延会花样喷泉plc控制系统的设计.docx

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延会花样喷泉plc控制系统的设计

花样喷泉控制系统的设计

电气工程及其自动化专业胡静

[摘要]本设计重点要解决的是花样喷泉的花样造型问题，要解决这个问题需要分为两部分，因此花样喷泉控制系统分为硬件和软件两部分，硬件部分主要是设计主电路图、外部接线图、控制接线图，软件主要是用可变程序控制器编写出所要的喷泉花样并且按照期望的顺序循环执行实现花样喷泉运行的自动控制功能，可靠性大大提高。

花样喷泉采用了可编程序控制器和交流变频技术，变频器具有优异的调速性能.可以控制喷泉水位的高度，自动控制通过计算机运行程序发出控制信号，使水型按照期望的花样进行变化。

[关键词]可编程控制器；花样喷泉；变频器；水泵

TheControlSystemDesignofSynchronisedFountain

BusinessElectricalEngineeringandAutomationMajorHuJing

Abstract:

Whatthisdesignneedstosolvewithemphasisisthepatterneruptivefountainpatternmodellingquestion,mustsolvethisproblemtoneedtodivideintotwoparts,thereforethepatterneruptivefountaincontrolsystemdividesintothehardwareandthesoftwaretwoparts,thehardwarepartismainlydesignsthemaincircuitchart,theexteriorwiringdiagram,thecontrolwiringdiagram,thesoftwareismainlytheeruptivefountainpatternwhichcompileswiththeinvariableprogramtimerwants,andrealizesthepatterneruptivefountainmovementautomaticcontrolfunctionaccordingtotheexpectationorderloopingexecution,thereliabilityenhancesgreatly.Thepatterneruptivefountainhasusedtheprogrammablecontrollerandthefrequencychangertechnologyfrequencychangerhastheoutstandingvelocitymodulationperformance.Maycontroltheeruptivefountainwaterlevelthealtitude,theautomaticcontrolsendsoutthecontrolsignalthroughthecomputerrunprocedure,isthewatertypecarriesonthechangeaccordingtotheexpectationpattern.

Keywords:

Programmablecontroller;Patterneruptivefountain;Frequencychanger;Waterpump

1.引言

1.1本课题的研究背景

随着城市化进程的加速，花样喷泉可以在人们周围随处可见。

喷泉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。

花样喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花样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研制书上世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国的生产线上。

但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使可编程序控制器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，故称为可编程控制器。

可编程序控制器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。

同时它也是在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。

具有可靠性高、抗干扰能力强、设计、安装容易，维护工作量少、功能强、通用性好、开发周期短、成功率高、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，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。

与继电——接触器系统相比系统更加可靠；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器及与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。

因此，进行花样喷泉控制系统的设计。

可以推动喷泉行业的发展，扩大可编程序控制器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课题研究的目的和意义

喷泉广泛应用于广场、车站、公园等各种公共娱乐休闲场所，PLC用于喷泉控制，通过改变PLC的程序，可以改变喷泉的造型及各种不同颜色的灯光，使之产生千姿百态，五颜六色的喷泉效果。

由于大规模集成电路与微型计算机技术的发展，给电气控制技术开辟了新的前景。

PLC作为一种新型工业控制器，它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强等优点结合起来、其本身有具有体积小、重量轻、耗电省等特点，因此，不仅在工业生产过程控制中的应用越来越广泛，而且在其他领域也得到了广泛应用。

在PLC高速发展的同时，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也到迅速发展，交流变频调速技术也已进入一个崭新的时代，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。

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。

可编程序控制器因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。

花式喷泉控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。

通过PLC对程序设计，提高了喷泉的控制水平，并改善了喷泉的样式

2S7-200系列PLC的介绍

2.1S7-200PLC的简介

S7-200PLC性价比极高，质量可靠，占据公司西门子工程产品销售额的50%左右。

西门子在中国的OEM大客户表示，自从使用西门子S7-200PLC做自动控制配套以来，产品的稳定性，抗干扰能力大大增强，也使得自己产品的品牌形象得以提升。

S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器。

它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。

紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。

最新升级的S7-200系列CPU224和226产品新老兼容性100%，运算速度提高40%，程序存储区扩大50%，数据存储区扩大60%，可选择在线程序编辑，同时增加CPU诊断LED、数据记录指令、配方指令、PID自整定指令、线性斜坡脉冲指令等。

而全新产品CPU224XP除了具备升级CPU的突出特性外，还集成有模拟量通道（2模拟量输入，1模拟量输出），且具备双通信口（RS-485），高速脉冲输出率提高500%（100KHz），2相高速计数器频率提高500%（最大100KHz），另外增加漏型或源型脉冲输出，TTL~24VDC高速计数器。

集成模拟量I/O的产品CPU224XP可提供两路模拟量输入，可用于监视过程变量，如：

速度、压力或流量等；一路模拟量输出（10位,0至10VDC和0至20mA）,可用于控制简单的运动驱动，如物料输送系统或操作阀位置的控制。

CPU224XP的双通信口扩大了S7-200产品的应用范围，能增加S7-200的销售量，特别是那些对性能有较高要求的应用。

这种新型CPU增强了S7-200在简单运动控制、简单过程控制、位置控制、数据监视和采集（远程终端应用）和通讯方面的功能。

最新研究的CPU产品都增强了位置控制功能，极大的提高了S7-200在简单步进电机和伺服系统应用中的位置控制特性。

新增的PID自整定功能增强了S7-200在简单过程控制方面的能力，如温度控制或压力控制，同时Micro/WIN使PID调试变得更加简单容易。

新增的数据记录指令可轻松实现数据记录功能，将设备或过程信息读取并永久保存，增加的特殊存储卡能够持久保存数据记录。

另外，许多控制应用需要根据产品制造或控制过程经常改变公式或配方，因此需要存储的信息量经常超过S7-200CPU变量寄存器的存储量。

新增的配方功能指令，能实现配方功能，增加的特殊存储卡可持久保存/恢复配方。

由于世界上约有70个国家使用夏时制，因此S7-200新增夏时补偿功能，能根据季节交替，设置时间自动补偿功能的指令。

S7-200PLC还提供包含时间标记和事件标志的事件记录，以堆栈“后进先出”的原则存储在缓冲区中，通过CLEARPLC指令清空记录。

每次上电、每次由STOP到RUN的转换和每次致命错误都会保存在事件记录中。

新一代的文本显示界面提供了非常灵活的键盘布置和面板设计。

键盘设计可选择多达20种不同形状、颜色和字体的按键，背景图像也可任意变化。

通过最新版编程软件的键盘设计工具可轻松实现按键的布局。

新的文本显示界面包括标准文本显示界面的基本操作功能，同时它又允许用户建立特别的可定制的面板设计，另外增加的一整套新的功能使得TD200C成为更加强大的文本显示屏。

STEP7-Micro/WINV4.0是S7-200PLC系列产品的最新版编程软件。

软件包括以下升级功能：

PID自整定，超级项目树形结构，状态趋势图，PLC历史记录和事件缓存区，项目文件的口令保护，存储卡支持，和文本显示界面支持，PLC内置PTO指令向导，诊断LED组态，数据块页，新的字符串和变量。

另外，最新版编程软件兼容性极强，支持当前所有S7-200CPU22x系列产品。

PCAccessV1.0是专为连接S7-200PLC和S7-200通信模块而设计的服务器。

它支持所有S7-200数据形式，最新版PLC编程软件中的符号都可以轻松移植到PC服务器项目中。

PC服务器还具有外语安装选件，支持多PLC连接及任何一种标准的OPC客户机，且支持所有的S7-200协议。

PC服务器内置的客户机测试允许编程者迅速进行变量的在线测试。

用户能够利用示例模板来建立项目。

S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合的检测、监测及控制的自动化。

强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列产品具有极高的性能/价格比。

在以下几方面均有出色的表现：

极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。

S7-200系列PLC在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

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，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备，如：

冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统、纺织机械、木工机械、污水处理、包装机等。

S7-200产品凭借其先进性、成熟性和广泛的适用性在自动化产品中受到广泛的重视，相信此次发布的新产品一定能够满足部分用户的需求，同时在自动化领域中获得更广泛的应用

2.2S7-200系列PLC的选型

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和要求是设计选型的重要依据。

因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制人物和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

首先是输入输出（I/O）点数的估算：

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。

其次是存储器容量的估算：

存储器容量是可编程序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。

设计阶段，由于用户应用程序还为编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需要在程序调试之后才知道。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。

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的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍，加上模拟量的I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数，另外再按此数的25%考虑余量。

因此本设计的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的空间。

再次控制功能的选择：

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、处理速度等特性的选择。

根据本课题所设计控制的需要，主要介绍一下几种功能的选择。

（1）控制功能：

PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。

（2）编程功能：

离线编程方式：

PLC和编程器共用一个CPU，编程器模式时，CPU职位编程器提供服务，不对现场设备进行控制。

完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。

离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。

在线编程方式：

CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一个扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。

这种方式成本较高，单系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

PLC共有五种标准化编程语言：

顺序功能图、梯形图、功能模块图三种图形化语言和语句表、结构文本两种文本语言。

选用的编程语言应遵守其标准，同时还应支持多种语言编程形式，以满足特殊控制场合的控制要求。

最后是是机型的选择：

通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分许。

该控制系统选用西门子S7系列的PLC。

它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的连接，可以增加输入/输出点数。

我设计的花样喷泉共有6个输入，4个输出因此。

选用型号S7-200的PLC。

3变频器的选择

3.1变频器的特性

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，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。

当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

其次表现在功率因数补偿节能：

无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

最后变现在软启动节能上：

电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。

而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。

节省了设备的维护费用。

3.2变频器的选型

正确选用变频器的类型，首先按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，然后决定选用那种控制方式的变频器最合适。

所谓合适是既要好用，又要经济，以满足工艺和生产的基本条件和要求为前提。

首先要考虑的是变频器功率：

从效率角度出发，在选用变频器功率时，主要考虑了以下几点：

（1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。

（2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。

（3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利变频器长期、安全地运行。

（4）若电动机实际使用功率有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。

其次要选的是变频器箱体结构：

变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素，这与能否长期、安全、可靠运行有很大关系。

常见有下列几种结构类型：

（1）敞开型：

本身无机箱，适用装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上，尤其是多台变频器集中使用时，选用这种型式较好，但环境条件要求较高：

（2）封闭型：

适用一般用途，可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合：

（3）密封型：

适用工业现场条件较差些的环境；（4）密闭型：

适用环境条件差，有水、尘及一定腐蚀性气体的场合。

选用变频器时按负载的特性，可选用的品牌较多，本着满足功能要求、使用方便、体积小巧、经济实惠的原则，本控制系统选用普通的变频器。

我设计的是通过变频器变频调速技术来控制每环电机的转速从而达到控制每环喷水管的喷水高度。

4花样喷泉控制系统的硬件体设计

4.1花样喷泉系统的设计方案

4.1.1喷泉概况

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：

（一）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。

（二）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。

（三）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。

（四）水幕激光喷泉：

将激光器发出的激光束射在水幕喷头喷出的水膜上，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。

（五）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图像效果的产品组成。

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。

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，一串串飞向空中，轻舞飞扬,本设计主要是程控喷泉，具体方案如下所述。

4.1.2喷泉水泵、喷头布置

此喷泉有五种不同的水柱，水柱越大，喷射高度越高，越占据中心位置。

中心为一星形喷水管；第二圈是内环形状的喷水管，喷头数为4个，第三至四圈为外环形状的喷水管，喷头数为8个。

每圈的喷头通过电磁阀由PLC控制。

该系统共4台水泵，第一圈1台2.2KW。

第二圈1台2.2KW，第三圈1台3KW，第四圈1台3KW。

喷泉花样：

喷泉按照以下三种花样一次循环动作。

1、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。

该花样喷泉有三种喷水花样可供选择：

第一种花样，4、3、2、1隔2秒一次喷水，一起喷水15秒后停下，再按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水，再一起喷水喷15秒后停下。

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、4一起喷水，30秒后停止。

第三种花样，1、2、3、4按顺序延时2秒喷水，然后一起喷30秒后1、2、3、4再分别延时2秒停喷。

花样喷泉造型图如图1所示。

图1花样喷泉造型图

4.2花样喷泉控制系统的硬件设计

4.2.1花样喷泉控制系统的主电路图

花样喷泉控制系统主电路图图如图2所示，该系统主要由四台水泵电机和四台变频器组成。

从左到右四台水泵电机分别对应控制花样喷泉造型图中的1、2、3、4圈喷水管的喷头喷射与否。

通过对变频器的参数设置可以控制每台水泵电机的转速从而控制每圈喷射管的喷高度。

图2花样喷泉控制系统主电路图

4.2.2花样喷泉控制系统的结构框图和外部接线图

花样喷泉控制系统结构框图如图3所示。

图3花样喷泉控制系统结构框图

4.2.3花样喷泉控制系统控制接线图和外部接线图

花样喷泉控制系统共设计了三中花样。

花样一要实现的功能如下：

4、3、2、1隔2秒一次喷水，一起喷水15秒后停下，再按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水，再一起喷水喷15秒后停下。

KM1线圈控制的是花样喷泉造型图种的1喷水管的喷头，KM2控制的是花样喷泉造型图中的2喷水管的喷头，KM3控制的是花样喷泉造型图中的3喷水管的喷头，KM4控制的是花样喷泉造型图中的3喷水管的喷头。

花样一控制接线图如图4所示。

图4花样一控制接线图

花样三要实现的功能是1、2、3、4按顺序延时2秒喷水，然后一起喷30秒后1、2、3、4再分别延时2秒停喷。

KM1线圈控制的是花样喷泉造型图种的1喷水管的喷头，KM2控制的是花样喷泉造型图中的2喷水管的喷头，KM3控制的是花样喷泉造型图中的3喷水管的喷头，KM4控制的是花样喷泉造型图中的3喷水管的喷头，花花样三控制接线图如图5所示。

图5花样三控制接线图

花样喷泉控制系统的外部接线图如图6所示：

由图可以看出系统共有5个输入，4个输出。

停止按钮按下后花样喷泉系统停止所有动作。

启动按钮用来启动花样喷泉系统，只有启动按钮按下的情况下喷泉才有可能按照不同的花样进行变换。

其余3个输入用于启动单个花样。

四个水泵电机用于控制造型图中的四圈水泵电机。

图6花样喷泉控制系统的外部接线图

5软件设计

5.1花样喷泉控制系统的I/O分配表

花样喷泉控制系统的I/O分配表入表1所示。

自动控制时只需按下启动按钮喷泉就按照花样一、花样二、花样三的顺序依次喷射，然后循环执行。

表中停止按钮时遇到紧急情况是的急停按钮。

手动控制时按花样一按钮喷泉就按花样一进行喷射，按下花样二按钮喷泉就按照花样二的造型喷射，按下花样三按钮喷泉就按照花样三的造型进行喷射。

四个输出分别控制1、2、3、4圈的水泵电机。

5.2程序编写

5.2.1梯形图

梯形图是使用的最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。

梯形图与电气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，特别是用于开关逻辑控制。

梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。

花样喷泉控制系统的梯形图件附录1

表1花样喷泉控制系统的I/O分配表

I/O分配表

编号

输入地址

编号

输出地址

I0.0

停止按钮

Q0.0

控制1管喷水

I0.1

启动按钮