花样喷泉设计13.docx

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花样喷泉设计13

一、引言1

（一）课题背景1

（二）课程设计的目的及意义1

（三）小组成员及分工1

二、控制方案的选择2

（一）控制任务和要求………………………………………2

（二）设备的选型………………………………………………..4

APLC机型的选择……………………………………….4

B变频器的选型…………………………………………...5

C水泵的选型..…………………………………………….7

（三）花式喷泉控制系统的原理图……………………………11

三、I/O分配表11

四、PLC硬件接线图13

五、控制电机的接线图14

六、编程梯形图14

七、编程和调试过程说明20

（一）编程过程说明20

（二）设计调试过程中的错误20

（三）控制面板的操作说明20

结论21

参考文献22

一引言

（一）课题背景

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;传统的喷泉控制采用单片机控制原理，通过可控硅作为功率开关元件，完成对潜水泵间歇工作的控制，可实现各种花样的喷水，但是这种控制系统在实践中存在以下缺点：

由于可控硅承受过电压、过电流的能力差，因而不能长时间运行；需要配置较多的保护电路；程序的增减、修改和运行监视不灵活；抗干扰能力差；功率因数较低等。

为有效解决上述问题，确保控制系统的正常运行，我们就可以采用PLC控制。

PLC具有体积小、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。

（二）课程设计的目的及意义

随着微电子技术的发展，可编程序控制器（简称PC或PLC）以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等领域，成为一种多功能、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。

我们这次机电传动控制课程设计的主要目的，是通过对某个简单的自动化生产设备、某条简单的自动化生产线、某些简单的工艺过程的调查研究，使我们大家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，使我们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。

这次课程设计不仅培养了我们的工程应用能力，独立完成工作的能力外，还培养了我们文献信息检索的能力和对所学知识的综合运用的能力，并为我们的毕业设计以及毕业后的工作能力打下良好的基础。

（三）小组成员及分工

郭一鸣变频器的选型

王文伟万法超水泵的选型

马超黄伟珉可编程控制器（PLC）的选择

二控制方案选择

（一）控制任务和要求

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号为外环状喷头。

（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得方式运行一个循环。

（4）花样选择开关用于选择喷泉得喷水花样，现考虑4种喷水花样。

a）选择开关在位置“1”——按下启动按钮后，4号喷水，延时2s，3号喷水，再延时2s，2号喷水，再延时2s，1号喷水，接着一起喷水15s为一个循环。

b）选择开关在位置“2”——按下启动按钮后，1号喷水，延时2s，2号喷水，再延时2s，3号喷水，再延时2s，4号喷水，接着一起喷水30s为一个循环。

c）选择开关在位置“3”——按下启动按钮后，1、3号同时喷水，延时3s后，2、4号同时喷水，1、3号停止喷；交替运行5次后，再1～4号全部喷水30s为一个循环。

d）选择开关在位置“4”——按下启动按钮后，喷水池1～4号水管的工作顺序为：

1→2→3→4按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s后，1、2、3和4号水管分别延时2s停水，再等待1s，由4→3→2→1反序分别延时2s喷水，然后再一起喷水30s为一个循环。

从工程实际出发，在制定控制系统的方案时，充分考虑功能的组成及实现，主要从机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护和联锁，系统的工作方式（如手动、自动、半自动）和安全保护措施及紧急情况处理着手设计。

从而总结了以下几点在梯形图设计过程中的主要思路。

1．为了便于程序清晰明了，分别调用不同的四个花样，采用了子程序调用指令，并通过[SRET]返回原始指令。

2．不同花样的选择采用手动选择开关，内部通过时间继电器和辅助继电器实现自动化控制来完成各花样内的循环动作。

3．为了使系统能有单步/连续两种工作方式，例如在花样1中，当时间继电器计完18s后使T11的常开触点与单步/连续开关X006的常开和常闭触点分别串联。

在X006的常闭触点支路中，输出M0，M0的常闭触点分别串到各支路中，当X006闭合时，即可实现连续循环；在X006的常开触点支路中，输出[RST]指令，使M11、M12、M13、M14复位，即可实现单步工作方式。

同理，其他花样中也以同样的方式实现单步或连续工作的方式。

4．在花样3中，使用M30的常闭触点和时间继电器T31结合实现互锁，即当喷头2和4同时喷水时，喷头1和3不喷水；反之，当喷头1和3同时喷水时，喷头2和4不喷水。

5．当出现紧急情况时，请及时按下停止按钮或关闭电源，立即停止工作。

（二）设备的选型

APLC机型的选择

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信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,力争最佳的性能价格比。

选择时应主要考虑到合理的结构型式,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。

1．合理的结构型式

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。

2．安装方式的选择

PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。

集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。

3．相应的功能要求

一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。

对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。

对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档PLC。

但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。

4．响应速度要求

PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。

如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。

综上，本设计选择了三菱FX1NPLC。

B变频器的选型

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。

我们现在使用的变频器主要采用交——直——交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

整流部分为三桥式不可控整流器，逆变比分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

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。

Ⅰ.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。

Ⅱ.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。

Ⅲ.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。

我选用的是FR-S520（E）系列变频调速器。

其实物图如图3-1示

C水泵的选型

泵是一种面大量广通用型号机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力、冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位。

泵的电能消耗起了积极作用。

但是目前在国民经济各个领域中，由于选型不合理，许多的泵处于不合理运行状况，运行效率低，浪费了大量能量。

还有的泵由于选型不合理，根本不能使用，或者使用维修成本增加，经济效益低。

由此可见，合理选泵对节约能源同样具有重要意义。

所谓合理选泵，就是要综合考虑泵机组和泵站的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。

具体来说，有以下几个方面：

必须满足使用流量和扬程的要求，即要求泵的运行工次点经常保持在高效间运行，这样既能剩动力又不易损坏。

所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率。

具有良好的抗气蚀性能，这样既能减小泵房的开挖深度，又不使水泵发生气蚀，运行平衡、寿命长。

.泵的参数及性能

1水泵的主要参数

水泵参数是指工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。

（1）流量（Q）

泵的流量市直单位时间所排出的液体的数量。

通常泵的流量用体积计算，以Q表示，单位为米3/时（m3/h）、米3/秒（m3/s）、升/秒（1/s），也可用重量计，以G表示，单位为吨/时（t/h）、吨/秒（t/S）、千克/秒（kg/s）。

G与Q的关系：

G=r*Qr-液体的重量（千克/米3）

因水的重量近似1000千克/米3，故1升/秒=3.6米3/时=3.6吨/时

（2）.扬程（H）

泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。

以H表示，实质上就是水泵能够扬水的高度，又叫总扬程或全扬程。

单位为米液柱高度，习惯上省去“液柱”，以米（m）表示。

泵的总扬程由吸水扬程两部分组成，因此

总扬程=吸水扬程=出水扬程

但由于水流经过管路时受到各种阻力而减少了泵的吸水扬程和出水扬程，因此

吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程

出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程

损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程

总扬程=实际扬程+损失扬程

由于水泵铭牌上表明的扬程是上述水泵的总扬程，因此不能误认为铭牌上的扬程是实际扬程数值，水泵的实际扬程都比水泵铭牌上的扬程数值小。

因此在确定水泵扬程时，这一点要特别注意，否则，如果只按实际扬程来确定水泵的扬程，订购来的水泵扬程就低了，那可能会降低水泵的效率，甚至打不上水来。

损失扬程与管路上的水管和附近种类（低阀、闸阀、逆止阀、直管、弯管）、数量、水管内径、管长、水管内壁粗糙程度以及水泵流量等都有密切关系，这一点在管路设计和选配水管和附件时也应注意。

（3）允许吸上真空高度（HS）

允许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程，也就是泵的吸水扬程（简称泵的吸程），包括实际吸水扬程和吸水损失扬程之和。

以Hs表示，单位为米（m）。

允许吸上真空高度是安装水泵高度的重要参数，安装水泵时，应使水泵的吸水扬程小于允许吸上真空高度值，否则安装过高，就吸不上水或产生气蚀现象、

（4）.转速（n）

转速是指泵叶轮每分钟的转数，以n表示，单位为转/分（r/min）。

每台泵都有一定的转速，不能随意提高或降低，这个固定的转速称为额定转速，水泵铭牌上标定的转速即为额定转速。

如果远大于额定转速，不但会引起动力机超载或转不动，而且泵的零部件也容易损坏；转速降低，泵的效率就会降低，影响水泵的正常工作。

（5）比转数（ns）

在前述水泵型号中，有些型号的组成部分有比转数这个参数。

比转数与转速是两个概念，水泵的比转数，简称比速，通常用符号为ns。

水泵的比转数是指一个假象的所谓标准水泵叶轮的转数，这个假想的水泵与真实水泵的叶轮各部分都几乎相似而在消耗功率为0.735千瓦、扬程为1米、流量为0.075立方米/秒时所具有的转数。

叶轮形状相同或相似的水泵比转数相同，叶轮形状不相同或不相似的水泵比转数不相同。

如轴流泵比转数比混流泵大，混流泵比转数也是放映水泵特性的综合性指标。

此外，要注意比转数大的水泵，其转速不一定高；比转数小的，转速不一定低。

大流量、低扬程的水泵，比转数大，防止则小。

一般比转数较低的离心泵，其流量小、扬程高；而比转数较高的轴流泵，其流量大、扬程低。

（6）.功率

功率是指机组在单位时间内作功的大小。

水泵功率可分为有效功率、轴功率和配套功率三种。

（1）有效功率

它是出丢水泵内部损失功率后，纯用于羊水所消耗的功率，因此又称为净功率、输出功率或水马力。

常用符号为N效，单位为千瓦（或马力）。

有效功率只可用水泵的流量和扬程计算得出：

（2）轴功率

它是动力机传给水泵轴上的功率，因此称为轴功率或输入功率。

要包括泵体内轴承的摩擦、水泵轴与填料的摩擦、水与叶轮、泵壳间的摩擦，以及泵内高压水的回漏等所消耗的功率。

（3）配套功率

它是指水泵应选配的动力机的功率，一次又称有用功率。

常用符号为N配，它比轴功率大。

这是因为动力机把动力传递给水泵的过程中，有传动损失；同时还要考虑水泵工作时，流量及扬程有波动而可能出现动力机超载，因此动力机需要比水泵轴功率大的功率储备。

配套功率可按下式求得：

动力安全系数（或称备用系数）可根据水泵轴功率大小确定，轴功率小时取大值。

传动交率要根据传动类型和传动方式确定。

采用联轴器直接传动时，取0.99。

采用皮带传动时，开口式传动取0.98，交叉传动取0.9，半交叉取0.92～0.94；三角带传动取0.96。

（7）效率（n）

效率是指有效功率与轴功率的比值，因此他是反映泵对动力所给予的功率利用程度的技术经济指标。

常用符号为n，其大小用百分数来表示。

可用下式表达：

由于有效功率小与轴功率，因此水泵效率永远小于1。

但水泵效率值越大说明有效功率越大，泵内损失功率越小。

我们选择水泵时，应尽量选择效率高的水泵铭牌上的效率是指水泵可能达到的最高效率，一般农用水泵的最高效率为60%～80%，有些大型水泵超过了80%。

选择步骤

（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.介质温度。

4.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，但必须考虑工艺变化时对流量的影响。

5.压力，吸水池压力，排水池压力，管道系统中的压力降。

6.管道系统数据。

（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，而且其输出功率必须能够精确的进行控制。

我选用品牌为DESHB（德士比）的QYP100-4.5-2.2喷泉泵。

（三）花式喷泉控制系统的原理图

在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC：

因为有4层喷水，因此用了1个变频器控制4个水泵。

花式喷泉控制系统的原理如图所示：

三I/O分配表

根据课程设计任务书以及控制方案选择的着手点做出PLC控制系统的I/O分配表如下：

表1输入/输出信号分配表

输入信号

地址

元件

功能

X0

SB1

启动按钮

X1

SA2

花样选择开关位置1

X2

SA3

花样选择开关位置2

X3

SA4

花样选择开关位置3

X4

SA5

花样选择开关位置4

X5

SB2

停止按钮

X6

SA1

单步/连续按钮

输出信号

地址

元件

功能

Y0

KM1

喷头1

Y1

KM2

喷头2

Y2

KM3

喷头3

Y3

KM4

喷头4

表2控制系统中用到的辅助继电器表

辅助继电器

元件

功能

M100/M200/M300/M400/M30

一般辅助继电器，作为中间过渡作用

M0

辅助继电器，与X006结合，

可分别实现花样1、2、3、4

的连续循环动作

M1

M2

M3

M11

花样1中喷头1的输出继电器

M12

花样1中喷头2的输出继电器

M13

花样1中喷头3的输出继电器

M14

花样1中喷头4的输出继电器

M21

花样2中喷头1的输出继电器

M22

花样2中喷头2的输出继电器

M23

花样2中喷头3的输出继电器

M24

花样2中喷头4的输出继电器

M31

花样3中喷头1的输出继电器

M32

花样3中喷头2的输出继电器

M33

花样3中喷头3的输出继电器

M34

花样3中喷头4的输出继电器

M41

花样4中喷头1的输出继电器

M42

花样4中喷头2的输出继电器

M43

花样4中喷头3的输出继电器

M44

花样4中喷头4的输出继电器

四PLC硬件接线图

根据程序设计要求以及所选的工作元件，由输入/输出信号地址分配表设计出如图硬件接线图

图1PLC硬件接线图

五控制电机的接线图

图2控制电机的接线图

六编程梯形图

花样1

花样2

花样3

花样4

七编程和调试过程说明

（一）编程过程说明

此次PLC的课程设计我编写的程序修改很多次，但通过在电脑上用软件不断地调试修改，查阅各种资料，向同学请教，终于编好了各种花样的程序。

指令表见附录。

（二）设计调试过程中的错误

1．没必要的自锁过多致使程序太长，同时在花样4中若加上M41、M42、M43、M44的自锁，当按下停止按钮X005时，喷泉不能立即停止，鉴于以上原因，删除了一些没必要的自锁。

2．子程序结束无[SRET]，由于所用软件无法执行调用子程序CALL指令，在调试时也无误，导致自己忽略了[SRET]指令。

3．程序中出现多个输出信号，致使在调试过程中第一次出现输出信号的继电器M，该亮灯而没有亮灯。

经过再次修改调试后以达到所需效果。

（三）控制面板的操作说明

根据使用要求，设计出操作控制面板如下图：

图6控制面板

此控制面板的操作非常简单，一眼就可明了。

在启动前首先按下启动按钮，若选择花样1的喷水方式，即将选择开关置于位置1皆可，若想实现花样1的单步工作方式，则将单步连续开关置于单步即可，若想实现花样1的连续工作方式，则将单步连续开关置于连续即可。

同理，将选择开关分别置于位置2、3、4，选择单步/连续开关也分别可实现花样2、3、4的单步或连续工作方式。

结论

此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来重要的一步。

从最初的选题，开题到完成设计。

其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。

通过这次实践，我了解了PLC的用途及工作原理，熟悉了PLC的应用，锻炼了实践能力，培养了自己独立设计能力。

此次毕业设计是对我专业知识的一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。

毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的能力，懂得了许多经验是前人不懈努力的结果。

同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。

但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。

比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。

这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。

参考文献：

［1］冯宁，吴灏主编《可编程序控制器技术应用》[M]．人民邮电出版社2009

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［3］吴明亮、蔡文忠主编《可编程控制器实训教程》[M]．化学工业出版社2005

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［5］陈忠华主编《可编程控制器与工业自动化》[M]．机械工业出版社2005

［6］郝用兴．机电传动控制[M]．1版．武汉:

华中科技大学出版社，2010

［7］FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC系列编程手册

［8］殷培峰．基于PLC喷泉控制系统设计．兰州石化职业技术学院学报,2006