花式喷水池装置PLC控制设计

1、长沙师范学校（专科）电子信息工程 系 计算机实施软件控制方向 专业2010级毕业论文（设计）题目: 花式喷水池装置PLC控制设计 姓名 李 双 学号 2010541330316指导教师（签名） 2012年11月07日长沙师范学校（专科）毕业论文（设计)诚信承诺书本人郑重承诺：我所撰写（完成）的论文（设计）花式喷水池装置PLC控制设计是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 年 月 日长沙师范学校（专科）毕业论文（设计）评审登记表评价基元评价要素评价内涵满分实评分选题质量

2、20目的明确、符合要求符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到毕业论文（设计）综合训练的目的。6理论意义或实际价值符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实践价值。7选题恰当选题范围恰当，难易适中；有一定的科学性。7写作态度与能力水平25检阅中外文献资料能力能独立检阅中外相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。5综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行分析、整理和运用；能对其科学论点进行例证。5写作计划或提纲的撰写能力进度恰当，思路清晰，合理可行5研究方法和手段的运

3、用能力能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、整合信息。5写作态度写作态度认真、端正、虚心、严谨。5论文质量55文题相符较好地完成论文选题的要求。5写作水平视角新颖；主题突出；论点鲜明；论据充分；论证有力；结构完整；条理清晰；语言流畅。40写作规范符合科学论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位，各种资料引用的规范化（符合标准）。5论文篇幅文科4000字左右，理科3500字左右。5指导教师评定成绩：实评总分 成绩等级 指导教师（签名）：说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90分（含90分）以上记为优秀,8

4、0分（含80分）以上为良好，70分（含70分）以上记为中等，60分（含60分）以上记为及格，60分以下记为不及格。长沙师范学校（专科）毕业论文（设计）评审登记表指导教师评审意见评语：评定等级： 指导教师（签名）：论文指导小组意见评语：评定等级： 负责人（签名）：学校抽查意见评语：评定等级： 负责人（签名）：长沙师范学校（专科）毕业论文（设计）内容摘要论文题目花式喷水池装置PLC控制设计作者姓名李双所属专业、级别电子信息工程系10级计算机实施软件控制方向指导教师姓名张克新字数6,333定稿日期2012年11月7日内 容 摘 要花式喷水池是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物。随着可

5、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，使得越来越多的控制部分需要可编程控制器来实现。使用PLC控制花式喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。采用了三菱FX2N系列可编程序控制器作为喷泉的控制器。对花式喷水池的控制系统的总体功能进行了分析，阐述了可编程控制器的组成和工作原理。并提出了喷水池硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案。本设计改善了喷泉系统的控制品质，并达到了实时控制的要求。关键词花式喷泉、PLC、三菱FX2N目 录摘 要1第1章 绪 论2第2章 课程设计的目的、意义及其背景32.1课程设计的目的及意义32.2课题背景3第3章 花式喷水池装置PLC

6、控制设计43.1花式喷水池总体设计43.2花式喷水池控制设计要求5第4章 花式喷水池装置的硬件设计74.1 PLC的选择7411 PLC简介74.1.2 PLC的选型742变频器的选择8421变频器简介8422变频器的选型843花式喷泉控制原理944 PLCI/0地址分配945 PLC硬件接口图1046I/0接口接线图分配10第5章 花式喷水池装置的软件设计115.1 系统程序设计流程图1152系统状态转移图12第6章仿真、测试及结果136.1花式喷泉的人机界面组态136.1.1花式喷泉人机界面的创建136.2 组态王系统单元选择136.3花式喷泉调试结果14设计总结16致谢17参考文献18附

7、录1：程序梯形图19附件2：程序指令表22摘 要花式喷水池是近年来出现的一种园林建筑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，使得越来越多的控制部分需要可编程控制器来实现。使用PLC控制花式喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。采用了三菱FX2N系列可编程序控制器作为喷泉的控制器。对花式喷水池的控制系统的总体功能进行了分析，阐述了可编程控制器的组成和工作原理。并提出了喷水池硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案。本设计改善了喷泉系统的控制品质，并达到了实时控制的要求。 关键字：花式喷泉、PLC、三菱FX2N23第一章 绪 论

8、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

9、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。第2章 课程设计的目的、意义及其背景2.1 课程设计的目的及意义随着微电子技术的发展，可编程序控制器（简称PC或PLC）以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等领域，成为一种多功能、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。我们这次机电传动控制课程设计的主要目的，是通过对某个简单的自动化生产设备、某条简单的自动化生产线、某些简单的工艺过程的调查研究，使我们大家明确生产工艺对电气控制提出的各项要求。根据这些要求，进行基本的原理设计、工艺设计和操作设计，使我们在课程设计的全过程中

10、，进一步明确设计任务中的各项要求，建立课程设计工作的整体概念，从工程环境、实现手段和操作方式的各个环节入手来设计控制程系统，通过不断的调试和完善软硬件设计，最终能够满足这些要求。这次课程设计不仅培养了我们的工程应用能力，独立完成工作的能力外，还培养了我们文献信息检索的能力和对所学知识的综合运用的能力，并为我们的毕业设计以及毕业后的工作能力打下良好的基础。2.2 课题背景在许多休闲广场、景区或游乐场所里,人们经常看到喷泉按一定的规律喷水,景色迷人;传统的喷泉控制采用单片机控制原理，通过可控硅作为功率开关元件，完成对潜水泵间歇工作的控制，可实现各种花样的喷水，但是这种控制系统在实践中存在以下缺点：

11、由于可控硅承受过电压、过电流的能力差，因而不能长时间运行；需要配置较多的保护电路；程序的增减、修改和运行监视不灵活；抗干扰能力差；功率因数较低等。为有效解决上述问题，确保控制系统的正常运行，我们就可以采用PLC 控制。PLC具有体积小、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。第3章 花式喷水池装置PLC控制设计3.1 花式喷水池总体设计（1） 花式喷水池示意图图a中4为中间喷水管，3为内环状喷水管，2为中环形状喷水管，1为外环形状喷水管。图b中的选择开关

12、可有4种选择，可分别用4个开关模拟实现；单步/连续开关为“1”= 单步，“0”= 连续，其他为单一功能开关。(2)花样模式控制设计效果图花式喷泉的图案设计方案，该设计的花式喷泉呈雪花图案, 其造型如图1所示, 图中1为星状喷水管, 2、3为内环形状的喷水管, 4、5为外环形状的喷水管。所有喷头的下方都并联了对应色彩的彩灯, 每一圈为一色。从内到外, 第1圈为粉红色, 第2圈为绿色, 第3圈为黄色, 第4圈为紫色, 第5圈为蓝色。该花式喷泉有4种喷水花样可供选择。（3）花式喷泉开关控制方法1、花样选择开关一置位时, 按下启动按钮后, 按图2时序工作, 40 s为一个循环周期, 如果为单步工作方式

13、, 则停止; 如果为连续工作方式, 则继续循环周期。2、花样选择开关二置位时, 按图3时序工作, 42 s为一个循环周期。 3、花样选择开关三置位时, 按图4时序工作, 66 s为一个循环周期。4、花样选择开关四置位时, 按图5时序工作, 116 s为一个循环周期。 图1-1 花样1所示 图1-2花样2所示 图1-3 花样所示 图1-4 花样4所示3.2 花式喷泉控制设计要求 1、水池控制电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置即开始工作。按下停止按钮，则停止喷水。工作方式由“选择开关”和“单步/连续”开关来决定。2、“单步/连续”开关在单步位置时，喷水池只运行一个循环；在连续位置时，喷水池反复

14、循环运行。3、方式选择开关用以选择喷水池的喷水花样，14号喷水管的工作方式选择如下：a）选择开关在位置“1”按下启动按钮后，4号喷水，延时2s，3号喷水，再延时2s，2号喷水，再延时2s，1号喷水，接着一起喷水15s为一个循环。b)选择开关在位置“2”按下启动按钮后，1号喷水，延时2s，2号喷水，再延时2s，3号喷水，再延时2s，4号喷水，接着一起喷水30s为一个循环。c) 选择开关在位置“3”按下启动按钮后，1、3号同时喷水，延时3s后，2、4号同时喷水，1、3号停止喷；交替运行5次后，再14号全部喷水30s为一个循环。d) 选择开关在位置“4”按下启动按钮后，喷水池14号水管的工作顺序为：

15、1234按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s后，1、2、3和4号水管分别延时2s停（4）不论在什么工作方式，按下停止按钮，喷水池立即停止工作，所有存储器复位。第4章 花式喷水池装置的硬件的设计4.1 PLC的选择4.1.1 PLC简介可编程控制器是以计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技为基础而发展起来的一种新型工业控制装置。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

16、、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。4.1.2 PLC选型FX2系列PLC是由三菱公司1991年推出的高性能小型可编程控制器的产品，以逐步替代三菱公司F、F1、F2系列PLC产品。FX0是在FX2之后推出的超小型PLC,近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。对于小的系统，如80点以内的系统一

17、般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展仍不能满足要求时，可采用网络结构；同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意各公司的扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块、输入输出模块、温度模块、高速输入模块等。 PLC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。图 1-5 三菱FX2N -4MR型PLC外形图片4.2 变频器的选择4.2.1 变频器简介技术是针对固定工频而采取的高效节能措施，变频调速工频（50Hz）是发电的最佳频率，但它并非是所有用电设备的最佳工作频率，因而导致许多设备长期处于低频率、低功率引

18、述运行状态。占全国耗电2/3的交流电动机目前大多数还在工频、恒速下运动，运行效率只有60%左右。为了提高效率，所以在本设计中用到变频器。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。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。整流部分为三桥式不可控整流器，逆变比分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。4.2.2变频器的选型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

19、制等。（2）变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，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，以最大电流确定变频器电流和过载能力。3.转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生。 本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水的高度。我选用的是FR-S520（E）系列变频调速器。其实物图如图所示图1-6 FR-S520（S）E系列变频调速器的实物图4.3 花式喷泉控制原理本次设计的

20、喷泉控制系统由启动控制程序、位移脉冲控制程序、复位控制程序、驱动控制程序、停止控制程序组成。通过启动控制程序实现喷泉的准备，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，通过停止程序来实现对喷泉的停止。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所示：图1-7 花式喷泉控制系统原理图4.4 PLC I/O 地址分配表1.1 I/O地址分配表名称 元件PLC元件说明输入启动按钮开关SA1X0启动喷泉系统单步循环选择开关开关SA2X6选择是否循环状态停

21、止按钮开关SA3X5停止喷泉系统1号方式选择开关选择器开关1X1喷泉选择1号方式喷水2号方式选择开关选择器开关2X2喷泉选择2号方式喷水3号方式选择开关选择器开关3X3喷泉选择3号方式喷水4号方式选择开关选择器开关4X4喷泉选择4号方式喷水输出喷水池工作指示电源指示灯Y01号喷水阀工作1号喷水阀Y11号喷水阀喷水2号喷水阀工作2号喷水阀Y22号喷水阀喷水3号喷水阀工作3号喷水阀Y33号喷水阀喷水4号喷水阀工作4号喷水阀Y44号喷水阀喷水4.5 PLC硬件接口图图1-8 PLC硬件接口图4.6 I/O接口接线图分配 图1-9 I/O口分配接线图第5章 花式喷水池装置的软件设计5.1 系统程序设计

22、流程图5.2系统状态转移图第6章 仿真、测试及结果组态王软件（Kingview）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。6.1 花式喷泉的人机界面组态组态王开发监控系统软件，是

23、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。该设计选用亚控科技的组态王6. 5软件来实现人机界面的制作 5。组态王是一个集成人机界面(HMI) 系统和监控管理系统的工业上位监控软件, 可与可编程控制器( PLC)、智能模块、板卡智能仪表、远程数据采集装置(RTV )等多种外部设备进行通讯。6.1.1 花式喷泉人机界面的创建 ：(1）创建工程路径；(2）创建组态画面；(3）定义 I/O设备；(4) 构造数据库；(5)I/O设备管理与动画连接设备管理。6.2 组态王系统单元选择1、按钮单元、喷泉模拟单元介绍喷泉模拟单元由四个长方体组成，分别代表A、B

24、、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。 图1-10 组态王按钮单元 图1-11 组态王喷泉模拟单元6.3花式喷泉调试结果图1-12 花样喷泉静态画面设置图1-12 调试过程花样所创建的静态画面如图1-11所示4个按钮开关对象分别对花样 1、2、3、4, 重复及停止按钮; 25个信号指示灯由内向外围成 5圈, 呈雪花状分布代表喷嘴及彩灯。程序运行组态监控 要进行程序运行监控, 必须完成PLC与上位计算机监控软件和软件组态王之间的通讯 5- 6。三菱FX2N -4MR型PLC与工控组态软件 W inCC、组态王之间可进行连接, 实现 PLC与上位计算机之间的通讯。PC

25、机上的设备管理器端口设置应与组态王中的端口设置相同,以保证通信正常。启动组态王运行系统 VIEW, 运行该花式喷泉仿真系统将 PLC开关指向 RUN 状态, 按照花式喷泉的控制要求, 依次按下各花样选择按钮,观察花式喷泉仿真系统的运行结果, 均能看到闪烁循环过程。实验结果表明: 系统运行正常,动画效果良好。运行组态静态图后, 按下按钮 START ,由组态给出一个控制信号通过MPI电缆传送到 PLC硬件, 在硬件内部实现程序控制,将输出信号经过MPI电缆送回组态王内部,控制指示灯和彩灯线条的输出,可动态显示喷泉的输出形态。图 11为花样 4动态显示的瞬间。指示灯由内向外,依次闪烁,停顿 2S后

26、,再由外向内依次闪烁,最后同时输出。图为花样完成 5圈同时输出,图中的各色虚线分别代表各个位置彩灯的输出。设计总结本次设计,通过对花样喷泉系统的控制,真正的把专业知识应用到实践中,加强了我的动手能力。该研究设计通过软件的编程，主要阐述了四种喷水花样的喷泉控制系统的设计, 并进行了相应的组态王监控的调试, 取得了预期的效果。实际运用中可根据需要进行花样翻新和添加。在设计中,遇到了不少问题,通过努力研究,一个一个解决了,系统模拟非常成功,总的来说,这次设计不难,关键在于细心,有时一些小问题,让我走了很多弯路,真正让我感觉到了学以致用的重要性。三年来，我认真地学习了专业课程基础知识，具有一定的设计理论基础和独立设计能力，由于毕业设计的课题是一种整体性的，系统性的设计，我真的是很努力地在做，但还是感到力不从心，因而这次设计在深度和广度上都有一定的局限性，不过，我认为还是提高了认识，利用学到了东西进行来实现系统的设计。所以我要感谢所有的任课老师，是您们的教育和培养，才使我学有所获。通过这次毕业设计增长了知识面，学会了怎样把很多独立的东西结合起来用，结合起来设计成一个系统。致谢 首先诚挚的感谢指导老师张克新老师，在你的悉心教导下使我的毕