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1、辽 宁 工 业 大 学PLC技术及应用课程设计（论文）题目：喷泉的PLC控制院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2013.12.92013.12.18课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目喷泉的PLC控制课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能喷泉可以起到净化空气，美化环境的作用，系统功能如下：（1）喷泉有A、B、C三组喷头；（2）按下开始按钮后，A组先喷，10s后停，然后B组和C组同时喷；（3）10s后B停，再10s后C停；（4）A、B又喷，
2、5s后，C也喷，持续10s后全停；（5）再5s后重复上（2）（4）步；（6）按下停止按钮后，A、B、C3组喷头全部停止。喷泉水柱的高低由水泵控制，水泵是由三相异步电动机组成的，由变频器控制电机的转速，使水柱发生变化设计任务及要求1、根据系统功能，确定输入输出点数，选择PLC的型号和扩展模块；2、设计电机主电路；3、建立I/O分配表，完成PLC与输入/输出信号的的外部接线；4、按系统的控制要求，用梯形图设计程序；5、上机调试、完善程序；6、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数三相异步电动：额定功率1Kw，额定电压380V，额定转速1450rpm。进度计
3、划1、 布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）2、 设计电机主电路（1天）3、 建立I/O分配，完成外部接线设计（1天）4、 按系统的控制要求，完成梯形图设计（2天）5、 上机调试、修改程序（2天）6、 撰写、打印设计说明书（2天）7、答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要在游人和居民经常光顾的场所，如公园、广场、旅游景点及一些知名建筑前，经常会修建一些喷泉供人民休闲、观赏。这些喷泉按一定的规律改变喷水式样，如果再与五颜六色的灯光相配合，在和谐优雅的音乐中，更使人心旷神
4、怡，流连忘返。可编程控制器是一种以微型计算机为核心的通用工业控制器。它是继承了继电器控制器装置的部分突出性能，并与现代的计算机技术和通行技术结合为一体，代表了当前电器控制技术的世界先进水平。随着可编程控制器在我国的迅速发展，对花式喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需要可编程控制器来实现。本文结合任务设计书的要求，以花式喷泉为研究对象，采用了S7-200系列PLC作为喷泉的控制器。对花式喷泉的控制系统的总体功能进行了分析，阐述了可编程控制器的组成和工作原理。提出了喷泉硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案，并对控制方式进行了设计和程序的编写。本设计改善了喷泉系统的控制品质，并真正
5、地达到了实时控制的要求。关键词：花样喷泉；可编程控制器；S7-200 PLC目录第1章 绪论21.1 我国喷泉的发展21.2 PLC的发展趋势2第2章 控制系统的设计22.1 喷泉的控制方案22.2 PLC的工作原理22.3 PLC型号的选择方案22.4 水泵的选择方案22.5 变频器的选择方案2第3章 系统硬件的设计23.1 PLC的外部接线23.2 系统中PLC的I/O分配表设计23.3 系统中电磁阀的选择23.4 系统硬件接线图2第4章系统的软件设计24.1 系统软件流程图24.2 软件的选用2第5章 课程设计总结2参考文献2附录1 系统软件梯形图2第1章 绪论1.1 我国喷泉的发展国内
6、在二十世纪八十年代以前，喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细节，从设计到产品制作，工程安装都没有形成规模。只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉，产品的水平也是简单、粗放的。二十世纪八十年代以后，随着国民经济的恢复和发展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造的过程中，以及环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了求新的要求。二十世纪九十年代以后，社会主义市场经济快速发展，全国城市建设速度加快，人们也追求高质量的文化生活和环境美，市场的需求推动了喷泉行业的发展。喷泉走出公园、园林的围墙和广场的中心，深入延伸到人们的各个社会活动场所。许多喷泉专业的生产
7、厂商和专业公司，在这段时间内应运而生，迅速发展起来。专业技术人员把计算机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中，把喷泉行业的技术水平推上了一个新的层面。1.2 PLC的发展趋势工业控制领域随着近代半导体技术和通信技术的迅速发展而发生了翻天覆地的变化，PLC也在朝着自己的新技术方向发展，主要分为以下几个方向：一是PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力。PLC只有加强联网通信能力才有出路，才更适应市场的需求。加强联网通信有包括PLC之间联网通信和PLC与计算机之间的联网通信，这是构成一个系统必须的，另外就是各个厂家最好协商制定一个通用的生产标准，最
8、后就是PLC信号采集与传感器、上位机等之间的通信协议的发展。只有这些发展好了才能做出更好更大的系统，才能适应市场的需求。二是PLC向超小型化和超大型化方向发展，当前中小型PLC越来越多，为了适应社会的需求，PLC不得不向超小型化和超大型化这两个方向发展。超小型PLC的优点是配置灵活，因此既可以单机运行，也可以用于小型自动控制系统。而超大型PLC因为采用多个CPU并行工作，且具有大容量存储，功能强大，在现代化市场也占有一席之地。三是PLC向操作简易化方向发展。复杂的编程使得用户望而却步，阻碍了PLC的进一步推广应用。PLC的发展方向必然是简化对复杂任务的编程。第2章 控制系统的设计2.1 喷泉的
9、控制方案喷泉有A、B、C三组喷头：按下开始按钮后，A组先喷，10s后停，然后B组和C组同时喷；10s后B停，再10s后C停；A、B又喷，5s后，C也喷，持续10s后全停；再5s后重复以上步骤；按下停止按钮后，A、B、C 3组喷头全部停止。喷泉水柱的高低由水泵控制，水泵是由三相异步电动机组成的，由变频器控制电机的转速，使水柱发生变化。图2.1 喷泉结构图 图2.2 控制系统流程图2.2 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段：（
10、1） 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2） 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算
11、，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。（3） 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。图2.3 PLC的基本结构2.3 PLC型号的选择方案PLC的优点很多，主要包括：编程方法简单易学；功能强、性能价格比高；硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强；可靠性高、抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量低、维
12、修方便；体积小、能耗低等。而且PLC在各个工业部门的应用范围都得到了扩展。本方案采用S7-200PLC作为喷泉的主控制器来控制水泵的运行。S7-200PLC是一种小型的PLC，它有5种CPU模块，最多可以扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或者38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间。集成了6个有12种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器、脉冲宽度调制器。本设计方案可以选择S7-200CPU224的PLC作为主控制器，该型号的PLC共14入10出24个I/O点。从I/O点分配方面来说很适合本设计的控制要求。但是这也限制了它以后的发展，在改变喷水方式的时候很不
13、方便，因此不利于调整。图2.4 S7-200PLC2.4 水泵的选择方案水泵的种类根据不同的要求，分类比较多；大致有卧式水泵和潜水泵。但都是根据各自对水泵的扬程、流量、使用的场合、能耗比、性价比等来选择合适自己水泵。根据本文的要求，选择采用潜水泵。因为潜水泵是放置在水下，因此不需要泵房，这样可以降低造价。而且潜水泵能耗低，体积小，重量轻，不需灌引水，使用维护及管理方便，并且达到了节约水资源的目的，具有卧式水泵所不具有的优点，可以适应喷泉的喷水要求。本设计采用上海申一水泵制造有限公司生产的QY型油浸式潜水泵，其额定功率1KW，额定电压380V，额定转速1450rpm。QY型油浸式潜水电泵是由充油
14、式潜水电机与离心式水泵同轴联接组成。符合JB/T8092-1996标准规定，产品取得全国生产许可证，经过三十多年来不断的改进和完善，广泛应用于农业灌溉、工矿排水、水景喷泉、水产养殖，鱼塘增氧、防洪排涝等领域。具有泵电一体化、结构紧凑的优点；无需引水、使用简便；双端密封、电器保护；设计合理、性能优良等特点。水泵的使用条件是潜水深度不超过5米；水温不超过+40；PH值应在5-9之间，因此，很适合用本设计的要求。图2.5 QY型油浸式潜水泵2.5 变频器的选择方案变频调速技术是针对固定工频而采取的高效节能措施，工频（50Hz）是发电的最佳频率，但它并非是所有用电设备的最佳工作频率，因而导致许多设备长
15、期处于低频率、低功率引述运行状态。占全国耗电2/3的交流电动机目前大多数还在工频、恒速下运动，运行效率只有60%左右。为了提高效率，所以在本设计中用到变频器。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。整流部分为三桥式不可控整流器，逆变比分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 变频器选型时要确定以下几点：（1） 采用变频的目的：恒压控
16、制或恒流控制等。 （2）变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。 （3）变频器与负载的匹配问题： 电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。 转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生。在使用变频器驱动告诉电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流地阿牛值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型；变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑
17、制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样的情况下，变频器容量要更大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器；对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器的容量要放大一档。 本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水的高度。我选用的是FR-S520（E）系列变频调速器。其实物图如图2.6所示。图2.6 FR-S520（E）系列变频器实物图第3章 系统硬件的设计3.1 PLC的外部接线在PLC控制系统中，PLC是主要控制设备，它与控制对象中各输入信号如按钮，继电器触点和输出设备继电器、接触器、电磁阀的连接问题。现场的输入信号如开关按钮、拨动开关、限位开关和其
18、他一些检测原件输出的开关量和模拟量，通过连接电路进入PLC。对于开关触点，当强电电路触点时，有些要求48V、50mA左右或110V、1520mA左右才能可靠接通，而输出模块的输入电源电压一般不高，额定电流也是毫安级，要求注意模拟量输入信号的数值范围应与PLC的模拟量输入口数值相匹配。图3.1 PLC的外部接线图3.2 系统中PLC的I/O分配表设计根据系统要求所选择的I/O分配表如表3.1所示：表3.1 系统I/O分配表输入输出名称符号地址编号名称符号地址编号启动按钮SB1I0.0A泵接触器KMAQ0.0停止按钮SB2I0.1B泵接触器KMBQ0.1C泵接触器KMCQ0.23.3 系统中电磁阀
19、的选择水下专用电磁阀是自动控制系统中常见的开关元件、为音乐喷泉的核心控制设备，特别适用于跑泉的水路控制。主要技术参数：（1）原理结构：直动膜片型、先导膜片型控制方式：常闭式流体范围：水使用寿命：25万次（2）流体温度：-5+50（3）接口形式：螺纹式、法兰式（4）阀体材质：黄铜、304不锈钢（5）标准电压：AC220V、DC24V（6）电气连接：浇封预埋式防水电缆线（7）防护等级：国际标准IP68在这里要注意一点问题，PLC一般的输出电压为24V，假如电磁阀的功率较大的话驱动器就要使用中间驱动环节。但是在本设计中选择的水下电磁阀适合PLC的输出电压故不需中间驱动环节继电器。水下专用电磁阀是利用
20、介质压力差工作的直动式电磁阀门，它采用膜片结构，具有启闭迅速、性能稳定、使用方便、可靠性高、寿命长等特点；该阀坑污能力极强，可在江、河、湖、海及各种人工水域中长期使用，基高超的性能处于国内领先水平。图3.2 电磁阀实物图3.4 系统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所示：图3.3 系统硬件接线图第4章系统的软件设计4.1 系统软件流程图PLC通电后，进入工作状态,首先进行系统的初始化，包括：配置定时器和变频器，如果按下启动按钮，喷泉装置进入工作状态，若不按，则回到初始状态，接着按着“A组先喷，10s后停；然后B组和C组同时喷；10s后B停；再10s后C停
21、，A、B又喷；5s后C也喷；持续10s后全停；再5s后重复以上步骤”的要求进行执行程序，如果按下停止按钮，系统则停止运行，如果不按停止按钮，系统则按照要求的顺序循环运行下去直到按下停止按钮，流程图如图4.1所示。图4.1 系统软件流程图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5章 课程设计总结通过所做PLC的设计，让我进一步对PLC的应用及功能做了了解，对软件梯形图的应用也变的熟练。
22、我掌握了更多关于自动控制系统的知识，明白了自动喷泉控制系统的组成，S7-200 PLC的功能及特点。无论是在硬件还是软件设计上，我都遇到了不少的问题，在克服困难的过程中，我学到了许多，特别是在课堂上学不到的东西。使我重新系统的学习了网络测控，可编程控制器等课程，熟悉掌握了PLC的使用。对一个系统的设计步骤有了清楚的了解，并掌握了一个系统的设计过程。学会了如何发现问题，解决问题。并在查阅资料的过程中对问题的认识和问题的解决提出了新的见解，分析问题出现的原因，使得对问题理解也更加深刻。通过本次设计，让我很好的锻炼了理论与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。在具体的设计过程中，通过老师和同学的
23、帮助和自己的不断摸索，掌握了不少的工程技术方法，同时也培养了自己的工程设计思想，为以后的实际工作打下了一定的基础。因此，既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。最后，非常感谢老师的指导和同学们的帮助。参考文献1 梅丽凤.电气控制与PLC应用技术.机械工业出版社.20122 胡学林.可编程控制器教程.电子工业出版社.20053 崔元明.可编程器件应用导.清华大学出版社.20004 贾德胜.PLC应用开发实用子程序.人民邮电出版社.20065 宋伯生.PLC编程理论算法及技巧.机械工业出版社.20056 袁任光.可编程控制器选用手册.机械工业出版社.20027 韩玉林.园林工程.重庆大学出版社.2006.98 魏栋.环境艺术设计.建筑工业出版社.2006.9.9 SIMATICS7-200可编程序控制器CPU22X系统手册.西门子（中国）有限公司10 中国工控网附录1 系统软件梯形图
