完整版基于PLC的花式喷泉设计毕业设计论文.docx

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完整版基于PLC的花式喷泉设计毕业设计论文

武汉※※※※学院

毕业论文（设计）

题目：

基于PLC的花式喷泉设计

学生：

※※

系别：

机电工程系

专业班级：

※※※※※

指导教师：

※※※

辅导教师：

※※※

时间：

2014年11月25日至2015年4月30日

摘要II

关键字II

AbstractIII

KeywordsIII

前言1

1绪论2

1.1课题研究背景2

1.2本文的研究内容2

1.3课题设计的目的和意义2

2系统控制方案的确定3

2.1花式喷泉的概述3

2.2系统设计的基本步骤3

2.3系统控制方案3

2.4花式喷泉控制系统的原理图4

3可编程控制器（PLC）的选择5

3.1PLC的基本知识5

3,1.1PLC概述5

3.1.2PLC的用途5

3.2PLC的选型6

3.2.1PLC种类的介绍6

3.2.2型号的选择6

3.3变频器的选用7

3.4水泵的选型8

3.4.1水泵的参数及性能8

3.4.2选择步骤10

3.5硬件接线图11

4系统的软件设计12

4.1I/O分配表:

12

4.2流程图12

4.3I/O接线图13

4.4梯形图14

4.5指令表17

总结19

参考文献20

致谢21

基于PLC的花式喷泉设计

摘要

花式喷泉是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物。

伴随着经济社会以及人们审美的快速发展，对花式喷泉的控制方式也有了越来越高的要求，使得大部分的控制部分需要可编程序控制器来实现。

可编程序控制器是工业生产中很常见的自动控制装置,它用到了很多传统和先进的现代技术，如继电技术,计算机技术,，电子技术、通讯技术,其使用起来非常方便，有着强大的控制能力和较高的可靠性，很适合温度控制的要求。

关键字

花式喷泉；PLC；设计

FancyfountaindesignbasedonPLC

Abstract

Fancyfountainisinrecentyearstheemergenceofagardenbuildingcombinedwithafancywatchaproduct.Alongwiththerapiddevelopmentoftheprogrammablecontroller,thefancyfountainisalsoputforwardhigherandhighercontrolrequirements,makethemostofthecontrolpartneedprogrammablecontrollertorealize.

Programmablecontrollerisawidelyusedautomaticcontroldevice,itwilltraditionalrelaycontroltechnology,computertechnology,communicationtechnologytogether,hasastrongcontrol,convenientoperation,highreliability,suitableforlong-termcontinuousworkingcharacteristic,verysuitableforthetemperaturecontrolrequirements.

Keywords

Fancyfountain;PLC;design

前言

可编程序控制器源于继电器-接触器控制，是电气控制的最新发展阶段，它们在理论和应用上是一脉相承的。

随着电子技术、自动控制技术和计算机应用技术的迅猛发展，一些电器元件可能被电子电路所取代。

可编程序控制器在这方面的发展具有很大优势，能够在机械的控制当中实现较高程度的自动化，是今后发展的一个重要方向。

近年来，世界高新技术不断涌现，各种新技术迅速发展，微电子技术，计算机技术和自动控制技术等是其中的代表，其应用越来越广。

而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，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。

喷泉是我们生活中非常常见的一种娱乐设施，它具有很多种形态，也相应的有很多种功能，当空气干燥时，喷泉可以湿润周围空气，在天气非常炎热时，喷泉可以减少尘埃，降低气温。

将可编程序控制器与喷泉结合起来，能够推动喷泉控制行业的自动化控制的发展，具有良好的发展前景，能带来较好的经济效益。

1绪论

1.1课题研究背景

随着时代的发展,当今的技术日趋完善，竞争也愈演愈烈;当前制造业对控制系统和原件提出了越来越高的要求，在保证质量和效益方面要求更高，技术企业对形象也有着很高的要求，这些事传统手工操作所无法给予的。

可编程序控制器源于继电器-接触器控制，是电气控制的最新发展阶段，它们在理论和应用上是一脉相承的。

随着电子技术、自动控制技术和计算机应用技术的迅猛发展，一些电器元件可能被电子电路所取代。

但是由于电器元件本身也朝着新的领域扩展，例如：

电器元件性能的提高；新型电器元件的产生；机、电、仪一体化电器元件的实现；电器元件应用范围的扩展等，而且有些电器元件有其特殊性，因此常将可编程序控制器与电器元件结合起来应用。

喷泉是我们生活中非常常见的一种娱乐设施，它的多种功能给我们的生活带来了很多乐趣，。

当天气炎热的时候，它可以降温，天气干燥的的时候，它可以增大湿度；当水里含氧量低的时候，通过喷泉的换水可以增加水里的含氧量。

现在水体污染很严重，喷泉的运行还可以使水体防臭。

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。

这些喷泉，喷水样式是有一定特定规律控制的。

一般再配合绚丽的五颜六色的灯光，让人们心情舒畅。

本文讲述的是如何利用PLC控制喷泉的喷水方式.

1.2本文的研究内容

本论文主要要讲的是用三菱FX2N-32MRPLC作为可编程控制器,具体涉及到如下方面的内容：

一绪论：

对课题研究背景国内外发展前景进行了阐述

二设计总体方案

三系统硬件设计

四系统软件设计

五总结。

1.3课题设计的目的和意义

近年来，世界高新技术不断涌现，各种新技术迅速发展，微电子技术，计算机技术和自动控制技术等是其中的代表，其应用越来越广。

而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，好的环境能使心身愉快，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。

2系统控制方案的确定

2.1花式喷泉的概述

喷泉是我们生活中很常见的一种娱乐设施，具有很高的观赏性，为广大群众所喜闻乐见，它的原理也很简单，就是用水泵提供高压，将水从具有一定形状的喷头中喷出来。

花式喷泉可分为以下几种：

（1）普通喷泉：

其水型和灯光固定，一般配合简单的开关来进行运作

（2）程控喷泉：

将其出水方式及水型通过程序先编好，在程序的控制下，自动程度较高，喷泉的变幻会显得更加迷人。

（3）游戏喷泉：

又称感应泉，它的水柱能随人的动作而变化，具有一定的互动性，具有不确定性，因而增加了不少娱乐氛围。

（4）跳跳喷泉：

又名光亮喷泉。

是将水柱一次一次射向空中

采用PLC控制花式喷泉的优点

（1）从控制方式上看：

PLC软接线，

（2）工作方式看：

PLC串行工作，更加简洁，不受制约。

（3）控制速度上看：

PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，故而不会出现抖动。

（4）定时、计数看：

PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有记忆功能。

2.2系统设计的基本步骤

在花式喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：

（1）深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。

（2）确定I/O设备。

根据控制系统的功能要求，确定所需的输入、输出设备。

（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。

（4）分配I/O点，分配各输入输出点，编制接线图。

（5）写出梯形图程序，根据工作要求设计出准确的梯形图

（6）编写程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。

2.3系统控制方案

花式喷泉系统的控制要求如下：

一、按下启动按钮,喷泉控制装置开始工作;按下关闭按钮,喷泉控制装置停止工作.

二、喷泉的工作方式由花样按钮来自行选择.

三、花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样.

1.花样一:

按下一号按钮:

喷头1（3S）喷头1、2（3S）喷头1、2、3（3S）然后重复循环

2.花样二:

按下二号按钮:

喷头1、2（2S）喷头23（2S）喷头13（2s）

循环五次后,喷头123全开25S.

喷头布置如图1

图1

2.4花式喷泉控制系统的原理图

在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC。

花式喷泉控制系统的原理如图2所示：

图2

3可编程控制器（PLC）的选择

3.1PLC的基本知识

3,1.1PLC概述

可编程序控制器，英文称ProgrammableController,简称PLC，在可编程序控制器发展的初期，不同的开发制造商对PLC有不同的定义，为使这一新型的工业控制装置的生产和控制规范化国际电工委员会曾于1982年11月颁发了可编程序控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，草案中对可编程序控制器的定义是：

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

其具有以下基本的功能：

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。

它还有以下优点：

1.可靠性高，抗干扰能力强

PLC是专工业生产应用而设计的，因此在设计PLC时，采取了很多可靠的抗干扰措施

2.通用性强，使用方便

用户不用自己去设计其他装置。

所做的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。

对于一个控制系

（2）软件措施:

对程序进行检查和检验

统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能改变控制功能。

3.采用模块化结构，使系统组合灵活方便

用户可以根据自己的实际需求进行组合，为用户提供了很大的方便，

4.编程语言简单易学，便于掌握

PLC的开发制造商采取了与继电接触器控制原理相似的梯形图语言，这样方便一线工人掌握和学习，易学易懂。

5.系统设计周期短

由于采用了模块化设计的的方法，使得设计工作所需的时间大大缩短，加快了工程的进度。

3.1.2PLC的用途

PLC的应用通常有下用途：

（1）顺序控制在工业控制中，PLC采用其步进指令编程或用移位寄存器编程的功能实现顺序控制。

（2）开关量逻辑控制PLC运用其强大的逻辑运算能力，通过准确高效地控制开关量可以实现各种简单或复杂的逻辑控制，这是PLC取代传统的继电器-接触器的控制根本原因。

（3）模拟量控制PLC中配置有A/D和D/A转换模块。

现场的温度、压力、流量、速度等这些模拟量经过A/D模块转换位数字量，传送到PLC中，经过PLC中的微处理器进行处理后，经D/A模块转换后，变成模拟量去控制被控对象，这样就可以实现PLC对模拟量的控制。

（4）定时和计数控制功能。

（5）数据处理PLC可以通过数据处理能力，实现数据的比较、转换、通信、显示等功能。

（7）通信和联网现在PLC一般都有通信功能，它可以对输入和输出进行远程控制，又能实现可编程控制器主机与可编程控制器主机、可编程控制器主机与计算机之间的通信，这样用PLC可以方便地进行分布式控制，这样就能实现大规模自动化生产线的集中控制和管理。

为实现工业现代化，智能化提供了条件。

3.2PLC的选型

3.2.1PLC种类的介绍

全球PLC有二百多种，国内常用PLC也就二三十种，常用的有德国西门子，法国施耐德，美国AB，ABB，GE日本欧母龙，三菱，松下，韩国，三星，国产和利时，科创思等。

三菱PLC相对于其他的PLC价钱比较高，但是性能相对强大，可操作性强，有相配套的伺服系统和组态软件。

而且在大学期间我所接触的也大多数是日三菱公司的PLC。

三菱PLC的种类分为FX1N，FX2N，FX3U，FX3G等，FX1N，FX2NPLC与FX2N-32MR相比功能更为强大，为升级产品，但由于本系统所需功能和技术要求FX2N完全能够解决，所以从经济方面考虑选用三菱FX2N-32MR系列产品。

按照本系统的设计要求、工作环境、监测对象等方面出发，三菱PLC完全可以满足本系统的设计要求。

如今三菱PLC的种类分为FX1N，FX2N，FX3U，FX3G等系列，其中FX1N，FX2N是以FX1N为根基沿用而来的，生产价钱比FX1N略高，且完全可以满足本系统的设计要求，所以本次设计选用三菱FX2N-32MR的PLC作为本系统的控制器。

FX2N-32MR系列可以根据对象不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架上。

PLC基本结构：

可编程序控制器实质是计算机，基本构成为：

一、电源

二、中央处理单元（CPU）

三、存储器：

四、输入输出接口电路

五、功能模块

六、通信模块

其中，PLC的工作过程一般分为三个阶段，

一、输入采样阶段

这一阶段用扫描的方式将暂存的数据读入，然后写入相应的寄存器中。

二、用户程序执行阶段

在此阶段，可编程逻辑控制器按一定顺序依次地扫描（梯形图）

三、输出处理阶段

3.2.2型号的选择

按照本系统的设计要求、工作环境、监测对象等方面出发，西门子PLC完全可以满足本系统的设计要求。

如今三菱PLC的种类分为FX1N，FX2N，FX3U，FX3G等系列，其中FX1N，FX2N是以FX1N为根基沿用而来的，生产价钱比FX1N略高，且完全可以满足本系统的设计要求，所以本次设计选用三菱FX2N-32MR的PLC作为本系统的控制器。

每个I/O点及与此有联系的功能元件占用的内存量大体为：

开关量输入器件：

10～20B/点；

开关量输出器件：

5～10B/点；

计数器件/定时器件：

2B/个；

通讯接口：

一个接口大概容量要求在299B以上。

PLC容量的挑选除满足指挥要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。

按照以往，在挑选存储容量时，通常按实践要求的15％～20％给定裕量。

3.3变频器的选用

驱动主要有：

步进驱动控制、交流伺服驱动控制、交流变频驱动控制等。

步进驱动不适合连续、大负载运行；因为其功率小、速度慢。

直、交流伺服驱动性高，但控制系统复杂，成本也高。

根据公式

n0＝

可以发现，电动机的同步转速n0随频率f而同步变化。

在异步电动机中，转子转速nM始终略低于同步转速n0。

所以，当n0连续可调时，nM也连续可调。

又由于在频率f相同时，异步电动机的转速是根据磁极对数p的不同而改变的，所以频率f的调节范围也是各不相同的。

三菱FR-Z240-4.0KP-ER变频器

通过查找大量资料和数据分析，我们发现现代工业自动化生产的要求很高，三菱FR-Z240-4.0KP-ER的变频器，不仅可以满足现在的要求，同时也具备了其它的功能。

1、变频器的功用

变频器可以转换交流电的频率，即将其由固定的变换成连续可调的。

固定频率通常为50HZ，连续可调的频率多数为0～400HZ。

如图3-1所示，变频器的R、S、T为输入端，U、V、W为输出端。

输入交流电频率固定，可以是单相也可以是三相；输出的则是三相交流电，同时接至电动机。

由于经过变频器的转换，此时的交流电频率在一定范围内连续可调。

图3

2、变频器的类别简介

按变换环节分：

交-交变频器和交-直-交变频器。

前者是直接变换；后者先将交流电整流，变成直流电后再进行逆变。

该过程由变频器自动进行，不受其他因素控制，此时得到频率可调的交流电。

按电压的调试方式分：

PAM（脉幅调制）和PWM（脉宽调制）。

分别通过改变直流电压的大小和改变输出脉冲的占空比来进行调制。

按直流环节的储能方式分：

电流型和电压型。

分别通过电感线圈和电容器储能。

3.4水泵的选型

水泵作为一种通用机械，在现代社会广泛的应用于国民经济的各个部门，在国民经济中占据有重要的地位。

泵的电能消耗有着积极作用。

但是在很多领域中，由于选型不合理带来了很多问题，不仅不能使用还降低了效益。

由此可见，合理选择水泵对节约能源有着重要意义。

水泵的选型就是根据工程具体情况，确定合适的水泵型号和台数。

1、使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。

2、必须满足介质特性的要求。

对输送易燃、易爆有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无泄漏泵，如磁力驱动泵、隔膜泵、屏蔽泵对输送腐蚀性介质的泵，要求对流部件采用耐腐蚀性材料，如AFB不锈钢耐腐蚀泵，CQF工程塑料磁力驱动泵。

3、机械方面可靠性高、噪声低、振动小。

4、经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。

3.4.1水泵的参数及性能

（1）水泵的主要参数

水泵参数是指涉及泵的工作能力一组物理量。

一般有很多物理量，包括流量、扬程、转速、效率、比转数和允许吸上真空高度等。

通常它们被标注在水泵铭牌上，供人们识别和选用。

1.流量（Q）3

水泵的流量Q：

水泵在单位时间内输送的水量，常用的单位是M/s（立方米每秒），L/s（升每秒）

每一种型号的水泵的流量都有一定的范围，所谓的水泵设计流量，是指水泵在这一流量下，运行时的效率最佳，超过了就会降低它的效率。

2.扬程（H）

扬程H：

被输送的单位重量液体从泵进口到出口所增加的能量，即单位重量液体通过水泵时所获得的有效能量。

实际上就是水泵能将水扬起来的高度，又称总扬程或全扬程，单位为米液柱高度，一般省去“液柱”，以米（m）表示。

泵的总扬程由吸水扬程和出水扬程两部分组成，因此

总扬程=吸水扬程+出水扬程

但由于水流在流动过程中受到很多阻力，使其吸水扬程和出水扬程减少，因此

吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程

出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程

损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程

所以又可得

总扬程=实际扬程+损失扬程

由于铭牌上的数据与实际情况存在较大差距，所以在选择水泵的时候不能完全按铭牌上的数据来进行选择，而要根据实际情况，否则，不仅可能降低水泵的效率，甚至会造成根本不能使用。

实际的使用当中会产生很大的能量损失，损失的扬程与多种因素相关，如水管数量、水管内径、管长、，水管的布排方式、水管内壁粗糙程度以及水泵流量等。

这些在管路设计和选配水管和附件时要引起重视。

1.允许吸上真空高度（HS）

允许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程，也就是泵的吸水扬程（简称泵的吸程），包括实际吸水扬程和吸水损失扬程之和。

以Hs表示，单位为米（m），这是安装水泵高度时需要注意的重要参数。

安装水泵时，应使水泵的吸水扬程小于允许吸上真空高度值，否则安装过高的话就会产生吸不上水或气蚀的现象。

2.转速（n）

转速是指泵叶轮每分钟的转数，以n表示，单位为转/分（r/min）。

每台泵都有其额定转速，在使用的时候且不可随意降低或提高，这个数据一般会在铭牌上显示出来。

如果远大于额定转速，不但会引起动力机超载或转不动，而且泵的零部件也容易损坏；转速降低，泵的效率就会降低，影响水泵的正常工作。

3.比转数（ns）

在前述水泵型号中，有些型号的组成部分有比转数这个参数。

比转数与转速是两个概念，水泵的比转数，简称比速，通常用符号为ns。

此外，要注意比转数大的水泵，其转速不一定高；比转数小的，转速不一定低。

大流量、低扬程的水泵，比转数大，防止则小。

一般比转数较低的离心泵，其流量小、扬程高；而比转数较高的轴流泵，其流量大、扬程低。

4.功率

功率是指机组在单位时间内作功的大小。

水泵功率可分为有效功率、轴功率和配套功率三种。

（1）有效功率

是纯用于扬水所消耗的功率，又称为净功率。

常用符号为N效，单位为千瓦（或马力）。

有效功率只可用水泵的流量和扬程计算得出：

流量（千克/秒）×总扬程（米）

有效功率（千瓦）=———————————————

102

（2）轴功率

它是动力机传给水泵轴上的功率，因此称为轴功率或输入功率。

要包括泵体内轴承的摩擦、水泵轴与填料的摩擦、水与叶轮、泵壳间的摩擦，以及泵内高压水的回漏等所消耗的功率。

（3）配套功率

它是指水泵应选配的动力机的功率，一次又称有用功率。

常用符号为N配，它比轴功率大。

这是因为动力机把动力传递给水泵的过程中，有传动损失；同时还要考虑可能出现动力机超载，因此动力机需要功率储备。

配套功率可按下式求得：

动力安全系数×流量（千克/秒）×总扬程（米）

配套功率（千瓦）=——————————————————————

102×水泵效率×传动效率

动力安全系数，一般通过水泵轴的功率大小确定。

在轴功率太小时取大值。

传动交率要根据传动类型和传动方式确定。

采用联轴器直接传动时，取0.99。

采用皮带传动时，开口式传动取0.98，交叉传动取0.9，半交叉取0.92～0.94；三角带传动取0.96。

5.、效率（n）

效率是指有效功率与轴功率的比值，因此他是反映泵对动力所给予的功率利用程度的技术经济指标。

常用符号为n，其大小用百分数来表示。

可用下式表达：

有效效率

水泵效率=—————×100％

轴功率

由于有效功率小与轴功率，因此水泵效率永远小于1。

但水泵效率值越大说明有效功率越大，泵内损失功率越小。

我们选择水泵时，应尽量选择效率高的水泵。

铭牌上的效率是指水泵正常工作所不应该超过的功率。

常用的水泵的效率为60%～80%，少数大型水泵超过了80%。

3.4.2选择步骤

（1）列出基本数据：

1.介质的特性

2.介质中固体颗粒含量

3.所需要的流量

4压力

（2）确定流量扬程和流量

1.如果生产工艺中已给出最小、正常、最大流量，应按最大流量考虑。

2.如果生产工艺中只给出正常流量，应考虑留有一定的余量。

3.在基本数据值给出重量流量时，应换算成体积流量。

我选用品牌为DESHB（德士比）的QYP100-4.5-2.2喷泉泵，实物如图4：

图4

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5所

图5

4系统的软件设计

软件的设计实际上就是通过对喷泉的各种运动情况进行分析，对喷泉的运动状态进行划分，再根据所划分的运动状态画出流程图。

通过控制过程流程图就能对控制动作有清晰的思路。

在绘制流程图时，首先要对喷泉主流程有足够的认识，这样才能将主流程进行划分，得出子流程图。

然后通过对子流程分析，得出控制程序。

最终再通过主流程图中控制动作的先后顺序，对各控制子程序进行组合得出总的控制系统程序。

接下来，将对控制系统的主流程和子流程进行分析。

4.1I/O分配表:

输入

启动按钮

I0.0

停止按钮

I0.0

输出

第1道喷泉

Q0.1

第2道喷泉

Q0.2

第3道喷泉

Q0.3

4.2流程图

流程图如图6所示

图6

4.3I/O接线图

I/O接线图如图7所示

图7

4.4梯形图

4.5指令表

LDX0

ANDX1

ANIX2

ANIT3

OUTY1

OUTT0K30

OUTT1K6