基于s7200的自动喷泉的系统设计Word格式.docx
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检查整个设计总体设计概况
3
2014.9.3
指导学生进行传感器的选择和plc应用的注意事项
4
2014.9.4
检查学生核心内容的设计情况
5
2014.9.5
答辩、写报告
2014-9-1
沈阳工程学院
基于S7-200的自动喷泉的系统设计课程设计成绩评定表
系（部）：
自动化学院班级：
测本111学生姓名：
任乐悦
指导教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料；
能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
指导教师评审成绩
（加权分合计乘以12）
分
加权分合计
指导教师签名：
年月日
评阅教师评审意见
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性；
有综合归纳资料的能力
工作量饱满，难度适中。
0.3
评阅教师评审成绩
（加权分合计乘以8）
分
评阅教师签名：
课程设计总评成绩
中文摘要
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC,是一种以微处理器为基础、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，并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。
PLC是电子技术、计算机技术与继电器逻辑自动控制系统相结合的产物。
它不仅充分发挥了计算机的优点，以满足各种工业生产过程自动控制的需要，同时又照顾一般电气操作人员的技术水平和习惯，采用梯形图或状态流程图等编辑方式，使PLC的使用始终保持大众化的特点。
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。
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。
本文结合任务设计书的要求，以花式喷泉为研究对象，采用了S7-200系列PLC作为喷泉的控制器。
对花式喷泉的控制系统的总体功能进行了分析，阐述了可编程控制器的组成和工作原理。
提出了喷泉硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案，并对控制方式进行了设计和程序的编写。
本设计改善了喷泉系统的控制品质，并真正地达到了实时控制的要求。
关键词：
花样喷泉S7-200
PLC控制
1.2设计过程及论文的基本要求：
1.2.1设计过程的基本要求
1.2.2课程设计论文的基本要求
喷泉高度可控制
2设计思路
本设计从三个方面对花式喷泉的控制系统进行分析。
（1）花式喷泉类型的选择。
综合花式喷泉的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究能有三种喷水花样可供选择：
能够控制每环喷水管喷水的高度，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。
（2）花式喷泉硬件系统的设计。
本课题设计的花式喷泉要求运行迅速准确度高，在花式喷泉的各层检测系统中用用存工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现控制。
由于本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了花式喷泉的经济实用、稳定、灵活、美观的需要。
（3）花式喷泉控制系统软件的设计。
采用S7-200PLC作为喷泉的主控制器来控制水泵的运行。
S7-200PLC是一种小型的PLC，它有5种CPU模块，最多可以扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或者38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间。
集成了6个有12种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器、脉冲宽度调制器。
本设计方案可以选择S7-200CPU226的PLC作为主控制器，该型号的PLC共14入10出24个I/O点。
从I/O点分配方面来说很适合本设计的控制要求。
3设计方框图
4各部分电路设计和过程分析
4.1硬件设计
（1）系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。
图4-1硬件接线图
在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC:
因为有4层喷水，因此用了1个变额器来控制4个水泵。
4.2过程分析
（1）D,C均为外两层环形状的喷水管，B为内环形状的喷水管，A为中心喷水管。
灯光系统由三条支路组成，分别为绿色灯支路（在D,C之间）、黄色灯支路（在C,B之间）红色灯支路（在B,A之间）。
（2）该喷泉共有三种花样可供选择。
按下启动按钮，喷泉即开始工作，按下停止按钮，则停止喷水。
喷泉的工作方式（即喷水花样）由选择开关来实现。
（3）该花式喷泉有四种喷水花样可供选择：
1.花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，D.C.B间隔两秒依次喷水，一起工作18秒后，如果为单步工作方式，则停下来。
如果为连续工作方式，则继续循环下去。
2.花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，A,B,C,D间隔两秒依次喷水，一起工作30秒后，如果为单步工作方式，则停下来。
如果为连续工作方式，则继续循环下去。
3.花样选择开关在位置B时，按下启动按钮后，A，B同时喷水，延时3秒后C，D喷水，A,D停止喷水。
交替运行15秒后，A,B,C,D全喷水，30秒后，如果为单步工作方式，则停下来。
4.花样选择开关在位置A时，按下启动按钮后，A,B,C,D间隔两秒依次喷水，一起工作30秒后，A,B,C,D分别延时2秒，依次停止喷水。
再经1秒延时按照A,B,C,D，依次间隔2秒喷水，然后一起喷水。
30秒后停止。
如果为单步工作方式，则停下来。
（5）灯光系统的控制：
由PLC的X5输入端为灯光系统控制的选择按钮，当需要灯光配合时，接通X5输入端。
此时可实现三路灯光的控制，即C,D任意一层喷水时，红色灯亮；
B喷水时，黄色灯亮；
所有的喷头喷水时，绿色灯亮。
花式喷泉池示意图如下图所示：
4.2水泵排列图
4.3软件设计
4.3.1PLC的设计
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。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
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，控制任务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。
（1）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1O%～20%的可扩展。
余量后，作为输入输出点数估算数据。
（2）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未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需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替代。
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司公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
因此本课题的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。
（3）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、诊断功能和处理速度等特性的选择。
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言；
选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
（4）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。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力、功能更强、可靠性更高等特点。
该控制系统选用西门子S7—200系列PLC，它是超小型化的PLC，它适用于各行个业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7—200PLC的强大功能使其无论单击运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。
S7—200PLC可提供4种不同基本型号的8种CPU。
4.3.2变频器的选型
我设计的是通过变频器调速技术来控制每环喷水管的高度。
我选用的是FR-S520（S）E系列变频调速器。
4.3.3水泵的选型
由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确起停，而且其输出功率必须能够精确的进行控制。
我选用品牌为DESHB（德士比）的QYPI00-4.5-2.2喷泉泵。
具有以下优点：
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：
经久耐用、安全可靠。
并且水泵出口采用圆法兰结构，电机为F级绝缘，适用于音乐喷泉等场合对电机频繁启动的要求，叶轮具有防松装置，不怕反转。
4.4控制系统设计
系统的控制面板图如图所示。
图中分别是花样选择开关、电源指示灯以及启动、停止、单步\连续。
系统正常运行时，显示运行（绿灯）；
停止运行时显示停止（红灯）。
5系统软件设计
梯形图语言沿袭了继电器控制电路的形式，梯形图是在常用的继电器与接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，具有形象、直观、实用等特点，电气技术人员容易接受，是目前运用上最多的一种PLC的编程语言。
在PLC程序图中，左、右母线类似与继电器与接触器控制电源线，输出线圈类似于负载，输入触点类似于按钮。
梯形图由若干阶级构成，自上而下排列，每个阶级起于左母线，经过触点与线圈，止于右母线。
梯形图时使用的最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器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，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计成为编程。
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了几点起这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部继电器等，该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常来触电接通，常闭触点断开，称这种状态时该软继电器的“1”或“ON”状态。
如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。
使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
5.1输入信号和输出信号
（1）启动按钮SB0:
I0.0花样选择位置1开关SB1:
I/0.1花样选择位置2开关SB1:
I/0.2花样选择位置3开关SB1:
I/0.3花样选择位置4开关SB1:
I/0.4单步、连续开关SB5:
I0.5停止按钮SB6:
I0.6
（2）1号喷头喷水开关接触器KM1:
Q0.1
2号喷头喷水开关接触器KM2:
Q0.2
3号喷头喷水开关接触器KM3:
Q0.3
4号喷头喷水开关接触器KM4:
Q0.4
5.2花式喷泉的I/O分配
输入I/O分配表
序号
输入
说明
X0
停止说明
X1
启动按钮
X2
选择开关1的位置
X3
选择开关2的位置
X4
选择开关3的位置
6
X5
灯控按钮
输出I/O分配表
输出
Y0
电源指示
Y1
控制1管喷水
Y2
控制2管喷水
Y3
控制3管喷水
Y4
控制4管喷水
红色灯
7
Y6
黄色灯
8
Y7
绿色灯
9
Y8
中速
10
Y9
慢速
11
Y10
正转
6元器件清单
元件名称
数量
S7-300PLC
1台
潜水泵
开关
6个
喷头
4个
报警器
1个
电源插头
导水管
若干
7主要元器件介绍
7.1S7-200型PLC介绍
7.1.1基本结构
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
（一）、电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
（二）、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
（三）、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（四）、输入输出接口电路
1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
（五）、功能模块
如计数、定位等功能模块。
7.1.2工作原理
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（一）、输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（二）、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；
相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
（三）、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。
7.1.3功能特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
1.使用方便，编程简单
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
2.功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。
它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。
PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。
硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
4.可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
5.系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
6.维修工作量小，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故
7.1.4发展历史
（一）起源
1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；
1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称ProgrammableLogicController，简称PLC，是世界上公认的第一台PLC。
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；
1971年，日本研制出第一台DCS-8；
1973年，德国西门子公司（SIEMENS）研制出欧洲第一台PLC，型号为SIMATICS4；
1974年，中国研制出第一台PLC，1977年开始工业应用。
7.1.5系统集成
在制造工业中存在大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻
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