花样喷泉控制设计低压电器与可编程控制器课程设计论文.docx
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花样喷泉控制设计低压电器与可编程控制器课程设计论文
吉林建筑大学城建学院
课程设计报告
题目名称花样喷泉控制设计
院（系）
课程名称低压电器与可编程控制器课程设计
班级电气工程及其自动化
学号
学生姓名
指导教师
起止日期2016年8月22日-2016年9月2日
成绩
目录
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT……………………………………………………………………………Ⅱ
第1章绪论…………………………………………………………………………1
1.1设计背景……………………………………………………………1
1.2设计任务及要求……………………………………………………………1
1.3设计要求………………………………………………………………2
1.4设计目的………………………………………………………………2
第2章硬件设计………………………………………………………3
2.1控制方案的确定…………………………………………………………3
2.2PLC的选型…………………………………………………………………3
2.3变频器的选择………………………………………………………………6
2.4水泵的选型…………………………………………………………………6
2.5花式喷泉控制系统的原理图………………………………………………6
2.6I/O分配表………………………………………………………………7
2.7花式喷泉控制流程图……………………………………………………7
第3章系统软件设计………………………………………………………8
3.1PLC梯形图概述……………………………………………………………8
3.2I/O分配表…………………………………………………………………8
3.3I/O接线图…………………………………………………………………10
第4章梯形图………………………………………………………………11
结论…………………………………………………………………………………14
致谢………………………………………………………………………………15
参考文献…………………………………………………………………………16
附录
摘要
本设计主要以可编程控制器PLC的控制功能，通过对各个开关的控制，来满足人们对视觉和听觉的需求，实现了利用可编程控制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，在工作的细心上也得到了提高。
并且，更了解里有关可编程器件的功能。
关键字：
花式喷泉；PLC；控制开关
ABSTRACT
ThisdesignmainlybythecontrolfunctionoftheprogrammablecontrollerPLC,basedoneachswitchcontrol,tomeetpeople'sdemandforvisualandauditory,implementstheuseofthefunctionoftheprogrammablecontrollertocontrolfancyfountain,withsimplewiring,programming,intuitive,easyextension,etc.Whenthefunctionofthefancyfountainincreases,theneedtoincreasethefunctionofthecorrespondingproceduresaswellastheoutput,wanttochangetheplacealsoisless,debuggingresultsshowthattheadaptability,flexibility,accuracyandreliability,havereachedthedesignrequirements.Throughthisdesign,Ilearnedalotofthings,intheworkofcarehasimproved.And,moreunderstandingaboutthefunctionoftheprogrammabledevices.
Keywords:
Fancyfountain；PLC；Controlswitch
第1章绪论
1.1设计背景
课程设计在整个教学过程中，是一个非常重要的实践性教学环节，尤其在掌握机电传动控制技术时，仅仅了解工作原理和控制的指令系统是远远不够的。
为最大限度的满足生产工艺和机械设备的要求，就需要结合机电传动控制和应用技术的特点，进行初步的工程训练。
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;若在夜晚配上各种颜色的灯光显示,则更加绚丽多彩.本次课程设计就是通过设计花样式喷泉以机电传动控制课程设计为载体的主要目的，是通过对喷泉简单的自动化控制、简单的工艺过程的调查研究，使学生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，使学生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。
课程设计以培养工程应用能力为主，在独立完成设计任务的同时，还要进行多方面能力的培养和提高，为毕业设计以及毕业后的工作能力打下良好的基础。
1.2设计任务及要求
1、利用可编程控制器（PLC）来设计某广场的花式喷泉控制系统。
2、花式喷泉示意图如下图所示。
在上图中，4号为中间喷头，3号为内环状喷头，2号为外环形状喷头，1号为外环形状喷头。
3、控制要求说明：
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/连续开关在单步位置时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循环。
④花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，现考虑四种喷水花样：
a.花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时2s后，3号喷头喷水，再延时2s后，2号喷头喷水，又延时2s后，1号喷头喷水。
18s后，如果为单步工作方式，则停止下来。
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号喷头喷水，延时2s后，2号喷头喷水，再延时2s后，3号喷头喷水，又延时2s后，4号喷头喷水。
30s后，如果为单步工作方式，则停止下来。
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号喷头同时喷水，延时3s后，2、4号喷头喷水，1、3号停止喷水。
如此交替运行15s后，4组喷头全喷水，30s后，如果为单步工作方式，则停止下来。
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，按照1→2→3→4的顺序，依次间隔2s喷水，然后一起喷水。
30s后，按照1→2→3→4顺序，分别延时2s，依次停止喷水。
再经1s延时，按照4→3→2→1的顺序，依次间隔2s喷水，然后一起喷水。
30s后停止。
如果为单步工作方式，则停止下来。
如果为连续工作方式，则继续循环下去。
4、选择适合的可编程控制器，根据控制要求合理分配可编程控制器的地址单元，并绘制控制系统硬件连线图，以及系统运行框图或流程图，编写控制梯形图。
图1-1花式喷泉工作原理示意图
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。
1.4设计目的
通过低压电器与可编程控制器课程设计能从中学会从工程角度思考问题，熟悉可编程控制器中I/O单元的应用，掌握PLC控制系统的各个组成环节，学会常用的编程方法，学会利用软硬件相结合的方式处理工程实际问题。
第2章硬件设计
2.1控制方案的确定
本次课程设计的课题是花样式喷泉，由其控制要求可知：
控制过程是一个复杂，连续。
灵巧的过程。
在工业工程中，被选择为控制的一般是：
继电器，PLC，单片机。
由于绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。
而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。
单片机是一种集成电路编程复杂，结构复杂等。
而PLC可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低且易学易用，深受工程技术人员欢迎，在工业以及其他领域都得到广泛的应用。
因此，本次花样喷泉的自动化控制也采用PLC控制。
该控制系统选用三菱公司FX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,通过扩展模块的连接,可以增加输入/输出点数。
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（CALLP），并通过[SRET]返回原始指令。
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。
2.2PLC的选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
（1）输入输出（I/O）点数的估算
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）存储器容量的估算
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，需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。
（3）控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
根据本课题所设计控制的需求，主要介绍一下几种功能的选择。
1.控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
2.编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式降低系统成本，但使用和调试不方便。
在离线编程方式：
CU和编程器有各自的CPU，主机CPU负载现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。
五种标准化编程语言：
顺序功能（SFC）、梯形图（LD）、功能模式图块（FBD）三种图形化语言和语句表（il）、结构体文（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守其标准（IEC113123），同时，还应该支持多种语言编程方式，如C,Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
3.诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外币输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
4．机型的选择
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的分许。
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。
2.3变频器的选择
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。
2.4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。
2.5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2-1所示：
图2-1花式喷泉控制系统原理示意图
2.6I/O口分配表
表2-2I/口分配表
序号
输入
输出
1
X0
启动
Y1
控制1号喷泉
2
X1
选择开关1置位
Y2
控制2号喷泉
3
X2
选择开关2置位
Y3
控制3号喷泉
4
X3
选择开关3置位
Y4
控制4号喷泉
5
X4
选择开关4置位
Y5
绿灯
6
X5
停止
Y6
黄灯
7
X6
灯光按钮
Y7
红灯
8
X7
连续
2.7花样喷泉控制流程图
图2-3花样喷泉控制流程图
第3章系统软件设计
3.1PLC梯形图概述
梯形图时使用的最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计成为编程。
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了几点起这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部继电器等，该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常来触电接通，常闭触点断开，称这种状态时该软继电器的“1”或“ON”状态。
如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。
使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
3.2I/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
图3-3花式喷泉模拟硬件接线图
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
3.3I/O接线图
图3-4I/O接线示意图
第4章梯形图
图4-1花式喷泉梯形图
结论
本系统主要以可编程控制器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，表明该设计方案是可行的。
通过本设计，我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。
并且，更了解里有关可编程器件和变频器的功能。
我选择这个设计，也是为了弥补以前学习上的不足，这次设计，使我了解到李老师的用心良苦，并且从老师那学到了很多宝贵的知识。
致谢
每次课程设计是一次难得的锻炼机会转眼间，为期两周的花样喷泉课程设计就结束了。
通过这一周的课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。
设计，给人以创作的冲动。
但凡涉及设计都是一件良好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉，一辈子消受不竭享用不尽。
安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。
尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。
课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。
这次设计要谢谢我的指导老师悉心指导，才使我们做的成功，并谢谢学校给我们这次机会。
参考文献
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中国电力出版社,2004.2
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机械工业出版社,2007.9
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机械工业出版社,2007.9
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高等教育出版社,2006.
6.陈在平，可编程控制器（PLC）系统设计[M].北京:
电子工业出版社,2007
7.孙康岭，电气控制与PLC应用[M].北京：
化学工业出版社,2009.
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