畢業(yè)設(shè)計基于PLC的花樣噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計

1、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 二一三 年 六 月基于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(xì)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(dá)到了實時控制的要

2、求。關(guān)鍵詞：花樣噴泉，自動化，PLC，The design of control system of the variety fountain which bases on the plcAbstract：the variety fountain is a product of recent years, the emergence of a landscape architecture and fancy ornamental combination. With the programmable controller in the rapid development of our count

3、ry, the control requirements are also increasing pattern fountain, making more and more control of part of the programmable controller to achieve.In this article, the pattern fountain as the research object, Mitsubishi FX1N series PLC as controller of the fountain. The overall function of the patter

4、n fountain control system analysis of the composition and working principle of the programmable controller. Fountain hardware building blocks and the detailed design of the hardware module, and the control mode design and program preparation. Designed to improve the the fountain system control quali

5、ty, and really reached the requirements of real-time control.Keywords：Variety fountain，Automation，PLC，目錄1 緒論11.1課題研究背景11.2課題設(shè)計的目的和意義11.3課題設(shè)計的內(nèi)容22 系統(tǒng)控制方案的確定32.1花樣噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計總框圖32.2花樣噴泉的概述32.2系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟42.3系統(tǒng)控制方案42.4控制面板53 系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1 可編程控制器（PLC）的選擇73.1.1 PLC概述73.1.2 PLC的選型73.2水泵的選型8水泵的參數(shù)及性能8選擇步驟104 系統(tǒng)軟件設(shè)

6、計114.1PLC梯形圖概述114.2GX Developer編程軟件的操作方法114.3I/O分配表11輸入信號13輸出信號134.4系統(tǒng)主程序13順序連接圖13根據(jù)順序連接圖編程，梯形圖在附錄118根據(jù)梯形圖生成的指令附錄2184.5 系統(tǒng)調(diào)試18仿真軟件的選用18連接實物調(diào)試與分析18參考文獻(xiàn)：20致謝21附錄122附錄2271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

7、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(xì)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

8、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(xiàn)，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

9、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(zhǔn)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)

10、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GX Developer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?；訃娙刂葡到y(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

11、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。（

12、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

13、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

14、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3.1.1 PLC概述可編程控制器，英文稱Progammable Controller,簡稱PLC，本課題中用PLC作為它的簡稱。

15、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(fù)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)。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。3.1.2 PLC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1520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

16、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23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(xì)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

17、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FX PLC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

18、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

19、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

20、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

21、 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?jǐn)?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.

22、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4.1PL

23、C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。4.2GX Developer編程軟件的操作方法本文采用的編程軟件為GX Developer編程軟件，具體的操作方法如下：1、打開GX Developer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

24、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

25、.3.2輸出信號1號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM1 2號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM23號噴頭噴水開關(guān)接觸器KM3 4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

26、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1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GX Developer的GX simulator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(rèn)真檢查，調(diào)試過程順利進行。參考文獻(xiàn)：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