花式喷泉的PLC控制设计

《电气控制技术》课程设计说明书自动喷泉PLC控制系统设计

学院：电气与信息工程学院

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指导教师：职称

专业：电气工程及其自动化

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湖南工学院电气控制技术课程设计课题任务书

学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化

1 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，能给人有种不错的视觉享受。

1985年国际电子委员会（iec）对plc的定义如下：

Plc是自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（plc、robot、cad/cam）的首位。可编程控制器，简称plc。它在集成电路、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1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易3.维修工作量少4.功能强、通用性好5.开发周期短、成功率高6.体积小、重量轻、功耗底等特点。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，并已成为工业生产自动化的支柱产品。与继电——触发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、维修、维护；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构。

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经进入个崭新的时代，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。

2 系统控制方案的确定

2.1采用PLC控制花式喷泉的优点

（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，顾而五抖动一说。

（4）定时、计数看：PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有记忆功能。

（5）可靠、维护看：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。

2.2系统设计的基本步骤

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（6）程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。

（7）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。

2.3系统控制方案

花式喷泉系统的控制要求如下：

1、控制器电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置即开始工作。按下停止按钮，

则停止喷水。工作方式由选择开关和单步／连续开关决定。

2、“单步／连续”开关在单步位置时，喷水池只运行一次循环：在连续位置时，

喷水池运行一直继续下去。

3、方式选择开关用来选择喷水池的喷水花样，1～4号喷水管的工作方式选择如下

（1）选择开关在位置“1”时。按下启动按钮后，4号喷水，延时2s后，3号也

喷水，延时2s后，2号接着喷水，再延时2s，1号喷水，这样，一起喷水15s

后停下。若在连续状态时，将继续循环下去。

（2）选择开关在位置“2”时。按下启动按钮后，1号喷水，延时2s后，2号喷水，

延时2s后，3号接着喷水，再延时2s，4号喷水，这样，一起喷水30s后再停

下。若在连续状态时，将继续循环下去。

（3）选择开关在位置“3”时。按下启动按钮后，1、3号同时喷水，延时3s 后，2、

4号喷水，1、3号接着喷水：交替运行5次后，1～4号全喷水，30s后停止。若

在连续状态时，将继续循环下去。

（4）选择开关在位置“4”时。按下启动按钮后，喷水池1~4号水管的工作顺序为：

1→2→3→4按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s，1、2、3和4号分别延时

2s停水，再延时1s，由4→3→2→1反向顺序按2s顺序喷水，一起喷水30s 后

停止。若在连续状态时，将继续循环下去。

4、不论在什么工作方式下，按下停止按钮，喷水池将停止运行。

花式喷泉池示意图如图2-1所示：

2.4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个变频器控制4个水泵。花式喷泉控制系统的原理如图2-2所示：

3 系统硬件设计

3.1 可编程控制器（PLC）的选择

3.1.1 PLC概述

可编程控制器，英文称Progammable 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：

1.逻辑处理功能；

2.数据运算功能；

3.准确定时功能；

4.高速计数功能；

5.中断处理（可以实现各种内部中断）功能；

6.程序与数据存储功能；

7.联网通信功能；

8.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。

3.1.2PLC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代替。

（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求，主要介绍一下几种功能的选择。

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。离线编程方式降低系统成本，但使用和调试不方便。在离线编程方式：CU和编程器有各自的CPU，主机CPU负载现场控制，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。

五种标准化编程语言：顺序功能（SFC）、梯形图（LD）、功能模式图块(FBD)三种图形化语言和语句表（il）、结构体文（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC113123），同时，还应该支持多种语言编程方式，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与外币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。

4．机型的选择

通过对输入/输出点的选择、对存储量的选择？对I/O响应时间的选择输出负载的特点选型的分许。

该控制系统选用三菱公司FXON系列的PLC。它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的链接，可以增加输入/输出点数。我设计的花式喷泉模型共有6个输入，11个输出，因此，选用型号为FX2N-32MR 的PLC。

4 系统软件设计

4.1 PLC梯形图概述

梯形图时使用的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，梯形图的设计成为编程。

PLC梯形图中的某些编程元件沿用了几点起这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部继电器等，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”，其常来触电接通，常闭触点断开，称这种状态时该软继电器的“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。

4.2 I/O分配表

输入I/O分配表

输出I/O分配表

序号输出说明

1 Y0 电磁阀YA1

2 Y1 电磁阀YA2

3 Y2 电磁阀YA3

4 Y3 电磁阀YA4

4.3 I/O接线图

4.4 流程图

自动喷泉设计是主要用了跳转指令完成过程循环的过程，用定时器定时实现喷头之间的运行，通过互锁实现单独的工作方式运行不会出现多种方式共同运行的情况。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。如按下启动按钮，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。

4.5 自动喷泉的程序设计

系统总程序如附录所示。各样式工作程序如下所示：

（1）样式选择1：选择开关在位置“1”时。按下启动按钮后，4号喷水，延时2s后，3号也喷水，延时2s后，2号接着喷水，再延时2s，1号喷水，这样，一起喷水15s后停下。若在连续状态时，将继续循环下去。样式选择1程序如图3所示。

图3 样式选择1程序

2）样式选择2：选择开关在位置“2”时。按下启动按钮后，1号喷水，延时2s后，2号也喷水，延时2s后，3号接着喷水，再延时2s，4号喷水，这样，一起喷水30s后再停下。若在连续状态时，将继续循环下去。样式选择2程序如图4所示。

图4 样式选择2程序

（3）样式选择3：选择开关在位置“3”时。按下启动按钮后，1、3号同时喷水，延时3s后，2、4号喷水，1、3号停止喷水；交替运行5次后，1～4号

全喷水，30s后停止。若在连续状态时，将继续循环下去。样式选择3程序如图5所示。

图5 样式选择3程序

（4）样式选择4：选择开关在位置“4”时。按下启动按钮后，喷水池1～4号喷水管的工作顺序为：1→2→3→4号按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s，1、2、3和4号分别延时2s停水，再延时1s，由4→3→2→1号反向顺序按2s 顺序喷水，一起喷水30s后停止。若在连续状态时，将继续循环下去。样式选择4程序如图6所示。