花式喷泉的PLC控制方案设计.doc

《电气控制技术》课程设计阐明书

自动喷泉PLC控制系统设计

学 院： 电气与信息工程学院
学生姓名：
指引教师： 职称
专 业： 电气工程及其自动化
班 级：
学 号：
完毕时间：

湖南工学院电气控制技术课程设计课题任务书
学院：电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化
指引教师

学生姓名
丁望望
课题名称
自动喷泉PLC控制系统设计

内容及任务

一、目的
设计一种基于PLC自动喷泉控制系统。在许多休闲广场、景区或游乐场里，经常看到喷水按一定规律喷水或变化式样，若在夜晚配上各种彩色灯光显示，更加迷人。如图1所示为一花式喷水池，采用PLC控制是比较以便，在花式喷水时序拟定前提下，可以通过变化时序或者变化控制开关，就可以变化控制方式，达到显现各种复合状态规定。
在图1中，4为中间喷水管，3为内环状喷水管，2为一次外环形状喷水管，1为外环形状喷水管。

(a) 花式喷水池演示示意图 (b) 操作控制开关面板图
图1 花式喷水池示意图
二、任务
依照控制规定，明确设计任务，拟定设计方案与进度筹划，运用所学理论知识，进行自动喷泉控制原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题能力。
重要内容涉及：
1. 设计该系统电气控制硬件系统；
2．PLC选取及I/O及其他PLC元器件分派。
3．选取电器元件，编制元件目录表。
4．设计该系统PLC控制梯形图。
5．用计算机绘制PLC控制电路图。
6．进行系统调试，实现自动喷泉控制规定。
7. 编写设计阐明书。
三、规定
某一喷水池控制器需满足下列规定：
1．控制器电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置开始工作。按下停止按钮，则停止喷水。工作方式由选取开关和单步/持续开关来决定。
2．“单步/持续开关”在单步位置时，喷水池只运营一次循环；在持续位置时，喷水池运营始终继续下去。
3．方式选取开关用来选取喷水池喷水花样，1～4号喷水管工作方式选取如下：
①选取开关在位置“1”时。按下启动按钮后，4号喷水，延时2s后，3号也喷水，延时2s后，2号接着喷水，再延时2s，1号喷水，这样，一起喷水15s后停下。若在持续状态时，将继续循环下去。
②选取开关在位置“2”时。按下启动按钮后，1号喷水，延时2s后，2号也喷水，延时2s后，3号接着喷水，再延时2s，4号喷水，这样，一起喷水30s后再停下。若在持续状态时，将继续循环下去。
③选取开关在位置“3”时。按下启动按钮后，1、3号同步喷水，延时3s后，2、4号喷水，1、3号停止喷水；交替运营5次后，1～4号全喷水，30s后停止。若在持续状态时，将继续循环下去。
④选取开关在位置“4”时。按下启动按钮后，喷水池1～4号喷水管工作顺序为：
1→2→3→4号按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s，1、2、3和4号分别延时2s停水，再延时1s，由4→3→2→1号反向顺序按2s顺序喷水，一起喷水30s后停止。若在持续状态时，将继续循环下去。
4．无论在什么工作方式下，按下停止按钮，喷水池将停止运营。

重要参照资料
[1] 史国生. 电气控制与可编程控制器技术［M］。北京：化学工业出版社，。
[2] 于广庆. 可编程控制器原理及系统设计［M］。北京：清华大学出版社，。
[3] 吴启红. 变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操指引书（第二版）［M］。北京：机械工业出版社，。
[4] 史国生，鞠勇. 电气控制与可编程控制器技术实训教程［M］。北京：化学工业出版社，。
[5] 于晓云，许连阁. 可编程控制技术应用—项目化教程［M］。北京：化学工业出版社，。
[6] 廖常初. PLC编程及应用[M]。北京：机械工业出版社，。
[7] 胡学林. 可编程控制器应用技术[M]。北京：高等教诲出版社，。
[8] 三菱FX系列可编程序控制器编程手册[M]。三菱公司编，。
[9] 三菱可编程序控制器应用101例[M]。三菱公司编，1994年。
[10] 史宜巧，孙业明，景绍学. PLC技术及应用项目教程［M］。北京：机械工业出版社，。
教研室
意见

教研室主任：（签字）
年 月 日

1 绪 论

1.1课题研究背景
随着都市化进程加速，花式喷泉可以在人们周边随处可见。例如广场，大厦，社区等。花式喷泉是人造小气候，在炎热夏日可以起到增湿和降温作用；也为水体充氧，有助于水体增长自净能力，起到防止水体黑臭作用。
花式喷泉运营灵活性是评价花式喷泉优劣核心，而这与花式喷泉控制系统息息有关。花式喷泉可以依照自己设计，设计出各种各样花样，加上灯光，能给人有种不错视觉享有。
1985年国际电子委员会（iec）对plc定义如下：
Plc是自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体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）首位。可编程控制器，简称plc。它在集成电路、计算机技术基本上发展起来一种新型工业控制设备。具备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。具备功能强、可靠性高、配备灵活、使用以便以及体积小、重量轻等长处，已经广泛应用于自动化控制各个领域，并已成为工业生产自动化支柱产品。与继电——触发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、维修、维护；能直接推动电磁阀、接触器与之相称执行机构；能向中央执行机构。
因而，进行花式喷泉plc控制系统设计，可以推动喷泉行业发展，扩大plc在自动控制领域应用，具备一定经济和理论研究价值。

1.2课题设计目和意义
随着国内经济高速发展，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经进入个崭新时代，其应用越来越广。而随着国内都市化进程加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好环境能使心身高兴，做事效率提高。其中喷泉可以湿润周边空气，减少尘埃，减少气温。喷泉细小水珠同空气分子撞击，能产生大量负氧离子，有益于改进社区面貌和增进居民身心健康。

2 系统控制方案拟定

2.1采用PLC控制花式喷泉长处
（1）控制方式上看：PLC软接线，只需变化控制程序就可容易变化逻辑或增长功能。
（2）工作方式看：PLC串行工作，不受制约。
（3）控制速度上看：PLC通过半导体来控制，速度不久，无触点，顾而五抖动一说。
（4）定期、计数看：PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定期范畴宽，有记忆功能。
（5）可靠、维护看：PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行监控功能，现场调试和维护以便。

2.2系统设计基本环节
在花式喷泉控制系统设计过程中重要考虑如下几点：
（1）进一步理解和分析花式喷泉工艺条件和控制规定。
（2）拟定I/O设备。依照花式喷泉控制系统功能规定，拟定系统所需输入、输出设备。惯用输入设备有按钮、选取开关等，惯用输出设备有批示灯等。
（3）依照I/O点数选取适当PLC类型。
（4）分派I/O点，分派PLC输入输出点，编制出输入输出分派表或输入输出端子 接线图。
（5）设计花式喷泉系统梯形图程序，依照工作规定设计出周密完整梯形图（6）程序，这是整个花式喷泉系统设计核心工作。
（7）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。

2.3系统控制方案
花式喷泉系统控制规定如下：
1、 控制器电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置即开始工作。按下停止按钮，
则停止喷水。工作方式由选取开关和单步／持续开关决定。
2、 “单步／持续”开关在单步位置时，喷水池只运营一次循环：在持续位置时，
喷水池运营始终继续下去。
3、 方式选取开关用来选取喷水池喷水花样，1～4号喷水管工作方式选取如下
（1）选取开关在位置“1”时。按下启动按钮后，4号喷水，延时2s后，3号也
喷水，延时2s后，2号接着喷水，再延时2s，1号喷水，这样，一起喷水15s
后停下。若在持续状态时，将继续循环下去。
（2） 选取开关在位置“2”时。按下启动按钮后，1号喷水，延时2s后，2号喷水，
延时2s后，3号接着喷水，再延时2s，4号喷水，这样，一起喷水30s后再停
下。若在持续状态时，将继续循环下去。
（3）选取开关在位置“3”时。按下启动按钮后，1、3号同步喷水，延时3s后，2、
4号喷水，1、3号接着喷水：交替运营5次后，1～4号全喷水，30s后停止。若
在持续状态时，将继续循环下去。
（4）选取开关在位置“4”时。按下启动按钮后，喷水池1~4号水管工作顺序为：
1→2→3→4按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s，1、2、3和4号分别延时
2s停水，再延时1s，由4→3→2→1反向顺序按2s顺序喷水，一起喷水30s后
停止。若在持续状态时，将继续循环下去。
4、 无论在什么工作方式下，按下停止按钮，喷水池将停止运营。
花式喷泉池示意图如图2-1所示：

2.4花式喷泉控制系统原理图
在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC：由于有4层喷水，因而用了1个变频器控制4个水泵。花式喷泉控制系统原理如图2-2所示：

3 系统硬件设计

3.1 可编程控制器（PLC）选取
3.1.1 PLC概述
可编程控制器，英文称Progammable Controller,简称PLC，本课题中用PLC作为它简称。PLC是用于工业现场电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运营存储在其内存中程序，把经输入电路物理过程得到输入信息，变换为所规定输出信息，进而再通过输出电路物理过程去实现对负载控制。
PLC有丰富指令系统，有各种各样I/O接口、通信接口，有大容量内存，有可靠自身监控系统，因而具备如下基本功能：
1.逻辑解决功能；
2.数据运算功能；
3.准拟定期功能；
4.高速计数功能；
5.中断解决（可以实现各种内部中断）功能；
6.程序与数据存储功能；
7.联网通信功能；
8.自检测、自诊断功能。
可以说，凡普通小型计算机能实现功能，PLC几乎也都可以做到。
3.1.2PLC选型
在PLC系统设计时，一方面应拟定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程特点和应用规定是设计选型重要根据。因而，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程特点、控制规定，控制任务和范畴拟定所需操作和动作，然后依照控制规定，估算输入输出点数、所需存储器容量、拟定PLC功能、外部设备特性等，最后选取有较高性能价格比PLC和设计相应控制系统。
（1）输入输出（I/O）点数估算
I/O点数估算时应考虑恰当余量，普通依照记录输入输出点数，再增长10%~20%可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
（2）存储器容量估算
存储器容量是可编程序控制器自身能提供硬件存储单元大小，程序容量是存储器中顾客应用项目使用存储单元大小，因而程序容量不大于存储器容量。设计阶段，由于顾客应用程序尚未编制，因而，程序容量在设计阶段是未知，需在程序调试之后才懂得。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，普通采用存储器容量估算来代替。
（3）控制功能选取
该选取涉及运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和解决速度等特性选取。依照本课题所设计控制需求，重要简介一下几种功能选取。
1.控制功能
PLC重要用于顺序逻辑控制，因而，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模仿量控制，有时也采用专用智能输入输出单元完毕所需控制功能，提高PLC解决速度和节约存储器容量。
2.编程功能
离线编程方式：PLC和编程器公用一种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。完毕编程后，编程器切换到运营模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式减少系统成本，但使用和调试不以便。在离线编程方式：CU和编程器有各自CPU，主机CPU负载现场控制，并在一种扫描周期内与编程器进行数据互换，编程器把在线编制程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就依照新收到程序运营。
五种原则化编程语言：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）、构造体文（ST）两种文本语言。选用编程语言应遵守其原则（IEC113123），同步，还应当支持各种语言编程方式，如C,Basic等，以满足特殊控制场合控制规定。
3.诊断功能
PLC诊断功能涉及硬件和软件诊断。硬件诊断通过硬件逻辑判断拟定硬件故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLCCPU与外币输入输出等部件信息互换功能进行诊断是外诊断。
PLC诊断功能强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力规定，并影响平均维修时间。
4．机型选取
通过对输入/输出点选取、对存储量选取？对I/O响应时间选取输出负载特点选型分许。
该控制系统选用三菱公司FXON系列PLC。它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护以便，故障率低，通过扩展模块链接，可以增长输入/输出点数。我设计花式喷泉模型共有6个输入，11个输出，因而，选用型号为FX2N-32MRPLC。

4 系统软件设计

4.1 PLC梯形图概述
梯形图时使用最多图形编程语言，被称为PLC第一编程语言。梯形图与电器控制系统电路图很相似，具备直观易懂长处，很容易被工厂电气人员掌握，特别合用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图设计成为编程。
PLC梯形图中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，则表达梯形图中相应软继电器线圈“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“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，相应软继电器线圈和触点状态与上述相反，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。

4.2 I/O分派表
输入I/O分派表
序号
输入
阐明
1
X0
启动按钮
2
X1
停止按钮
3
X2
持续按钮
4
X3
单步按钮
5
X4
方式1选取开关SA1
6
X5
方式2选取开关SA2
7
X6
方式3选取开关SA3
8
X7
方式3选取开关SA4

输出I/O分派表
序号
输出
阐明
1
Y0
电磁阀YA1
2
Y1
电磁阀YA2
3
Y2
电磁阀YA3
4
Y3
电磁阀YA4

4.3 I/O接线图

4.4 流程图
自动喷泉设计是重要用了跳转指令完毕过程循环过程，用定期器定期实现喷头之间运营，通过互锁实现单独工作方式运营不会浮现各种方式共同运营状况。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。如按下启动按钮，喷泉按照设定程序开始运营。如果按下停止按钮，系统则停止运营，如果不按停止按钮，系统则按照选取花样继续运营下去直到按下停止按钮。

开始
按下启动按钮
停止按钮与否打开

是
开关在1位置
开关在2位置

开关在4位置

开关在3位置

是
是
是
是
否
否
否
否
执行工作方式1
执行工作方式2
执行工作方式3
执行工作方式4

4.5 自动喷泉程序设计
系统总程序如附录所示。各样式工作程序如下所示：
（1） 样式选取1：选取开关在位置“1”时。按下启动按钮后，4号喷水，延时2s后，3号也喷水，延时2s后，2号接着喷水，再延时2s，1号喷水，这样，一起喷水15s后停下。若在持续状态时，将继续循环下去。样式选取1程序如图3所示。

图3 样式选取1程序
2）样式选取2：选取开关在位置“2”时。按下启动按钮后，1号喷水，延时2s后，2号也喷水，延时2s后，3号接着喷水，再延时2s，4号喷水，这样，一起喷水30s后再停下。若在持续状态时，将继续循环下去。样式选取2程序如图4所示。

图4 样式选取2程序

（3）样式选取3：选取开关在位置“3”时。按下启动按钮后，1、3号同步喷水，延时3s后，2、4号喷水，1、3号停止喷水；交替运营5次后，1～4号全喷水，30s后停止。若在持续状态时，将继续循环下去。样式选取3程序如图5所示。

图5 样式选取3程序
（4） 样式选取4：选取开关在位置“4”时。按下启动按钮后，喷水池1～4号喷水管工作顺序为：1→2→3→4号按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s，1、2、3和4号分别延时2s停水，再延时1s，由4→3→2→1号反向顺序按2s顺序喷水，一起喷水30s后停止。若在持续状态时，将继续循环下去。样式选取4程序如图6所示。

图6 样式选取4程序

参照文献

[1] 史国生. 电气控制与可编程控制器技术［M]。北京：化学工业出版社,。
[2] 于广庆. 可编程控制器原理及系统设计［M]。北京：清华大学出版社,。
[3] 吴启红. 变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操指引书（第二版）[M］。北京：机械工业出版社，。
[4] 史国生，鞠勇. 电气控制与可编程控制器技术实训教程［M］。北京：化学工业出版社，。
[5] 于晓云，许连阁. 可编程控制技术应用—项目化教程［M］。北京：化学工业出版社，。
[6] 廖常初. PLC编程及应用[M]。北京：机械工业出版社，。
[7] 胡学林. 可编程控制器应用技术[M]。北京：高等教诲出版社，。
[8] 三菱FX系列可编程序控制器编程手册[M]。三菱公司编，。
[9] 三菱可编程序控制器应用101例[M]。三菱公司编，250。
[10] 史宜巧，孙业明，景绍学. PLC技术及应用项目教程［M］。北京：机械工业出版社，。

结论

本系统重要以可编程控制器PLC和变频器强大控制功能，实现了运用可编程控制器和变频器控制花式喷泉功能，具备接线简朴、编程直观、扩展容易等特点。当花式喷泉功能增长时，只需增长相应程序以及输出功能，要改动地方也较少，调试成果表白，在适应性、灵活性、精准性和可靠性方面，都达到了设计规定，表白该设计方案是可行。
通过本设计，我学习到了诸多东西，在工作细心上也得到了提高。并且，更理解里关于可编程器件和变频器功能。我选取这个设计，也是为了弥补此前学习上局限性，这次设计，使我理解到教师专心良苦，并且从教师那学到了诸多宝贵知识。