PLC控制花样喷泉课程设计报告.docx

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1、学 院：电子与信息工程学院专 业：电气工程及其自动化 课程名称：花式喷泉的PLC控制设计指导教师：学生学号：华进20133522049段石磊 20130123096付 成 201335220281喷泉介绍1.1常见的几种花样喷泉随着时代的发展，科技水平的提高，城市的喷泉设备已经十分先进，各种音乐喷泉、 程控喷泉、激光喷泉已经层出不穷，变化多端。规模可大可小，射程可高可低，喷出的水， 大者如珠，细者如雾，变化万千，引人入胜。喷泉，使静水变为动水，使水也有了灵魂， 又辅之以各种灯光效果，使水体具有丰富多彩的形态，可以缓冲、软化城市中“凝固的建 筑物”和硬质的地面，以增加城市环境的生机，有益与身心健

2、康并能满足视觉艺术的需要。 大型城市广场中的人工动态喷泉，也多来自自然的种种水态，如瀑布、水帘、溢流、溪流、 壁泉等，随着科学技术的发展进步，各种喷泉真是花样翻新、层出不穷，几乎达到了人们 随心所欲创造各种晶莹剔透、绚丽多姿动态水景的程度。喷泉在当今时代，已经形成了一 道独特的人文景观。下面是一些我们日常生活中常见的喷泉：音乐喷泉是音乐和喷泉的结合，音乐是喷泉的主题，喷泉是音乐内涵的表达，如图1-1图1-1音乐喷泉程控喷泉是按照预先编辑的程序定时变换喷水造型，如图1-2。图1-2程控喷泉跑动喷泉是按照时序控制喷水，构成各种跑动、跳动、波动等形态，变化多端， 如图1-3图1-3跑动喷泉可是用单片

3、机通过可控硅作为功率开头元件实现花样喷泉时存在下面的缺点：1、需 要较多的保护电路；2、程序的增减不灵活；3、抗干扰能力差；4、功率因数低。而采用PLC能有效的解决这些问题，同时PLC具有较强的自诊断功能，能迅速方便检查出 故障，缩短检修时间，确保控制系统的可靠性，稳定性。1.2花样喷泉的动作状态1. 按下启动按钮，喷泉开始工作；按下停止按钮，喷泉停止工作；2. 喷泉的工作方式由花样选择开关和单步/连续开关决定；3. 当单步/连续开关在单步位置时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循 环；4. 花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，考虑以下4种喷水花样：花样选择开关在位置1时，按下启动

4、按钮后，4号喷头喷水，延时2s后，3号喷头喷水， 在延时2s后，2号喷头喷水，又延时2s后，1号喷头喷水。18s后，如果为单步工作方 式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。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2s后，2号喷头喷水， 在延时2s后，3号喷头喷水，又延时2s后，4号喷头喷水。30s后，如果为单步工作方 式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1号、3号喷头喷水，延时3s后，2号、4 号喷头喷水，同时1号、3号喷头停止喷水。如此交替运行15s后，4组喷头全部喷水， 30s后，如果为单步工作方式，则停下

5、来；如果连续工作方式，则继续循环下去。花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1-2-3-4的顺序，依次间隔2s喷水， 然后一起喷水30s后，按照1-2-3-4的顺序，依次间隔2s停止喷水。在经1s延时， 按照4-3-2-1的顺序，依次间隔2s喷水，然后一起喷水，30s后停止。如果为单步工 作方式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。2 PLC的研究现状2.1 PLC的应用领域目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、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，使用情况大致可归纳为如下几类：1、开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，

6、它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺 序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷 机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2、模拟量控制在工业生产过程当中，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。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制 器用于模拟量控制。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，直接开关量I/O模 块连接位置传感器和执行机构，现在一

7、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。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功 能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4、过程控制过程控制是指对温度、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。PID调节是一般闭环控制系统中用得较 多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块PID处 理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非 常广泛的应用。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

8、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、分析及处理。这些数据可以与存储在 存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置， 或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可 用于过程控制系统，如造纸、冶金、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与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展， 工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网 络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.2 PLC的应用特点1、功能丰富PLC

9、的功能非常丰富。这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部 器件有关。它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数 据的运算。凡普通计算机能做到的，它也都可作到。它的内部器件，即内存中的数据存储区，种类繁多，容量宏大I/O继电器，可以用 以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至10几万。这意味 着它可进行这么多I/O点的入出信息变换，进行这么大规模的控制。它的内部种种继电器，相当于中间继电器，数量更多。内存中的一个位就可作为一个 中间继电器。它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。小小的箱体或模块，其内部 定时器、计

10、数器可达成百、成千。这也是因为只要用内存中的一个字，再加一些标志位， 即可成为定时器、计数器，所以才那么多。而且，这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的，即上电后予以清零的。 以满足不同的使用要求。这些也是继电器件所难以做到的。2、使用方便用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为:首先PLC控制逻辑的建立是程序， 用程序代替硬件接线。编程序变接线，更改程序变更改接线，当然要方便得多。其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。而且，这些模块是配 套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所需的模块，PLC厂家多有现货供应，市 场上即可购得。所以，硬件系统配置与建造

11、也非常方便。正因如此，用可编程序控制器才有这个“可”字。对软件讲，它的程序可编，也不难 编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。3、工作可靠用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取 了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLCX作不可靠，就无法在工业环境下运 用，也就不成其为PLC 了。(1)在硬件方面：PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。 而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电 与磁的干扰，能正常地工作。PLC使用的元器件多为无触点的，而且是高度集成的，数量并是不太多，这就

12、为其 可靠工作提供了物质基础。在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措 施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高 达 80-90 度。有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。此外，有的PLC还采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中 的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系 统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。（2

13、）软件方面：PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系 统常出现的冒险竞争，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控 制，保证了 PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了 “看门狗”（Watchingdog） 监控程序。运行用户程序开始时，先清看门狗定时器，并开始计时。当用户程序 一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。 严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器 的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了

14、这个“看门 狗”监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现“死循环”而影响其 工作的可靠性。PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各种检测模块工作正常与否的提 示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统 进行监控，以确保其可靠工作。PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配 置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。正是因为PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了 PLC能够可 靠的工作。它的平均无故障时间可高达几万小时以上；出了故障时的平均修复时间 却很短，几小时以甚至几分钟就可以了。曾有人做

15、过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLCX作可 靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标4、经济合算尽管使用PLC首次投资要大些，但从全面及长远看，使用PLC还是经济的。这是 因为：使用PLC的投资虽大，但它的体积小、所占空间小，辅助设施的投入少；使 用时省电，运行费少；工作可靠，停工损失少；维修简单，维修费少；还可再次使 用以及能带来附加价值等等，从中可得更大的回报。所以，在多数情况下，它的效 益是很可观的。3喷泉设计方案3.1控制要求分析1. 按下启动按钮，喷泉开始工作；按下停止按钮，喷泉停止工作；2. 喷泉的工作方式由花样选择开关和单步/连续开关决

16、定；3. 当单步/连续开关在单步位置时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循 环；4. 花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，考虑以下4种喷水花样：花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时2s后，3号喷头喷水， 在延时2s后，2号喷头喷水，又延时2s后，1号喷头喷水。18s后，如果为单步工作方 式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。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2s后，2号喷头喷水， 在延时2s后，3号喷头喷水，又延时2s后，4号喷头喷水。30s后，如果为单步工作方 式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。花样选择开关

17、在位置3时，按下启动按钮后，1号、3号喷头喷水，延时3s后，2号、4 号喷头喷水，同时1号、3号喷头停止喷水。如此交替运行15s后，4组喷头全部喷水， 30s后，如果为单步工作方式，则停下来；如果连续工作方式，则继续循环下去。花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1-2-3-4的顺序，依次间隔2s喷水， 然后一起喷水30s后，按照1-2-3-4的顺序，依次间隔2s停止喷水。在经1s延时， 按照4-3-2-1的顺序，依次间隔2s喷水，然后一起喷水，30s后停止。如果为单步工 作方式，则停下来；如果为连续工作方式，则继续循环下去。3.2 PLC的选型S7-200 PLC具有集成的24V负载电

18、源，它可以直接连接到传感器、变送器和执行器， CPU221、222 具有 180mA 输出，CPU224、224XP、CPU226 分别输出 280mA 或 400mA 电流， 可做负载电源。该设计中系统开关量输入点只有两个，开关量输出点有6个，如果选用CPU221 PLC（6 输入/4输出），需要扩展单元，参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机 为CPU222（8输入/6输出）。CPU222的主要技术数据见表3-1。表3-1 CPU222的主要技术数据特性CPU222外形尺寸/mmXmmXmm90X80X62程序存储区2048 字数据存储区1024 字掉电保护时间/h50本机

19、I/O8入/6出扩展模块数量2高速计数器，单相，双 相4 路 30KHz，2 路 20KHZ脉冲输出（DC）2 路 20KHZ模拟电位器1实时时钟配时钟卡通讯口1RS-485浮点运算有I/O映像区256 （128 入/128 出）布尔指令执行速度0.37us/指令4.1 PLC的I/O分配简介4.1.1开关量输入模块的选择开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流 110V、220V等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5V、 12V、24V用于传输距离较近场合，如5V输入模块最远不得超过10米。距离较远的应选 用输入电压等级

20、较高的模块。开关量输入模块的选择时应注意以下几点：1、输入接线方式开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式:汇点式的开关量输入模块所有 输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一 组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇 点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。2、注意同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模块（如32点、48点等），应考虑该模块同时接通的点数一般 不要超过输入点数的60%。3、输入门槛电平为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离

21、也越远4.1.2开关量输出模块的选择开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实 现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下0几个方面：1、输出方式开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出的价 格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、 导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度 较慢(驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ)、寿命较短、可靠性较差，只能适 用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们 属于无触点元件。

22、但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。2、注意同时接通的输出点数量选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累 计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V / 2A的8点输出模块，每个 输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A(8X2A)，通常要比此 值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60%。3、输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。 另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应

23、注意。4.1.3模拟量I/O模块的选择模拟量I/O模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有 电气隔离功能。模拟量输入(A/D)模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信 号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(D/A)模块是将PLC内部的数字量转换为 模拟量信号输出。典型模拟量I/O模块的量程为-10V+10V、0+10V、420mA等，可根据 实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。4.2花样喷泉的I/O分配情况 输入信号I0.0I0.1启动按钮SB0停止按键SB1输出信号Q0.1Q0.2Q0.3Q0.41号闪灯2号闪灯3号闪灯4号闪灯 4.3

24、花样喷泉的I/O接线图PLC的输入按钮只有一个SB0，用来控制系统的启动和停止。由于西门子PLC内部不 为其输入点提供电源，需用户自行提供，因而设计中采用PLC自身输出的+24V的电源（M 和L+两端）为上述按钮供电。PLC的输出带负载的能力较低，如果直接带动直流电磁阀或 闪灯，容易导致输出触点烧坏，因些采用中间继电器（KA0KA5）作为驱动元件，间接的 控制潜水泵用闪灯的开户和闭合。各个输出支路的中间继电器均并联一个续流二极管，为 感性负载断开瞬间的高压提供了放电回路，熔断器则起到短路保护作用。PLC的控制接线 图如图4-1I/O接线图图4-1花样喷泉的4.4花样喷泉的流程图MA、MB、MC

25、同时动作10秒MA、MB、同时动作5秒MA单独动作3秒MA、MB、同时动作5秒图4-2花样喷泉的流程图如图4-2所示，当开头闭合时，触发中间继电器M0.1和时间继电器T38（A、B、C三环的 喷泉同时喷放，A喷口高度最高，B喷口第二，C喷口最低。同时与A、B、C相对应的闪 灯1、2、3随喷口 A、B、C 一起闪烁10S）。10秒过后，触发中间继电器M0.2和时间继电 器T39（C喷口和闪灯3停止动作，剩下A、B喷口及相应闪灯1、2动作5S）5秒后，触 发中间继电器M0.3和时间继电器T40（只有A喷口和闪灯1 口动作3S）。3秒后，触发中 间继电器M0.4和时间继电器T41（B喷口和2闪灯和A

26、喷品、1闪灯一起动作5S）。5秒 后，回到中间继电器M0.1时的运作状态（喷口 A、B、C和闪灯1、2、3又开始一起动作）。 如此依次偶环。4.5花样喷泉的梯形图5.结束语本设计介绍了花样喷泉的发展和现状，分析了 PLC控制花样喷泉的优势，总结了国内 外PLC的现状与问题等。详细阐明了花样喷泉的设计与控制要求，在此基础上提出了花样 喷泉的喷水花样，在对4种喷水花样进行分析后设计了 PLC的外部接线图、梯形图。PLC设计控制系统的发展趋势是PLC技术将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是 基于工业PC的控制系统，工业PC技术提供了许多功能，能够增强PLC的功能特性。另外， 越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口部件。在最近的几年间，发展比现有普通 小PLC更加强大的PLC是种趋势，许多PLC供应商在其产品的开发过程中仍然继续不断地 改进和提高通信性能，其开发方向主要面向于Ethernet技术和基于Web技术。尽管传统 PLC被应用于离散过程控制领域，但现在，PLC 已被广泛应用于连续过程控制领域，而且 基于连续过程控制技术的发展趋势正在进一步得到增长。参考文献1廖常初.S7-200SMART PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社,2013