基于plc的花樣噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計

廣州大學(xué)松田學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）題目基于PLC的花樣噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計

基于PLC的花樣噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：花樣噴泉是近年來出現(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，對花樣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)。本文以花樣噴泉為研究對象，采用了三菱FX1N系列PLC作為噴泉的控制器。對花樣噴泉的控制系統(tǒng)的總體功能進行了分析，闡述了可編程控制器的組成和工作原理。提出了噴泉硬件的各組成模塊及詳細的硬件模塊設(shè)計方案，并對控制方式進行了設(shè)計和程序的編寫。本設(shè)計改善了噴泉系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并真正地達到了實時控制的要求。關(guān)鍵詞：花樣噴泉，自動化，PLC，ThedesignofcontrolsystemofthevarietyfountainwhichbasesontheplcAbstract：thevarietyfountainisaproductofrecentyears,theemergenceofalandscapearchitectureandfancyornamentalcombination.Withtheprogrammablecontrollerintherapiddevelopmentofourcountry,thecontrolrequirementsarealsoincreasingpatternfountain,makingmoreandmorecontrolofpartoftheprogrammablecontrollertoachieve.Inthisarticle,thepatternfountainastheresearchobject,MitsubishiFX1NseriesPLCascontrollerofthefountain.Theoverallfunctionofthepatternfountaincontrolsystemanalysisofthecompositionandworkingprincipleoftheprogrammablecontroller.Fountainhardwarebuildingblocksandthedetaileddesignofthehardwaremodule,andthecontrolmodedesignandprogrampreparation.Designedtoimprovethethefountainsystemcontrolquality,andreallyreachedtherequirementsofreal-timecontrol.Keywords：Varietyfountain，Automation，PLC，目錄1緒論 緒論1.1課題研究背景隨著人們的生活日趨小康，一些必要的美化設(shè)施逐漸興起，各式各樣的廣場花園越來越多，這樣的地方又怎能少了噴泉呢?多花樣噴泉形式多樣，常常能吸引人們的眼球，同時水又增加了環(huán)境的靈動性，多花樣噴泉已經(jīng)成為人們建造各類娛樂廣場的必需設(shè)施。那些控制簡便，花樣較多，價格低廉的噴泉慢慢成為建設(shè)者的首選?，F(xiàn)今，多花樣噴泉的制造，延襲傳統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代，正日益成為人們或出于對環(huán)境的追求，或為了居室的美化，等等，而得到眾多品位人士的追求。在1980年前，噴泉只是建筑給排水和園林造景專業(yè)的一個技術(shù)細節(jié)，從設(shè)計到產(chǎn)品制作，工程安裝都沒有形成規(guī)模。只是在展覽館等公共建筑和公園里能見到一些中、小噴泉，產(chǎn)品的水平也是簡單、粗放的。在1980年以后，隨著國民經(jīng)濟的恢復(fù)和發(fā)展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、園林主管部門在城市建設(shè)、改造的過程中，以及環(huán)境的美化和文化氛圍的營造上對噴泉提出了求新的要求，一部分建筑、園林、水利的設(shè)計院、研究所及大專院校，綜合了土建結(jié)構(gòu)、給排水、機電控制等傳統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)，加上當(dāng)時先進的單片機，通過電磁閥和直流電機調(diào)速實行變量控制，設(shè)計出一批噴泉、水景。得到了良好的社會反映和社會效益。1.2課題設(shè)計的目的和意義本文根據(jù)生活當(dāng)中出現(xiàn)的一些情況，以花式噴泉為研究對象，結(jié)合了大量資料及文獻，研究花樣噴泉的控制問題，整理出一套可行性較高的噴泉控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要包括了噴泉的發(fā)展情況及所存在的一系列問題；噴泉控制系統(tǒng)的組成；花樣噴泉的控制任務(wù)和要求；花樣噴泉的硬件配置以及軟件的設(shè)計，再通過仿真軟件來實現(xiàn)。在設(shè)計當(dāng)中，可能出現(xiàn)幾個開關(guān)同時按，因此在所有花樣中設(shè)置了互鎖，具有更大的安全保障。設(shè)計中并未添加單步/連續(xù)程序，因為如果單步運行，持續(xù)時間太短，觀賞性不強，因而只設(shè)置了連續(xù)運行，當(dāng)按下啟動按鈕，接著選擇噴水花樣，系統(tǒng)處于連續(xù)運行狀態(tài)，直到按下停止按鈕，系統(tǒng)立即斷開電源，停止運行。1.3課題設(shè)計的內(nèi)容本設(shè)計將在以下幾個方面對花樣噴泉的控制系統(tǒng)進行研究和論證。（1）花樣噴泉類型的選擇。綜合花樣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。（2）花樣噴泉硬件系統(tǒng)的設(shè)計。本課題設(shè)計的花樣噴泉要求運行速度準確度高，在花樣噴泉的格層檢測系統(tǒng)中選用在工業(yè)自動控制上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。由于本課題目具體需求在硬件系統(tǒng)的設(shè)計過程中主要考慮了花樣噴泉的經(jīng)濟實用、穩(wěn)定、靈活、美觀的需要。（3）花樣噴泉控制系統(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)計花樣噴泉控制的要求，梯形圖的編寫運用GXDeveloper編程軟件，此軟件支持全部的三菱fx系列的plc，并且具有強大的診斷功能，能更快的查找出故障的原因，從而大大縮短了維修時間。2系統(tǒng)控制方案的確定2.1花樣噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計總框圖在噴泉中，通過按鈕開關(guān)信號來控制PLC。花樣噴泉控制系統(tǒng)的原理如圖2-2所示：圖2.12.2花樣噴泉的概述采用PLC控制花樣噴泉的優(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，顧而五抖動一說。（4）定時、計數(shù)看：PLC時鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定時范圍寬，有記憶功能。（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。2.2系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟在花樣噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中主要考慮以下幾點：（1）深入了解和分析花樣噴泉的工藝條件和控制要求。（2）確定I/O設(shè)備。根據(jù)花樣噴泉控制系統(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輸入輸出端子的接線圖。（5）設(shè)計花樣噴泉系統(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（6）程序，這是整個花樣噴泉系統(tǒng)設(shè)計的核心工作。（7）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。2.3系統(tǒng)控制方案花樣噴泉系統(tǒng)的控制要求如下：（1）按下啟動按鈕，噴泉裝置開始工作，按下停止按鈕，噴泉控制裝置停止工作。按下自動運行按鈕，噴泉進入自動工作狀態(tài)，（2）噴泉噴水方式由花樣選擇開關(guān)決定，現(xiàn)考慮4種噴水花樣。（3）花樣選擇開關(guān)在位置1時，按下啟動按鈕后，首先1、2、3、4每隔兩秒依次噴水，然后四個噴水管同時噴水18秒后停止，如果為單步模式方式，則停下來。如果為連續(xù)工作模式，則繼續(xù)循環(huán)下去。（4）花樣選擇開關(guān)在位置2時，按下啟動按鈕后，先2、4同時噴水兩秒然后停止，同時1、3同時噴水兩秒然后停止，交替運行5次后四個噴水管同時噴水10秒停止，如果為單步模式方式，則停下來。如果為連續(xù)工作模式，則繼續(xù)循環(huán)下去。（5）花樣選擇開關(guān)在位置3時，按下啟動按鈕后，先1、3、2、4順序噴水，間隔兩秒，然后同時噴水10秒后，按2、4、1、3順序停噴，間隔兩秒，如果為單步模式方式，則停下來。如果為連續(xù)工作模式，則繼續(xù)循環(huán)下去。（6）花樣選擇開關(guān)在位置4時，按下啟動按鈕后，1號、4號噴頭同時噴水，延遲4S后，2號、3號噴頭同時噴水，1號、4號噴頭停止噴水。如此交替運行40S后，4組噴頭全噴水，運行3S后停止。如果為單步模式方式，則停下來。如果為連續(xù)工作模式，則繼續(xù)循環(huán)下去?；訃娙厥疽鈭D如圖2.2所示：圖2.22.4控制面板系統(tǒng)的控制面板圖如圖所示。圖中分別是花樣選擇開關(guān)、以及啟動、停止和自動運行開關(guān)。圖2.3在圖2.3上，1、2、3、4表示花樣一、二、三、四檔。還有開機、停止、單步，連續(xù)按鍵。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1可編程控制器（PLC）的選擇3.1.1PLC概述可編程控制器，英文稱ProgammableController,簡稱PLC，本課題中用PLC作為它的簡稱。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)?？梢哉f，凡普通小型計算機能實現(xiàn)的功能，PLC幾乎也都可以做到。3.1.2PLC的選型（1）對輸入/輸出點的選擇盲目選擇點數(shù)多的機型會造成一定浪費。要先弄清除控制系統(tǒng)的I/O總點數(shù)，再按實際所需總點數(shù)的15～20％留出備用量（為系統(tǒng)的改造等留有余地）后確定所需PLC的點數(shù)。（2）對存儲容量的選擇對用戶存儲容量作粗略的估算。（3）對I/O響應(yīng)時間的選擇PLC的I/O響應(yīng)時間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時間延遲（一般在2～3個掃描周期）等。（4）對PLC結(jié)構(gòu)形式的選擇在相同功能和相同I/O點數(shù)據(jù)的情況下，整體式比模塊式價格低。但模塊式具有功能擴展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點，要按實際需要選擇PLC的結(jié)構(gòu)形式。PLC的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計：當(dāng)用PLC進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，其難度比PLC單機控制大得多。首先你應(yīng)選用自己較熟悉的機型，對其基本指令和功能指令有較深入的了解，并且指令的執(zhí)行速度和用戶程序存儲容量也應(yīng)仔細了解軟件編：在編制軟件前，應(yīng)首先熟悉所選用的PLC產(chǎn)品的軟件說明書，待熟練后再編程。若用圖形編程器或軟件包編程，則可直接編程，若用手持編程器編程，應(yīng)先畫出梯形圖，然后編程，這樣可少出錯，速度也快。編程結(jié)束后先空調(diào)程序，待各個動作正常后，再在設(shè)備上調(diào)試。從上面的分析可以知道，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點8個，開關(guān)量輸出點4個，參照三菱FXPLC產(chǎn)品目錄及市場實際價格，選用主機為FX1N19MR的PLC為系統(tǒng)核心控制.3.2水泵的選型泵是一種面大量廣通用型號機械設(shè)備，它廣泛地應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金、礦山、選船、輕工、農(nóng)業(yè)、民用和國防各部門，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。泵的電能消耗起了積極作用。但是目前在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中，由于選型不合理，許多的泵處于不合理運行狀況，運行效率低，浪費了大量能量。還有的泵由于選型不合理，根本不能使用，或者使用維修成本增加，經(jīng)濟效益低。由此可見，合理選泵對節(jié)約能源同樣具有重要意義。所謂合理選泵，就是要綜合考慮泵機組和泵站的投資和運行費用等綜合性的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，使之符合經(jīng)濟、安全、適用的原則。具體來說，有以下幾個方面：必須滿足使用流量和揚程的要求，即要求泵的運行工次點經(jīng)常保持在高效間運行，這樣既能剩動力又不易損壞。所選擇的水泵既要體積小、重量輕、造價便宜，又要具有良好的特性和較高的效率。具有良好的抗氣蝕性能，這樣既能減小泵房的開挖深度，又不使水泵發(fā)生氣蝕，運行平衡、壽命長。3.2.1水泵的參數(shù)及性能（1）水泵的主要參數(shù)水泵參數(shù)是指工作性能的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，包括流量、揚程、轉(zhuǎn)速、效率和比轉(zhuǎn)數(shù)等。1.流量（Q）泵的流量市直單位時間所排出的液體的數(shù)量。通常泵的流量用體積計算，以Q表示，單位為米3/時（m3/h）、米3/秒（m3/s）、升/秒（1/s），也可用重量計，以G表示，單位為噸/時（t/h）、噸/秒（t/S）、千克/秒（kg/s）。2.揚程（H）泵的揚程是指單位重量的液體通過泵所增加的能量。以H表示，實質(zhì)上就是水泵能夠揚水的高度，又叫總揚程或全揚程。單位為米液柱高度，習(xí)慣上省去“液柱”，以米（m）表示。1.允許吸上真空高度（HS）允許吸上真空高度是指真空表讀數(shù)吸水揚程，也就是泵的吸水揚程（簡稱泵的吸程），包括實際吸水揚程和吸水損失揚程之和。2.轉(zhuǎn)速（n）轉(zhuǎn)速是指泵葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，以n表示，單位為轉(zhuǎn)/分（r/min）。每臺泵都有一定的轉(zhuǎn)速，不能隨意提高或降低，這個固定的轉(zhuǎn)速稱為額定轉(zhuǎn)速，水泵銘牌上標(biāo)定的轉(zhuǎn)速即為額定轉(zhuǎn)速。3.比轉(zhuǎn)數(shù)（ns）在前述水泵型號中，有些型號的組成部分有比轉(zhuǎn)數(shù)這個參數(shù)。比轉(zhuǎn)數(shù)與轉(zhuǎn)速是兩個概念，水泵的比轉(zhuǎn)數(shù)，簡稱比速，通常用符號為ns。4.功率功率是指機組在單位時間內(nèi)作功的大小。水泵功率可分為有效功率、軸功率和配套功率三種。（1）有效功率它是出丟水泵內(nèi)部損失功率后，純用于羊水所消耗的功率，因此又稱為凈功率、輸出功率或水馬力。常用符號為N效，單位為千瓦（或馬力）。（2）軸功率它是動力機傳給水泵軸上的功率，因此稱為軸功率或輸入功率。要包括泵體內(nèi)軸承的摩擦、水泵軸與填料的摩擦、水與葉輪、泵殼間的摩擦，以及泵內(nèi)高壓水的回漏等所消耗的功率。（3）配套功率它是指水泵應(yīng)選配的動力機的功率，一次又稱有用功率。常用符號為N配，它比軸功率大。5.效率（n）效率是指有效功率與軸功率的比值，因此他是反映泵對動力所給予的功率利用程度的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。常用符號為n，其大小用百分數(shù)來表示。3.2.2選擇步驟（1）列出基本數(shù)據(jù)：1.介質(zhì)的特性：介質(zhì)名稱、比重、粘度、腐蝕性、毒性等。2.介質(zhì)中所含固體和顆粒、含量多少。3.所需要的流量，一般工業(yè)用泵在工藝流程中可以忽略管道系統(tǒng)中的泄漏量，5.壓力，吸水池壓力，排水池壓力，管道系統(tǒng)中的壓力降。（2）確定流量揚程和流量1.如果生產(chǎn)工藝中已給出最小、正常、最大流量，應(yīng)按最大流量考慮。2.如果生產(chǎn)工藝中只給出正常流量，應(yīng)考慮留有一定的余量。3.如果基本數(shù)據(jù)值只給重量流量，應(yīng)換算成體積流量。由于噴泉的水泵必須滿足大功率快速精確啟停，我選用品牌為DESHB(德士比)的QYP100-4.5-2.2噴泉泵。具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、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；經(jīng)久耐用、安全可靠。并且水泵出口采用圓法蘭結(jié)構(gòu)，電機為F級絕緣，適用于音樂噴泉等場合對電機頻繁啟動的要求。葉輪具有防松裝置，不怕反轉(zhuǎn)。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1PLC梯形圖概述梯形圖時使用的最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計成為編程。4.2GXDeveloper編程軟件的操作方法本文采用的編程軟件為GXDeveloper編程軟件，具體的操作方法如下：1、打開GXDeveloper編程軟件，之后點擊文件，在下拉菜單欄里點擊“創(chuàng)建新工程”在選擇FXCPU/FX1N(C)，確定打開后可以繪制梯形圖編本課題的程序。2、在打開文件之后就可以回執(zhí)梯形圖，根據(jù)所編的程序，在上邊的功能圖，在繪制梯形圖中選擇需要的輸入元件，完成對梯形圖的繪制。4.3I/O分配表輸入端口表：輸入X000花樣1檔(SB0)X001花樣2檔(SB1)X002花樣3檔(SB2)X003花樣4檔(SB3)X004單步(SB4)X005連續(xù)(SB5)X006啟動(SB6)X007停止(SB7)輸入端口表4.1輸出端口表：輸出Y0001號噴頭(KM1)Y0012號噴頭(KM2)Y0023號噴頭(KM3)Y0034號噴頭(KM4)輸出端口表4.2圖4.34.3.1輸入信號啟動按鈕SB7，花樣選擇位置1開關(guān)SB1，花樣選擇位置2開關(guān)SB2，花樣選擇位置3開關(guān)SB3，花樣選擇位置4開關(guān)SB4， 單步、連續(xù)開關(guān)SB5停止按鈕SB6:。4.3.2輸出信號1號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM12號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM23號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM34號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM44.4系統(tǒng)主程序4.4.1順序連接圖由于有4中花樣，所以應(yīng)該分布考慮，按照花樣的要求，編輯四種花樣順序圖，順序圖如下圖所示：其中啟動代表開關(guān)打開，位置1,2,3,4代表花樣檔位位置，S代表多少秒后運行到下一步，單步/連續(xù)表示工作模式?；?：圖花樣4.4此花樣檔是1、2、3、4每隔兩秒依次噴水，然后四個噴水管同時噴水18秒后停止花樣2：圖花樣4.5此花樣檔是先2、4同時噴水兩秒然后停止，同時1、3同時噴水兩秒然后停止，交替運行5次后四個噴水管同時噴水10秒停止花樣3：圖花樣4.6此花樣檔是先1、3、2、4順序噴水，間隔兩秒，然后同時噴水10秒后，按2、4、1、3順序停噴，間隔兩秒?；?：圖花樣4.7此花樣檔是1號、4號噴頭同時噴水，延遲4S后，2號、3號噴頭同時噴水，1號、4號噴頭停止噴水。如此交替運行40S后，4組噴頭全噴水，運行3S后停止。4.4.2根據(jù)順序連接圖編程，梯形圖在附錄14.4.3根據(jù)梯形圖生成的指令附錄24.5系統(tǒng)調(diào)試4.5.1仿真軟件的選用由于是用三菱PLC，所以直接用三菱GXDeveloper的GXsimulator來仿真使用步驟：（1）把梯形圖輸入仿真軟件。（2）直接運行程序，觀察時序圖的輸出波形是否正確。圖4.84.5.2連接實物調(diào)試與分析把程序?qū)懭隤LC，觀察實際效果圖4.9考慮到花樣噴泉的花樣復(fù)雜，選擇了子程序控制，這樣簡單，明了。但還是遇到許多的問題，比如在輸入程序時的不小心，或者出現(xiàn)程序錯誤，由于是四種花樣工作，設(shè)計了自鎖，調(diào)試工程中，由于雙線圈不工作，所以用其他方法代替，在自己設(shè)計程序的時候沒有輸入復(fù)位指令，導(dǎo)致程序不能調(diào)用現(xiàn)象。經(jīng)過自己的認真檢查，調(diào)試過程順利進行。參考文獻：[1]三菱電機.MR-J2S-B伺服驅(qū)動器的技術(shù)資料[M].上海:三菱電機自動化上海有限公司,2004,07.[2]鄧則名,鄺穗芳等.電器與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004,104-199.[3]廖常初.PLC編程