王源基于PLC的模拟喷泉控制系统设计

摘要第一章绪论I7淮安信息职业技术学院毕业论文题目基于PLC的模拟喷泉系统设计学生姓名xx学号08系部xx专业机电一体化班级xx指导教师xx顾问教师xx二〇一三年十月摘要PAGE61-0-Abstract摘要摘要随着我国国民经济的恢复和发展，人民生活水平普遍提高，很多城市的城建和园林主管部门在城市建设改造的过程中，在环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了很多求新的要求。针对传统喷泉的控制系统一旦设计好控制电路，就不能随意改变喷泉样式以及时间等问题，本设计结合可编程控制器（PLC）设计能适应不同季节、不同场合的喷泉控制系统，该喷泉不仅控制简便，而且提高了可靠性和安全性，具有一定工程应用和推广价值。关键词：喷泉、可编程控制器（PLC）、控制系统AbstractWiththerestorationanddevelopmentofournationaleconomy,people'slivingstandardhasbeenimproved,alotofcityconstructionandgardendepartmentsintheprocessoftransformationofthecityconstruction,tobeautifytheenvironmentandculturalatmosphereofalotofnewrequirementsforthefountainset.Forthecontrolsystemofthetraditionalfountainoncedesignedcontrolcircuit,cannotarbitrarilychangethefountainstyleandtimeproblems,combinedwiththeprogrammablelogiccontroller(PLC)designcanadapttothefountaincontrolsystemindifferentseasons,differentoccasions,thefountainnotonlycontrolissimpleandconvenient,butalsoimprovethereliabilityandsecurity,hascertainengineeringapplicationandpopularizationvalue.Keywords:fountain,programmablelogiccontroller(PLC),controlsystem目录目录目录摘要 -1-目录 -1-引言 -2-第一章绪论 11.1本课题设计背景 11.2本课题的研究意义 11.3本课题的设计内容 1第二章控制系统方案的确定 22.1PLC控制系统设计流程图 22.2系统设计的基本步骤 32.3喷泉控制系统的平面布置 3第三章欧姆龙plc的介绍 53.1欧姆龙可编程控制器的简介 53.2欧姆龙可编程控制器的基本特点 53.3欧姆龙可编程控制器的基本功能 63.4欧姆龙可编程控制器的编程语言 73.5欧姆龙可编程控制器的性能指标 7第四章喷泉控制系统的硬件设计 94.1喷泉控制系统的主电路设计 94.2PLC外部接线图 104.3喷泉硬件系统控制图 104.4步进电机的介绍 11第五章喷泉控制系统的软件设计 135.1系统I/O分配表 135.2喷泉控制系统梯形图 13附录 16第六章总结 21致谢 22参考文献 23引言引言引言中国幅员辽阔，地形丰富多样，无论东西、南北，都是拥有江河湖泊，水资源丰富。随着我国国民经济的恢复和发展，人民生活水平普遍提高，很多城市的城建和园林主管部门在城市建设改造的过程中，在环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了很多求新的要求。在喷泉得到的广泛应用中，出现过一些问题和不足，比如自动化水平低下、高能耗等等制约了这个行业的发展。因此，在提高喷泉的自动化水平控制系统，保证喷泉效果，节约运行成本，对我国的喷泉行业具有非常重大的现实意义。喷泉原本是一种自然景观，是承压水在地面的露头。现在在广场、公园、园林中的喷泉，一般都是为了造景的需要，人工建造的具有装饰特性的喷水装置。喷泉可以湿润周围空气，降低气温，减少尘埃。喷泉细小的水珠同空气分子相撞击，能产生大量的负氧离子。因此，喷泉不仅有益于改善城市面貌，还可以增进居民身心健康。现代科技把美妙的、多样的喷泉造型、多彩的水下灯光、神奇的激光图文，通过电脑的串接有机的结合在一起，给人以超自然的感受。随着我国人民生活水平的不断提升，对于精神物质的要求也在不断提高，为了进一步改造环境景观，建设一个喷泉是很有必要的。随着科学技术不断发展，人民物质生活水平的不断提高，喷泉在城市和社区的环境建设当中起着尤为重要的作用。由于在喷泉中采用了大量的高新技术，而且在喷泉中加入了，使喷泉的效果更加绚丽多姿，令人流连忘返。为了改进喷泉的效果,采用以可编程控制器多点控制系统代替大量的继电器线路的方法,通过可编程控制器对喷泉控制系统的彩灯、射灯、水泵的多点进行控制,编写部分程序和简单的连接以实现大量的开关量按照逻辑条件进行顺利动作和进行连锁保护动作的控制。绪论第一章绪论PAGE1绪论5-第一章绪论1.1本课题设计背景喷泉起源很早，公元前6世纪在巴比伦空中花园中已建有喷泉。古希腊时代就已由饮用水的泉逐渐发展成为装饰性的泉。17-18世纪，喷泉在欧洲城市盛极一时。著名的如法国凡尔赛宫的太阳神喷泉，俄国彼得宫的带雕像群的大瀑布喷泉。罗马有3000多个喷泉，被称为喷泉之城。也有一些寓意很深的喷泉小品，如布鲁塞尔的于廉喷泉。它刻画了一个正在聚精会神地撒尿的孩子，相传敌军侵占布鲁塞尔后要炸毁城里的珍宝馆，\o"小于廉"小于廉发现燃烧着的导火线，急中生智，朝导火线撒了一泡尿；珍宝馆保住了，小英雄却壮烈牺牲。为了表彰他的功绩，1619年建造了这个喷泉。

到20世纪,喷泉发展成为一种大型水雕塑，用水柱构成各种形态。如日内瓦莱蒙湖上耸入云表的大喷泉，建于1958年，它用两台1360马力的水泵，将水喷到145米的高空。夜晚，巨型探照灯照射着银色水柱直划夜空，景色壮观。1.2本课题的研究意义喷泉PLC控制系统主要用于人工造景。这类水景近年来在建筑领域广泛应用。PLC作为工业自动化三大支柱的重要一部分，因为其可靠性高、抗干扰能力强、设计安装容易等特点而被广泛的应用于自动化控制的各个领域。PLC控制系统可以很好的完成喷泉控制有助于其实现水柱的各种姿态。因此，进行喷泉的PLC控制系统的设计，可以推动自动化行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。1.3本课题的设计内容本设计用欧姆龙系列的控制器作为控制核心，实现一个模拟喷泉系统的控制功能。模拟喷泉主体有水池、金属管道、电机，喷头及电气控制等四部分组成。电气控制部分由欧姆龙的可编程控制器、步进电机驱动、各种位置电磁传感器和一些低压电器元件组成。可编程控制器作为控制核心，采集输入端口信号后完成各种逻辑控制和数据的运算，然后通过输出端口完成电机的运动和各种信号的现实。第二章控制系统方案的确定淮安信息职业技术学院毕业设计论文PAGE7控制系统方案的确定7-第二章控制系统方案的确定2.1PLC控制系统设计流程图图2-1系统设计流程图在PLC对喷泉控制设计时：第一要熟悉控制系统的特点和工作过程，并归纳出工作循环图；第二要制定喷泉控制系统的控制方案，对PLC进行有效选择，这次根据本次毕业设计，选用的是欧姆龙的CP1H系列的PLC；第三根据控制系统的具体控制要求，列出相应的I/O分配表，对硬件和软件进行设计；第四模拟测试，将设计好的程序导入PLC后，仔细检查和验证，改正程序设计的错误，之后在实验室中进行用户程序模拟运行和调试，观察各个输入量，输出量之间的变化关系以及逻辑状态是否符合设计要求等等，发现问题及时有效的修改，知道满足要求为止；第五将模拟调试好的程序导入PLC中，接好PLC的实际输入接线和负载。2.2系统设计的基本步骤在模拟喷泉控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：1.深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求。2.确定I/O设备。根据模拟喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。5.设计模拟喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个立体仓库系统设计的核心工作。6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。7.模拟喷泉整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。2.3喷泉控制系统的平面布置2-3平面布置图如图2-3，喷泉分四层，控制系统采用PLC作为控制环节，利用PLC的定时器、计数器以及步进指令来实现一、二、三、四各层的不同时序，不同图案的交替变化喷水过程。按下启动按钮，周围四个十字小喷泉的共32个喷头开始喷水，5s后，第一层的喷头也开始喷水，10s后，第二层喷头开始喷水，1和3号小喷泉开始喷水，10s后，第三层喷头开始喷水，2和4号小喷泉开始喷水，10s后，第四层喷头开始喷水。10s后，全部喷水，20s后，第一、二层喷头开始喷水，15s后，第一、三层喷头开始喷水，15s后，第二、四层开始喷水，15s后，所有喷头都开始喷水，15s后，第一层停止喷水，5s后第二、四层停止喷水，5s后第三层停止喷水，如此循环3次，自动关闭。整个系统可以让每个小喷泉单独启动，也可以在任何情况下急停。淮安信息职业技术学院毕业论文第三章欧姆龙PLC的介绍第三章欧姆龙plc的介绍3.1欧姆龙可编程控制器的简介欧姆龙PLC是一种功能完善的紧凑型PLC，能为业界领先的输送分散控制等提供高附加值机器控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力，大程序容量和存储器单元，以Windows环境下高效的软件开发能力。欧姆龙PLC也能用于包装系统，并支持HACCP（寄生脉冲分析关键控制点）过程处理标准。欧姆龙可编程控制器（PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算的电子系统。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。3.2欧姆龙可编程控制器的基本特点①结构灵活不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美。②传输质量高、速度快、带宽稳定可以很平顺的在线观赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。最新的电力线标准HomePlugAV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保QS，HomePlugAV采用了时分多路访问（TDMA）与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。③范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避免信号盲区的存在。而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的发展空间。终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。④低成本充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。目前国内已开通电力宽带上网的地方，其包月使用费用一般为50-80元/月左右，这样的价格和很多地方的ADSL包月相持平。⑤适用面广PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里”的解决方案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。它是利用电力线作为通信载体，使得PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受4.5~45Mbps的高速网络接入，来浏览网页﹑拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一”。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。3.3欧姆龙可编程控制器的基本功能欧姆龙可编程控制器（PLC）采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，按照对输入的程序控制现场的执行机构，按照一定规律进行地动作。其主要功能体现在以下几方面：1.顺序逻辑控制：顺序逻辑控制在PLC领域中应用最为广泛，可取代继电器的控制系统，以实现逻辑控制和顺序控制。它既可以用于单机控制、多机控制，又可利用于自动化生产线的控制。2.定时控制：PLC提供了数量很多的定时器，并且设置了定时器指令。定时精度高，设定方便、灵活，同时PLC还提供了高精度的时间脉冲，用于准确地实时控制。3.计数控制：PLC为用户提供了很多种计数器，例如，普通计数器、高速计数器、可逆计数器等，可用来完成不同用途的计数控制。4.通信及联网：目前大多数PLC都具有通信能力，能够在PLC与计算机（PC）之间同时进行同位链接或者上位链接。3.4欧姆龙可编程控制器的编程语言可编程控制器（PLC）中有多种程序设计语言:梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言以及结构化语句描述语言等等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本的程序设计语言，它通常是由一系列指令组成的，使用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如：代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强的指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，可根据需要去执行更有效的操作，例如：模拟量的控制、数据的操纵、报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图形式，通过软连接的方式来完成所要求的控制功能，不仅在PLC中得到广泛的应用，在集散控制系统的编程与组态时也常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。3.5欧姆龙可编程控制器的性能指标1.扫描周期：反映PLC的执行速度，这个指标很重要；2.程序容量：也就是PLC的内存大小，包括注释存储空间，程序存储空间。空间大，我们发挥的余地就越大；3.扩展能力：可扩展的IO点数，以及可扩展的高性能特殊模块的能力。一般来说，低级的PLC不能扩展特殊模块单元，或者无扩展能力；4.高速脉冲输出能力：用于控制伺服或步进等依靠脉冲来控制的器件。输出脉冲频率低，外部器件动作就慢，达不到要求，一般是20KHZ到500KHZ，欧姆龙的CP1h型号PLC可支持1MHZ高速脉冲输出；5.高速计数输入能力：用于累计输入口接受的信号数，常用于编码器的输入脉冲计数。反映PLC的输入响应速度。6.应用指令：指令的丰富与否与PLC规格有关系，性能低的PLC指令就会少些，性能高的PLC指令就要多，应用的场合也就多了。淮安信息职业技术学院毕业论文第四章喷泉控制系统的硬件设计PAGE22PAGE21淮安信息职业技术学院毕业设计论文10-第四章喷泉控制系统的硬件设计4.1喷泉控制系统的主电路设计图4-1主电路设计图主电路采用交流接触器来控制各个潜水泵，如图4-1，喷泉一层使用一台7.5KW潜水泵拖动；中间三层使用5.5KW潜水泵拖动，周围4个十字小喷泉用3KW的潜水泵拖动。表4-1潜水泵的主要技术参数功率额定扬程水泵样式额定电压额定电流绝缘等级额定转速3KW7m轴流泵380V7.5AE28605.5KW10m离心泵380V11.6AB28007.5KW15m离心泵380V15AB2800主电路的控制方式采用的是用PLC去控制交流接触器的线圈，再用交流接触器线圈得电、失电去控制主触头的开断，从而控制电机运转与停止，再用电机来带动潜水泵。4.2PLC外部接线图图4-2PLC接口的输入与输出输入端：系统的启动、停止按钮以及各个喷泉单独启动按钮。输出端：各喷泉潜水泵连KM1-KM8的线圈，用线圈的得电与失电，来控制交流接触器触电的动作，控制各喷泉工作4.3喷泉硬件系统控制图图4-3喷泉硬件系统控制图4.4步进电机的介绍1.步进电机的概念：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。2.步进电机的主要类型：反应式（VariableReluctance，VR）、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式（HybridStepping,HS）。反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。3.步进电机的工作原理：步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。4.步进电机和驱动器的选择方法：判断需多大力矩：静扭矩是选择步进电机的主要参数之一。负载大时，需采用大力矩电机。力矩指标大时，电机外形也大。判断电机运转速度：转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入。且在选择驱动器时采用较高供电电压。选择电机的安装规格：如57、86、110等，主要与力矩要求有关。确定定位精度和振动方面的要求情况：判断是否需细分，需多少细分。根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。5.步进电机的接线方式：步进电机接线方法是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机接线方法是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机要与步进驱动器一起使用才行，参考驱动器的使用手册就行了。有两相四线，四相五线，五相六线，还有三相的但用的不是很多，多数用两相就够，相数越高步距角越小即越精确（现在有细分器可以更精确了）。以四相五线为例，四相电机工作方式有四拍和八拍两种，也就是四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.八拍即八步，四拍也是一个道理。四相五线中，A,B,C,D四个相线，还有一个公共线，用万用表测电阻，有一根线和其他的线电阻一样的，那就是公共线了。1个脉冲信号转动一个步进角，所以你的控制线要连接驱动电路，驱动的输出连接四个相线，公共线连接地或者电源。6.步进电机的主要特性1．步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2．三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。3．步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。4．改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。第五章喷泉控制系统的软件设计第五章喷泉控制系统的软件设计5.1系统I/O分配表表5-1I/O分配表输入元件符号输入地址输出元件符号输出地址喷泉总启动SB10.00一层继电器KM1100.01喷泉总停止SB20.01二层继电器KM2100.02喷泉一层启动SB30.02三层继电器KM3100.03喷泉二层启动SB40.03四层继电器KM4100.04喷泉三层启动SB50.04外圈1号继电器KM5100.05喷泉四层启动SB60.05外圈2号继电器KM6100.06小喷泉1号SB70.06外圈3号继电器KM7100.07小喷泉2号SB80.07外圈4号继电器KM8100.08小喷泉3号SB90.08小喷泉4号SB100.09PLC控制系统像一般的计算机控制系统一样，也是由硬件和软件两个部分组成的，硬件是指PLC本身及其外围设备，软件是指管理PLC的系统软件，PLC的应用程序，编程语言和编程支持工具软件。本次设计采用欧姆龙PLC中的CP1H型，使用欧姆龙的CX-Programmer软件来进行编程。5.2喷泉控制系统梯形图本次毕业设计采用的是步进指令，根据人工喷泉需要实现的功能，以及运用梯形图相比较，步进指令更适合编程。状态与状态之间的分隔转换，相邻状态具有不同的动作，当相邻两状态之间的转换条件得到满足时，就可以实现转换。淮安信息职业技术学院毕业论文第五章喷泉控制系统的软件设计先按下启动按钮I：0.00，喷泉进入工作状态。旁边的两个小喷头就开始喷水,同时第一层的喷头也开始喷水，延时3s后，第二层的喷头开始喷水，延时3s后，第三层的喷头开始喷水，延时3s后，第四层的喷头开始喷水，延时3s后，第一层和第二层的喷头开始喷水，延时5s后，第三层和第四层的喷头开始喷水，延时5s后，第一层、第二层、第三层、第四层的喷头都开始喷水,延时4s后,第一层的喷头停喷,延时5s后,第二层的喷头停喷,延时5s后,第三层的喷头停喷,延时5s后,由此进行一个小循环系统:第一层和第三层的喷头开始喷水,延时8s后,第一层和第三层的喷头开始喷水,如此循环3