基于变频器和PLC控制的花样喷泉系统.docx
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基于变频器和PLC控制的花样喷泉系统
河南工业职业技术学院
HenanPolytechnicInstitute
毕业设计（论文）
题目基于变频器和PLC
控制的花样喷泉系统
班级机电0906班
姓名张伟
指导教师张国同
毕业设计任务书
一、题目：
基于变频器和PLC控制的花样喷泉系统
二、指导思想和目的要求：
本设计根据学院及系部关于毕业生毕业设计的指导精神，依据本专业的学科要求及特征，根据本专业毕业设计的大纲要求，结合指导老师的要求，根据现在社会上的需求，本着为社会服务的原则，让自己所学的知识运用到社会时间中去，特做本次毕业设计。
毕业设计是本专业培养学生的最后一个综合性的实践教学环节。
通过完成一定的生产设计或科研试制任务，把所学的基本理论应用于工程技术实践中去，达到综合素质和能力的共同提高。
其目的是培养学生独立分析和处理专业问题的能力，完成以后在社会上工作的基本训练和初步具有从事科学研究的能力。
三、主要技术指标：
喷泉的花样喷泉的高度频率
四、进度和要求：
第一第二周搜集资料，处理大概的画面，确定出花样喷泉的图形，确定花样喷泉的实现方法；第二周到第八周做出整体的设计论文，包括各项仿真实验，试验成功，画出需要的所有草图；第九周上交指导老师，根据指导老师的建议再做出具体的修改；最后，存档保存。
学生：
张伟指导老师：
张国同
摘要
本文重点讨论了PLC系统在工业社会生活中的典型应用，在花样喷泉当中的应用,以及使用变频器对三相电机的变频控制来实现电机的不同转速，从而实现喷泉水柱的高低，进而达到喷泉花样的不同。
使用PLC控制的花样喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序段简单可靠等诸多优点。
体积小，重量轻，以后对程序的更改方便，不用做太大的修改，仅仅是修改部分控制程序即可实现不同的喷水花样。
本设计使用PLC对电机水泵的通断情况实现控制，有单步和连续的模式可供选择。
变频器的出现彻底改变了电力行业的格局，使交流调速迅速的取代了直流调速，从而在工业行业中大展身手。
变频器可是对输入电源的频率进行调节从而实现电机转速的改变，使喷水的高度也发生变化，比以往使用交流接触器控制水泵的办法有了质的飞跃，节约了资金、实现了更快更安全的调速，极大的方便了用户对调速的需求。
为了增加效果，给观众一份愉悦的心情，我在设计这次花样喷泉的同时加入了彩灯环节，在晚上的时候运行会有别样的情趣。
彩灯也使用PLC进行控制，当选择“夜晚”模式的状态下，彩灯会随着水柱的改变而发生变化，给观众一种美的享受。
关键字：
PLC，变频器，花样喷泉，控制系统
目录
毕业设计任务书I
摘要II
第一章绪论-1-
1.1本次设计目的和意义-1-
1.2本次设计项目的发展-1-
1.3方案设计原理-2-
第二章方案设计研究-3-
2.1设计方案-3-
2.2本方案设计的参数-5-
2.3本方案完成的主要任务-5-
第三章花样喷泉的设计方案-7-
3.1花样喷泉的主回路设计-7-
3.2控制电路的设计-9-
3.3控制电路的程序设计-15-
第四章结论-30-
第五章致谢-31-
参考文献：
-32-
第一章绪论
1.1本次设计目的和意义
人类社会在不断向前发展的道路上创造出了许多能够丰富社会生活的自然景观。
而喷泉就是其中之一，喷泉被广泛的应用到园林绿化，城市自然景观当中。
而各式各样的喷泉也为人类生活增添了许多乐趣，而花样喷泉由于能不断的变换喷水图案，今年来以为受到了人们的喜欢。
喷泉是人工环境中观赏价值最高、最富有生命力的理想景观之一。
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。
喷泉景观概括来说可以分为两大类：
一是因地制宜，根据现场地形结构，仿照天然水景制作而成，如：
壁泉、涌泉、雾泉、管流、溪流、瀑布、水帘、跌水、水涛、漩涡等。
二是完全依靠喷泉设备人工造景。
这类水景近年来在建筑领域广泛应用，发展速度很快，种类繁多，有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影等。
在许多休闲广场，景区和游乐场里，人们经常可以看到喷泉按照一定的规律喷水，景色迷人，引人入胜。
若在晚上的时候配合各种颜色的彩灯显示，则会更加的绚丽多彩。
然而传统的喷泉一旦设定好喷水的控制电路等一系列的配套设施，就只能按照设定的程序思路进行喷水活动，不能让那个随意的更改喷水的程序和喷水的时间，缺少了许多乐趣。
而采用PLC进行控制，PLC体积小，重量轻，功能强，可靠性好，而且具有良好的灵活性和可扩展性，最重要的是可以对控制程序进行修改，从而实现不同的喷水图案，以适应不同的季节，不同场合下对喷泉喷水的要求。
1.2本次设计项目的发展
本次毕业设计工两个月时间，第一周第二周进行资料的查阅，分析对照资料所反映出来的信息，进行设计方案的确定，分析论证各个方案的合理性，最终选择最合理的方案并上交指导老师。
第三周到第七周开始正式的对设计的正文部分进行确定，包括所有的图纸，在设计中进行大量资料的进一步查阅参考，并在设计的这段时间之内及时的和指导老师进行了沟通，对指导老师指出的设计中存在的问题进行修改。
最后一周对设计进行最后的核对和确定，将最终的设计方案上交老师，存档。
1.3方案设计原理
花样喷泉顾名思义就是在普通的喷泉的基础上进行改造，给普通喷泉赋予了更多更新的图案，而且随着时间的改变，各种喷泉图案能够按照最初所设定的程序进行变化，给人一种有花样的感觉。
本设计采用PLC程序对各个水泵电机的通断进行控制，而变频器则对水泵电机的转速进行控制，从而是水泵喷出高低不同的水柱，达到我们预期的效果。
本设计的原理框图如下：
图1-1原理框图
第二章方案设计研究
2.1设计方案
要实现喷泉的花样运行，方案有许多种，除去硬件图案的不同外，在软件的连接方面和控制方面也有不同，有单片机控制的也有接触器对水泵电机进行的控制。
以下做具体讨论。
具体来说，无论是哪种方案，在最后实现的喷泉效果上都是一样的，只是在实现方案的程控上有所不同，使用的电器元器件不同，我只是在两种方案之中选择一种更优秀的方案。
图2-1所表现的就是本次设计的花样喷泉的具体图案，下面做详细的介绍。
图2-1花样喷泉的样式说明
我们将本次花样喷泉的各个喷水区域进行具体的命名,将最外层喷水区定义为1，内层花瓣喷水区定义为2，第三层喷水区定义为3，中心高喷定义为4，而中间的彩灯区以及各个喷水区域里的彩色地灯则由外部开关进行控制，选择“夜晚模式”的条件下才会发光。
本次设计的方案如下：
花样一：
1、2、3、4层同时开始喷水，经过我们最初程序的设置，经过变频器的控制，1层喷水高度低于2层花瓣，2层高于3层，一层大圆和三层小圆同高，中心高喷是最高的。
达到本次喷水所设定的时间之后，互相交换，即：
1层喷水高度上升，2层五星高度下降，要比1层大圆形喷水区低，3层圆形喷水区高度上升，3层要比2层高，中心高喷依旧不改变。
依旧执行一段时间，时间达到之后，所有喷头快速停止喷水。
停止时间到之后，重复上述程序方案继续运行。
花样二：
根据程序设定，所要达到的效果就是，所有喷水区域即最外层大圆、二层花瓣喷水区域、第三层小圆和中心高喷同时开始喷水，维持一段时间后，开始变化花样，即二层花瓣星喷水区三相水泵接入变频器，一层和最里层小圆喷水区域不发生变化，执行变频器内部的程序，花瓣喷水区会出现高度不同的水柱进行交替变化，即三相水泵有三种种不同的转速，以至水柱高度不同。
达到设定的时间后，程序向下运行，即将最外层大圆和最里层小圆接入变频器以中速进行工作，五角星接入工频电进行工作。
时间到之后，所有水泵接入工频电工作，时间到全部同时停喷，停止时间到之后，重复上述程序方案继续运行。
花样三：
花样三是花样一和花样二的集合，就是，外部开关模式选择花样三的情况下，花样喷泉喷出的图案是一和二的集合，先执行花样一的程序，再执行花样二的程序，执行完毕之后，停止，再执行下一次喷水。
彩灯图案：
为了使喷泉在晚上的时候更有欣赏意义，我在本设计方案之中添加了彩灯环节，设置了有彩灯区，彩灯区没有喷头喷水，而在4种喷水区域之内又加入了不同颜色的地灯。
在外部开关信号的预先设置下，选择“夜晚模式”所安装的彩色
地灯会随着喷水图案的变化而变化。
给人们比白天更优秀的欣赏图案，让大家在
欣赏的同时，感觉到愉悦。
而夜晚模式下，程序会自动执行花样一的编制。
以下的设计中会给所设计的花样图案做具体的程序及原理框图，以及本设计采用的元器件包括各种硬件的选型做出解释，梯形图做具体的程序解释。
2.2本方案设计的参数
任何方案设计都要用到大量的电器原件，花样喷泉系统从硬件到软件，以及管道及土建施工，本设计主要定位在硬件连接及控制程序，针对传统的喷泉控制系统一旦设计好控制电路，就不能随意改变喷水花样及喷水时间等问题，本设计结合西门子S7-200可编程控制器设计能适应不同季节、不同场合的喷水要求目的的花样喷泉系统，PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM，ROM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。
各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成，PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。
系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。
用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。
硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。
该花样喷泉控制系统不但实现了自动转换花样喷泉的喷水样式，而且提高了系统的可靠性和安全性，省却了许多不必要的电器元件，简化电路设计，而且，在实际操作中使用的各种电器元器件会大大的多与我们的本毕业设计，故本设计只将最主要的元器件的类型和参数罗列下来，供用户在实际控制中参考选用，具体元器件和各方参数见附表一。
2.3本方案完成的主要任务
任何设计方案都要有一定的社会意义，来为社会服务。
花样喷泉系统的意义在于美化社会环境，给人一种美的享受，那么本设计主要完成的任务就是：
一，将喷泉系统的控制系统的元器件按照正确的连接方法连接完成，参照使用说明，正确安装；二，将编制的程序正确输入相应的控制器件，知道各个程序所代表的含义；最后，将自己设计的方案进行仿真实验，再调试。
在程序调试方面，主要解决的问题在于，如何让PLC按照我们预先设定的喷水方案控制变频器去控制相应的水泵。
而本设计方案中花样二的要求是，利用变频器的外部信号，直接输出三种速度不同的转速，将水泵电机接入变频器，利用PLC输出触点的改变，将不同的转速接入水泵电机中，从而使水泵喷出高度不同的水柱，达到我们要求的结果。
花样喷泉系统除了相对应的控制系统之外，还有其他的相配套的设施，对机电一体化专业来讲，主要的设计任务还是在于硬件及控制程序的编制，而像土建施工、管道安装等任务将不在本设计中出现。
如果本设计能真正应用社会实践的话，再具体探讨其他方面的设计，而对于本设计中存在的像PLC类型和水泵的选用，我们将给出具体的计算方式来解释为何选用此种类型的元器件，在下面的设计中会给出。
第三章花样喷泉的设计方案
3.1花样喷泉的主回路设计
根据设计要求，对设计所采用的水泵选型做相应的计算，首先，本设计的水泵需长期放置到喷泉水池中，那么，根据相应的设计本设计采用潜水泵作为动力来源。
设计条件要求为回水池上方由金属栏嵌入式覆盖,设计中，对各种喷泉花样的喷水高度要求为，当花样二等存在高中低频率的设计时，要求如下：
大水柱喷头的内径d=50mm，中水柱喷头的内径d=30mm，小水柱喷头的内径d=20mm;大水柱高度h=5m，中水柱高度h=3m，小水柱高度h=2m。
根据公式和花样设计以及喷水高度等一系列的参数要求做如下计算：
公式Pe=ρgQH（W）=γQH（W）
式中ρ——泵输送液体的密度（kg/m3）；
γ——泵输送液体的重度（N/m3）；
Q——泵的流量（m3/s）；
H——泵的扬程（m）；
g——重力加速度（m/s2）
经计算得，P=4.8KW，考虑管路损失后，本设计采用额定容量为5.5KW的潜水泵。
由于，外层喷水区域的喷头数量要远大于内层喷水区域，所以，设计中的四台水泵均采用本型号，而且，还可以在喷头的旁边加装控制阀，也可以控制各个喷头喷水的高度。
水泵选型确定以后，开始进行本设计的主回路设计。
如下：
主电路部分是花样喷泉系统实现喷水的主要部分，如图展示:
图3-1主电路设计
下面对本设计的主电路进行解释介绍：
花样喷泉喷水系统的水泵采用的是三相，故采用三相电源供电。
经空气开关、接触器和变频器连接。
前一个水泵供给最外层大圆喷水区喷水使用，由于长度长，喷头多，所以采用大容量水泵供给。
第二组，供给里层花瓣喷水区喷水使用，也采用大容量水泵工作，来满足设计需要，第三组，供给最里层小圆喷水区喷水使用。
而最后一组水泵，则供给给最中心的中心高喷，由于设计上并没有对中心高喷做特殊的安排，所以，本组水泵并不需要采用变频器控制，只需PLC控制相应的接触器即可实现我们的设计安排。
主电路中，存在的空气开关，兼有保护作用，在系统故障或运行不正常的情况下，能自动断开，实现电路的保护作用。
在各个喷水区的主电路上的空气开关的作用都一样。
开关和保护作用，都需要手动操作。
主电路中的交流接触器的通断由外部PLC进行控制，接触器的作用是将变频器接入电源，做好输出的准备。
接触器的线圈在外部PLC上进行连接。
当PLC通电运行之后，手动的按下按钮开关，相应的端子通电，从而使交流接触器的线
圈通电，进而使接触器的触点闭合，使变频器开始工作。
彩灯电路将在下面的控制电路中给出，如果要选择彩灯发光的话，可以在外部主控面板中选择夜晚模式即可，外部主控面板如下图所示。
图示如下：
图3-2外部主控面板
3.2控制电路的设计
要想让设计好的电路根据我们的要求正确的喷水，控制电路就必须要正确连接。
控制电路是指除了主电路之外的所有的电路连接。
花样喷泉系统的控制电路包括外部主控面和PLC的连接，PLC和变频器的连接。
这几个部分各有各的作用，而如何将他们连接起来，让连接好的系统按照最初设计好的程序来执行，将是我们控制电路方面最重要的任务。
控制电路包括PLC和主电路中所有继电器的连接和变频器和PLC的连接，由于图较大，所以我们将分开展示。
设计中，根据主回路和控制回路分析，本设计的输入输出接口个数分别为14和9，而据S7200系列PLC分析，只有CPU226系列能够满足我们的设计要求，所以，本设计采用西门子S7200CPU226型PLC。
图3-3展示的是PLC和外部所有继电器的连接，本设计所采用的PLC系统的型号是西门子S7200系列PLC，具体是CPU226型PLC，本款PLC的I/O界面是24输入，16输出，能满足我们这次设计的需要，不用再外加扩展模块。
本设计共采用交流接触器8个，KM控制变频器的通断，1KM1,2KM1控制最外层大圆的喷水；1KM2,2KM2控制里层花瓣的喷水；1KM3,2KM3控制里层小圆的喷水；KM4控制最里层的中心高喷的喷水；灯泡的作用是在系统运行出现故障的情况下，系统会自动进行光电报警。
经过外部控制面板的操作，KM先闭合，是变频器通电开始工作，然后相应的模式选择使PLC系统控制相应的交流接触器的闭合和关断，经过PLC内部时间继电器的计时，时间到之后使相应的接触器交换动作。
具体达到的效果就是，先使相应的三相水泵直接接50HZ的工频电进行喷水工作，而其他的三相水泵则由变频器进行变频供电，计时时间到之后相对应的接触器互相交换动作状态，是水泵的转速不同，从而喷水的高度也不同，进而达到我们的设计的花样需要。
Q0.9控制的是彩灯区的明暗。
由外部操控面板进行选择，当模式选择为夜晚模式时，彩灯区的彩灯接通电源，彩灯开始闪亮。
另外，当模式选择为夜晚模式时，喷泉只有一种花样，即花样一。
图3-3PLC和接触器的连接
花样喷泉的设计，我们加入的有外部操控面板的控制，在外部操作面板上即可实现相应的花样的转变等各项要求。
所以，外部操控面板和PLC的连接也是一个非常重要的设计，以下将为大家展示外部操控面板和PLC的连接。
具体电路连接请参照图3-4。
图3-4PLC和外部控制面板的连接
本图是PLC和外部控制面板的连接示意图。
下面介绍各个触点的具体作用。
SB1控制变频器的通电，SB1按下之后，KM闭合，变频器通电；当程序结束后，按下SB2，KM失电，变频器断电；SB3控制变频器的输出，当变频器通电之后，按下SB3，变频器开始向外输出经过变频后的三相电；而SA1、SA2、SA3、SA4则控制喷泉的模式，分别实现。
花样一、花样二、花样三、夜晚模式；SB4、SB5由外部操控面板控制，SB4实现单步运行，SB5实现连续运行。
花样喷泉系统的实现必须依靠变频器和PLC共同合作，所以，接下来为大家展示PLC和变频器的连接。
如图3-5所示：
3-5PLC和变频器的连接
功能预置:
主要预置和中高速多对应的频率，结合三菱变频器的结构。
预置如下：
中速频率：
f=30HzSTF由Q1.0控制，正转启动SD和M接地
高速频率：
f=40Hz低速频率：
f=20HzSTOP由Q1.1控制，启动自保持
RH由Q1.2控制，高速输出档位RM由Q1.3控制，中速输出档位
RL由Q1.6控制，低速输出档位
P4为高速，设置方法是：
在参数显示为4时，输入高速时的频率值，后按SET
即可。
操作方法是：
“RH”ON，其它OFF。
出厂时设置值为50HZ，现在设定为40HZ。
P5为中速，设置方法是：
在参数显示为5时，输入中速时的频率值，后按SET即可。
操作方法是：
“RM”ON，其它OFF。
出厂时设置值为30HZ，现在不改变。
P6为低速，设置方法是：
在参数显示为6时，输入低速时的频率值，后按SET即可。
操作方法是：
“RL”ON，其它OFF。
出厂时设置值为10HZ，现在设定为20HZ。
变频器和PLC的连接，在设计系统中也具有重要的作用，外部操作面板给PLC相应的指令之后，PLC内部根据预先设定好的程序运行，给变频器输出相应的指令信号，从而是变频器根据我们的设计输出正确的频率。
表3.1PLC接线端分布
I0.0
变频器接通
I0.5
花样三
Q0.1
一层大圆
I0.1
变频器关断
I0.6
连续模式
Q0.2
二层花瓣
I0.2
输出
I0.7
单步模式
Q0.3
二层花瓣
I0.3
花样一
I1.0
夜晚模式
Q0.4
三层小圆
I0.4
花样二
Q0.0
一层大圆
Q0.5
三层小圆
Q0.6
中心高喷
Q1.0
报警
Q1.2
正转
Q0.7
KM
Q1.1
彩灯
Q1.3
停止
Q1.4
高速
PE
输出接地
N
输入
Q1.5
中速
L
输入
L+
输出
M
输入接地
Q1.6
低速
附表一：
方案设计所用元器件明细如下表：
表2.1各元器件明细
名称
型号
参数
额定容量
数量
备注
三相水泵
200QJ20-108
---
5.5KW
4
无
变频器
三菱FR-A540
额定输入电流22A
额定输出电流18A
13KW
1
无
PLC
S7200
cup226
---
1
西门子
接触器
---
---
380V
8
---
喷头
---
---
---
若干
---
按钮开关
---
---
---
---
---
铜线
---
---
---
---
---
3．3控制电路的程序设计
设计方案要想完整的实施下去，所有的环节都要完整并且正确。
要想使我们前面所安排的所有继电器和PLC以及变频器工作并输出正确的指令，就必须编制相应的程序，使我们的控制部分能够执行我们的指令，进而控制相应的器件，最终达到我们的花样喷泉系统最初的设定。
由于有不同的元器件，PLC需要程序编制，变频器内部也要进行相应参数的设定，所以相应元器件程序的编制我们也将分开来展示。
并且，由于我们在最初设计时设计了三种花样形式，那么相对应的就应该有三种不同的程序，而且所对应的变频器的内部参数也不同，都要进行设定。
首先展示的是PLC内部的程序编制环节，先展示花样一PLC内部的程序设置，因为花样设置的不同，所对应的变频器的输出的频率也不一样，由于变频器的输出要给不同的喷水区域，即对应的水泵的频率也不同，那么我们先将各个喷水区域的水泵工作的频率用曲线的方式展示，然后再展示PLC内部的程序设置，由于用到了变频器,所以现在现将各个喷水区域的工作过程中的各段频率表征如下图：
图3-6各个喷水区域的各段频率变化
图3-7花样一的程序设计
下面对花样一的程序设计做简要的说明，花样喷泉要想实现正常的喷水工作，控制程序必须要编制好。
首先，在外部操作面板上选定花样一程序，PLC的输入端I0.3接通，PLC执行花样一的程序。
I0.0的接通与关断由SB1控制，控制KM的通，而且可以实现自锁控制，实现的功能是将变频器接入电源，为变频器实现变频工作做好准备。
I0.1的常闭触点实现的是将变频器断电。
I0.2控制变频器的三相输出，Q1.2是变频器正转输出的输出接点，Q1.3以及I1.1实现的是变频器的自锁控制，由于STOP端在I1.1没有闭合前接通，所以只要变频器开始输出，都能够实现自锁控制，当I1.1闭合以后，STOP端得电，变频器停止输出。
而以下的程序根据花样一预先设定好的各项要求进行编制。
首先最外层和三层圆形喷水区域的电机接入变频器的中速输出端，开始运行，五星喷水区域接入工频电运行，中心高喷也接入工频电运行。
计时时间到以后，变换花样，两个圆形喷水区域接入工频电运行，而五星喷水区域则接入变频器的中速输出端运行。
再次计时到以后，所有喷水区域的水泵均接入工频电运行。
而由于设定的有单步和连续方式供选择，所以，在程序中加入了两个跳转指令，由I0.6和I0.7控制，I0.6实现连续运行，I0.7则实现单步运行，中间加入了计时触点，程序执行到最后以后，根据外部控制面板的控制，如果要实现连续运行则程序直接跳转到从头执行，反之，结束。
程序编制好以后，仿真模拟正确，然后下载到PLC中，供用户选择。
下面展示花样二的PLC程序编制，如下：
图3-8各个喷水区域的各段频率变化
网络19
图3-9花样二程序设计
下面对花样二的程序设计做必要的说明，当外部操作面板选择花样二时，程序开始从上往下运行。
首先，变频器的动作和花样一的动作一样，都先接通电源，然后正转输出，而且可以实现自水泵接入工频电开始运行，运行20s以后，二层花瓣喷水区域开始变换花样，将实现如下图的变化：
图3-10花瓣喷水区域的频率变化
与此同时，当花瓣区域的变化完
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