畢業(yè)設計（論文）基于PLC的花樣噴泉設計

1、基于plc的花樣噴泉設計指導教師：zja2008級電氣自動化專業(yè) 學號 201111957 姓名摘要針對傳統(tǒng)的噴泉控制系統(tǒng)一旦設計好控制電路，就不能隨意改變噴水花樣及噴水時間等問題，本設計結合西門子 s7-200 可編程控制器設計能適應不同季節(jié)、不同場合的噴水要求目的的花樣噴泉系統(tǒng)。該花樣噴泉控制系統(tǒng)不但實現(xiàn)了自動轉換花樣噴泉的噴水樣式，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，具有一定的工程應用和推廣價值。關鍵詞：plc；花樣噴泉；控制系統(tǒng) the pattern design based on plc fountaintutor: guilin liuprofessional electrical

2、automation 2008 no.200811957 name：qianqian caoabstractaccording to the traditional fountain control system design control circuit, if cannot change pattern and spray water, time, etc. this design with siemens s7-200 plc design can adapt different season, the different requirements of the water fount

3、ain system designs purpose. this figure fountain control system not only realizes the automatic conversion pattern of the fountain of the water, and improve the system of style, the reliability and safety of engineering application and dissemination value.key words: plc control, pattern fountain sys

4、tem 目錄引言噴泉是人工環(huán)境中最富有生命力的噴泉,它具有分隔空間、增加層次、凈化空氣美化環(huán)境的作用?，F(xiàn)代高科技把美妙的音樂、多姿的噴泉造型、五彩繽紛的水下燈光、神奇的激光圖文，通過電腦有機的結合在一起，給人以音樂聲響、視覺形象、色彩變換三位一體的超自然享受。隨著我國人民物質生活水平的不斷提高，對于精神生活的要求也在不斷提高，為進一步改造環(huán)境景觀，建設一個噴泉是很有必要的。隨著科學技術的不斷發(fā)展和生活水平的不斷提高，尤其是噴泉在城市和社區(qū)環(huán)境建設中起著尤其重要的作用。當今噴泉工程和高新技術的結合正是歷史發(fā)展的必然趨勢，由于噴泉工程中采用了大量的高新技術，從而使噴泉效果更加絢麗多彩，婀娜多姿，令

5、人賞心悅目、流連忘返。本次的畢業(yè)設計是一個以s7-200plc控制為核心的花樣噴泉控制系統(tǒng)的設計?；訃娙趐lc的控制之下，噴出各種各樣的水柱，給人以一種視覺上美的享受。第1章 plc簡介1.1 可編程序控制器簡介可編程序控制器pc（programmable controller）又稱可編程序控制器plc（programmable logic controller），是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相接合的產物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機。它不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領域的實時控制要求，同時也照顧到現(xiàn)場電

6、器操作維護人員的技能和習慣，擯棄了微機常用的計算機編程語言的表達形式，獨具風格地形成一套以繼電器梯形圖為基礎的形象編程語言和模塊化的軟件結構，使用戶程序的編制清晰直觀、方便易學，調試和查錯都很容易。plc現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱（plc、cad/cam、robot）之一，以其可靠性、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、具有遠程通信聯(lián)網功能、易于與計算機接口、能對模擬量進行控制、具備告訴計數(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，日益取代由大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電接觸控制系統(tǒng)在機械、化工、石油、冶金、電力、輕工、電子、紡織、食品、交通、等行業(yè)得到廣泛應用。plc的應用

7、深度和廣度已經成為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。1.2 plc的結構plc和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。plc的硬件系統(tǒng)由微處理器(cpu)、存儲器(eprom，rom)、輸入輸出(i/o)部件、電源部件、編程器、i/o擴展單元和其他外圍設備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成。其結構簡圖如下：外設i/o接口 輸出部件存儲器 eprom 微處理器 運算器 控制器電源 輸入部件i/o擴展接口 i/o擴展單元 受控元件輸入信號外部設備圖2-1 plc硬件結構圖plc的軟件系統(tǒng)是指plc所使用的各種程序的集合，通常可分為系

8、統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個plc成品必須包括的部分，由plc廠家提供，用于控制plc本身的運行，系統(tǒng)程序固化在eprom中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的plc系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。1.3 plc的特點可編程序控制器是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質是一種工業(yè)控制用的專用計算機。國內外現(xiàn)有的機械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機械手系統(tǒng)中應用更為普遍。其主要原因是因為plc具有以下優(yōu)點：1）、靈活、通用在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制器件是大量

9、的繼電器，整個系統(tǒng)是根據(jù)設計好的電器控制圖，由人工布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過程費時費力。如果因為工藝上的稍許變化，需要改變電器控制系統(tǒng)的話，那么原先的整個電器控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進行布線、焊接、固定等工作，浪費了大量的人力、物力和時間。而可編程控制器是通過存儲在存儲器中的程序實現(xiàn)控制功能的，如果控制功能需要改變的話，只需要修改程序以及改動極少量的接線即可。而且，同一臺可編程控制器還可以用于不同的控制對象，只要改變軟件就可以實現(xiàn)不同的控制要求，因此具有很大的靈活性、通用性。2）、可靠性高、抗干擾能力強對于機械手系統(tǒng)來說，可靠性、抗干擾能力是非常重要的指標，如何能在各種工作環(huán)境

10、和條件(如電磁干擾、低溫潮濕、灰塵超高溫等)下，平穩(wěn)可靠的工作，將故障率降至最低，是研制每一種控制系統(tǒng)必須考慮的問題?，F(xiàn)代plc采用了集成度很高的微電子器件，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，其可靠性程度是使用機械觸點的繼電器所無法比擬的。為了保證plc能在惡劣的工業(yè)環(huán)境可靠的工作，在其設計和制造過程中采取了一系列硬件和軟件方面的抗干擾措施，使其可以適應惡劣的工業(yè)應用環(huán)境。3）、操作方便、維修容易plc采用電氣操作人員熟悉的梯形圖和功能助記符編程，使用戶十分方便的讀懂程序和編寫、修改程序。對于使用者來說，幾乎不需要專門的計算機知識。工程師編好的程序十分清晰直觀，只要寫好操作說明書，操作

11、人員經短期的學習就可以使用。4）、功能強現(xiàn)代plc不僅具有條件控制、計時、計數(shù)和步進等控制功能，而且還能完成a/d、d/a轉換、數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網和生產過程監(jiān)控等。因此，它既可控制開關量，又可控制模擬量；既可控制一個機械手，又可控制一個機械手群；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)；既可現(xiàn)場控制，又可遠程控制。5）、體積小、重量輕和易于實現(xiàn)機電一體化由于plc采用了半導體集成電路。因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點。且plc是為工業(yè)控制設計的專用計算機，其結構緊湊、堅固耐用、體積小巧，并由于具備很強的可靠性和抗干擾能力，使之易于裝入機械設備內部，因而成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制

12、設備。同樣，可編程序控制器控制也有其不足的地方，在性價比上要高于繼電器控制和單片機控制，其開發(fā)潛力要差于單片機，并且通用性不好，不同廠家的可編程序控制器以及其附屬單元都是固定專用等等。1.4 plc的主要功能plc是一種應用面很廣、發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化(fa)和計算機集成制造系統(tǒng)(cims)內占重要地位。plc系統(tǒng)主要有以下功能：1) 多種控制功能；2) 數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能；3) 通信聯(lián)網功能；4) 輸入、輸出接口調理功能；5) 人機界面功能；6) 編程、調試功能。plc的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應地

13、降低了價格。另外，采用plc還可以大大縮短設計、編程和投產周期，使總價格進一步降低。plc產品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求。1.5 plc的經濟性分析綜上所述，在各種環(huán)境中，使用plc控制機構設備，生產流水線和生產過程的自動化控制將越來越廣泛。對plc的經濟分析，應從以下幾方面考慮：1）、從影響成本的各個因素綜合考慮對目前生產設備控制裝置來說，有三種類型： 繼電器控制； 半導體器件控制； plc控制。價格僅是選擇plc品牌的一個因素，而可靠性是選擇控制裝置時需要考慮的又一個重要因素。2）、從設計、生產周期長短考慮不論是對舊設備進行改造，還是設計新的生產機械設備。

14、毫無疑問，生產、設計周期越短越好，甚至希望邊設計、邊安裝、邊調試和邊生產，特別是產品更新?lián)Q代，生產工藝改造，不需改動現(xiàn)有生產設備及其外部接線，就能馬上組織生產，這不僅節(jié)約了勞動力，而且新產品能盡快投入市場。這無疑給企業(yè)增加了活力，提高了經濟效益。如果把這些要求得以實現(xiàn)，繼電器或半導體都不能滿足，而plc則完全可以實現(xiàn)。這是因為使用plc不必改動外部設備接線，只要對軟件進行一些改變就可以了。也就是說只要改變梯形圖，按照新工藝要求重新輸入新程序或修改原程序即可。這既經濟又簡捷，可以達到事半功倍的效果。據(jù)調查，目前我國70%的機械生產設備，都是采用繼電器進行控制的，除了可靠性差外，程序設計也很繁雜。

15、從方案的確立到技術條件的設計以及施工的設計，圖面的工作量很大，這勢必造成設計周期長。而采用plc控制可以大大縮短設計周期，甚至有些文件資料也不必繪制成圖。設計人員完全可以利用編程器上屏幕顯示來輸入，或修改程序使得梯形圖能準確無誤地反映生產要求。編程人員也可根據(jù)新產品對生產提出的新工藝要求，重新編寫程序并把它存儲在eeprom模塊中去，需要加工哪種產品的程序，操作人員可以隨時調用，這既簡單、方便又保密。1.6 plc發(fā)展狀況及趨勢現(xiàn)代plc的發(fā)展主要有兩個趨勢：一是向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網絡化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展。1）、大型網絡化主

16、要是朝dcs方向發(fā)展，使其具有dcs系統(tǒng)的一些功能。網絡化和通信能力強是plc發(fā)展的一個重要方面，向下可將多個plc、i/o框架相連，向上與工業(yè)計算機、以太網、map網等相連構成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。 2）、多功能隨著自調整、步進電機控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使plc控制領域更加寬廣。1.7 plc的編程語言在iec61131-3中，規(guī)定了控制邏輯編程中的語法、語義和顯示，并對以往編程語言進行了部分修改后形成目前通用的5種語言。在這5種語言中，有3種是圖形化語言，2種是文本化語言。圖形化編程語言包括：梯形圖（ldladder diagram）、功能塊圖（fbd function

17、 block diagram）、順序功能圖（sfc sequential function chart）。文本化編程語言包括：指令表(il-instruction list)和結構化文本 (st-strutured text)。繼電器梯形圖編程語言是plc首先采用的編程語言，也是plc最普遍采用的編程語言。梯形圖編程語言是從繼電器控制系統(tǒng)原理圖的基礎上演變而來的。plc的梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區(qū)別。指令表編程語言類似于計算機中的助記符匯編語言，它是可編程控制器最基礎的編程語言。所謂指令表編程，是用一個或幾個容易記憶的字符來代表可編程控制

18、器的某種操作功能。 第2章 噴泉的設計要求2.1 噴泉規(guī)模的設計該噴泉占地面積俯視圖為正方形，其面積s=100平方米；噴射范圍俯視圖為圓形，其半徑r=4.5m。噴泉概況平面圖如1-1：圖1-1噴泉概況平面圖圖1-1中，噴泉由5種不同的水柱組成。其中1表示大水柱所在的位置，其水柱較大，噴射高度較高；2表示中水柱所在的位置，由六支中水柱均勻分布在2的圓（r=2m）的軌跡上，水量比大水柱的水量小，其噴射高度比大水柱低；3表示小水柱，它由150支小水柱均勻分布在3（r=3m）的圓的軌跡上，其水柱較細，其噴射高度比中水柱略矮；4和5為花朵式和旋轉式噴泉，各由19支噴頭組成，均勻分布在4和5的圓（r=4m

19、）的軌跡上，其水量壓力均較弱。2.2 噴泉水柱的分布該噴泉的回水池俯視圖為圓形，與噴泉噴射范圍俯視圖為同心圓，且半徑相等?；厮氐纳疃葹?m。該回水池由1個半徑為100cm的圓水池和3個有效寬度為50cm的圓環(huán)水池組成，且各個水池之間相通，連接池寬度為50cm，3個圓環(huán)水池的半徑分別為2m、3m、4m。如圖1-2所示：圖1-2回水池的設計回水池上方由金屬欄嵌入式覆蓋。大水柱噴頭的內徑d=50mm，中水柱噴頭的內徑d=30mm，小水柱噴頭的內徑d=20mm，花朵噴泉和旋轉噴泉的內徑d=30mm。大水柱高度h=5m，中水柱高度h=3m，小水柱高度h=2m，花朵噴泉和旋轉噴泉的噴水高度h=1m。第3

20、章 plc控制系統(tǒng)總設計3.1 plc控制花樣噴泉運行要求1）、按下啟動按鈕，噴泉進入運行等待狀態(tài)。2）、按下噴泉的單步連續(xù)運行方式按鈕，該噴泉默認為連續(xù)運行方式。3）、按下噴泉噴水花樣的循環(huán)方式按鈕，噴泉開始運行，每隔6s改變一次花樣。在連續(xù)運行方式下，噴水花樣將一直循環(huán)下去，在單步運行方式下，噴水花樣只運行一個循環(huán)。按下其他任意一個循環(huán)方式按鈕，噴泉噴水花樣的循環(huán)方式立刻改變。4）、按下停止按鈕，噴泉停止運行。3.2噴泉的運行流程圖圖3-1噴泉的運行流程圖3.3噴泉的運行過程按下噴泉控制系統(tǒng)的啟動按鈕，首先大水柱從地而起，直射天空；6s后，大水柱消失，緊接著六支中水柱競相射向天空；最后所有

21、水柱噴泉一齊迸發(fā)。整個過程分為8段，每段6s，且自動轉換，全過程為48s。當單步連續(xù)開關置于連續(xù)，花樣選擇開關置于1時，其噴泉水柱的動作順序如下：12（1+3+4）（2+5）（1+2）（2+3+4）（2+4）（1+2+3+4+5）1，周而復始，直到按下停止按鈕，水柱噴泉才停止工作；當單步連續(xù)開關置于單步時，噴泉水柱的動作只運行一個循環(huán)?；舆x擇開關置于2時，其噴泉水柱的動作順序如下：12（2+4）（2+5）（1+2）（2+3+4）（1+3+4）（1+2+3+4+5）1?；舆x擇開關置于3時，其噴泉水柱的動作順序如下：12（1+3+4）（1+2）（2+5）（2+3+4）（2+4）（1+2+3+4

22、+5）1?；舆x擇開關置于4時，其噴泉水柱的動作順序如下：12（1+3+4）（2+5）（1+2）（2+4）（2+3+4）（1+2+3+4+5）1。3.4噴泉控制原理噴泉控制系統(tǒng)由啟動控制程序、位移脈沖控制程序、位移及復位控制程序、驅動控制程序組成。通過位移脈沖控制程序實現(xiàn)子元件中的內容在存儲器間的移動，通過復位控制程序實現(xiàn)噴泉花樣的循環(huán)，通過驅動控制程序實現(xiàn)噴泉的噴射。3.5花樣噴泉plc控制接線圖圖3-2花樣噴泉plc控制接線圖3.6花樣噴泉plc控制輸入輸出點分配表3-1花樣噴泉plc控制輸入輸出點分配輸入信號輸出信號名稱代號輸入點編號名稱代號輸出點編號啟動按鈕sb1i0.0大水柱接觸器k

23、m1q0.0停止按鈕sb2i0.1中水柱接觸器km2q0.1連續(xù)按鈕sb3i0.2小水柱接觸器km3q0.2單步按鈕sb4i0.3花朵式噴泉接觸器km4q0.3花樣1按鈕sb5i0.4旋轉式噴泉接觸器km5q0.4花樣2按鈕sb6i0.5-花樣3按鈕sb7i0.6-花樣4按鈕sb8i0.7-3.7花樣噴泉plc控制梯形圖圖3-3花樣噴泉plc控制梯形圖圖3-3中，第1邏輯行為啟動控制程序；第2、3、4邏輯行組成6s移位脈沖控制程序；第5邏輯行為單步連續(xù)控制程序；第6、7、8、9邏輯行組成花樣選擇控制程序；第10、11、12、13邏輯行組成移位及復位控制程序；第14、15、16、17、18邏輯行

24、組成驅動控制程序。接通plc電源，第10邏輯行中位存儲器m10.0接通，其在第14邏輯行中的常開觸點閉合，為噴泉的啟動做好了準備。當按下噴泉控制器的啟動按鈕sb1后，第1邏輯行中輸入繼電器i0.0的常開觸點閉合，位存儲器m0.0接通并自鎖。本程序默認為連續(xù)循環(huán)噴泉樣式的控制程序，按鈕sb2為連續(xù)按鈕，在第5邏輯行中輸入繼電器i0.2為常閉觸點，按鈕sb3為單步按鈕，第5邏輯行中輸入繼電器i0.3為常開觸點，當按下此按鈕，繼電器i0.3觸點閉合，位存儲器m0.2接通并自鎖，其在第1邏輯行中的常閉觸點斷開，噴泉樣式進入一次運行狀態(tài)。選擇默認狀態(tài)，按下sb4，第6行中輸入繼電器常開觸點閉合，位存儲器

25、m0.4接通并自鎖，其在第2、14、15、16、17、18邏輯行中的常開觸點閉合，進入第一種噴泉樣式，輸出繼電器q0.0被接通，大水柱控制接觸器km1通電閉合，大水柱“1” 射向天空。同時在第2邏輯行中的m0.0、m0.4的常開觸點閉合，定時器t37被接通開始計時，經過3s后，t37動作，第3邏輯行的常開觸點閉合，定時器t38被接通并開始計時，又經過3s后，t38動作，第4邏輯行中的常開觸點閉合一個掃描周期使得位存儲器m0.1閉合一個掃描周期。m0.1在第11邏輯行中的常開觸點閉合一個掃描周期，將字元件mw10中的內容向左移1位，即將m10.0中的“1”的內容移至位存儲器m10.1中，m10.

26、1閉合。由于m10.1接通，其在第14邏輯行中的常開觸點閉合，輸出繼電器q0.1被接通，中水柱控制接觸器km2通電閉合，中水柱噴出。又經過6s后，m0.1在第6邏輯行中的常開觸點閉合一個掃描周期，將字元件mw10中的內容向左移一位，即將m10.1中“1”的內容移至位存儲器m10.2中，m10.2閉合其在第14、16邏輯行中的常開觸點閉合，輸出繼電器q0.0、q0.2被接通，噴出大水柱、小水珠。經過第7個6s后，“1”被移至位存儲器m10.7中，m10.7第14、15、16、17、18邏輯行中的常開觸點閉合；所有輸出繼電器全部閉合，所有噴泉一起噴發(fā)。又經過6s后，“1”被移至位存儲器m11.0中，m11.0在第12邏輯行中的常開觸點閉合，使字元件mw10中m10.0-m11.0的各位復位為“0”，第10邏輯行中的m10.7復位，m10.0接通，m10.0在第14邏輯行中的常開觸點閉合；q0.0被接通，大水柱噴發(fā)。如此不斷循環(huán)，直到按下sb2。第4章 程序調試調試步驟如圖所示：（1） 按下啟動按鈕，噴泉進入待命狀態(tài)，如圖4-1所示。圖4-1程序調試圖（2）選擇單步運行，如圖4-2所示。圖4-