专业综合应用与工程能力实践训练

专业综合应用与工程能力实践训练—自动喷泉的PLC控制院、部： 电气与信息工程学院学生姓名： 蒋佳学号： 10401240115指导教师： 董海兵职称兵师专业：电气工程及其自动化班级：电气本1001班完成时间： 2014年1月04日自动喷泉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，对自动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。本文结合任务设计书的要求，以自动喷泉为研究对象，采用了FX2N系列PLC作为喷泉的控制器。对自动喷泉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。提出了喷泉硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案，并对控制方式进行了设计和程序的编写。本设计改善了喷泉系统的控制品质，并真正地达到了实时控制的要求。关键词：PLC；喷泉；控制系统AbstractFancyfountaininrecentyearstheemergenceofalandscapearchitectureandfancywatchaproductofacombination.WiththeprogrammablecontrollerinChina'srapiddevelopment,fancyfountaincontrolrequirementshavebecomemoresophisticated,makingmoreandmorecontroloversomeoftheneedsprogrammablelogiccontrollertoachieve.Inthispaper,thetaskdesigndocumentrequirementstofancyfountainastheresearchobject,usingFX2NseriesPLCasthefountaincontroller.Fancyfountaincontrolsystemsfortheoverallfunctionoftheanalysis,describedthecompositionandtheprogrammablecontrollerworks.Fountainmadeoftheconstituenthardwaremodulesandthedetaileddesignofhardwaremodules,andcontrolthemannerandproceduresforthepreparationofthedesign.Thisdesignimprovesthefountainsystem,controlquality,andtrulyachievethereal-timecontrolrequirements.Keywords:PLC;fountain;controlsystemTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1设计要求 1\o"CurrentDocument"1.1本设计的基本要求： 1\o"CurrentDocument"1.2设计任务 1\o"CurrentDocument"2方案论证对比 2\o"CurrentDocument"2.1方案一单片机喷泉控制系统 2\o"CurrentDocument"2.2方案二工控机喷泉控制系统 3\o"CurrentDocument"2.3方案三PLC喷泉控制系统 32.4方案对比与选择 4\o"CurrentDocument"3硬件系统 5\o"CurrentDocument"PLC的选型 5\o"CurrentDocument"FX2N-48MR介绍 5\o"CurrentDocument"I/0点数的分配 6\o"CurrentDocument"3.4系统外部接线图 6\o"CurrentDocument"4软件系统设计 7\o"CurrentDocument"4.1四种花样喷泉控制流程 7\o"CurrentDocument"4.2程序设计 8\o"CurrentDocument"5系统调试 9\o"CurrentDocument"5.1程序的模拟调试 9\o"CurrentDocument"5.2程序的现场调试 9\o"CurrentDocument"6PLC监控系统设计 10\o"CurrentDocument"Developer软件简介 10\o"CurrentDocument"GXDeveloper的特点 10\o"CurrentDocument"I/O分配 11\o"CurrentDocument"结束语 14\o"CurrentDocument"致谢 15\o"CurrentDocument"参考文献 16\o"CurrentDocument"附录：梯形图 171设计要求1.1本设计的基本要求：有16个彩灯代表16个喷头，有4个选择按钮，如下图1-1所示。实现四种以上的自动喷泉花样。图1-1喷头分布与方式选择按钮1.2设计任务根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行自动喷泉的控制原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。主要内容包括：设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；系统有启动/停止，单步/连续功能按钮；运用跳转、移位等功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；实现四种以上的自动喷泉花样控制；程序结构与控制功能自行创新设计；用组态王监控组态软件，设计出上位监控系统；进行系统调试，实现自动喷泉的控制要求。2方案论证对比2.1方案一单片机喷泉控制系统单片机也成为单片机微型计算机，是把微型计算机的各部件一一中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器/计数器等制作在一块集成电路芯片上，构成一个完整微型计算机。由于单片机在一块小芯片上就集成了一台计算机有具备的功能，所以其在工业控制中占据很重要的地位。它具有超小型化、结构紧凑、抗干扰能力强等优势。特别适用于实时工业测量控制、智能化仪器仪表和家用电器控制等应用系统。目前，市场上流行的单片机种类繁多，如 MCS-51系列、凌阳公司的SPCE061A16位单片机、美国TEXASINSTRUMENTS公司的MSP430系列单片机、ARM嵌入式单片机等都是各优点，在不同的领域中有着很好的应用。单片机控制系统用于喷泉控制是完全可行的，它可以通过定时器/计数器队喷泉喷射的时间进行控制，并且也可以串行接口与上位机进行通讯。由于单片机的价格比较便宜，所以大批量生产时的性能价格比很高。但由于单片机需要附属很多的外围电路，对电路的设计水平要求很高，否则便很可能降低系统的稳定性。而且，由于喷泉控制系统很少会有批量生产的情况，对于小规模制作时，PCB印刷电路板的制作成本是很高的。综上所诉，此次设计采用单片机控制系统不是最佳方案。图2-1原理框图2.2方案二工控机喷泉控制系统工控机即工业控制计算机，但现在更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑，英文简称IPC。工程机通俗的说就是专门为工业现场儿设计的计算机。而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业急一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。要求具有长时间工作能力。对于工控机作为喷泉系统，由于喷泉控制系统的环境相对工业控制的环境要好得多，而且喷泉控制系统队连续长时间工作的能力要求不是很高。用工控机设计喷泉系统实属大材小用。而且工控机的价格较同层次的PC机要偏高，这样就增加了系统的成本，降低了整体的性价比。图2-2原理框图2.3方案三PLC喷泉控制系统自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器 (ProgrammableLogicController，PLC)取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各国得到了广泛应用。PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。对于喷泉控制系统这样，被控对象是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在组态软件设计方面要容易一些。且PLC通常都支持现场总线，会使得系统通信得到有利保障，更适合实现上位机的远程监控。目前适用于喷泉控制的中小型PLC种类繁多，价格低廉。使设计者会有更多的选择余地。系统整体造价会比工控机低，而且不会降低系统的稳定性。单片机控制系统用于喷泉控制是完全可行的但由于单片机需要附属很多的外围电路，对电路的设计水平要求很高，否则便很可能降低系统的稳定性。而且，由于喷泉控制系统很少会有批量生产的情况，对于小规模制作时，PCB印刷电路板的制作成本是很高的。对于工控机作为喷泉系统，由于喷泉控制系统的环境相对工业控制的环境要好得多，而且喷泉控制系统队连续长时间工作的能力要求不是很高。用工控机设计喷泉系统实属大材小用。而且工控机的价格较同层次的PC机要偏高，这样就增加了系统的成本，降低了整体的性价比。目前适用于喷泉控制的中小型PLC种类繁多，价格低廉。使设计者会有更多的选择余地。系统整体造价会比工控机低，而且不会降低系统的稳定性。经过以上三种控制系统的可行性分析可以看出，以PLC为下位机，PC机位上位机组成的控制系统是此次设计喷泉控制系统的最佳方案。根据设计要求，该喷泉控制系统由PLC下位机及上位机PC组成，PLC队喷泉的水泵进行时序控制，产生各种不同的喷水造型。需设计四种不同的喷泉类型。上位机编写组态软件对喷泉的工作状态进行实时监控。要求喷泉控制程序能够产生不同的喷水造型，并且符合美学表追，逻辑合理。组态软件要求画面美观大方，具备人机对话功能，且操作简单。3硬件系统PLC的选型在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。（1） 输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%-20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。（2） 存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。（3） 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。根据本课题所设计控制的需求。通过对输入/输出点的选择、对存储量的选择？对I/O响应时间的选择输出负载的特点选型的分许。该控制系统选用三菱公司FX2N系列的PLC。它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的链接，可以增加输入/输出点数。我设计的花式喷泉模型共有6个输入，16个输出，因此，选用型号为FX2N-48MR的PLC。FX2N-48MR介绍FX2N-48MR的PLC是日本三菱公司的可编程控制器（PLC）,继电器输出，输入24点，输出24点.FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。有功能很强

的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。3.3I/0点数的分配根据系统要求所选择的I/O功能分析的到系统需要六个输入点，分别为一个启动按钮，一个停止按钮，四个模式选择开关。十六个输出点，分别为十六盏指示灯。分布表如表3-1所示：表3-1I/O分配表功能元件输入点功能元件输出点启动按钮SB1X0指示灯L1Y1停止按钮SB2XI指示幻L2Y2花样选择开关K1X2指小灯L3Y3花样选择开关K2X3指示灯L4Y4花样选择开关K3X4指示灯L5Y5花样选择开关K3X5指小灯L6Y6指示灯L7Y7指示灯L8Y10指小灯L9Y11指小灯L10Y12指示灯L1IYI3指示灯L12YI4指示灯LI4Y16指示灯L15Y17指示灯LI6Y203.4系统外部接线图本设计根据系统要求所设计的系统主硬件电路接线图，其中PLC的六个输入点分X0到X5分别接启动按钮，停止按钮，花样选择开关1到4,然后并联到COM口。十六个输出点Y1到Y20分别接指示灯L1到L16，然后并联到COM口接24V电源。如图3-2所示：停止按钮_模式=_模式三模式四停止按钮_模式=_模式三模式四L" 启动按钮T1XI卜 Y3K Y4X2£ 2X3 4 Y/Y10X4试 Y11■' Y12Y13丫14COM丫15Y16N丫17丫印1LCOM图3-2系统硬件接线图4软件系统设计4.1四种花样喷泉控制流程系统具有的功能按照设计要求有16个彩灯代表16个喷头，有4个选择按钮，实现四种以上的自动喷泉花样，4个选择按钮分别控制4种喷泉花样，同时四种喷泉花样应该相互独立，按照要求设计出如下四种喷泉花样，喷泉一、喷泉二、喷泉三、喷泉四。程序控制流程系统控制流程如下四个喷泉控制过程。喷泉一：按下启动按钮X0，再按下K1按钮选择花样喷泉1模式6号喷头先喷，1s后11号喷1s后7号喷，1s后10号喷喷同时喷5s后，6、7、10、11都停重复循环②-④步骤喷泉二按下K2选择花样喷泉2模式3号喷头先喷，2s后12号喷2s后14号喷头喷，2s后5号喷3、12、14、5同时喷10s重复循环②-④步骤喷泉三：按下K3选择花样喷泉3模式2、8、15、9同时先喷10s再1s后一次间隔1s停重复循环②-③步骤喷泉四：按下K4选择花样喷泉4模式1、4、16、13同时喷1分钟后同时停重复循环②-③步骤3流程图:

根据喷泉一、喷泉二、喷泉三、喷泉四的控制要求，画出PLC控制系统控制花样喷泉的程序流程图，首先通过启动按钮来控制PLC的开关，由选择按钮K1、K2、K3、K4来控制喷泉的四种花样模式。流程图如下图4-1所示。图4-1程序流程图4.2程序设计根据喷泉的控制流程，可得按下启动按钮，再选择模式选择开关后，喷泉按4种模式之一控制要求进行喷泉，具体的控制过程如上所示程序控制流程，所以参考以上的程序流程可以写出梯形图（见附录）。按下启动按钮判断开关是否在位置4判断开关是否在位置1判断开关是否在位置2判断开关是否在位置3执行模式1执行模式2执行模式3执行模式45系统调试PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。5.1程序的模拟调试将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通/断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。5.2程序的现场调试完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。6PLC监控系统设计Developer软件简介GXDeveloper是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。GXDeveloper的特点软件的共通化GXDeveloper能够制作Q系列，QnA系列，A系列(包括运动控制(SCPU)),FX系列的数据，能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。利用Windows的优越性，使操纵性奔腾上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。程序的标准化标号编程用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要熟悉软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。功能块(以下，略称作FB)FB是以进步顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得轻易。此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输进错误。宏只要在任意的回路模式上加上名字(宏定义名)登录(宏登录)到文档，然后输进简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。能够简单设定和其他站点的链接由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。能够用各种方法和可编程控制器CPU连接经过串行通讯口经过USB经过MELSECNET/10(H)计算机插板经过MELSECNET(II)计算机插板经过CC-Link计算机插板经过Ethernet计算机插板经过CPU计算机插板经过AF计算机插板丰富的调试功能由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。自动喷泉PLC控制：没有必要再和可编程控制器连接。没有必要制作条使用的顺序程序。在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。I/O分配将所有I/O点的参数收集齐全，填写表格(如表6-1)，以备在监控组态软件和PLC上组态时使用。I/O位号名称说明正常状态信号类型逻辑极性是否需要累计运行时间I/O类型如下表所示。表6-1I/O分配表P001/0实型21PLCP00P01I/O实型22PLCP01P02I/O实型23PLCP02P03I/O实型24PLCP03开关I/O实型42PLCM00图6-2串口设置对话框

将所有I/O点的I/O标识收集齐全，并填写表格，I/O标识是唯一地确定一个I/O点的关键字，组态软件通过向I/O设备发出I/O标识来请求对应数据。在大多数情况下I/O标识是I/O点的地址或位号名称。设备配置向导——生产厂家、设备名称、通讯方式 区I设备配置何导格辅助壕完成设备的安装所选设备通讯方式然后单击下一步请翼生产厂家设戛称一一三套+CCLIHK曰FX2所选设备通讯方式然后单击下一步请翼生产厂家设戛称一一三套+CCLIHK曰FX2FX2_48S+MelsecAMelsecAnA+Q系列中1C24Q系列以大网+中型PLC以太网+^^tEZSoelcet♦松下+西门子生产厂家：三美设备名称:FX2,西诘猫迷：铺程口图6-3设备配置向导对话框开关1内存离散43表6-4I/O点地址表Q1内存离散25Q2内存离散26Q3内存离散27Q4内存离散28Q5内存离散29Q6内存离散30Q7内存离散31Q8内存离散32Q9内存离散33Q10内存