PLC在花式喷泉监控系统设计中的应用.docx

1、PLC在花式喷泉监控系统设计中的应用1 引言喷泉时常与美景相联系，由此人们对环境美的要求由喷泉的自身带给人的美感也不能忽视。而且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。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。如今科技日新月异，喷泉也更是包含了许多的科学技术，集科学与艺术于一身，在城市建设中扮演着越来越重要的角色，其自身的发展与大量新技术的出现及发展是分不开的，完成本设计控制系统的核心控制部件PLC更是有着丰富的发展历史。 可编程控制器(PLC)是综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术的新型的，通用的自动控制装置。它具有功能强、可靠

2、性高、使用灵活方便、易于编程及适应工业环境下应用等一系列优点，它在工业自动化、传统产业技术等方面的应用越来越广，其中西门子公司的可编程控制器，尤其是小型可编程控制器S7-200系列的CPU224以其质量、价位等方面的因素，而应用在本设计中。本设计控制系统软件设计部分是通过相关的PLC编程软件编制的，具体体现为程序梯形图，由于其具有直观、形象的优点，所以易于修改、维护。为了操作上的方便，本设计中采用触摸屏实现控制操作面板，触摸屏比传统的开关和输入设备更简便、美观，通过相应的软件制作操作面板使喷泉监控系统更直观，且易操作。2 系统设计原理基础2.1 设计目的和意义通过毕业设计培养我们综合运用所学的

3、基础理论，基础知识，基本技能分析和解决实际问题的能力；使我们受到PLC系统开发的综合训练，并熟知PLC系统开发的相关知识及设计步骤，达到能够进行PLC系统设计并实施的目的；使我们掌握利用PLC和触摸屏实现花样喷泉监控的工作原理和设计思路，培养我们自行开发，设计和自行研究的能力。通过毕业设计，对我们大学几年的学习进行一次总结，使我们初次体验用自己学到的知识变为生产力的感受，对我们自身的意志的考验，和思维的拓广有着重要的意义。2.2 设计原理及项目发展情况本设计中的喷泉监控系统重要应用部件为PLC及触摸屏，设计原理主要是基于这两者，下面分别介绍其工作过程及工作原理：2.2.1 PLC的组成和工作原

4、理及过程 PLC的组成：PLC实质是一种专用计算机，它的组成形式基本上与微机相同，PLC的主机是由微处理器(CPU)、存储器(EP-ROM，RAM)、用户输入、输出部分I/O扩展机、外围设备以及电源等组成。主要的各部分之间均通过总线连接。总线有控制总线(CB)、地址总线(AB)、数据总线(DB)以及电源总线。CPU是PLC机的核心，它从存储器中读取用户程序或数据，并从用户程序中逐条取出指令，解释指令的内容，按指令规定的任务产生相应的控制信号，以便执行该指令；存储器用来存储监控程序，模块化应用功能子程序和各种系统参数等。和用作存放用户编程的梯形图程序；用户输入，输出部分包括输入、输出接口，输入、

5、输出控制电路及隔离电路等。它起着PLC与用户输入、输出设备之间的连接作用。 PLC的工作原理:图2-1 CPU 扫描周期CPU连续执行用户程序，任务的循环序列称为扫描，如图2-1所示，CPU的扫描周期包括读输入，执行程序，处理通信请求，执行CPU自诊断测试及写输出等内容。PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备，它一直周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入，写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中完成以下5个扫描过程：自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反映

6、所出现的故障，PLC都具有自诊断监视功能。自诊断监视功能主要由时间监视器（Watchdog Timer， WDT）完成。WDT是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。WDT的定时可由用户修改，一般在100-200ms之间。其他的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间几PLC与上机位计算机或终端设备之间的通信。用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一个扫描周期内包含该扫描过程，该过程在机器运行中是否执行是可控的，用户程序的长短，会影响过程所用的时间。读输入，写

7、输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一个扫描周期内部包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否执行是可控的。CPU在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入中读取的，运算的结果也不直接送到实际输出点而是在内存中设置了两个映像寄存器；一个为输入映像寄存器（P），另一个为输出映像寄存器（PIQ）。用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果放在输出映像寄存器中。在输入扫描过程中，CPU把实际输入点的状态锁定到输入映像寄存器；在输出扫描过程中，CPU把输出映像寄存器的值锁定到实际输出点，为了现场调试方便，PLC具有I/O控制功能，用户可以通过编程器封锁或开放I/O，封锁I/O就是关闭I/O

8、的扫描过程。按照可编程控制器的构成原理，可编程控制器系统由传感器，可编程控制器和执行器组成，可编程控制器通过循环扫描输入端口的状态，执行用户程序来实现控制任务，其操作原理如图2-2所示：图2-2 PLC的工作过程PLC输入模块的输入信号状态与传感器信号相对应，为传感器信号经过隔离和滤波后的有效信号。开关量输入电路通过识别传感器 0，1 电平，识别开关的通断。CPU在每个扫描周期的开始扫描输入模块的信号状态，并将其状态送入到输入映像寄存器区域；CPU根据用户程序中的程序指令来处理传感器信号，并将处理结果送到输出映像寄存器区域。PLC输出模块具有一定的负载驱动能力，再额定负载内，直接和负载相连，可

9、以驱动相应的执行器。2.2.2 触摸屏的组成及工作原理触摸屏最早出现在 20世纪70年代，由于触摸屏比传统的开关和输入设备更简便，美观，即使没有接触过计算机的人也能使用，越来越多的设备开始采用触摸屏产品，触摸屏是根据显示表面接触（如用手指，笔或者其他物），靠电脑来识别其位置的装置。陪有触摸屏的控制系统更直观，简单，易操作。现在较大型的PLC控制系统中已广泛使用触摸屏。为了操作上的方便，人们用触摸屏作为输入设备。工作时，用户必须首先用手指或其他的物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示

10、屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接收后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，在送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。触摸屏的系统结构基本分为两个部分：配合显像管 CRT 或 LCD 表面的坐标信号接收部分，即触摸感应屏幕部分；处理坐标信号并与主机通讯的触摸屏控制部分，即触摸屏的控制卡或控制盒。 图2-3 电阻式触摸屏组成电阻压力触摸屏，分四线电阻产品和五线电阻产品两种产品。电阻压力产品有三层组成。第一层为玻璃或有机玻璃底层；第二层为隔层；第三层为多元树脂表层。在多元脂表层表面的传导层及玻璃层感应器是被许多微小的隔层所分隔；

11、电流通过表层，轻触表层压下时，接触到底层，控制器同时从四个角读出相称的电流及计算手指位置的距离。如图2-3所示。5线电阻式触摸屏： 清晰度较好、透明度高、没有色彩失真、分辨率高无漂移、没有关干扰、防尘、寿命长。五线电阻工作原理 ： 在多元脂表层的传导层及玻璃底层感应器是被很多微小的隔层所分隔开； 电流通过表层； 轻触表层压下时接触到底层； 控制器同时从四角读出相应的电流及计算手指位置的距离； 四线电阻与五线电阻的区别在于，四线电阻的表层起感应与判定作用；五线电阻产品，四线电阻的表面如果破损，触摸屏幕将无法使用，五线电阻即使表面破损，仍然不影响触摸操作。五线电阻触摸屏幕，与外间环境无关，具有最强

12、大的环境适应能力，表面具有4H 的防刮伤能力，和高于 95% 的透光率，而且客户戴手套，用笔，名片等任何材料都可以触摸，由于其专利技术因素，是触摸屏幕中最高档的产品。2.2.3 项目发展情况喷泉技术的发展是和新兴控制器的发展密不可分的，而应用最多的PLC技术与传统的继电器控制技术相比较，在各种性能及用途上有了极大的提高。电器控制逻辑采用硬件接线逻辑，利用继电器机械触点的串并联及延时继电器的滞后动作组合成逻辑，连线多而复杂，一旦系统构成想再改变增加功能都很困难。因此灵活性很差。而PLC采用存储逻辑。其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序。其连线少，加之PLC中每只软继电器

13、理论上无限制，因此灵活性和扩展性很好。电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快。PLC内部有严格的同步，不会出现抖动问题。继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。其定时精度不高，且有时间易受环境湿度和温度变化的影响。PLC使用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，定时范围长，且不受环境影响。PLC实现计数功能，而继电器控制逻辑一般不具备计数功能。继电器逻辑控制使用大量的机械触点，连线多。触点开闭时会受电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性好。而PLC采用微电子技术，大量的开关动

14、作由无触点的半导体电路完成，它体积小，寿命长，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，给现场调试和维护提供了方便。PLC以其优秀的功能和性能在喷泉技术发展方面起了至关重要的作用，相信他的在喷泉工艺上的成功应用会引发PLC技术的进一步发展，给喷泉控制技术自身的发展也有着极大的促进作用。3 系统控制要求及控制方案3.1 喷水管的控制及要求在许多休闲广场，景区或游乐场所里，常看到喷泉按着一定的规律或变化花样，其中喷水管的布置对喷水花样的形成很重要。该喷泉采用PLC控制，在花式喷水时序确定前提下，可以通过改变时序或者改变控制开关，实现控制方式的改变，达到显现各种复合状态的要求。图3-1

15、 喷水管布置和形状本设计花式喷泉的造型图如图 3-1所示:1为外环形状喷水管，2为次外环形状喷水管，3为内环形状喷水管，4为中心喷水管。3.2 PLC程序的控制要求1、电源开关接通后，按下启动按扭，喷水装置即开始工作；按下停止按扭，则停止喷水、。工作方式由选择开关和单步/连续开关来决定。2、“单步/连续”开关在单步位置时，喷泉只运行一次循环；在连续位置时，喷泉运行一直继续下去。3、选择开关用来选择喷泉的喷水花样，该喷泉要求实现以工作方式：选择开关在“1”位置时，按下启动按扭后，4,3,2,1 隔2s 依次喷水，一起喷水15s后停下；隔2s;然后按1,2,3,4的次序隔2s依次喷水，再一起喷水1

16、5s 后停下 。若在连续状态时隔2s;以此循环。选择开关在“2”位置时，按下启动按扭后，1,3同时喷水，延时3s 后，2,4喷水，1,3 停喷，交替运行5次后，隔2s；1,2,3,4全喷水，30s后停止。若在连续状态时隔2s；以此规律循环。选择开关在“3”位置时，按下启动按扭后，1,2,3,4按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s 后，1,2,3,4再分别延时2s 停喷。若再连续状态时隔2s。喷水管布置和形状如图3-1所示4、不论在什么工作方式下，按下停止按扭，喷泉停止运行。5、用触摸屏监控喷泉的运行状态，并可以通过触摸屏修改喷水时间等有关参数。3.3 控制方案的确定在本设计中驱动喷泉控制阀应

17、选用电磁阀，考虑到电磁阀的驱动功率及同时被驱动的个数，也从节能环保角度考虑，适宜选用小功率电磁阀。根据电磁阀的选用。可确定PLC的输出功率可选小功率，I/O个数在15个足够，由于喷泉工作性质决定了PLC的工作环境，要求其工作时对湿度的要求比较高，根据以上因素确定选用小型PLC可选取西门子S7-200 CPU 224型。 S7-200，CPU 224的特点：工作温度范围：-25C+70C度；工作湿度范围: 5C时98% ； 70C时45%、不结露； 0C 55C、平安装；0C45C，垂直安装。S7-200在CPU单元上设有硬件电路（芯片等）处理高速数字量I/O，如高速计数器（输入）、高速脉冲输出

18、。这些硬件电路在用户程序的控制下工作，可以达到很高的频率。实现该设计的监控系统用S7-200系列PLC的基本位操作指令中的触点，线圈指令；置位/复位指令，定时器，计数器及中间继电器来实现。触摸屏为根据PLC选型确定与其输入输出电压相匹配的HITECH PWS1760系列，其如下优点：触摸屏为电容式；电源DC24V；电量小于12W；环境条件工作温度050；环境湿度2090(不结露)。总体思路：由触摸屏相关编程软件实现人机互动界面，从而驱动PLC中的开闭触点，实现对程序的操作。PLC梯行图程序为系统核心部分以实现喷泉喷出花样及喷泉花样样式的改变，从而实现一个完整的花式喷泉PLC监控系统设计。4 P

19、LC 控制系统硬件设计4.1 PLC的机型选择选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题，目前，生产PLC的厂家很多，如西门子，三菱，松下，欧姆龙，LG，ABB公司等，不同厂家的PLC产品虽然基本功能相似，但有些特殊功能，价格及使用的编程指令和编程软件都不相同，而同一厂家生产的PLC产品又有不同系列，同一系列中又有不同的CPU型号，PLC的功能应强大，要具有开关量逻辑运算，定时，计数，数据处理等基本功能，鉴于本设计对控制速度要求不是很高，主要是开关量控制的应用系统。选用小型PLC就可满足要求。PLC的结构主要有整体式和模块式，本设计属于单机控制系统宜选用整体式PLC结构。小型PLC一般使

20、用简易编程器，它必须插在PLC上才能进行编程操作，其特点是编程器与PLC共用一个CPU，通过编程器上的方式开关选择PLC的编程，监控和运行工作状态，这种方法几是“离线编程”。简易编程器结构简单，体积小，携带方便，很适合在生产现场调试，修改程序用。现在很多PLC都有相应的编程软件，与个人计算机或笔记本电脑相配合，就可以实现“在线编程”。综合以上西门子S7-200系列CPU 224型PLC可满足设计要求。运用西门子STEP7-Micro/WIN32编程软件编写，调试程序并下载到PLC中，让PLC完成相应的控制任务。还可以在PLC运行模式下调试程序，非常方便。S7-200系列CPU 224型可靠工作

21、环境条件：温度： 工作温度055，最高为60；储存温度： -40+85湿度： 相对湿度为595（无凝结霜）；振动和冲击：满足国际电工委员会标准；电源： AC200V，允许变化范围为-15+15，频率为4753HZ，瞬间停电保持10ms。PLC的接口模块中的直流输入模块(EM221 8DC24V)有8个数字量输入端子.它们分成两组.1M,2M分别是两组输入点内部电路的公共端,每组需用户提供一个DC24V电源。直流输入模块的输入电路中的光耦合器隔离了输入电路与PLC内部电路的电气连接,使外部信号通过光耦合变成内部电路能接收的标准信号。当现场开关闭合后,外部直流电压经过电阻R1 和阻容滤波后加到双向

22、光耦合器的发光二极管上,经光耦合,光敏晶体管接收光信号,并将接收的信号送入内部电路。直流输出模块(EM222 8DC24V),有8个数字量输出点,也分成两组.1L+,2L+分别是两组输出点内部电路的公共端,每组需用户提供一个DC24V的电源。直流输出模块是晶体管输出方式,或用场效应晶体管(MOSFET)驱动.光耦合器实现光隔离,场效应晶体管作为功率驱动的开关器件,稳压管用于防止输出端过电压以保护场效应晶体管,发光二极管用于指示输出状态。晶体管(或场效应晶体管)输出方式的特点是输出响应速度快.场效应晶体管的工作效率可达20KHZ。4.2 PLC的容量选择PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数；

23、二是用户存储器的容量。4.2.1 I/O模块的选择本设计中的现场执行设备为电磁阀，初步确定选用开关量I/O。根据要求选择合适的I/O点数。开关量输入模块种类很多，按输入点：常用的有8点，12点，16点，32点；按工作电压分：常用的有直流5V，12V，24V，48V 几种。开关量输入模块工作电压等级主要根据现场检测元件与模块之间的距离来选择，该设计控制距离要求不是很远，可选择24V即可，为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电平的大小。所谓门槛电平指输入点的接通电平和关断电平的差值。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。开关量输出模块的输出方式的选择继电器输出方式价格便宜，使用电压范

24、围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的直流负载。晶体管输出方式属于无触点开关输出，使用寿命长，开关频率高适用于通断频繁的场合基于以上因素，I/O模块确定为12点输入，10点晶体管输出，工作电压24V，的EM222开关量I/O模块。 根据控制要求和I/O点数确定I/O分配表如表4-1。根据I/O分配表画出PLC外部接线图如图4-2。输入输出符号地址功能描述符号地址功能描述SB1I0.0启动按扭HLQ0.0电源指示灯控制SB2I0.1花样1选择开关YV1Q0.1控制中心喷水管SB3I0.2停止按扭YV2Q0.2

25、控制内环行喷水管SB4I0.3花样2选择开关YV3Q0.3控制次外环喷水管SB5I0.5花样3选择开关YV4Q0.4控制外环喷水管SB6I0.7单步/连续 选择开关SB7I1.1电源开关表4-1 I/O分配表图4-2 PLC外部接线图4.2.2 内存容量的选择每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致为：开关量输入元件：1020B/点；开关量输出元件：510B/点；定时器/计数器： 2B/个；通信接口： 一个接口一般需要300B以上。PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际要求的1025考虑裕量。对于开关量控制系统，存储字数为开关量

26、I/O8。4.3 电源模块的选择4.3.1 对电源的处理 电源模块的选择一般只需考虑输出电流，电流模块的额定输出电流必须大于机器模块，I/O模块等消耗电流的总和。选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块，所有I/O模块，各种智能模块等总消耗功率之和，并预留30的余量。4.3.2 安装布线的注意事项电源往往是干扰进入PLC是主要途径。PLC系统的电源有两类：外部电源和内部电源。外部电源用来驱动PLC输出设备（负载）和提供输入信号，又称用户电源。同一台PLC的外部电源可能有多种。外部电源的容量与性能由输出负载和PLC的输入电路决定。由于PLC的I/O电路都具有滤波，隔离功能，所以外部电源对PLC

27、性能影响不大。因此，对外部电源的要求不高。内部电源是PLC的工作电源，既PLC内部电路的工作电源。他的性能好坏直接影响到PLC的可靠性。因此，为了保证PLC的正常工作，对内部电源有较高的要求。一般PLC的内部电源采用开关式稳压电源或一次侧带低通滤波器的稳压电源。在干扰较强或可靠性要求较高的场合，应该用带屏蔽层的隔离变压器，对PLC系统供电。还可以在隔离变压器二次侧串联LC滤波电路。同时，在安装时要注意以下问题：动力部分、PLC以及I/O电源应分别配线。隔离变压器与PLC和I/O电源之间最好采用双绞线，以控制串模干扰。系统的动力线应足够粗，以降低大容量设备启动时引起的线路压降。PLC输入电路用外

28、接直流电源时，最好采用稳压电源，以保证正确的输入信号，否则可能使PLC接收到错误的信号。I/O线与动力线及其他控制线应分开走线，并保持一定距离，尽量不要在同一线槽中布线。交流线与直流线、输入线与输出线最好也分开走线。4.3.3 PLC接地良好的接地是PLC安全可靠性运行的重要条件。PLC一般最好单独接地，与其他设备分别使用各自的接地装置。在一个工程中，接地处理注意下面几个方面:机体接交流电源的GND并接地;柜内用到的直流电源，将直流电源的接地端点接到系统地;传送模拟信号的屏蔽线进行单点接地。若为了释放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线，其电阻应小于屏蔽层电阻的1/10，并将屏蔽层两端

29、接地。若干扰还是无法解决，加隔离器。通信线全接地，否则改成全隔离或者转成光纤通信，不受任何干扰;屏蔽接地电极与变压器零线等其它强电设备接地电极的距离大于15m;信号线必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。4.4 执行器的选择实现喷泉喷水管喷与不喷的执行器件为电磁阀。电磁阀是用电磁铁推动阀门的开启与关闭动作的电动执行器，主要优点是：体积小，动作可靠，维修方便，价格便宜。通常用于口径在100mm以下的两位控制中，尤其多用于接通、切断或转换气路或液路等。追朔电磁阀的发展史，电磁阀从原理上分为三大类：直动式、分步直动式、先导式。直

30、动式电磁阀 ：原理是通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点为在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过25mm。分步直动式电磁阀 ：原理是它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口压差0.05Mpa，通电时，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。 当入口与出口压差0.05Mpa，通电时，电磁力先打开先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀和主阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。先导式电磁阀 ：原理是通电时，电磁力把先导孔打

31、开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速进入上腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，推动关闭件向下移动，关闭阀门。 特点为流体压力范围上限很高，但必须满足流体压差条件。本设计中喷水管要求控制灵活，且有一定的工作压力，使得喷管有很好的密封、打通特性，以满足喷水管的控制及要求，使用先导式电磁阀比较合适。5 PLC控制系统的软件设计5.1 绘制控制程序流程框图在喷泉监控系统中需要实现3种花样的控制要求，因此根据要求可把每种花样确定为一个功能块，三个功能块的组合即为整体程序功能流程框图，这样可使程序功能流程框图清晰、准确。程序流程框图如图5-1所示。5.2 编程方法思路介绍在该设计中主要采用基本位逻辑指令，置位/复位指令 ，定时器及计数器通过一定的时序逻辑组合来完成本次的程序设计。依据程序功能框图，喷泉整体监控程序即为三种花样程序的并联组合，且三种花样之间互不干扰，互不影响，对程序的维护及修改提供了很大的方便，各种花样也由相应的选择开关来控制动作。整体程序简单而不繁琐，功能网络清晰。具体控制程序见附录A程序开始样式选择