自动喷泉PLC控制系统课程设计说明书资料.doc

电气控制技术课程设计说明书 自动喷泉PLC控制系统设计湖南工学院电气控制技术课程设计课题任务书学院：电气及信息工程学院 专业：电气工程及其自动化 指导教师学生姓名课题名称自动喷泉PLC控制系统设计内容及任务一、目标设计一个基于PLC自动喷泉控制系统。在许多休闲广场、景区或游乐场里，经常看到喷水按一定规律喷水或变化式样，若在夜晚配上各种彩色灯光显示，更加迷人。如图1所示为一花式喷水池，采用PLC控制是比较方便，在花式喷水时序确定前提下，可以通过改变时序或者改变控制开关，就可以改变控制方式，达到显现各种复合状态要求。在图1中，4为中间喷水管，3为内环状喷水管，2为一次外环形状喷水管，1为外环形状喷水管。 (a) 花式喷水池演示示意图 (b) 操作控制开关面板图图1 花式喷水池示意图二、任务根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案及进度计划，运用所学理论知识，进行自动喷泉控制原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题及解决问题能力。主要内容包括：1. 设计该系统电气控制硬件系统；2PLC选择及I/O及其它PLC元器件分配。3选择电器元件，编制元件目录表。 4设计该系统PLC控制梯形图。5用计算机绘制PLC控制电路图。6进行系统调试，实现自动喷泉控制要求。7. 编写设计说明书。三、要求某一喷水池控制器需满足下列要求：1控制器电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置开始工作。按下停止按钮，则停止喷水。工作方式由选择开关与单步/连续开关来决定。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喷水花样，14号喷水管工作方式选择如下：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。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。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，14号全喷水，30s后停止。若在连续状态时，将继续循环下去。选择开关在位置“4”时。按下启动按钮后，喷水池14号喷水管工作顺序为：1234号按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s，1、2、3与4号分别延时2s停水，再延时1s，由4321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。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。主要参考资料1 史国生. 电气控制及可编程控制器技术M。北京：化学工业出版社，2012。2 于广庆. 可编程控制器原理及系统设计M。北京：清华大学出版社，2004。3 吴启红. 变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书（第二版）M。北京：机械工业出版社，2010。4 史国生，鞠勇. 电气控制及可编程控制器技术实训教程M。北京：化学工业出版社，2010。5 于晓云，许连阁. 可编程控制技术应用项目化教程M。北京：化学工业出版社，2011。 6 廖常初. PLC编程及应用M。北京：机械工业出版社，2005年。7 胡学林. 可编程控制器应用技术M。北京：高等教育出版社，2001年。8 三菱FX系列可编程序控制器编程手册M。三菱公司编，2001年。9 三菱可编程序控制器应用101例M。三菱公司编, 1994年。10 史宜巧，孙业明，景绍学. PLC技术及应用项目教程M。北京：机械工业出版社，2009。教研室意见 教研室主任：（签字）年 月 日第 15 页摘 要自动喷泉是近年来出现一种园林建筑及花式观赏相结合一种产物。随着可编程控制器在我国迅速发展，对花式喷泉控制要求也越来越高，使得越来越多控制部分需要可编程控制器来实现。自动喷泉PLC控制系统设计首先分析了自动喷泉工作原理、控制要求，根据工艺要求，统计了自动喷泉所需要输入与输出端子，其中输入点为8个，输出点为4个，共计12个输入输出点。根据PLCI/O点数与内存容量选型原则，选择了三菱FX2N-16MR继电器型PLC作为自动喷泉控制器，同时选择了其它电器元件，设计了PLC外部接线图。然后利用SFC（Sequential Function Chart，顺序功能图）图法设计了自动喷泉程序梯形图。为了验证设计正确性，运用三菱GX Developer仿真软件进行程序仿真。仿真结果证明，设计能够有效保证自动喷泉准确性、快速性、安全性，满足工艺要求，具有一定应用价值。关键词：喷泉；可编程控制器；控制系统；设计目 录1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 喷泉控制现状11.3 本文主要内容22 自动喷泉硬件设计32.1 自动喷泉设计要求32.2 I/O点统计3 2.2.1 输入点统计3 2.2.2 输出点统计42.3 PLC选型及参数介绍4 2.3.1 PLC介绍4 2.3.2 PLC选择4 2.3.3 PLCFX2N-16MR参数介绍52.4 I/O总分配及自动喷泉PLC I/O接线5 2.4.1 PLCI/O总分配5 2.4.2 自动喷泉PLC I/O接线63 自动喷泉软件设计73.1 编程方法选择73.2 自动喷泉工作流程图73.3 自动喷泉程序设计84 系统调试144.1 GX Developer介绍144.2 程序调试过程14结束语16参考文献17致 谢18附 录 梯形图191 绪论1.1 课题背景及意义随着我国经济高速发展，微电子技术，计算机技术与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时代，其应用越来越广。而随着我国城市化进程加快与人口大量集聚，环境越来越重要，好环境能使心身愉快，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。喷泉细小水珠同空气分子撞击，能产生大量负氧离子，有益于改善社区面貌与增进居民身心健康。人们对喷泉造景功能、娱乐功能、环保功能认识提高，开拓了喷泉应用范围。我们可以看到：适宜于喜庆节日、大型群众集会广场喷泉与城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取，凝聚向上感受。在商业广场、购物中心以及一些景点大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿视听效果。河、湖自然水面上喷水高度超过百米高水柱喷泉，其雄伟、壮观水造型往往成为这个城市或旅游景点特征之一。喷泉进入了住宅小区，多及建筑小品与雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱幽静、典雅风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足形式。松弛、舒适环境氛围给人们愉悦感受。商场内、酒楼里喷泉小巧、别致，既调节了室内小气候，又增添了画意。依托大型建筑物与自然地形建成人工瀑布及溢水造景给人们以清新与另有韵味感受。喷泉在电视转播厅与大型歌舞上频频出现，调谐得当水形烘托着演出效果。精巧微型喷泉进入了办公室与居室，给室内增添了动态装饰。喷泉是艺术与技术结合物，建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉设计、创作中。不少成功作品都注意喷泉设计风格及周边环境、建筑物风格协调一致，注意当地人文、文化心理，所以好方案设计是至关重要，它是成功起点。1.2 喷泉控制现状在喷泉方案制作上，短短几年时间就从手工制图发展到photo shop图片再发展到三维动画制作光盘描绘动态喷水方案，计算机技术极大地丰富与开拓了人们思维空间。快速、直观、便于保存、易于修改优点很快地就被建设方接受，成为喷泉设计方案招投标必备内容。喷泉专用产品，设备也在不断地更新换代，新材料、新技术采用，环保型产品更加安全、可靠，售后服务周到、及时，这些都为喷泉良性发展提供了技术支撑，使得大多数喷泉在美化环境之外，还发挥了良好生态效应社会效益与广告效应等间接经济效益。1.3 本文主要内容根据生活当中出现一些情况，以花式喷泉为研究对象，结合了大量资料及文献，研究喷泉控制问题，整理出一套可行性较高喷泉控制系统。系统研究内容主要包括了喷泉发展情况及所存在一系列问题；喷泉控制系统组成；I/O点统计；喷泉软件设计；仿真及调试等。设计说明书共分4章，第1章绪论，主要介绍了自动喷泉控制现状与背景意义。第2章自动喷泉硬件设计，主要介绍了自动喷泉控制系统硬件设计，主要写了自动喷泉工作原理、I/O点统计、PLC选型与PLC外部接线图设计。第3章自动喷泉软件设计，主要介绍了自动喷泉流程图、I/O口总分配、单独花样设计。第4章系统调试，主要介绍了仿真软件及调试结果。2 自动喷泉硬件设计2.1 自动喷泉设计要求1控制器电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置开始工作。按下停止按钮，则停止喷水。工作方式由选择开关与单步/连续开关来决定。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喷水花样，14号喷水管工作方式选择如下：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。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。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，14号全喷水，30s后停止。若在连续状态时，将继续循环下去。选择开关在位置“4”时。按下启动按钮后，喷水池14号喷水管工作顺序为：1234号按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s，1、2、3与4号分别延时2s停水，再延时1s，由4321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。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。2.2 I/O点统计2.2.1 输入点统计自动喷泉设计所需输入点分别为：启动按钮，占用1个输入点；停止按钮，占用1个输入点；连续按钮，占用1个输入点；单步按钮，占用1个输入点；工作方式14选择开关占用4个输入点，经统计共有8个输入点。具体输入点统计如表1所示。表1 输入点统计序号输入点数量1启动按钮SB012停止按钮SB113连续按钮SB214单步按钮SB315工作方式1选择开关SA116工作方式2选择开关SA217工作方式3选择开关SA318工作方式4选择开关SA41总计82.2.2 输出点统计自动喷泉设计所需输出点分别为：输出点是由4个喷头组成，经统计共有4个输出点。具体输出点统计如表2所示。表2 输出点统计序号输出点数量1电磁阀线圈YA112电磁阀线圈YA213电磁阀线圈YA314电磁阀线圈YA41共计42.3 PLC选型及参数介绍2.3.1 PLC介绍可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中一员，是为工业控制应用而设计制造。早期可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术发展，这种装置功能已经大大超过了逻辑控制范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免及个人计算机(Personal Computer)简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,PLC自1966年出现，美国，日本，德国可编程控制器质量优良，功能强大。2.3.2 PLC选择根据要求，确定了8个输入点及4个输出点，考虑需要留有一定余量，所以选用有16点输出输入PLC,由于只是以开关量进行控制喷头开启及关闭，速度要求不是很高，输出选用有触点继电器输出形式PLC，考虑应用灵活性与控制能力并结合课程所学三菱FX系列PLC,综合以上因素，确定使用型号为FX2N-16MR-001PLC。2.3.3 PLCFX2N-16MR参数介绍三菱PLC FX2N-16MR系列是FX系列PLC家族中最先进系列。其技术指标具体参数如下。输入参数：输入点数为8，输入信号电压为DC24V±10%*2，输入信号电流为7mA/DC24V (X010以后为5mA/DC24V)，输入ON电流为4.5mA以上(X010以后为3.5mA/DC24V)，输入OFF电流为1.5mA以下，输入响应时间为约10ms。输出参数：输出类型为继电器输出，输出点数为8，外部电源为AC250V DC30V以下，回路绝缘为机械隔离，动作显示为继电器线圈通电时LED亮灯，最小负载为DC5V 2mA，响应时间为约10ms。 当负载为电阻负载时最大为2A/1点COM，8A/4点COM，8A/8点COM。 当负载为感性负载时最大为80VA。 当负载为灯负载时最大为100W。2.4 I/O总分配及自动喷泉PLC I/O接线2.4.1 PLCI/O总分配通过PLC选型可知，设计采用三菱FX2N-48MR继电器型PLC作为自动喷泉控制核心，根据I/O点数统计可知，X0代表是启动按钮，用于系统启动，X1代表是停止按钮，用于使运行中系统停止；X2代表是连续按钮，用于连续工作；X3代表是单步按钮，用于单步运行；X4X7代表是工作方式14。输出接4个电磁阀，Y0Y4分别接电磁阀14。综上所述PLCI/O总分配表见表3所示。表3 PLCI/O总分配表序号名称输入点序号名称输出点1启动按钮X0001电磁阀YA1Y0002停止按钮X0012电磁阀YA2Y0013连续按钮X0023电磁阀YA3Y0024单步按钮X0034电磁阀YA4Y0035方式1选择开关SA1X0046方式2选择开关SA2X0057方式3选择开关SA3X0068方式4选择开关SA4X0072.4.2 自动喷泉PLC I/O接线PLC外部接线图由8个输入点4个输出点组成。自动喷泉PLC外部接线图如图1所示。图1 PLC外部接线图3 自动喷泉软件设计3.1 编程方法选择（1）经验法：在PLC发展初期，沿用了设计继电器电路图方法来设计梯形图，即在一些典型电路基础上，根据被控对象对控制系统具体要求，不断地修改与完善梯形图。有时需要多次反复地调试与修改梯形图，不断地增加中间编程元件与辅助触点，最后才能得到一个较为满意结果。这种方法没有普遍规律可以遵循，具有很大试探性与随意性，最后结果不是惟一，设计所用时间、设计质量及设计者经验有很大关系，所以有人把这种设计方法叫做经验设计法，它可以用于较简单梯形图设计。（2）时序流程图法：时序流程图法使首先画出控制系统时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制控制时序图），再根据时序关系画出对应控制任务程序框图，最后把程序框图写成 PLC 程序。时序流程图法很适合于以时间为基准控制系统编程方法。自动喷泉系统输出点时序图如图9所示。（3）逻辑代数法：由于电气控制线路及逻辑代数有一一对应关系，因此对开关量控制过程可用逻辑代数式 表示、分析与设计。 基本设计步骤如下：根据控制要求列出逻辑代数表达式；对逻辑代数式进行化简；根据化简后逻辑代数表达式画梯形图。 （4）顺序功能图：顺序功能图是一种新编程方法，常用来编写开关量顺序控制类程序。它包括阔步、路径、转换三个要素，也提供了一种组织程序图形方法。（5）SFC图法：按照生产工艺预先规定顺序，在各个输入信号作用下，根据内部状态与时间顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。综上所述，通过对比比较可知，自动喷泉设计采用SFC图法作程序设计语言，具有可读性、易懂性。能够比较直观展现程序功能与设计思路。3.2 自动喷泉工作流程图自动喷泉设计是主要用了跳转指令完成过程循环过程，用定时器定时实现喷头之间运行，通过互锁实现单独工作方式运行不会出现多种方式共同运行情况。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，系统则按照选择花样继续运行下去直到按下停止按钮。自动喷泉工作流程图如图2所示。图2 自动喷泉工作流程图3.3 自动喷泉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，14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14号喷水管工作顺序为：1234号按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s，1、2、3与4号分别延时2s停水，再延时1s，由4321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。图6 样式选择4程序4 系统调试4.1 GX Developer介绍GX Developer是三菱PLC编程软件。其具有软件共通化、程序标准化等特点，能够利用Windows优越性，使操作性能更加优越。其操作方法简便，易学易懂，能够让操作人员在复杂系统情况下也能够通过简单设定及可编程控制器CPU连接，通过调试功能实现程序仿真，从而达到相应目。本课题采用编程软件GX Developer为编程软件，具体操作方法如下：打开软件GX Developer，然后打开文件在下拉菜单栏里点击新建文件夹选择FX-2N，确定打开后可以绘制梯形图编程。编程完后进行程序转换。然后利用GX Simulator进行程序仿真。由于打印出结果不明显，故在动作软元件上话框表示该软元件动作。4.2 程序调试过程（1） 循环调试：按下循环按钮SB2，选择一种样式。调试结果为：LED灯在循环一次后，全部熄灭，然后继续循环。（2） 单步调试：按下单步按钮SB3,选择一种样式。调试结果为：LED灯在循环一次后，全部熄灭。（3） 样式选择1调试：样式1要求按下启动按钮后，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。调试结果为：Y4、Y3、Y2、Y1先后点亮，时间间隔为2s，最后一起亮15s后，停下来，如果选择循环模式，将重复以上结果。(4) 样式选择2调试：样式2要求按下启动按钮后，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。调试结果为：Y1、Y2、Y3、Y4先后点亮，时间间隔为2s，最后一起亮30s后熄灭，如果选择循环模式，将重复以上结果。（5） 样式选择3调试：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，14号全喷水，30s后停止。若在连续状态时，将继续循环下去。调试结果为：Y1、Y3同时点亮，3s后，Y2、Y4点亮，Y1、Y3熄灭，这样交替5次后，Y1、Y2、Y3、Y4一起点亮30s后熄灭，如果选择循环模式，将重复以上结果。（6） 样式选择4调试：按下启动按钮后，喷水池14号喷水管工作顺序为：1234号按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s，1、2、3与4号分别延时2s停水，再延时1s，由4321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。调试结果为：Y1、Y2、Y3、Y4按顺序延时2s点亮，接着一同亮30s，然后Y1、Y2、Y3、Y4延时2s熄灭，经过1s，Y4、Y3、Y2、Y1反向点亮，延时2s，最后一同亮30s后全都熄灭，如果选择循环模式，将重复以上结果。（7） 停止调试：按下停止按钮SB1，不论处于何种状态，LED灯全部熄灭。 结束语系统主要以可编程控制器PLC强大控制功能，实现了利用可编程控制器与变频器控制花式喷泉功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当花式喷泉功能增加时，只需增加相应程序以及输出功能，要改动地方也较少，调试结果表明，在适应性、灵活性、精确性与可靠性方面，都达到了设计要求，表明该设计方案是可行。本次课程设计基本上是成功。但是对程序应用存在不够好导致编程语句过长。4种花样不能自动转换。必须再加一个程序把前四个程序连在一起才能实现四种程序自动转换。在设计过程中还使用了GX Simulator对控制程序进行监控与控制，由于之前没有接触过GX Simulator仿真，对于设计中仿真建立，有许多地方设计还不是很合理。设置时存在很多不理解不明确地方。通过多次对程序调试与改进，终于达到了预期目标。通过这次实践，对PLC用途及工作原理有了很大提高，熟悉了PLC应用，锻炼了实践能力。此次课程设计是对专业知识一次实际检验与巩固。参考文献1 史国生. 电气控制及可编程控制器技术M。北京：化学工业出版社,2012。2 于广庆. 可编程控制器原理及系统设计M。北京：清华大学出版社,2004。3 吴启红. 变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书（第二版）M。北京：机械工业出版社，2010。4 史国生，鞠勇. 电气控制及可编程控制器技术实训教程M。北京：化学工业出版社，2010。5 于晓云，许连阁. 可编程控制技术应用项目化教程M。北京：化学工业出版社，2011。 6 廖常初. PLC编程及应用M。北京：机械工业出版社，2005年。7 胡学林. 可编程控制器应用技术M。北京：高等教育出版社，2001年。8 三菱FX系列可编程序控制器编程手册M。三菱公司编，2001年。9 三菱可编程序控制器应用101例M。三菱公司编, 1994年。10 史宜巧，孙业明，景绍学. PLC技术及应用项目教程M。北京：机械工业出版社，2009。致 谢在自动喷泉设计过程中，首先感谢学校与领导提供帮助，是你们开放了实验室，让我们在设计过程中能够有机会及时通过实验器材验证设计正确性，也让我们有机会将书本上学到知识应用到实践中去，锻炼了我们单独设计PLC程序能力，体会了学以致用、收获自己劳动成果喜悦心情，也让我们从中发现了学习不足之处与对知识掌握薄弱环节，从而加以弥补。其次，我要感谢罗教师在设计过程中，每当遇到不解或者难以完成内容时，罗教师总会耐心指导我，为我解答心中疑惑。感谢罗教师与所有帮助过我同学们。附 录 梯形图