基于PLC的花园喷泉设计本科毕业设计论文.docx
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基于PLC的花园喷泉设计本科毕业设计论文
毕业设计（论文）
题目：
基于PLC控制的花式喷泉设计
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3）其它
基于PLC控制的花式喷泉设计
【摘要】
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。
具有使用方便，运行可靠，控制程序段设计简单等优点。
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。
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，具有一定的工程应用和推广价值。
【关键词】PLC花样喷泉控制系统自动化
一、PLC的简介
（一）PLC的发展历史
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，这是第一代可编程控制器，称Programmable，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，德国研制出第一台PLC
1974年，中国研制出第一台PLC
发展：
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
（二）2.2PLC的结构
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。
其结构简图如下：
图2-1PLC结构图
1.电源
PLC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PLC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
2.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC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PLC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PLC的可靠性，近年来对大型PLC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。
3.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。
4.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PLC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PLC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。
5.功能模块
如计数、定位等功能模块
6.通信模块
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。
（三）PLC的特点
可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。
国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。
其主要原因是因为PLC具有以下优点：
1.灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。
如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。
而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。
而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。
2.可靠性高、抗干扰能力强
对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件（如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等）下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。
现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。
为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。
3.操作方便、维修容易
PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。
对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。
工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。
4.功能强
现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。
因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。
5.体积小、重量轻和易于实现机电一体化
由于PLC采用了半导体集成电路。
因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。
且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。
同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。
（四）PLC的编程语言
在IEC61131-3中，规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示，并对以往编程语言进行了部分修改后形成目前通用的5种语言。
在这5种语言中，有3种是图形化语言，2种是文本化语言。
图形化编程语言包括：
梯形图（LD－LadderDiagram）、功能块图（FBD－FunctionBlockDiagram）、顺序功能图（SFC－SequentialFunctionChart）。
文本化编程语言包括：
指令表（IL-InstructionList）和结构化文本（ST-StruturedText）。
继电器梯形图编程语言是PLC首先采用的编程语言，也是PLC最普遍采用的编程语言。
梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。
PLC的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。
指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。
所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。
（五）PLC的主要功能
PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位。
PLC系统主要有以下功能：
1）多种控制功能；
2）数据采集、存储与处理功能；
3）通信联网功能；
4）输入、输出接口调理功能；
5）人机界面功能；
6）编程、调试功能。
PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。
另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。
PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。
（六）PLC的经济性分析
综上所述，在各种环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。
对PLC的经济分析，应从以下几方面考虑：
1）、从影响成本的各个因素综合考虑
对目前生产设备控制装置来说，有三种类型：
①继电器控制；②半导体器件控制；③PLC控制。
价格仅是选择PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。
2）、从设计、生产周期长短考虑
不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。
毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。
这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。
如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。
这是因为使用PLC不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。
也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。
这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。
据调查，目前我国70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了可靠性差外，程序设计也很繁杂。
从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。
而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。
设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。
编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既简单、方便又保密。
（七）可编程序控制器应用
可编程序控制器PC（ProgrammableController）又称可编程序控制器PLC（ProgrammableLogicController），是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。
PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备告诉计数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电－接触控制系统在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用。
PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。
（八）PLC发展状况及趋势
现代PLC的发展主要有两个趋势：
一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。
1）、大型网络化
主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。
网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。
2）、多功能
随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。
二、喷泉的设计要求
（一）喷泉规模的设计
该喷泉占地面积俯视图为正方形，其面积S=100平方米；喷射范围俯视图为圆形，其半径R=4.5m。
喷泉概况平面图如2-1：
图2-1喷泉概况平面图
图2-1中，喷泉由5种不同的水柱组成。
其中1表示大水柱所在的位置，其水柱较大，喷射高度较高；2表示中水柱所在的位置，由六支中水柱均匀分布在2的圆（r=2m）的轨迹上，水量比大水柱的水量小，其喷射高度比大水柱低；3表示小水柱，它由150支小水柱均匀分布在3（r=3m）的圆的轨迹上，其水柱较细，其喷射高度比中水柱略矮；4和5为花朵式和旋转式喷泉，各由19支喷头组成，均匀分布在4和5的圆（r=4m）的轨迹上，其水量压力均较弱。
（二）喷泉水柱的分布
该喷泉的回水池俯视图为圆形，与喷泉喷射范围俯视图为同心圆，且半径相等。
回水池的深度为2m。
该回水池由1个半径为100cm的圆水池和3个有效宽度为50cm的圆环水池组成，且各个水池之间相通，连接池宽度为50cm，3个圆环水池的半径分别为2m、3m、4m。
如图2-2所示：
图2-2回水池的设计
回水池上方由金属栏嵌入式覆盖。
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，花朵喷泉和旋转喷泉的内径d=30mm。
大水柱高度h=5m，中水柱高度h=3m，小水柱高度h=2m，花朵喷泉和旋转喷泉的喷水高度h=1m。
三、PLC控制系统总设计
（一）PLC控制花样喷泉运行要求的设计
1）、要设计一个启动按钮，按下启动按钮，喷泉进入运行等待状态。
2）、要设计一个单步∕连续运行方式按钮，按下喷泉的单步∕连续运行方式按钮，该喷泉默认为连续运行方式。
3）、要设计一个循环方式按钮，按下喷泉喷水花样的循环方式按钮，喷泉开始运行，并设计每一个循环花样有八种，每隔6s改变一次花样。
在连续运行方式下，喷水花样将一直循环下去，在单步运行方式下，喷水花样只运行一个循环。
按下其他任意一个循环方式按钮，喷泉喷水花样的循环方式立刻改变。
4）、要设计一个停止按钮,按下停止按钮，喷泉停止运行。
（二）喷泉的运行流程图的设计
图3-1喷泉的运行流程图
（三）喷泉的运行过程的设计
按下喷泉控制系统的启动按钮，首先大水柱从地而起，直射天空；6s后，大水柱消失，紧接着六支中水柱竞相射向天空；最后所有水柱喷泉一齐迸发。
整个过程分为8段，每段6s，且自动转换，全过程为48s。
当单步∕连续开关置于连续，花样选择开关置于1时，其喷泉水柱的动作顺序如下：
1→2→（1+3+4）→（2+5）→（1+2）→（2+3+4）→（2+4）→（1+2+3+4+5）→1，周而复始，直到按下停止按钮，水柱喷泉才停止工作；当单步∕连续开关置于单步时，喷泉水柱的动作只运行一个循环。
花样选择开关置于2时，其喷泉水柱的动作顺序如下：
1→2→（2+4）→（2+5）→（1+2）→（2+3+4）→（1+3+4）→（1+2+3+4+5）→1。
花样选择开关置于3时，其喷泉水柱的动作顺序如下：
1→2→（1+3+4）→（1+2）→（2+5）→（2+3+4）→（2+4）→（1+2+3+4+5）→1。
花样选择开关置于4时，其喷泉水柱的动作顺序如下：
1→2→（1+3+4）→（2+5）→（1+2）→（2+4）→（2+3+4）→（1+2+3+4+5）→1。
（四）喷泉控制原理
喷泉控制系统由启动控制程序、位移脉冲控制程序、位移及复位控制程序、驱动控制程序组成。
通过位移脉冲控制程序实现子元件中的内容在存储器间的移动，通过复位控制程序实现喷泉花样的循环，通过驱动控制程序实现喷泉的喷射。
（五）花样喷泉PLC控制接线图的设计
图3-2花样喷泉PLC控制接线图
（六）花样喷泉PLC控制输入输出点分配的设计
表3-1花样喷泉PLC控制输入输出点分配
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
启动按钮
SB1
I0.0
大水柱接触器
KM1
Q0.0
停止按钮
SB2
I0.1
中水柱接触器
KM2
Q0.1
连续按钮
SB3
I0.2
小水柱接触器
KM3
Q0.2
单步按钮
SB4
I0.3
花朵式喷泉接触器
KM4
Q0.3
花样1按钮
SB5
I0.4
旋转式喷泉接触器
KM5
Q0.4
花样2按钮
SB6
I0.5
-----------------
----
----
花样3按钮
SB7
I0.6
-----------------
----
----
花样4按钮
SB8
I0.7
-----------------
----
----
（七）花样喷泉PLC控制梯形图的设计
图3-3花样喷泉PLC控制梯形图
图3-3中，第1逻辑行为启动控制程序；第2、3、4逻辑行组成6s移位脉冲控制程序；第5逻辑行为单步／连续控制程序；第6、7、8、9逻辑行组成花样选择控制程序；第10、11、12、13逻辑行组成移位及复位控制程序；第14、15、16、17、18逻辑行组成驱动控制程序。
接通PLC电源，第10逻辑行中位存储器M10.0接通，其在第14逻辑行中的常开触点闭合，为喷泉的启动做好了准备。
当按下喷泉控制器的启动按钮SB1后，第1逻辑行中输入继电器I0.0的常开触点闭合，位存储器M0.0接通并自锁。
本程序默认为连续循环喷泉样式的控制程序，按钮SB3为连续按钮，在第5逻辑行中输入继电器I0.2为常闭触点，按钮SB4为单步按钮，第5逻辑行中输入继电器I0.3为常开触点，当按下此按钮，继电器I0.3触点闭合，位存储器M0.2接通并自锁，其在第1逻辑行中的常闭触点断开，喷泉样式进入一次运行状态。
选择默认状态，按下SB5，第6行中输入继电器常开触点闭合，位存储器M0.4接通并自锁，其在第2、14、15、16、17、18逻辑行中的常开触点闭合，进入第一种喷泉样式，输出继电器Q0.0被接通，大水柱控制接触器KM1通电闭合，大水柱“1”射向天空。
同时在第2逻辑行中的M0.0、M0.4的常开触点闭合，定时器T37被接通开始计时，经过3s后，T37动作，第3逻辑行的常开触点闭合，定时器T38被接通并开始计时，又经过3s后，T38动作，第4逻辑行中的常开触点闭合一个扫描周期使得位存储器M0.1闭合一个扫描周期。
M0.1在第11逻辑行中的常开触点闭合一个扫描周期，将字元件MW10中的内容向左移1位，即将M10.0中的“1”的内容移至位存储器M10.1中，M10.1闭合。
由于M10.1接通，其在第14逻辑行中的常开触点闭合，输出继电器Q0.1被接通，中水柱控制接触器KM2通电闭合，中水柱喷出。
又经过6s后，M0.1在第6逻辑行中的常开触点闭合一个扫描周期，将字元件MW10中的内容向左移一位，即将M10.1中“1”的内容移至位存储器M10.2中，M10.2闭合其在第14、16逻辑行中的常开触点闭合，输出继电器Q0.0、Q0.2被接通，喷出大水柱、小水珠。
经过第7个6s后，“1”被移至位存储器M10.7中，M10.7第14、15、16、17、18逻辑行中的常开触点闭合；所有输出继电器全部闭合，所有喷泉一起喷发。
又经过6s后，“1”被移至位存储器M11.0中，M11.0在第12逻辑行中的常开触点闭合，使字元件MW10中M10.0-M11.0的各位复位为“0”，第10逻辑行中的M10.7复位，M10.0接通，M10.0在第14逻辑行中的常开触点闭合；Q0.0被接通，大水柱喷发。
如此不断循环，直到按下SB2。
四、程序调试
调试步骤如图所示：
（1）按下启动按钮，喷泉进入待命状态，如图5-1所示。
图4-1程序调试图
（2）选
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