PLC技術(shù)及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)噴泉的PLC

PLC技術(shù)及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)噴泉的PLC遼寧工業(yè)大學(xué)PLC技術(shù)及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)（論文）題目：噴泉的PLC控制院（系）：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：（簽字）起止時(shí)間：2013.12.9～2013.12.18本科生課程設(shè)計(jì)（論文）第1章緒論1.1我國(guó)噴泉的發(fā)展國(guó)內(nèi)在二十世紀(jì)八十年代以前，噴泉只是建筑給排水和園林造景專業(yè)的一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)，從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制作，工程安裝都沒(méi)有形成規(guī)模。只是在展覽館等公共建筑和公園里能見(jiàn)到一些中、小噴泉，產(chǎn)品的水平也是簡(jiǎn)單、粗放的。二十世紀(jì)八十年代以后，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)和發(fā)展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、園林主管部門(mén)在城市建設(shè)、改造的過(guò)程中，以及環(huán)境的美化和文化氛圍的營(yíng)造上對(duì)噴泉提出了求新的要求。二十世紀(jì)九十年代以后，社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，全國(guó)城市建設(shè)速度加快，人們也追求高質(zhì)量的文化生活和環(huán)境美，市場(chǎng)的需求推動(dòng)了噴泉行業(yè)的發(fā)展。噴泉走出公園、園林的圍墻和廣場(chǎng)的中心，深入延伸到人們的各個(gè)社會(huì)活動(dòng)場(chǎng)所。許多噴泉專業(yè)的生產(chǎn)廠商和專業(yè)公司，在這段時(shí)間內(nèi)應(yīng)運(yùn)而生，迅速發(fā)展起來(lái)。專業(yè)技術(shù)人員把計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)，以及聲、光、電、霧、火、激光、音樂(lè)、水幕電影等學(xué)科的技術(shù)應(yīng)用到噴泉之中，把噴泉行業(yè)的技術(shù)水平推上了一個(gè)新的層面。1.2PLC的發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)控制領(lǐng)域隨著近代半導(dǎo)體技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)生了翻天覆地的變化，PLC也在朝著自己的新技術(shù)方向發(fā)展，主要分為以下幾個(gè)方向：一是PLC大力開(kāi)發(fā)智能模塊，加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信能力。PLC只有加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信能力才有出路，才更適應(yīng)市場(chǎng)的需求。加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信有包括PLC之間聯(lián)網(wǎng)通信和PLC與計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通信，這是構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)必須的，另外就是各個(gè)廠家最好協(xié)商制定一個(gè)通用的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，最后就是PLC信號(hào)采集與傳感器、上位機(jī)等之間的通信協(xié)議的發(fā)展。只有這些發(fā)展好了才能做出更好更大的系統(tǒng)，才能適應(yīng)市場(chǎng)的需求。

二是PLC向超小型化和超大型化方向發(fā)展，當(dāng)前中小型PLC越來(lái)越多，為了適應(yīng)社會(huì)的需求，PLC不得不向超小型化和超大型化這兩個(gè)方向發(fā)展。超小型PLC的優(yōu)點(diǎn)是配置靈活，因此既可以單機(jī)運(yùn)行，也可以用于小型自動(dòng)控制系統(tǒng)。而超大型PLC因?yàn)椴捎枚鄠€(gè)CPU并行工作，且具有大容量存儲(chǔ)，功能強(qiáng)大，在現(xiàn)代化市場(chǎng)也占有一席之地。三是PLC向操作簡(jiǎn)易化方向發(fā)展。復(fù)雜的編程使得用戶望而卻步，阻礙了PLC的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。PLC的發(fā)展方向必然是簡(jiǎn)化對(duì)復(fù)雜任務(wù)的編程。第2章控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1噴泉的控制方案噴泉有A、B、C三組噴頭：按下開(kāi)始按鈕后，A組先噴，10s后停，然后B組和C組同時(shí)噴；10s后B停，再10s后C停；A、B又噴，5s后，C也噴，持續(xù)10s后全停；再5s后重復(fù)以上步驟；按下停止按鈕后，A、B、C3組噴頭全部停止。噴泉水柱的高低由水泵控制，水泵是由三相異步電動(dòng)機(jī)組成的，由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使水柱發(fā)生變化。圖2.1噴泉結(jié)構(gòu)圖圖2.2控制系統(tǒng)流程圖2.2PLC的工作原理當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段：輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。（2）用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。（3）輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。圖2.3PLC的基本結(jié)構(gòu)2.3PLC型號(hào)的選擇方案PLC的優(yōu)點(diǎn)很多，主要包括：編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)；功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高；硬件配套齊全、用戶使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)；可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少；維修工作量低、維修方便；體積小、能耗低等。而且PLC在各個(gè)工業(yè)部門(mén)的應(yīng)用范圍都得到了擴(kuò)展。本方案采用S7-200PLC作為噴泉的主控制器來(lái)控制水泵的運(yùn)行。S7-200PLC是一種小型的PLC，它有5種CPU模塊，最多可以擴(kuò)展7個(gè)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量I/O或者38路模擬量I/O，最多有30多KB的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。集成了6個(gè)有12種工作模式的高速計(jì)數(shù)器和兩點(diǎn)高速脈沖發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)制器。本設(shè)計(jì)方案可以選擇S7-200CPU224的PLC作為主控制器，該型號(hào)的PLC共14入10出24個(gè)I/O點(diǎn)。從I/O點(diǎn)分配方面來(lái)說(shuō)很適合本設(shè)計(jì)的控制要求。但是這也限制了它以后的發(fā)展，在改變噴水方式的時(shí)候很不方便，因此不利于調(diào)整。圖2.4S7-200PLC2.4水泵的選擇方案水泵的種類(lèi)根據(jù)不同的要求，分類(lèi)比較多；大致有臥式水泵和潛水泵。但都是根據(jù)各自對(duì)水泵的揚(yáng)程、流量、使用的場(chǎng)合、能耗比、性價(jià)比等來(lái)選擇合適自己水泵。

根據(jù)本文的要求，選擇采用潛水泵。因?yàn)闈撍檬欠胖迷谒?，因此不需要泵房，這樣可以降低造價(jià)。而且潛水泵能耗低，體積小，重量輕，不需灌引水，使用維護(hù)及管理方便，并且達(dá)到了節(jié)約水資源的目的，具有臥式水泵所不具有的優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)噴泉的噴水要求。

本設(shè)計(jì)采用上海申一水泵制造有限公司生產(chǎn)的QY型油浸式潛水泵，其額定功率1KW，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。QY型油浸式潛水電泵是由充油式潛水電機(jī)與離心式水泵同軸聯(lián)接組成。符合JB/T8092-1996標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，產(chǎn)品取得全國(guó)生產(chǎn)許可證，經(jīng)過(guò)三十多年來(lái)不斷的改進(jìn)和完善，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、工礦排水、水景噴泉、水產(chǎn)養(yǎng)殖，魚(yú)塘增氧、防洪排澇等領(lǐng)域。具有泵電一體化、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)；無(wú)需引水、使用簡(jiǎn)便；雙端密封、電器保護(hù)；設(shè)計(jì)合理、性能優(yōu)良等特點(diǎn)。水泵的使用條件是潛水深度不超過(guò)5米；水溫不超過(guò)+40℃；PH值應(yīng)在5-9之間，因此，很適合用本設(shè)計(jì)的要求。圖2.5QY型油浸式潛水泵2.5變頻器的選擇方案變頻調(diào)速技術(shù)是針對(duì)固定工頻而采取的高效節(jié)能措施，工頻（50Hz）是發(fā)電的最佳頻率，但它并非是所有用電設(shè)備的最佳工作頻率，因而導(dǎo)致許多設(shè)備長(zhǎng)期處于低頻率、低功率引述運(yùn)行狀態(tài)。占全國(guó)耗電2/3的交流電動(dòng)機(jī)目前大多數(shù)還在工頻、恒速下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行效率只有60%左右。為了提高效率，所以在本設(shè)計(jì)中用到變頻器。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把貢品交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。整流部分為三橋式不可控整流器，逆變比分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn)：采用變頻的目的：恒壓控制或恒流控制等。（2）變頻器的負(fù)載類(lèi)型;如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。（3）變頻器與負(fù)載的匹配問(wèn)題：①電壓匹配：變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。②電流匹配：普通的離心泵，變頻器的額定電流與電動(dòng)機(jī)的額定電流相符。對(duì)于特殊的負(fù)載如深水泵等需要參考電機(jī)的性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過(guò)載能力。③轉(zhuǎn)矩匹配：這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或又減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。在使用變頻器驅(qū)動(dòng)告訴電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流地阿牛值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型；變頻器如果要長(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣的情況下，變頻器容量要更大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器；對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)引起變頻器的降容，變頻器的容量要放大一檔。本設(shè)計(jì)是通過(guò)變頻器蘇調(diào)技術(shù)來(lái)控制每環(huán)噴水的高度。我選用的是FR-S520（E）系列變頻調(diào)速器。其實(shí)物圖如圖2.6所示。圖2.6FR-S520（E）系列變頻器實(shí)物圖第3章系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)3.1PLC的外部接線在PLC控制系統(tǒng)中，PLC是主要控制設(shè)備，它與控制對(duì)象中各輸入信號(hào)如按鈕，繼電器觸點(diǎn)和輸出設(shè)備繼電器、接觸器、電磁閥的連接問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)如開(kāi)關(guān)按鈕、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)和其他一些檢測(cè)原件輸出的開(kāi)關(guān)量和模擬量，通過(guò)連接電路進(jìn)入PLC。對(duì)于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)強(qiáng)電電路觸點(diǎn)時(shí)，有些要求48V、50mA左右或110V、15—20mA左右才能可靠接通，而輸出模塊的輸入電源電壓一般不高，額定電流也是毫安級(jí)，要求注意模擬量輸入信號(hào)的數(shù)值范圍應(yīng)與PLC的模擬量輸入口數(shù)值相匹配。圖3.1PLC的外部接線圖3.2系統(tǒng)中PLC的I/O分配表設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)要求所選擇的I/O分配表如表3.1所示：表3.1系統(tǒng)I/O分配表輸入輸出名稱符號(hào)地址編號(hào)名稱符號(hào)地址編號(hào)啟動(dòng)按鈕SB1I0.0A泵接觸器KMAQ0.0停止按鈕SB2I0.1B泵接觸器KMBQ0.1C泵接觸器KMCQ0.23.3系統(tǒng)中電磁閥的選擇水下專用電磁閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)元件、為音樂(lè)噴泉的核心控制設(shè)備，特別適用于跑泉的水路控制。

主要技術(shù)參數(shù)

：（1）原理結(jié)構(gòu)：直動(dòng)膜片型、先導(dǎo)膜片型

控制方式：常閉式

流體范圍：水

使用壽命：≥25萬(wàn)次

（2）流體溫度：-5℃~+50℃

（3）接口形式：螺紋式、法蘭式

（4）閥體材質(zhì)：黃銅、304不銹鋼

（5）標(biāo)準(zhǔn)電壓：AC220V、DC24V

（6）電氣連接：澆封預(yù)埋式防水電纜線（7）

防護(hù)等級(jí)：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IP68

在這里要注意一點(diǎn)問(wèn)題，PLC一般的輸出電壓為24V，假如電磁閥的功率較大的話驅(qū)動(dòng)器就要使用中間驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。但是在本設(shè)計(jì)中選擇的水下電磁閥適合PLC的輸出電壓故不需中間驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)繼電器。

水下專用電磁閥是利用介質(zhì)壓力差工作的直動(dòng)式電磁閥門(mén)，它采用膜片結(jié)構(gòu)，具有啟閉迅速、性能穩(wěn)定、使用方便、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)；該閥坑污能力極強(qiáng)，可在江、河、湖、海及各種人工水域中長(zhǎng)期使用，基高超的性能處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。圖3.2電磁閥實(shí)物圖3.4系統(tǒng)硬件接線圖系統(tǒng)的硬件連接圖即PLC和系統(tǒng)中各個(gè)硬件的連線。具體的如圖3.3所示：圖3.3系統(tǒng)硬件接線圖第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件流程圖PLC通電后，進(jìn)入工作狀態(tài),首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括：配置定時(shí)器和變頻器，如果按下啟動(dòng)按鈕，噴泉裝置進(jìn)入工作狀態(tài)，若不按，則回到初始狀態(tài)，接著按著“A組先噴，10s后停；然后B組和C組同時(shí)噴；10s后B停；再10s后C停，A、B又噴；5s后C也噴；持續(xù)10s后全停；再5s后重復(fù)以上步驟”的要求進(jìn)行執(zhí)行程序，如果按下停止按鈕，系統(tǒng)則停止運(yùn)行，如果不按停止按鈕，系統(tǒng)則按照要求的順序循環(huán)運(yùn)行下去直到按下停止按鈕，流程圖如圖4.1所示。

圖4.1系統(tǒng)軟件流程圖4.2軟件的選用本設(shè)計(jì)采用STEP7軟件進(jìn)行編寫(xiě)系統(tǒng)程序，該軟件主要有組態(tài)硬件；組態(tài)通信連接；使用編程語(yǔ)言編寫(xiě)用戶程序；下載和調(diào)試用戶程序、啟動(dòng)、維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷等功能。功能強(qiáng)大，很適合用來(lái)編寫(xiě)噴泉的控制程序。編程軟件界面如圖4-2所示。第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)所做PLC的設(shè)計(jì)，讓我進(jìn)一步對(duì)PLC的應(yīng)用及功能做了了解，對(duì)軟件梯形圖的應(yīng)用也變的熟練。我掌握了更多關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的知識(shí)，明白了自動(dòng)噴泉控制系統(tǒng)的組成，S7-200PLC的功能及特點(diǎn)。無(wú)論是在硬件還是軟件設(shè)計(jì)上，我都遇到了不少的問(wèn)題，在克服困難的過(guò)程中，我學(xué)到了許多，特別是在課堂上學(xué)不到的東西。使我重新系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了網(wǎng)絡(luò)測(cè)控，可編程控制器等課程，熟悉掌握了PLC的使用。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟有了清楚的了解，并掌握了一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。學(xué)會(huì)了如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。并在查閱資料的過(guò)程中對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和問(wèn)題的解決提出了新的見(jiàn)解，分析問(wèn)題出現(xiàn)的原因，使得對(duì)問(wèn)題理解也更加深刻。

通過(guò)本次設(shè)計(jì)，讓我很好的鍛煉了理論與具體項(xiàng)目、課題相結(jié)合開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)老師和同學(xué)的幫助和自己的不斷摸索，掌握了不少的工程技術(shù)方法，同時(shí)也培養(yǎng)了自己的工程設(shè)計(jì)思想，為以后的實(shí)際工作打下了一定的基礎(chǔ)。因此，既讓我們懂得了怎樣把理論應(yīng)用于實(shí)際，又讓我們懂得了在實(shí)踐中遇到的問(wèn)題怎樣用理論去解決。最后，非常感謝老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助。參考文獻(xiàn)[1]梅麗鳳.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù).機(jī)械