基于PLC音樂噴泉系統(tǒng)控制設(shè)計.doc

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皖 西 學(xué) 院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論 文 題 目 基于PLC噴泉系統(tǒng)控制設(shè)計 姓名（學(xué)號） 系 別 機械與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 導(dǎo) 師 姓 名 二 〇 一 二 年 六 月 基于PLC噴泉系統(tǒng)控制設(shè)計 作 者 王祥 指導(dǎo)教師 盧承領(lǐng) 摘要：噴泉是近年來出現(xiàn)的一種園林建筑與花式觀賞相結(jié)合的一種產(chǎn)物。隨著可編程控制器在我國的迅速發(fā)展，對噴泉的控制要求也越來越高，使得越來越多的控制部分需要可編程控制器來實現(xiàn)。 針對傳統(tǒng)的噴泉控制系統(tǒng)一旦設(shè)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(shè)計采用了三菱FX2N系列可編程序控制器作為噴泉的控制器，能適應(yīng)不同季節(jié)、不同場合的噴水要求目的的花樣噴泉系統(tǒng)。該噴泉控制系統(tǒng)不但實現(xiàn)了自動轉(zhuǎn)換噴泉的噴水樣式，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，具有一定的工程應(yīng)用和推廣價值。 關(guān)鍵字：噴泉，PLC ，梯形圖，三菱 Fountain control system design based on PLC Abstract：The fountain is a landscape architecture and fancy watch emerged in recent years a combination of a product. With the rapid development of programmable controllers in China, the fountain control requirements have become more sophisticated, more and more control part of the programmable controller. Traditional fountain control system designed control circuit, it can not arbitrarily change the spray pattern and spray time, this design uses Mitsubishi FX1N series programmable controller as the fountain controller can adapt to different seasons, different occasions sprinkler requirements purpose tricks fountain system. The fountain control system not only to achieve the automatic conversion fountain spray style, and improve system reliability and security, engineering applications and promotional value. Key words：Fountain ，PLC ，Ladder diagram ，Mitsubishi 目錄 摘要 2 Abstract 3 1 緒論 6 1.1論文研究的背景 6 1.2論文設(shè)計的內(nèi)容 8 1.3論文設(shè)計的目的和意義 8 1.4相關(guān)理論知識介紹 8 1.4.1 PLC概述 8 1.4.2 PLC的結(jié)構(gòu) 9 1.4.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 10 2系統(tǒng)控制方案的確定 11 2.1花式噴泉的概述 11 　　2.2 采用PLC控制花式噴泉的優(yōu)點 12 　　2.3 系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟 12 　　2.4 噴泉系統(tǒng)控制方案 13 　　2.5 噴泉控制系統(tǒng)的原理圖 14 3系統(tǒng)硬件設(shè)計 16 3.1PLC的選型 16 3.1.1 常用PLC介紹 16 3.1.2 確定三菱FX2N系列可編程控制器 17 3.2變頻器的選型 18 3.3泵的選型 19 3.4硬件接線圖 20 4噴泉控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 22 4.1花式噴泉的PLC控制流程圖 22 4.2 I/O分配表 23 4.2.1輸入信號 23 4.2.2輸出信號 24 4.3 I/O接線圖 24 4.4系統(tǒng)工作過程分析 24 4.5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計 24 4.5.1 噴泉的第一種花樣 24 4.5.2 噴泉的第二種花樣 27 4.5.3 噴泉的第三種花樣 30 4.5噴泉控制系統(tǒng)的指令表 32 5系統(tǒng)的仿真和調(diào)試 33 5.1仿真軟件的選用 33 5.2系統(tǒng)的調(diào)試 33 結(jié)論 38 致謝 39 參考文獻 40 附錄1 噴泉總體硬件接線圖 41 附錄2 指令表 41 1 緒論 1.1 論文研究的背景 噴泉是人工環(huán)境中最富有生命力的景象,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、各種噴泉造型、 水下燈光、神奇的激光圖文，通過計算機有機的結(jié)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(zhì)和精神生活水平的不斷提高，現(xiàn)在許多城市的市民廣場、單位居民生活區(qū)里都能看到各種形式的噴泉。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，在噴泉工程中采用了大量的高新技術(shù)，在人們的視覺和聽覺上形成和諧的統(tǒng)一，使人們在精神上有種愉悅的感受。從而使噴泉效果更多絢麗多彩，阿羅多姿，令人賞心悅目、流連忘返。 圖 1 噴泉實際示意圖 噴泉控制的實現(xiàn)方法很多，本設(shè)計題目基于可編程邏輯控制器（PLC）的噴泉控制系統(tǒng)，可編程邏輯控制器（PLC），不僅能夠進行多種水型切換，而且能夠?qū)⒏鞣N水型、燈光，按照預(yù)先設(shè)定的排列組合進行控制程序的設(shè)計，使水型、燈光實現(xiàn)多姿多彩的變化。通過計算機與PLC之間的通信來監(jiān)控噴泉的狀態(tài)與效果，進而控制電動機，以達到順利實現(xiàn)工業(yè)控制的要求及目的，同時還要達到低功耗、高性價比、運行安全可靠等基本要求。 可編程控制器是一種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程。 PLC是繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)學(xué)處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用：(l)邏輯運算(2)弱電控制強電。 PLC是集自動控制技術(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?，簡稱PLC。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: 可靠性高、抗干擾能力強。 設(shè)計、安裝容易，維護工作量少。 功能強、通用性好。 開發(fā)周期短，成功率高。 體積小，重量輕、功耗低等特點。 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，并已成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(chǎn)品。與繼電——接觸器系統(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、維護、維修；能直接推動電磁閥、接觸器與于之相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機構(gòu)：能向中央執(zhí)行機構(gòu)：能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。 因此，進行 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論文設(shè)計的內(nèi)容 本設(shè)計將在以下幾個方面對噴泉的控制系統(tǒng)進行研究和論證。 (1)噴泉類型的選擇。綜合噴泉的類別和各類的特點和要求，在本課題中主要研究能有三種噴水花樣可供選擇：能夠控制每環(huán)噴水管噴水的高度：噴水時要有燈光顯示；可以根據(jù)不同的季節(jié)、不同的場合可改變噴水的花樣。將各種水型及燈光，按照預(yù)先設(shè)定的排列組合進行控制程序的設(shè)計，通過計算機運行程序發(fā)出控制信號，使水型及燈光有各種各樣的變化。 (2) 噴泉硬件系統(tǒng)的設(shè)計。本課題設(shè)計的花式噴泉要求運行迅速準(zhǔn)確度高，在噴泉的各層檢測系統(tǒng)中大量運用的具有檢測精度高、壽命長、穩(wěn)定性能好的接近傳感器，運用感應(yīng)器的開關(guān)量信號輸入給PLC來實現(xiàn)控制。由于本課題的具體需求在硬件系統(tǒng)的設(shè)計過程中主要考慮了噴泉的經(jīng)濟實用、穩(wěn)定、靈活、美觀的需要。 (3)噴泉控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計。在本設(shè)計中選用了目前運用最多的PLC編程語言梯形圖，梯形圖的編程能直觀明了的設(shè)計噴泉控制的要求 ， 1.3論文設(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。噴泉的細小水珠同空氣分子撞擊,能產(chǎn)生大量的負氧離子，有益于改善社區(qū)面貌和增進居民身心健康。 可編程序控制器(PLC)因為穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、簡單易學(xué)、功能強大和使用方便已經(jīng)成為應(yīng)用面最為廣泛的通用工業(yè)控制裝置，成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。 噴泉控制要求接入設(shè)備使用簡便，對應(yīng)于系統(tǒng)組態(tài)的編程簡單，具有人性化的人機界面，配備應(yīng)用程序庫，加快編程和調(diào)試速度。通過PLC對程序設(shè)計，提高了噴泉的控制水平，并改善了噴泉的樣式。 1.4相關(guān)理論知識介紹 1.4.1 PLC概述 可編程控制器，英文稱Programmablc Controllcr，簡稱PLC 。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)對負載的控制。 PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計算機進行入出信息變換時，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過程一般不考慮的。而PLC則要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的實際使用。特別要考慮怎么適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，便于維修及抗干擾等問題，入出信息變換及可靠的物理實現(xiàn)，可以說是PLC實現(xiàn)控制的兩個基本要點。PLC可以通過它的外設(shè)或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電控制裝置多的多、強的多。 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。 邏輯處理功能； 數(shù)據(jù)運算功能； 準(zhǔn)確定時功能： 高速計數(shù)功能； 中斷處理（可以實現(xiàn)各種內(nèi)外中斷）功能； 程序與數(shù)據(jù)存儲功能； 聯(lián)網(wǎng)通信功能； 自檢測、白診斷功能； 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。 像PLC這樣。有很豐富的功能，是別的電控器所沒有的，更是傳統(tǒng)的繼電控制電路所無法比擬的。豐富的功能為PLC的廣泛應(yīng)用提供了可能，同時，也為自動門行業(yè)的遠程化、信息化及智能化創(chuàng)造了條件。 1.4.2 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。其結(jié)構(gòu)簡圖如下 電源 受控元件 輸入部件 輸入信號 微處理器 運算器 控制器 輸出部件 I/ O 擴展接 外設(shè)I/ O接 外部設(shè)備 I/ O 擴展單 存儲器 EPRO EPR 圖2 PLC結(jié)構(gòu)圖 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。 1.4.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 目前，在國內(nèi)外PLC已廣泛應(yīng)用冶金、石油、化工、建材、機械制造、電力、汽車、輕工、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，隨著PLC性能價格比的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。從應(yīng)用類型看，PLC的應(yīng)用大致可歸納為以下幾個方面： (1)開關(guān)量邏輯控制 利用PLC最基本的邏輯運算、定時、計數(shù)等功能實現(xiàn)邏輯控制，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，用于單機控制、多機群控制、生產(chǎn)自動線控制等，例如：機床、注塑機、印刷機械、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯的控制等。這是PLC最基本的應(yīng)用，也是PLC最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 (2)運動控制 大多數(shù)PLC都有拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。這一功能廣泛用于各種機械設(shè)備，如對各種機床、裝配機械、機器人等進行運動控制。 (3)過程控制 大、中型PLC都具有多路模擬量I/O模塊和PID控制功能，有的小型PLC也具有模擬量輸入輸出。所以PLC可實現(xiàn)模擬量控制，而且具有PID控制功能的PLC可構(gòu)成閉環(huán)控制，用于過程控制。這一功能已廣泛用于鍋爐、反應(yīng)堆、水處理、釀酒以及閉環(huán)位置控制和速度控制等方面。 (4）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的PLC都具有數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表等功能，可進行數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，同時可通過通信接口將這些數(shù)據(jù)傳送給其它智能裝置，如計算機數(shù)值控制（CNC）設(shè)備，進行處理。 （5）通信聯(lián)網(wǎng) PLC的通信包括PLC與PLC、PLC與上位計算機、PLC與其它智能設(shè)備之間的通信，PLC系統(tǒng)與通用計算機可直接或通過通信處理單元、通信轉(zhuǎn)換單元相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理、分散控制”的多級分布式控制系統(tǒng)，滿足工廠自動化（FA）系統(tǒng)發(fā)展的需要。 2 系統(tǒng)控制方案的確定 2.1 花式噴泉的概述 噴泉是一種將水或其他液體經(jīng)過一定壓力通過噴頭噴灑出來具有特定形狀的組合體，提供水壓的一般為水泵。 現(xiàn)代城市中的噴泉形式已十分豐富。隨著構(gòu)筑物的大小及水壓等的變化，噴泉或高或低、或珠或霧，精彩紛呈，可分為以下7種。 (1)普通噴泉：只有簡單的幾種固定水型及燈光，隨著電源的開閉而控制噴泉的運行、水型和燈光變化。 (2)程控噴泉：將各種水型及燈光，按照預(yù)先設(shè)定的排列組合進行控制程序的設(shè)計，通過計算機運行程序發(fā)出控制信號，使水型及燈光有各種各樣的變化。 (3)音樂噴泉：程序控制噴泉基礎(chǔ)上加入了音樂控制系統(tǒng)，計算機通過對音頻及MIDI信號的識別，進行譯碼和編碼，最終將信號輸出到控制系統(tǒng)，使噴泉的造型及燈光的變化與音樂保持同步。 (4)水幕激光噴泉：將激光器發(fā)出的激光束射在水幕噴頭噴出的水膜上，激光束由激光控制系統(tǒng)編程控制，可發(fā)出多種多樣的圖案及色彩，照射在晶瑩透明的水膜上，形成斑斕奪目的奇異效果。 (5)水珍珠噴泉：利用特殊音波將水變成球體的噴水裝置和全頻高速閃光燈的視覺圖像效果的產(chǎn)品組成。 (6)游戲噴泉：又稱感應(yīng)泉，噴泉水柱根據(jù)游人的動作產(chǎn)生反應(yīng)，而且這種反應(yīng)具有不確定性，是一種互動式噴泉，增強了娛樂氛圍。 (7)跳跳噴泉：又名光亮泉。是一種高科技水景藝術(shù)，水形似根根晶瑩透徹地冰柱，一串串飛向空中，輕舞飛揚。 2.2 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)工作方式上看: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，顧而無抖動一說。 (4)定時、記數(shù)看：PLC時鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定時范圍寬：有記數(shù)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。 2.3 系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟 確定控制對象 及控制范圍 ` PLC型號選擇 軟件設(shè)計 及模擬 硬件設(shè)計 調(diào)試 是否 符合設(shè)計要求？ 調(diào)整硬件 調(diào)整軟件 N N Y 投入運行 圖3可編程控制器的系統(tǒng)設(shè)計的流程圖 (1) 深入了解和分析噴泉的工藝條件和控制要求。 (2)確定I/O設(shè)備。根據(jù)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者輸入輸出端子的接線圖。 (5)設(shè)計噴泉系統(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程序，這是整個噴泉系統(tǒng)設(shè)計的核心工作。 (6)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。 2.4 噴泉系統(tǒng)控制方案 噴泉系統(tǒng)的控制要求如下。 (1)1、2均為外環(huán)形狀的噴水管，3為內(nèi)環(huán)形狀的噴水管，4為星形噴水管。燈光系統(tǒng)由三條支路組成，分別為綠色燈支路（在l，2之間）、黃色燈支路（在2，3之間）、紅色燈支路（在3，4之間）。 (2)該噴泉共有三種花樣可供選擇。按下啟動按鈕，噴泉即開始工作，按下停止按鈕，則停止噴水。噴泉的工作方式（即噴水花樣）由選擇開關(guān)來實現(xiàn)。 (3)該花式噴泉有三種噴水花樣可供選擇。 第一種花樣，4、3、2、1隔2秒依次噴水，一起噴水1 5秒后停下，在按1、2、3、4的次序隔2秒依次噴水，再一起噴15秒后停下，以此規(guī)律循環(huán)。 第二種花樣，l、3同時噴水，延時3秒后1、3停噴，同時2、4噴水，交替運行5次后1、2、3、4一起噴水，30秒后停止，以此規(guī)律循環(huán)。 第三種花樣，1、2、3、4按順序延時2秒噴水，然后一起噴30秒后1、2、3、4再分別延時2秒停噴，以此規(guī)律循環(huán)。 (4)通過變頻器可以控制每環(huán)噴水管的高度。在第一種花樣中，1、3管為慢速正轉(zhuǎn)噴水，2、4管為中速正轉(zhuǎn)噴水。 (5)燈光系統(tǒng)的控制：由PLC的X5輸入端為燈光系統(tǒng)控制的選擇按鈕，當(dāng)需要燈光配合時，接通X5輸入端。此時可實現(xiàn)三路燈光的控制，即3，4任意一層噴水時，紅色燈亮；2噴水時，黃色燈亮；所有的噴頭噴水時，綠色燈亮。 噴泉池示意圖如圖４所示。 圖4 噴泉布局圖 2.5 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個變頻器來控制4個水泵。 花式噴泉控制系統(tǒng)的原理圖如圖５所示。 按鈕 開關(guān)信號 PLC 電源 變頻器 水泵 圖5 噴泉控制系統(tǒng)原理圖 圖6 開關(guān)控制面板圖 其中變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率轉(zhuǎn)換器，變頻器是利用半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源轉(zhuǎn)換成為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)不同頻率的交換。 本次控制方案是過PLC程序按一定得控制目的運算后，由AO模塊（模擬量輸出模塊）輸出控制信號（電流或電壓信號）至變頻器，從而利用一臺變頻器控制四臺電動機，即可實現(xiàn)PLC到電機的調(diào)速，最終實現(xiàn)對各種噴泉花樣的控制。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1PLC的選型 3.1.1 常用PLC介紹 PLC發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號的也很多，各個廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū)別，各個重點發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計需要，考慮如何選擇。 （1）西門子S7-200系列可編程控制器介紹 SIMATIC S7-200系列PLC是德國西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的具有很高性能價格比的微型可編程控制器。西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一。西門子的中國業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的主要支柱，活躍在中國的信息與通訊、自動化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個行業(yè)中，其核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)解決方案。 S7-200作為西門子SIMATIC PLC家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強大的內(nèi)置功能，多年來一直廣泛服務(wù)于國內(nèi)的各行各業(yè)。由于它具有結(jié)構(gòu)小巧，運行速度快， 多功能多用途等特點，因此在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。 S7-200系列PLC在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。S7-200產(chǎn)品憑借其先進性、成熟性和廣泛的適用性在自動化產(chǎn)品中受到廣泛的重視，相信此次發(fā)布的新產(chǎn)品一定能夠滿足部分用戶的需求，同時在自動化領(lǐng)域中獲得更廣泛的應(yīng)用。 （2）三菱FX系列可編程控制器介紹 FX系列可編程控制器是當(dāng)今國內(nèi)外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。日本三菱電機公司研發(fā)的。在FX中，除基本的指令表編程方式外，還可以采用梯形土編程及對應(yīng)機械動作流程進行順序設(shè)計的SFC順序功能圖編程，而且這些程序可互相轉(zhuǎn)換。 FX系列PLC在特殊控制方面不但具備模擬量輸入輸出控制，而且具有定位控制幾PID系統(tǒng)控制。在通信方面，能夠方便地與PC計算機鏈接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與管理。 3.1.2 確定三菱FX2N系列可編程控制器 三菱與西門子優(yōu)缺點比較：三菱PLC結(jié)構(gòu)靈活、傳輸質(zhì)量高、速度快、帶寬穩(wěn)定、范圍廣、成本低、適用面廣但是數(shù)據(jù)處理比西門子弱。 西門子PLC性能強大、可操作性強、有相配套的伺服系統(tǒng)和組態(tài)軟件但是價錢太高。 本設(shè)計從速度快穩(wěn)定同時從價格等方面考慮，所使用的I/O口不是太多，而且三菱的編程軟件比西門子簡單易上手，所以我們選擇三菱FX-2N型PLC，如圖７所示。 圖7 三菱FX2N PLC 3.2變頻器的選型 變頻調(diào)速技術(shù)是針對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)備長期處于低頻率、低功率引述運行狀態(tài)。占全國耗電2/3的交流電動機目前大多數(shù)還在工頻、恒速下運動，運行效率只有60%左右。為了提高效率，所以在本設(shè)計中用到變頻器。 變頻器選型時要確定以下幾點： （1）采用變頻的目的：恒壓控制或恒流控制等。 （2）變頻器的負載類型，如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時的方式方法。 （3）變頻器與負載的匹配問題 ①在使用變頻器驅(qū)動告訴電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流地阿牛值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。 ②變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，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。 ③對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器的容量要放大一檔。 本設(shè)計是通過變頻器蘇調(diào)技術(shù)來控制每環(huán)噴水的高度。我選用的是FR-S520（E系列變頻調(diào)速器。 3.3 泵的選型 現(xiàn)在噴泉常用的潛水泵有QS、QY、QX、、QJ等系列。 QS系列潛水泵體積小、性能可靠，機泵一體、潛入水中運行主要優(yōu)越性是：運行可靠、經(jīng)久耐用、使用方便、功率大、故障少，維修費用低等。 QY系列潛水泵QY型潛水電泵由電動機、水泵和密封三部分組成。電泵的上端，多為離心式水泵；下端為三相鼠籠立式異部電動機。電機全部采用優(yōu)質(zhì)整圓硅鋼片，效率高，耗電少潛水深度不超過5米水溫不超過+40℃。 QX系列潛水泵工程潛水泵泵電一體，結(jié)構(gòu)緊湊，非常適合于基建及礦山的搬運和安裝無需引水，使用簡便雙端密封，電器保護設(shè)計合理、性能優(yōu)良、幾無噪音。 QJ系列潛水泵電機與水泵直聯(lián)，機組全部潛入水中工作，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝、維護方便、體積小、重量輕、高效節(jié)能等特點。 工作條件1、工作介質(zhì)為清水或化學(xué)性質(zhì)類似于清水的液體。額定揚程：150米額定流量：10立方米/小時。 從該噴泉所需的揚程、流量、水質(zhì)、價格等方面考慮該噴泉選擇QS系列的潛水泵，如圖8 所示。 圖8 QS系列潛水泵 3.4硬件接線圖 系統(tǒng)的硬件連接圖即PLC控制和系統(tǒng)中各個硬件的連線。具體的如圖9、10所示。 圖9 PLC控制布局接線圖 如圖所示噴泉系統(tǒng)控制布局，控制開關(guān)如下： (1)按下啟動按鈕和燈控按鈕，開始運行， (2)按下位置開關(guān)1，則是第一種花樣噴泉， (3)按下位置開關(guān)2，則是第二種花樣噴泉， (4)按下位置開關(guān)3，則是第三種花樣噴泉。 圖10變頻器和水泵接線圖 如圖是變頻器與水泵的硬件接線電路，通過變頻器的控制從而改變電動機的轉(zhuǎn)速來控制水的流量與噴射高度，最終與燈光的組合形成各種噴泉花樣。 4噴泉控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 4.1花式噴泉的PLC控制流程圖 花式噴泉的程序控制流程圖見圖11。 水泵進入工作狀態(tài) 花樣選擇3 結(jié)束 是否按下停止 是否按下停止 系統(tǒng)按設(shè)定程序自動運行 開始 是否按下啟動 系統(tǒng)按設(shè)定程序自動運行 水泵進入工作狀態(tài) 是否按下花樣選擇 是否按下自動運行 N Y N N Y Y 花樣選擇2 花樣選擇1 N N Y Y 圖11系統(tǒng)控制流程圖 如圖11，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)。接著選擇噴水花樣，共三種噴水花樣可供選擇。如不選擇噴水花樣，系統(tǒng)則只保持通電狀態(tài)。如按下花樣選擇開關(guān)，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。 4.2 I/O分配表 4-1輸入I/O分配表 序號 輸入 說明 1 X0 停止說明 2 X1 啟動按鈕 3 X2 選擇開關(guān)1的位置 4 X3 選擇開關(guān)2的位置 5 X4 選擇開關(guān)3的位置 6 X5 燈控按鈕 4-2輸入I/O分配表 序號 輸出 說明 1 Y0 電源指示 2 Y1 控制1管噴水 3 Y2 控制2管噴水 4 Y3 控制3管噴水 5 Y4 控制4管噴水 6 紅色燈 紅色燈 7 Y6 黃色燈 8 Y7 綠色燈 9 Y8 中速 10 Y9 慢速 11 Y10 正轉(zhuǎn) 4.2.1輸入信號 停止按鈕SQ1: I/0.0，啟動按鈕SQ2: I/0.1,花樣選擇位置1開關(guān)SQ3: I/0.2,花樣選擇位置2開關(guān)SQ4: I/0.3, 花樣選擇位置3開關(guān)SQ5: I/0.4 ,紅燈控制開關(guān)SQ6: I0.5 4.2.2輸出信號 1號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM1: Q0.1 2號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM2: Q0.2 3號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM3: Q0.3 4號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM4: Q0.4 4.3 I/O接線圖 KM1 KM2 KM3 KM4 1L 1M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 圖 12 PLC接線圖 4.4系統(tǒng)工作過程分析 (1)按下啟動按鈕和燈控按鈕，開始運行。 (2)按下位置開關(guān)1，則是第一種花樣噴泉。 (3)按下位置開關(guān)2，則是第二種花樣噴泉。 (4)按下位置開關(guān)3，則是第三種花樣噴泉。 (5)無論哪種花樣噴泉，只要當(dāng)?shù)谌蛘叩谒娜我庖粚訃娝臅r候，黃燈亮：當(dāng)?shù)诙訃娝臅r候，紅燈亮：當(dāng)所有噴水時，綠燈亮。 (6)按下停止按鈕，則運行結(jié)束。 4.5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計 4.5.1 噴泉的第一種花樣 按下啟動按鈕 第4層的噴頭開始噴水,依次實現(xiàn)第4層，第3層，第2層，第1層的噴水，間隔2s。其如圖所示。 第1層噴水 第2層噴水 第3層噴水 第4層噴水 2s 2s 2s 15s 15s 第4層噴水 第3層噴水 第2層噴水 第1層噴水 2s 2s 2s 15s 15s 當(dāng)選擇開關(guān)2的位置時，噴泉運行第一種花樣：4、3、2、l隔2秒依次噴水，一起噴水l 5秒后停下，再按l、2、3、4的次序隔2秒依次噴水，再一起噴l5秒后停下，以此規(guī)律循環(huán)。l、3管以慢速正轉(zhuǎn)噴水，2、4管以中速正轉(zhuǎn)噴水。當(dāng)?shù)谌蛘叩谒娜我庖粚訃娝臅r候，黃燈亮：當(dāng)?shù)诙訃娝臅r候，紅燈亮：當(dāng)所有噴水時，綠燈亮。梯形圖如下 圖13第一種花樣的梯形圖 注釋：I0.2為選擇開關(guān)2; I0.0為停止開關(guān)； Q0.0,Q0.7為四號噴水管; Q0.1,Q0.6為三號噴水管； Q0.2，Q0.5為二號噴水管； Q0.3，Q0.4為一號噴水管； T37到T44為100ms的的定時器； M3.4為顯示的黃燈， M0.2為顯示的紅燈， M0.0為顯示的綠燈。 4.5.2 噴泉的第二種花樣 第1,3層的噴頭開始噴水，間隔3s后，第2,4層開始噴水，如圖 第2,4層噴水水噴水噴水 第1,3噴水水噴水噴水 3s 3s 5次 30s 第4層噴水 第3層噴水 第2層噴水 第1層噴水 當(dāng)選擇開關(guān)3的位置時，噴泉第二種花樣：l、3同時噴水，延時3秒后l、3停噴，同時2、4噴水，交替運行5次后l、2、3、4一起噴水，30秒后停止，以此規(guī)律循環(huán)。1、3管以慢速正轉(zhuǎn)噴水．2、4管以中速正轉(zhuǎn)噴水。當(dāng)?shù)谌蛘叩谒娜我庖粚訃娝臅r候，黃燈亮：當(dāng)?shù)诙訃娝臅r候，紅燈亮：當(dāng)所有噴水時，綠燈亮。梯形圖如下 圖14第二種花樣的梯形圖 注釋：I0.3為選擇開關(guān)3; I0.0為停止開關(guān)； Q0.0,Q0.4為一號噴水管; Q0.2,Q0.6為三號噴水管； Q0.1，Q0.5為二號噴水管； Q0.3，Q0.7為四號噴水管； T37到T39為100ms的的定時器；C1為計數(shù)器； M3.4為顯示的黃燈， M0.2為顯示的紅燈， M0.0為顯示的綠燈。 4.5.3 噴泉的第三種花樣 四層逐次停噴，間隔2s，如圖所示。 第4層停噴水 第3層停噴水 第2層停噴水 第1層停噴水 2s 2s 2s 15s 當(dāng)選擇開關(guān)4的位置時，第三種花樣：I、2、3、4按順序延時2秒噴水，然后一起噴30秒后l、2、3、4再分別延時2秒停噴，以此規(guī)律循環(huán)。1、3管以慢速正轉(zhuǎn)噴水．2、4管以中速正轉(zhuǎn)噴水，第三或者第四任意一層噴水的時候，黃燈亮；當(dāng)?shù)诙訃娝臅r候，紅燈亮；當(dāng)所有噴水時，綠燈亮。 梯形圖如下 圖15第三種花樣的梯形圖 注釋：I0.4為選擇開關(guān)4; I0.0為停止開關(guān)； Q0.3為四號噴水管; Q0.2為三號噴水管； Q0.15為二號噴水管； Q0.0為一號噴水管； Q0.4到Q0.7 為輔助線圈； T37到T44為100ms的的定時器； M3.4為顯示的黃燈， M0.2為顯示的紅燈， M0.0為顯示的綠燈。 4.5噴泉控制系統(tǒng)的指令表（見附錄） 5 系統(tǒng)的仿真和調(diào)試 5.1仿真軟件的選用 仿真PLC具有實際PLC所沒有的功能。首先，仿真PLC可以立即暫時停止執(zhí)行用戶程序，對程序狀態(tài)不會有什么影響；其次，仿真PLC由RUN模式進入STOP模式不會改變輸出的狀態(tài)；再次，在視圖對象中的變動立即使對應(yīng)的存儲區(qū)中的內(nèi)容發(fā)生相應(yīng)改變。實際的CPU要等到掃描結(jié)束時才會修改存儲區(qū)；第四，仿真PLC可以選擇單次掃描或者連續(xù)掃描；第五，可使定時器自動運行或者手動運行可以手動復(fù)位全部定時器或復(fù)位制定的定時器；第六，仿真PLC可以對過程影存儲器與外設(shè)存儲器的處理等。 本設(shè)計采用GX developer8 軟件進行系統(tǒng)的仿真，通過執(zhí)行用戶程序來檢查系統(tǒng)的功能。 5.2系統(tǒng)的調(diào)試 花樣一仿真圖見圖16和17。 圖16 花樣1仿真圖a 當(dāng)按下I0.0啟動按鈕后，按下花樣1選擇開關(guān)I0.2時，M0.0得電，M0.1得電，當(dāng)M0.6得電的時候，Q0.2和Q0.4同時得電。按下停止按鈕I0.1時,系統(tǒng)斷電。 圖17 花樣1仿真圖b 當(dāng)按下I0.0啟動按鈕后，按下花樣1選擇開關(guān)I0.2時，M0.0得電，M0.1得電，當(dāng)M0.5得電的時候，Q0.1和Q0.3同時得電。按下停止按鈕I0.1時,系統(tǒng)斷電。 花樣2仿真圖見圖18和圖19。 圖18 花樣2仿真圖a 當(dāng)按下I0.0啟動按鈕后，按下花樣1選擇開關(guān)I0.3時，M0.0得電，M0.2得電，當(dāng)M1.2得電的時候，Q1.1得電。按下停止按鈕I0.1時,系統(tǒng)斷電。 圖19 花樣2仿真圖b 當(dāng)按下I0.0啟動按鈕后，按下花樣1選擇開關(guān)I0.3時，M0.0得電，M0.2得電，當(dāng)M1.5得電的時候，Q1.4得電。按下停止按鈕I0.1時,系統(tǒng)斷電。 花樣3仿真圖見圖20和圖21。 圖20 花樣3仿真圖a 當(dāng)按下I0.0啟動按鈕后，按下花樣1選擇開關(guān)I0.4時，M0.0得電，M0.3得電，當(dāng)M2.2得電的時候，Q2.2得電。按下停止按鈕I0.1時,系統(tǒng)斷電。 圖21 花樣3仿真圖b 當(dāng)按下I0.0啟動按鈕后，按下花樣1選擇開關(guān)I0.4時，M0.0得電，M0.3得電，當(dāng)M2.4得電的時候，Q2.3得電。按下停止按鈕I0.1時,系統(tǒng)斷電. 自動運行仿真圖見圖22和圖23 。 圖22自動運行仿真圖a 按下自動開關(guān)I0.5，M0.1得電后，當(dāng)M1.3得電時，Q1.2得電。 圖23 自動運行仿真圖b 按下自動開關(guān)I0.5，M0.3得電后，當(dāng)M2.3得電時，Q2.2得電。 通過對本系統(tǒng)的仿真調(diào)試，可以看出，當(dāng)按下啟動按鈕I0.0時，M0.0得電并保持。按下花樣選擇開關(guān)以后，系統(tǒng)按照設(shè)定的程序運行并最終得到實現(xiàn)。當(dāng)按下自動運行開關(guān)時，系統(tǒng)進入自動運行狀態(tài)。當(dāng)按下停止按鈕I0.1時，系統(tǒng)立即停止運行。 結(jié)論 通過本次畢業(yè)設(shè)計，利用 PLC在控制系統(tǒng)上的優(yōu)越性，使噴泉在現(xiàn)實生活中的噴水花樣，變化更多樣，更加完美。本設(shè)計利用了PLC體積小、功能強、可靠性高,且具有較大的靈活性和可擴展性的特點,通過改變噴泉的控制系統(tǒng)程序或改變方式選擇開關(guān),從而可以改變噴泉的噴水規(guī)律,從而變換出各式花樣,以適應(yīng)不同季節(jié)、不同場合的噴水要求，能給人的視覺上帶來一種更加美的享受。 近年來，可編程控制器技術(shù)在中國的發(fā)展異常迅猛，各生產(chǎn)廠家也推出了許多功能強大的新型PLC、特殊功能模塊和通信聯(lián)網(wǎng)器件，使可編程控制器成為集微機技術(shù)、自動化技術(shù)、通訊技術(shù)于一體的通用工控機裝置，且使其成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的一種強有力的工具，在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 致謝 隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設(shè)計也接近尾聲。 通過這次畢業(yè)設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的有很多不足之處?！皶接脮r方恨少”，這是我這次做畢業(yè)設(shè)計感受最大的一個問題。平時我們學(xué)習(xí)是沒有帶著目的去學(xué)習(xí)，而是單純的應(yīng)付考試，所以學(xué)了知識很快也會忘掉。而且本次畢業(yè)設(shè)計也涉及了很多專業(yè)軟件和基本辦公軟件的操作的運用，這些其實都是平時在學(xué)校里可以鍛煉與提高的，可是我卻沒有好好把握，所以這也給了我一個大大的警鐘。 本畢業(yè)設(shè)計從開始設(shè)計到最終的完成都離不開我的指導(dǎo)老師盧承領(lǐng)老師的悉心指導(dǎo)和幫助。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但也得到了巨大的收獲。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，提高了自己動手能力，樹立了對自己工作能力的信心，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱辛和成功的喜悅。雖然我的這個設(shè)計不太好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計給我的最大收獲和財富，這將會對我以后有很大的幫助。 在完成設(shè)計的過程中，感謝眾多同學(xué)和任課教師的熱情幫助。 最后，衷心感謝各位老師對我的設(shè)計進行評審，有不足之處，敬請批評指正。 參考文獻 [1]陳剛.基于S7-200PLC控制的郵件自動分揀系統(tǒng).機電一體化。2008.03期 [2]鄭堤 唐可洪.機電一體化基礎(chǔ) 北京：機械工業(yè)出版社 1997.7 [3]王庭.可編程控制器原理及應(yīng)用 北京：國防工業(yè)出版社 2005.7 [4] 秦春斌 張繼偉 。PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用教程（三菱FX2N系列）北京：機械工業(yè)出版社 2010.10 [5]顏全生.PLC編程設(shè)計與實例 北京：機械工業(yè)出版社 2009.7 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