PLC控制自动喷泉的设计.docx

PLC控制自动喷泉的设计.docx

《PLC控制自动喷泉的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC控制自动喷泉的设计.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

PLC控制自动喷泉的设计

毕业设计（论文）

题目：

PLC控制自动喷泉的设计

姓名：

指导教师：

专业：

机械制造与设计

层次：

专科

成绩评定表

指导教师评语及评分

PLC控制自动喷泉的设计

论文评分

指导教师（签名）年月日

评审教师评语及评分

PLC控制自动喷泉的设计

评审评分

组长（签名）年月日

综合评分

成绩

评定人

签名年月日

毕业论文（设计）任务书

题目

PLC控制自动喷泉的设计

学生姓名

专业

层次

学号

指导教师

概述：

本设计为基于可编程逻辑控制器（PLC）的喷泉控制系统，用可编程逻辑控制器（PLC），不仅能够进行多种水型切换，而且能将各种水型、灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行控制程序发出控制信号，使水型、灯光实现多姿多彩的变化。

通过上位机（PC）与PLC之间的通讯来监控喷泉的状态与效果，进而控制电动机，以达到顺利实现工业控制的要求及目的，同时还要达到低功耗、高性价比、运行安全可靠等基本要求。

要求阅读或检索的参考资料及文献（包括指定给学生阅读的外文资料）：

[1]贾树军：

组态王在音乐喷泉中的应用.山西机械出版社，2003年9月第3期

[2]陶虹：

音乐喷泉控制系统设计.内江师范学院学报，2004.12第19卷第6期

[3]求是科技：

PLC应用开发技术与工程实践.人民邮电出版社，2005

[4]章文浩：

可编控制器原理及实验，第一版，国防工业出版社，2003年7月

[5]南建辉：

MCS-51单片机原理及应用实例.清华大学出版社，2004

目录

前言1

1系统总体方案设计2

1.1单片机喷泉控制系统2

1.2工控机喷泉控制系统2

1.3PLC喷泉控制系统3

1.4总体实现方案3

2硬件系统实现5

2.1PLC的等效工作电路5

2.2PLC的工作过程5

2.3PLC选型6

2.4硬件系统组成6

3软件系统实现8

3.1PLC控制程序设计8

3.2喷泉PLC程序设计8

3.3组态程序设计12

结论14

致谢15

参考文献16

摘要

随着计算机软硬件技术的飞速发展，新型喷泉与计算机的交互应用越来越广泛，自动喷泉也越来越复杂和约来月精密，使得越来越多的控制部分需要计算机来完成。

计算机控制灯光喷泉成为必然趋势。

为此，建立以PLC为核心的多媒体计算机自动控制喷泉，采用基于组态程序的计算机控制系统监控音乐、灯光、流水的变化，获得较理想的效果。

本文基于可编程逻辑控制器，设计三种喷泉类型，不仅能够进行多种水形，灯光按照设定的排列组合进行控制，实现了PLC的自动喷泉控制。

通过上位机与PLC直接的通讯监控喷泉的状态与效果，并利用组态王设计了上位机监控程序，实现了喷泉的自动控制与远程实时监控。

关键词:

程控喷泉自动控制技术PLC组态

前言

随着人民生活水平的提高，城市环境建设日益为人们所重视。

喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景，不断地出现在城市广场、居民小区、公园等场所。

它不仅可以增加周围空气湿度，较少空气中的尘埃，降低空气温度，更为人们生活增添了不少情趣。

自动控制彭荃能自动且连续的改变其形态，呈现丰富多彩的花型变化，从而给人以美好的视觉感受。

由单片机或可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController）组成的小型喷泉系统在软件及硬件上军可以较好地满足控制喷泉造型变化的要求。

由计算机作为上位机，PLC或单片机作为下位机的自动喷泉系统在功能上大大超越了传统的喷泉系统，PLC完成对喷泉现场的造型、灯光的控制，并向计算机发送实时控制数据。

上位计算机实现喷泉花型监控等功能。

自动喷泉控制的实现放大很多，本设计为基于可编程逻辑控制器（PLC）的喷泉控制系统，用可编程逻辑控制器（PLC），不仅能够进行多种水型切换，而且能将各种水型、灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行控制程序发出控制信号，使水型、灯光实现多姿多彩的变化。

通过上位机（PC）与PLC之间的通讯来监控喷泉的状态与效果，进而控制电动机，以达到顺利实现工业控制的要求及目的，同时还要达到低功耗、高性价比、运行安全可靠等基本要求。

1系统总体方案设计

1.1单片机喷泉控制系统

单片机也称为单片微型计算机，是把微型计算机的各部件——中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器/计数器等制作在一块集成电路芯片上，构成一个完整的微型计算机。

由于单片机在一块小芯片上就集成了一台计算机有具备的功能，所以其在工业控制中占据很重要的地位。

它具有超小型化、结构紧凑、抗干扰能力强等优势。

特别适用于实时工业测量控制、智能化仪器仪表和家用电器控制等应用系统。

目前，市场上流行的单片机种类繁多，如MCS-51系列，8位单片机仍占有单片机市场60%以上的份额，促进了8位单片机朝着高性能和多功能化方向发展。

其他单片机都使各具优点，在不同的领域中有着很好的应用。

单片机控制系统用于喷泉控制是完全可行的，它可以通过定时器/计数器对喷泉喷射的时间进行控制，并且也可以利用串行接口与上位机进行通讯。

由于单片机的价格比较便宜，所以大批量生产时的性能价格比较高。

但由于单片机需要附属很多的外围电路，对电路的设计水平要求很好，否则便很容易降低系统的稳定性。

而且，由于喷泉控制系统很少会有批量生产的情况，对于小规模制作时，PCB印刷电路板的制作成本是很高的。

综上所述，此次设计采用单片机控制系统不是最佳方案。

1.2工控机喷泉控制系统

工控机即工业控制计算机，但现在更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑，英文简称IPC，全称IndustrialPersonalComputer。

工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机。

工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。

因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：

1、机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。

2、机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。

3、机箱内有专用底板，底板上有PCI何ISA插槽。

4、要求具有连续长时间工作能力。

自1984年国内开始从事开发和推广应用工控机以来，已被广泛地应用于钢铁冶金、石油化工、机电成套设备、医药食品、数控机床、工业炉窑等工业领域、以及军工和科研设备中。

对于工控机作为喷泉控制系统，由于喷泉控制系统的环境相对工业控制环境要好得多，而且喷泉控制系统对连续长时间工作的能力要求也不是很高，用工控机设计喷泉控制系统实属有些大材小用。

而且工控机的价格较同层次的PC机要偏高，这样就更增加了系统的成本，降低了整体的性价比。

1.3PLC喷泉控制系统

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器取代传统续电器装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

作为离散控制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%~~30%。

随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，在自动化领域占据着十分重要的位置。

PLC使用模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC值有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。

它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。

一个PLC得控制器,可以接受几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。

对于喷泉控制系统这样被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。

PLC由于采用通用监控软件，在组态软件设计方面，要容易一些。

且PLC通常都支持现场总线，会使得系统通信得到有利保障，更适合实现上位机的远程监控。

目前适用于喷泉控制的中小型PLC种类繁多，价格低廉。

使设计者会有更多的选择余地。

系统整体造价会比工控机低，而且不会降低系统的稳定性。

经过以上三种控制系统的可行性分析可以看出，以PLC为下位机，PC机为上位机组成的控制系统是此次设计喷泉控制系统的最佳方案。

1.4总体实现方案

根据设计要求，该喷泉控制系统由PLC下位机及上位机PC组成，如图2.4所示。

PLC对喷泉的水泵进行时序控制，产生各种不同的喷水造型。

需设计三种不同的喷泉类型。

上位机编写组态软件对喷泉的工作状态进行实时监控。

要求喷泉控制程序能够产生不同的喷水造型，并且符合美学标准，逻辑合理。

组态软件要求画面美观大方，具备人机对话功能，且操作简单。

如图1-1所示：

图1-1喷泉系统方框图

2硬件系统实现

2.1PLC的等效工作电路

PLC是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把PLC等效成输入、输出和内部控制电路三部分。

输入部分

（1）这部分的作用是接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。

（2）内部控制电路

这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。

输出部分

这部分的作用是驱动外部负载。

总之，在使用PLC时，可以把输入端等效为一个继电器线圈，其相应的续电器接点（动合或动断）可在内部控制电路中使用，而输出端又以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。

2.2PLC的工作过程

PLC一般采用循环扫描方式工作。

当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括清除I/O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。

开始运行之后，串行执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段。

PLC工作时，上述过程周而复始，称为扫描周期。

（1）公共处理阶段

这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查I/O总线、检查扫描时间等。

如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。

（2）执行外围设备命令阶段

当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与PLC相连时，则PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。

（3）程序执行阶段

在这个阶段，CPU将指令逐条调处并执行，即按程序对所有的数据进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。

（4）PLC的CPU在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。

CPU对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，吧输出状态寄存器的状态通过输出不见转换成外部设备能接受的电压或电流信号。

以驱动被控设备。

这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是PLC工作的重要特点。

2.3PLC选型

目前，全世界的PLC生产厂家有200价，生产300多个品种的产品，主要集中在美国、德国、日本等多家公司，其中德国和美国是以大型PLC而闻名，而日本则主要生产小型PLC。

2.4硬件系统组成

根据系统要求，我们选择性价比比较好的K30H型PLC，共有16点mA光隔输入和16点继电器输出。

输入点为P00~P07、P10~P17；输出点为P20~P27、P30~P37。

由于实验设备有限，因此用了韩国GoldStar公司生产的MASTER-K30型PLC。

其输入输出规格如表2-1

表2-1PLC输入规格

输出形式

DC输入

点数

16点

额定输入电压

DC24V

额定输入电流

10mA/1点

动作ON

电压OFF

19V以上

6V以下

响应OFF→ON

时间ON→OFF

10ms以下

10ms以下

输出显示

绿色LED

绝缘方式

光电绝缘

表2-2PLC输出规格

输出形式

继电器

点数

16点

额定输出电压

AC250V,DC30V

额定输出电流

5A/4点

响应OFF→ON

时间ON→OFF

10ms以下

10ms以下

输出显示

红色LED

绝缘方式

光电绝缘

图2-1继电器输出接线图

3软件系统实现

3.1PLC控制程序设计

PLC作为一个工业控制计算机采用软件编程逻辑代替传统的硬件有线逻辑实现控制，其编成语言是面向被控对象，面向操作者，易于为熟悉继电器电路的广大电气技术人员掌控，通常PLC的编程语言有梯形图语言。

不同厂家，甚至不同型号的PLC产品使用的编程及编程语言中所采用的符号也不尽相同。

1、梯形图语言

梯形图语言是在继电器接触器充值原理的基础上演变而来的一种图形语言，它形象、直观，为广大电气人员所熟悉，是中、小型PLC的主要程序语言。

2、指令助记符语言

梯形图语言虽然直观方便，但PLC须配有较大的显示器才能输入图形符号，而小机型，特别是在生产现场编制调试程序时，常要借助编程器。

它显示屏小，采用的是助记符语言，这是一种类似微机的汇编语言的助记符编程表达式。

3、功能图编程语言（SCF）

这是一种较新的编程方法，它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程。

目前国际电工协会（IEC）正在实施发展这种新式的编程标准。

4、高级语言编程

近几年推出的PLC产品，尤其是大型PLC。

已经开始使用BASIC高级语言进行编程。

编辑软件KGL_WEApplication简介：

3.2喷泉PLC程序设计

本系统要有三种不同喷泉控制模式，即要完成三种不同花色类型的喷泉程序设计，对于喷泉的控制实际就是对输出点的顺序控制。

喷泉一控制要求：

①喷泉有1号—6号，六组喷头组成。

②按动开始按钮后，1号先喷，两秒后2号喷，再1秒后3号喷。

③3号喷5秒后，456号间隔1秒喷。

④齐喷5秒后3号、2号依次间隔1秒停。

⑤2秒后6，5，4，依次间隔1秒停，再2秒后齐喷5秒

⑥停3秒后循环2---6步骤

⑦按动停止按钮后，6组喷头全部停止

PCL系统资源分配：

①喷泉控制系统的输入有两个按钮：

开始按钮和结束按钮，也就是有两个输入量；

②输出要控制设备有1号—6号六组喷头，输出量是6个，PCL系统资源分配如表3-1所示。

喷泉二控制要求：

①喷泉由1号—11号喷头组成；

②按动开始按钮后，1号先喷，2秒后2号喷。

③然后3号-10号喷头间隔1秒开始喷

④10号喷后间隔2秒后11号喷，持续5秒后全部停

⑤再3秒后重复上2—4步骤

⑥按动停止按钮后，所有喷头全部停止。

PCL系统资源分配：

①喷泉控制系统的输入有两个按钮：

开始按钮和结束按钮，也就是有两个输入量；

②输出要控制设备有1—11号喷头，输出量是11个。

PLC系统资源分配如表3-2所示，梯形图如表3-2所示。

喷泉三控制要求：

①喷泉由16组喷头组成

②按动开始按钮后，16组喷头依次喷，间隔时间为1秒

③当16组喷头都喷水后，保持同时喷10秒

④10秒后16组喷头再以相反顺序依次停止，间隔时间为1秒

⑤当全部停止后，再10秒后重复2—4步骤

⑥按动停止按钮后，全部停止。

PLC系统资源分配：

①喷泉控制系统的输入有两个按钮：

开始按钮和结束按钮，也就是有两个输入量；

②输出要控制设备有16组喷头，输出量是16个。

PCL昔日资源分配如表3-3所示，梯形图如图3-3所示

表3-1喷泉一输入/输出继电器地址分配表

I/O端子

作用

P0000

开始按钮

P0001

结束按钮

P0020

1号喷头

P0021

2号喷头

P0022

3号喷头

P0023

4号喷头

P0024

5号喷头

P0025

6号喷头

表3-2喷泉二输入/输出继电器地址分配表

I/O端子

作用

P0000

开始按钮

P0001

结束按钮

P0020

1号喷头

P0021

2号喷头

P0022

3号喷头

P0023

4号喷头

P0024

5号喷头

P0025

6号喷头

P0026

7号喷头

P0027

8号喷头

P0030

9号喷头

P0031

10号喷头

P0032

11号喷头

表3-3喷泉三输入/输出继电器地址分配表

I/O端子

作用

P0000

开始按钮

P0001

结束按钮

P0020

1号喷头

P0021

2号喷头

P0022

3号喷头

P0023

4号喷头

P0024

5号喷头

P0025

6号喷头

P0026

7号喷头

P0027

8号喷头

P0028

9号喷头

P0029

10号喷头

P0030

11号喷头

P0031

12号喷头

P0032

13号喷头

P0033

14号喷头

P0034

15号喷头

图3-3喷泉三的梯形图

3.3组态程序设计

组态程序在使用工控软件中，我们经常提到组态一词，组态英文是“Configuration”，其意义究竟是什么呢？

简单来讲，组态就是用英语软件中提供的工具方法完成工程中某一具体任务的过程。

与硬件生产相对照，组态与组装类似，如要组装一台电脑，实现提供了各种型号的主板，机箱，电源，CPU，显示器，硬盘光驱等，我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的点按哦，当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间，因为他一般要比硬件中的部件更多，而且每个部件都很灵活，因为软部件都有内部属性，通过该变属性可以改变其规格。

在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的，编写程序不但工作量大，周期长，而且容易犯错，不能保证工期，组态软件的出现解决了这个问题，对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。

组态软件是北京亚控科技发展有限公司经过八年开发，五年的各种突发环境的真是考验，两万五千余例工程（钢铁，化工，电力，国家粮库，环保，水处理，冶金等各行业）的现场运行，现已经成为国内组态软件的客户首选，并且作为首家国内组态软件应用与国防，航空航天等重大工程之中。

Ι/Ο设备的输入提供现场的信息，例如产品的位置、及其的转速、炉温等等。

Ι/Ο设备的输出通常用于对现场的控制，例如启动电动机、改变转速、控制阀门和指示灯等等。

有些Ι/Ο设备（例如PCL），其本身的程序完成对电厂的控制，程序根据输入决定各输出的值。

输入输出的数值存放在Ι/Ο，设备的寄存器重，寄存器通过其地址进行引用。

大多数Ι/Ο。

设备提供与其他设备或计算机进行通讯端口或数据通道，组态王通过这些通讯通道读写Ι/Ο。

设备的寄存器，采集到的数据可用于进一步的监控。

不需要读写Ι/Ο设备的寄存器，组态王提供了一种数据定义方法，定义了Ι/Ο。

结论

通过毕业设计，我掌握了更多关于自动控制系统的知识，明白了自动喷泉控制系统的组成，PLC的功能等。

使我对一个系统的设计步骤有了清楚的了解，熟练的掌握了PLC的使用，并且掌握了以PLC系统的设计过程。

学会了如何发现问题解决问题，并在查阅资料的过程中对问题的认识和问题的解决有了新的见解。

学会了如何发现问题，解决问题。

要多思考，多研究，多动手，哪怕你的创意有技术上的错误，可是只要思路正确，通过一次次的改正与实验，总会在实践过程中收获很多。

在老师的指导过程中学习到解决问题的新方法，新思路和对故障分析的新方法。

致谢

在完成本篇毕业论文的过程中，本人得到了许多老师和同学们的帮助，是他们为此付出了心血和精力，在此请允许我向他们表示最衷心的感谢！

首先，我要感谢我毕业论文的指导老师，他为我的论文选题给予了肯定，让我可以根据自己的爱好与所学知识完成这一论文。

让我在最大的发挥自己的能力的前提下，帮助我学到更多的知识，并让我在学习的过程中收获了很多良师益友。

参考文献

[1]贾树军：

组态王在音乐喷泉中的应用.山西机械出版社，2003年9月第3期

[2]陶虹：

音乐喷泉控制系统设计.内江师范学院学报，2004.12第19卷第6期

[3]求是科技：

PLC应用开发技术与工程实践.人民邮电出版社，2005

[4]章文浩：

可编控制器原理及实验，第一版，国防工业出版社，2003年7月

[5]南建辉：

MCS-51单片机原理及应用实例.清华大学出版社，2004