课程设计论文花式喷泉PLC控制设计.docx

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课程设计论文花式喷泉PLC控制设计

目录

引言

课程设计要求

第一章花式喷泉系统设计方案介绍

1.1控制特点分析

1.2方案论证

1.3系统I/O分配

1.4硬件的选择

1.5系统外部接线图

1.6控制流程

第二章系统软件设计

2.1花样选择开关位置

2.2、系统梯形图设计

第三章系统程序调试

3.1花样开关调试

总结

参考文献

附录

引言

一个高速发展的社会，各式各样的需求也正在充斥着整个社会。

有些人追求物质，有些人追求精神上的享受，不过总而言之，人类这种群体对美的渴望都是一样的。

所以想尽办法让美丽在我们生活的周围，尽管在城市这种钢筋混凝土、压力、人口、污染的区域里。

人们还是在利用技术支持，去制造美的东西。

例如公园、大片的绿地、广场、好看的建筑物。

有了这些大的框架，其中的细节随着时代的变迁，也是一步步升级，细致。

虽然让人有视觉美感的东西越来越多，可是近代以来在这些地方总有一种建筑是不能少的——喷泉。

喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。

文艺复兴时期，便有类似喷泉的建筑物出现，尤其是在意大利罗马城。

当时的喷泉的技术并不是现在这样复杂，它们只是在利用压力将水压出。

但是这种方式水喷出来都不会很高。

随着时代的进步，技术的发展。

使得喷泉的形态越来越多经过多年的发展，现在已经逐步发展为几大类：

音乐喷泉；程控喷泉；音乐+程控喷泉；激光水幕电影；趣味喷泉等。

加上特定的灯光、控制系统，起到净化空气，美化环境的作用。

现代的喷泉所具备的条件是相当优越的，其中最为关键的便是控制系统PLC.它的主要作用是控制水下电磁阀来让喷泉在高水压下喷出各式各样的形态，随后在加上动听的音乐，便产生了具有震撼力的视觉冲击。

所以利用现代科技来制作喷泉是极好的选择。

（1）喷泉的历史

早在我国汉代的上林苑中，就有"铜龙吐水"，这就是一种人工的喷泉，可见喷泉应用于园林已有二千余年的历史了。

古代在喷泉的制作上主要利用自然整体结构，加之人工修改而成。

（2）喷泉的现状

现代城市中设置的喷泉已十分先进、灵活多变，花样翻新，可大可小，可高可低，喷射出的水，大者如珠，小者如雾，随着喷泉构筑物的形式、大小及水压等而产生高低不同、水态各异，形式多样的喷泉。

当今喷泉工程和高新技术的结合正是历史发展的必然，由于喷泉工程中采用了大量的高新技术，从而使喷泉效果更加绚丽多彩，婀娜多姿，令人赏心悦目、流连忘返。

1、课程设计要求

1．任务描述

某广场的喷泉如图所示，4号为中间喷头，3号为内环状喷头，2号为1次外环状喷头，1号为外环装喷头。

2．控制任务和要求

（1）按下启动按钮，喷泉控制装置开始工作，按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。

（2）喷泉的工作方式由花样选择开关和单步、连续开关决定。

（3）当单步、连续开关在单步控制时，喷泉只能按照花样选择开关设置的方式运行一个循环。

（4）花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，现考虑4种喷水花样。

1花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延迟2s后，3号喷头喷水，再延迟2s后，2号喷头喷水，又延迟2s后，1号喷头喷水，18s后停止，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，1号喷头喷水，延迟2s后，2号喷头喷水，再延迟2s后，3号喷头喷水，又延迟2s后，4号喷头喷水。

30s后停止，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3时，按下启动按钮后，1号、3号喷头同时喷水，延迟3s后，2号、4号喷头同时喷水，1号、3号喷头停止喷水。

如此交替15s后，4组喷头全喷水，30s后停止，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。

4花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1-2-3-4的顺序，以此间隔2s喷水，然后一起喷水。

30s后，按照1-2-3-4的顺序，分别延迟2s依次停止喷水。

再经1s延迟时，按照4-3-2-1的顺序，依次间隔2s喷水，然后一起喷水。

30s后停止。

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．设计说明书要求

（1）完整的设计任务书

（2）正确地编程元件的地址分配

（3）画出输入、输出接线图及相关的图纸

（4）设计梯形图控制程序

（5）设计操作控制面板，编制系统的操作说明

（6）编制系统的调试说明及注意事项。

第一章花式喷泉系统设计方案介绍

1.1控制特点分析

本设计的花式喷泉的特点要求复杂，其特点有：

（1）具有选择性有顺序地喷水，而且有定时喷水的特点；

（2）有多种花样模式的喷泉效果，即当选择不同的花样模式位置时，其喷头的电磁阀开关按照所在位置开闭；（3）有不同的周期工作方式，即单周期工作方式和连续周期工作方式。

1.2方案论证

1.2.1方案比较

根据本设计的花样喷泉控制特点，下面给出几种控制装置的控制比较。

（1）采用控制继电器来控制。

继电器是指当输入量或激励量，满足某些规定的条件是能在一个或多个电器输出电路中产生跃变的一种器件。

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域，他们比以往的产品具有更高的可靠性。

但是，这也是随之带来的一些问题。

如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。

而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。

在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。

并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。

用继电器控制的花式喷泉现在显然不能满足高要求，一旦有一个继电器损坏，那将难以排除其故障。

（2）采用微控制器单片机控制

随着大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，把计算机的运算器和控制器，存储器和多种接口集成在一块芯片上，称为微处理器，也叫微控制器，在我国习惯上又叫单片机。

单片机具有集成度高、体积小、功耗低、系列齐全、功能扩展容易、抗干扰能力强等优点。

不可否认,单片机开发的器件成本比较低,但是他的开发成本比较高，而且单片机的编程麻烦，工作量大，可读性差，用于花式喷泉这种实时控制不太占优势。

要满足花式喷泉这么大而且复杂的工程用一般的单片机控制显然有点麻烦，且可靠性过低。

（3）采用可编程序控制器PLC控制

经过长期的工程实践，PLC是最为广泛应用。

在石油、化工、机械、钢铁、交通、电力、轻工、采矿、水利、环保等各领域。

PLC控制器是建立在单片机之上的产品。

不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进，而且编程方法简单易学。

PLC可根据按钮、各种开关操作现场输入信号或检测信号控制执行机构完成相应的功能。

PLC具有定时控制功能，可为用户提供上千个定时器和计数器，实现具体控制。

对于花式喷泉的PLC控制，其可靠性要高很多，而且能把复杂的喷泉系统利用软件编程出来，编程出来的程序就简单易懂多了，也更容易查出故障，维修方便。

1.2.2方案选择

根据比较，最终选择PLC控制器来控制花式喷泉。

这样更经济、耐用和适合时代的大潮流。

（1）花式喷泉PLC控制的必要性

伴随这经济的发展需要，以及环境需要对于自动化控制的需求也在不断的增加，可编程控制器是应用时分广泛的微机控制装置，是自动化控制系统中的关键设备。

对于花式喷泉系统操作中可编程控制的使用也是相当的广泛，因为可编程控制器编程方法简单易学，功能强，性能价格比高，硬件配齐全，用户使用放便，使用性强，可靠性高，抗干扰能力强。

系统的设计、安装、调试工作量少，维护工作量少，维护方便，体积小，能耗低。

所以在使用PLC控制花式喷泉是相当具有优势的，利用自动化达到完美的效果，也可最大限度的优化资源。

1.3系统I/O分配

根据控制要求给出系统I/O分配表。

表3-1

表3-1PLCI/O资源分配表

输入设备

输入点

输出设备

输出点

启动

I0.0

1号喷头

Q0.1

停止

I0.5

2号喷头

Q0.2

单步

I0.6

3号喷头

Q0.3

连续

I0.7

4号喷头

Q0.4

花样选择开关位置1

I0.1

花样选择开关位置2

I0.2

花样选择开关位置3

I0.3

花样选择开关位置4

I0.4

1.4硬件的选型

1.4.1、PLC硬件的选型

可编程控制器是是一种数字运算操作的电子系统，专业在工业环境下应用而设计。

它利用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，来控制各类型的机械或生产的过程。

（1）PLC的基本工作方式

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式

每次扫描过程。

集中对输入信号进行采样。

集中对输出信号进行刷新。

输入刷新过程。

当输入端口关闭时,程序在进行执行阶段时,输入端有新状态，新状态不能被读入。

只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

元件印象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

扫描周期的长短由三条决定。

CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。

由于采用集中采样，集中输出的方式。

存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

（2）PLC的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成见图2-4。

PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。

图2-4PLC控制系统示意图

（3）PLC作过程

PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化的工作。

为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停的分阶段处理各种不同的任务见图2-5，这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。

图2-5扫描过程

（4）PLC的功能

逻辑控制

定时控制

计数控制

步进顺序控制

PID控制

数据控制PLC具有数据处理能力

通信和联网

其它：

PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求.如：

定位控制模块，CRT模块。

1.4.2、选择硬件

（1）CPU型号的选择

S7-200不同的CPU模块的性能有较大的差别，在选择CPU模块时，应考虑开关量、模拟量模块的扩展能力，程序存储器与数据存储器的容量，通信接口的个数，本机I/O点的点数等，当然还要考虑性能价格比，在满足要求的前提下尽量降低硬件成本。

喷泉的控制系统，不仅喷水花样繁多，而且对电磁阀的动作时序要求相当高。

传统的继电器逻辑控制，根本无法满足这一要求。

为了保证系统的实用性，可靠性，故本次设计选用西门子S7-200CPU266主机增加到40个数字量I/O点。

最大扩至24个数字量I/O点或35路模拟I/O点。

1.4.3、I/O模块的选型

选择I/O模块前，应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动。

根据PLC输出量和输入量的点数和性质，可以确定I/O模块的型号和数量每一块的点数可分为4、8、16、32、和64点。

依照本设计，选用6ES72162AD230XB8CPU226,DCPS,24DEDC/16DADC-CN2331.84型满足本设计需要。

1.4.4、PLC选择时要注意的问题

西门子S7-200CPU226型有24个输入，16个输出。

如果喷头的数量超过此数量将要对其进行扩展。

但设计要求中喷头数量为4个故电磁阀也为4个所以本次设计CPUI/O基本合适，按接通的点数不能超过该模块点数的60%的原则，则不需要扩展。

1.4.5、I/O设备与PLC连接时应该注意的问题

在PLC控制系统中，PLC是主要控制设备，它与控制对象中各输入信号如按钮，继电器触点和输出设备继电器、接触器、电磁阀的连接问题。

现场的输入信号如开关按钮、拨动开关、限位开关和其他一些检测原件输出的开关量和模拟量，通过连接电路进入PLC。

对于开关触点，当强电电路触点时，有些要求48V、50mA左右或110V、15—20mA左右才能可靠接通，而输出模块的输入电源电压一般不高，额定电流也是毫安级，要求注意模拟量输入信号的数值范围应与PLC的模拟量输入口数值相匹配。

1.4.6、外围硬件的选型

（1）喷头选择

中心直上喷头是在同一个配水箱上安装许多万向直流喷嘴，当这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直。

故选择该类喷头。

喷头型号

品名

规格

（毫米）

流　量

（米3/时）

工作压力

（米水柱）

喷高

（米）

覆盖直径

（米）

喷头高度

（毫米）

ZH-306

中心式

φ25

3.68

40

5.4

15.41

70

（2）电磁阀选择

水下专用电磁阀是自动控制系统中常见的开关元件、为音乐喷泉的核心控制设备，特别适用于跑泉的水路控制。

主要技术参数

原理结构：

直动膜片型、先导膜片型

控制方式：

常闭式

流体范围：

水

使用寿命：

≥25万次

流体温度：

C1组：

-5℃~+50℃

接口形式：

螺纹式、法兰式

阀体材质：

黄铜、304不锈钢

标准电压：

AC220V、DC24V

电气连接：

浇封预埋式防水电缆线

防护等级：

国际标准IP68

在这里要注意一点问题，PLC一般的输出电压为24V，假如电磁阀的功率较大的话驱动器就要使用中间驱动环节。

但是在本设计中选择的水下电磁阀适合PLC的输出电压故不需中间驱动环节继电器。

水下专用电磁阀是利用介质压力差工作的直动式电磁阀门，它采用膜片结构，具有启闭迅速、性能稳定、使用方便、可靠性高、寿命长等特点；该阀坑污能力极强，可在江、河、湖、海及各种人工水域中长期使用，基高超的性能处于国内领先水平。

（3）水泵的选择

型号IS50-32-125流 量12.50米3/h

电机功率2.2千瓦

（4）控制柜选择

是专为跳泉设计的控制器，该控制器可外接6台步进电机驱动器，通过控制器可以将水流切割成一段段的赋有生命力的水段，水段的长短及出水的速度可以任意变化，在控制器的控制下任意跳跃。

通过多组喷头喷出，可以形成一个活泼的水段跳跃群，创造出一个童话般的境界。

该控制器操作简单，通过控制器面板可以轻松地修改程序。

1.5系统外部接线图

图2-6系统外部接线图

1.6控制流程

根据系统要求，给出系统工作流程图，如图2-2。

图2-2系统工作流程图

工艺流程简介

按下启动，PLC驱动电机水泵运转，开始自动循环。

按下停止，水泵停止工作，所有的电磁阀关断。

喷水电磁阀共分四组，每一组都由4个电磁阀组成。

通过改变不同时段内这十六个喷水阀的状态，来组合成变化复杂多样的花形。

第二章系统软件设计

2.1花样选择开关位置

（1）花样选择开关在位置1

（2）花样选择开关在位置2时

（3）花样选择开关在位置3时

（4）花样选择开关在位置4时

2.2、系统梯形图设计

根据系统控制要求和I/O分配，编写梯形图如图。

见附录

第三章系统程序调试

3.1、根据所设计的花式喷泉的梯形图，采用PLC的S7_200的仿真软件进行仿真。

（1）首先把仿真软件的CPU更改为CPU226如图4-1。

（a）（b）

图4-1

（2）导入梯形图程序。

可按工具菜单按钮

。

（3）运行。

可按工具菜单按钮

。

（4）进行调试。

3.1.1、花样选择开关在位置1时

选择开关在位置1时，按下启动按钮I0.0，首先是4号喷头先喷水，即输出点QO.4得电发亮如图4-2a；观察仿真界面可知道每隔2s就会有一个输出点亮，也就是各喷头按顺序喷水，如此到最后四个喷头都喷水如图4-2b。

根据对已编写的梯形图程序进行仿真，并观察了仿真的各个步骤与系统要求相符合，调试成功。

（a）（b）

图4-2

3.1.2花样选择开关在位置2时

选择开关在位置2时，按下启动按钮I0.0，首先是1号喷头先喷水，即输出点QO.1得电发亮如图4-3a；观察仿真界面可知道每隔2s就会有一个输出点亮，也就是各喷头按顺序喷水，如此到最后四个喷头都喷水如图4-3b。

（a）（b）

图4-3

3.1.3花样选择开关在位置3时

选择开关在位置3时，按下启动按钮I0.0，首先是1号、3号喷头先喷水，即输出点QO.1和Q0.3得电发亮如图4-4a；观察仿真界面可知道3s后输出点Q0.2、QO.4发亮如图4-4b，也就是2号、4号喷头喷水，同时原来亮的Q0.1、Q0.3又熄灭，过15s后，1、2、3、4号喷头全部喷水。

（a）（b）

图4-4

3.1.4花样选择开关在位置4时

选择开关在位置4时，按下启动按钮I0.0，首先是1号、2号、3号、4号分别是Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4得电喷头按顺序分别延时2s得电，30s后又重复1-2-3-4的顺序，同样分别延时2s，依次喷完后再过1s改成按照4-3-2-1的顺序依次得电发亮，最后Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4同时得电发亮30s之后全部熄灭。

…..

图4-5

总结

本次设计通过运用可编程序控制器来实现了花式喷泉的多种喷泉方式及效果。

此设计的重点是用PLC控制器控制电磁阀来实现喷水，当然设计的程序部分是关键中的关键。

随着社会的长期进步可编程序控制器在不断的进步之中，越来越贴近人们的各种生活。

在这次的设计里长期的搜集资料，不断的整合，思考终于达到了设计的要求，并且取得了设计要求中的结果。

参考文献

[1]廖常初.《PLC编程及应用》.北京：

机械工业出版社.廖常初主编.2007年9月第二版第八次印刷.

[2]廖常初.《S7-300/S7-400PLC应用技术》.北京：

机械工业出版社.廖常初主编.2007年9月第一版第六次印刷.

[3]路林吉,王坚,江龙康.《可变控制器原理及应用》.北京：

清华大学出版社.2003年2月第二次印刷.

[4]刘华东.《单片机原理及其应》.电子工业出版社.2005.

[5]《可编程控制器教程（基础篇）（实训篇）》.胡学林主编.电子工业出版社2005.

[6]《园林工程》.韩玉林主编，重庆大学出版社.2006.9.第一版.

[7]《环境艺术设计》.魏栋.建筑工业出版社.2006.9.第一版.

[8]《SIMATICS7-200可编程序控制器CPU22X系统手册》.西门子（中国）有限公司.

[9]上海锦坤电气技术有限公司.

[10]中国工控网.

附录

系统程序梯形图