基于PLC的花样喷泉.docx
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基于PLC的花样喷泉
毕业设计（论文）
（说 明书）
题 目:
基于PLＣ控制花样喷泉的设计
姓名：
张 帅
学号：
20１1２０01886
平顶山工业职业技术学院
年 月日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计 （论文） 任 务书
姓名 张 帅
专业班级电气自动化3班
任务下达日期 年 月 日
设计（论文）开始日期 年 月 日
设计（论文）完成日期 年 月 日
设计（论文）题目:
基于ＰLC控制花样喷泉的设计
ﻩ
指 导 教师孙慧峰
系（部）主任
年 月 日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）答辩委员会记录
自动化与信息工程学院电气自动化技术专业,学生张帅于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。
设计题目:
基于PLC控制花样喷泉的设计
专题（论文）题目:
***** 孙慧峰
答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料,根据学生答辩情况,经答辩委员会讨论评定,给予学生张 帅毕业设计（论文）成绩为 。
答辩委员会 人，出席 人
答辩委员会 主 任（签字）：
答辩委员会副主任（签字）：
答辩委员成员：
, ， , ，
， ， , 。
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）评语
第 页
共 页
学生姓名:
张帅专业班级 电气自动化３班年级 1１级
毕业设计（论文）题目:
基于ＰLC控制花样喷泉的设计
评 阅人:
指导教师:
孙慧 峰 （签字）年月日
成 绩:
系（科）主任:
（签字） 年月 日
ﻩ
毕业设计（论文）及答辩评语：
摘要
PＬC在喷泉控制系统中应用广泛。
它可以通过控制灯光、喷头等动作来实现对花样喷泉的自动控制。
本论文是以西门子S7-200系列ＰLC为核心，提出了花样喷泉的总体设计方案,确定了I／O端口的分配与接线,并编程调试了PLC应用程序,最终通过系统的动态仿真实现了花样喷泉的自动运行。
运行状况表明,该系统稳定可靠、维护简便、成本较低,能满足用户的需求。
【关键词】:
ＰＬＣ;花样喷泉；控制系统
第一章概述ﻩ３
1.1常见的几种花样喷泉３
1．２花样喷泉的动作状态5
第二章ＰLC的研究现状7
2.１PLＣ的应用领域7
第三章 喷泉设计方案ﻩ１1
３.１控制要求分析11
3.2PLＣ的选型１1
3.3电机的选择ﻩ１2
第四章喷泉PLC控制的总体接线ﻩ１4
4.1PLC的I／O分配简介1４
４.1.１开关量输入模块的选择１４
4．４花样喷泉的流程图１7
4.5花样喷泉的梯形图18
结论２2
附 录２５
第一章概述
1.1常见的几种花样喷泉
随着时代的发展,科技水平的提高，城市的喷泉设备已经十分先进,各种音乐喷泉、程控喷泉、激光喷泉已经层出不穷,变化多端。
规模可大可小，射程可高可低，喷出的水，大者如珠,细者如雾,变化万千,引人入胜。
喷泉，使静水变为动水，使水也有了灵魂，又辅之以各种灯光效果,使水体具有丰富多彩的形态，可以缓冲、软化城市中“凝固的建筑物”和硬质的地面,以增加城市环境的生机,有益与身心健康并能满足视觉艺术的需要。
大型城市广场中的人工动态喷泉，也多来自自然的种种水态,如瀑布、水帘、溢流、溪流、壁泉等，随着科学技术的发展进步,各种喷泉真是花样翻新、层出不穷，几乎达到了人们随心所欲创造各种晶莹剔透、绚丽多姿动态水景的程度。
喷泉在当今时代，已经形成了一道独特的人文景观。
下面是一些我们日常生活中常见的喷泉:
音乐喷泉是音乐和喷泉的结合，音乐是喷泉的主题，喷泉是音乐内涵的表达,如图１-1
图1-1音乐喷泉
程控喷泉是按照预先编辑的程序定时变换喷水造型，如图1－2。
图1-2程控喷泉
跑动喷泉是按照时序控制喷水，构成各种跑动、跳动、波动等形态，变化多端， 如图1-3：
图1-３跑动喷泉
可是用单片机通过可控硅作为功率开头元件实现花样喷泉时存在下面的缺点:
1.需要较多的保护电路；
2.程序的增减不灵活;
3.抗干扰能力差；
4.功率因数低。
而采用PLＣ能有效的解决这些问题,同时PＬC具有较强的自诊断功能，能迅速方便检查出故障,缩短检修时间，确保控制系统的可靠性，稳定性。
1.2花样喷泉的动作状态
如图1-4，当通电并闭合开头后,Ａ、Ｂ、C三环的喷泉同时喷放,Ａ喷口高度最高,B喷口第二，C喷口最低。
同时与A、Ｂ、C相对应的闪灯1、２、3随喷口A、B、C一起闪烁。
１０秒过后，C喷口和闪灯3停止动作，剩下Ａ、B喷口及相应闪灯1、２动作。
5秒后,只有A喷口和闪灯1口动作。
3秒后，B喷口和2闪灯和Ａ喷品、１闪灯一起动作。
5秒后,喷口Ａ、B、C和闪灯1、２、３又开始一起动作,如此如此偱环。
图1-4花样喷泉模型
第二章 PLC的研究现状
2.1PLＣ的应用领域
目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类：
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Ａnalog）和数字量（Digｉtaｌ）之间的A／D转换及Ｄ/A转换。
PLＣ厂家都生产配套的A/D和D／A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLＣ可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，直接开关量Ｉ／O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要ＰLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
４、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PＬC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PIＤ调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有ＰID模块,目前许多小型ＰＬC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的ＰＩＤ子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信及联网
PＬＣ通信含PLＣ间的通信及PＬC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快,各PLＣ厂商都十分重视PＬC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLＣ都具有通信接口,通信非常方便。
2.２ＰＬＣ的应用特点
1、功能丰富
PLC的功能非常丰富。
这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。
它的指令多达几十条、几百条,可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数据的运算。
凡普通计算机能做到的,它也都可作到。
它的内部器件,即内存中的数据存储区，种类繁多,容量宏大。
Ｉ/O继电器，可以用以存储入、出点信息的,少的几十、几百,多的可达几千、几万，以至10几万。
这意味着它可进行这么多Ｉ／O点的入出信息变换,进行这么大规模的控制。
它的内部种种继电器，相当于中间继电器,数量更多。
内存中的一个位就可作为一个中间继电器。
它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。
小小的箱体或模块,其内部定时器、计数器可达成百、成千。
这也是因为只要用内存中的一个字,再加一些标志位,即可成为定时器、计数器,所以才那么多。
而且,这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的,即上电后予以清零的。
以满足不同的使用要求。
这些也是继电器件所难以做到的。
2、使用方便
用PLC实现对系统的控制是非常方便的。
这是因为:
首先PLC控制逻辑的建立是程序,用程序代替硬件接线。
编程序变接线，更改程序变更改接线，当然要方便得多。
其次PLC的硬件是高度集成化的,已集成为种种小型化的模块。
而且,这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。
种种控制系统所需的模块，PLC厂家多有现货供应,市场上即可购得。
所以,硬件系统配置与建造也非常方便。
正因如此，用可编程序控制器才有这个“可”字。
对软件讲,它的程序可编，也不难编。
对硬件讲,它的配置可变,而且也易于变。
3、工作可靠
用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。
这是因为PLＣ在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。
事实上，如果ＰLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用,也就不成其为PLC了。
在硬件方面：
PLＣ的输入输出电路与内部ＣPU是电隔离。
其信息靠光耦器件或电磁器件传递。
而且,CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。
故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁的干扰,能正常地工作。
ＰLC使用的元器件多为无触点的,而且是高度集成的，数量并是不太多,这就为其可靠工作提供了物质基础。
在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施,可确保PLＣ耐振动、耐冲击。
使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80-－９0度。
有的PＬC的模块可热备,一个主机工作，另一个主机也运转,但不参与控制,仅作备份。
一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。
此外,有的ＰLＣ还采用三取一的设计,ＣPU、I/Ｏ模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。
三套同时工作,最终输出取决于三者中的多数决定的结果。
这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。
当然,这样的系统成本是很高的,只用于特别重要的场合,如铁路车站的道叉控制系统。
（2）软件方面:
PLC的工作方式为扫描加中断,这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的"冒险竞争＂,其控制结果总是确定的;而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应,使PLC能可靠地工作。
为监控PLC运行程序是否正常,ＰLC系统都设置了“看门狗”（Wａtchingdｏg）监控程序。
运行用户程序开始时,先清"看门狗"定时器,并开始计时。
当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。
若超时（一般不超过1０0ms），则报警。
严重超时，还可使PLＣ停止工作。
用户可依报警信号采取相应的应急措施。
定时器的计时值若不超时,则重复起始的过程,PＬC将正常工作。
显然,有了这个“看门狗”监控程序，可保证PLＣ用户程序的正常运行，可避免出现“死循环”而影响其工作的可靠性。
PLＣ还有很多防止及检测故障的指令，以产生各种检测模块工作正常与否的提示信号。
可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况,以及ＰLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。
PLＣ每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。
这是系统程序配置了的,用户可不干预。
出现故障时有相应的出错信号提示。
正是因为PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施,才确保了PLC能够可靠的工作。
它的平均无故障时间可高达几万小时以上；出了故障时的平均修复时间却很短,几小时以甚至几分钟就可以了。
曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。
在回答中，多数用户把PLＣ工作可靠作为选用它的主要原因,即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标
4、经济合算
尽管使用ＰLC首次投资要大些,但从全面及长远看，使用PLC还是经济的。
这是因为:
使用PLＣ的投资虽大，但它的体积小、所占空间小,辅助设施的投入少;使用时省电,运行费少；工作可靠，停工损失少;维修简单,维修费少；还可再次使用以及能带来附加价值等等,从中可得更大的回报。
所以,在多数情况下，它的效益是很可观的。
第三章 喷泉设计方案
3.1控制要求分析
如图３-1所示,闪灯1、2、３分别对应电机Ma、Mb、Mc，它们是随电机一起动作的。
即电机动作，则相应的闪灯闪烁，电机停止，则相应的闪灯也停止闪烁。
当接通电源，闭合开关SB０时,Ma、Ｍb、Mc同时动作并持续;10Ｓ后Mc停止,Mａ、Mb动作持续;5S后Ｍb、Ｍc停止动作，Mａ动作;３S后Mａ、Ｍb动作，Mc停止;5Ｓ后Ma、Mb、Mc同时动作1０S，依次重复上述动作。
只要不按下停止开关SＢ1，喷泉将如此循环下去。
图3－1花样喷泉的模型
３.2PLＣ的选型
Ｓ7-２0０ＰLC具有集成的24V负载电源，它可以直接连接到传感器、变送器和执行器,CPU221、2２2具有1８0ｍA输出，CＰU２2４、２２4ＸP、ＣPU2２6分别输出2８0ｍＡ或40０mA电流,可做负载电源。
该设计中系统开关量输入点只有两个，开关量输出点有6个，如果选用ＣＰU221PＬC （6输入／4输出），需要扩展单元，参照西门子Ｓ7－２00产品目录及市场实际价格,选用主机为CPＵ222（８输入/6输出）。
CPU22２的主要技术数据见表3-１。
表３-1CPU2２2的主要技术数据
特性
CPU222
外形尺/mｍ×mm×ｍm
90×8０×６2
程序存储区
2048字
数据存储区
１024字
掉电保护时间/h
50
本机I/Ｏ
8入/6出
扩展模块数量
2
高速计数器单相双相
４路30KHz2路20ＫHZ
脉冲输出（DC）
2路20ＫHＺ
模拟电位器
１
实时时钟
配时钟卡
通讯口
1ＲＳ-485
浮点运算
有
I/O映像区
256（１28入/12８出）
布尔指令执行速度
０.3７üs/指令
３．3电机的选择
ＱSP型园林喷泉用潜水电泵是由充水式潜水电机与离心式水泵同轴联接组成。
符合ＪB／T8０92－1996标准规定,产品取得全国生产许可证。
经过三十多年来不断的改进和完善,其结构合理、外形美观,十分可靠,适应频繁启动及变频运行要求,且安装方便,对水源无污染符合绿色环保要求，成为广大用户喜爱的产品,广泛应用于农业灌溉、工矿排水、水景喷泉、水产养殖,鱼塘增氧、防洪排涝等领域。
具有以下特点：
泵电一体,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。
它的使用条件:
电泵出水口流量不得大于额定值（在规定扬程范围内使用）； 潜水深度不超过5米；水温不超过＋４0℃;PＨ值在5-９之间。
它的系列产品的主要技术参数如表3-2。
因为本设计中主要用到的是小扬程喷泉泵,表中只给出了一些中低扬程的技术参数。
表3－2 QＳP系列中低扬程产品的主要技术参数
序号
型号
定流量
（m3/h）
额定扬程
（m）
额定功率
（kW）
额定转速
（r／min）
额定电流
（A）
额定电压
（V）
配管内径
（ｍm）
1
QSP10０－45-2．２
1００
4．5
2.2
286０
5．7
380
1５0
２
QSP65－7-2.2
6５
7
2．2
２86０
5.7
3８0
1０0
3
QSP160-4－3
160
4
3
2860
7.５４
3８0
１５0
4
QSＰ100-6-3
100
6
3
2８60
７.５4
38０
１50
５
QSP144-5-3
144
５
3
２860
８.5
380
152
６
QSP250-5-５.５
25０
5
5．５
2860
13.2
３８0
152
７
QSP200-９-７.5
2０0
9
7．5
2860
1６．8
380
200
8
ＱＳＰ500－３．5-7.5
50０
３.５
7.5
28６0
１6.8
3８０
２50
9
ＱSP4００－4.５-7.５
4０0
４.5
7.５
2860
16．８
３80
２50
注:
1、表内所列为代表性的规格,未列入本表的详见铭牌技术参数。
2、外装式电动机保护开关由用户自行配制。
根据本次设计的设计要求，MA电机扬程要求最高，ＭB次之。
ＭC最低，所以可以选用QSP１44-5-3做为MA电机，扬程为5米；相相应的QSＰ1６0-４-3做为MB电机,扬程为4．5米； QSＰ5００－3.5－7.５做为ＭC电机。
扬程为3.5米。
第四章 喷泉PLC控制的总体接线
4.１PLC的Ｉ/O分配简介
4.1．1开关量输入模块的选择
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。
开关量输入模块的选择时应注意以下几点:
1、输入接线方式
开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式:
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。
２、注意同时接通的输入点数量
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%。
3、输入门槛电平
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
4.1.2开关量输出模块的选择
开关量输出模块是将PＬC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。
选择时主要应考虑以下0几个方面：
１、输出方式
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,既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载,而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强,但其属于有触点元件,动作速度较慢（驱动感性负载时,触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差,只能适用于不频繁通断的场合。
对于频繁通断的负载,应该选用晶闸管输出或晶体管输出,它们属于无触点元件。
但晶闸管输出只能用于交流负载,而晶体管输出只能用于直流负载。
2、注意同时接通的输出点数量
选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。
同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V／2A的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是１6A（8×2Ａ）,通常要比此值小得多。
一般来讲,同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的６０%。
３、输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关
开关量输出模块的技术指标,它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。
另外,晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低,在实际使用中也应注意。
4.1.3模拟量I/O模块的选择
模拟量I/O模块的主要功能是数据转换，并与PＬC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。
模拟量输入（A/D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PＬC内部可接受的数字量；模拟量输出（D／A）模块是将ＰＬＣ内部的数字量转换为模拟量信号输出。
典型模拟量Ｉ/O模块的量程为-10Ｖ~＋１0V、0~+1０V、4～20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。
4.2 花样喷泉的I/Ｏ分配情况
输入信号
启动按钮SB０ I0.0
停止按键SB1 I0．1
输出信号
1号闪灯 Ｑ0.0
２号闪灯 Q0．1
3号闪灯 Q0.2
A喷头喷水开关接触器 Ｑ０.3
B喷头喷水开关接触器 Ｑ0.4
C喷头喷水开关接触器 Ｑ0.５
4.3花样喷泉的Ｉ／O接线图
PLＣ的输入按钮只有一个SB0,用来控制系统的启动和停止。
由于西门子PLC内部不为其输入点提供电源,需用户自行提供,因而设计中采用ＰＬC自身输出的+2４V的电源（Ｍ和Ｌ+两端）为上述按钮供电。
ＰLC的输出带负载的能力较低,如果直接带动直流电磁阀或闪灯，容易导致输出触点烧坏，因些采用中间继电器（KA０～ＫA5）作为驱动元件,间接的控制潜水泵用闪灯的开户和闭合。
各个输出支路的中间继电器均并联一个续流二极管,为感性负载断开瞬间的高压提供了放电回路,熔断器则起到短路保护作用。
PＬＣ的控制接线图如图４－１
图4-1花样喷泉的I/O接线图
4.4花样喷泉的流程图
图４-2花样喷泉的流程图
如图４－2所示，当开头闭合时，触发中间继电器M0.１和时间继电器T38（Ａ、B、Ｃ三环的喷泉同时喷放,A喷口高度最高,B喷口第二,C喷口最低。
同时与A、B、C相对应的闪灯1、2、3随喷口A、B、C一起闪烁１0S）。
10秒过后,触发中间继电器M0．２和时间继电器Ｔ39（Ｃ喷口和闪灯３停止动作,剩下Ａ、B喷口及相应闪灯1、2动作5S）。
5秒后，触发中间继电器M0．3和时间继电器Ｔ40（只有Ａ喷口和闪灯1口动作3S）。
3秒后，触发中间继电器M0.４和时间继电器T4１（Ｂ喷口和2闪灯和A喷品、１闪灯一起动作5Ｓ）。
5秒后,回到中间继电器M0．１时的运作状态（喷口A、B、C和闪灯1、2、３又开始一起动作）。
如此依次偱环。
4.5花样喷泉的梯形图
当开关闭合时，复位中间继电器M0．1到M０.4。
为下次循环做好准备并接通中间电器M1.0为本次动作做好准备。
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