花样喷泉课程设计.docx
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花样喷泉课程设计
电气控制与PLC
课程设计说明书
题目：
花样喷泉控制系统设计
专业班级：
姓名：
学号：
指导教师：
王艳芳
评语：
成绩：
指导老师签名：
日期：
目录
1系统概述2
1.1系统应用背景和意义2
1.2设计任务及要求3
2方案论证3
2.1喷泉的布局设计3
2.2系统设计的基本步骤4
2.3方案的具体确定4
3硬件设计12
3.1系统的原理方框图12
3.2主电路图13
3.3I/O分配13
3.4I/O接线图14
3.5元器件选择14
4软件设计15
4.1主程序流程图15
4.2梯形图15
4.3步序图16
5系统调试18
设计心得18
参考文献19
1系统概述
1．1系统应用背景和意义
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。
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。
1969年美国数字设备公司（dec）研制书上世间第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（gm）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器，简称PLC（programmablclogiccontroller）。
1987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。
花样喷泉的核心是PLC，是一种以微处理器为核心、带有指令存储器和输入输出接口、综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的新一代工业控制装置。
它能够存储和执行指令，进行位置控制、逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
本设计主要以可编程控制器PLC的控制功能，通过对各个开关的控制，来满足人们对视觉的需求，实现了利用可编程控制器控制花样喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。
当花样喷泉的功能增加时，只需要增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少，调试结果表明，在适应性、灵活性、准确性和可靠性方面，都达到了设计要求。
通过本设计，我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。
并且，更了解了有关可编程器件的功能。
1．2设计任务及要求
系统由三相异步电机4KW380V50HZ拖动水泵，喷泉系统呈内外4圈圆形分布，喷泉从里到外分为第一组1个喷头、第二组4个喷头、第三组8个喷头、第四组16个喷头，共有29个喷头，每组喷头喷出相同的花样，由一个电磁阀DC24V5W控制，系统设有启动停止按钮。
具体要求如下：
1、按下启动按钮后，第一组喷水；
2、第一组喷水5秒后第二组喷水。
3、第二组喷水6秒后第三组喷水。
4、第三组喷水8秒后第四组喷水。
5、第四组喷水5秒后第二组喷水。
6、第二组喷水3秒后重复2、3、4、5步骤。
7、无论在何种喷水状态下，按动停止按钮后，系统停止。
2方案论证
2．1喷泉的布局设计
本设计花样喷泉模型如下:
第一组为中间喷头，第二组为内环状喷头，第三组为一次外环状喷头，第四组为外环状喷头。
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）根据I/O点数选择合适的PLC类型。
（4）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。
（5）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。
（7）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。
2．3方案的具体确定
2.3.1控制器的选型
现在应用最广泛的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。
三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、适用面广但是数据处理比西门子弱。
西门子PLC性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。
欧姆龙PLC欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求，东欧的老机床器件符号输进去好多都不认，按它的标准老图的标示都要变很不方便。
松下PLC超小型尺寸，轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何电缆。
从I/O10点到最大I/O128点的选择空间。
本设计需要速度快稳定同时从价格等方面考虑我们选择三菱PLC本设计所使用的I/O口不是太多所以我们选择三菱FX-1N型PLC，如图2-1所示。
图2-1三菱FX1NPLC
PLC的应用特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统将极高的可靠性。
2.配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及
建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
这特别适合多品种、小批量的生产场合。
（2）安装与布线
●动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。
将PLC的IO线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。
●PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。
在柜内PLC应远离动力线（二者之间距离应大于300mm）。
与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。
●PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。
模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10.
（3）I/O端的接线
输入接线
●输入接线一般不要太长。
但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。
●输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。
●尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。
输出连接
●输出端接线分为独立输出和公共输出。
在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。
但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。
●由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。
●采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，
因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。
●PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。
2.3.2潜水泵的选型
深井提水的重要设备。
使用时整个机组潜入水中工作。
把地下水提取到地表，是生活用水、矿山抢险、工业冷却、农田灌溉、海水提升、轮船调载，还可用于喷泉景观，热水潜水泵用于温泉洗浴，还可适用于从深井中提取地下水，也可用于河流、水库、水渠等提水工程。
主要用于农田灌溉及高山区人畜用水，亦可供中央空调冷却、热泵机组、冷泵机组、城市、工厂、铁路、矿山、工地排水使用。
一般流量可以达到（10m3~650m3）每小时、扬程可达到1500米。
现在喷泉常用的潜水泵有QS、QY、QX、、QJ等系列。
QS系列潜水泵体积小、性能可靠，机泵一体、潜入水中运行主要优越性是：
运行可靠、经久耐用、使用方便、功率大、故障少，维修费用低等。
流量：
10-250（m3/h）。
杨程：
5-140（m）。
QY系列潜水泵QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三部分组成。
电泵的上端，多为离心式水泵；下端为三相鼠笼立式异部电动机。
电机全部采用优质整圆硅钢片，效率高，耗电少潜水深度不超过5米水温不超过+40℃。
流量：
10-300（m3/h）。
杨程：
4-110（m）。
QX系列潜水泵工程潜水泵泵电一体，结构紧凑，非常适合于基建及矿山的搬运和安装无需引水，使用简便双端密封，电器保护设计合理、性能优良、几无噪音。
流量：
5-20（m3/h）。
杨程：
20-60（m）
QJ系列潜水泵电机与水泵直联，机组全部潜入水中工作，具有结构紧凑、安装、维护方便、体积小、重量轻、高效节能等特点。
工作条件1、工作介质为清水或化学性质类似于清水的液体。
额定扬程：
150米额定流量：
10立方米/小时。
从该喷泉所需的扬程、流量、水质、价格等方面考虑该喷泉选择QS系列的潜水泵，如图2-2所示。
图2-2QS系列潜水泵
2.3.3喷头的选型
喷泉喷头也称喷泉喷嘴全部采用铜或不锈钢制作，这样具有黄金的色彩或银光闪闪，喷头显得豪华气派。
其工艺精巧美观，结构合理，性能高效节能。
其中常用的有：
可调直流喷头、半球形喷头、树冰形喷头、礼花喷头、涌泉喷头、加气喷头、直上喷头等产品系列。
1.第一组喷头的选择
第一组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以第一组喷头选择直上喷头。
直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。
该喷头也叫中心喷头。
可调节射流的方向。
喷头材质：
铸铜、不锈钢，如图2-3所示。
图2-3直上喷头实物图及安装简图
2.第二组喷头的选择
第二组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比第一组所喷出的水柱稍细比第一组所喷的水柱要低。
所以第二组选择可调直流喷头。
可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球形接头，可沿垂直方向向15度进行调节。
可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果，射流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小决定。
喷头材质：
铸铜、不锈钢，如图2-4所示。
图2-4可调直流喷头实物图及安装简图
3.第三组喷头的选择
第三组喷头应该比第二组喷头喷射高度略低比第四组略高，所喷水柱比第二组水柱略粗壮、挺拔。
所以第三组喷头选择树冰形喷头。
树冰形喷头喷水时外观效果庞大丰满，粗壮挺拔，抗风力较强。
喷头安装在导流筒上端与水面齐平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱。
喷头材质：
铸铜、不锈钢，如图2-5所示。
图2-5树冰形喷头实物图及安装简图
4.第四组喷头的选择
第四组位于该喷泉的最外侧，水柱所喷高度应该最低，水量应该较大，择所喷水柱比较灵动。
所以选择涌泉喷头。
涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。
喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，水沫轻溅，古朴灵动。
加气喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷出的水柱呈白色不透明状，反光效果好。
喷头材质：
铸铜、不锈钢，如图2-6所示。
图2-6涌泉喷头实物图及安装简图
2.3.4电磁阀的选型
喷泉常用的阀门有球阀、蝶阀、闸阀、止回阀、水下液压阀、水下电磁阀、水下数控阀等。
本设计的喷泉采用PLC控制同时在工作时会接触水，所以选择DC24V水用电磁阀。
如图2-7所示。
图2-7水用电磁阀
3硬件设计
3．1系统的原理方框图
系统基本原理：
接通电源，按下启动按钮后，第一组喷水；第一组喷水5秒后停止，然后第二组喷水；第二组喷水6秒后停止第三组喷水；第三组喷水8秒后停止第四组喷水；第四组喷水5秒后停止第二组喷水；第二组喷水3秒后停止，然后第一组喷水，循环上述过程。
另外，无论在何种喷水状态下，按动停止按钮后，系统停止。
系统的原理方框图如3.1所示:
图3-1系统原理方框图
3．2主电路
3．3I/O分配
根据第一章的介绍可以得出该喷泉的开始、停止需要用到两个按钮，这两个按钮开关分别接到PLC的两个输入口上。
而一、二、三、四四组喷泉口需要用到四个水用电磁阀，这四个电磁阀需要接到PLC上面的四个输出口上。
控制水泵的接触器也需要接到PLC的五个输出口上，所以该系统需要用到两个输入口和五个输出口。
表3-1为它们所对应的I/O口。
表3-1I/O分配表
输入口
输出口
设备符号
设备名称
PLC口
设备符号
设备名称
PLC口
SB1
开始按钮
X0
KM1
A口喷头电磁阀
Y0
SB2
停止按钮
X1
KM2
B口喷头电磁阀
Y1
SB3
电源按钮
X2
KM3
C口喷头电磁阀
Y2
KM4
D口喷头电磁阀
Y3
KM
控制泵的接触器
Y4
3．4I/O接线图
3．5元器件的选择
表3.3电气元件一览表
名称
型号
品牌
数量
主电机
YZD7134-4KW
北京金荣峰电机厂
1
潜水泵
GS
河南四通
1
熔断器
RL1-15
正泰
2
水泵接触器
JZ7-44
施耐德
1
PLC
FX1N-40MR
三菱
1
导线
1.5MM2
正泰
200M
水用电磁阀
DSW-02-3C2-DC24
台湾油田
4
直上喷头
SYN600
永森
1
可调直流喷头
ZLNT
乐泳康体
4
树冰形喷头
SB-25
意万仕
8
涌泉喷头
PQPT
维邦
16
24V直流电源
S50-24
台湾明纬
1
按钮
ZB2-BE
施耐德
3
4软件设计
4.1主程序流程图
图4-1主程序流程图
4.2梯形图
4.3步序图
5系统调试
接通电源SB3,按下启动按钮SB1,X000有信号输入,PLC进入运行状态。
按下SB2,对应经X001断开,PLC停止工作.详细过程如下:
1.当按下开关SB1,PLC输出点Y000输出信号,KM1接通相联接的第一组喷头,同时开始计时,5秒后动作接通Y001相对应的KM2接通联接的第二组喷头,开始计时,6秒后动作接通Y002,相对应的KM3接通联接的第三组喷头,在8秒后动作接通Y003相对应的KM4接通联接的第四组喷头,开始计时,5秒后动作接通Y001,相对应的KM2接通联接的第二组喷头,3秒后接通KM1接通相联接的第一组喷头，然后不断循环下去……
2.在此过程中,如SB2接通的情况下,系统将自动停止。
设计心得
本系统主要以可编程控制器PLC和变频器的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器和变频器控制花式喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。
当花式喷泉的功能增加时，只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少，调试结果表明，在适应性、灵活性、精确性和可靠性方面，都达到了设计要求，表明该设计方案是可行的。
本次设计,通过对花样喷泉系统的控制，真正的把专业知识应用到实践中，加强了我的动手能力，在设计中，遇到了不少问题，通过努力研究，一个一个解决了，系统模拟非常成功。
通过针对性地查找资料，了解有关PLC方面的资料，既增长了自己的知识面，补充最新的专业知识，又提高了自己的应用能力和实践能力，对学过的课本理论知识起到了很好的温习作用。
总的来说，这次设计不难，关键在于细心，有时一些小问题，让我走了很多弯路，真正让我感觉到了学以致用的重要性。
平时我认真地学习了专业课程基础知识，具有一定的设计理论基础和独立设计能力，但是本次设计，我学习到了很多实践上的东西，在工作的细心上也得到了提高。
并且了解里有关可编程器的功能。
我选择这个设计，也是为了弥补以前学习上的不足，这次设计，使我了解到老师的用心良苦，并且从老师那学到了很多宝贵的知识。
参考文献
[1]常晓玲.《电气控制与可编程序控制器》.机械工业出版社.2004.
[2]华满香.《电气控制及PLC应用》.人民邮电出版社.2009.
[3]孙平.《可编程控制器原理及应用》.高等教育出版社.2003.
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