基于PLC音乐喷泉系统控制设计Word文档格式.docx

1、Key words：Fountain ，PLC ，Ladder diagram ，Mitsubishi 1 绪论1.1 论文研究的背景喷泉是人工环境中最富有生命力的景象,它具有分隔空间、增加层次、净化空气美化环境的作用。现代高科技把美妙的音乐、各种喷泉造型、 水下灯光、神奇的激光图文，通过计算机有机的结合在一起，给人以音乐声响、视觉形象、色彩变换三位一体的超自然享受。随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在许多城市的市民广场、单位居民生活区里都能看到各种形式的喷泉。随着科学技术突飞猛进的发展，在喷泉工程中采用了大量的高新技术，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有种愉悦的感

2、受。从而使喷泉效果更多绚丽多彩，阿罗多姿，令人赏心悦目、流连忘返。 图 1 喷泉实际示意图喷泉控制的实现方法很多，本设计题目基于可编程逻辑控制器（PLC）的喷泉控制系统，可编程逻辑控制器（PLC），不仅能够进行多种水型切换，而且能够将各种水型、灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，使水型、灯光实现多姿多彩的变化。通过计算机与PLC之间的通信来监控喷泉的状态与效果，进而控制电动机，以达到顺利实现工业控制的要求及目的，同时还要达到低功耗、高性价比、运行安全可靠等基本要求。可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在

3、其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。 PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（l）逻辑运算（2）弱电控制强电。PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。 具有:可靠性高、抗干扰能力强。设计、安装容易，维护工作量少。功能强、通用性好。开发周期

4、短，成功率高。体积小，重量轻、功耗低等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比系统更加可靠；价格上能与继电接触器控制系统竞争：易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执行机构：能向中央执行机构：能向中央数据处理系统直接传输数据等。 因此，进行 喷泉的PLC控制系统的设计，可以推动喷泉行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。1.2论文设计的内容本设计将在以下几个方面对喷泉的控制系统进行研究和论证。

5、（1）喷泉类型的选择。综合喷泉的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究能有三种喷水花样可供选择：能够控制每环喷水管喷水的高度：喷水时要有灯光显示；可以根据不同的季节、不同的场合可改变喷水的花样。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。 （2） 喷泉硬件系统的设计。本课题设计的花式喷泉要求运行迅速准确度高，在喷泉的各层检测系统中大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现控制。由于本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了喷泉的经济实用、稳定、灵活、美

6、观的需要。 （3）喷泉控制系统软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计喷泉控制的要求 ，1.3论文设计的目的和意义 随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已进入个崭新的时代，其应用越来越广。而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击,能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能

7、强大和使用方便已经成为应用面最为广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。 喷泉控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC对程序设计，提高了喷泉的控制水平，并改善了喷泉的样式。1.4相关理论知识介绍1.4.1 PLC概述 可编程控制器，英文称Programmablc Controllcr，简称PLC 。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对

8、负载的控制。 PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题，入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。 PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能。逻辑处理功能；数据运算功能；准确定时功能：高速计数功能

9、；中断处理（可以实现各种内外中断）功能；程序与数据存储功能；联网通信功能；自检测、白诊断功能； 可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。 像PLC这样。有很丰富的功能，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。1.4.2 PLC的结构PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM，ROM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线

10、（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。其结构简图如下 图2 PLC结构图PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。1.4.3 PLC的应用领域目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。从应用类

11、型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：（1）开关量逻辑控制利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。（2）运动控制大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。（3）过程控制大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。所以PLC可实现模拟量控制

12、，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。 （4）数据处理现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。（5）通信联网PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA

13、）系统发展的需要。2 系统控制方案的确定2.1 花式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喷洒出来具有特定形状的组合体，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、水型和灯光变化。（2）程控喷泉：（3）音乐喷泉：程序控制喷泉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

14、水幕喷头喷出的水膜上，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，形成斑斓夺目的奇异效果。（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，而且这种反应具有不确定性，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。2.2 采用PLC控制花式喷泉的优点（1）控制方式上看:PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。（2）工作方式上看:PLC串行工作，不受制

15、约。（3）控制速度上看：PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。（4）定时、记数看：PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽：有记数功能。（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。2.3 系统设计的基本步骤 N N Y图3可编程控制器的系统设计的流程图（1）深入了解和分析喷泉的工艺条件和控制要求。（2）确定I/O设备。根据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

16、出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。（5）设计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程序，这是整个喷泉系统设计的核心工作。（6）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。2.4 喷泉系统控制方案 喷泉系统的控制要求如下。（1）1、2均为外环形状的喷水管，3为内环形状的喷水管，4为星形喷水管。灯光系统由三条支路组成，分别为绿色灯支路（在l，2之间）、黄色灯支路（在2，3之间）、红色灯支路（在3，4之间）。（2）该喷泉共有三种花样可供选择。按下启动按钮，喷泉即开始工作，按下停止按钮，则停止喷水。喷泉的工作方式（即喷水花样）由选择开关来实现。（3）

17、该花式喷泉有三种喷水花样可供选择。 第一种花样，4、3、2、1隔2秒依次喷水，一起喷水1 5秒后停下，在按1、2、3、4的次序隔2秒依次喷水，再一起喷15秒后停下，以此规律循环。 第二种花样，l、3同时喷水，延时3秒后1、3停喷，同时2、4喷水，交替运行5次后1、2、3、4一起喷水，30秒后停止，以此规律循环。 第三种花样，1、2、3、4按顺序延时2秒喷水，然后一起喷30秒后1、2、3、4再分别延时2秒停喷，以此规律循环。（4）通过变频器可以控制每环喷水管的高度。在第一种花样中，1、3管为慢速正转喷水，2、4管为中速正转喷水。（5）灯光系统的控制：由PLC的X5输入端为灯光系统控制的选择按钮，

18、当需要灯光配合时，接通X5输入端。此时可实现三路灯光的控制，即3，4任意一层喷水时，红色灯亮；2喷水时，黄色灯亮；所有的喷头喷水时，绿色灯亮。喷泉池示意图如图所示。 图4 喷泉布局图2.5 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个变频器来控制4个水泵。花式喷泉控制系统的原理图如图所示。图5 喷泉控制系统原理图 图6 开关控制面板图 其中变频器是运动控制系统中的功率转换器，变频器是利用半导体器件的通断作用将工频电源转换成为另一频率的电能控制装置，能实现不同频率的交换。 本次控制方案是过PLC程序按一定得控制目的运算后，由AO模块（模拟量输出模块）

19、输出控制信号（电流或电压信号）至变频器，从而利用一台变频器控制四台电动机，即可实现PLC到电机的调速，最终实现对各种喷泉花样的控制。3 系统硬件设计3.1PLC的选型3.1.1 常用PLC介绍PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。（1）西门子S7-200系列可编程控制器介绍 SIMATIC S7-200系列PLC是德国西门子（Siemens）公司生产的具有很高性能价格比的微型可编程控制器。西门子是世界上最大的电气和电子公司之一。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与

20、通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。 S7-200作为西门子SIMATIC PLC家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，多年来一直广泛服务于国内的各行各业。由于它具有结构小巧，运行速度快， 多功能多用途等特点，因此在工业企业中得到了广泛的应用。S7-200系列PLC在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。S7-200产品凭借其先进性、成熟性和广泛的适用性在自动化产品中受到广泛的重视，相信此次发布的新产品一定能够满足部分用户的需求，同时在自动化

21、领域中获得更广泛的应用。（2）三菱FX系列可编程控制器介绍 FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。日本三菱电机公司研发的。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。FX系列PLC在特殊控制方面不但具备模拟量输入输出控制，而且具有定位控制几PID系统控制。在通信方面，能够方便地与PC计算机链接实现数据交换与管理。3.1.2 确定三菱FX2N系列可编程控制器 三菱与西门子优缺点比较：三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、适用面广但是数据处理比西门

22、子弱。 西门子PLC性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。 本设计从速度快稳定同时从价格等方面考虑，所使用的I/O口不是太多，而且三菱的编程软件比西门子简单易上手，所以我们选择三菱FX-2N型PLC，如图所示。 图7 三菱FX2N PLC3.2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。变频器选型时要确定以

23、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 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。 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。 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

24、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。3.3 泵的选型 现在喷泉常用的潜水泵有QS、QY、QX、QJ等系列。 QS系列潜水泵体积小、性能可靠，机泵一体、潜入水中运行主要优越性是：运行可靠、经久耐用、使用方便、功率大、故障少，维修费用低等。 QY系列潜水泵QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三部分组成。电泵的上端，多为离心式水泵；下端为三相鼠笼立式异部电动机。电机全部采用优质整圆硅钢片，效率高，耗电少潜水深度不超过5米水温不超过+40。 QX系列潜水泵工程潜水泵泵电一体，结构紧凑，非常适合于基建及矿山的搬运和安装无需引水，使用简便双端密封，电器保护设计合

25、理、性能优良、几无噪音。 QJ系列潜水泵电机与水泵直联，机组全部潜入水中工作，具有结构紧凑、安装、维护方便、体积小、重量轻、高效节能等特点。 工作条件1、工作介质为清水或化学性质类似于清水的液体。额定扬程：150米额定流量：10立方米/小时。 从该喷泉所需的扬程、流量、水质、价格等方面考虑该喷泉选择QS系列的潜水泵，如图8 所示。 图8 QS系列潜水泵3.4硬件接线图系统的硬件连接图即PLC控制和系统中各个硬件的连线。具体的如图9、10所示。 图9 PLC控制布局接线图 如图所示喷泉系统控制布局，控制开关如下： （1）按下启动按钮和灯控按钮，开始运行， （2）按下位置开关1，则是第一种花样喷泉

26、， （3）按下位置开关2，则是第二种花样喷泉， （4）按下位置开关3，则是第三种花样喷泉。 图10变频器和水泵接线图 如图是变频器与水泵的硬件接线电路，通过变频器的控制从而改变电动机的转速来控制水的流量与喷射高度，最终与灯光的组合形成各种喷泉花样。4喷泉控制系统的软件设计4.1花式喷泉的PLC控制流程图花式喷泉的程序控制流程图见图11。N YN N Y Y 图11系统控制流程图如图11，通电后，进入工作状态。如按下启动按钮，喷泉装置进入准备工作状态，若不按，则回到初始状态。接着选择喷水花样，共三种喷水花样可供选择。如不选择喷水花样，系统则只保持通电状态。如按下花样选择开关，喷泉按照设定的程序开始运行。如果按下停止按钮，系统则停止运行，如果不按停止按钮，系统则按照选择的花样继续运行下去直到按下停止按钮。4.2 I/O分配表 4-1输入I/O分配表序号输入说明1X0停止说明2X1启动按钮3X2选择开关1的位置4X3选择开关2的位置5X4选择开关3的位置6X5灯控按钮 4-2输入I/O分配表输出Y0电源指示Y1控制1管喷水Y2控制2管喷水Y3控制3管喷水Y4控制4管喷水红色灯红