基于PLC编程的花式喷泉毕业设计.docx

基于PLC编程的花式喷泉毕业设计.docx

《基于PLC编程的花式喷泉毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC编程的花式喷泉毕业设计.docx（57页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于PLC编程的花式喷泉毕业设计

摘要

在游人和居民经常光顾的场所，如公园、广场、旅游景点及一些知名建筑前，经常会修建一些喷泉供人们休闲、观赏。

这些喷泉按一定的规律改变喷水式样，如果再与五颜六色的灯光相配合，在和谐优雅的音乐中，更使人心旷神怡，流连忘返。

随着可编程控制器在我国的迅速发展，对花式喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需要可编程控制器来实现。

使用PLC控制花式喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。

用梯形图方法编程，可以使设计思路清晰，编程简便.若需要改变喷水花样和喷水时间，设计方案不必作很大调整，只要把控制程序作相应的修改，即可实现控制目的。

本设计讲述的是如何利用PLC控制喷泉喷水方式，产生各样的样式，并给出了花式喷泉的喷水花样，选择西门子的PLC作为控制器，分配了４种喷水花样下PLC的I/O接口、设计了PLC的外部接线图及控制梯形图，同时用MCGS组态软件完成了花式喷泉系统人机界面的设计，通过人机屏面和西门子PLC之间的通讯，实现了小型喷泉系统基于PLC监控。

关键词:

PLC，喷泉，控制系统，组态

ABSTRACT

Theplacewhichpatronizesfrequentlyinthetouristandthereresident,beforelikethepark,thesquare,thescenicsiteandsomewell-knownconstructions,willconstructsomeeruptivefountainstosupplythepeopleleisure,watchingfrequently.Theseeruptivefountainsaccordingtocertainrulechangesprayingofwatermodel,ifcoordinatesagainwiththecolorfullight,inwiththeharmoniousgracefulmusic,causesthehumantobecompletelyrelaxed,forgetstoreturn.Astherapiddevelopmentoftheprogrammablelogiccontroller,ithasbeenappiedinthecontrolfieldtomeetthemoreandmoredemanding.Withtheadvantagessuchasitshighreliabilityandeasyofuse,itcansimplifythedesignlogicandprogramming.Whencontrolmentdemandchanging,theuserjustneedtoadapttheprogram,avoidingmodifythedesignplanifneedstochangethepatternandtimeoffountains.WhatthisarticlenarratedishowusingthePLCcontroleruptivefountainsprayingofwaterway,hasallkindsstyles.Forepatternsofthefountainweregiven.ThedistributionofPLCisinput/outputinterfacewasdescribedunderthosepatterns.Theexternalhookupandladderdiagramsweredesignedalsointhispaper.Theconfigurationrealizationofthesystemwasintroduced.ConfigurationdynamicsimulationwascompletedbycommunicatingtheconfigurationsoftwareandthePLChardwareofSIEMENS.

Keywords:

PLC，eruptivefountain，controlsystem，Configuration

第1章绪论

1.1课题研究背景

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。

人们经常看到喷泉按一定的规律喷水,景色迷人;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。

传统的喷泉控制采用单片机控制原理，通过可控硅作为功率开关元件，完成对潜水泵间歇工作的控制，可实现各种花式的喷水，但是这种控制系统在实践中存在以下缺点：

由于可控硅承受过电压、过电流的能力差，因而不能长时间运行；需要配置较多的保护电路；程序的增减、修改和运行监视不灵活；抗干扰能力差；功率因数较低等。

为有效解决上述问题，确保控制系统的正常运行，我们就可以采用PLC控制。

1985年国际电子委员会（IEC）对PLC的定义如下：

PLC是自动控制技术，计算机技术和通讯技术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（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。

可编程控制器，简称PLC。

它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。

具有1.可靠性高、抗干扰能力强；2.设计、安装容易；3.维修工作量少；4.功能强、通用性好；5.开发周期短、成功率高；6.体积小、重量轻、功耗底等特点。

具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为工业生产自动化的支柱产品。

与继电——触发器系统相比系统更加可靠；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维修、维护；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构。

因此，进行花式喷泉的PLC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，具有一定的经济和理论研究的价值。

1.2课题设计目的和意义

近年来我国经济的不断发展，物质生活水平的提高促使着人们迫切的追求更高的生活享受，于是大大小小的公园如雨后春笋般出现在新的城市规划中，其中必然会修建一些喷泉供人们休闲、观赏。

这些喷泉按一定的规律改变喷水式样，如果再与五颜六色的灯光相配合，在和谐优雅的音乐中，更是令人心旷神怡，流连忘返。

其中PLC控制的花式喷泉更是作为佼佼者，以其简单的操作方法和绚烂的视觉效果饱受人们的称赞。

而通过用PLC设计花式喷泉，熟悉掌握了PLC编程和程序调试方法。

进一步了解PLC的I/O连接。

进一步熟悉定时移位的编程指令的应用，学习电气可编程中的基本实验器件及PLC编程等的综合应用。

巩固和加深对PLC编程控制器的理解和应用。

掌握硬件实验装置的方法。

1.3课题设计内容

本设计将在以下几个方面对花式喷泉的控制系统进行研究和论证。

（1）花式喷泉控制系统的组成

本设计的多花样喷泉采用西门子编程软件进行PLC编程，利用PLC的工作原理，结合按钮、开关、电源电路进行设计，将软件和硬件有机地结合起来，使得系统能够实现多花样喷泉各种模式的变化以及控制。

（2）花式喷泉的控制任务和要求

本设计以花式喷泉为研究对象，采用PLC作为喷泉的控制器，对花样喷泉控制系统总体功能进行分析，提出对喷泉硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案，并对控制方式进行设计和程序的编写。

要求设计要求画出本系统的控制系统框图，硬件接线图；对硬件部分进行选型（包括PLC、各种传感器及其外围设备、数模和模数转换器件等）；编写和调试控制程序。

（3）花式喷泉的硬件系统的配置

本课题选择S7-200作为控制器，S7-200PLC系统是紧凑型可编程控制器，它能够满足各种设备的自动化控制需求。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛。

德国SIMATIC（西门子）公司的S7-200PLC，具有以下优点：

1、A/D、D/A转换精度及转换速度高，一个模拟量模块带3路A/D，1路D/A，A/D、D/A转换速度高为125us，为保证系统的采样、控制精度及调节速度提供了基本的物理条件。

其他厂家PLC的模拟量模块的A/D、D/A转换速度均为ms级，不具备必要条件，而且S7-200PLC的模拟量模块的价格不过300人民币，为同类最低，因此具有很好的性能价格比；2、CPU运算速度快，0.37us/位，指令丰富：

具有浮点运算、指针运算、中断、通讯响应、PID运算、PWM脉冲输出等功能，存储容量大，充分适应现代控制技术，如最优控制、自适应控制、变结构控制等控制算法的要求；3、输入/输出点多、响应快，24输入/16，每点可设置滤波参数，4个20KHz高速计数器，2个高速输出口，适应实时控制的要求；4、通讯组网能力强，配有2个232/485通讯口，可方便连接232/485/422等通讯接口，适应监控系统的要求；5、可靠性高，将CPU模块，输入/输出IO模块，通讯模块高度集成一体，简化结构，使用方便。

事实证明S7-200PLC可编程序控制器完全满足花式喷泉系统的要求，具有较好的性能[1]。

（4）花式喷泉控制系统软件MCGS的应用[2]

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式喷泉控制的要求，梯形图的编写运用西门子STEP7编程软件，此软件支持S7-200PLC，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。

组态软件的选择为MCGS，MCGS组态软件可用于花式喷泉设计，MCGS全中文工业自动化控制组态软件是一套32位工控组态软件。

它的主要特点有：

①延续性和可扩充性

使用MCGS工控组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；

②封装性（易学易用）

MCGS工控组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；

③通用性和可扩充性

每个用户根据工程实际情况，利用MCGS工控组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的设备驱动、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有网络功能的工程，不受行业限制。

第2章系统控制方案的确定

2.1花式喷泉的概述

喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头洒出来具有一定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。

现代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的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈。

可分为以下7种[3]：

（1）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、水型和灯光开关。

一般为早期产品或只用于装饰性喷泉时使用，其特点是设计简单，效果单一。

（2）普通程控喷泉

按照池中几种喷嘴系统，在程序控制器中编制几种控制程序，通过程控器发出控制信号控制低压继电器，再由继电器控制水泵交流接触器，使水型及灯光有几种交替的变化样式，这种控制也可以用多路时间继电器、同步控制器、PLC或带有PLC功能人机界面替代。

普通喷泉造价低，档次不高，效果也不尽令人满意，此一般应用于中小型喷泉。

（3）跳跳喷泉

又名光亮泉，是一种高科技水景艺术，水形似根根晶莹透彻地冰柱，一条条、一串串飞向空中，轻舞飞扬，不溅不散。

如果是一对跳跳泉，可实现长对跳、中对跳、短对跳、错位跳等，令人目不暇接。

如果安装的个数多于两个，编制程序后还可以增加追逐、跟踪等功能。

（4）游戏喷泉

游戏喷泉是一种互动式喷泉，人们可以融入喷泉水景中进行各种戏水活动，如穿过由彩虹状水型形成的隧道——彩虹飞渡；由水型形成的矩阵迷宫——迷宫泉；还可以实现水炮打靶——靶泉；人在喷泉上走时突然冒出喷泉——水雷泉；池边安装受话器，用呐喊声音大小，来变频控制喷泉水柱的高低——喊泉；以及用脚踩钢琴键发出音符的同时喷出高低对应的水柱——琴音泉；通过触摸改变水柱的颜色或水流方向、形态、产生水雾、气泡甚至跳出彩球和奖品等的各种喷泉，给人带来轻松愉悦的心情。

游戏喷泉只根据游人的动作发生反应，这种反应具有不确定性，因此增强了娱乐性和参与性的氛围，给游人其乐无穷美好感受。

（5）水珍珠喷泉

利用特殊音波将水变成球体的喷水装置和全频高速闪光灯的视觉残像效果组成的产品：

水珍珠可在1秒钟内连续喷出50-60颗大小的水珠，用专用全频高速闪光灯实现水珠悬浮在空中的动人景象。

这种全频高速闪光灯和普通闪光灯不同，它可高速闪光，看起来与自然的室内照明无两样。

水珍珠与普通喷水不同，它不仅仅是单一的空间装饰，而且可在喷泉设施中利用水的视觉、触觉效果，为人们提供艺术性和观赏性。

水珠大小、喷水形状可据不同用途安装在不同的地方。

（6）跑泉

跑泉是在多个一线排列的喷嘴上，利用PLC的程序控制每个喷嘴上安装的喷泉专用电磁阀（电磁阀开关速度达10次/S—20次/S），将10—20个喷嘴上的电磁阀一起喷水，以3—6个喷嘴为一组，当后一组喷嘴开启时前一组喷嘴关闭，快速循环运行形成奔跑的动态喷泉。

利用程序还可以做成跳动波动的喷泉，效果令人有振奋进取的心情。

（7）摇摆泉

摇摆喷泉一般由摇摆机和对称的两组喷水管道及管道上多个喷嘴组成，摇摆机经变频调速后控制两组管道转动，控制管道上喷出水柱的摇摆速度，形成如“鲲鹏展翅”、“光芒万丈”等横向、纵向、斜向、三三摇摆造型喷泉，令人像是置身于虚无缥缈的境界，有心旷神怡的感受。

在这个课题中我设计的是普通程控喷泉。

2.2系统设计基本步骤

在花式喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：

1、在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比的情况下选择PLC的型号。

2、确定I/O设备。

根据花式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、分配I/O点，分配PLC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。

4、设计花式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，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。

5、根据要实现的花式喷泉的样式绘制MCGS监控界面图。

6、将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善，然后再进入实验室进行调试。

2.3系统控制方案

花式喷泉系统的控制要求如下：

1、按下启动按钮，喷泉装置开始工作，按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。

2、喷泉工作方式由花样选择开关和单步开关决定。

3、当单步开关在单步位置时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循环，否则就连续循环下去。

4、花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，现考虑四种喷水花样。

①花样1

按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时2秒后，3号喷头喷水，在延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2S，1号喷水。

15秒后，如果为单步工作方式，则停下来，否则继续循环下去。

如图2.1：

图2.1花样1

②花样2

按下启动按钮后，1号喷头喷水，延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2秒后，3号喷头喷水，有延时2秒后，4号喷头喷水。

30秒后，如果为单步工作方式，则停下来，否则继续循环下去。

如图2.2

图2.2花样2

③花样3

按下启动按钮后，1号、3号喷头同时喷水，延时3秒后，2号、4号喷头喷水，1号、3号喷头停止喷水。

如此交替15秒后，4组喷头全喷水，30秒后，如果为单步工作方式，则停下来，否则继续循环下去。

如图2.3：

图2.3花样3

④花样4

按下启动按钮后，1→2→3→4按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s后，1、2、3和4号水管分别延时2s停水，再等待1s，由4→3→2→1反序分别延时2s喷水，然后再一起喷水30s为一个循环。

如果为单步工作方式，则停下来，否则继续循环下去。

如图2.4：

图2.4花样4

无论在什么工作方式，按下停止按钮后，喷水池将停止运行。

2.4花式喷泉控制系统的原理图

2.4.1多花样喷泉设计原理[4]

喷泉控制系统由启动控制程序、位移脉冲控制程序、位移及复位控制程序、驱动控制程序组成。

通过位移脉冲控制程序实现子元件中的内容在存储器间的移动，通过复位控制程序实现喷泉花样的循环，通过驱动控制程序实现喷泉的喷射。

2.4.2多花样喷泉设计原理图

图2.5花样喷泉设计原理图

图2.6花样喷泉控制PLC接线图

第3章系统硬件设计

3.1可编程控制器（PLC）的选择

3.1.1PLC概述

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

本课题中用PLC作为它的简称。

PLC是用于工业现场的电控制器。

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。

PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能[5]：

（1）逻辑处理功能；

（2）数据运算功能；

（3）准确定时功能；

（4）高速计数功能；

（5）中断处理（可以实现各种内部中断）功能；

（6）程序与数据存储功能；

（7）联网通信功能；

（8）自检测、自诊断功能。

可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。

3.1.2PLC的选型

PLC产品的种类繁多。

PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。

因此,合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC机型的选择：

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。

选择时应主要考虑到合理的结构型式，安装方式的选择，相应的功能要求，响应速度要求，系统可靠性的要求，机型尽量统一等因素。

（1）合理的结构型式

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。

（2）安装方式的选择

PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。

集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。

（3）相应的功能要求

一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。

对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统，可选用能带A/D和D/A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。

对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。

但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。

（4）响应速度要求

PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。

如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I/O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。

（5）系统可靠性的要求

对于一般系统PLC的可靠性均能满足。

对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。

（6）机型尽量统一

一个企业应尽量做到PLC的机型统一。

主要考虑到以下三方面问题：

1、机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。

2、机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。

3、机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。

综上，为了保证系统的实用性、可靠性，故本次设计选用西门子S7-200CPU266主机增加到40个数字量I/O点。

最大扩至24个数字量I/O点或35路模拟I/O点。

I/O模块的型号和数量每一块的点数可分为4、8、16、32和64点。

依照设计要求需要，选用6ES72162AD230XB8CPU226,DCPS,24DEDC/16DADC-CN2331.84型。

3.2开关量输入模块的选择

3.2.1开关量输入模块的选择

开关量输入模块是用来接收现场输入设[6]备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。

开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。

选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。

直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

开关量输入模块的输入信号的电压等级有：

直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。

选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。

一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合，如5V输入模块最远不得超过10米。

距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。

开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，即汇点式和分组式。

汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。

分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。

对于选用高密度的输入模块（如32点、48点等），应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。

为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。

门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。

3.2.2开关量输出模块的选择

开关量输出模块是将PLC[7]内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。

开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。

继电器输出的价格便宜，