基于PLC的花样喷泉控制毕业设计.docx
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基于PLC的花样喷泉控制毕业设计
天津冶金职业技术学院
毕业设计（论文）
喷泉控制系统
系别电气工程系
专业电气自动化
班级电气14-3班
学生姓名姚鹏
指导教师陈宝玲
2017年3月20日
基于PLC的花样喷泉控制
摘要
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
引言
课程设计在整个教学过程中，是一个非常重要的实践性教学环节，尤其在掌握机电传动控制技术时，仅仅了解工作原理和控制的指令系统是远远不够的。
为最大限度的满足生产工艺和机械设备的要求，就需要结合机电传动控制和应用技术的特点，进行初步的工程训练。
在许多休闲广场、景区或游乐场所里,人们经常看到喷泉按一定的规律喷水,景色迷人;若在夜晚配上各种颜色的灯光显示,则更加绚丽多彩.本次课程设计就是通过设计花样式喷泉以机电传动控制课程设计为载体的主要目的，是通过对喷泉简单的自动化控制、简单的工艺过程的调查研究，使学生明确生产工艺对电气控制提出的各项要求。
根据这些要求，进行基本的原理设计、工艺设计和操作设计，使学生在课程设计的全过程中，进一步明确设计任务中的各项要求，建立课程设计工作的整体概念，从工程环境、实现手段和操作方式的各个环节入手来设计控制程系统，通过不断的调试和完善软硬件设计，最终能够满足这些要求。
课程设计以培养工程应用能力为主，在独立完成设计任务的同时，还要进行多方面能力的培养和提高，为毕业设计以及毕业后的工作能力打下良好的基础。
第1章PLC简介
1.1可编程序控制器简介
可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），一种具有微处理器的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时载入内存内储存与执行。
可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元所模组化组合成。
PLC可接收（输入）及发送（输出）多种型态的电气或电子信号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。
下图是著名PLC厂商西门子的一款PLC产品：
西门子S7400系列PLC
最初的可编程序逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能，所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断的发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能，名称也改为可编程控制器（ProgrammableController），但是由于它的简写也是PC与个人电脑（PersonalComputer）的简写相冲突，也由于多年来的使用习惯，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并在术语中仍沿用PLC这一缩写。
在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。
可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。
现在工业上使用可编程逻辑控制器已经相当接近于一台轻巧型电脑所构成，甚至已经出现整合个人电脑（采用嵌入式操作系统）与PLC结合架构的可编程自动化控制器（ProgrammableAutomationController，简称PAC），能透过数字或模拟输入/输出模组控制机器设备、制造处理流程及其他控制模组的电子系统。
可编程逻辑控制器广泛应用于目前的工业控制领域。
在工业控制领域中，PLC控制技术的应用已成为工业界不可或缺的一员。
1.2PLC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1-1PLC硬件结构图
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。
1.3PLC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.使用灵活、通用性强——PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。
在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。
当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。
2.可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器—接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5万小时。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。
如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。
3.接口简单、维护方便——PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。
有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。
4.体积小、功耗小、性价比高——以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216×127×110mm3，重2.3kg，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的10～20％。
PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。
5.编程简单、容易掌握——PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和习惯。
大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。
编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。
利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。
6.设计、施工、调试周期短——用继电器—接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。
而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。
由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。
PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。
1.4PLC的主要功能
可编程控制器在国内外广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力、轻纺、电子信息产业等各行各业。
目前典型的PLC功能有下面几点。
顺序控制：
这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械，切纸机、组合机床、磨床、装配生产线，包装生产线，电镀流水线及电梯控制等。
程控：
在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液体、速度、电流和电压等，称为模拟量。
可编程控制器有A/D和D/A转换模块，这样，可编程控制器可以作模拟控制用于程控。
数据处理：
一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产过程中的资料进行处理。
用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理、控制生产过程。
较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进电动机，实现对各种机械的位置控制。
通信联网：
某些控制系统需要多台PLC连接起来使用或者由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。
可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网要求。
显示打印：
可编程控制器还可以连接显示终端和打印等外围设备，从而实现显示和打印的功能。
1.5PLC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。
1.6PLC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。
1.7PLC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。
第2章喷泉的设计要求
2.1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1-1：
图1-1喷泉概况平面图
图1-1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。
2.2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1-2所示：
图1-2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。
第3章PLC控制系统总设计
3.1PLC控制花样喷泉运行要求
1）、按下启动按钮，喷泉进入运行等待状态。
2）、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）、按下喷泉喷水花样的循环方式按钮，喷泉开始运行，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）、按下停止按钮，喷泉停止运行。
3.2喷泉的运行流程图
图3-1喷泉的运行流程图
3.3喷泉的运行过程
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。
3.4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。
3.5花样喷泉PLC控制接线图
图3-2花样喷泉PLC控制接线图
3.6花样喷泉PLC控制输入输出点分配
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
-----------------
----
----
3.7花样喷泉PLC控制梯形图
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SB2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SB3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SB4，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。
第4章程序调试
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4-1所示。
图4-1程序调试图
（2）选择单步运行，如图4-2所示。
图4-2程序调试图
（3）按下第一种运行方式，喷泉开始运行，如图4-3所示。
图4-3程序调试图
当喷泉第八种喷射花样结束后，喷泉进入停止状态。
在此调试过程中，主要观察喷射花样的运行是否符合程序的设定。
其余三种循环方式，也是在喷泉处于单步运行状态时，进行调试。
喷泉的四种循环方式选择开关，可在喷泉处于单步运行状态时，进行调试。
喷泉运行状态下，按下喷泉循环方式选择按钮，完成四种方式间的切换调试。
以上调试完成后，喷泉在默认（连续）状态下启动，喷泉一直运行下去。
第5章结论
通过本次毕业设计，利用PLC在控制上的优越性，使喷泉在实际生活中的喷水花样，变化更多，更加完美。
本设计采用PLC控制,利用PLC体积小、功能强、可靠性高,且具有较大的灵活性和可扩展性的特点,通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关,就可以改变花样喷泉的喷水规律,从而变换出各式花样,以适应不同季节、不同场合的喷水要求。
能给人的视觉系统带来一种更加美的享受。
致谢
本毕业设计从开始工作到最终的完成都离不开我的指导老师刘桂林老师的悉心指导和帮助。
刘老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。
从刘老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。
在此我要向刘老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。
在完成设计的过程中，感谢众多同学和任课教师的热情帮助。
最后，衷心感谢各位老师对我的设计进行评审，有不足之处，敬请批评指正。
参考文献
【1】 王兆义编，可编程控制器使用技术 机械工业出版社2004
【2】 张伟林等《电气控制与PLC应用》 人民邮电出版社 2005
【3】 陈建明等《电气控制与PLC应用》 电子工业出版社 2006
【4】 王兆明等《电气控制与PLC技术》 清华大学出版社 2005
【5】 张延灿等《喷泉工程发展及其设计问题（上）》 华中理工大学出版社 1998
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