状的喷水管4为星型喷水管。 灯光系统由三条支路组成，分别为绿色灯支路（在1、2之间）；黄色灯支路（在2、3之间）；红色灯支路（3、4之间）。（2）按下启动按钮，喷泉开始工作；按下停止按钮，喷泉停止工作；（3）喷泉的工作方式由花样选择开关和单步/连续开关决定。（4）当单步/连续开关在单步位置时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循环。 （5）花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，考虑以下4种喷水花样： a.花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时2S后，3号喷头喷水，在延时2S后，2号喷头喷水，又延时2S后，1号喷头喷水。18S后，如果为单步工作方式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。 b.花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，1号喷头喷水，延时2S后，2号喷头喷水，在延时2S后，3号喷头喷水，又延时2S后，4号喷头喷水。30S后，如果为单步工作方式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。c.花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1号和3号喷头喷水，延时3S后，2号和4号喷头喷水，同时1号和3号喷头停止喷水。如此交替运行15S后，4组喷头全部喷水，30S后，如果为单步工作方式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。d.花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1 2 3 4的顺序，依次间隔2S喷水，然后一起喷水。30S后，按照1 2 3 4的顺序，依次间隔2S停止喷水。在经1S延时，按照4 3 2 1的顺序，依次间隔2S喷水，然后一起喷水，30S后停止。如果为单步工作方式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。 （6）无论哪种花样喷泉，只要当3号或者4号任意一个喷水的时候，黄灯亮；当2号喷水的时候，红灯亮；当所有都喷水时，绿灯亮。1.3 电气接线图1.4 喷泉的运行流程图的设计 第2章 系统硬件设计2.1 PLC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。图2-1 三菱FX1N PLC2.2 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(10m3650m3)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2.3 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。 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 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2.4 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2.5 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水下灯第三章 系统软件设计3.1 I/O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。原件功能信号地址原件功能信号地址按钮SB1启动X0接变频器5端子M430以20赫兹启动Y000按钮SB2停止X1接变频器6端子M430以15赫兹运行Y001按钮SB3花样1X2接变频器7端子M430以30赫兹运行Y002按钮SB4花样2X3按钮SB5花样3X4KM1M1启动Y004按钮SB6花样4X5KM2M2启动Y005按钮SB7总花样X6KM3M3启动Y006FR1过载保护信号X7KM4绿灯Y010FR2过载保护信号X12KM5黄灯Y011FR3过载保护信号X13KM6红灯Y0123.2 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。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。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。第四章 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”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器。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。第五章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 点击开始后指示灯亮监控画面当指示灯点亮后点击单周期或者连续，监控画面中代表A、D两组喷头的A、D两长方体填充上蓝色，AD的计时器开始计时，同时红绿黄蓝四盏灯循环点亮。如图5-2所示。图5-2 AD同时运行监控画面到AD计时器到6秒后，监控画面中代表D组喷头的D长方体缩回，代表C组喷头的C长方体填充上蓝色。AC计时器开始计时，同时红绿黄蓝四盏灯循环点亮。如图5-3所示。图5-3 AC同时运行监控画面当AC计时器计时到7秒后A、C缩回，B、D填充上蓝色，计时器BD开始计时，红绿黄蓝四盏灯循环点亮。如图5-4所示。图5-4 BD同时运行监控画面 当BD计时器计时到10秒后D缩回，A、C填充上蓝色，计时器ABC开始计时，红绿黄蓝四盏灯循环点亮。如图5-5所示。图5-5 ABC同时运行监控画面 当ABC计时器计时到5秒后，A、B、C、D停止运行，计时器计时2秒后如果选择的是连续则计数器加1后继续运行，当计数器计数到20次后，报警器报警。如果选择的是单周期则ABC计时器计时到5秒后，报警器开始报警。如图5-6所示。图5-6 报警器报警做完上面的工作后，用11盏灯代表电磁阀、LED灯、交流接触器、报警器等，并按照附录B的PLC接线图将它们接到PLC上如图5-1所示。图中上起依次代表A组喷头的电磁阀，B组喷头的电磁阀，C组喷头的电磁阀，D组喷头的电磁阀，红色LED灯，绿色LED灯，黄色LED灯，蓝色LED灯，系统开始指示灯，报