基于ge花样喷泉控制系统本科毕业设计论文.docx

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基于ge花样喷泉控制系统本科毕业设计论文

摘要

针对传统的喷泉控制系统一旦设计好控制电路，就不能随意改变喷水花样及喷水时间等问题，本设计结合GE－FANUC硬件PACSystemsRX3i可编程控制器设计能适应不同季节、不同场合的花样喷泉系统。

PACSystemsRX3i控制系统体积小、功能强、可靠性高，且具有较大的灵活性和可扩展性的特点。

基于PACSystemsRX3i的花样喷泉控制系统，实现了自动转换花样喷泉的喷水样式，提高了系统的可靠性和安全性，美化了我们的生活环境，使我们的生活环境更加安逸、舒适。

文章设计了可以改变喷泉的喷水样式的控制系统，以达到有规律的改变喷泉喷水样式的目的。

喷泉工作方式由花样选择开关和单步∕连续开关决定。

当单步∕连续开关选择单步时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循环；当单步∕连续开关选择连续时，喷泉按照花样选择开关设定的方式，运行多个循环，直至按下停止按钮。

花样循环方式选择开关用于选择喷泉的喷水花样，本文设计四种喷水花样循环。

本设计不但实现了自动转换花样喷泉的喷水样式，而且提高了系统的可靠性和安全性，具有一定的工程应用和推广价值。

关键词：

喷泉，PACSystemsRX3i可编程控制器，花样喷泉系统

Abstract

Traditionalfountaincontrolsystemoncedesignedcontrolcircuit,itcannotarbitrarilychangethespraypatternandwaterissues,combinedwiththeGE－FANUChardwarePACSystemsRX3iprogrammablecontrollercanadapttodifferentseasons,differentpatternsoffountainsystem.PACSystemsRX3icontrolsystemhastheadvantagesofsmallvolume,strongfunction,highreliability,anhasgoodflexibilityandscalabilitycharacteristics.ThecontrolsystemwithPACSystemsRX3ipatterneruptivefountain,notonlyrealizestheautomaticconversionpatternfountainspraypattern,improvethereliabilityandsecurity,systemand,beautifyourlivingenvironment,tomakeourlivingenvironmentmorecomfortable,comfortable.ThereforeGE－FANUChardwarePACSystemsRXcontrolsystemhascertainengineeringapplicationandpopularizationvalue.

Thedesignofthecontrolsystemcanchangethefountainofspraypattern,inordertoachievearegularchangeofstyletothewaterfountain.Fountainworkbythepatternselectswitchandsinglestepandcontinuousswitchdecision.Whenthesinglestepandcontinuousswitchselectionstep,fountainonlyinaccordancewiththepatternselectionswitchsettingmode,runningacycle;whenthesinglestepandcontinuousswitchcontinuity,fountaininaccordancewiththepatternselectionswitchsettingway,runningmorethanonecycle,andthestopbuttonispressed.Figurecyclemodeselectionswitchisusedtoselectthewaterpatternfountain,fourkindsofspraypatterndesigninthiscycle.Thisdesignnotonlyrealizethespraypatternautomaticallysynchronizedfountain,butalsoimprovethereliabilityandsecurityofthesystem,hascertainengineeringapplicationandpopularizationvalue.

Keywords:

fountain;PACSystemsRX3iprogrammablecontroller;flowerfount

insystem

摘要..................................................................................................................................................Ⅰ

Abstract............................................................................................................................................Ⅱ

1绪论

1.1设计PLC控制花样喷泉的研究背景

1.1.1国内外研究现状

目前在喷泉控制系统中国内外采用的控制技术主要有单片机控制、继电-接触控制和PLC控制。

采用单片机控制原理以可控硅作为功率开关元件其可靠性和抗干扰能力较差。

据调查目前我国70的机械生产设备都是采用继电器进行控制的除了可靠性差外程序控制也很繁杂。

从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计工作量很大这势必造成设计周期长。

而采用PLC能有效解决上述问题。

PLC具有很强的自诊断功能、迅速方便地检查出故障、缩短检修时间因而用PLC控制可以确保控制系统的可靠性和稳定性。

同时采用PLC控制可以通过修改程序方便地实现喷泉花样比继电器控制系统具有更高的灵活性。

随着人们的生活日趋小康，一些必要的美化设施逐渐兴起，各式各样的广场花园越来越多，这样的地方又怎能少了喷泉呢?

多花样喷泉形式多样，常常能吸引人们的眼球，同时水又增加了环境的灵动性，多花样喷泉已经成为人们建造各类娱乐广场的必需设施。

那些控制简便，花样较多，价格低廉的喷泉慢慢成为建设者的首选。

现今，多花样喷泉的制造，延袭传统，结合现代，正日益成为人们或出于对环境的追求，或为了居室的美化，等等，而得到众多品位人士的追求。

在1980年前，喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细节，从设计到产品制作，工程安装都没有形成规模。

只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的。

在1980年以后，随着国民经济的恢复和发展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造的过程中，以及环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了求新的要求，一部分建筑、园林、水利的设计院、研究所及大专院校，综合了土建结构、给排水、机电控制等传统的专业技术，加上当时先进的单片机，通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出一批喷泉、水景。

得到了良好的社会反映和社会效益。

1.2设计研究的目的及意义

本文根据生活当中出现的一些情况，以花式喷泉为研究对象，结合了大量资料及文献，研究花样喷泉的控制问题，整理出一套可行性较高的喷泉控制系统。

本系统的研究内容主要包括了喷泉的发展情况及所存在的一系列问题；喷泉控制系统的组成；花样喷泉的控制任务和要求；花样喷泉的硬件配置以及软件的设计，再通过仿真软件来实现。

在设计当中，可能出现几个开关同时按，因此在所有花样中设置了互锁，具有更大的安全保障。

设计中并未添加单步/连续程序，因为如果单步运行，持续时间太短，观赏性不强，因而只设置了连续运行，当按下启动按钮，接着选择喷水花样，系统处于连续运行状态，直到按下停止按钮，系统立即断开电源，停止运行。

本次的毕业设计讲述的是如何利用PACSystemsRX3i控制器控制喷泉喷水方式，产生各种的样式。

是一个以PACSystemsRX3i控制器控制为核心的花样喷泉控制系统的设计。

花样喷泉在PACSystemsRX3i控制器的控制之下，喷出各种各样的水柱，给人以一种视觉上美的享受。

2喷泉的设计要求

2.1喷泉设计的主要内容

本设计将在以下几个方面对花样喷泉的控制系统进行研究和论证。

（1）花样喷泉类型的选择。

综合花样喷泉的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究能有四种喷水花样可供选择。

（2）花样喷泉硬件系统的设计。

本课题设计的花样喷泉要求运行速度准确度高，在花样喷泉的格层检测系统中选用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给plc来实现控制。

由于本课题目具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了花样喷泉的经济实用、稳定、灵活、美观的需要。

（3）花样喷泉控制系统软件的设计。

在本设计中选用了目前运用最多的plc编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计花样喷泉控制的要求，梯形图的编写运用PME编程软件，此软件支持全部的GE系列的PACSystems，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了维修时间。

2.2PLC控制花样喷泉运行要求

1）、要设计一个启动按钮，按下启动按钮，喷泉进入运行等待状态。

2）、要设计一个单步∕连续运行方式按钮，按下喷泉的单步∕连续运行方式按钮，该喷泉默认为连续运行方式。

3）、要设计一个循环方式按钮，按下喷泉喷水花样的循环方式按钮，喷泉开始运行，并设计每一个循环花样有八种，每隔6s改变一次花样。

在连续运行方式下，喷水花样将一直循环下去，在单步运行方式下，喷水花样只运行一个循环。

按下其他任意一个循环方式按钮，喷泉喷水花样的循环方式立刻改变。

4）、要设计一个停止按钮,按下停止按钮，喷泉停止运行。

根据设计要求现考虑四种循环方式。

2.3喷泉规模的设计

该喷泉占地面积俯视图为正方形，其面积S=100平方米；喷射范围俯视图为圆形，其半径R=4.5m。

喷泉概况平面图如3-1：

图2-1喷泉概况平面图

图3-1中，喷泉由5种不同的水柱组成。

其中1表示大水柱所在的位置，其水柱较大，喷射高度较高；2表示中水柱所在的位置，由六支中水柱均匀分布在2的圆（r=2m）的轨迹上，水量比大水柱的水量小，其喷射高度比大水柱低；3表示小水柱，它由150支小水柱均匀分布在3（r=3m）的圆的轨迹上，其水柱较细，其喷射高度比中水柱略矮；4和5为花朵式和旋转式喷泉，各由19支喷头组成，均匀分布在4和5的圆（r=4m）的轨迹上，其水量压力均较弱。

3控制系统总设计

3.1喷泉的运行流程图的设计

图3-1喷泉的运行流程图

注：

花样一：

1号喷泉

花样二：

2号喷泉

花样三：

1号喷泉+3号喷泉+4号喷泉

花样四：

2号喷泉+5号喷泉

花样五：

1号喷泉+2号喷泉

花样六：

2号喷泉+3号喷泉+4号喷泉

花样七：

2号喷泉+4号喷泉

花样八：

1号喷泉+2号喷泉+3号喷泉+4号喷泉+5号喷泉

3.2喷泉的运行过程的设计

按下喷泉控制系统的启动按钮，首先大水柱从地而起，直射天空；6s后，大水柱消失，紧接着六支中水柱竞相射向天空；最后所有水柱喷泉一齐迸发。

整个过程分为8段，每段6s，且自动转换，全过程为48s。

当单步∕连续开关置于连续，花样选择开关置于1时，其喷泉水柱的动作顺序如下：

1→2→（1+3+4）→（2+5）→（1+2）→（2+3+4）→（2+4）→（1+2+3+4+5）→1，周而复始，直到按下停止按钮，水柱喷泉才停止工作；当单步∕连续开关置于单步时，喷泉水柱的动作只运行一个循环。

花样选择开关置于2时，其喷泉水柱的动作顺序如下：

1→2→（2+4）→（2+5）→（1+2）→（2+3+4）→（1+3+4）→（1+2+3+4+5）→1。

花样选择开关置于3时，其喷泉水柱的动作顺序如下：

1→2→（1+3+4）→（1+2）→（2+5）→（2+3+4）→（2+4）→（1+2+3+4+5）→1。

花样选择开关置于4时，其喷泉水柱的动作顺序如下：

1→2→（1+3+4）→（2+5）→（1+2）→（2+4）→（2+3+4）→（1+2+3+4+5）→1。

3.3系统设计的基本步骤

在花样喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：

（1）深入了解和分析花样喷泉的工艺条件和控制要求。

（2）确定I/O设备。

根据花样喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。

（3）根据I/O点数选择合适的PACSystemsRX3i模块。

（4）分配I/O点，分配PACSystemsRX3i的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出端子的接线图。

（5）设计花样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

（6）程序，这是整个花样喷泉系统设计的核心工作。

（7）将程序输入PACSystemsRX3i进行软件测试，查找错误，使系统程序更

加完善。

3.4系统的结构框图

图3-2系统框图

4系统硬件设计

4.1主控制器方案设计

方案1：

使用单片机控制花式喷泉单片机的特点是控制性能和可靠性高，体积小、价格低、易于产品化。

由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在智能仪表、机电一体化产品、实时工业控制家用电器等各个领域都获得了极其广泛的应用。

花式喷泉的原理是利用控制器控制水泵的喷水的方式，此方案采用AT80C51系列单片机作为主控制器来控制喷泉的喷水方式。

单片机的成本较低，适合用于控制小型的花式喷泉。

单片机通过控制步进电机来控制电磁阀,实现对喷头流量的控制,从而使喷泉水姿、灯光色彩产生变化。

但采用单片机控制原理，是以可控硅作为功率开关元件，由于可控硅承受过电压、过电流的能力较差，因而不能长时间运行。

方案2：

使用PLC控制花式喷泉自20世纪60年代中期以来PLC产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近年来计算机和信息技术的飞速发展,不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格,使PLC通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足的进步,也使PLC的广泛应用成为可能。

PACSystemsRX3i的优点很多，主要包括：

编程方法简单易学；功能强、性能价格比高；硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强；可靠性高、抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量低、维修方便；体积小、能耗低等。

而且PLC在各个工业部门的应用范围都得到了扩展。

4.2硬件介绍——PACSystemsRX3i

PACSystemsRX3i控制器是创新的可编程自动化控制器PACSystems家族中最新增加的部件。

它是中、高端过程和离散控制应用的新一代控制器。

如同家族中的其它产品一样，PACSystemsRX3i的特点是具有单一的控制引擎和通用的编程环境，提供应用程序在多种硬件平台上的可移植性和真正的各种控制选择的交叉渗透。

使用与PACSystemsRX7i相同的控制引擎，新的PACSystemsRX3i在一个紧凑的、节省成本的组件包中提供了高级的自动化功能。

PACSystems的可移植性的控制引擎在几种不同的平台上都有卓越的表现，使得初始设备制造商和最终用户在应用程序变异的情况下，能选择最适合他们需要的确切的控制系统硬件。

RX3i模块在一个小型的、低成本的系统中提供了高级功能，它具有下列优点：

1）把一个新型的高速底板（PCI-27mhz）结合到现成的90-30系列串行总线上。

2）具有Intel300mHzCPU（与RX7i相同）。

3）消除信息的瓶颈现象，获得快速通过量。

4）支持新的RX3i和90-30系列输入/输出模块。

5）大容量的电源，支持多个装置的额外功率或多余要求。

6）使用与RX7i模块相同的引擎，使得容易实现程序的移植。

7）RX3i还使用户能够更灵活地配置输入/输出，包括：

8）具有扩充诊断和中断的新增加的、快速的输入/输出。

9）具有大容量接线端子板的32点离散输入/输出（弹簧型和盒式）。

10）多种通用的模拟量（每个通道可以配置电压、电流、热电偶、电阻式温度监测器、应力计和电阻器）。

10）高密度模拟量（隔离的）。

11）运动模块。

12）使RX3i和90-30系列I/O能“带电‘热’插拨”（仅适用于通用底板）。

13）用户能够按照自己的工作计划更改模块，使得在调整布线、安装、和绘图时更具有灵活性。

14）高性能的以太网和Profibus模块。

PACSystemsRX3i部件

1．底板

RX3i可以使用二种通用底板：

12插槽的和16插槽的。

每个插槽既支持新的模块也支持现有的90-30系列I/O模块（PCM3xx和CMM301、CMM302、CMM311、CMM321等除外），此外还提供：

1）内置在基板上的可选的风扇控制端子座（CPU和电源上的热敏传感器）。

2）通过传统机架的扩展（选项模块）。

3）当使用直流电源时（电源占用一个插槽），16槽的基板最多能够容纳13个输入/输出模块和选项模块。

12槽的基板最多能够容纳9个上述模块（CPU占用2个模块插槽）

4）RX3i基板既支持PCI总线也支持串行总线。

每个插槽有2个连接器，1个是PCI连接器，另1个是串行连接器。

PCI总线提供的性能是串行总线的250倍。

串行总线（1MHz）数据传送速率0.062兆字节/秒，而新的PCI总线（27MHz）的数据出送速率是27.0兆字节/秒。

因此，在使用PCI总线的情况下，以太网和其它智能模块的数据吞吐量将增加70%。

2．RX3iCPU

RX3iCPU有一个300MHz处理器，支持32K输出、32K模拟输入、32K模拟输出和最大达5兆字节的数据存储。

有10兆字节全部可配置的用户存储器，这意味着你能够在CPU中存储所有的机器文件。

CPU能够支持多种语言，包括：

继电器梯形图语言

指令表语言

C编程语言

功能块图

OpenProcess

用户定义的功能块

结构化文本

SFC

符号编程

RX3iCPU有2个串行端口，即一个RS-232端口和一个RS-485端口，它们支持无中断的SNP从、串行读/写、和Modbus协议。

具有一个三档位置的转换开关：

运行、运行禁止、停止。

有一个内置的热敏传感器（中温和高温位）。

注意：

不允许带电‘热’插拨CPU

诊断用的发光二极管显示以下状态：

CPUOK

运行

输出允许

输入/输出强制

电池

系统故障

COM1和COM2端口激活状态有关CPU性能和操作的附加详细信息。

3．电源

RX3i有三种类型的40瓦电源：

交流120/240伏（直流125伏）双宽度模块和直流24伏单幅宽模块。

二种电源都装有热敏传感器，其接线端子是成双的，以便菊花链式接线。

通/断开关位于门的背面。

二种类型的电源支持带电‘热’插拨。

下面以PSA040电源为例：

诊断用的发光二极管显示状态，电源上的4个发光二极管指示，含义如下：

电源（绿色/琥珀色）。

当这个LED呈现绿色时，表现电源已经施加到底板上。

当这个LED呈现琥珀色时，表示供电已经施加到电源模块，但是电源开关没有接通。

电源故障（红色）。

当这个LED点亮时，表示电源模块已经接近或超过它的最大工作的温度。

负荷过载（琥珀色）。

当这个LED点亮时，表示电源模块中至少一路输出已接近或超过它的最大输出能力。

如果出现任何过热、过载、或电源故障，CPU故障表显示出一个故障信息。

通/断开关位于模块正面的门背后。

该开关控制电源输出的操作。

它不切断电力线路供电。

开关旁边的突缘有助于防止意外接通或关断电源。

4．RX3i以太网模块

RX3i以太网模块是以10/100兆位双工/全双工方式通信的，它支持SRTP、EGD和通道（信号发生器和使用器）。

发光二极管诊断显示下列状态：

以太网OK

局域网OK

工作登录状态

（附加协议还计划包括ModbusTCP、EthernetIP、ProfiNET、DNP3.0）。

5．通信

RX3i模块支持以太网通信和串行通信。

RX3i使用的基于机架的以太网接口模块是以太网外围设备PCI模块。

6．网络连接

RX3i的网络支持包括下列局域网：

ProfibusDP

DeviceNet

Genius总线控制器

7．模拟输入/输出

RX3i以16位的分辨率支持优越的模拟性能。

选择性的输入模块支持下列性能：

每个模块0至500毫秒的快速积分时间（除了通用模块）

产生中断

4级报警：

低、低/低、高、高/高

多种诊断-断线、欠范围/超范围、速率改变

全部输出模块支持：

多种诊断-欠范围/超范围、和箝位限制

斜率控制

新的通用模拟模块：

8个可配置的通道，每个通道都支持热电偶、电阻式温度监测器、电压、电流、应力计、阻抗及其它等，二个隔离组，以4个为一组。

内置（热电偶的）冷端补偿

高级诊断

8．离散输入/输出

RX3i提供广泛范围的离散输入/输出模块，包括以下类型：

32点、直流12/24伏输入

32点、直流24伏，具有ESCP（0.75安培）保护自修复，同时将点级的诊断发送给CPU的功能，每一点有一个双色的发光二极管（当点存在短路时为琥珀色）

24点、2安培的继电器输出

32点、交流120伏输入

16点、4安培的隔离继电器输出

16点、交流120伏隔离输入

16点、交流120伏隔离输出

9．RX3i远程输入/输出

RX3i支持以太网接口模块（IC693NIU004）用于90-30系列输入/输出，它具有下列性能：

采用10/100兆位以太网连接

内置开关使得不需要外部开关就容易将基板采用菊花链方式连接到相邻的基板。

PACSystems廉价的CPU

廉价的本地扩展

支持多种的90-30系列输入/输出，并且价格非常具有竞争性。

4.3硬件的选择

4.3.1变频器选型

变频器的特性首先表现在变频节能方面:

变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。

为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。

当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。

风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其