【电气工程及其自动化】基于plc的花式喷泉控制系统设计

本科生毕业设计（论文）基于PLC的花式喷泉控制系统设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月10日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111喷泉的发展1111花式喷泉的国内外发展史1112花式喷泉控制的发展现状212本课题的研究意义32PLC概述421可编程控制器简介422可编程控制器硬件组成423PLC的主要功能53系统整体方案设计631花式喷泉控制方案分析632花式喷泉控制要求633PLC的选择734喷头的选择8341喷头的介绍8342喷头的选择方案835水泵的选择方案1036阀的选择方案104系统软件设计1241花式喷泉的运行流程图设计1242花式喷泉控制原理设计1243花式喷泉PLC控制接线图设计1344花式喷泉PLC控制输入输出点分配设计1345梯形图设计1446细分代码编写145系统的仿真与调试15参考文献20附录21致谢基于PLC的花式喷泉控制系统设计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。使用PLC控制花式喷泉,具有使用方便、运行可靠、程序设计简单等优点。用顺序功能图方法编程,可以使设计思路清晰,编程简便。若需要改变喷水花样和喷水时间,设计方案不必作很大调整,只要把控制程序作相应的修改,即可实现控制目的。本文以花式喷泉为研究对象，以三菱PLC为例，详细介绍了喷泉控制系统工程要求，并根据工程要求，基于PLC对控制系统进行总体设计，提出控制系统方案。PLC作为主控单元，论文对I/O设计、外部硬件连线等进行了介绍，采用顺序控制方法设计了系统的工作流程图和PLC程序。关键词花样喷泉；控制系统；PLCTHECONTROLSYSTEMDESIGNBASEDONPLCFANCYFOUNTAINABSTRACTFANCYFOUNTAINISAPRODUCTOFAKINDOFCONTROLTECHNOLOGYANDFANCYWATCHCOMBINATIONWITHTHEDEVELOPMENTOFCONTROLSYSTEMINRECENTYEARSWITHTHEPROGRAMMABLECONTROLLERINCHINASRAPIDDEVELOPMENT,FANCYFOUNTAINCONTROLREQUIREMENTSAREALSOGETTINGHIGHERANDHIGHERTHEUSEOFPLCCONTROLFANCYFOUNTAIN,HASTHEADVANTAGESOFCONVENIENT,RELIABLEOPERATION,SIMPLEPROGRAMDESIGNETCWITHTHESEQUENTIALFUNCTIONCHARTPROGRAMMINGMETHOD,THEDESIGNIDEASCLEAR,SIMPLEPROGRAMMINGIFYOUNEEDTOCHANGETHEWATERPATTERNANDWATERTIME,THEDESIGNSCHEMEISNOTABIGADJUSTMENT,ASLONGASTHECONTROLPROCEDURESBEAMENDEDACCORDINGLY,TOACHIEVETHECONTROLPURPOSEINTHISPAPER,FANCYFOUNTAINASTHERESEARCHOBJECT,TOMITSUBISHIPLCASANEXAMPLE,INTRODUCESINDETAILTHEFOUNTAINCONTROLSYSTEMSENGINEERINGREQUIREMENTS,ANDACCORDINGTOTHEPROJECTREQUIREMENTS,PLCONTHEOVERALLDESIGNOFTHECONTROLSYSTEMBASEDONTHEPROPOSEDSCHEME,THECONTROLSYSTEMPLCASTHEMAINCONTROLUNIT,THISPAPERINTRODUCESTHEI/ODESIGN,THECONNECTIONOFEXTERNALHARDWARE,DESIGNEDTHESYSTEMWORKFLOWDIAGRAMANDPLCPROCEDURESFORTHEUSEOFSEQUENCECONTROLMETHODKEYWORDSFIGUREFOUNTAINCONTROLSYSTEMPLC1绪论11喷泉的发展111花式喷泉的国内外发展史喷泉作为一项建筑艺术，在国内外均有较悠久的历史。而音乐喷泉的构思及萌生则是上世纪30年代开始的，1930年，德国的OPRZYSTAWIK奥图皮士特霍首先提出了喷泉与音乐相结合的设想，并设计成小型装置应用于酒店及商场，其后则逐步发展到大型化及多样化。GPRZYSTAWIK继承父业使音乐喷泉更为多姿多彩，并于L952年夏在西柏林工业展览会上进行展示，经纽约一摄影师将其引进应用于纽约无线电音乐厅。从此，音乐喷泉陆续在世界各地应用推广。目前，西方工业发达国家已有制造音乐喷泉成套装置的专业工厂，如美国的WALTZING、MIDAS，加拿大的PEM，意大利的NEONALPINA，日本的KAWAMURA等公司。随着音乐喷泉市场的需求越来越大，国内关于音乐喷泉的研究与开发工作也蒸蒸日上。我国在80年代中期相继引进和自行设计建造了多座音乐喷泉，为美化环境，活跃人民的文化生活起了良好的作用。据不完全统计，2010年整个喷泉行业年总产值也早已达到几十亿元以上。同时我国行政主管和技术监督部门、学术团体和出版界等，也为推动喷泉技术的发展做了不少工作1989年出版的给水排水设计手册，第一次将“水景设计”以专章列入设计手册；1989年出版、1990年开始施行的建筑给水排水设计规范，第一次将“喷泉设计”以专节列入国家设计规范；1990年出版了第一本专门著作喷泉设计；1991年在中国土木工程学会建筑给水排水委员会和中国标准化协会建筑给水排水委员会的大力推动下，成立了第一届“全国喷泉研讨会”，有关喷泉的专门设计规程和术语标准等也公开发布执行。近些年喷泉开始摆脱传统的继电器控制，往工控机、单片机等方向发展，更为先进的是当今PLC已经开始广泛应用于大型喷泉领域。随着人民生活水平的提高，对美化住宅小区以及别墅环境的要求越来越高，小型化音乐喷泉成为一个发展方向。大型音乐喷泉的科技含量高、设计和制造难度大。目前，我国的大型音乐喷泉技术已日趋成熟,但对小型音乐喷泉的研究较少。小型音乐喷泉存在着协调性能差等缺点。小型音乐喷泉系统适用于住宅小区和酒店厅堂等场所，一个好的音乐喷泉就是一个精美的艺术品，可以美化环境、愉悦身心，而其控制系统是整个音乐喷泉的关键。对小型音乐喷泉控制系统的研究具有很大的经济效益和社会效益。112花式喷泉控制的发展现状目前的水景喷泉一般包括固定水景、时控喷泉、程控喷泉、声控喷泉、音乐喷泉5类，控制方式复杂程度由低到高。固定水景喷泉是由电磁阀依次顺序开闭来控制一长列喷嘴而产生的动态水形。若采用放射式控制，势必需要大量电缆线路和控制设备。所以一般采用“一线控制技术”，在一条控制线给及一条电源线上可以连结2048个以内的数控电磁阀；时控喷泉运用定时器控制固定水型的定时切换，此种喷泉控制简单，造价低；程控喷泉控制系统采用可编程序控制技术，定时程序来变化各种水形组合。水泵可以用开关控制，也可用变频控制来改变其水压。若加上彩色灯光便成为“彩色程控喷泉”；声控喷泉控制系统包括声音信号采集转换器和可编程序控制技术可使水型随着音乐声音的强弱变化高低起伏，控制程序控制水型定时切换；音乐喷泉控制系统集合音乐控制、可编程序控制、人工智能控制技术，综合当今国际上最流行的先进科技成果，是一种工业现场控制系统。音乐喷泉控制系统的上位机是多媒体工业PC机组成的现场控制系统,能实现全程实时音控，能自行识别乐曲旋律、节奏、乐感和音频的强弱度。该系统有音频与水形的同步功能，有方便的操作界面和编配乐曲功能。另外在当今喷泉领域中还存在各种趣味、瀑布及超高喷泉等，需要采用专门的控制系统。例如光控踏泉控制器、迷宫喷泉控制器、环形跳泉控制器等。同时，对于大型的广场音乐喷泉往往需要配置监控系统。这对喷泉调试和运行维护都有很大好处。对应于不同的喷泉类型，控制方式也有所不同。1手动控制方式在水景设备运行后，喷水姿态固定不变，一般只需设置必要的手动调节阀，待喷水姿态调节完以后就不再变换；2时间继电器控制方式设置多台水泵或用电磁阀、气动阀、电动阀等控制各组喷头，利用时间继电器控制水泵、电磁阀、气动阀或电动阀的开关，从而实现各组喷头的姿态变换。照明灯具的色彩和照度也可同样实现变换；3音响控制方式在各组喷头的给水干管上设置电磁阀或电动调节阀，将各种音响的频率高低或声音的强弱转换成电信号，控制电磁阀的开关或电动调节阀的开启度，从而实现喷水姿态的变换。简易音响控制法在一个磁带上同时录上音乐信号和控制信号。为使音乐与水姿同步变化，应根据管道布置情况，使控制信号超前音乐信号一定的时间。在播放音乐的同时，控制信号转换成电气信号，控制和调节电磁阀的开关、电动调节阀的开启度、水泵的转速等，从而达到变换喷水姿态的目的。间接音响控制法利用同步调节装置控制音响系统和喷水、照明系统谐调运行。音响系统可采用磁带放音，喷水和照明系统采用程序带、逻辑回路和控制装置进行调节和控制。直接音响控制法直接音响控制法是利用各种外部声源，经声波转换器变换成电信号，再经同步装置协调后控制喷水和照明的变换运行。4）混合控制法对于大、中型水景，让一部分喷头的喷水姿态和照明灯具的色彩和强度固定不变，而将其他喷头和灯具分成若干组，使用时间继电器使各组喷头和灯具按一定时间间隔轮流喷水和照明，在任意一组喷头和灯具工作时，再利用音响控制喷水姿态、照明的色彩和强度的变换。这样就可使喷水随着音乐的旋律而舞动，使照明随着音乐的旋律而变换，形成变化万千的水景姿态。12本课题的研究意义国内在20世纪80年代，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，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。但传统的喷泉控制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。若采用PLC控制，利用PLC体积小、功能强、可靠性高，且具有较大的灵活性和可扩展性的特点，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，从而变换出各式花样，以适应不同季节、不同场合的喷水要求。2PLC概述21可编程控制器简介可编程控制器PC（PROGRAMMABLECONTROLLER）又称可编程逻辑控制器PLC（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），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。22可编程控制器硬件组成可编程控制器的硬件由微处理器、存储器、I/O接口电路、电源、扩展接口、外设接口及编程器等组成。各部分通过总线（电源总线、地址总线、数据总线）连接而成。图1为可编程控制器的硬件简化框图。图1可编程控制器的硬件简化框图23PLC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；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。3系统整体方案设计31花式喷泉控制方案分析方案四组喷头交替喷水此方案共四组喷头，除1号喷头外，其余三组每组的4个喷头都由环形管道连接，每次喷水，同一组的喷头同时喷水，喷泉具体布局见图2。图2四组喷头示意图图2中1号喷头喷出的水柱为4组喷头中最大，喷射高度为4组喷头最高为8（M）。2号喷头喷出的水柱为比1号喷头水柱略小，所喷高度比1号的略低，所喷高度为6（M）。3号喷头所喷出的水柱比2号的水柱小，高度低，所喷高度为4（M）。4号喷头所喷水柱为4组中水柱最小，所喷高度最低，为2（M）。32花式喷泉控制要求图3花式喷泉控制面板1喷泉喷水方式由花样选择开关决定，现考虑3种喷水花样；2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。3花式选择开关在位置1时，按下启动按钮后，喷头1、2、3、4间隔2秒依次喷水，之后一起喷水5秒后停止4秒，再按4、3、2、1的次序间隔2秒依次喷水，一起喷水5秒后停止4秒。以此规律循环，直到按下停止按钮。4花式选择开关在位置2时，按下启动按钮后，喷头1、3同时喷水，4秒后停止，然后喷头2、4喷水，4秒后停止，交替运行5次后，喷头1、2、3、4一起喷水，20秒后停止。以此规律循环，直到按下停止按钮。5花式选择开关在位置3时，按下启动按钮后，喷头按1、2、3、4、4、3、2、1的次序轮流间隔2秒喷水一次，然后一起间隔2秒齐喷两次，之后1、3号喷头同时间隔2秒喷两次，再到2、4号喷头同时间隔2秒喷两次，然后一起间隔2秒齐喷两次，最后全部喷30秒停止。以此规律循环，直到按下停止按钮。33PLC的选择现在应用最广泛的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、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/O10点到最大I/O128点的选择空间。本设计需要速度快而稳定，同时从价格等方面考虑我们选择三菱PLC，本设计所使用的点数不是太多，所以选择三菱FX1N40MR型PLC。34喷头的选择341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。342喷头的选择方案1第1组喷头的选择第1组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以第1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4所示。图4直上喷头实物图及安装简图2第2组喷头的选择第2组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比第1组所喷出的水柱稍细比第1组所喷的水柱要低。所以第2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5所示。图5可调直流喷头实物图及安装简图3第3组喷头的选择第3组喷头应该比第2组喷头喷射高度略低比第4组略高，所喷水柱比第4组水柱略粗壮、挺拔。所以第3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6所示。图6树冰形喷头实物图及安装简图4第4组喷头的选择第4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7所示。图7涌泉喷头实物图及安装简图35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，选择采用潜水泵。因为潜水泵是放置在水下，因此不需要泵房，这样可以降低造价。而且潜水泵能耗低，体积小，重量轻，不需灌引水，使用维护及管理方便，并且达到了节约水资源的目的，具有卧式水泵所不具有的优点，可以适应喷泉的喷水要求。本设计采用QY型油浸式潜水泵。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。使用条件是潜水深度不超过5米，水温不超过40。流量10300M/H，扬程4110M。很适合用于本设计的要求。36阀的选择方案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DC24V水用电磁阀。如图8所示。图8水用电磁阀4系统软件设计41花式喷泉的运行流程图设计图9花式喷泉的运行流程图如图9，通电后，进入工作状态。因为旋转按钮共三种喷水花样可供选择，不论旋到哪个位置，逻辑状态都是1，处于保持通电状态，所以只看启动按钮的通断。如按下启动按钮，喷泉装置运行，若不按，则回到初始状态。按下启动按钮后，喷泉按照设定的程序开始运行。如果不按停止按钮，系统则按照选择的花样一直运行直到按下停止按钮。42花式喷泉控制原理设计梯形图由于其编程简单、使用方便等优点，受到很多技术人员的青睐，但在一些工艺流程控制方面，还存在一下缺点1）自锁、互锁等连锁关系设计复杂、易出错、检查麻烦。2）难以直接看出具体工艺控制流程及任务。状态转移图也称为顺序功能图，它不仅具有程序流程图方便、直观、易读等优点，而且能够处理复杂控制系统中的逻辑关系。因此此设计选择用顺序功能图编程。喷泉控制系统由启动控制程序、复位控制程序、驱动控制程序组成。通过复位控制程序和时间继电器实现喷泉花样的循环，通过驱动控制程序实现喷泉的喷射。43花式喷泉PLC控制接线图设计图10花式喷泉PLC硬件接线图44花式喷泉PLC控制输入输出点分配设计根据该喷泉的开始、停止以及3种花式选择，需要用到五个开关，这五个开关分别接到PLC的五个输入口上。而1、2、3、4四组喷泉口需要用到四组水用电磁阀，这四组电磁阀需要接到PLC的四个输出口上。表1为它们所对应的I/O接口。表1花式喷泉PLC控制输入输出点分配名称元件PLC口起动按钮SB1X0停止按钮SB2X1花式开关位置1SA1X2花式开关位置2SA2X3输入花式开关位置3SA3X41号喷头电磁阀KM1Y02号喷头电磁阀KM2Y13号喷头电磁阀KM3Y2输出4号喷头电磁阀KM4Y345梯形图设计为了解决运用可编程控制器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，而采用顺序功能图SFC来编写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，与应用基本逻辑指令相比，从编程结果可以看出，程序简单、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。本设计借助三菱PLC编程软件GXDEVELOPER886来完成编程。46细分代码编写1如图11所示为按下启动按钮X0后，状态器S0被激活。图11系统启动程序图2如图12所示，X2为花式1选择开关，当X2接通且启动按钮X0按下时，状态器S20被激活，Y0得电，同时时间继电器T0开始计时，2秒后T0常开触点接通。图12X2接通花式1开始运行图13计数器的作用3如图13所示，运用计数器C0可以实现花式2的1、3号与2、4号喷头的交替喷水。状态器S40激活时，Y0、Y2得电，1号和3号喷头的电磁阀导通，1、3号喷头同时喷出水柱；四秒后T0触点接通，2、4号喷头同时喷水，且计数器C0计数一次。C0未达5次且T1触点接通时，此状态返回到S40，以此循环。当C0计数为5且T1触点接通时才转换到下一个状态。图14震荡电路4如图14所示，此编程法可以实现喷头1、2、3、4喷水两次。时间继电器T8得电，1秒后T8常开触点闭合，时间继电器T9得电，同时全部喷头喷水一次，计数器C1计数一次；1秒后T9常闭触点断开，时间继电器T8失电触点还原，导致时间继电器T9也失电触点还原闭合，因此造成第二次时间继电器T8得电，实现全部喷头再次喷水。C1计数为2，条件满足，进入到下一个状态。5系统的仿真