基于PLC的花样喷泉控制毕业设计

论文题目：基于基于 PLCPLC 的音乐喷泉控制的音乐喷泉控制 摘 要：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 目目录录 I 引言.1 第 1 章 PLC 简介 .2 1.1 可编程序控制器简介 .2 1.2 PLC 的结构.2 第 2 章 喷泉的设计要求.7 第 3 章 PLC 控制系统总设计 .9 3.1 PLC 控制花样喷泉运行要求.9 3.2 喷泉的运行流程图.9 3.3 喷泉的运行过程.9 3.4 喷泉控制原理.10 3.5 花样喷泉 PLC 控制接线图.10 3.6 花样喷泉 PLC 控制输入输出点分配.11 第 4 章 结论.19 致谢.20 参考文献.错错误！未定义书签。误！未定义书签。 II 引引言言 喷泉是人工环境中最富有生命力的喷泉,它具有分隔空间、增加层次、净化 空气美化环境的作用。现代高科技把美妙的音乐、多姿的喷泉造型、 五彩缤纷的 水下灯光、神奇的激光图文，通过电脑有机的结合在一起，给人以音乐声响、视 觉形象、色彩变换三位一体的超自然享受。随着我国人民物质生活水平的不断提 高，对于精神生活的要求也在不断提高， 为进一步改造环境景观，建设一个喷泉 是很有必要的。随着科学技术的不断发展和生活水平的不断提高，尤其是喷泉在 城市和社区环境建设中起着尤其重要的作用。 当今喷泉工程和高新技术的结合正 是历史发展的必然趋势，由于喷泉工程中采用了大量的高新技术，从而使喷泉效 果更加绚丽多彩，婀娜多姿，令人赏心悦目、流连忘返。 本次的毕业设计是一个以 S7-200PLC 控制为核心的花样喷泉控制系统的设 计。花样喷泉在PLC 的控制之下，喷出各种各样的水柱， 给人以一种视觉上美的 享受。 1 第第 1 1 章章 PLC PLC 简介简介 1.11.1 可编程序控制器简介可编程序控制器简介 可编程序控制器 PC（Programmable Controller）又称可编程序控制器 PLC （Programmable Logic Controller） ，是微机技术与继电器常规控制技术相接合的 产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以 微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。 它不仅充分利用微处理器的优点来 满足各种工业领域的实时控制要求， 同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能 和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以 继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构， 使用户程序的编制清 晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。PLC 现已成为现代工业控制三大支柱 （PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在 线修改控制程序、具有远程通信联网功能、 易于与计算机接口、能对模拟量进行 控制、具备告诉计数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电 器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电接触控制系统在机械、化工、 石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用。PLC 的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。 1.2 PLC1.2 PLC 的结构的结构 PLC 和一般的微型计算机基本相同， 也是由硬件系统和软件系统两大部分组 成的。PLC 的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出 (I/O)部件、电源部件、编程器、I/O 扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过 总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。其结构简图如下： 2 外 部 设 备 外 设 I/O 接 口 存储器 EPROM I/O 扩 展 接 口 I/O 扩 展 单 元 输 入 信 号 输 入 部 件 微处理器 运算器 控制器 输 出 部 件 受 控 元 件 电源 图图 1-1 PLC1-1 PLC 硬件结构图硬件结构图 PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序 和用户程序两大部分。系统程序是每一个 PLC 成品必须包括的部分，由 PLC 厂 家提供，用于控制 PLC 本身的运行，系统程序固化在 EPROM 中。用户程序是 由用户根据控制需要而编写的程序。 硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，他们是相辅相成，缺一不可的。 1.3 PLC1.3 PLC 的特点的特点 可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置， 其实 质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式 大都采用可编程序控制器控制， 特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业 机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为 PLC 具有以下优点： 1） 、灵活、通用 在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设 计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费 力。如果因为工艺上的稍许变化， 需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个 电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量 的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功 能的， 如果控制功能需要改变的话， 只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。 而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实 现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。 3 2） 、可靠性高、抗干扰能力强 对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各 种工作环境和条件(如电磁干扰、 低温潮湿、 灰尘超高温等)下， 平稳可靠的工作， 将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代 PLC 采用了 集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可 靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证 PLC 能在恶劣的工 业环境可靠的工作， 在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干 扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。 3） 、操作方便、维修容易 PLC 采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程， 使用户十分方便的 读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。 工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习 就可以使用。 4） 、功能强 现代 PLC 不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完 成 A/D、 D/A 转换、 数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。 因此， 它既可控制开关量，又可控制模拟量； 既可控制一个机械手，又可控制一个机械 手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。 5） 、体积小、重量轻和易于实现机电一体化 由于 PLC 采用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特 点。且 PLC 是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小 巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力， 使之易于装入机械设备内部，因而 成为实现机电一体化十分理想的控制设备。 同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控 制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机， 并且通用性不好，不同厂家的可编 程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。 1.4 PLC1.4 PLC 的主要功能的主要功能 PLC 是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化 (FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。 PLC 系统主要有以下功能： 1) 多种控制功能； 4 2) 数据采集、存储与处理功能； 3) 通信联网功能； 4) 输入、输出接口调理功能； 5) 人机界面功能； 6) 编程、调试功能。 PLC 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有 所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用 PLC 还可以大 大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC 产品面临现场总线的 发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。 1.5 PLC1.5 PLC 的经济性分析的经济性分析 综上所述，在各种环境中，使用 PLC 控制机构设备，生产流水线和生产过 程的自动化控制将越来越广泛。 对 PLC 的经济分析，应从以下几方面考虑： 1） 、从影响成本的各个因素综合考虑 对目前生产设备控制装置来说，有三种类型： 继电器控制； 半导体器 件控制； PLC 控制。价格仅是选择 PLC 品牌的一个因素，而可靠性是选择控 制装置时需要考虑的又一个重要因素。 2） 、从设计、生产周期长短考虑 不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、 设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更 新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生 产，这不仅节约了劳动力， 而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活 力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足， 而 PLC 则完全可以实现。这是因为使用 PLC 不必改动外部设备接线，只要对软 件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入 新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。 据调查，目前我国 70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了 可靠性差外，程序设计也很繁杂。从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设 计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用 PLC 控制可以大大缩 短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器 上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程人 员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在 5 EEPROM 模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既 简单、方便又保密。 1.6 PLC1.6 PLC 发展状况及趋势发展状况及趋势 现代 PLC 的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强 和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、 好的兼容性和多 功能方面发展。 1） 、大型网络化 主要是朝 DCS 方向发展，使其具有 DCS 系统的一些功能。网络化和通信能 力强是 PLC 发展的一个重要方面，向下可将多个 PLC、I/O 框架相连，向上与工 业计算机、以太网、MAP 网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。 2） 、多功能 随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC 控制领域更 加宽广。 1.7 PLC1.7 PLC 的编程语言的编程语言 在 IEC61131-3 中，规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示，并对以往 编程语言进行了部分修改后形成目前通用的 5 种语言。在这 5 种语言中，有 3 种 是图形化语言，2 种是文本化语言。图形化编程语言包括：梯形图（ LDLadder Diagram）、功能块图（FBD Function Block Diagram）、顺序功能图（SFC Sequential Function Chart）。文本化编程语言包括：指令表(IL-Instruction List) 和结构化文本 (ST-Strutured Text)。 继电器梯形图编程语言是 PLC 首先采用的编程语言，也是 PLC 最普遍采用 的编程语言。梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。 PLC 的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的， 只是在使用符号和 表达方式上有一定区别。 指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言， 它是可编程控制器最基 础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程 控制器的某种操作功能。 6 第第 2 2 章章 喷泉的设计要求喷泉的设计要求 2.12.1 喷泉规模的设计喷泉规模的设计 该喷泉占地面积俯视图为正方形， 其面积 S=100 平方米； 喷射范围俯视图为 圆形，其半径 R=4.5m。 喷泉概况平面图如 1-1： 图图 1-11-1喷泉概况平面图喷泉概况平面图 图 1-1 中，喷泉由5 种不同的水柱组成。其中1 表示大水柱所在的位置，其 水柱较大，喷射高度较高；2 表示中水柱所在的位置，由六支中水柱均匀分布在 2 的圆（r=2m）的轨迹上，水量比大水柱的水量小，其喷射高度比大水柱低；3 表示小水柱，它由150 支小水柱均匀分布在 3（r=3m）的圆的轨迹上，其水柱较 细，其喷射高度比中水柱略矮；4 和 5 为花朵式和旋转式喷泉，各由 19 支喷头 组成，均匀分布在 4 和 5 的圆（r=4m）的轨迹上，其水量压力均较弱。 7 2.22.2 喷泉水柱的分布喷泉水柱的分布 该喷泉的回水池俯视图为圆形，与喷泉喷射范围俯视图为同心圆，且半径相 等。回水池的深度为 2m。 该回水池由 1 个半径为 100cm 的圆水池和 3 个有效宽度为 50cm 的圆环水池 组成，且各个水池之间相通，连接池宽度为 50cm，3 个圆环水池的半径分别为 2m、3m、4m。如图 1-2 所示： 图图 1-21-2回水池的设计回水池的设计 回水池上方由金属栏嵌入式覆盖。 大水柱喷头的内径 d=50mm，中水柱喷头的内径d=30mm，小水柱喷头的内 径 d=20mm，花朵喷泉和旋转喷泉的内径 d=30mm。 大水柱高度 h=5m，中水柱高度 h=3m，小水柱高度 h=2m，花朵喷泉和旋转 喷泉的喷水高度 h=1m。 8 第第 3 3 章章 PLC PLC 控制系统总设计控制系统总设计 3.1 PLC3.1 PLC 控制花样喷泉运行要求控制花样喷泉运行要求 1） 、按下启动按钮，喷泉进入运行等待状态。 2） 、按下喷泉的单步连续运行方式按钮，该喷泉默认为连续运行方式。 3） 、按下喷泉喷水花样的循环方式按钮，喷泉开始运行，每隔 6s 改变一次 花样。在连续运行方式下，喷水花样将一直循环下去，在单步运行方式下，喷水 花样只运行一个循环。按下其他任意一个循环方式按钮，喷泉喷水花样的循环方 式立刻改变。 4） 、按下停止按钮，喷泉停止运行。 3.23.2 喷泉的运行流程图喷泉的运行流程图 图 3-1 喷泉的运行流程图 3.33.3 喷泉的运行过程喷泉的运行过程 按下喷泉控制系统的启动按钮，首先大水柱从地而起，直射天空； 6s 后， 9 大水柱消失，紧接着六支中水柱竞相射向天空；最后所有水柱喷泉一齐迸发。 整个过程分为 8 段，每段 6s，且自动转换，全过程为48s。当单步连续开 关置于连续，花样选择开关置于1 时，其喷泉水柱的动作顺序如下： 12 （1+3+4）（2+5）（1+2）（2+3+4）（2+4）（1+2+3+4+5）1， 周而复始，直到按下停止按钮， 水柱喷泉才停止工作；当单步连续开关置于单 步时，喷泉水柱的动作只运行一个循环。 花样选择开关置于 2 时，其喷泉水柱的 动作顺序如下：12（2+4）（2+5）（1+2）（2+3+4）（1+3+4） （1+2+3+4+5） 1。 花样选择开关置于 3 时， 其喷泉水柱的动作顺序如下： 12 （1+3+4）（1+2）（2+5）（2+3+4）（2+4）（1+2+3+4+5）1。 花样选择开关置于 4 时， 其喷泉水柱的动作顺序如下： 12 （1+3+4） （2+5） （1+2）（2+4）（2+3+4）（1+2+3+4+5）1。 3.43.4 喷泉控制原理喷泉控制原理 喷泉控制系统由启动控制程序、位移脉冲控制程序、位移及复位控制程序、 驱动控制程序组成。 通过位移脉冲控制程序实现子元件中的内容在存储器间的移 动， 通过复位控制程序实现喷泉花样的循环， 通过驱动控制程序实现喷泉的喷射。 3.53.5 花样喷泉花样喷泉 PLCPLC 控制接线图控制接线图 图 3-2 花样喷泉 PLC 控制接线图 10 3.63.6 花样喷泉花样喷泉 PLCPLC 控制输入输出点分配控制输入输出点分配 表 3-1 花样喷泉 PLC 控制输入输出点分配 输入信号 名称 启动按钮 停止按钮 连续按钮 单步按钮 花样 1 按钮 花样 2 按钮 花样 3 按钮 花样 4 按钮 代号 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 输入点编号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 名称 大水柱接触器 中水柱接触器 小水柱接触器 花朵式喷泉接触器 旋转式喷泉接触器 - - - 输出信号 代号 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 - - - 输出点编号 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 - - - 3.73.7 花样喷泉花样喷泉 PLCPLC 控制梯形图控制梯形图 11 12 13 14 15 16 图 3-3 花样喷泉 PLC 控制梯形图 图 3-3 中，第 1 逻辑行为启动控制程序；第 2、3、4 逻辑行组成 6s 移位脉 冲控制程序；第 5 逻辑行为单步连续控制程序；第 6、7、8、9 逻辑行组成花 样选择控制程序；第 10、11、12、13 逻辑行组成移位及复位控制程序；第 14、 15、16、17、18 逻辑行组成驱动控制程序。 接通 PLC 电源，第 10 逻辑行中位存储器 M10.0 接通，其在第 14 逻辑行中 的常开触点闭合，为喷泉的启动做好了准备。 当按下喷泉控制器的启动按钮 SB1 后，第 1 逻辑行中输入继电器 I0.0 的常 开触点闭合，位存储器 M0.0 接通并自锁。本程序默认为连续循环喷泉样式的控 制程序，按钮 SB2 为连续按钮，在第 5 逻辑行中输入继电器 I0.2 为常闭触点， 按钮 SB3 为单步按钮，第 5 逻辑行中输入继电器 I0.3 为常开触点，当按下此按 钮，继电器 I0.3 触点闭合，位存储器 M0.2 接通并自锁，其在第 1 逻辑行中的常 闭触点断开，喷泉样式进入一次运行状态。选择默认状态，按下SB4，第6 行中 输入继电器常开触点闭合，位存储器 M0.4 接通并自锁，其在第 2、14、15、16、 17、18 逻辑行中的常开触点闭合，进入第一种喷泉样式，输出继电器Q0.0 被接 通，大水柱控制接触器 KM1 通电闭合，大水柱“1” 射向天空。 同时在第 2 逻辑行中的 M0.0、M0.4 的常开触点闭合，定时器 T37 被接通开 始计时，经过 3s 后，T37 动作，第 3 逻辑行的常开触点闭合，定时器 T38 被接 通并开始计时，又经过 3s 后，T38 动作，第 4 逻辑行中的常开触点闭合一个扫 描周期使得位存储器 M0.1 闭合一个扫描周期。M0.1 在第 11 逻辑行中的常开触 点闭合一个扫描周期，将字元件 MW10 中的内容向左移 1 位，即将 M10.0 中的 “1”的内容移至位存储器 M10.1 中，M10.1 闭合。 由于 M10.1 接通，其在第 14 逻辑行中的常开触点闭合，输出继电器 Q0.1 17 被接通，中水柱控制接触器 KM2 通电闭合，中水柱喷出。 又经过 6s 后，M0.1 在第 6 逻辑行中的常开触点闭合一个扫描周期，将字元 件 MW10 中的内容向左移一位， 即将 M10.1 中“1”的内容移至位存储器 M10.2 中， M10.2 闭合其在第 14、 16 逻辑