畢業(yè)論文基于PLC的花樣噴泉制系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要：10 前言11控制系統(tǒng)元器件介紹11.1 PLC簡介11.2 可編程序控制器的發(fā)展過程21.3 PLC的結(jié)構(gòu)21.4 PLC的特點31.5 PLC的主要功能41.6 PLC的編程語言51.7 國內(nèi)外主要PLC產(chǎn)品概況52控制方案7主控制器方案的選擇72.2 噴頭組合方案的設(shè)計8主控面板的設(shè)計8噴泉花樣的設(shè)計93系統(tǒng)的軟件設(shè)計11花樣噴泉的PLC控制流程圖11花樣噴泉I/O的分配133.3 PLC硬件接線圖133.4 外部電路設(shè)計154控制系統(tǒng)主程序154.1 CX-Programmer簡介15控制系統(tǒng)梯形程序圖165 結(jié)論22參考文獻22基于PLC的花樣噴泉制系統(tǒng)設(shè)計（河南大學(xué)物理與電子

2、學(xué)院，河南 開封，475004）摘 要：本文重點討論了PLC在花樣噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。使用PLC控制花樣噴泉，具有使用方便，運行可靠，控制程序段設(shè)計簡單等優(yōu)點。當(dāng)控制要求發(fā)生變化時，只需對程序做改動就行了，不必該變硬件接線圖或只需微小改動即可，方便簡單。關(guān)鍵詞： PLC可編程控制器；噴泉；控制系統(tǒng)0 前言在日常生活中的一些公共場所下，我們可以看到有各種各樣的噴泉，逐漸的噴泉這種東西有的只是為了引人入目，有的為了給生活或者節(jié)日帶來喜慶的氣氛，而有的變成了企業(yè)的一種精神象征。同時噴泉的存在也給我們帶來了健康，比如：加濕、增氧、凈化空氣等等。本次的畢業(yè)設(shè)計是一個以O(shè)MRON系列(PLC)控制為

3、核心的花樣噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計?；訃娙赑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。1控制系統(tǒng)元器件介紹PLC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(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相接合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的基礎(chǔ)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(lǐng)域的實時控制要求，同時也照顧到現(xiàn)場電器操作維護人員的技能和習(xí)慣，擯棄了微機常用的計算機編程語言的表達形式，獨具風(fēng)格地形

4、成一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的形象編程語言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，使用戶程序的編制清晰直觀、方便易學(xué)，調(diào)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(wǎng)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(yīng)用。PLC的應(yīng)用深度和廣度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。11.2 可編程序控制器的發(fā)

5、展過程第一階段： PLC剛問世時功能簡單，只能完成邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，硬件方面以分離元件為主，存儲器采用磁芯存儲器，存儲容量為12KB左右，一臺PLC只能取代200300個繼電器，沒有成型的編程語言。第二階段：集成電路技術(shù)集成電路技術(shù)的發(fā)展及微處理器的產(chǎn)生使PLC技術(shù)得到了較大發(fā)展。第三階段：單片機的出現(xiàn)第四階段：超大規(guī)模集成電路技術(shù)第五階段：RISC芯片在計算機行業(yè)的大量使用1.3 PLC的結(jié)構(gòu)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

6、展單元和其他外圍設(shè)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。PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(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。2PLC硬件結(jié)構(gòu)簡圖如下：圖1-2 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖1.4 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(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。國內(nèi)外現(xiàn)有的機械手系

7、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(yīng)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的繼電器，整個系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)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?qū)崿F(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

8、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(guān)動作由無觸點的半導(dǎo)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(shè)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(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。3）、操作

9、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，操作人員經(jīng)短期的學(xué)習(xí)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(zhuǎn)換、數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等。因此，它既可控制開關(guān)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(fù)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(dǎo)體集成電路。

10、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(shè)計的專用計算機，其結(jié)構(gòu)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(shè)備內(nèi)部，因而成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制設(shè)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。1.5 PLC的主要功能PLC是一種應(yīng)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(nèi)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

11、與處理功能；3) 通信聯(lián)網(wǎng)功能；4) 輸入、輸出接口調(diào)理功能；5) 人機界面功能；6) 編程、調(diào)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(yīng)地降低了價格。另外，采用PLC還可以大大縮短設(shè)計、編程和投產(chǎn)周期，使總價格進一步降低。PLC產(chǎn)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。1.6 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（LDLad

12、der Diagram）、功能塊圖（FBD Function 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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(chǔ)的編程語言。

13、1.7 國內(nèi)外主要PLC產(chǎn)品概況1 美國的PLC產(chǎn)品美國是PLC生產(chǎn)大國，在美國注冊的PLC廠商己超過百家。其中AB公司、通用電氣(GE)公司、莫迪康(MODICON)公司、德州儀器(T1)公司、 歌德(Gould)公司、西屋公司等都是著名的大公司。AB公司是美國最大的PLC制造商，其產(chǎn)品約占美國PLC市場50的份額。A-B PLC2 歐洲的PLC產(chǎn)品德國的西門子(SIEMENS)、AEG及法國的TI公司是歐洲著名的PLC制造商。德國的西門子的電子產(chǎn)品以性能精良而久負盛名。西門子S7-300系列西門子S5系列施耐德Modicon Premium3 日本的PLC產(chǎn)品日本的小型PLC很有特色如歐姆

14、龍、三菱、松下、富士、日立、東芝等。在世界小型PLC市場上，日本產(chǎn)品約占有70的份額。在中國，OMRON產(chǎn)品的銷量居首位。OMRON公司的PLC產(chǎn)品，大、中、小、微型具全，微型機：SP系列；小型機：P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列以及CPM2C、CQM1、CQM1H等；中型機：C200H、C200H (C200HX/C200HG/C200HE)、CS l系列。大型機：C1000H/C2000H、CV(CV500/CV1000/CV2000/CVM1)等。3歐姆龍CPM2C-S1口0C小型PL歐姆龍C60P歐姆龍CPM1A-20CDRA-A三菱公司的PLC也是較早進入中國市場的產(chǎn)品。其

15、小型機F1/F2系列；FX系列；FX2系列；三菱公司的中、大型機為A系列，典型產(chǎn)品有A1、A2、A3系列等。三菱FX1N系列三菱FX2N系列三菱MELSEC-Q系列松下電工公司的PLC產(chǎn)品中，F(xiàn)P0為微型機，F(xiàn)P1為整體式小型機，F(xiàn)P3為中型機，F(xiàn)P5/EPl0 (FPl0的改進型)、FP20為大型機，其中FP20是最新產(chǎn)品。松下FP1-C16松下FP1-C724 我國的PLC產(chǎn)品中國科學(xué)院自動化研究所的PLC0088，北京聯(lián)想計算機集團公司的GK40，上海機床電器廠的CKY40，上海起重電器廠的F40MR舊R，蘇州電子計算機廠的YZPC001A，原機電部北京機械工業(yè)自動化研究所的MPC001

16、/20、KB 20/40，杭州機床電器廠的DKK02，天津中環(huán)自動化儀表公司的DJK S 84/86/480，上海自立電子設(shè)備廠的KKI系列，上海香島機電制造有限公司的ACMYS80、ACMYS256。4江蘇無錫HL-26R2小型PLC2控制方案2.1主控制器方案的選擇PLC可編程邏輯控制器以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點。對于噴泉控制系

17、統(tǒng)這樣，被控對象是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在組態(tài)軟件設(shè)計方面要容易一些。且PLC通常都支持現(xiàn)場總線，會使得系統(tǒng)通信得到有利保障，更適合實現(xiàn)上位機的遠程監(jiān)控。目前適用于噴泉控制的中小型PLC種類繁多，價格低廉。使設(shè)計者會有更多的選擇余地。系統(tǒng)整體造價會比工控機低，而且不會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本控制系統(tǒng)以PLC為下位機，PC如圖2-3成。2.2 噴頭組合方案的設(shè)計此方案共四組噴頭，除1號噴頭以外，其余三組每組的4個噴頭都由環(huán)形管道連接，因此，每次噴水，同一組的噴頭是一起噴的，具體情況見下圖2-2。圖2-2四組噴頭示意圖2.3主控面板的設(shè)計系統(tǒng)的控制面板圖如

18、圖2-3所示。圖中分別是花樣選擇開關(guān)、啟動、停止以及單步/連續(xù)開關(guān)，其中1號4號噴頭可以通過滑擋調(diào)整噴水花樣。123啟動停止單步/連續(xù)電源控 制 面 板圖2-3控制面板示意圖2.4噴泉花樣的設(shè)計（1） 按下啟動按鈕，噴泉控制裝置開始工作，按下停止按鈕，噴泉控制裝置停止工作。（2） 噴泉的工作方式由花樣選擇開關(guān)和單步、連續(xù)開關(guān)決定。（3） 當(dāng)單步、連續(xù)開關(guān)在單步控制時，噴泉只能按照花樣選擇開關(guān)設(shè)置得方式運行一個循環(huán)。（4） 花樣選擇開關(guān)用于選擇噴泉得噴水花樣，現(xiàn)考慮3種噴水花樣。 選擇開關(guān)在位置花樣一：按下啟動按鈕噴水花樣如下圖1號2號3號4號5s是2s5s5s50s后如果為單步工作方式，則停下

19、來。如果為連續(xù)工作方式，則繼續(xù)循環(huán)下去。 選擇開關(guān)在位置花樣二：按下啟動按鈕1號2號3號4號5s13s5s5s2s50s后如果為單步工作方式，則停下來。如果為連續(xù)工作方式，則繼續(xù)循環(huán)下去。 選擇開關(guān)在位置花樣三：按下啟動按鈕1號4號3號2號13s2s13s13s13s50s后如果為單步工作方式，則停下來。如果為連續(xù)工作方式，則繼續(xù)循環(huán)下去。在本操作控制系統(tǒng)中，應(yīng)充分考慮功能的組成及實現(xiàn)，主要從機械部件的動作順序、動作條件、必要的保護和聯(lián)鎖，系統(tǒng)的工作方式（如手動、自動、半自動）和安全保護措施及緊急情況處理等。從而總結(jié)了以下幾點控制思路：1、 先打開花樣選擇開關(guān)然后按下啟動按鈕；2、 每個花樣以

20、獨立運行，通過輔助繼電器、計數(shù)器、定時器來實現(xiàn)自動功能；3、 通過滑擋可以任意組合花樣，本系統(tǒng)組合3種不同的花樣。4、 需要立即結(jié)束時，按下停止按鈕立即斷電。3系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.1花樣噴泉的PLC控制流程圖花式噴泉的程序控制流程圖見圖3-15開始花樣組合（滑擋）是否按下啟動按鈕NY單步/連續(xù)單步水泵進入工作狀態(tài)連續(xù)水泵進入工作狀態(tài)系統(tǒng)按花樣程序運行系統(tǒng)按花樣程序運行是否按下停止按鈕是否按下停止按鈕結(jié)束是否圖4-1系統(tǒng)控制流程圖如圖，通電后，進入工作狀態(tài)。如按下啟動按鈕，噴泉裝置進入準備工作狀態(tài)，若不按，則回到初始狀態(tài)。接著通過滑擋選擇噴水花樣，共24種組合噴水花樣可供選擇。按下啟動開關(guān)，噴泉按

21、照設(shè)定的程序開始運行，如果為單步工作方式，25s后停下來。如果為連續(xù)工作方式，則繼續(xù)循環(huán)下去。如果按下停止按鈕，系統(tǒng)則停止運行，如果不按停止按鈕，系統(tǒng)則按照選擇的花樣繼續(xù)運行下去直到按下停止按鈕。3.2花樣噴泉I/O的分配表3-2花樣噴泉I/O的分配輸入信號輸入信號地址元件功能地址元件功能00000SB1啟動開關(guān)05001KM11號噴頭00001ST1位置開關(guān)105002KM22號噴頭00002ST2位置開關(guān)205003KM33號噴頭00003ST3位置開關(guān)305004KM44號噴頭00005SB2停止開關(guān)05005LR工作指示燈00006ST5連續(xù)(默認單步)05006LA連續(xù)工作指示燈05

22、007LB單步工作指示燈05008L2花樣二指示燈05009L3花樣三指示燈05000L1花樣一指示燈I/O模塊分為數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出4類。CPU分配給數(shù)字量I/O模塊的地址以字節(jié)為單位，一個字節(jié)由8個數(shù)字量I/O點組成。擴展模塊I/O點的字節(jié)地址由I/O的類型和模塊在同一類I/O模塊鏈中的位置來決定。63.3 PLC硬件接線圖OMRON PLC內(nèi)部芯片接線圖7：000010000200003000050000600000ST3ST1SB2ST2ST5SB1COMOMRON PLCCOM05001050020500305004KM1KM2KM3KM4220V/AC2

23、4V/DC1號水泵2號水泵3號水泵4號水泵05005工作指示燈L105006L2連續(xù)指示燈05007L3050080500005009花樣二指示燈花樣三指示燈LBLALR花樣一花樣三花樣二啟動停止連續(xù)圖3-3 PLC內(nèi)部芯片接線圖3.4 外部電路設(shè)計L2QSL1L3NP24V/DC220V/AC工 業(yè) 用 電生 活 用 電OMRON PLCKM XFU XLNLPFR XM X圖3-4外部電路設(shè)計圖8圖中“X”表示水泵序號，X可以取1、2、3、4，本控制系統(tǒng)共有四組電動機。4控制系統(tǒng)主程序4.1CX-Programmer簡介CX-Programmer是歐姆龍公司開發(fā)的、適用于C系列PLC的梯形

24、圖編程軟件，它在Windows下運行，可實現(xiàn)梯形圖的編程、監(jiān)視和控制功能9。本系統(tǒng)采用CX-Programmer對OMRON PLC進行編程，軟件界面如下：圖4-1：編程軟件CX-Programmer4.2控制系統(tǒng)梯形程序圖控制主程序如圖4-2-1：點擊按鈕SB1,，工作指示燈亮，常開觸點50.05閉合，系統(tǒng)啟動工作。系統(tǒng)默認單步工作，當(dāng)檢測到花樣選擇開關(guān)動作時，并保持，常開觸點50.07閉合，一個工作周期50s后，定時器作用，常閉觸點T0099瞬間斷開，系統(tǒng)停止工作。當(dāng)選擇連續(xù)工作方式時：連續(xù)工作指示燈亮，常開觸點50.06閉合，此時單步工作方式被屏蔽，系統(tǒng)持續(xù)工作。10圖4-2-1：主控程

25、序4.2.2花樣一子程序當(dāng)花樣開關(guān)置于花樣1時，花樣一指示燈亮，常開觸點50.00閉合。圖4-2-2延時2s后，1號噴頭開始噴水，2號、3號、4號噴頭分別在1號噴頭工作5s、10s、15s后啟動工作。圖4-2-3圖4-2-4若為單步工作方式，50s后常閉觸點T0099瞬間斷開，4組噴頭同時停止工作；若為連續(xù)工作方式，50s后常閉觸點T0099瞬間斷開，延時定時器TIM0011重新工作，花樣一將一直重復(fù)持續(xù)下去。4.2.3花樣二子程序當(dāng)花樣開關(guān)置于花樣2時：花樣二指示燈亮，常開觸點閉合。圖4-2-5延時2s后，1號噴頭開始工作，2號、3號、4號噴頭分別在1號噴頭工作5s、10s、15s后啟動工作。圖4-2-6TIM021和TIM025、TIM022和TIM026、TIM023和TIM027、TIM024和TIM028的延時差都為10s，1號4號噴頭在單步工作狀態(tài)會出現(xiàn)一個10s的脈沖。圖4-2-74.2.4花樣三子程序當(dāng)花樣開關(guān)置于花樣3時：花樣三指示燈亮，常開觸點閉合。圖4-2-8圖4-2-9A：CNT033：10s計數(shù)器TIM031：脈沖周期定時20s（T0031為CNT033置位）B: CNT034：10s計數(shù)器TIM032：脈沖周期定時20s（T0031為CNT034置位）