花式噴泉的PLC控制設(shè)計.doc

畢業(yè)設(shè)計電氣控制技術(shù)課程設(shè)計說明書自動噴泉PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化班 級： 學(xué) 號： 完成時間： 湖南工學(xué)院電氣控制技術(shù)課程設(shè)計課題任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師學(xué)生姓名丁望望課題名稱自動噴泉PLC控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)一、目標(biāo)設(shè)計一個基于PLC的自動噴泉控制系統(tǒng)。在許多休閑廣場、景區(qū)或游樂場里，經(jīng)?？吹絿娝匆欢ǖ囊?guī)律噴水或變化式樣，若在夜晚配上各種彩色的燈光顯示，更加迷人。如圖1所示為一花式噴水池，采用PLC控制是比較方便的，在花式噴水時序確定的前提下，可以通過改變時序或者改變控制開關(guān)，就可以改變控制方式，達(dá)到顯現(xiàn)各種復(fù)合狀態(tài)的要求。在圖1中，4為中間噴水管，3為內(nèi)環(huán)狀噴水管，2為一次外環(huán)形狀噴水管，1為外環(huán)形狀噴水管。 (a) 花式噴水池演示示意圖 (b) 操作控制開關(guān)面板圖圖1 花式噴水池示意圖二、任務(wù)根據(jù)控制要求，明確設(shè)計任務(wù)，擬定設(shè)計方案與進度計劃，運用所學(xué)的理論知識，進行自動噴泉的控制原理設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計，提高理論知識工程應(yīng)用能力、系統(tǒng)調(diào)試能力、分析問題與解決問題的能力。主要內(nèi)容包括：1. 設(shè)計該系統(tǒng)電氣控制硬件系統(tǒng)；2PLC選擇及I/O及其它PLC元器件分配。3選擇電器元件，編制元件目錄表。 4設(shè)計該系統(tǒng)PLC控制梯形圖。5用計算機繪制PLC控制電路圖。6進行系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)自動噴泉的控制要求。7. 編寫設(shè)計說明書。三、要求某一噴水池的控制器需滿足下列要求：1控制器電源開關(guān)接通后，按下啟動按鈕，噴水裝置開始工作。按下停止按鈕，則停止噴水。工作方式由選擇開關(guān)和單步/連續(xù)開關(guān)來決定。2“單步/連續(xù)開關(guān)”在單步位置時，噴水池只運行一次循環(huán)；在連續(xù)位置時，噴水池運行一直繼續(xù)下去。3方式選擇開關(guān)用來選擇噴水池的噴水花樣，14號噴水管的工作方式選擇如下：選擇開關(guān)在位置“1”時。按下啟動按鈕后，4號噴水，延時2s后，3號也噴水，延時2s后，2號接著噴水，再延時2s，1號噴水，這樣，一起噴水15s后停下。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。選擇開關(guān)在位置“2”時。按下啟動按鈕后，1號噴水，延時2s后，2號也噴水，延時2s后，3號接著噴水，再延時2s，4號噴水，這樣，一起噴水30s后再停下。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。選擇開關(guān)在位置“3”時。按下啟動按鈕后，1、3號同時噴水，延時3s后，2、4號噴水，1、3號停止噴水；交替運行5次后，14號全噴水，30s后停止。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。選擇開關(guān)在位置“4”時。按下啟動按鈕后，噴水池14號噴水管的工作順序為：1234號按順序延時2s噴水，然后一起噴水30s，1、2、3和4號分別延時2s停水，再延時1s，由4321號反向順序按2s順序噴水，一起噴水30s后停止。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。4不論在什么工作方式下，按下停止按鈕，噴水池將停止運行。主要參考資料1 史國生. 電氣控制與可編程控制器技術(shù)M。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012。2 于廣慶. 可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計M。北京：清華大學(xué)出版社，2004。3 吳啟紅. 變頻器、可編程控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù)實操指導(dǎo)書（第二版）M。北京：機械工業(yè)出版社，2010。4 史國生，鞠勇. 電氣控制與可編程控制器技術(shù)實訓(xùn)教程M。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010。5 于曉云，許連閣. 可編程控制技術(shù)應(yīng)用項目化教程M。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011。 6 廖常初. PLC編程及應(yīng)用M。北京：機械工業(yè)出版社，2005年。7 胡學(xué)林. 可編程控制器應(yīng)用技術(shù)M。北京：高等教育出版社，2001年。8 三菱FX系列可編程序控制器編程手冊M。三菱公司編，2001年。9 三菱可編程序控制器應(yīng)用101例M。三菱公司編, 1994年。10 史宜巧，孫業(yè)明，景紹學(xué). PLC技術(shù)及應(yīng)用項目教程M。北京：機械工業(yè)出版社，2009。教研室意見 教研室主任：（簽字）年 月 日1 緒 論1.1課題研究背景隨著城市化進程的加速，花式噴泉可以在人們周圍隨處可見。比如廣場，大廈，小區(qū)等?；ㄊ絿娙侨嗽煨夂?，在炎熱的夏日可以起到增濕和降溫的作用；也為水體充氧，有利于水體增加自凈能力，起到防止水體黑臭的作用。花式噴泉運行的靈活性是評價花式噴泉優(yōu)劣的關(guān)鍵，而這與花式噴泉的控制系統(tǒng)息息相關(guān)。花式噴泉可以根據(jù)自己的設(shè)計，設(shè)計出各種各樣的花樣，加上燈光，能給人有種不錯的視覺享受。1985年國際電子委員會（iec）對plc的定義如下：Plc是自動控制技術(shù)，計算機技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動化三大支柱（plc、robot、cad/cam）的首位?？删幊炭刂破鳎喎Qplc。它在集成電路、計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設(shè)備。具有1.可靠性高、抗干擾能力強2.設(shè)計、安裝容易3.維修工作量少4.功能強、通用性好5.開發(fā)周期短、成功率高6.體積小、重量輕、功耗底等特點。具有功能強、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動化控制的各個領(lǐng)域，并已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(chǎn)品。與繼電觸發(fā)器系統(tǒng)相比系統(tǒng)更加可靠;價格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維修、維護；能直接推動電磁閥、接觸器與之相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機構(gòu)；能向中央執(zhí)行機構(gòu)。因此，進行花式噴泉的plc控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以推動噴泉行業(yè)的發(fā)展，擴大plc在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究的價值。1.2課題設(shè)計的目的和意義隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，微電子技術(shù)，計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)進入個嶄新的時代，其應(yīng)用越來越廣。而隨著我國城市化進程的加快和人口大量集聚，環(huán)境越來越重要，好的環(huán)境能使心身愉快，做事效率提高。其中噴泉可以濕潤周圍空氣，減少塵埃，降低氣溫。噴泉的細(xì)小水珠同空氣分子撞擊，能產(chǎn)生大量的負(fù)氧離子，有益于改善社區(qū)面貌和增進居民身心健康。2 系統(tǒng)控制方案的確定2.1采用PLC控制花式噴泉的優(yōu)點 （1）控制方式上看：PLC軟接線，只需改變控制程序就可輕易改變邏輯或增加功能。 （2）工作方式看：PLC串行工作，不受制約。（3）控制速度上看：PLC通過半導(dǎo)體來控制，速度很快，無觸點，顧而五抖動一說。（4）定時、計數(shù)看：PLC時鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定時范圍寬，有記憶功能。（5）可靠、維護看：PLC無觸點，壽命長，且有自我診斷功能，對程序執(zhí)行的監(jiān)控功能，現(xiàn)場調(diào)試和維護方便。2.2系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟在花式噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中主要考慮以下幾點：（1）深入了解和分析花式噴泉的工藝條件和控制要求。（2）確定I/O設(shè)備。根據(jù)花式噴泉控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的輸入、輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開關(guān)等，常用的輸出設(shè)備有指示燈等。（3）根據(jù)I/O點數(shù)選擇合適的PLC類型。（4）分配I/O點，分配PLC的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或輸入輸出端子 的接線圖。（5）設(shè)計花式噴泉系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設(shè)計出周密完整的梯形圖（6）程序，這是整個花式噴泉系統(tǒng)設(shè)計的核心工作。（7）將程序輸入PLC進行軟件測試，查找錯誤，使系統(tǒng)程序更加完善。2.3系統(tǒng)控制方案花式噴泉系統(tǒng)的控制要求如下：1、 控制器電源開關(guān)接通后，按下啟動按鈕，噴水裝置即開始工作。按下停止按鈕， 則停止噴水。工作方式由選擇開關(guān)和單步連續(xù)開關(guān)決定。2、 “單步連續(xù)”開關(guān)在單步位置時，噴水池只運行一次循環(huán)：在連續(xù)位置時， 噴水池運行一直繼續(xù)下去。3、 方式選擇開關(guān)用來選擇噴水池的噴水花樣，14號噴水管的工作方式選擇如下（1）選擇開關(guān)在位置“1”時。按下啟動按鈕后，4號噴水，延時2s后，3號也 噴水，延時2s后，2號接著噴水，再延時2s，1號噴水，這樣，一起噴水15s后停下。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。（2） 選擇開關(guān)在位置“2”時。按下啟動按鈕后，1號噴水，延時2s后，2號噴水，延時2s后，3號接著噴水，再延時2s，4號噴水，這樣，一起噴水30s后再停下。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。（3）選擇開關(guān)在位置“3”時。按下啟動按鈕后，1、3號同時噴水，延時3s后，2、4號噴水，1、3號接著噴水：交替運行5次后，14號全噴水，30s后停止。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。（4）選擇開關(guān)在位置“4”時。按下啟動按鈕后，噴水池14號水管的工作順序為： 1234按順序延時2s噴水，然后一起噴水30s，1、2、3和4號分別延時2s停水，再延時1s，由4321反向順序按2s順序噴水，一起噴水30s后停止。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。4、 不論在什么工作方式下，按下停止按鈕，噴水池將停止運行?；ㄊ絿娙厥疽鈭D如圖2-1所示： 2.4花式噴泉控制系統(tǒng)的原理圖在噴泉中，通過按鈕開關(guān)信號來控制PLC：因為有4層噴水，因此用了1個變頻器控制4個水泵?；ㄊ絿娙刂葡到y(tǒng)的原理如圖2-2所示： 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 可編程控制器（PLC）的選擇3.1.1 PLC概述可編程控制器，英文稱Progammable Controller,簡稱PLC，本課題中用PLC作為它的簡稱。PLC是用于工業(yè)現(xiàn)場的電控制器。它源于繼電器控制技術(shù)，但基于電子計算機。它通過運行存儲在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)對負(fù)載的控制。PLC有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的I/O接口、通信接口，有大容量的內(nèi)存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下基本的功能：1.邏輯處理功能；2.數(shù)據(jù)運算功能；3.準(zhǔn)確定時功能；4.高速計數(shù)功能；5.中斷處理（可以實現(xiàn)各種內(nèi)部中斷）功能；6.程序與數(shù)據(jù)存儲功能；7.聯(lián)網(wǎng)通信功能；8.自檢測、自診斷功能。可以說，凡普通小型計算機能實現(xiàn)的功能，PLC幾乎也都可以做到。3.1.2PLC的選型 在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點、控制要求，控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。（1）輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算I/O點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。（2）存儲器容量的估算存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來代替。（3）控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。根據(jù)本課題所設(shè)計控制的需求，主要介紹一下幾種功能的選擇。1.控制功能PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。2.編程功能離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，不能進行編程。離線編程方式降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在離線編程方式：CU和編程器有各自的CPU，主機CPU負(fù)載現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言：順序功能（SFC）、梯形圖（LD）、功能模式圖塊(FBD)三種圖形化語言和語句表（il）、結(jié)構(gòu)體文（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)（IEC113123），同時，還應(yīng)該支持多種語言編程方式，如C,Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。3.診斷功能PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對PLC的CPU與外幣輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時間。 4機型的選擇 通過對輸入/輸出點的選擇、對存儲量的選擇？對I/O響應(yīng)時間的選擇輸出負(fù)載的特點選型的分許。 該控制系統(tǒng)選用三菱公司FXON系列的PLC。它體積小，重量輕，使用壽命長，編程和維護方便，故障率低，通過擴展模塊的鏈接，可以增加輸入/輸出點數(shù)。我設(shè)計的花式噴泉模型共有6個輸入，11個輸出，因此，選用型號為FX2N-32MR的PLC。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 PLC梯形圖概述梯形圖時使用的最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計成為編程。PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了幾點起這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部繼電器等，該存儲單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應(yīng)軟繼電器的線圈“通電”，其常來觸電接通，常閉觸點斷開，稱這種狀態(tài)時該軟繼電器的“1”或“ON”狀態(tài)。如果該存儲單元為“0”狀態(tài)，對應(yīng)軟繼電器的線圈和觸點的狀態(tài)與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或“OFF”狀態(tài)。使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編程元件。4.2 I/O分配表輸入I/O分配表序號輸入說明1X0啟動按鈕2X1停止按鈕3X2連續(xù)按鈕4X3單步按鈕5X4方式1選擇開關(guān)SA16X5方式2選擇開關(guān)SA27X6方式3選擇開關(guān)SA38X7方式3選擇開關(guān)SA4輸出I/O分配表序號輸出說明1Y0電磁閥YA12Y1電磁閥YA23Y2電磁閥YA34Y3電磁閥YA44.3 I/O接線圖4.4 流程圖 自動噴泉設(shè)計是主要用了跳轉(zhuǎn)指令完成過程循環(huán)的過程，用定時器定時實現(xiàn)噴頭之間的運行，通過互鎖實現(xiàn)單獨的工作方式運行不會出現(xiàn)多種方式共同運行的情況。通電后，進入工作狀態(tài)。如按下啟動按鈕，噴泉裝置進入準(zhǔn)備工作狀態(tài)，若不按，則回到初始狀態(tài)。如按下啟動按鈕，噴泉按照設(shè)定的程序開始運行。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。開始按下啟動按鈕停止按鈕是否打開是開關(guān)在1位置開關(guān)在2位置開關(guān)在4位置開關(guān)在3位置是是是是否否否否執(zhí)行工作方式1執(zhí)行工作方式2執(zhí)行工作方式3執(zhí)行工作方式44.5 自動噴泉的程序設(shè)計 系統(tǒng)總程序如附錄所示。各樣式工作程序如下所示：（1） 樣式選擇1：選擇開關(guān)在位置“1”時。按下啟動按鈕后，4號噴水，延時2s后，3號也噴水，延時2s后，2號接著噴水，再延時2s，1號噴水，這樣，一起噴水15s后停下。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。樣式選擇1程序如圖3所示。圖3 樣式選擇1程序2）樣式選擇2：選擇開關(guān)在位置“2”時。按下啟動按鈕后，1號噴水，延時2s后，2號也噴水，延時2s后，3號接著噴水，再延時2s，4號噴水，這樣，一起噴水30s后再停下。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。樣式選擇2程序如圖4所示。圖4 樣式選擇2程序（3）樣式選擇3：選擇開關(guān)在位置“3”時。按下啟動按鈕后，1、3號同時噴水，延時3s后，2、4號噴水，1、3號停止噴水；交替運行5次后，14號全噴水，30s后停止。若在連續(xù)狀態(tài)時，將繼續(xù)循環(huán)下去。樣式選擇3程序如圖5所示。圖5 樣式選擇3程序（4） 樣式選擇4：選擇開關(guān)在位置“4”時。按下啟動按鈕后，噴水池14號噴水管的工作順序為：1234號按順序延時2s噴水，然后一起噴水30s，1、2、3和4號分別延時2s停水，再延時1s，由4321號反