【《花样喷泉控制系统的硬件和软件设计案例》6300字】

花样喷泉控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u6658花样喷泉控制系统的硬件和软件设计案例 170651花样喷泉控制系统硬件设计 178521.1PLC简介 1273611.1.1PLC的发展 1325561.1.2PLC的组成 2112601.1.3PLC的特点 3110491.2PLC选型 453051.3水泵电机的选择 5314721.4变频器的选择 558931.2.1变频器的参数设置 7287421.5花样喷泉喷头的选择 7202112软件介绍及程序设计 10232432.1花样喷泉控制系统主电路图 10189642.2系统程序运行流程图 11284082.3花样喷泉控制系统的I/O分配3 12315592.4花样喷泉控制系统PLC接线图4 141花样喷泉控制系统硬件设计1.1PLC简介1.1.1PLC的发展PLC控制系统，又称可编程逻辑控制器（PLC），1969年在通用汽车公司的要求下，世界上第一台PLC被开发出来。在通用汽车公司生产线上成功应用，取得了满意的成绩,PLC自此诞生。在之后的几十年里，PLC是在中央微处理器和超大规模微型电路等微电子技术基础上发展起来的一种新型控制器，不断取得高质量的突破。不仅在功能、体积、可靠性上取得了长足的发展，而且也实现了远程控制和网络通信。自PLC产生以来,生产厂商不断涌现,PLC的品种也是层出不穷,目前,全球有近200家大大小小的PLC生产厂家,已开发出各种型号的数千种产品。按地域划分可分为三个系,欧系、美系、和日韩系。欧系的代表为法国的施耐德和瑞士的ABB以及德国的西门子,美系的代表为通用电气公司的和艾伦-布拉德利公司的,日韩的代表则为三菱、LG和欧姆龙。此外,PLC的市面上还有国内的台达合利时、浙江中控的产品。自PLC问世以来,显示出了巨大的生命力和巨大的工业市场前景,并保持着高速增长的趋势。在工业控制自动化的范畴,PLC一直都是行业内的不二之选,它为广泛的自动化控制设备提供了非常可靠的控制解决方案。经过长期的发展,现代可编程控制器在功能、标准化、专业化和扩展方面有了显著的提高[17]。自改革开放以来,国内的工业自动化水平正在突飞猛进,传统的继电器和接触器控制已不能满足工业现场控制的需求,这给了PLC巨大的发展前景,同时也让PLC在工业上的应用也越来越成熟。但是,目前国内控制器市场上,主流的控制器为欧美国家和日本的PLC控制器,国内的科研单位和厂商也不断积极研制和生产，但是国产的PLC产品发展相对来说还不够成熟,还有很长一段路要走。1.1.2PLC的组成PLC的组成和常用的计算机内部结构上大体一致，分别是由硬件和软件系统两个部分构成。而PLC硬件系统由中央处理器、输入输出设备、储存器、电源等构成；软件系统的构成则是系统程序和应用程序。（1）中央处理器中央处理器CPU是PLC的大脑，一切的操作都需要经过CPU进行处理分配后进行输入或输出，主要用来处理指令和数据、执行操作和控制时间。（2）存储器PLC是一种工业控制微型计算机，PLC的存储器就相对于人类的胃部，用来存放程序和指令，PLC硬件存储器的类型分两种：ROM内存包括编程系统、指令程序和应用程序程序。RAM内存用于存储程序和数据。(3)输入输出设备PLC的输入设备类似人类的眼睛而输出设备既是手脚，PLC输入设备有传感器、开关和按钮等各种外部设备，可以读出各种数字量和模拟量，如电压、电流、流量、速度等。输出设备则是将用户操作的信号转换为数字量或模拟量，以控制输出的设备。(4)电源电源是PLC硬件系统中至关重要的一环。电压主要给中央处理器、输入设备和输出设备供电。PLC的电源都是高精密的开关型电源；在重要应用场合通常用UPS作为备用电源。编程器编程器是PLC控制系统和用户交互的重要途径，用户可以利用编程器对程序进行编辑、修改以及调试，还可以在线监视PLC当前运行状态。1.1.3PLC的特点PLC属于一种小型计算机，通常应用在工业自动控制中，实际是专门为工业控制诞生的一种控制系统。目前需要可靠稳定运行的控制系统大多采用PLC控制，特别现在在智能化和高性能追求下更为普遍使用。PLC控制系统的优点如下：可靠性高工业控制系统作业环境一般都比较恶劣,但PLC系统在恶劣环境下的稳定性能十分优异,PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施。在硬件方面，采用光耦合器和阻容滤波电路提高了抗干扰能力；同时采用了良好的屏蔽手段，对电源和输入/输出电路进行各种类型的过滤、隔离和输出的阻断。在软件方面，有一定的自我诊断和信息保护及恢复程序。编程方法简单易学现在大多数PLC都采用梯形图编程。它延续了传统的电气控制电路表达方式，思路清晰直观，兼顾了大多数电气技术人员的惯性思维和程序编写能力，相当轻松就能掌握。电气技术人员可以阅读PLC相关模块的编程使用手册，就基本上可以使用梯形图进行程序的编写。硬件配套齐全，通用性强在过往的传统控制电路系统中，都是由大量的继电器控制，在设计和安装的过程中需要耗费大量的人力物力，而且在后期需要更改原来的方案时，则会将原来的方案控制系统全部拆除导致前功尽弃。而采用PLC去作为控制系统，当控制需求发生变化和更新的情况下，对硬件系统进行极少量的线路变更，软件只需对程序进行调整即可满足要求。只要轻微改动程序，就能满足不同的控制需求，兼备极高的灵活性和通用性。因此，PLC不仅可使用于单机控制，也可以普遍使用于工业自动化。功能丰富PLC拥有丰富的信息处理指令系统和内部存储信息的装置。有几十上百条指令，可以处理各种逻辑问题，也可以运算各种类型的数据。它的内部设备，即存储器中的数据存储区，样式齐全，容量大。它的I/O继电器可以用来存储输入和输出信息。这意味着可以对输入/输出信息进行大范围的转换控制。1.2PLC选型目前市场上PLC的系列有很多,分类方法也有很多种。每个厂家有不同的型号和不同的类型。以三菱PLC的FX系列和西门子PLC的S7-200系列在国内的应用最多,约占百分之七十左右[11]。不同类型的PLC控制器在结构类型、性能、编程语言、指令调用和价格等方面有所不同，其使用侧重点也不一样。所以，正确地选用PLC控制器对于改善控制系统的技术应用至关重要。PLC进行型号选用时,应对性能和价格之间权衡。在权衡其经济性时,另一方面需权衡所使用的控制器对其扩充性、可行性、编程的语言、I/O点数、电源模块、存储器的容量、经济性多种影响因素,进行综合分析和兼顾,最终选出较理想的型号。选择时应主要考虑到以下几点:I/O点数的选择在软件工程设计中首先我们需要深入考虑的关键问题之一那就是系统I/O点的确定,它不仅直接关系决定了整个系统的整体硬件结构设计,而且也是编程设计的前提。根据控制系统设计需求，确定控制系统的所有输入设备（如:行程开关，接近开关，按钮等）和输出设备（如:继电器、电磁阀、接触器等），从而确定与控制系统的I/O点数。plc的高端产品价格还比较高在满足控制要求的前提下合理地确定选用I/O的点的数目力求最低，不过注意是在能够剩余相当的余量前提下。一般会依据被控对象输入输出信号的实际需求，通过加5%～10%裕量来确定I/O点数REF_Ref19721\r\h[4]。存储器的选择由于集成芯片技术的飞速进步和不断发展,随着存储器的产能提升,PLC控制器的储存器内存也更多了。PLC的存储器有两种其中有系统储存和程序存储器。系统存储器用于存放PLC的系统自带的指令程序,程序存储器用于用户存放控制系统的程序。所以控制系统的程序需小于程序储存器的容量,故为了能够保证各种大应用程序项目的正常工作进行,一般需要PLC的随机容量较大,按128个I/0点最低选4K容量的存储器。如果需要设计一个复杂的操作系统时，应选择更高的容量和内存级别。编程语言的选择目前，市场上PLC品牌繁多，根据编程语言分类方式也有很多种，各厂家的型号不同，指令也不同，以三菱PLC的FX系列和西门子PLC的S7-200系列在国内的应用最多，约占百分之七十左右，在编程理念上它们存在着一定的区别，三菱PLC来自日本厂家设计的，在编程风格上相对比较直观简约，三菱指令相对充分，具有特殊的定位指令，易于实现伺服和步进控制REF_Ref26167\r\h[10]。可以完成一些繁琐的动作控制也是它的强项，但西门子在这部分较为薄弱。综合以上几点考虑本次的花样喷泉系统采用4个输入点，11个输出点，并且考虑到后期的控制要求升级方面的需求，必须预留一定的接口，但是接口也不宜过多，故而选择32个输入输出接口的PLC产品为宜，另根据自身在校期间所学习的相关专业知识，最终选择三菱继电器输出型FX系列的PLC产品FX3U-64MR，其I/O总点数为64，其中输入点和输出点均为32个。1.3水泵电机的选择喷泉水泵电机应满足快速、准确地启动和停止以及高效率的要求，而且其功率输出必须精确可调。同时对水泵的扬程、流量、能耗比、性价比和应用场景考虑,本次设计采用了特殊的QSP型喷泉泵，是一种主要用于花样喷泉的新型特殊喷泉泵。同时可以应用水产养殖、水源抽送、耕地浇灌、酒店喷泉和音乐喷泉等场所。本次花样喷泉系统的预设扬程为5米左右,流量约为每小时为30立方米,所以本次选用水泵型号为QSP40-6-1.1。QSP型水泵有以下几个特点:泵体采用合金防锈材质,可以有效提高耐侵蚀性和耐用性。叶轮采用防松动技术，有效的避免在旋转中叶轮脱落。具有稳固漏电防范措施,利用电位接地装置,进一步提高喷泉泵安全性能。根据喷泉泵的使用需求，在技术上不断的研究,不断改进电机令喷泉泵可以经常启停,可以适应在喷泉控制系统中。该泵具有过滤功能，加入一个金属防护罩，很好地阻止了粗大的颗粒进入泵腔。该泵电机是自循环水冷的，具有自动补水功能，不会造成水源污染。型号额定流量额定扬程额定功率出水口径QPS40M³/h6M1.1KW80表1.1QSP型水泵参数1.4变频器的选择本次设计的花样喷泉控制系统中,由于控制系统中加入了音乐的控制,需要通过变频器来控制喷泉流量的大小以达到喷泉随音乐跳动。在喷泉系统中通过改变水泵电机的电源频率从而实现对流量的控制,改变的原理是电源的频率和水泵压力成一定的线性关系,频率低水压大,频率高水压低。通用变频器的选用的原则是:第一，其支持的功能可满足控制负载的需求；第二，在性能和价格之间有良好的权衡。一般变频器类型的选择主要是受负载的特性影响，典型的负载有恒转矩负载、平方降转矩负载和恒功率负载，平方降转矩负载即风机水泵。选择时一般可以选择具有该相应特性专门功能的变频器[28]。本控制系统的变频器需要控制的负载是喷泉泵，属于泵类负载REF_Ref28620\r\h[8]。为此，选择了支持平方降转矩负载的三菱FR-F700型号的变频器，FR-F700变频器是专门为风机和水泵负载设计的。其特点如下:容量范围:0.4～7.5KW;自带节能运行功能;采用长寿命元器件;内置Modbus-RTU协议;内置智能输入输出端子分配功能;具有电动机过热保护;带安全停止功能电网电压自动稳压功能；

1.2.1变频器的参数设置为了正常的调用变频器，使用前需根据三菱FR-R700说明书，进行相应的参数设定，具体参数如表3-2：参数设定值说明Pr.150电机设定频率上限为50HZPr.210电机设定频率下限为10HZPr.75电机加速时间设定为0.5sPr.85电机减速时间设定为0.5sPr.730选择设定范围输入0～10VPr.793外部模式Pr.592设定由端子控制变频器的运行Pr.781不允许反转表3-2变频器的参数设定1.5花样喷泉喷头的选择通过对喷泉平面图的设计，综合控制要求，确定1号喷头的类型是礼花喷头，2到8号喷头均为万向直射型喷头。下面对各类喷头作简要介绍：如图3-1为礼花喷头的尺寸参考和效果图，礼花喷头是多孔散射喷头的另一种，又称莲蓬喷头。由于他与花柱喷头的构造稍有不同，喷出的水姿与花柱有区别,他的喷水造型如正在燃放的礼花,造型美观、安装方便，适用于各种场合的喷水池中REF_Ref8824\r\h[16]。图3-1礼花喷头如图3-2为万向直射喷头的尺寸参考和效果图，万向直射喷头是单喷嘴,直射流。水柱晶莹透明，线条明快流畅。射线轴线可以作为正负10度的调节,安装调试灵活方便,组成图案的能力强REF_Ref8824\r\h[16]。图3-2万向直射喷头

2软件介绍及程序设计2.1花样喷泉控制系统主电路图图4-2为主电路图，根据控制系统要求，通过AUTOCAD绘制的变频器和水泵接线图。图4-2主电路2.2系统程序运行流程图电电源启动花样模式停止结束连续音乐模式停止结束连续图图4-1运行流程图花样模式：花样模式下，按下启动键,喷泉设备控制器开始运行工作,从Y0→Y8间隔2S的顺序连续进行喷射后保持两秒后全部停止，再从Y0→Y8间歇3S喷射再全部一起喷射。若单步连续开关在单步时，则喷泉系统停止。若单步连续选择开关在连续时，则喷泉系统循环运行下去。按下停止按钮则全部停止。音乐模式：音乐模式下所有喷口都会启动，利用音乐的音频信号对变频器进行控制，即通过音乐信号经过PLC进行AD/DA模拟量转换成0-10v的模拟信号送入变频器模拟量输入接口，再由变频器输出到水泵中，即可以实现音频信号对变频器的控制，从而达到水柱喷射高低随着音乐变化的目的。

2.3花样喷泉控制系统的I/O分配3在控制系统设计之初，应确定和分配输入/输出设备点。PLC控制系统时，有什么信号需要输入PLC，有什么负载需要PLC驱动，用什么编程方式会影响内部输入/输出点的分配。首先，系统需要的输入/输出数量需要明确。其次，需要确定每个控制动作的顺序以及每个控制装置之间的关系。I/O参数的确定是我们进行自动化设备控制的基础工作。只有确定I/O分配才能进行下一步的PLC输入信号硬件的确定,目的明确的进行控制逻辑进行设计，从而编写出符合需要的PLC梯形图。故而在自动化设备的设计之前，和在程序设计的开始，我们首要的工作是明确I/O参数，本次设计的花样喷泉设备控制系统的I/O分配如表2.1:IO表输入功能输出功能X0系统启动Y0喷口1X1花样模式启动Y1喷口2X2音乐模式启动Y2喷口3X3转换开关Y3喷口4Y4喷口5Y5喷口6Y6喷口7Y7喷口8Y10电机1Y11电机2表4-1I/O分配表

2.4花样喷泉控制系统PLC接线图4图4-3为PLC接线图，根据I/O分配表，通过AUTOCAD绘制的PLC接线图。图4-3PLC接线图

2.5系统程序设计图4-1为系统启动程序，启动按下X1控制系统启动M0辅助继电器持续得电，系统需要启动M0后面的才能启动。图4-1启动程序图4-2为系统停止程序，按下X1停止按钮，ZRST复位把指令S0-S100、Y10和Y11全部复位，MOV指令将0传送到Y0-Y8阀全部停止。图4-2停止程序

图4-3为模式选择程序M0接通可以跳转S13和S24，S13步骤是复位位全部阀和电机，此时X2开关可以接通启动花样模式；若选择开关X3则是启动音乐模式。图4-3模式选择的程序

图4-4为花样模式流程中部分的程序，启动电磁阀的同时启动两台电机，然后两秒后接通下一个阀直至Y7。图4-4花样模式程序

图4-5为花样流程跳转程序选择，如果单步连续转换开关关闭即X5常闭闭合，则为单步运行模式，系统会跳至S13；若转换开关打开即X5常开闭合，则为连续运行模式，系统会跳至S14循环运行。图4-5运行结束跳转程序如图4-6为PLC拓展模拟量模块的读取程序，设定拓展模块1-4通道为电压输入，通道1-4平均次数为10次，数字滤波器为0，再把1-4通道的数据存进D0寄存器，D0数据再传送到D4寄存器，得到D4的数值为拓展模块读取到的音频的电压值。图4-6读取程序图4-7为模拟量的转换程序，因为AD采集的模拟量要乘以2.5倍通过DA输出的值才是对应的0-10V,所以运