【基于PLC的花样喷泉控制系统设计9100字（论文）】

前言人工制造的环境之中有着丰富活力的，就是喷泉。喷泉具有隔开空间、利用喷泉喷射出的水净化空气美化环境等特色，现在人们利用现代技术制作出悦耳动人的音乐，多姿多彩的水下灯光，先进的激光图像技术，通过电脑书写，将它们结合起来，给人视觉形象、音乐声音、色彩变换相互结合融会贯通的享受自然。当前，伴随着我国各族人民群众的基本物质生活条件和文化水平的飞速增长下，对于精神生活的要求也在不断的提高，为了给人民增加减压放松的环境，同时改善园林城市的环境风景观赏效果，建造喷泉净化环境是很有必要的。特别是喷泉在城市、社区环境和园林建设中，喷泉已成为了建设美好环境的标配，随着历史的推动发展，将当今喷泉制造工程与新时代相结合是必然的趋势。而喷泉的这项工程结合了许多的新兴科技后，使得喷泉的效果更加丰富多彩，同时也展示了科技的力量。喷泉与水下灯光相结合产生的美丽动人的效果，让人心旷神怡宠辱偕忘，在脑海中久久不能忘怀。1花样喷泉概述1.1研究目的与意义在科技发展的不断进步下，人们的生活水平也在提高，电气自动化领域也在慢慢地被人们熟知。而PLC的自动化控制不仅活跃在各个工厂的流水线上，在生活上也可以看到他的身影，可以说PLC的应用特别广泛。特别是在公园、广场中的喷泉花式各样，也是用PLC控制的。近年来随着PLC的应用在我国迅速发展，花式喷泉的控制花样各式各样。本设计所研究的是采用FX3U系列PLC控制，通过程序写入PLC花样喷泉采用可编程控制器实现喷水控制，使该系统简单、经济，能够有效地执行其工作能力，同时方便后期维护修理。因为PLC的抗干扰性强、小型化、价格低、修理方便、可靠性高等优点的在各个行业被广泛使用[2]。1.2国内外发展现状新加坡圣淘沙旅游区里的音乐喷泉设计结构和观赏效果值得我们去学习借鉴。它处于开放，略微倾斜，大空间。此外，数百人与圣淘沙站前面的长喷泉池一起形成全方位的喷泉系列。该音乐喷泉位于喷泉系列的顶层部分，舞台是由填充摇杆西式的半圆柱廊组成的。音乐喷泉充满魅惑力与全自动的电器装置，秋菊，百合，玉兰等花卉的图案可以交替变换。时而直接喷洒，时而被雾挡住窗体顶端结合成一个美丽的舞蹈。白天，波利德瀑布和双方的喷泉形成了优雅悠扬的水上花园。晚上，在灯光的衬托下，波利德瀑布和喷泉变得色彩缤纷，给人们展现了壮丽的水景之美。伴随着世界上花样喷泉的出现，给人们生活减压的方式又多了一种。当前，花样喷泉的高速发展，自身生活水平的不断提高，各种视觉和环境要求在生活中的广泛应用，花样喷泉已成为当今世界最新信息的总体趋势。未来花样喷泉的广泛应用。从目前的快速发展趋势来看，在未来的30年中，花样喷泉市场扩张前景非常广泛。1.3设计内容本次设计研究与实现喷泉系统控制有以下几个方面：（1）喷泉类型的选择：利用三菱PLC设计可控制花样喷泉实现花样喷泉的不同工作的模式，分别为：花样模式、启动模式；系统启动后，根据操控者的控制可使喷泉进入四个控制状态：启动模式、花样1模式、花样2模式和花样3模式。普通模式为正常的活力全开状态；花样模式为根据设置好的定时时间控制花样喷泉按照一定的规律喷水，完成一个周期工作后可通过选择来切换其他花样或自动进入下一个周期继续循环运行[1]。（2）喷泉硬件系统的设计：设计的花式喷泉系统要求要控制准确度高，在喷泉的电路保护上选择了抗干扰性强、稳定性能好的继电器，利用感应器的开关将信号输入给PLC来实现对喷泉的控制。而本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑喷泉的稳定、灵活、便于优化与经济实用的需要。（3）喷泉控制系统软件的设计：本设计中选用了三菱PLC软件的SFC顺序功能图来设计花样喷泉，通过对定时器的控制，从而对开关进行延时通断，并且由触摸面板控制并进行实时监控，最终使灯光实现不同花样的喷水状态。

2喷泉系统控制方案2.1花样喷泉的类型花样喷泉目前比较常用的有一下两种类型：普通喷泉：普通喷泉是用几种固定的水型及灯光，随着电源的开关来控制喷泉与灯的运行。常用在小公园和私人豪宅中用于装饰性喷泉使用，其特点是设计简单，装饰效果十足。程序控制喷泉：程序控制喷泉是先设计好系统所需要的输入输出来编制控制程序，通过程序控制器发出的控制信号来控制相应的继电器，然后通过继电器输电给到水泵的交流接触器使其启动打开水泵，使水型及灯光以若干种形式交替的变化，呈现出不同的花样，这种控制现在一般都用PLC或带有PLC功能的人机界面替代。普通喷泉的花费成本低，装饰性强，但花样比较固定，多用于小公园、私人豪宅中；而程序控制喷泉价格经济实惠，可以实现多种喷泉花样效果，也可以外加音乐系统来衬托，观赏性十足，在广场或大型公园中使用颇为广泛。2.2PLC控制的优点在近来几十年的发展中，PLC应用技术现在是非常的被广泛运用，在全国的各个工厂都被应用并得到了广泛的认可，现今PLC和控制系统已经是各个工厂的首选，它出众的功能以及稳定的性能受到工业制造行业的青睐。其主要特点如下：（1）硬件的可靠性；（2）编程简单，使用方便；（3）接线简单，通用性好；（4）可连接为控制网络系统；（5）易于安装，便于维护。相对于单片机控制来说，单片机经济实惠，成本相对较低，但其布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，并且单片机制作的主控板很容易受生产工艺的影响，从而导致故障率高，不易扩展，对环境依赖性强，开发周期长[3]。与PLC比其稳定性与维护方面略显不足，所以本次设计选用PLC控制。2.3系统设计的步骤图2.1PLC系统设计流程图（1）研究调查了解喷泉的工艺条件，分析控制要求；（2）确认所需I/O口，并根据设计所需的功能需求确定好系统所需的输入设备与输出设备和按钮开关、指示灯等等；（3）选择合适的PLC类型需要根据I/O口的点数来选择；（4）合理的分配好I/O口，根据系统的需求合理分配PLC的输入点和输出点，绘制相应的输入输出分配表与接线图；（5）设计出花样喷泉控制系统的SFC顺序功能图，根据运行功能合理设计出程序，这是设计过程中的重要工作；（6）将编程好的程序进行仿真模拟调试，查找程序中是否有不合理的地方并加以完善。2.4系统控制方案花样喷泉控制系统的要求如下：（1）系统分为四个环形结构，第一第二环为外环形状的喷水管，第三环为内环形状的喷水管，第四环为固定喷水。灯光系统有四条支路，1、2两环为绿色灯支路、3环为黄色灯支路、4环为红色灯支路。（2）本设计的喷泉有三种花样可以选择。当按下启动按钮后，运行指示灯变绿，即喷泉开始工作，按下停止按钮，运行指示灯变，即喷泉停止工作。（3）设计中有三种喷水花样可选择。第一种花样为1、2环同时喷水，3秒后3、4隔2秒依次喷水，一起喷水的状态持续8秒后停下，然后按照4、3、2、1环的顺序隔3秒依次喷水，一起喷水的状态保持8秒后停下，在不选择其他花样的情况下以此规律循环。第二种花样为3、4环同时喷水，延时4秒后3、4环停止喷水，同时1、2、3、4环隔1秒依次喷水，交替运行两次后1、2、3、4环一起喷水，状态持续8秒后停止，在不选择其他花样的情况下以此规律循环。第三种花样为4、3、2、1环按顺序延时2秒喷水，一起喷水的状态持续8秒后，以4、3、2、1环的顺序延时2秒停止喷水，在不选择其他花样的情况下以此规律循环。（4）每一环喷水管的喷水高度可通过变频器来控制，即1、2环的管为低压喷水，3环的管为中压喷水，4环的管为高压喷水。（5）灯光系统控制：灯光系统控制的选择按钮为PLC的X2输入端，当需要灯光配合时，可按下X2按钮。此时灯光将跟着喷水的位置点亮。喷泉的模拟示意图如图2.2所示。图2.2喷泉模拟图2.5系统原理图在喷泉中，通过输入端的按钮开关信号来控制PLC，因为有4环的喷水，所以采用了一个变频器来控制4个电机。花样喷泉控制系统的原理图如图2.3所示。图2.3喷泉控制系统原理图其中变频器是运动控制系统中的功率转换器，变频器是利用半导体器件的通断作用将工频的电源转换成另一个频率的点能控制装置，从而实现不同频率的交换。而本次控制方案是通过PLC程序按照一定的控制目的运算后，由AO模块（模拟量输出模块）输出控制信号（电流或电压信号）至变频器，从而利用一台变频器控制四台电动机[4]，即可实现PLC到电机的调速控制，最终实现喷泉水压高度控制。由于变频器的控制在本次设计很难体现出其作用，所以本次设计主要是以实现喷泉的控制为主。3喷泉系统硬件设计3.1可编程控制器（PLC）的选择3.1.1PLC概述PLC编程软件它是应用于工业领域的电气控制器，它有着几种类型的PLC，例如松下PLC编程软件，三菱PLC编程软件，西门子PLC编程软件，其中最受人们广泛使用的是西门子PLC。一方面，PLC是一个智能系统产品，但它拥有比普通计算机的更为广博地接口端子信号处理和各种通信连接，并连接适用于通过握手协议进行通信的各种设备。其抗干扰能力和稳定性能让它在智能行业处于领先水平。还可以说PLC是专用于工业控制的智能系统，其实际组成与通用微计型算机系统的实际组成基本相同，而且它也是硬件和软件系统的组合。PLC是一种工业类型的计算机，它不仅有一些函数的功能，还可以适应工业生产环境，并已广泛用于各行各业的电气控制。3.1.2PLC的选型三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一，FX3U系列PLC是三菱公司最新开发的第三代小型PLC系列产品，它是目前该公司小型PLC中CPU性能最高，可适用于网络控制的小型PLC系列产品。FX3U系列PLC采用了基本单元加扩展的形式，基本功能兼容了FX2N西门子与三菱的优缺点比较：三菱FX3U系列的PLC结构灵活、传输质量高、速度快、控制稳定、购买成本低，但是在数据处理方面上比西门子弱。西门子PLC性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。本设计从速度快稳定同时从价格等方面考虑，而且三菱的编程软件中的SFC顺序功能图的结构比西门子更清晰明了，编程难度比西门子更易上手，所以可选择三菱FX3U型

图3.1三菱FX3.1.3I/O口的选择（1）对输入/输出点的选择PLC硬件的选择一定要精心挑选合适的规格，为了避免I/O口的浪费，一般都会在设计系统中确认好所需的I/O口的数量，挑选对应的型号，然后根据实际总点数要求预留10-20%的余量（这是为了给系统的变化留空间等）来确定所需的PLC型号的I/O数量。（2）对存储容量的估算一个存储器的真正实际存储容量就是PLC能够提供多少个硬件单位来存储多少。程序内部的容量取决于用户对应用程序的项目内存中所有数据库存储单位的大小。因此，在系统的设计阶段，程序的功能和所需容量都是未知的，所以需要在设计好后才能对其容量有一定的了解。（3）对I/O响应时间的选择由于输入电路延时、输出电路延时以及扫描操作方法所导致的时间延误（通常为2~3周），是PLC的I/O口工作过程中的响应时刻。3.2变频器的选型变频调速技术是针对工频而采取的高效节能措施，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，因而导致许多设备达不到最佳运行状态而导致功率浪费。占全国耗电23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%选择变频器时要注意以下问题：（1）变频器功率按所带的负载功率选取。多大功率电机就选多大的功率的变频器。大一点的规格也可以；（2）变频器型号不同用途选不同的变频器。例如有通用的变频器，有风机水泵专用的变频器，有机床主轴专用的变频器等等；（3）负载惯性大的，要同时选择制动单元和制动电阻；（4）查电动机的铭牌额定电流，（没有铭牌时测出额定电流）变频器的额定电流比电动机的最大运行电流大就可以了。本设计是通过变频器调速技术来控制电机的转速从而实现每环的喷水高度。所以我选用的是FR−S520（E系列变频调速器）。3.3泵的选型现在喷泉常用的潜水泵有QS、QY、QX、QJ等系列。QS系列潜水泵：体积小、性能可靠，机泵--体、潜入水中运行主要优越性是运行可靠、经久耐用、使用方便、功率大、故障少，维修费用低等。QY系列潜水泵：QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三部分组成。电泵的上端，多为离心式水泵;下端为三相鼠笼立式异部电动机。电机全部采用优质整圆硅钢片，效率高，耗电少潜水深度不超过5米水温不超过+40CQX系列潜水泵：工程潜水泵，泵电--体，结构紧凑，非常适合于基建及矿山的搬运和安装无需引水，使用简便双端密封，电器保护设计合理、性能优良、几无噪音。QJ系列潜水泵：电机与水泵直联，机组全部潜入水中工作，具有结构紧凑、安装、维护方便、体积小、重量轻、高效节能等特点。工作条件：工作介质为自来水。额定扬程：150米额定流量:10m从该喷泉所需的扬程、流量、水质、价格等方面考虑该喷泉设计选择QS系列的潜水泵，如图3.2所示。图3.2QS系列潜水泵3.4硬件接线图硬件接线图的连接就是PLC控制和系统中各个硬件的连线。如图3.3所示。图3.3PLC控制布局接线图如图3.3所示花样喷泉系统控制布局，控制开关如下：（1）按下启动按钮后，程序开始运行；（2）按下花样1按钮，程序按设定花样1程序运行；（3）按下花样2按钮，程序按设定花样2程序运行；（4）按下花样3按钮，程序按设定花样3程序运行；（5）按下灯光按钮，灯光效果随控制水管喷水一起运行。如图3.4所示是变频器与水泵的硬件接线图，通过变频器的变频控制来调节电机的功率从而控制电机的转速达到喷水流量与高度的控制，再与灯光的组合形成不同的喷水花样。图3.4变频器和水泵接线图3.5元器件清单表1器件清单元件名称元件规格元件型号数量单位塑壳断路器电动机安全保护70kA，380/415VAC，100ANS100H-MA1003PFFC1个微型断路器配电保护6kA，400VAC，10A，C65N-C10A/3P4个交流接触器AC-3制4kW，380/400VAC，9ALC1-D09B7C2个热过载继电器TeSysD经济型，7-10A，LRD-14C2个熔断器RT18-32/5ART18-32/5A3只熔断器RT18-32/2ART18-32/2A2个开关电源G1系列，单相，单输出100W，24V，4.5AS-100-241个开关电源G1系列，单相，单输出50W，24V，2.1AS-50-241个选择开关Φ22金属短柄，2位保持XB2-BD25C2个继电器接口型，24VAC，1CO/12A，搭配35M基座RSB1A120B718个PLC模块三菱FX3U晶体管FXFX3U1个PLC模块三菱FX3U数字量输出模块，8FXFX3U2个指示灯Φ22标准型，<380VAC红色XB2-BVD4C1个电机三相全封闭鼠笼式电机，3kW，3相交流，380VAC，50Hz，1437r/min，4极M2BAX100LB4极4个变频器三相100V~240V，50HZ/60HzFR-S520(S)E1个按钮Φ22金属平头，机械复位，绿色XB2-BA31C2个按钮Φ22金属平头，机械复位，红色XB2-BA42C1个按钮Φ22金属平头，机械复位，蓝色XB2-BA51C3个

4喷泉系统的软件设计4.1花样喷泉的PLC控制流程图将设备通入电源后，进入工作等待状态，当按下启动按钮后电机进入工作状态，1-4号管喷水，若不作其他动作择保持该状态至有其他动作为止。当按下花样1选择、花样2选择、花样3选择的其中一个按钮，则系统按所选花样所设定好的程序自动运行，若不作其他动作择保持该状态至有其他动作或按下停止按钮。如图4.1所示。图4.1系统控制流程图4.2I/O口分配表表2输入输出I/O口分配表输入说明输出说明X000启动按钮Y000运行状态X001停止按钮Y001控制4管喷水X002灯光按钮Y002控制3管喷水X003花样1Y003控制2管喷水X004花样2Y004控制1管喷水X005花样3Y005红灯Y006黄灯Y007绿灯Y010绿灯Y011花样1指示灯Y012花样2指示灯Y013花样3指示灯4.2.1I/O接线图图4.2PLC接线图4.2.2系统工作过程分析（1）按下启动按钮，运行开始，喷泉全部喷水口启动；（2）按下花样1按钮，切换至花样1模式；（3）按下花样2按钮，切换至花样2模式；（4）按下花样3按钮，切换至花样3模式；（5）按下灯光按钮，灯光跟随喷水口亮起；（6）按下停止按钮，运行结束。4.3控制系统程序设计4.3.1喷泉的第一种花样1、2环同时低压喷水，3秒后3环中压、4环高压隔2秒依次喷水，一起喷水的状态持续8秒后停下，然后安照4环高压、3环中压、2、1环低压的顺序隔3秒依次喷水，一起喷水的状态保持8秒后停下，当按下灯光按钮后，灯光效果将跟随喷水点亮，在不选择其他花样的情况下以此规律循环。如图4.3、4.4、4.5所示。4.3第一种花样流程图4.4第一种花样主要程序图4.5第一种花样主要程序图4.3.2喷泉的第二种花样第二种花样为3环中压、4环高压同时喷水，延时4秒后3、4环停止喷水，同时1环低压、2环低压、3环中压、4环高压隔1秒依次喷水，交替运行两次后1环低压、2环低压、3环中压、4环高压一起喷水，状态持续8秒之后停止，当按下灯光按钮后，灯光效果将跟随喷水点亮，在不选择其他花样的情况下以此规律循环。如图4.5、4.6、4.7所示。4.6第二种花样流程图4.7第二种花样主要程序图4.8第二种花样主要程序图4.3.3喷泉的第三种花样第三种花样为4环高压、3环中压、2环低压、1环低压按顺序延时2秒喷水，一起喷水的状态持续8秒之后，以4、3、2、1环的顺序延时2秒停止喷水，当按下灯光按钮后，灯光效果将跟随喷水点亮，在不选择其他花样的情况下以此规律循环。如图4.9、4.10、4.11所示。4.9第三种花样流程图4.10第三种花样主要程序图4.11第三种花样主要程序图5喷泉系统的仿真与调试5.1GXWorks2简单介绍本设计所选用GXWorks2软件进行系统仿真。使用GXWorks2来创建一个程序。要打开GXWorks2，可以双击GXWorks2的图标，或选择启动GXWorks2的菜单命令。如图5.1所示，将显示GXWorks2的项目窗口以供选择。方便的控制程序将提供快捷键。当我们想隐藏或显示一些按钮时，使用MENU命令即可。导航栏图标里有着多个集合图标用于访问GXWorks2，单击导航栏图标即可看到。它们可以从不同的编程功能与命令树中分别对项目对象的显示与控制过程进行说明。在操作过程中，单击一个命令树将单独的命令直接拖到应用程序中，或者再次双击该命令直接插入应用程序编辑器光标的当前选择位置。程序的逻辑和本地变量表。它们可以给临时性变量作一个指定的符号。子例程及中断过程展示了应用程序编辑器窗体底部的标签。单击选择卡以使用程序序列，中断程序和主应用程序更改子应用程序[15]。如图5.1所示。图5.1GXWorks2主界面与调试图5.2程序调试说明PLC的程序调试有两种调试方法，分别是：模拟调试和现场调试两个调试过程；对PLC外部接线作仔细检查是进行调试前的首要工作，这部分的工作很重要，外部接线的I/O口一定要一一对应。也可以用事先编写好的试验程序用通电检查这个方法来对外部所接的线中可能会出现的故障。不过，出于安全考虑，检查方式一般都是先将主电路断开后再进行检查。当确认好外部接线部分没有任何问题后再把主电路接上，然后再将电脑里模拟调试成功的梯形图或SFC顺序图送入用户存储器进行调试，并检验每一步有没有问题直到各部分的功能都能正常运行，并能成功地实现程序中的所有控制功能为止。而本设计所调试的程序为SFC顺序图，且使用GXWork2与控制面板程序结合进行仿真调试。SFC顺序控制程序，其调试程序时的首先要做的是检查程序的运行是否符合运行逻辑、是否符合功能表图的规定，就是在某一转换条件实现时，步的活动状态是否准确地变化，即各步被驱动的负载有无发生相对应的变化。该转换所有的前级步有没有变为不活动步，以及所有的后续步有没有变为活动步。在调试过程中需要将一切有可能的变量考虑进去，对系统中各个不同种类的继电器的不同工作方式、有选择序列的功能图表里的每条分支路线、各种有可能的进行的路线，都应要逐一检查，不能纰漏。检查到问题后应及时修改PLC中的程序和SFC顺序图，直到输出量与输入量之间的关系能在各种有可能发生的情况之下完全符合功能表图里的要求。如果程序中某些定时器或者是计数器的设定值偏大，为了拉短调试时间，可以在调试时将它们适当的调小，模拟调试过程结束后再写入它们的实际设定值。

5.2.1花样一程序块调试如图5.2所示，当按下启动按钮后，进入运行状态，按下花样1按钮，花样1指示灯亮起，开始运行花样1程序，当按下灯光按钮后灯光随着喷水点亮，在不选择其他花样的情况下以此规律循环。图5.2花样一程序块调试5.2.2花样二程序块调试如图5.3所示，在运行过程中按下花样2按钮，系统立即切换至花样2状态，花样2指示灯亮起，开始运行花样2程序，当按下灯光按钮后灯光随着喷水点亮，在不选择其他花样的情况下以此规律循环。图5.3花样二程序块调试5.2.3