毕业论文基于PLC的花式喷泉控制系统设计.docx
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毕业论文基于PLC的花式喷泉控制系统设计
毕业论文
题目:
基于PLC的花式喷泉控制系统设计
学生
专 业机电一体化
指导教师盛强
完成日期2010年5月
湖职院自动化类专业毕业论文
基于PLC的花式喷泉控制系统设计
学生：
指导教师：
盛强
2010年5月
摘要
随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使身心愉快，做事效率提高，其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。
喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。
花式喷泉采用了可编程控制器PLC和变频器，用软件实现对花式喷泉运行的自动控制，可靠性大大提高。
控制系统结构简单，外部线路简化，可方便的增加或改变控制功能，也可以进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
用SFC方法编程，可以使设计思路清晰，编程简便。
而变频器调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率因素和节电效果，可以控制喷泉水位的高度，广泛的适用范围及其它许多优点而获国内外公认最有发展前途的调速方式。
因此，可编程控制器PLC技术加变频器调速技术已成为现代喷泉行业的一个优点。
本设计是利用PLC和变频器的调速技术，因而有三种喷水花样可供选择：
能够控制每环喷水管喷水的高度；喷水时要有灯光显示；可以根据不同的季节、不同的场合可改变喷水的花样。
将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变化。
关键词：
PLC；花式喷泉；梯形图；控制；水泵
第1章绪论
1.1课题设计的背景
随着城市化进程的加速，花式喷泉可以在人们周围随处可见。
比如广场、大厦、小区等。
花式喷泉是人造小气候，在炎热的夏日可以起到增湿和降温的作用；也为水体充氧，有利于水体增加自净能力，起到防止水体黑臭的作用。
花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花式喷泉的控制系统息息相关。
花式喷泉可以根据自己的设计，设计出各种各样的花样，加上灯光，能给人有种不错的视觉享受。
1969年美国数字设备公司（DEC）研制书上世界第一台可编程序控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。
但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC。
70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置。
1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：
可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数器和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。
继电器在控制系统中主要起两种作用：
（1）逻辑运算；
（2）弱电强电。
PLC是集自动的控制技术，计算机技术和通讯于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱的首位。
具有功能强、可靠性高、配置性高、使用方便及体积小、功耗低等特点，并已成为实现工业自动化的支柱产品。
因此，进行花式喷泉的PLC的控制系统的设计，可以推动喷泉行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济的价值。
第2章系统控制方案
2.1花式喷水的概述
喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。
现在城市中的喷泉形式已十分丰富。
随着构筑物的大小及水压等有变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈。
可分为以下7种：
㈠普通喷泉：
只有简单的几种固定水型及灯光，随着电源的开闭而控制喷泉的运行、水型和灯光变化。
㈡程控喷泉：
将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变化。
㈢音乐喷泉：
在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，计算机通过对音频及MIDI信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步。
㈣水幕激光喷泉：
将激光器发出的激光束射在水膜上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多样的图案及色彩，照射在晶莹透明的水膜上，形成斑斓夺目的奇异效果。
㈤水珍珠喷泉：
利用特殊音波奖水变成球体的喷水装置和全频调整闪光灯的视觉图像效果的产品组成。
㈥游戏喷泉：
又称感应泉，喷泉水柱根据游人的动作产生反应，而且这种反应具有不确定性，是一种互动式喷泉，增强了娱乐氛围。
㈦跳跳喷泉：
又名光亮泉。
是一种高科技技术水景艺术，水形似根根晶莹透彻地冰柱，一串串飞向空中，轻舞飞扬。
2.2系统控制方案
花式喷泉系统的控制要求如下：
㈠1、2均为外环形状的喷水管，3为内环形状的喷水管，4为星形喷水管。
灯光系统由三条支路组成，分别为绿色灯支路（在1，2之间）、红色灯支路（在2，3之间）、黄色灯支路（在3，4之间）。
㈡按下启动按钮，喷泉即开始工作，按下停止按钮，则停止喷水。
喷泉的工作方式（喷水花样）由选择开关来实现。
㈢该喷泉共有三种花样可供选择：
第一种花样：
4、3、2、1隔2秒依次喷水，一起中速喷水10秒后停下，再按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水，再一起中速喷水15秒后停下，以此规律循环。
第二种花样：
1、3同时喷水，延时3秒后1、3停喷，同时2、4喷水，交替运行5次后1、2、3、4一起中速喷水，30秒后停止，再以此规律循环。
第三种花样：
1、2、3、4按顺序延时2秒喷水，然后一起中速喷30秒后1、2、3、4再分别延时2秒停喷，以此规律循环。
㈣通过变频器可以控制每环喷水管的高度。
在第一种花样中，1、3管为慢速喷水，2、4管为中速喷水。
㈤灯光系统的控制：
由PLC的X5输入端为灯光系统控制的选择按钮，当需要灯光配合时，接通X5输入端。
此时可实现三路灯光的控制，即3、4任意喷水时，黄色灯亮；2喷水时，红色灯亮；所有的喷头喷水时，绿色灯亮。
花式喷泉池示意图如图2-1所示：
图2-1花式喷泉池示意图
2.3花式喷泉控制系统原理图
在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC；因为有4层喷水，因此用了1个变频器来控制4个水泵。
花式喷泉控制系统的原理图如图2-2所示：
按钮
开关信号
PLC
电源
变
频
器
水泵
图2-2花式喷泉控制系统原理图
第3章系统硬件设计
3.1可编程控制器的选型
PLC是一种专门用于在工业环现场的电控制器。
它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。
它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
1输入输出（I/O）点数估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%~20%的可扩展。
余量后，作为输入输出点数估算数据。
2存储器容量的估算
存储器容量是可编程控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体是都是的按数字量I/O点数的10~15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%的考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够有空间。
通过对输入/输出点数、程序存储容量以及I/O响应时间的分析，得出该控制系统选用三菱公司FX2N系列的PLC较为合适。
故花式喷泉控制系统选用型号为FX2N-32MR的PLC（系统共有6输入/11输出）。
3.2变频器的选型
我设计的是通过变频器调速技术来控制每环喷水管的高度。
我选用的是FR-S520（S）E系列变频调速器，其特点是简单、易用。
其实物如图3-1示：
◆功率范围：
0.4~3.7KW（三相200VFR-S520E系列）0.4~1.5kW（单相220VFR-S520SE系列）
◆自动转矩提升，实现5Hz时150%转矩输出
◆数字式拨盘，设定简单快捷
◆柔性PWM，实现更低噪音运行
◆15段速，PID，4~20mA输入和漏源型转换等多功能
◆内置独立RS485通讯口
3.3水泵的选型
由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确起停，而且其功率必须能够精确的进行控制。
我选用品牌为DESHB（德士比）的QYP100-4.5-2.2喷泉泵，具有以下优点：
结构紧凑；无需引水、使用简便；双端密封、电器保护；设计合理、性能优良；经贸耐用、安全可靠。
并且水泵出口采用圆法兰结构，电机为F级绝缘。
适用于音乐喷泉等场合对电机频繁启动的要求，叶轮具有防松装置，不怕反转，其实物图见其3-2所示：
图3-2QYP喷泉泵的实物图
3.4硬件清单
符号
名称
用途
数量
QF
空气开关
电源总开关
7
FU
熔断器
电源总保险
3
M
电动机
驱动主轴
5
SB1
开关
停止开关
1
SB2
开关
启动开关
1
SB3
开关
灯控开关
1
SB4
开关
上保护开关
1
SB5
开关
下保护开关
1
FR
热继电器
M过载保护
4
KM
接触器
电机启动
8
HL1
灯泡
红色灯指示
1
HL2
灯泡
黄色灯指示
1
HL3
灯泡
绿色灯指示
1
3.5硬件接线图
系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。
具体的如图3-3，3-4所示：
图3-3硬件接线图
图3-4变频器跟水泵接线图
第4章系统软件设计
4.1PLC梯形图概述
梯形图是使用最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关逻辑掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。
该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。
如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该继电器为“0”或“OFF”状态。
使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
梯形图两侧的垂直公共线称为母线。
在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左是正而右是负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。
右母线可以不画出。
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，这为梯形图的逻辑解算。
梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。
解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。
逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。
4.2编程软件的操作方法
本课题采用的编程软件为GXDEVELOPER852编程软件，具体的操作方法如下：
⒈打开GXDEVELOPER852编程软件，之后点击
，在下拉菜单栏点击“创建新工程”，确定打开后就可以绘制梯形图编本课题的程序。
⒉在打开文件之后就可以绘制梯形图，根据所编的程序的，在页面右面的功能图，如4-2所示：
图4-2GXDEVELOPER852编程软件的功能图
在绘制梯形图中选择需要的输入元件，完成对梯形图的绘制。
⒊完成了对梯形图的绘制后，在软件的菜单栏中点击“在线”下拉菜单中的“PLC写入”,将程序编入软件中。
4.3I/O分配表
PLC元件
作用
PLC元件
作用
X0
停止按钮
Y0
电源指示
X1
启动按钮
Y1
控制1管喷水
X2
选择开关1的位置
Y2
控制2管喷水
X3
选择开关2的位置
Y3
控制3管喷水
X4
选择开关3的位置
Y4
控制4管喷水
X5
灯控按钮
Y5
红色灯
Y6
黄色灯
Y7
绿色灯
Y10
中速
Y11
慢速
Y12
正转
4.4系统工作过程分析
⒈按下启动按钮和灯控按钮，开始运行。
⒉按下位置开关2，则是第一种花样喷泉。
⒊按下位置开关3，则是第二种花样喷泉。
⒋按下位置开关4，则是第三种花样喷泉。
⒌无论哪种花样喷泉，只要当第三或第四任意一层喷水的时候，黄灯亮；当第二层喷水的时候，红灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。
⒍按下停止按钮，则运行结束。
4.5控制系统程序设计
4.5.1花式喷泉的第一种花样
当选择开关2的位置时，喷泉运行第一种花样：
4、3、2、1隔2秒依次喷水，一起中速正转喷水10秒后停下，再按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水，再一起中速正转喷15秒后停下，以此规律循环。
1、3管以慢速正转喷水，2、4管以中速正转喷水。
当第三或者第四任意一层喷水的时候，黄灯亮；当第二层喷水的时候，红灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。
见图4-1所示：
图4-1第一种花样的梯形图
4.5.2花式喷泉的第二种花样
当选择开关3位置时，喷泉第二种花样：
1、3同时喷水，延时3秒后1、3停喷，同时2、4喷水，交替运行5次后1、2、3、4一起中速正转喷水，30秒后停止，以此规律循环。
1、3管以慢速正转喷水，2、4管以中速正转喷水。
当第三或者第四任意一层喷水的时候，黄灯亮；当第二层喷水的时候，红灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。
见图4-2所示：
图4-2第二种花样的梯形图
4.5.3花式喷泉的第三种花样
当选择开关4位置时，第三种花样：
1、2、3、4按顺时延时2秒喷水，然后一起中速正转喷30秒后4、3、2、1再分别延时2秒停喷，以此规律循环。
1、3管以慢速正转喷水，2、4管以中速正转喷水。
当第三或者第四任意一层喷水的时候，黄灯亮；当第二层喷水的时候，红灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。
见图4-3所示：
图4-3第三种花样的梯形图
4.6顺序控制功能图
图4-4为顺序控制功能图
第5章结论
本系统主要以可编程控制器PLC和变频器为核心，利用可编程控制器PLC和变频器的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器和变频器控制花式喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。
采用PLC来控制喷泉控制系统，有效的解决单片机控制的不稳定性，提高了系统运行的可靠性，同时利用PLC的定时功能，计数功能，步进功能，可灵活地编写，增减和修改程序。
而且，PLC还具有很强的自诊断功能，迅速方便的检查判断出故障，缩短检修时间，也不需要很多配套的外围设备和大量的复杂的接线，因而大大缩短设计、施工和投产周期。
当花式喷泉的功能增加时，只需增加一个I/O扩展模块即可。
原来的接线不需改变，软件上只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也比较少。
调试结果表明，在适应性、灵活性、精确性和可靠性方面，达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。
致谢
在做论文的过程中盛强老师严谨的治学态度和一丝不茗的工作精神给了我深刻的启发，也给了我很大的触动。
另外，盛强老师经常给我讲解不懂的地方，教我怎么入手，使我能尽快的完成论文。
还要感谢其它老师的指导，给了我很大的帮助。
在此，对盛强老师在工作和生活中给予指导和关心致以最真诚的谢意。
同时在这里还要感谢机电工程分院给予我们的关心和帮助，感谢老师给予我们的帮助。
感谢其他同学在设计中提供大量的支持和帮助。
我们即将毕业，在此，再一次向三年中在学习和生活中给予过我帮助的老师和同学致谢。
参考文献
[1]孙振强.可编程控制器原理及应用教程[M].北京:
清华大学出版社，2006
[2]吴中俊.可编程序控制器原理及应用[M].北京:
机械工业出版社，2004
[3]齐从谦.PLC技术及应用[M].北京:
机械工业出版社，2002
[4]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:
机械工业出版社，2002
[5]何衍庆.可编程序控制器原理及应用技巧[M].化学工业出版社，2000
[6]胡学林.可编程控制器原理及应用[M].电子工业出版社，2007.01
[7]殷培峰.基于PLC喷泉控制系统的设计与应用[J].兰州:
石化职业技术学院学报,2006.6
[8]FX系列PLC编程手册.日本三菱公司，1999
[9]刘莉宏.可编程控制器和变频器在喷泉中的应用[M].北京:
工业职业技术学院学报,2007
[10]王兆明.电气控制与PLC技术[M].北京:
清华大学出版社，2005
[11]丁炜.可编程控制器在工业控制中的应用[M].化学工业出版社，2004.07
[12]江月山.数字化社区智能技术产业链导论[M].中国建筑工业出版社，2003.5
附录Ⅰ
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