花式喷泉PLC监控系统设计.docx
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花式喷泉PLC监控系统设计
花式喷泉PLC监控系统设计
摘要
此次设计基于SIMATICPIC的花式喷泉监控系统的主要组成是PLC和触摸屏。
在选用PLC时还应当考虑到其工作环境，对其相对湿度的要求较高，根据以上的考虑确定使用小型PLC中的西门子S7-200系列CPU224型PLC。
，触摸屏选择为PLC型号的输入输出电压相匹配的表面声波触摸屏，控制器选为电磁阀，根据电磁阀的个数来确定PLC的输入、输出点数≤15个即可满足控制要求。
用PLC来实现喷泉花样的选择，以触摸屏监控喷泉的运行状态，并可通过触摸屏修改喷水时间等有关参数，使用潜水泵为喷泉喷水提供动力。
此设计经济实用，操作简单，可应用性强。
关键词：
PLC触摸屏监控
ThedesignofPLCmonitoringcontrolsystem
infancyfountains
Abstract
BasedonthedesignofSIMATICPICfancyfountainmonitoringsystemofmaincomponentisPLCandtouchscreen.InselectingaPLCwhenconsiderationshouldbegiventotheworkenvironmentforitsrelativehumidity,thedemandishigher,accordingtotheaboveconsiderationsmakesuretousesmallPLCofSiemensS7-200PLCCPU224typeseries.Screen,chooseforPLCtypeofinput/outputvoltagematchingsurfaceacoustictouchscreen,thecontrollerelectedelectromagneticvalve,electromagneticvalveaccordingtothenumberofPLCtodeterminetheinputandoutputmorethan15pointscanmeettheneedsofthecontrolsystem.
UsePLCtorealizethepatternchoice,fountaintouch-screencontrolfountainoperationstate,andcanbemodifiedbytouchwater,usetimeparametersforsubmersiblepumpwaterfountains.Thisdesigneconomicandpractical,simpleoperation,strongapplicability.
Keywords:
PLC；Touchscreen；Monitoringcontrol
1引言
喷泉是现代城市生活的重要娱乐施设之一，近来许多大城市的街心花园有各具特色的喷泉点缀其间，成为引人注目的一景。
随着时代的发展，科技水平的提高，城市的喷泉设备已经十分先进，如用工业可编程控制器（PLC）控制等。
喷泉，使静水变为动水，使水也有了灵魂，又辅之以各种灯光效果，使水体具有丰富多彩的形态，可以缓冲、软化城市中的“凝固的建筑物”和硬质的地面，以增加城市环境的生机，有益于身心健康并能满足视觉艺术的需要。
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的新型的通用的自动控制装置，它更加适合工业现场和市场的要求：
高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、地价格长寿命。
因此PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
在众多的PLC产品中，西门子公司生产的S7—200系列的CPU224型PLC以极高的可靠性、便捷的操作、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块和价位等方面的优点，被应用与此次设计任务中。
为了具体的体现出程序的梯形图，本次设计的软件用的是西门子的STEP7-MicroWIN32编程软件，该软件具有直观、形象等优点，易于修改和维护。
为了操作的方便，本次设计采用了触摸屏实现控制操作，与传统的开关等输入设备相比，显得更加的美观、便捷。
2绪论
2.1设计的目的与意义
通过此次毕业设计了解喷泉发展状况，利用触摸屏实现人机界面的转换，受到PLC系统开发的综合训练，熟悉PLC喜用开发相关的知识及设计步骤，达到独立进行PLC系统设计并实施的目的，培养我们能够将理论与实践相结合，来解决实际问题的能力。
通过设计培养我们工程绘图、数据处理、设计计算、实验研究、查阅文献、语言文字表达能力、计算机办公软件运用、外文资料的阅读与翻译等基本工作能力，培养我们将知识转化为生产力的能力，对三年学习进行一次总结。
2.2设计项目的发展情况
我们的喷泉是在70年代悄然兴起的，那是全国只有少数几家喷泉厂，喷泉的造型也较为单调。
当时连水下灯都没有，经过上海电光研究所、重庆灯泡厂等单位才把其列为科研项目，在短短的时间里，就有了很大变化。
喷泉行业犹如雨后春笋般迅速的发展壮大。
喷泉的造型也有低级到高级，有简单到复杂。
使用的新型喷泉专利有数百个，花色品种应有尽有。
水下的彩灯有国产、进口的，红、黄、蓝、绿等各种颜色的射灯、高效充气灯、激光头射日趋完美。
喷泉的规模从一平方米水面到几十、几百、几千甚至几万平方米；从一个水池只有一个喷头到几十、几百甚至几千上万个喷头；造价也从几百到几万、几十万、几百万，乃至上千万。
控制系统也是日新月异，有手动控制、电子版控制、单片机控制、PLC控制、音乐控制。
随着电子计算机的应用，喷泉更是如鱼得水，随心所欲的变化。
现代PLC的发展有两个主要趋势：
其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。
（1）大型网络化
主要是朝着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。
如西门子公司早在80年代就研制出了多回路闭环控制模块、步进电机控制模块、仿真模块和通信处理模块等。
在1995年西门子公司有成功的开发了S7-200、S7-300系列，它具有TD200和COROSOPS操作模板（OPS）为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过工业现场总线PROFIBUS以及以太网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能：
模块式结构可用于各种性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，告诉中断处理可以分别响应过程时间，大幅度降低了成本。
（3）高可靠性
由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
S7-400PLC及时在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、金密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热插拔。
2.3设计原理
此次设计基于SIMATICPIC的花式喷泉监控系统的主要成分是PLC和触摸屏，设计的原理主要是两者的工作原理，下面分别介绍两者的工作原理。
2.3.1PLC的基本组成
可编程序控制器（ProgrammableLogicController,简称PLC）是一种已微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是工业控制专用计算机。
因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由中央处理单元（PLC）、存储器（EEPROM、RAM）、输入/输出（I/O）接口、电源等组成。
如图2.1所示。
图2.1PLC的基本组成
（1）输入部件
输入部件是PLC与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进入PLC的桥梁。
该不见接受来自主令元件、检测元件的信号。
其输入方式有两种：
一种是数字量输入，
另一种是模拟量输入。
（2）输出部件
输出部件也是PLC与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进行工作（如电机的启、停、正/反转，设备的转动、移动、升降等）。
同样输出的方式也有数字量输出和模拟量输出两种。
（3）中央处理器（CPU）
与一般的计算机控制系统一样，CPU是整个PLC系统的核心部件，它按照PLC中系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊的工作。
其主要任务有：
控制从编程器输入的用户程序及数据的接受与储存；用扫描的方式通过I/O部件接受现场的状态和数据，并存入输入状态表或数据存储器中；诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器租调读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存表的内容，再经由输出部件实现输出控制、制表打印和数据通信等功能。
目前，PLC所采用的微处理器有以下三种：
通用微处理器、单片微处理器、片位式微处理器。
（4）存储器
PLC中的存储器是用来存储系统程序、用户程序及数据的。
目前，系统程序存储器通常由EPROM构成，用户程序存储器则有EPROM或EEPROM构成,而用户数据存储器则由RAM构成。
（5）通信接口
为了实现通信功能，PLC中配有通信接口。
通过这些通信接口，PLC可以与监视器、打印机以及其他PLC或计算机相连。
智能I/O接口为了满足更加复杂的控制功能需求，PLC配有多种智能I/O接口。
如位置闭环控制模板、高速计数模板等。
通常这类智能模板都拥有自身的处理器系统。
（6）I/O扩展接口
当用户所需的输入/输出（I/O）点数超过PLC基本单元的输入/输出点数时，就需要对系统进行扩展。
I/O扩展接口就是用来连接中心基本单元与扩展单元的。
（7）编程器
编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。
编程器一般分为简易型和职能型两类。
简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。
而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以联机编程，而且还可以脱机编程。
操做方便且功能强大。
（8）其它部件
通常PLC还可配有盒式磁带机、打印机、EPROM写入器等其他外部设备。
2.3.2PLC的基本工作原理
PLC的工作原理：
可变程序控制器是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。
即可编程控制器运行时，CPU根据用户程序存储器中的用户程序，按指令步序号（或地址号）做周期性循环扫描。
如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和输出状态的刷新等工作。
可编程序控制器的扫描工作过程可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
如图2.2所示。
（1）输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其存入（写入）各对应的输入状态锁存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
在程序执行阶段，即使输入状态有变化，输入状态存储器的内容也不会改变。
变化了的出入状态只能在下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。
（2）程序执行阶段
PLC在程序执行阶段，按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，所需要的执行条件可从输入状态寄存器和当前输出状态寄存器中读入，经过相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态存储器中。
所以，输出状态存储器中所有的内容随着程序的执行而改变。
（3）输出刷新阶段
当所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应的输出设备工作，这就是PLC的实际输出。
经过这三个阶段，完成一个扫描周期。
对于小型PLC，由于采用这种集中采样，集中输出的方式，使得在每一个扫描周期中，只对输入状态采样一次，对输出状态刷新一次，在一定程度上降低了系统的响应程度，即存在输入/输出滞后的现象。
但从另一个角度看，却大大提高了系统的抗干扰能力，使可靠性增强。
另外PLC几毫秒至几十微秒的响应延迟对一般工业系统的控制室无关紧要的。
2.3.3触摸屏的组成及工作原理
触摸屏最早出现在20世纪70年代，由于触摸屏比传统的开关和其他的输入设备更简单，美观，即使没有接触过计算机的人也能使用，因此人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。
工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。
触摸屏（触摸屏的工作原理）有出没检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接受触摸信息，并将它转化成触点坐标，在送给CPU，它同时能接受CPU发来的命令并加以执行。
触摸屏的系统结构基本分为两部分：
配合显像管CRT或LCD表面的坐标信号接收部分，即触摸感应屏幕部分；处理坐标信号并与主机通讯的触摸屏控制部分，即触摸屏的控制卡或控制盒。
按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。
每一类触摸屏都有其各自的优缺点，要了解哪种触摸屏适用于哪种场合，关键就在于要了解每一类触摸屏技术的工作原理和特点。
由于此次设计我采用的是表面声波式触摸屏，下面介绍表面声波式触摸屏的工作原理：
表面声波式触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。
这块玻璃平板只是一块强化的玻璃，区别于其它触摸屏技术是没有任何贴膜和覆盖层。
玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接受换能器。
玻璃屏的四个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。
发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的信号转化为声波能量向左方表面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X轴的接受换能器，接受换能器将返回的表面声波能量变为电信号。
发射信号与接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。
当手指或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。
接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置记得触摸坐标，控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。
之后Y轴同样的过程判定出触摸点的Y坐标。
除了一般触摸屏都能响应的X、Y坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值。
三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机。
3系统控制要求及控制方案
3.1喷水管的控制及要求
在许多休闲广场、景区或游乐场所里，常看到喷泉按照一定的规律变化花样，其中喷水管的布置对喷水花样的形成很重要。
该喷泉采用PLC控制，在花式喷水时序确定的前提下，可以通过改变控制开关，实现控制方式的改变，达到显现各种复杂状态的要求。
本设计课题采用PLC和触摸屏构成花式喷泉监控系统。
1为外环形状喷水管，2为次外环形状喷水管，3为内环形状喷水管，4为中心喷水管。
如图3.1所示。
3.2PLC程序及要求
1．电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置即开始工作；按下停止按钮，则停止喷水。
工作方式由选择开关和单步/连续开关来决定。
2．“单步/连续”开关在单步位置时，喷泉只运行一次循环；在连续位置时，喷泉运行一直继续下去。
3．选择开关用来选择喷泉的喷水花样，该喷泉要求实现以下工作方式：
①选择开关在“1”位置时，按下启动按钮后，4、3、2、1隔2秒依次喷水，一起喷水15秒后停下；隔2秒，然后按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水，在一起喷水15秒后停下。
以此规律循环。
②选择开关在“2”位置时，按下启动按钮后，1、3同时喷水，延时3秒后，2、4喷水，1、3停喷，交替运行5次后，隔1、2、3、4全喷水，30秒后停止。
以此规律循环。
③选择开关在“3”位置时，按下启动按钮后，1、2、3、4按顺序延时2秒喷水，然后一起喷水30秒后，1、2、3、4再分别延时2秒停喷。
以此规律循环。
4.不论在什么工作方式下，按下停止按钮，喷泉停止运行。
5.用触摸屏监控喷泉的运行状态，并通过触摸屏修改喷水时间等有关参数。
3.3控制方案的确定
此次设计的控制器选为电磁阀，根据电磁阀的个数来确定PLC的输入、输出点数≤15个即可满足控制要求。
在选用PLC时还应当考虑到其工作环境，对其相对湿度的要求较高，根据以上的考虑确定使用小型PLC中的西门子S7-200系列CPU224型PLC。
S7-200系列CPU224型PLC的工作环境：
温度：
工作温度：
0℃～55℃，最高为60℃；
储存温度：
-40℃～+85℃
湿度：
相对湿度为5%～95%，为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）
实现该监控系统设计中PLC程序采用定时器、计数器及基本位逻辑指令和置/复位逻辑指令等来完成。
触摸屏选择为PLC型号的输入输出电压相匹配的表面声波触摸屏。
4PLC的硬件设计
目前，世界上生产PLC的厂家很多，如西门子、ABB、LG、欧姆龙、三棱、松下等公司。
不同的厂家生产的PLC产品的功能基本上相似，但价格及使用的编程软件确有一些差别，即使是同一厂家生产的PLC产品中的不同系列也有一些差别，即便是同一系列中的产品因为有不同型号的CPU，那么其功能也不是完全相同。
简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。
随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。
设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。
大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些数据需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转化和PID运算等。
要显示数据时需要译码和编码等运算。
PLC按结构分为整体型和模块型两种；按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
从前边的介绍中，我认为选择小型机就可以达到控制的要求，从何价格、稳定性等方面考虑，西门子S7-200系列CPU224型PLC可满足设计的要求。
S7-200系列CPU224型PLC的工作环境：
温度：
工作温度：
0℃～55℃，最高为60℃；
储存温度：
-40℃～+85℃
湿度：
相对湿度为5%～95%，为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）
震动和撞击：
应使PLC远离强烈的振动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。
当使用环境不可避免振动时，必须采取防振措施，如采用减振胶等。
空气：
避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。
对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。
电源：
AC200V，允许变化范围为-15%～+15%，频率为47～53Hz，瞬时停电保持10ms。
4.1硬件的选择
4.1.1I/O模块的选择
此次设计的执行设备为电磁阀，初步确定选用开关量I/O，根据电磁阀的数量选择合适的I/O的点数。
PLC与电气回路的接口，时通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反应输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输出（AO）等模块。
1.常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、240VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20Ma,0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，有12bit，14bit，16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%~20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
2.常用的输出方式有继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型。
通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等有点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，使用寿命数长，但价格较贵，过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
根据以上的介绍，I/O模块确定为12点输入，10点晶体管输出，工作电压为24V的EM222开关量I/O模块。
3.根据控制要求及I/O点数确定I/O分配表如表4.1所示。
4.根据I/O分配表画出PLC外部接线图如图4.1所示。
输入
输出
符号
地址
功能描述
符号
地址
功能描述
SB1
I0.0
启动按钮
YV1
Q0.0
控制外环形状喷水管
SB2
I0.1
花样1选择开关
YV2
Q0.1
控制次外环形状喷水管
SB3
I0.2
花样2选择开关
YV3
Q0.2
控制内外环形状喷水管
SB4
I0.3
花样3选择开关
YV4
Q0.3
控制中心喷水管
SB5
I0.4
单步/连续选择开关
SB6
I0.5
停止按钮
220AC
图4.1I/O分配表和外部接线图
4.1.2内存容量的选择
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储器单元的大小。
因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段。
由于用户应用程序还未编制。
因此，程序容量在设计阶段是未知的，须在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。
存储期内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O
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