花样喷泉控制设计.docx
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花样喷泉控制设计
摘要
PLC在喷泉控制系统中应用广泛。
它可以通过控制灯光、喷头等动作来实现对花样喷泉的自动控制。
本设计主要以可编程控制器PLC的控制功能，提出了花样喷泉的总体设计方案，确定了I/O端口的分配与接线，并编程调试了PLC应用程序，最终通过系统的动态仿真实现了花样喷泉的自动运行。
运行状况表明，该系统稳定可靠、维护简便、成本较低，能满足用户的需求。
关键词：
PLC；花样喷泉；控制系统
ABSTRACT
PLCcontrolsystemiswidelyusedinthefountain.Itcancontrolthelights,sprinklersandotheractionstoachievetheautomaticcontrolofthesynchronizedfountain.ThisthesisisbasedonSiemensS7-200seriesPLC,madetheoveralldesignschemefountainpatternstodeterminetheI/Oportofthedistributionandwiring,anddebuggingofthePLCapplicationprogram,ultimatelythroughthesystemDynamicSimulationofapatternfountainrunautomatically.Operatingconditionsshowthatthesystemisreliable,easytomaintain,lowercost,andcanmeetcustomers’needs.
Keyword:
PLC;FancyFountain;ControlSystem
第1章绪论
1.1设计背景
随着城市化进程的加速，花式喷泉可以在人们周围随处可见。
比如广场，大厦，小区等。
花式喷泉是人造小气候，在炎热的夏日可以起到增湿和降温的作用，也为水体充氧，有利于水体增加自净能力，起到防止水体黑臭的作用。
花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花式喷泉的控制系统息息相关。
花式喷泉可以根据自己的设计，设计出各种各样的花样，加上灯光，能给人有种不错的视觉享受。
可编程控制器，简称PLC。
它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易3.维修工作量少4.功能强、通用性好5.开发周期短、成功率高6.体积小、重量轻、功耗底等特点。
具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为工业生产自动化的支柱产品。
与继电——触发器系统相比系统更加可靠;价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维修、维护；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构。
因此，进行花式喷泉的PLC控制系统的设计，可以推动喷泉行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。
1.2设计目的
随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入个崭新的时代，其应用越来越广。
而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。
其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。
喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。
1.3设计要求
1.按任务书要求查阅PLC相关资料。
2.重点学习掌握PLC的内部结构及原理，考虑如何进行地址分配和硬件连接。
3.掌握PLC梯形图的设计,以实现花样喷泉控制。
4.完成课程设计报告书。
第2章系统硬件设计
2.1喷泉系统控制要求
花式喷泉系统的控制要求如下：
（1）1、2均为外环形状的喷水管，3为内环形状的喷水管，4为星形喷水管。
灯光系统由三条支路组成，分别为绿色灯支路（在1,2之间）、黄色灯支路（在2,3之间）红色灯支路（在3,4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：
a.花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4,3,2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。
b.花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，1,2,3,4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。
c.花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1，3同时喷水，延时3秒后2，4喷水，1，3停止喷水。
交替运行15秒后，1,2,3,4全喷水，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。
d.花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，1,2,3,4间隔两秒依次喷水，一起工作30秒后，1，2，3，4，分别延时2秒，依次停止喷水。
再经1秒延时按照4，3，2，，1，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。
如果为连续工作方式，则继续循环下去。
（4）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3,4任意一层喷水时，红色灯亮；2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图2-1所示：
图2-1花式喷泉池工作原理及效果示意图
2.2控制方案的确定
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。
因此选择PLC控制器来控制花式喷泉。
2.3PLC的选择
通过对输入/输出点的选择、对存储量的选择，对I/O响应时间的选择，输出负载的特点选型。
该控制系统选用三菱公司FXON系列的PLC。
它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的链接，可以增加输入/输出点数。
我设计的花式喷泉模型共有6个输入，11个输出，因此，选用型号为FX2N-32MR的PLC。
2.4变频器的选择
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
变频调速技术是针对固定工频而采取的高效节能措施，工频（50Hz）是发电的最佳频率，但它并非是所有用电设备的最佳工作频率，因而导致许多设备长期处于低频率、低功率引述运行状态。
占全国耗电2/3的交流电动机目前大多数还在工频、恒速下运动，运行效率只有60%左右。
为了提高效率，所以在本设计中用到变频器。
变频器选型时要确定以下几点：
1.采用变频的目的：
恒压控制或恒流控制等。
2.变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3.变频器与负载的匹配问题：
（1）电压匹配：
变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
（2）电流匹配：
普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
（3）转矩匹配：
这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生。
a.在使用变频器驱动告诉电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流地阿牛值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
b.变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样的情况下，变频器容量要更大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
c.对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器的容量要放大一档。
本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水的高度。
选用的是FR-S520（E）系列变频调速器。
图2-2FR-S520（E）系列变频调速器实物图
2.5水泵的选择
1.列出基本数据
（1）介质的特性：
介质名称、比重、粘度、腐蚀性、毒性等。
（2）介质中所含固体和颗粒、含量多少。
（3）所需要的流量，一般工业用泵在工艺流程中可以忽略管道系统中的泄漏量。
（4）压力，吸水池压力，排水池压力，管道系统中的压力降。
2.确定流量扬程和流量
（1）如果生产工艺中已给出最小、正常、最大流量，应按最大流量考虑。
（2）如果生产工艺中只给出正常流量，应考虑留有一定的余量。
（3）如果基本数据值只给重量流量，应换算成体积流量。
由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确启停，我选用品牌为DESHB（德士比）的QYP100-4.5-2.2喷泉泵。
图2-3QYP喷泉泵实物图
2.6硬件接线图
系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。
具体的如图2-4所示：
图2-4系统的硬件连接图
第3章系统软件设计
3.1I/O分配表
表3-1输入I/O分配表
序号
输入
说明
1
X0
停止说明
2
X1
启动按钮
3
X2
选择开关1的位置
4
X3
选择开关2的位置
5
X4
选择开关3的位置
6
X5
灯控按钮
表3-2输出I/O分配表
序号
输出
说明
1
Y0
电源指示
2
Y1
控制1管喷水
3
Y2
控制2管喷水
4
Y3
控制3管喷水
5
Y4
控制4管喷水
6
红色灯
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
输入信号：
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
输出信号：
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
3.2I/O接线图
图3-1I/O接线图
3.3控制流程图
图3-2花样喷泉系统控制流程图
第4章梯形图
图4-1花样喷泉系统梯形图
结论
本设计利用可编程控制器PLC和变频器的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器和变频器控制花式喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。
当花式喷泉的功能增加时，只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少，调试结果表明，在适应性、灵活性、精确性和可靠性方面，都达到了设计要求。
通过本设计，我学习到了很多东西更了解了有关可编程器件和变频器的功能，弥补了以前学习上的不足，并且从老师那学到了很多宝贵的知识。
致谢
在这次毕业设计的过程中，指导老师给予了我很大的帮助，提供了相关的资料，对我的毕设作品给予了指导和支持。
使我顺利圆满的完成了此次毕业设计。
在此，向李老师衷心的表示感谢！
寒窗几载，春花秋实。
大学四年是我一生的重要阶段，是学习专业知识及提高各方面能力为以谋生发展的重要阶段。
从跨入大学的校门的那一刻起我就把这一信念做为人生的又一座右铭。
大学四年里，在提高自己科学文化素质的同时也努力提高自己的思想道德素质，使自己成为德智体诸方面全面发展21世纪发展要求的复合型人才，做一有理想有道德有纪律的社会主义建设者和接班人。
最后，再次感谢学校及领导的大力支持，以及电气工程系的各位老师和许多的朋友和同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后，期待下一次的锻炼。
参考文献
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