PLC控制的花式喷泉设计 论文

PLC控制的花式喷泉 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 论文 河北机电职业技术学院 题目 PLC控制的花式喷泉设计 专 业 计算机控制技术 班 级 计控0801 学生姓名 梁艳华 指导教师 第1页共41页 河北机电职业技术学院 摘要 随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。 花式喷泉采用了可编程控制器PLC和变频器，用软件实现对花式喷泉运行的自动控制，可靠性大大提高。控制系统结构简单，外部线路简化，可方便的增加或改变控制功能，也可以进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。用PLC编程，可以使设计思路清晰，编程简便。而变频器调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因素和节电效果，可以控制喷泉水位的高度，广泛的适用范围及其它许多优点而获国内外公认为最有发展前途的调速方式。因此，可编程控制器PLC技术加变频器调速技术已成为现代喷泉行业的一个热点。 本设计是利用PLC编程和变频器的调速技术，有三种喷水花样可供选择，能够控制每环喷水管喷水的高度，喷水时有灯光显示，可以根据不同的季节、不同的场合可改变喷水的花样;将各种水型及灯光按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变化。 关键字:可编程控制器PLC;花式喷泉;变频器;水泵。 第2页共41页 河北机电职业技术学院 目录 摘要........................................................1 第一章绪论..................................................4 1.1课题研究背景.........................................4 1.2课题设计的内容........................................5 1.3课题设计的目的和意义..................................5 第二章系统控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的确定.....................................7 2.1花式喷泉的概述........................................7 2.2采用 PLC控制花式喷泉的优点............................7 2.3系统设计的基本步骤....................................7 2.4系统控制方案..........................................8 2.5花式喷泉控制系统的原理图..............................9 第三章系统硬件设计.....................................10 3.1可编程控制器(PLC)的选型.............................10 3.2变频器的选型.........................................12 3.3水泵的选型...........................................12 3.4硬件接线图...........................................13 第四章系统软件设计..........................................16 4.1 PLC梯形图概述.......................................16 4.2软件的选用...........................................16 4.3 I/O模块的选用........................................17 4.4 PLC的I/O地址分配简介................................17 4.5花式喷泉的PLC控制流程图..............................19 4.6控制系统程序设计.....................................19 4.7系统程序的可行性.....................................27 第五章系统的仿真和调试......................................29 5.1仿真软件的选用.......................................29 5.2系统的调试...........................................29 第六章结论..................................................35 致谢........................................................36 参考文献....................................................37 第3页共41页 河北机电职业技术学院 第1章绪论 1.1课题研究背景 随着城市化进程的加速，花式喷泉可以在人们周围随处可见。比如广场，大厦，小区等。花式喷泉是人造小气候，在炎热的夏日可以起到增湿和降温的作用;也为水体充氧，有利于水体增加自净能力，起到防止水体黑臭的作用。花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花式喷泉的控制系统息息相关。花式喷泉可以根据自己的设计，设计出各种各样的花样，加上灯光，能给人一种绚烂的视觉享受。 1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国GM公司的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC (programmable logic controller)。 70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC (programmable controller).但由于PC容易与个人计算机(programmable computer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。 1985年国际电工委员会(IEC)对PLC的定义如下: 可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。 PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用:(1)逻辑运算(2)弱电控制强电。 PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型 CAD/CAM)的首工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱(PLC、ROBOT、位。可编程控制器，简称PLC。它是在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。具有:可靠性高、抗干扰能力强;设计、安装容易，维护工作量少;功能强、通用性好;开发周期短，成功率高;体积小，重量轻、功耗低等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点。已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电----接触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、维护、维修;能直接推动电磁阀、接 第4页共41页 河北机电职业技术学院 触器与于之相当的执行机构;能向中央执行机构、中央数据处理系统直接传输数据等。 因此，进行花式喷泉的PLC控制系统的设计，可以推动喷泉行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。 1.2课题设计的内容 本设计将在以下几个方面对花式喷泉的控制系统进行研究和论证。 1(花式喷泉类型的选择。综合花式喷泉的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究中有三种喷水花样可供选择:能够控制每环喷水管喷水的高度;可以根据不同的季节、不同的场合可改变喷水的花样。将各种水型，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型有各种各样的变化。 2.花式喷泉硬件系统的设计。本课题设计的花式啧泉要求运行迅速准确度高，在花式喷泉的各层检测系统中选用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现控制。用于满足本课题中在硬件系统的设计过程中主要考虑的花式喷泉的经济实用、稳定、灵活、美观的需要。 3(花式喷泉控制系统软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计花式喷泉控制的要求，梯形图的编写运用STEP 7 V5.5编程软件，STEP 7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它们编程、监控和参数设置的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。STEP 7具有的功能有:硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。 1.3课题设计的目的和意义 随着我国经济的高速发展，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进入个崭新的时代，其应用越来越广。而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。 可编程序控制器(PLC)因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便己经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装矍，成为当代工业自动化的主要支柱之一。花式喷泉控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配 第5页共41页 河北机电职业技术学院 备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC对程序设计，提高了喷泉的控制水平，并改善了喷泉的样式。 第6页共41页 河北机电职业技术学院 第2章系统控制方案的确定 2.1花式喷泉的概述 喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。 现代城市中的喷泉形式己十分丰富。随着构筑物的大小及水压等的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈。可分为以下7种: (一)普通喷泉:只有简单的几种固定水型及灯光，随着电源的开闭而控制喷泉的运行、水型和灯光变化 (二)程控喷泉:将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变化 (三)音乐喷泉:在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，计算机通过对音频及MIDI信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步 (四)水幕激光喷泉:将激光器发出的激光束射在水幕喷头喷出的水膜上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多样的图案及色彩，照射在晶莹透明的水膜上，形成斑斓夺目的奇异效果。 (五)水珍珠喷泉:利用特殊音波将水变成球体的喷水装置和全频高速闪光灯的视觉图像效果的产品组成。 (六)游戏喷泉:又称感应泉，喷泉水柱根据游人的动作产生反应，而且这种反应具有不确定性，是一种互动式喷泉，增强了娱乐氛围。 (七)跳跳喷泉:又名光亮泉。是一种高科技水景艺术，水形似根根晶莹透彻地冰柱，一串串飞向空中，轻舞飞扬。 2.2采用PLC控制花式啧泉的优点 1、控制方式上看:PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。 2、工作方式上看: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，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。 4,定时、记数上看:PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽:有记数功能。 5、可靠、维护上看:PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。 2.3系统设计的基本步骤 第7页共41页 河北机电职业技术学院 在花式喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点 1.深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。 2.确定I/O设备。根据花式喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。 3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。 4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。 5.设计花式喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。 6.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. 2.4系统控制方案 花式喷泉系统的控制要求如下: (一)1,2均为外环形状的喷水管,3为内环形状的喷水管，,4为星形喷水管。 灯光系统由三条支路组成，分别为绿色灯支路(在1, 2之间)、黄色灯支路(在2, 3之间)、红色灯支路(在3, 4之间)。 (二)该喷泉共有三种花样可供选择。按下启动按钮，喷泉即开始工作，按下停止按钮，则停止喷水。喷泉的工作方式(即喷水花样)由选择开关来实现。 (三)该花式喷泉有三种喷水花样可供选择: (1)第一种花样:1、3号喷头同时喷水，延时2秒后，2、4号喷头喷水，1号、3号喷头停止喷水，再延时2秒后1、3号喷头喷水，2、4号喷头停止喷水，如此循环，直到按下停止按钮。 (2)第二种花样:1号喷头喷水，延时2秒后，1号喷头喷水，再延时2秒后，3号喷头喷水，再延时2秒后，4号喷头喷水，再延时2秒后，3号喷头喷水，再延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2秒后，1号喷头喷水，再延时2秒后，2号喷头喷水，如此循环，直到按下停止按钮。 (3)第三种花样:4号喷头喷水，延时2秒后，3号喷头喷水，再延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2秒后，1号喷头喷水，再延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2秒后，3号喷头喷水，再延时2秒后，4号喷头喷水，再延时2秒后，3号喷头喷水，如此循环，直到按下停止按钮。 花式喷泉池示意图如图2-1所示: 第8页共41页 河北机电职业技术学院 图2-1花式喷泉池示意图 2.5花式喷泉控制系统的原理图 在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC:因为有4层喷水，因此用了1个变频器来控制4个水泵。花式喷泉控制系统的原理图如图2-2所示: 图2-2花式喷泉控制系统原理图 第9页共41页 河北机电职业技术学院 第三章系统硬件设计 3.1可编程控制器(PLC)的选型 3.1.1 PLC概述 可编程控制器，英文称Programmable Controller,简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。 PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的.而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题，入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点.PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。 PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能: ?逻辑处理功能; ?数据运算功能; ?准确定时功能; ?高速计数功能; ?中断处理(可以实现各种内外中断)功能; ?程序与数据存储功能; ?联网通信功能; ?自检测、自诊断功能. 可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。 像PLC这样.有很丰富的功能，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件 3.1.2 PLC发展历史 自第一台可编程控制器问世以来，可编程控制器的发展与计算机技术、自动控制技术、半导体技术及通信技术等高新技术的发展是紧密相关的。这些技术的每次革新，都会给可编程控制器带来功能和特性的新变化，使得可编程控制器技术的与飞速发展。目前，可编程控制器以实 第10页共41页 河北机电职业技术学院 现从“单片机控制自动化——生产线控制自动化——全厂生产自动化”的三级解决方案，成为工业自动化的核心控制设备。回顾可编程控制器的发展历程，大致可划分为4个阶段。 (1)从1969年到20世纪70年代中期 这一阶段可编程控制器主要用于逻辑运算和技术技术运算其中央处理器由中小规模数字集成电路组成存储器为此信存储器，控制功能比较简单。典型产品有莫迪康公司的084、ALLEN-BRADLEY(AB)公司的PDQ2等。由于这些产品主要完成逻辑运算功能，因此，被称为可编程序逻辑控制器(PLC)。 (2)20世纪70年代中期到80年代初期 这一阶段可编程控制器的CPU采用微车力气，存储器采用半导体存储器，不仅整机的体积减小，而且数据处理能力获得很大提高，增加了数据运算、传送、比较等功能，实现了对模拟量的控制。可编程控制器的名称碎屑为PC，但为了于个人计算机的名称缩写PC相区别，通常还把可编程控制器简称为PLC。 (3) 20世纪80年代初期到90年代初期 这一阶段由于16位，32位微处理器的出现和应用，PLC向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展，形成了多种系列化产品，出现了结构紧凑、功能强大、性能价格比搞的新一代产品，并出现多种不同性能的分布式网络系统，在功能上，PLC具有了数学运算、数据采集和处理、运动控制、闭环控制、联网通信等功能，而且随着应用领域的不断迅速扩大，PLC已成为构成生产过程自动控制系统的主要设备。在此期间，国际电工委员会颁布了PLC标准，似的PLC向标准化发展。典型产品有罗克韦尔自动化公司的PLC-2系列、PLC-3系列，西门子公司的SYMATIC S5系列等。 (4) 20世纪90年代至今 这一阶段PLC继续得到快速发展，系统在网络通信、热备冗余方面都有了长足的进步，成为了一种功能强大的、成熟的控制系统。同时，通信从各厂家的自称系统逐步向开放的、统一的和通用的标准网络结构发展，如控制层的控制网、设备网和现场总线、管理层的以太网等。产品系列不断丰富，互通功能得到了较大的发展，系统性能日趋可靠、完善。同时，还捉不采用了符合IEC61131-3标准的程序设计语言，增加了高级编程语言等，似的各种生产数据采集和信息系统管理的视线变得容易、直接。这是，PLC已不是单纯意义上的可编程控制器了，而是一种完全的过程系统。典型产品有罗克韦尔自动化公司的PLC-5系列、 第11页共41页 河北机电职业技术学院 Control-Logix系列，西门子公司的SYMATIC S7系统，莫迪康公司的Quantum系列等。 3.1.3 PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 3.1.4 PLC的主要技术指标 PLC的性能指标较多，主要介绍与组成PLC控制系统关系较直接的几个。 (1)编程语言及指令功能 梯形图语言、助记符语言在PLC中较为常见，梯形图语言一般在计算机屏幕上编辑，使用起来简单方便。助记符语言与计算机编程序相似，如果对有编制程序基础的工程技术人员来说，学习助记符会容易一些，只要理解各个指令的含义，就可以像做计算机程序一样写PLC的控制程序。如果两种语言都会使用更好，因为它们之间可以相互转换。PLC实际上只认识助记符语言，梯形图语言是需要转换成助记符语言后，存入PLC的存储器中。 现在功能图语言的使用有上升趋势。编程语言中还有一个内容是指令功能。衡量指令功能强弱可看两个方面:一是指令条数多少;二是指令中有多少综合性指令。一条综合性指令一般就能完成一项专门操作。用户编制的程序完成的控制任务，取决于PLC指令的多少，指令功能越多，编程越简单和方便，完成一定的控制任务越容易。 (2)输入输出点数 输入输出点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的最大数量，值得注意的是输入点数往往的大于输出点数的，且二者不能相互替代。 (3)扫描速度数是指PLC扫描1k(1k=1024)字用户程序所需的时间，通常以ms/k字为单位，扫描速度越快越好。 (4)存储容量 存储容量是存放用户程序的存储器的容量。通常用k来表示。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在编制PLC程序时，需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些寄存器的多少，直接关系到程序的编制，该存储器的容量越大，就可以编制出更复杂的程序。 第12页共41页 河北机电职业技术学院 (5)可扩展性 在现代工业生产中PLC的可扩展性也显的非常重要。主要包括: 1)输入输出点数的扩展; 2)存储容量的扩展; 3)联网功能的扩展; 4)可扩展的模块数; 另外，可编程序控制器的可靠性、易操作性及经济性等功能指示也受用户的关注。 3.1.5 PLC的应用与发展趋势 (1)可编程控制器的应用领域 PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛，主要可以归纳为以下几类: 1)开关量的逻辑控制 可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。 2)模拟量控制 在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。 3)运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。 4)过程控制 过程控制是指对连续变化的量进行控制。如对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。目前已广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。 5)数据处理 现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能。可以完成数据的采集、监测、分析和处理。这些数据可以与参考值比较，完成一定的控制操作。 第13页共41页 河北机电职业技术学院 也可以利用通讯功能传送到其他的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型过程控制系统，如冶金、造纸、食品工业中的一些大型控制系统。 6)通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着现代社会计算机技术的提高，网络通讯技术的不断发展，它也将和其他的工业控制计算机组网构成大型的控制系统，在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 (2)PLC的发展趋势 许多年前就有人预言，PLC将要被PC-BASED控制系统取代。但PLC的销售仍以十分稳定的增长率逐年上升。目前的PLC已经与十年前大不相同，十年后的PLC与如今的PLC也势必不同;但有两个方面是不变的:其一，PLC会提供稳定的控制响应;其二，高度的可靠性。可以预见的PLC发展趋势如下: 1)向高速度、大容量方向发展 为提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。 2)向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器。最小配置的I/O点数为8,16点，以适应单机及小型自动控制的需要。 3)PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力。 PLC厂商不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围 4)增强外部故障的检测与处理能力。 根据统计资料表明:在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前两项共20%故障属于PLC的内部故障;其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此， 第14页共41页 河北机电职业技术学院 PLC生产厂商都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，以期进一步提高系统的可靠性。 5)编程语言多样化。 在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，陆续出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。 3.1.5 PLC的选型 在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 1.输入输出(I/O)点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%-20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。 2.存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数(16位为一个字)，另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储200 0条 超市营销方案100条新疆维吾尔自治区教学常规60条中医养生知识100条工伤保险条例第30条感动服务100条 梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。 3.控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 根据本课题所设计控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。 (1)控制功能 PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多 第15页共41页 河北机电职业技术学院 回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。 (2)编程功能 离线编程方式:PLC和编程器公用一个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。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式:CPU和编程器有各自的CPU.主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。 五种标准化编程语言:顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能模块图(FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准(IEC6113123)，同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 (3)诊断功能 PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 3.1.6SIMATIC S7-200 PLC简介 S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。本课题选用的CPU为CPU224。 CPU 224 本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 3.2变频器的选型 我设计的是通过变频器调速技术来控制每环喷水管的高度。我选用 第16页共41页 河北机电职业技术学院 的是FR-5520 (S) E系列变频调速器。其实物图如图3-1示。 图3-1 FR-5520 (S) E系列变频调速器的实物图 3.3水泵的选型 由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确起停，而且其输出功率必须能够精确的进行控制。我选用品牌为DESHB(德士比)的 QYP100-4.5-2.2喷泉泵。具有以下忧点:结构紧凑;无需引水、使用简便;双端密封、电器保护;设计合理、性能优良;经久耐用、安全可靠。并且水泵出口采用圆法兰结构，电机为F级绝缘，适用于音乐喷泉等场合对电机频繁启动的要求.叶轮具有防松装置，不怕反转其实物图见其3一2所示: 图3-2 QYP喷泉泵的实物图 第17页共41页 河北机电职业技术学院 3.4硬件接线图 系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。具体的如图3-3,3-4所示: 图3-3硬件接线图 第18页共41页 河北机电职业技术学院 图3-4变频器和水泵的接线图 第19页共41页 河北机电职业技术学院 第四章系统软件设计 4.1 PLC梯形图概述 梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。 PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元(软继电器)，每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或"ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，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。 梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线(左母线和右母线)之间有一个左是正而右是负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动右母线可以不画出。 根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。 4.2 软件的选用 本设计采用STEP 7软件进行编写系统程序，该软件主要有组态硬件;组态通信连接;使用编程语言编写用户程序;下载和调试用户程序、启动、维护、文件建档、运行和诊断等功能。功能强大，很适合用来编写喷泉的控制程序。编程软件界面如图4-2所示。 第20页共41页 河北机电职业技术学院 图4-1软件编程界面 在FC1中编写花样1子程序，在FC2中编写花样2子程序，在FC3中编写花样3子程序，然后在OB1中编写主程序并调用子程序。 4.3 I/O模块的选 本设计选择SM332作为PLC的I/O模块，其I/O接口都是配对模块，I为输入、Q为输出。用于连接电磁阀、接触器、小型电机、灯和电机起动器。 4.4 PLC的I/O地址分配简介 I/O模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入和模拟量输出4类。CPU分配给数字量I/O模块的地址以字节为单位，一个字节由8个数字量I/O点组成。扩展模块I/O点的字节地址由I/O的类型和模块在同一类I/O模块链中的位置来决定。 第21页共41页 河北机电职业技术学院 I/O分配表 启动按钮 I0.0 停止按钮 I0.1 花样选择开关1 I0.2 输入 花样选择开关2 I0.3 花样选择开关3 I0.4 自动运行按钮 I0.5 花样1报警 Q0.0 1号喷头组 Q0.Q1.Q2.输出 1 1 1 2号喷头组 Q0.Q1.Q2. 2 2 2 3号喷头组 Q0.Q1.Q2. 3 3 3 4号喷头组 Q0.Q1.Q2. 4 4 4 第22页共41页 河北机电职业技术学院 4.5花式喷泉的PLC控制流程图 花式喷泉的程序控制流程图见图4-2。 图4-2系统控制流程图 如图，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。接着选择喷水花样，共三种喷水花样可供选择。如不选择喷水花样，系统则只保持通电状态。如按下花样选择开关，喷泉按照设定的程序开始运行。如果按下停止按钮，系统则停止运行，如果不按停止按钮，系统则按照选择的花样继续运行下去直到按下停止按钮。 4.6控制系统程序设计 4.6.1系统主程序 系统的主程序见图4-3。此时，系统处于停止工作状态。 第23页共41页 河北机电职业技术学院 第24页共41页 河北机电职业技术学院 图4-3 花式喷泉系统主程序 I0.5是一个独立的启动按钮，负责启动自动运行。当按下I0.5的时候，系统按照花样1-花样2-花样3的顺序循环运行。当按下停止按钮I0.0的时候，立即停止自动运行，改为手动选择花样。 4.6.2花式啧泉的第一种花样 花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，1、3号喷头同时喷水，延时2秒后，2、4号喷头喷水，1号、3号喷头停止喷水，再延时2秒后1、3号喷头喷水，2、4号喷头停止喷水，如此循环，直到按下停止按钮。 第25页共41页 河北机电职业技术学院 Q0.1和Q0.2同时得电时，Q0.0得电。 第26页共41页 河北机电职业技术学院 M0.5和M0.7任意一个得电时，Q0.1和Q0.3同时得电;M0.6和M1.0任意一个得电时，Q0.2和Q0.4同时得电。 4.6.3花式啧泉的第二种花样 花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，1号喷头喷水，延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2秒后，3号喷头喷水，再延时2秒后，4号喷头喷水，再延时2秒后，3号喷头喷水，再延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2秒后，1号喷头喷水，再延时2秒后，2号喷头喷水，如此循环，直到按下停止按钮。 第27页共41页 河北机电职业技术学院 第28页共41页 河北机电职业技术学院 当M1.2得电，Q1.1即得电;当M1.3和M1.7任意一个得电，Q1.2得电;当M1.4和M1.6任意一个得电时，Q1.3得电;当M1.5得电时,Q1.4得电。 4.6.4花式啧泉的第三种花样 花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时2秒后，3号喷头喷水，再延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2秒后，1号喷头喷水，再延时2秒后，2号喷头喷水，再延时2秒后，3号喷头喷水，再延时2秒后，4号喷头喷水，再延时2秒后，3号喷头喷水，如此循环，直到按下停止按钮。 第29页共41页 河北机电职业技术学院 第30页共41页 河北机电职业技术学院 当M2.2得电时，Q2.1得电;当M2.3和M2.7任意一个得电时，Q2.2得电;当M2.4和M2.6任意一个得电时，Q2.3得电;当M2.5得电时，Q2.4得电。 4.7系统程序的可行性 本系统共有三种花样可供选择，因此程序分为四个部分，即一个主程序，三个子程序。第一种花样为1、3号同时得电，2、4号同时得电，因此出现故障的可能性较大，例如1、2号同时得电。当出现此类故障的时候，Q0.0的作用是报警并断电。而且如果要改变为其他的喷水方式， 第31页共41页 河北机电职业技术学院 只需要改写子程序，即可达到改变喷水方式的目的。本系统成本不高，安装方便，因此适合于多种场所。而且喷水花样丰富，观赏性较强。 第32页共41页 河北机电职业技术学院 第五章 系统的仿真和调试 5.1仿真软件的选用 仿真PLC具有实际PLC所没有的功能。首先，仿真PLC可以立即暂时停止执行用户程序，对程序状态不会有什么影响;其次，仿真PLC由RUN模式进入STOP模式不会改变输出的状态;再次，在视图对象中的变动立即使对应的存储区中的内容发生相应改变。实际的CPU要等到扫描结束时才会修改存储区;第四，仿真PLC可以选择单次扫描或者连续扫描;第五，可使定时器自动运行或者手动运行，可以手动复位全部定时器或复位制定的定时器;第六，仿真PLC可以对过程影像存储器与外设存储器的处理等。 本设计采用STEP 7软件进行系统的仿真，通过执行用户程序来检查系统的功能。 5.2系统的调试 花样一仿真图见图5-1和5-2。 图5-1 花样1仿真图a 当按下I0.0启动按钮后，按下花样1选择开关I0.2时，M0.0得电，M0.1得电，当M0.6得电的时候，Q0.2和Q0.4同时得电。按下停止按钮I0.1时,系统断电。 第33页共41页 河北机电职业技术学院 图5-2 花样1仿真图b 当按下I0.0启动按钮后，按下花样1选择开关I0.2时，M0.0得电，M0.1得电，当M0.5得电的时候，Q0.1和Q0.3同时得电。按下停止按钮I0.1时,系统断电。 花样2仿真图见图5-3和图5-4。 图5-3 花样2仿真图a 第34页共41页 河北机电职业技术学院 当按下I0.0启动按钮后，按下花样1选择开关I0.3时，M0.0得电，M0.2得电，当M1.2得电的时候，Q1.1得电。按下停止按钮I0.1时,系统断电。 图5-4 花样2仿真图b 当按下I0.0启动按钮后，按下花样1选择开关I0.3时，M0.0得电，M0.2得电，当M1.5得电的时候，Q1.4得电。按下停止按钮I0.1时,系统断电。 花样3仿真图见图5-5和图5-6。 第35页共41页 河北机电职业技术学院 图5-5 花样3仿真图a 当按下I0.0启动按钮后，按下花样1选择开关I0.4时，M0.0得电，M0.3得电，当M2.2得电的时候，Q2.2得电。按下停止按钮I0.1时,系统断电。 图5-6 花样3仿真图b 第36页共41页 河北机电职业技术学院 当按下I0.0启动按钮后，按下花样1选择开关I0.4时，M0.0得电，M0.3得电，当M2.4得电的时候，Q2.3得电。按下停止按钮I0.1时,系统断电. 自动运行仿真图见图5-7和图5-8。 图5-7 自动运行仿真图a 按下自动开关I0.5，M0.1得电后，当M1.3得电时，Q1.2得电。 第37页共41页 河北机电职业技术学院 图5-8 自动运行仿真图b 按下自动开关I0.5，M0.3得电后，当M2.3得电时，Q2.2得电。 通过对本系统的仿真调试，可以看出，当按下启动按钮I0.0时，M0.0得电并保持。按下花样选择开关以后，系统按照设定的程序运行并最终得到实现。当按下自动运行开关时，系统进入自动运行状态。当按下停止按钮I0.1时，系统立即停止运行。 第38页共41页 河北机电职业技术学院 第六章结论 本系统主要以可编程控制器PLC和变频器为核心，利用可编程控制器PLC和变频器的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器和变频器控制花式喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当花式喷泉的功能增加时，只需增加一个I/O扩展模块即可。原来的接线不需改变，软件上只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少。调试结果表明，在适应性、灵活性、精确性和可靠性方面，到达到了设计的要求，表明该 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 是可行的。 通过本设计，我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。并且，更了解了有关可编程控制器和变频器的功能。我选择这个设计，也是为了弥补以前学习上的不足。这次设计，使我了解到老师的用心良苦，并且从老师那学到了很多宝贵的东西。 第39页共41页 河北机电职业技术学院 致谢 在做论文的过程中老师严谨的治学态度和一丝不苟的工作精神给了我深刻的启发，也给了我很大的触动。另外，老师经常给我讲解不懂的地方，教我怎么入手，使我能尽快的完成论文。还要感谢系里其它的老师的指导，给了我很大的帮助。在此，对老师在工作和生活中给予的指导和关心致以最真诚的谢意。 同时在这里还要感谢系里给予我们的关心和帮助，感谢老师们给予我们的帮助。 感谢系里其它的一些同学在设计中提供大量的支持和帮助。 我们即将毕业，在此，再一次向三年中在学习和生活中给予过我帮助的老师和同学致谢。 第40页共41页 河北机电职业技术学院 参考文献 [I]郭艳萍,李晓波。PLC在花式喷泉控制中的应用[J]漯河职业技术学院学报(综合版),2003。 [2]齐从谦.PLC技术及应用[M]。北京机械工业出版社，2002。 [3]王红。可编程控制器使用教程[M].北京电子工业出版社，2003。 [4]殷培峰.基于PLC喷泉控制系统的设计与应用[J]。兰州石化职业技术学院学报，2006. 6。 [5]张桂香.电气控制与PLC应用[M]。北京化学工业出版社2003。 [6]郁汉琪。机床电气及可编程控制器实验课程设计指导书[M],北京电子工业出版社，2002。 [7]日本三菱公司.FX系列PLC编程手册[Z],1999。 [8]吴中俊，黄永红主编，可编程序控制器原理及应用，机械工业出版社，2004。 [9]陈在平，赵相宾主编，可编程序控制器技术与应用系统设计，机械工业出版社，2002。 [10]江月山，黄久松编著.《数字化社区智能技术产业链导论》，中国建筑工业出版社，2003.5。 第41页共41页