【《基于PLC控制的小区喷泉系统设计》11000字（论文）】

目录目录基于PLC控制的小区喷泉系统设计摘要本文介绍可实现变换花样，人机交互可视，应用于生活小区的花样喷泉设计。设计以喷泉为对象采用三菱PLC为主控制器，采用变频器变频调速，同时引入红外传感技术优化设计，为人们提供安全、美丽的水景喷泉。喷泉系统具有编程简单、接线方便、拓展性好等优点，可人机交互或重新编程改变和增加花样。通过红外传感控制实现安全智能控制，避免喷泉伤人事件。科技发展就是不同领域的技术整合，喷泉设计也是如此。所以，拥有人机交互和智能安全设计的PLC生活小区花样喷泉是中小型广场喷泉的发展方向，具有极大研究价值和商业价值。关键词：PLC喷泉人机交互智能安全目录TOC\o"1-2"\h\u1328摘要 第二章某生活小区喷泉整体设计第二章某生活小区喷泉整体设计2.1设计要求本次课题设计喷泉装置设计、控制系统设计、软件设计和组态动画仿真。喷泉装置设置主要注重系统的完整性和美观性，重点设计为控制系统设计，在控制系统设计完成后设置匹配软件对应工作，最后进行组态动画仿真模拟。花样一：按下启动按钮SB1，喷头以5S的时间间隔，按照A-B-C的顺序喷水；停止时，按下停止按钮SB2，喷头以5S的时间间隔按照C-B-A的顺序停止；图2-1校园花样喷泉花样一

花样二：按下启动按钮SB1，喷头A喷水10秒后停喷的同时喷头B、C一起喷水，B喷水10秒后停喷，C喷水20秒后停喷的同时A、B一起喷水14秒，C喷水20秒后停喷4秒又喷10秒停喷。A、B、C三组喷头都停6秒后进入下一个循环。图2-2校园花样喷泉花样二在喷泉喷水过程中，如果人或宠物不小心闯入喷水区域时，传感器检测到误闯者的信号，停喷误闯者身边的喷泉，误闯者离开后警示灯灭，喷泉继续。2.2布局及特色本次方案拟采用三组喷头共计二十七个喷头，其中A组三个中心喷水管，B组内环形状喷水管四个，C组二十个外环形状喷水管。喷水池整体呈现外围长方形，整体规划合理不紧凑，观光距离长，适合生活区群众驻足观赏，且符合大众审美标准。A组A组B组C组图2-3生活小区喷泉布局图第三章某生活小区喷泉的硬件系统设第三章某生活小区喷泉的硬件系统设计3.1控制系统设计一般生活小区喷泉系统主要由喷泉控制系统硬件管路系统和灯光系统构成。如图3-1所示，喷泉系统主要由控制器、变频器、水泵、电磁阀、触摸屏、各种喷头、其它控制元件以及供水管路系统组成。其中控制器常用单片机、PLC等控制设备对喷泉花样进行编程控制；变频器则是通过对PLC的通信实现对水泵的调速从而控制喷水高度；电磁阀的开闭通合进一步实现喷泉花样动作；而触摸屏的使用是为了实现人机交互对喷泉进行花样选择和人为控制。此外，生活小区花样喷泉系统除了喷泉系统还进行了优化加入了灯光系统和传感器系统。灯光系统采用红绿黄三种色灯，不仅对夜间喷泉起到了照明作用同时配合喷泉系统营造美丽的喷泉夜景。图3-1生活小区花样喷泉总控制图3.2主控方案选择花样喷泉控制是一个复杂、连续、灵巧的过程，其花样功能的实现是通过预先设计好的包含喷水方式和灯光的程序，借助控制器发出控住信号达到对花样的控制。在工业工程中，被选为控制的一般是：继电器，PLC，单片机；同样花样喷泉控制主要也为上述三种控制方式。因此，比较三种控制方案的优缺点选取合适的方案对喷泉系统的成功与否起着决定作用。主控方案分析：传统继电-接触控制器控制空间占有量大，元件易疲劳工作和损坏，特别是触电易产生电弧将元件熔在一起导致误操甚至短路等严重后果，更不适合工作于喷泉潮湿的环境，所以不便选为喷泉控制元件。而单片机作为一种集成电路虽然解决了继电接触控制器的上述缺点，却因其自身存在的诸如结构复杂、编程复杂的缺点止步于喷泉中的应用。PLC控制则不同于前者，其具有可靠性、功能齐全、响应速度快、体积小、编程简单、环境适应性强等方面的优势，非常适合花样喷泉系统中的使用，包括控制的精度、复杂度以及潮湿的工作环境。所以综上方案三是生活小区花样喷泉设计的绝佳控制方案，同时基于PLC控制的花样喷泉也具有极大的研究价值和发展前景。3.3控制系统硬件图3-2生活小区花样喷泉系统电路示意图如图3-2所示，生活小区花样喷泉电路基本包括PLC、触摸屏、变频器、水泵、灯光组等元件，同时课题设计考虑到存在安全隐患如儿童溺水、游客触电等危险情况，因此加入了传感报警系统，即在喷池外围不知两组传感器，外围传感器控制报警灯对靠近的游客警示作用，内围传感器用于断电处理对已进入喷池的游客进行保护。3.4各种硬件的选型3.4.1PLC现在市面上的PLC种类繁多，品牌也不计其数。尽管品牌和型号存在很大的差异，但其结构组成及原理基本相同，实质为新型的工业控制计算机。如图3-3所示，PLC主要由中央处理器（CPU）、电源、存储器、输入/输出接口、编程接口和拓展接口等几个部分。图3-3可编程控制器结构图3.4.2喷头喷泉喷水高度由喷泉水泵决定，而喷泉的水柱的水型则直接由喷泉喷头决定，可以说喷头的选取一定程度决定了喷泉设计的成功与否。其工作原理是：水流在水泵的作用下高速高压流动最后通过喷头内部路径向空中释放，形成不同的水柱形状。喷泉喷头就材质分类可分为金属喷头和塑料喷头，就水型分类可分为直流喷头、雪松喷头、涌泉喷头、牵牛花喷头、扇形喷头等十几种喷头。根据课题设计花样方案及布置选取直喷喷头和雪松喷头两个种类，即除观景台前排三个为雾松喷头外其余均为直喷喷头，具体规格及数量如下表3-1所示。表3-1喷泉规格及数量种类型号喷水量（m³/h）喷水高度（m）工作压力（Kpa）数量DN80（直喷喷头）10.0-15.03.5-10.070.0-150.024DN50（雪松喷头）12.0-25.01.0-10.050.0-400.033.4.3喷泉专用泵喷泉专用潜水泵是喷泉专用的一种水泵，主要运用于喷泉设计、水产养殖，同时也运用农业灌溉、供水排水。而其中的QSP型喷泉专用泵是使用最广的一种，具有如下性能特点：（1）采用铸铁或者不锈钢材料，提高泵的耐腐蚀性和耐磨性（2）叶轮采用专用材料防止叶轮旋转动时松叶轮动（3）具有漏电保护装置，进一步提高泵的安全性能（4）能够应对泵的频繁启停以适合喷泉的使用根据喷头的水量要求和喷水高度折算成水泵的水量及扬程初步选取了喷泉水泵QSP120-10-5.5，由于喷泉的合理布置三组喷头均选用这一型号水泵，方便了日后水泵及相关配件的更换。具体规格如表3-2所示。表3-2喷泉专用泵规格及数量规格型号流量扬程功率电流泵重量出水口径数量QSP120-10-5.5m³/hmKwAKgmm个120105.513.46012533.4.4变频器现在有的电源都是恒压恒频的，而有时同一系统的不同设备或同一设备不同时间工作所需的电压均不同，这时必须通过变频装置才能获得变压变频电源，这类变频装置统称为变频器。变频器英文全称Variable-frequencyDrive,简称VFD，是运用变频技术和微电子技术通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电机的电力控制设备。要实现改变喷泉喷水高度，就要在喷泉过程中改变水泵的转速，本次课题就是通过变频器来实现潜水泵的快速启动和多段速可控。选取变频器时要着重从变频器的容量和用途两方面考虑。所谓变频器的容量实质就是变频器的拖动负载电机输出额定电压和额定流量时的输出功率。简言之，多大的负载功率选择多大功率的变频器，当然也可大一规格。切勿选小规格出现小牛拉大车的情况否则易烧坏变频器。变频器种类繁多不同用途有不同变频器，如有风机水泵专用的变频器车床也有机床专用的变频器，所以根据具体布置用途选取。本次课程设计为花样喷泉系统所以变频器选择风机水泵专用变频器，而负载水泵功率为18.5Kw所以选取了三菱FR-F740-18.5K-CHT变频器。其规格及数量如表3-3所示。表3-3变频器规格及数量型号（380V/50Hz）SLD过载能力LD过载能力数量三菱FR-F740-18.5K-CHTKwAKwA个18.53818.5351为了避免变频器在工作中发生故障，而未及时断电或者发出故障指示烧坏变频器或其他元器件，又或者在喷泉意外停止工作无法确定是否是变频器故障。可通过给异常输出口A、B、C接线判断A-B或B-C是否为有信号输出(变频器接口功能图见附录一)，若A-B处于接通状态或B-C处于断开状态，故障灯闪蜂鸣器响同时变频器断电复位。3.4.5触摸屏触摸屏又叫触控屏，是兼具画面显示和操作的一种现代化电子设备。随着智能设备的发展和使用，触摸屏作为目前最简便方便的人机交互方式也得到了充分发展在工业和生活中扮演着重要角色。它以响应速度快、操作方式灵活、空间占有小、性能强等一系列优点正逐步取代诸如键盘输入等机械输入方式。在这里选择的是昆仑通态的触摸屏，具体型号为TPC1061Ti,用于连接可编程控制，并仿真控制程序。3.4.6传感器传感器是由敏感元件和转换元件两部分组成的一种电子元件，其作用是完成信号调理和转换电路的作用即感受一定的测量并按照一定规律转换成可输出信号。本次课题设计选用的是对射式光电红外传感器便是光电式传感器中的一种。对射式光电红外传感器主要由发射器、检测器和检测电路三部分组成，其工作原理是是发射端发出红外信号，接收端接收，当有物体遮挡阻断或阻断红外信号的接收，检测电路开始输出电平信号。对射式光电红外传感器具有检测距离长，准确度高和适用范围广等优点广泛运用于各个领域。如表3-4所示。表3-4传感器规格及数量型号（沪工自动化）工作电压检测距离数量E3F-5DP1-5L(PNP常开)DC12-24V5m16对3.4.7其它硬件组成警示灯是一种用于故障指示、安全警示、以及操作指示的一种电力装置，广泛应用于工业和生活中。考虑到喷泉系统可能存在的诸如溺水、水柱伤人、触电等安全隐患，加入警示灯可以对游客起到初步的警示作用又不置于影响喷泉正常工作，经过反复比对最终选取了宏达LTE-1101无声旋转警示灯。彩灯作为观赏性的照明装置，在喷泉系统夜间工作起到关键作用。喷泉照明方式有水上水下两种照明方式，水下照明更具观赏性使用更广。本次课题选用了LED水底灯，其材质由优质加厚不锈钢材料、钢化玻璃、橡胶封圈构成，具有节能、环保、安全、寿命长等优点。喷泉管路虽为喷泉系统重要组成，但因其参照标准完备此处就不作赘述。但总体来说为了应对环境起到防冻、防老化、耐腐蚀，喷泉管道一般采用不锈钢管或铜管。3.5某生活小区喷泉的PLC电路设计花样一：按下启动按钮SB1，喷头以5S的时间间隔，按照A-B-C的顺序喷水；停止时，按下停止按钮SB2，喷头以5S的时间间隔按照C-B-A的顺序停止。花样二：按下启动按钮SB1，喷头A喷水10秒后停喷的同时喷头B、C一起喷水，B喷水10秒后停喷，C喷水20秒后停喷的同时A、B一起喷水14秒，C喷水20秒后停喷4秒又喷10秒停喷。A、B、C三组喷头都停6秒后进入下一个循环。3.6I/O分配在前节已选定三菱FX3U-32MRPLC为控制器，如表3-5所示，本方案控制系统主要需要的是启动按钮、停止按钮、模式选择开关及传感器检测等共8个数字量输入，对于数字量输出部分，主要涉及的是指示灯、喷头继电器及变频器运行继电器等共8个数字量输出，则数字量输入输出部分总共达到了16个，同时在实际输出使用量预留约20%以上的点数，因此选择FX3U-32MR的PLC，它含有16个数字量输入和16个数字量输出，针对此次设计，可以满足本课题需求表3-5生活小区花样喷泉PLC控制I/O端口分配表3.7电气原理图如图3-4所示，某生活小区花样喷泉主控电气图主要由PLC和触摸屏以及若干输入输出元件组成，他们组成了实现喷泉花样核心控制部分。传感器的PLC由外部供220V交流电同时接地以保护实现漏电保护，而触摸屏的引入是为了实现人机交互选择花样以简化操作。从PLC外部接线来看，输入端中的SB1、SB2分别指的是喷泉的启动按钮和停止按钮，而SEN则指的是两组光电红外对射式传感器的接收器，其中，SEN1、SEN2分别指外围传感器接收器和内围传感器接收器；输出端的KA是表示中间继电器的线圈部分，序号对应分别为主回路中电气图中的继电器序号，功能上是通过PLC控制，从而实现系统内的通断电。而HA、HL分别对应变频器的蜂鸣器和异常指示灯，L1对应布置于喷泉外的警示灯。最后是输出的SEN它不同于输入的SEN，它指的是内外两组红外对射式红外传感器的红外信号发射器。如图3-5所示，生活小区花样喷泉的主回路主要是由变频器和由喷泉专用潜水泵组成，变频器主要是起到对潜水泵调速作用。本次课题采用一个合适功率的变频器拖动三个编号的三相潜水泵，由于变频器一次只能输出一个工作转速。以上方案减少了过分追求喷泉效果而产生的不必要成本支出，同时水泵选择相同型号也方便维护。变频器由380V三相交流电供电同时做接地处理，之后变频器通过U、V、W对潜水泵供电并控制。当然潜水泵的转动不是由变频器自发控制而是由PLC给定信号，变频器上端口STF、RH、RM、RL、MRS、SD分别指控制潜水泵正转、高速转、中速转、低速转、输入公共点，每个端点都有标号引线指明对应PLC端口的接点。安全用电是必须考虑的要点，所以主回路加入熔断器和热继电器双重保护装置。完整的电气原理图见附录二。图3-4生活小区花样喷泉主回路图图3-5生活小区花样喷泉PLC的I/O外部接线图在FX3U-32MR中，在它的输入侧主要是启动、停止按钮，光电传感器检测1~4组及花样选择开关，在它的输出侧主要是A~C组的喷头及电机运行。在三菱FX3UPLC右侧是模拟量输出扩展模块FX2N-2DA，该模块主要是用于调节水泵的频率输出，从而在欣赏喷泉美景的同时，还能有效的降低电源能耗。第四章某生活小区喷泉的软件程序设计第四章某生活小区喷泉的软件程序设计第四章某生活小区喷泉的软件程序设计4.1某生活小区喷泉的系统流程图生活小区花样喷泉由二种花样展示，每次只执行其中的一种花样。首先选择好相应的花样选择后，在按下启动按钮，程序会判断刚才选择的花样是二种花样中的哪一种然后执行相应花样中的动作。每种花样包括的不只是启动下的花样，还包括按下停止按钮SB2的后续动作花样。图4-1控制流程4.2某生活小区喷泉的程序设计程序编写使用三菱专用编程软件GXworks2编写，采用具有直观逻辑性强的梯形图编程方式编写。程序段共计303步并配有注释，步数虽多但逻辑清晰。在编程思路上采用梯形块的形式进行编程，即编写实现不同功能的梯形块以辅助线圈输出最后将各个辅助线圈对应的开关量进行串联或者并联输出所需喷泉花样的输出量。梯形块根据功能可分为启动程序段、花样程序段、输出段、警示灯程序段、变频器报警程序段以及停止程序段六大类大功能程序段。首先打开Gxworks2的仿真器，这时程序会自动下载到仿真器中：程序的首部分主要是讲的若是在喷泉的四周检测到人，则该部分的喷泉停止喷水：其次在花样选择后，变频器启动，这里选择的是否Fx2n-3DA模块，按照该模块的硬件说明写相应的控制程序：在花样选择过程中，每次只能选择一种花样形式进行运行：在花样1选择中，喷泉A组首先运行5秒，然后B组运行5秒：之后，喷泉C组首先运行5秒，运行完后，等待停止：若是按下停止按钮后，则喷泉C组首先运行5秒，然后B组运行5秒：在花样选择2中，则根据程序控制要求，我这里选择不同的时间段来控制相应的喷头喷出：在公共输出部分，为了防止双线圈产生，我这里将所有的所处都归到了公共输出侧：在公共输出部分中，A组、B组、C组及报警灯的输出；第五章某生活小区喷泉的调试与仿真第五章某生活小区喷泉设计的调试与仿真5.1某生活小区喷泉设计的调试5.1.1触摸屏调试触摸屏由MCGS组态软件绘制，首先新建一个MCGS组态，在组态里设定相应的设备窗口。这里的设备窗口主要连接的是三菱的FX3UCPU，采用串口通讯，具体参数设置如图5-1：图5-1PLC程序设备窗口选项；图5-2PLC程序选择通用串口副设备，选择相应的串口通信参数图5-3PLC程序通用串口设备属性编辑在串口通讯参数里，主要选择相对应的串口通讯号，同时设定通讯波特率位6-9600bps,数据位位数为0-7bit，停止位位数为0-1bit，数据校验方式为2-偶校验；图5-4PLC程序设备编辑窗口设定完相应的通讯后，需要设定相应的PLC通讯地址的链接，这里主要涉及的是PLC输入输出部分的地址连接，具体如图4-11；图5-5PLC程序设备编辑窗口添加数据对象窗口当所有数据设定没有问题之后，选择全部添加，这时相应的数据就会被写入组态之中，这时可以做相应的组态画面；图5-6PLC程序设备编辑主控窗口这时需要选择用户窗口，在用户窗口中，我们要选择两个页面，主要是主页面和生活小区喷泉页面；图5-7PLC程序设备用户窗口主页面进入主页面后，进行相应的组态设计；图5-8PLC程序设备用户窗口组态设计图5-9PLC程序设备用户窗口按钮设置图5-10PLC程序设备对象元件管理在具体的操作界面中，主要是在MCGS的工具箱中选择相应的组件去绘制整个运行组态的界面，这里面可选择的类型比较多，如图形对象库中的阀、刻度、泵、标志、反应器、电气符号、指示灯等等，在这一个题目当中，我主要选择的是泵、指示灯、按钮等相关部件，同时根据具体的需要又添加了相关的绘图案，这样更符合题目的控制要求；在将所有需要组态的物件都组态好后，根据实际的控制需要，需要连接相应的PLC地址，这样就可以使得组态可以直观的操作整个界面，使得设备运转在哪个步骤可以观察到。5.1.2软件调试软件调试就是在程序编写完成后再GXworks2中进行离线模拟，是对所写程序的正确性的一种检测方式。如图5-1所示，通过调试功能强制改变开关量的状态、观测输出量的状态来到达对程序段的检错进而对程序进行修改，减少了到实验室对PLC的实体连接通讯的不必要的工作量，灵活性强。图5-11软件调试窗口5.2某生活小区喷泉设计模拟仿真 生活小区花样喷泉的模拟仿真是指：在MCGS软件环境下对喷泉系进行统的动画仿真，这是继软件调试后对程序的第二次检测。其具体仿真过程是指：将花样喷泉系统的主要输入输出元件置于同一界面，通过命令语言设置好元件的状态，最后与写入程序的PLC通讯连接进行动画演示。模拟仿真灵活性强可以预览设计效果，以便于系统结构及程序的检错及优化。组态仿真界面，组成包括传感器、触摸屏界面、开关按钮、喷泉喷口。传感器一代表的是位于喷池外围的8对对射式红外传感器，传感器二代表的是位于喷池内围的8对对射式红外传感器，传感器红外发射器与接收器之间的红线代表红外线，通过命令语言对红线编写可以达到点击红线来仿真传感器被触发。传感器一控制的是警示灯对游客起警示作用，传感器二控制的是喷泉的突发急停对游客起最终保护作用。组态左下角是A、B、C三组喷泉，由喷嘴、水柱组成。总之，无论是在GXWorks2上的在线调试还是连接PLC的组态仿真都是为了检验程序的正确性以及花样的准确性从而最终确保方案可行。仿真减少了喷泉设计建造的设计周期，可以随时监视设计效果，降低喷泉设计的工作难度。为了仿真需求，对MCGS画面做脚本连接，当编译后，没有任何问题后，则整个画面可以动起来：在图5-12在MCGS组态界面进行编译后，则可以下载到仿真器中，此时运行的主界面就是上述欢迎面；图5-12某生活小区喷泉设计PLC程序欢迎界面在图5-13在进入主页面，欢迎页面后，点击进入主页，则进入如下的欢迎页面；图5-13某生活小区喷泉设计PLC程序窗口在图5-14在按下花样1选择，并再按下启动按钮后，相应的电机频率会运行到30Hz,同时喷泉样式会按照1的运行方式开始运行：图5-14某生活小区喷泉设计花样一选择1在图5-15在按下花样2选择，并再按下启动按钮后，相应的电机频率会运行到30Hz,同时喷泉样式会按照2的运行方式开始运行：图5-15某生活小区喷泉设计花样二选择1在图5-16在按下花样2选择，并再按下启动按钮后，则喷泉样式会按照2的运行方式开始运行，此时是运行到第二个阶段：图5-17某生活小区喷泉设计花样二选择2在图5-17在按下花样2选择，并再按下启动按钮后，则喷泉样式会按照2的运行方式开始运行，此时是运行到第三个阶段：图5-17某生活小区喷泉设计花样二选择3在图5-18在按下花样2选择，并再按下启动按钮后，则喷泉样式会按照2的运行方式开始运行，此时是运行到第四个阶段：图5-18某生活小区喷泉设计花样二选择4在图5-19在按下花样2选择，并再按下启动按钮后，则喷泉样式会按照2的运行方式开始运行，此时是运行到第五个阶段：图5-19某生活小区喷泉设计花样二选择5结论结论随着人们对美好生活的向往，喷泉开始走向人们生活并扮演着越来越重要的角色。喷泉种类繁多各类程控喷泉随处可见，而其中以生活小区花样喷泉为代表的中小型喷泉更以成本低、灵活性强等优点成为喷泉主力。本次课题为生活小区花样喷泉的设计，其设计过程主要包括花样（控制要求）的确定、喷泉的布置、控制方案的选择、硬件的选型、程序的编写以及调试与仿真。为了增强设计逻辑性，课题以流程图的设计方法进行，小到每种花样设计，大到整个喷泉系统设计，极大简化了设计过程。在生活小区花样喷泉设计方案上选择了三菱PLC为主控制器，变频器为辅助控制器，在PLC程序的作用下最终改变喷水规律，变化出花样。区别于早前的喷泉系统在于本次喷泉设计加入了人机交互技术和智能安全技术，人机交互技术的引入使游客可自选喷泉花样，智能安全的引入保证了游客人身安全杜绝喷泉安全事故。在课题设计过程中，我们始终围绕设计要求，但也充分联系实际。比如刚开始打算使用三个变频器以减少程序编写和控制布置难度，但考虑其实际资金问题和实用性后放弃，最终选择了一台变频器拖动三台变频器。设计最终都是要投入现实生活中的使用，为了检测设计是否达到预想要求我们分别对程序进行了程序在线模拟调试与组态仿真。其中组态仿真最为直观，在设计过程中就有几次通过组态仿真动画发现了程序的错误从而修改程序最终完成了设计。由于专业知识的缺乏和能力有限，生活小区花样喷泉的设计仍然存在一些技术上的问题和改进的方面。比如本次课题设计虽实现了人机交互选择花样，但总的花样只有有限的两种，不能满足居民更多的观赏要求。即使可对PLC重新编程以扩充花样，但需要专业编程人员的参与。那么是否可以模块化编程然后在触摸屏上选择模块来实现花样的扩充让无编程基础的人也