基于PLC花样喷泉的设计.docx
《基于PLC花样喷泉的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC花样喷泉的设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PLC花样喷泉的设计
基于PLC花样喷泉的设计
摘要
随着人们生活水平的提高，我们对娱乐活动的需求也越来越强烈。
而现在随处可见的喷泉就是一种我们熟悉的娱乐方式，喷泉在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。
在许多广场、景区、游乐场我们都能看见。
他们按照一定的规律来回喷水，变换出各种花样，令人赏心悦目。
夜晚的时候，再配上绚烂的灯光，让我们置身于浪漫的境界。
传统的喷泉一旦设置好喷水的方式后就能自动的进行循环。
而且不能随意的改变喷水的时间与喷水的花样。
所以一种十分方便的替代品就是使用PLC控制，PLC具有很多优点，具有体积小、价格便宜、使用方便，具有很强的扩展性与良好的稳定性，最重要的是使用的过程相对比较简单。
我们可以通过改变喷泉控制系统中的控制程序来实现对不同花样的控制，而且能够很方便的对喷泉的喷水规律进行控制，以便能够产生我们所需要的各种花样，按照不同场合的要求进行独特的定制。
本文主要提出了基于PLC控制系统的花样喷泉的控制，通过对PLC程序的简单设置，实现不同花样的变换。
我们选择的系统控制器是西门子生产的S7-200系列。
通过对四中不同的输入输出的接口进行分配，实现4种喷水花样的控制，选择流行的MCGS组态软件完成花样喷泉系统的人机界面的设计，从而实现西门子PLC与人机屏面的通讯。
关键词:
PLC；喷泉；控制系统；组态
Abstract
Withtheimprovementofpeople'slivingstandards,wehavemoreandmoredemandforrecreationalactivities.Andnowyoucanseethefountainisafamiliarwayofentertainment,fountaininourlivesplayanincreasinglyimportantrole.Inmanyplazas,scenicspots,playgroundwecansee.Theyfollowacertainlawbackandforthwater,changingavarietyoftricks,itispleasingtotheeye.Atnight,coupledwithgorgeouslights,letusexposuretotherealmofromance.Thetraditionalfountaincanbeautomaticallycirculatedoncethewatersprayisset.Andcannotarbitrarilychangethewaterspraytimeandwaterspraypattern.SoaveryconvenientalternativeistheuseofPLCcontrol,PLChasmanyadvantages,withsmallsize,cheap,easytouse,withastrongscalabilityandgoodstability,themostimportantthingistousetheprocessisrelativelysimpleTheWecanchangethecontrolprograminthefountaincontrolsystemtoachievethecontrolofdifferentpatterns,butalsoveryconvenienttocontrolthewaterfallsofthefountaininordertobeabletoproducethevariouspatternsweneed,inaccordancewiththerequirementsofdifferentoccasionsUniquecustomization.ThispapermainlyputsforwardthecontrolofthepatternfountainbasedonthePLCcontrolsystem.ThroughthesimplesettingofthePLCprogram,thetransformationofdifferentpatternsisrealized.WechosethesystemcontrollerisSiemensproductionS7-200series.Throughthefourdifferentinputandoutputinterfacedistribution,toachievefourkindsofwaterspraypatterncontrol,selectthepopularMCGSconfigurationsoftwaretocompletethedesignofthemanainterfacefancysystemdesign,inordertoachieveSiemensPLCandman-machinescreencommunication.
Keywords:
PLC；eruptivefountain；controlsystem；Configuration
1引言
1.1课题背景
喷泉的历史悠久，作为一门建筑修饰艺术，不管是国内还是国外都有着十分悠久的历史。
随着人们生活水平的提高，我们对娱乐活动的需求也越来越强烈。
而现在随处可见的喷泉就是一种我们熟悉的娱乐方式，喷泉在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。
在许多广场、景区、游乐场我们都能看见。
他们按照一定的规律来回喷水，变换出各种花样，令人赏心悦目。
夜晚的时候，再配上绚烂的灯光，让我们置身于浪漫的境界。
喷泉不仅具有美好的观赏作用，还能够具有对干燥的空气进行加湿的作用，是对炎炎夏日的一种补剂，与此同时，喷泉在巨大的压力下进行喷发，在这过程中所产生的的力，还能为水体充氧，这时就能起到对水体净化的作用，所以说。
喷泉底部的水总能保持水质新鲜，很少会发生水质变黑变臭的情况。
我们经常会看见道路边的喷泉，我们评价一个喷泉好坏的情况往往是以其喷水的花样与节奏。
控制喷泉花样的就是控制器，传统的喷泉的控制器有很多种，但多以单片机为主，单片机对过电流、过电压承受能力不好，不能够长时间的运行,还有就是对程序的修改与花样的改变不是很灵活；抗干扰能力很弱等。
PLC具有很多优点，具有体积小、价格便宜、使用方便，具有很强的扩展性与良好的稳定性，最重要的是使用的过程相对比较简单。
通过对控制系统的简单编程或者是变化选择开关就能实现对喷泉喷水规律很好的控制，针对不同的场合要求，不同季节的交替，变换出各种不同的花样，传统的喷泉一旦设置好喷水的方式后就能自动的进行循环。
而且不能随意的改变喷水的时间与喷水的花样。
PLC最主要的应用场景就是工业领域，因为他们最开始就是为了适应工业环境的特性而设计的，作为一种数字型的控制装置。
其使用的是编程逻辑控件，通过数字模式驱动以完成我们需要的计数功能、计时功能和我们最常用的算数操作功能，进行对数据的控制与计算，并可以通过模数转换进行数据的输入输出，所以可以完成对工业生产的控制。
一般情况下，PLC与工业环境形成一个整体，共同驱动工业生产，一个重要的原则就是需要能够易于对他的功能进行扩展。
从物理结构上来看，PLC由于其与工业结合的特性，需要具有丰富的输入输出端，便于其及时的通信。
PLC的内部还有丰富的软元件，例如计数器、定时器，各种的寄存器以及继电器和状态组件。
PLC拥有很多特性，因为要适应工业环境的特点，所以应该配置灵活、高可靠性、功能强悍、体积娇小精悍等优点。
随着电子技术的发展，PLC在整个工业领域应用变得十分广泛，逐渐成为工业化的自动产业的支柱产业。
PLC具有很多的特性:
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。
所以，我们经过整体的考虑率，选择PLC作为花样喷泉的控制器，通过合理的应用PLC，可以很好的推动整个喷泉行业的发展，由于PLC的特性，所以在自动化领域的应用，具有很大的研究价值。
1.2课题目的和意义
近年来，我国国民经济发展迅速，各种公共设施如雨后春笋般的迅速发展。
其中，喷泉也随之建设与布置。
喷泉一般是用人工构筑，并且可以喷射出优美的水资，以供人们进行观赏。
作为园林建筑中的重要组成部分。
在现代的园林之中，除了我们最常见的植物景观之外，喷泉也作为一种重要的景观供人欣赏，作为一种水景的艺术，体现出动静结合，形成了一种活泼明朗的气氛，给人美的享受。
与此同时，喷泉在喷水的过程中能够增加空气中的氧负离子的含量，从而起到增加空气湿度、净化周围空气、降低周围的环境温度等等的作用，因此受到人们的广泛喜爱。
传统喷泉基本上使用单片机作为控制器，但是单片机的许多缺点使得不能很好的处理这种劣势。
因此，我们考虑到使用PLC作为控制器，来对整个喷泉核心部分进行控制处理。
PLC在工业方面的应用我们大多很熟悉了，所以，我们考虑到使用PLC对喷泉进行控制，使其能够喷射出各种各样的花样，供人们欣赏。
我们经过对PLC的学习，设计出基于PLC的花样喷泉，能够对PLC的编程方法以及如何调试PLC程序有了一个很好的了解。
同时，还能熟悉PLC编程控件中的I/O连接。
通过对PLC编程等的综合学习，可以使我们对PLC编程控制器有一个很好的了解，以便我们能够熟练应用PLC硬件实验的装置方法。
1.3课题设计内容
我们会从下面的几个方面展开对花样喷泉的控制系统的实验论证研究。
（1）组成花样喷泉的控制系统
本设计使用的是PLC作为控制器实现控制花样喷泉进行不同花样的变化，根据PLC的工作原理，结合组成喷泉的电源电路、总开关、以及各种按钮进行设计，可以有效的结合整个系统的硬件与软件，从而对喷泉喷出的各种花样进行控制。
（2）花样喷泉的组成要求以及控制任务
本设计是以花样喷泉的花样喷水作为整个实验的研究对象，PLC可编程逻辑控件对整个系统进行分析理解，从而提出整个喷泉硬件模块的详细的设计方案，并且通过编程进行控制，以完成对整个系统的软件控制。
同时，还要对整个控制框图进行论述，还要画出硬件连接图，并且需要完成对硬件的选型（包括数模以及模数的转换、各种外围设备以及传感器器件等）。
（3）花样喷泉硬件系统配置
本设计所选择的控制器是西门子S7-200处理器，作为一种紧凑型的可编程逻辑控制器，能够完成许多的设备的自动化的要求。
事实证明，使用S7-200型号的PLC控制器可以很好的达到对各种花样喷泉花样变换的要求，性能比较好。
（4）花样喷泉的系统控制软件
本课题选择梯形图作为编程语言，梯形图在整个PLC中使用广泛，通过编写程序（主要是指梯形图）可以很好的满足花样喷泉的设计要求，我们选择西门子STEP7编程软件作为整个系统梯形图设计的软件，这款软件很好的支持S7-200的PLC，并且还有自我诊断故障的功能，可以对故障发生的原因进行快速审查，以便我们能够快速地进行修复，从而可以明显的节省时间。
其中所用的组态软件为MCGS，可以很好地应用于花样喷泉的设计。
2花样喷泉的系统控制方案
2.1花式喷泉的概述
2.2系统的设计要求
我们主要是从以下几个方面考虑花样喷泉控制系统的设计：
1、注意整个系统的性价比，就是在满足整个花样喷泉控制系统正常运行的前提下，选择价格相对较低，在可靠性与稳定性满足我们实验要求的PLC就可以了。
2、确定I/O设备。
通过对花样喷泉控制系统所需的功能进行分析，要合理选择本系统所需要的输入、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、对输入/输出点进行分配，同时编写出输入输出分配表以及各种输入输出端的不同
的接线图，完成对整个系统的设置。
4、对花样喷泉的梯形图进行设计，根据我们对不同喷水花样需求的剖析，设计出详尽
的梯形图的程序，这是我们整个系统是否成功的决定性因素。
5、根据我们需要实现的花式喷泉的样式来完成对MCGS监控界面的绘制。
6、对PLC的程序进行软件测试，看看是否有错误，从而使整个系统更加可靠与完善，
然后在进行调试。
2.3系统的控制结构
图1控制系统的结构框图
通过工业控制计算机与PLC共同对整个喷泉系统的合理配置。
这个系统使用主从复合结构对系统设计，上位机与下位机共同协作，完成一次合理的配置。
我们使用下位机对整个系统的进行采集数据，并且要求是实时数据，以便及时对整个系统进行响应，而上位机的主要功能是对系统的功能参数数据进行显示与报警功能。
这个系统可以很好的实现我们队花样喷泉的操作要求，如对不同花样的输出的改变，对一些事故进行报警处理，实时的对数据进行传输、处理与输出。
控制系统的结构框图如图1所示。
图2花样喷水池示意图
PLC编程控制器对喷泉控制的一个优点就是能够在确定喷泉喷水的时序的情况下，通过对开关的控制以及时序来对整个花样喷泉喷水样式的改变，达到可以显现各种喷水的形状要求。
所设计的喷泉造型见图2，数字1代表外环形状的喷水管，数字2代表的是第二层环形喷水管，数字3代表的是内环的喷水管，数字4则代表最中心的喷水管。
图2表示的是整个喷泉系统的模型图，整个喷泉是由四组不同的喷水水管组成，接通电源的开关键后，喷泉就会启动，然后就会变换出各种不同的花样，按下停止键之后，整个喷泉系统停止工作。
我们设计的喷泉系统是由单步开关与花样选择开关共同组成，当我们选择单步开关运行时，喷泉就会自动运行一个完整的周期，即一个完整的喷水过程。
选择花样开关则是对不同花样进行选择：
当开关拨在位置“1”的时候，按下启动键之后，喷泉按照事先设置好的4,3,2,1的顺序进行喷水，每次喷水的过程有两秒的停顿，然后四组水管一块喷水15秒之后停止喷水，再间隔两秒，然后按照1，2,3,4的顺序进行喷水，时间间隔的时间是2秒。
然后再喷15秒后停止，要是我们选择连续状态，则会按照上个周期的花样重复喷射。
当选择开关的位置调到“2”时，按下启动按钮之后，喷水管1与喷水管3一块喷水，然后停顿3秒，水管2和水管4则一块喷水，与此同时，水管1与水管3不再喷水，交替循环执行5次之后，再经过2秒之后，1,2,3，4四根水管一块喷水，30秒后所有水管全部停止，依次循环。
当选择开关的位置选在“3”的时候，按下启动键，喷泉就会按照从1到4的顺序先停顿两秒之后再进行顺序喷水，接下来再喷水30秒，然后再按照1到4延时喷射2秒钟，最后全部停止。
不管在什么样的运行状态下，一旦停止键按下后，喷泉就会立刻停止喷水。
当选择开关的位置在“4”的时候，按下启动键，喷泉就会按照从1到4的顺序进行喷水，每次喷水的过程都要延时2秒，然后一块喷水30秒，等待1s之后，再按照从4到1的顺序喷水，仍然是停顿2s喷水，然后再一块喷水30秒，此为一个循环。
如果是单步的工作方式，则整个喷泉就停止喷水，否则就继续进行下去。
开始按钮、停止按钮以及选择花样按钮连接到PLC的输入端，作为PLC的输入信号，指示灯、喷水系统使用PLC的输出信号控制。
2.4系统的控制系统
2.4.1花样喷泉的设计原理图
图2.5花式喷泉原理设计图
图2.6花样喷泉PLC的控制接线图
2.4.2多花样喷泉设计原理
位移以及复位控制程序、控制启动程序、脉冲位移程序彼此之间合作，共同构成控制喷泉的系统。
复位控制程序用来实现对不同花样的喷泉进行控制，而子元器件的所有的内容存储在位移脉冲控制程序来实现，而驱动控制程序的作用是对喷泉喷射的过程进行控制。
3系统硬件概述
3.1可编程控制器（PLC）的选择
3.1.1PLC概述
可编程逻辑控制器（PLC）是工业数字计算机，因其自身独一无二的特性而被广泛用于工业制造过程，列入我们最常见的机器人装配车间，其控制系统大多是由PLC进行控制，或者是一些高度可控的活动，还有就是一些操作简单但是需要编程的活动，花样喷泉就是一个很好地例子，因为花样喷泉的总的花样不多，但是仍然需要我们进行编程控制以便能够变换更多花样，供人欣赏。
它们首先在汽车工业中开发，以提供灵活，坚固耐用且易于编程的控制器来替代硬连线继电器和计时器。
从那时起，它们已被广泛用作适合恶劣环境的高可靠性自动控制器。
PLC因为其必须在短时间内进行实时响应，需要输入条件后尽快产生输出结果，否则将导致预期的操作不是我们需要的。
PLC的范围可以从小的“建筑砖”设备，在与处理器集成的外壳中具有数十个I/O，到具有数千个I/O的大型机架安装的模块化设备，并且通常联网到其他PLC和SCADA系统。
他们可以通过我们的设计之后实现多种布局的模拟或者数字的输入输出的功能，对温度的范围进行扩展，可以有效的抵抗震动带来的冲击以及我们周围的点噪声。
当数字计算机成为可用的通用可编程器件时，它们很快就被用于控制工业过程中的顺序和组合逻辑。
然而，这些早期的计算机需要专门的程序员和严格的温度，清洁度和电源质量的操作环境控制。
为了应对这些挑战，PLC开发了几个关键属性。
它将容忍车间环境，它将以容易扩展的方式支持离散（位形式）输入和输出，它不需要多年的培训来使用，并且将允许监视其操作。
由于许多工业过程的时间尺度容易通过毫秒响应时间来解决，现代（快速，小型，可靠）电子器件大大地促进了可靠的控制器的建立，并且性能可以被换取可靠性。
PLC发展到现在，已经包括了运动控制、对过程进行控制、分布式控制以及继电器控制。
特别是有一些性能已经能够与台式机媲美，特别是在数据处理、存储方面，都表现出很强的性能。
台式计算机控制器在重工业中一般不被接受，因为台式计算机在比PLC更不稳定的操作系统上运行，并且因为台式计算机硬件通常未被设计成对温度，湿度，振动和寿命的相同水平的容限作为PLC中使用的处理器。
3.1.2PLC的选择
经过对本系统的需求进行分析之后，为了满足系统可靠与实用，我们选择西门子S7-200作为本次实验的控制系统，这个PLC具有丰富的指令系统，并且具有通信接口和输入/输出接口，而且其有一个很重要的特性就是内存容量大，并且自身的监控系统非常可靠。
3.2喷头的选择
3.2.1喷头的介绍
喷头一般是由不锈钢制成，因为其要满足良好的防腐蚀性，而且如果表面光亮还能起到一定的装饰作用，令人赏心悦目。
我们经常使用的喷头有：
半球形的喷头、礼花样式的喷头、加气喷头、直上喷头以及树冰型喷头等
3.2.24组喷头的选择
（1）A组喷头的选择
A组喷头的位置居中，是整个喷泉系统的核心，要求能够喷射出高且有力的水柱，所以我们选择直上喷头最为A组的喷头。
（2）B组喷头的选择
B组的位置时第二层，其要求喷出的水稍微比第一层的水柱低，但是还要满足足够壮观的要求，所以我们选择可调直流喷头作为A组喷头。
（3）C组喷头的选择
C组的要求略显壮观即可，所以我们选择树冰型喷头作为C组喷头。
（4）D组喷头的选择
D组位于整个喷泉的最外端，水柱的高度应该是最低，但是要求水量一定要大，所喷出的水柱应该比较灵动，综上，我们选择涌泉喷头。
3.3水泵的选择
我们选择驱动作用的水泵时要考虑性价比，使我们选择的水泵一定要满足安全、使用以及经济的原则。
具体会有以下几个方面需要考虑：
基于喷泉的特性要求水泵一定要经常能够保持高效的运行，选择的水泵要满足重量轻、价格便宜以及体积小，还要具有较高的效率以及特性。
由于一直位于水内，所以移动要具有抗气蚀的特点，这样就能够同时满足减小水泵发生气蚀与减小水泵的开挖深度。
所以运行的寿命长，而且还能达到很好的节能，综合考虑，我们选择QS系列水泵作为我们本次实验的材料。
3.5彩灯的选择
我们所选的彩灯，不管是参数还是其他性能都有别于一般的彩灯。
首先要求他应该耐用，通常情况下，彩灯都会埋藏在地底，而且还位于水中，所以这就对彩灯提出了较高的要求，还有就是因为埋于地底，所以维修起来会比较麻烦，这种情况下就要求设备比较耐用，不能经常性的发生故障，以免造成对整个观赏效果的影响。
另外，彩灯的颜色选择也要慎重，因为彩灯的效果好会对整个喷泉系统的观赏性大大改善。
综合考虑，我们选择常见的AC220VLED型号的水下灯作为本次设计的彩灯。
4系统软件设计
4.1梯形图设计
梯形图最早出现于二战期间，是一种具有悠久历史的自动化的控制语言，最开始的设计是只有常开与常闭这两个接口，计数作用的计数器以及计时作用的定时器、输出线圈等一些最基本的设置，随着PLC的出现，梯形图得到广泛的应用，并且在原有的基础上，为了契合PLC的特性，例如一些基本的算数运算指令，加、减、乘、除等运算功能。
但是不管是PLC的梯形图和传统的梯形图的工作原理上没有多大的差别，只是传统的梯形图开起来与实体符号更加类似，PLC的梯形图看起来则更像是接近高级语言原理的符号表示。
选用STEP7软件作为我们整个系统的梯形图的设计。
该软件可以完成一系列功能：
整理程序、对可编程控制器CPU的write/read、监控程序运行、调试程序、PLC错误诊断等，程序见附录。
4.2花式喷泉控制系统操作说明
（1）接通水池控制电源后，工作方式就会由“单步/连续”以及“选择开关”来决定。
（2）如果“单步/连续”开关位于单步位置，喷水进行一个循环就停止；若是位于连续位置，那么整个喷泉就会反复进行喷水，喷水周期为单步的一个循环。
在我们按下停止按钮之后，喷水就会停止。
一旦我们按下启动键后，程序就会进入到S0.1开始运行，最后程序就会自己判断出我们选择的是单步开关还是连续操作，接着就会进入下一个环节。
4.3I/O分配表
根据题目的要求，设置下表所示的I/O分配表。
控制总的运行的接口是I0.7,I0.7如果有效，则整个系统处于断电状态，其他的键在这时就会失去作用。
SB1和SB2分别为运行过程中的启动和停止开关。
我们用四盏灯表示四个喷头，灯亮则意味着喷头在喷水，灯灭的意思就是停止喷水。
喷泉的花样分别由SA1到SA4这四个选项进行选择。
4.4组态监控设计
4.4.1MCGS工控组态软件的简介
互联网技术的发展使得计算机技术发展飞速，随着计算机发展，许多工业自动化的实现得以成为可能，用户可以根据实际需要进行监控系统是优质组建，并且对工业化可以实现远程监控技术，这样就能使得系统更加的可靠安全，MCGS由于其自身优势完善了对工业自动化的支持。
MCGS作为广泛应用的组态软件，具有很多特性：
易于维护，性能相对来说比较强、可靠性良好、可视性强、操作方便简单等等。
通用组态软件主要特点有：
封装性。
通用软件需要完成的所有功能组件全部都用一种我们很容易使用的方法完成封装，我们可以拿来即用，因此，这就对我们的编程水平的要求相对较低，通过简单的学习就能完成一个复杂的工程里能用到的所有功能；延续性和可扩充性。
这就是说可以根据现场的用户需求的改变，简单的操作就可以实现相应的软件的更新和升级；通用性，根据不同的工程需求，我们可以对通用组态软件的底层设备进行不同的设置以完成我们的需求，对I/O以及数据库等合理的利用，完成一个多功能网络工程的部署。
4.4.2整理工程画面
（1）新建工程及组态画面
在MCGS组态软件上分别进行如下操作就能新建一个窗口，点击用户窗口按键，然后再是新建窗口，这是左侧的空白区域就会显示一个窗口0的选项，到这一步为止，我们就完成了一个新窗
升级会员 