花样喷泉的plc控制系统设计电气自动化.docx
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花样喷泉的plc控制系统设计电气自动化
xx工业职业技术学院
2014-2015学年
毕业设计
课题名称：
花样喷泉的PLC控制系统设计
设计时间：
2014年9月-2014年12月
系部：
电气信息工程学院
班级：
1电气自动化
姓名：
指导教师：
总目录
第一部分任务书
第二部分开题报告
第三部分毕业设计正文
第一部分
任
务
书
扬州工业职业技术学院
毕业设计任务书
系部
电子信息工程系
指导老师
职称
讲师
学生姓名
班级
1203电气自动化
学号
设计
内容
目标
和
要求
设计目标：
1、设计3种花样可供选择；
2、选择花样1时，1、3、5、7、9、11号喷头启动，10S后停止。
接着2、4、6、8、10、12号喷头喷水启动，10S后停止。
1、3、5、7、9、11号喷头继续工作，连续循环下去。
3、选择花样2时，1、5号喷头启动10S后停止，3、7号喷头启动，10S后停止。
接着2、6号喷头启动，10S后停止。
然后4、8号喷头启动，10S后停止；1、5号喷头启动同时，9、11号喷头启动，20S后停止，10、12号喷头启动，20S后停止。
然后接着开始的顺序工作，连续循环下去。
4、选择花样3时，1、3、5、7号喷头开始工作，10S后2、4、6、8号喷头也开始工作，但1、3、5、7号继续工作。
1至8号喷头同时工作后，立即闪烁，10S后1、3、5、7号停止工作。
再过10S，2、4、6、8号也停止工作。
等待10S后，1、3、5、7号再次工作，按照之前的方式循环下去。
在1至8号喷头工作时，内圈的9、10、11、12号也开始工作。
9号、12号两个喷头和1、3、5、7号工作方式是一样的，而10号、11号则与2、4、6、8号是一样的。
设计要求：
1、提出选题的初步设想和研究目的；
2、收集、整理与毕业设计有关领域的信息资料；
3、完成本毕业设计的控制程序设计；
4、完成WinCC和PLC之间的通信；
5、利用WinCC和PLC之间调试，功能指标达到技术要求；
6、根据毕业设计内容进行设计、编程、运行，形成符合学校规定的毕业设计书面文档。
具体内容：
1、深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。
2、确定I/O设备。
根据花式喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。
3、根据I/O点数选择合适的PLC类型。
4、分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出端子的接线图。
5、设计花式喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图。
6、程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。
7、将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加善。
教研室
审核
系部
审核
第二部分
开
题
报
告
扬州工业职业技术学院电气信息工程学院
毕业设计（论文）开题报告书（表1）
学生姓名
专业
电气自动化
班级
1203电气
学号
1205010337
题目
花样喷泉的PLC控制系统设计
指导教师
职称
讲师
学位
学士
题目类别
□工程设计□基础研究■应用研究□其它
【课题的内容与要求】
内容：
1、控制系统为花样喷泉控制系统。
2、该系统的花样有2种。
3、运行时，要按照之前设置好的方案进行。
4、编程时要尽量考虑到实际操作的简单与后期维护的方便。
5、编程时思路要清晰。
要求：
1、提出选题的初步设想和研究目的。
2、收集、整理与毕业设计有关领域的信息资料。
3、完成本毕业设计的控制程序设计。
4、完成WinCC和PLC之间的通信。
5、利用WinCC和PLC之间调试，功能指标达到技术要求。
6、根据毕业设计内容进行设计、编程、运行，形成符合学校规定的毕业设计书面文档。
【前言】
随着我国经济文化不断的加速发展，物质生活水平的提高促使着人们迫切的追求更高的生活享受，花样喷泉可以在人们周围随处可见，比如广场、大厦、小区、公园等。
花样喷泉是人造小气候，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。
针对广场等人群众多的公共场合，设计一个可供人们休闲、观赏的小型喷泉，以满足人们的需要。
【预期的效果及指标】
1、完成花样喷泉相关资料搜集、实践调研
2、完成PLC的选型
3、完成其输入/输出的分析
4、完成硬件组态及编程元件地址分配
5、完成WinCC的仿真调试
6、要做到操作简单、实用
【进度安排】
2014年09月20日─2014年10月30日选题、调研、收集资料
2014年10月31日─2014年11月30日论证、开题
2014年12月1日─2014年12月25日设计（写作初稿）
2014年12月26日─2014年12月30日修改、定稿、打印
【参考文献】
[1]徐志军.工业控制组态软件及应用.机械工业出版社.2010
[2]向晓汉.西门子PLC高级应用实例精解.2010
[3]张明.刘岑俐.wincc组态软件的串行通信研究[J].装备制造.2009（08）
[4]李长久.PLC原理及应用.2010
[5]甑立东.西门子WinCCV7基础与应用.2011
[6]路增立.宋玉林.刘振兵.VisualBasic中串口通讯的应用［J］.江苏电器，2003.5
[7]廖常初.S7-300/400PLC应用技术（第2版）.机械工业出版社.2011.12
[8]金沙.郑凤翼.轻松看懂PLC控制系统梯形图.中国电力出版社.2008
[9]刘华波.何文雪.王雪.西门子S7-300/400PLC编程与应用.北京：
机械工业出版社.2009.10（2012.7重印）
【指导教师意见】（有针对性地说明选题意义及工作安排是否恰当等）
□同意提交开题论证□修改后提交□不同意提交（请说明理由）
指导教师签章：
年月日
【系部意见】
□同意指导教师意见□不同意指导教师意见（请说明理由）□其它（请说明）
队系（部）主任签章：
年月日
第三部分
毕
业
设
计
正
文
花样喷泉的PLC控制系统设计
电气自动化
[摘要]
花样喷泉是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物。
随着可编程控制器在我国的迅速发展，对花式喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需要可编程控制器来实现。
使用PLC控制花式喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。
本设计以花样喷泉为研究对象，采用了S7-300系列可编程序控制器作为喷泉的控制器。
对花样喷泉的控制系统的总体功能进行了分析，阐述了可编程控制器的组成和工作原理。
并提出了喷泉硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案。
本设计改善了喷泉系统的控制品质，并达到了实时控制的要求。
[关键词]水泵变频器电动机
PLCcontrolsystemoffountains
Zhou Anquan
Electricalautomation
Abstract
Figurefountainisinrecentyearstheemergenceofagardenbuildingcombinedwithafancywatchaproduct.Withtherapiddevelopmentoftheprogrammablecontrollerinourcountry,tofancyfountaincontrolrequirementsalsomoreandmorehigh,makemoreandmoreneedprogrammablecontrollertorealizecontrolpart.UsingPLCcontrolfancyfountain,iseasytouse,reliableoperation,simplecontrolprogramdesignetc.Thisdesigntofigureafountainastheresearchobject,USEStheS7-300seriesprogrammablecontrollerasthecontrollerofthefountain.Forfigurefountaincontrolsystemwasanalyzed,andtheoverallfunction,thispaperexpoundsthecompositionandworkingprincipleoftheprogrammablecontroller.Andputforwardthefountainofhardwareofeachmoduleanddetailedhardwaremoduledesign.Thisdesignimprovesthefountainsystemcontrolquality,andhasreachedtherequirementofreal-timecontrol.
Keywords:
Water pump Inverter Motor
`
第一章绪论
1.1PLC发展史
1.1.1PLC的产生
在20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统主要是由继电器、接触器组成。
在当时，每一次的汽车换型都需要继电器控制线路重新设计和安装，操作机械麻烦。
随着技术的进步，人们要求的提高，汽车更新换代的周期越来越快，这样就导致继电器控制系统频繁的重装，既浪费时间又费工和废料，甚至阻碍了要更新的周期。
为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，要求编程方便、现场可修改程序、维修方便、采用模块化结构等。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，并获得成功。
早期的可编程程序控制器称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。
为了控制机器和生产过程又增加了功能，比如顺序、时间、计数和算数等，目前PLC已经广泛应用在复杂的自动化生产和控制行业中。
1971年，日本从美国引进了这项技术，很快研制出日本第一台PLC。
1973年西欧国家也研制出他们的第一台PLC。
我国从1974年开始研制，于1977年开始进入工业应用。
1.1.2PLC的定义
可编程控制器，英文名称ProgrammableController，简称PC。
但由于PC容易和个人计算机PC（PersonalComputer）混淆，故人们习惯用PLC作为可编程控制器的缩写。
PLC是英文ProgrammableLogicController的缩写。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
1.2PLC的主要特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。
可以这么说，没有任何一种工业控制设备可以达到可编程控制器这样的可靠性。
它具有很强的抗干扰能力，能在极恶劣的环境下（如温度高、湿度大、金属粉尘多、距离高压设备近、有比较强的高频电磁干扰等）长期连续可靠的工作，平均无故障时间比较长，故障修复时间比较短。
（2）编程简单易学
PLC的设计是面向工业企业中一般电气工程技术人员的，它采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。
无论是在生产线的设计中，还是在传统设备的改造中，电气工程技术人员都特别欢迎和愿意使用PLC。
（3）硬件配套齐全，用户使用方便、维护方便
PLC的产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品质齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活、方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
在PLC运行中，在PLC的面板上（或显示器上）可以显示生产过程中用户感兴趣的各种状态和数据，使操作人员做到心中有数，及时在出现故障甚至发生事故时，也能及时处理。
编程器不仅能对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改，还能对PLC的工作进行监控，使得PLC的操作及维护都很方便。
PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员。
有人曾预言，将来自动化工厂的电气工人，将一手拿着螺丝刀，一手拿着编程器。
这也是可编程控制器得以迅速发展和广泛应用的重要因素之一。
（4）设计、施工、调试周期短
用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可以同时进行，由于软件编程取代了继电器硬接线实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大大减少，缩短了施工周期。
同时，由于用户程序大多可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。
（5）体积小，能耗低
PLC的结构紧凑，体积小，重量轻，复杂的控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器。
（6）功能强，性价比高
一台小型PLC有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。
与实现相同功能的继电器接触器控制系统相比，具有很高的性价比。
1.3PLC的主要功能
1）顺序逻辑控制
这是PLC最基本最广泛最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。
它既可用于单片机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。
2）运动控制
在机械加工行业，可编程控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。
很多PLC制造厂已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。
在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模板，模板移动一轴或数轴到目标位置。
当每个轴移动时，位置控制模板保持适当的速度和加速度，确保运动的平衡。
目前，已经用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等各项应用中。
3）定时控制
PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令，一般每个定时器可实现0.1秒~999.9秒或0.01秒~99.99秒的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。
定时精度高，定时设定方便、灵活。
同时，PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于精确的实时控制。
4）计数控制
PLC为用户提供的计数器分为普通计数器、可逆计数器、高速计数器等，用来完成不同用途的计数控制。
当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。
计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中修改。
5）步进控制
PLC为用户提供了一定数量的位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。
在一道工序完成之后，自动进行下一道工序。
一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。
有些PLC还专门设有步进控制命令，使得步进控制更为方便。
6）数据处理
大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，例如F2系列、S5系列、C系列等，能完成数据的运算例如：
加、减、乘、除、乘方、开方等，逻辑运算例如：
字与、字或、字异或、求反等，移位、数据比较和传送以及数值的转换等操作。
7）模数和数模转换
在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量（模拟量）。
现在，不仅大、中型PLC具有模拟量处理功能，甚至很多小型PLC也具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。
8）通信及互联网
目前，绝大多数PLC都具备了通信能力，能够在PLC机与计算机之间进行同位链接及上位链接。
1.4PLC的分类
1.4.1根据I/O点数分类
可分为微型机、小型机、中型机、大型机、巨型机
1.42根据结构形式分类
可分为整体式PLC、模板式PLC、分散式PLC
1.4.3根据生产厂家分类
德国西门子（SIEMENS）公司的S5系列、S7系列、日本欧姆龙（OMRON）公司的C系列、三菱（MITSUBISHI）公司的FX系列、日本松下（PANASONIC）公司的FP系列、法国施耐德（SCHNEIDER）公司的TWIDO系列、美国通用电气（GE）公司的GE-FANUC系列、美国A-B公司的PLC-5系列
1.5PLC的应用范围及发展趋势
1.5.1应用范围
PLC作为一种通用的工业控制器，它可用于所有的工业领域。
当前国内外已广泛地将PLC成功的应用到机械、汽车、冶金、石油、化工、轻工、纺织、交通、电力、电信、采矿、建材、食品、造纸、军工、家电等各个领域，并且取得了相当可观的技术经济效益。
1.5.2发展趋势
系列化、模板化；小型机功能化；中、大型机高速度、高功能、大容量；低成本；多功能
1.6花样喷泉的概述
喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头洒出来具有一定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。
现代城市中的喷泉形式已十分丰富。
随着构筑物的大小及水压等的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈。
可分为以下7种：
（1）普通喷泉：
只有简单的几种固定水型及灯光，随着电源的开闭而控制喷泉的运行、水型和灯光的变化。
（2）程控喷泉：
将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变化。
（3）音乐喷泉：
在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，计算机通过对音频及MIDI信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步。
（4）水幕激光喷泉：
将激光器发出的激光束射在水幕喷头的水幕上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多样的图案及色彩，照射在晶莹透明的水膜上，形成斑斓夺目的起义效果。
（5）水珍珠喷泉：
利用特殊音波将水变成球体的喷水装置和全频高速闪光灯的视觉图像效果的产品组成。
（6）游戏喷泉：
又称感应泉，喷泉水柱根据游人的动作产生反应，而且这种应具有不确定性，是一种互动式喷泉，增强了娱乐氛围。
（7）跳跳喷泉：
又名光亮泉。
是一种高科技水景艺术，水形似根根晶莹透彻地冰柱，一串串飞向空中，轻舞飞扬。
1.7采用PLC控制花式喷泉的优点
（1）控制方式上看：
PLC只需改变控制程序就可改变逻辑或增加功能。
（2）工作方式看：
PLC串行工作，不受制约。
（3）控制速度上看：
PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点。
（4）定时、计数：
PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有记忆功能。
（5）可靠、维护看：
PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
第二章花样喷泉设计方案
2.1控制要求分析
1）按下启动按钮，喷泉开始工作；按下停止按钮，喷泉停止工作。
2）喷泉的工作方式由花样选择开关决定：
按下花样1开关，喷泉按照花样1工作；
按下花样2开关，喷泉按照花样2工作；
按下花样3开关，喷泉按照花样3工作。
3）花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，考虑以下3种喷水花样：
花样选择开关在位置1时，1、3、5、7、9、11号喷头启动，10S后停止。
接着2、4、6、8、10、12号喷头喷水启动，10S后停止。
1、3、5、7、9、11号喷头继续工作，连续循环下去。
花样选择开关在位置2时，1、5号喷头启动，10S后停止，3、7号喷头启动，10S后停止。
接着2、6号喷头启动，10S后停止。
然后4、8号喷头启动，10S后停止；1、5号喷头启动同时，9、11号喷头启动，20S后停止，10、12号喷头启动，20S后停止。
然后接着开始的顺序工作，连续循环下去。
花样选择开关在位置3时，1、3、5、7号喷头开始工作，10S后2、4、6、8号喷头也开始工作，但1、3、5、7号继续工作。
1至8号喷头同时工作后，立即闪烁，10S后1、3、5、7号停止工作。
再过10S，2、4、6、8号也停止工作。
等待10S后，1、3、5、7号再次工作，按照之前的方式循环下去。
在1至8号喷头工作时，内圈的9、10、11、12号也开始工作。
9号、12号两个喷头和1、3、5、7号工作方式是一样的，而10号、11号则与2、4、6、8号是一样的。
2.2PLC类型的选择
PLC的产品种类很多。
PLC的型号不同，对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各不相同，使用的场合侧重各不相同。
因此，合理地选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标等有着重要意义。
PLC的选择主要从其机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信互联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性价比。
选择时应主要考虑到合理地结构形式，安装方式的选择，相应的功能要求，响应速度要求，系统可靠性的要求，机型尽量统一等因素。
结合以上的分析，以及之前在学校里的学习，我选用了S7-300来进行此次的毕业设计。
2.3S7-300的系统组成简介
S7-300系列的PLC是中型模板式PLC，各种模板（CPU模板、信号模板SM、功能模板FM、通信模板CP、电源模板PS等）及人机界面（HMI），可以根据控制要求进行广泛的组合和扩展。
2.3.1S7-300的结构特点
1）采用集成的背板总线
S7-300改变了以往模板式PLC采用的总线底板结构，从硬件上省去总线底板和排风扇，继而采用了背板总线，即将总线集成在每个模板上，所有的模板通过总线连接器进行级连扩展，使得结构简单。
2）采用DIN标准导轨，安装和更换模板方便
由于省去了总线底板，使得安装各个模板的机架只有DIN标准导轨，可以选择横向或者竖向安装。
安装模板时只需要将模板钩在导轨上，转动到位后用螺钉锁紧。
有可拆卸式机械编码前连接器，螺钉型或弹簧型接线端子，更换模板时只需要松开安装螺钉，拔下已经接线的前连接器，即可更换。
3）硬件组态灵活
所有的模板都有相同的安装深度，因此信号模板和通信模板可以不受限制地插到SM区的任何一个槽位上，使得硬件组态非常灵活。
4）机架扩展方便
每个机架上最多可安装8个信号模板（SM），当需要的SM超过8个时，可以通过IM365（机架距离最远1米）或者IM360/361（机架距离最远10米），安装扩展机架，每个扩展机架上最多可安装8个信号模板，一个S7-300系统最多可安装3个扩展机架，最多可安装32个信号模板。
2.3.2中央处理器CPU的功能
接收与存储用户由编程器键入的用户程序和数据；检查编程过程中的语法错误，诊断电源及PLC内部的工作故障；用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输入映像寄存器和数据存储器中；当拨码拨到RUN位置，CPU从存储器中逐条读取并执行用户编写的程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算数运算及数据
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