PLC控制小型花样喷泉.doc

中国工程物理研究院工学院毕 业 设 计 论 文题 目 PLC控制小型花样喷泉指导教师 学生姓名 专 业 电气自动化技术 班 级 二零零六级三班 日 期 二零零八年十月 目 录一、绪论31控制设计32.场地设计33.供水设计34.喷头设计45.灯光设计4二、PLC的发展及其趋势 42.1 PLC的发展42.2 PLC的发展趋势4三、PLC简介 43.1 欧姆龙CP1H型PLC介绍33.1.1 CP1H概要43.1.2 CP1H基本结构43.1.3 CP1H系统特点53.2 单片机的简介63.3 PLC控制与单片机控制比较63.4 装置简介6四、控制方式及控制要求 74.1 控制方式74.2 控制要求7五、设计任务7六、设计过程76.1 PLC主机的选用76.2 I/O端口地址的分配76.3 电气原理图86.4 程序设计86.4.1 系统的主流程图96.4.2 根据主流程图编制系统程序96.5 主要参数计算126.6 元件介绍选取126.7 元器件目录表12七、结论12八、致谢词 13九、参考文献 13十、附录13PLC控制小型花样喷泉学生：李钱 指导老师：夏禄兴电子电气自动化系电气自动化专业3班摘要：喷泉是人们为了造景需要而建造在园林、城市街道广场和公共建筑具有装饰性的喷水装置。它对城市环境具有多种价值，不仅能湿润周围空气、清除尘埃，而且能通过水珠与空气的撞击产生大量对人体有益的负氧离子，增进人的身体健康；同时，婀娜多姿的喷泉造型，配上色彩纷呈的灯光，既能美化环境、提高城市文化艺术面貌，又能使人精神振奋，给人以美的享受。喷泉从其外形可分为水泉和旱泉，其类型有普通装饰性喷泉、与雕塑结合的喷泉、水雕塑、自控喷泉，控制方式可分为手控、程控、声控。水姿多样，富于变换，创造无穷意境。因此，喷泉在建筑、园林、旅游事业中，受到了广泛的重视。喷泉是水的艺术、水的文化。喷泉发展到今天，已经成为一种独立而高雅的艺术。喷泉系统设计，就是为喷泉立“意”。如果说立“意”是喷泉的灵魂，那么，运用先进的科学技术进行喷泉设计则是艺术的表现手段。关键词：喷泉 花样 PLC 程序一、绪论 随着社会的发展，特别是进入现代社会以后，人们对生活的质量要求越来越高，不管是居室环境还是周围环境都成为了人们关注的重点。现代喷泉就显得有存在的必要了。 现代喷泉可以从以下几个方面来进行设计：1、控制设计 喷泉系统的控制方式通常有手动控制、程序控制和音乐控制三种。手动控制喷泉缺乏变化，但成本低廉。程序控制喷泉有丰富的水形变化。音乐控制喷泉采用无级调速控制，将音乐与水形变化完美结合，同时给人们以视觉和听觉的享受。鉴于实用性和观赏性本设计采用程序控制。 喷泉系统的复杂程度依据人们对喷泉的观赏性的不同而有所不同。喷泉控制系统可以是一个简单的控制系统，也可以是一个相对复杂的控制系统；其对被控制对象的控制，既可以是相对粗略的控制，也可以是严格按照某一音乐旋律相对比较精确的控制。当然，随着人们对喷泉的要求的提高，控制会变得相对复杂，实现起来也会需要性能更加可靠、功能更加强大的控制器。2.场地设计 建造场地和水池形状的选择通常应依据两个原则：一是整体原则。喷泉处于特定的地理、人文环境中，是环境的一个组成部分，喷泉选址和几何尺度的确定必须服从环境的整体要求。二是实用原则。喷泉在总体规划下确定主题、水池的形状及大小，以及投资规模的确定应符合实际需要。 3.供水设计 喷泉一般都采用自循环方式。进水管的设计要求在较短时间内能充满水池。管路与潜泵应贯彻结构紧骤、独立供水的原则，以便设备布局和系统的调试与控制。 4.喷头设计 喷泉喷头一般有三种基本类型：直流式、水膜式和雾化式。不同类型喷头的排列与组合，可以构造出千姿百态的喷泉形式。 5.灯光设计 喷泉的色彩来自两种光源，一种是水下彩色光源，另一种是水面外的投射光源。水下光源安装在喷头附近的水面下，投射光源则根据水形与流向确定其安装位置和照射方向。 二、 PLC的发展及其发展趋势 2.1 PLC的发展可编程控制器（PLC）是 计算机技术与继电器逻辑控制概念相结合的一种新型控制器，它的以微处理器为核心，用作数字控制的专用计算机。PLC的发展大致经历了以下4个阶段：第一阶段，从第一台PLC诞生到20世纪70年代中期，是PLC的崛起阶段。PLC首先在汽车工业获得大量应用，继而在其他产业部门也开始应用。由于大规模集成电路的出现，采用8位微处理芯片作为CPU，推动了PLC技术的飞跃。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和定时、计数运算，控制功能比较简单。第二阶段，20世纪70年代中期到70年代末期，是PLC的成熟阶段。由于超大规模集成电路的出现，16位微处理器和51单片机相继问世，使PLC向大规模、高速度、高性能方向发展。这一阶段的产品功能扩展到数据传输，比较和运算，模拟量运算等。第三阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是PLC的通信阶段。由于计算机通信技术的发展，PLC也在通信方面有了较大的提高，初步实现了分布式的通信网络体系。但是，由于制造商的各自为政，通信系统自成系统，造成了不同厂家产品的互联较为困难。在该阶段，由于社会生产对PLC的需求大幅增加，其数学运算功能得到了较大的扩充，可靠性也进一步提高。第四阶段，从20世纪80年代中期至今，是PLC由单片控制到系统化控制的加速发展阶段。尤其进入21世纪，由于控制对象的多样化和复杂性，采用单一的PLC已不能满足控制要求，因此出现了配备A/D、D/A单元，触摸屏，高速计算单元，温控单元，位控单元，通信单元，主机链接单元等不同功能的特殊模块构成了功能强大的PLC系统，而且不同系统间可以实习网际联控，并与上位管理机进行数据交换。2.2 PLC的发展趋势1. 更快的处理速度，多CPU结构和容错系统。2. PLC具有计算机功能，编程语言与工具日趋标准化和高级化。3. 强化PLC的连网通信能力。4. 记忆容量增大，采用专用的集成电路，适用性增强。5向小型化、高机能的整体型发展。三、 PLC简介3.1欧姆龙CP1H型PLC基本知识3.1.1 CP1H概要 可编程控制器 SYSMAC CP1H 是用于实现高速处理 高功能的程序包型 PLC。配备与 CS/CJ系列共通的体系结构，与以往产品 CPM2A 40 点输入输出型为相同尺寸，但处理速度可达到约 10 倍的性能。CP1H CPU 单元包括 X（基本型）/XA（带内置模拟输入输出端子）。3.1.2 CP1H基本结构 CPU 单元单体，内置输入24点/输出16点。 CPU 单元单体，可实现高速计数器4轴、脉冲输出4轴。 内置模拟电压/电流输入4点、模拟电压/电流输出2点。 通过扩展CPM1A系列的扩展I/O单元， CP1H整体可以达到最大320点的输入输出。 通过扩展CPM1A系列的扩展单元，也能够进行功能扩展（温度传感器输入等）。 通过安装选件板， 可进行RS-232C通信或RS-422A/485通信（PT、条形码阅读器、变频器等的连接用）。 通过扩展CJ系列高功能单元，可扩展向高位/低位的通信功能等。注：对每个输入接点，通过PLC系统的设定来选择是否在通用输入、输入中断、脉冲接收、高速计数器中的任何一个状态下使用。此外，对每个输出接点，通过指令来选择是否在通用输出、脉冲输出、PWM输出中的任何一个状态下使用。 3.1.3 CP1H系统特点（1）处理速度快CP1H PLC执行基本指令的时间一般为0.1us/条，执行MOV类指令的时间一般为0.3us/条。（2）程序容量与I/O容量大CP1H PLC程序存储最大容量20K字，数据存储器（DM区）的存储最大容量是32K字，这些为复杂程序和各类接口单元、通信及数据处理提供了充足的内存。（3）整体式机构CP1H PLC采用整体式机构，体积小巧且功能完备，大幅的提升了空间的利用率。（4）软硬件的兼容性好CP1H PLC采用CX-P6.1版本作为编程软件，配有FA综合工具包CX-ONE,可以实现PLC与各种外部元件的结合。（5）系统扩展性好CP1H PLC最多可以连接7个I/O扩展单元，每个具有40个I/O点，加上CPU单元本身内置的40个I/O点，CP1H可以处理的最大I/O点数达320点。（6）高速性能强CP1H PLC的CPU单元具有模拟量输入/输出、高速中断输入功能、高速计数功能和可调占空比的高脉冲输出功能，可以实现A/D、D/A转换、精确的定位控制和速度控制，可以高速处理约400条指令。（7）功能块编程语言简便用户可以根据实际需要自行创建相应的功能块，将标准的多个电路编制在一个功能块中，只要将其插入梯形图的主程序中，并在输入、输出中设置参数，就可以方便的对复杂电路进行反复调用。这样可以大大的减少程序编制与调试的工作量以及编码错误，增强可读性。（8）编程组织模式结构化CP1H PLC可将程序划分为最多32个实现不同控制功能的循环任务段，另外提供电源断开中断、定时中断、I/O中断和外部中断等4类256个中断任务，这种任务式的编程模式提高了大型程序开发的效率，调试维护更加简便，改善了系统的响应性能。（9）串行通信能力强CP1H PLC的串行通信口最多可以装2个（RS-232C或RS-422A/485）可以方便的实现与可编程终端(简称PT)、变频器、温度控制器、智能传感器及PLC之间的各种连接。（10）USB通信方式简便CP1H PLC采用的外部USB端口与上位机连接，利用编程软件进行编程和监视，通信简捷。3.2 单片机的简介单片机的全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。为了使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM、EPROM、E2PROM或FLASH）、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统。与通用的计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器（Microcontroller）。MCS51系列单片机是美国Intel公司于1980年推出的一种8位单片机系列。该系列的基本型产品是8051、8031和8751。这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。8051的片内程序存储器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去；8031片内没有程序存储器；8751内部包含有用作程序存储器的4KB的EPROM。由于8051的编程需要制造商的支持，8751的价格昂贵，因此8031获得了更为广泛的使用。MCS51系列单片机优异的性能/价格比使得它从面世以来就获得用户的认可。Intel公司把这种单片机的内核，即8051内核，以出售或互换专利的方式授权给一些公司，如Atmel、Philips、ADI等。这些公司的这类产品也被称为8051兼容芯片，这些8051兼容芯片在原来的基础上增加了许多特性。本书应用电路中采用了Atmel公司的AT89S51芯片，它与MCS51单片机指令集兼容，同时它的内部包含用作程序存储器的4KB的基于FLASH技术的只读存储器。采用这款芯片既克服了采用8031需要添加外部程序存储器导致电路复杂的缺点，又克服了采用8751导致电路制作成本高的缺点。3.3 PLC控制与单片机控制比较优点PLC控制单片机控制 1.由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。1.价格便宜功能强大。既可以用于价格低廉的民用产品也可用于昂贵复杂的特殊应用系统。2.编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统。2.自带完善的外围接口，可直接连接各种外设，有强大的模拟量和数据处理能力。3.抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。3.体积小，功耗低可用于电池供电的便携式产品。4. 有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。4.有高级语言支持，编程效率高，可移植性好。缺点1. 价格昂贵，体积大。1编程方法复杂，不容易上手。2. 功能扩展需要较多的模块。2.抗干扰能力差。3. 不适合大批量重复生产的产品。3.4 装置简介 喷泉系统由电磁阀控制喷水方式，由潜水泵提供动力。电磁阀呈圆周状顺次排列，其中间放一主电磁阀，系统上电时首先打开主电磁阀，避免电机的不正常工作而引起系统的不能工作。系统有4种单独（手动控制）和1自动控制的控制方式。手动控制方式有：方式1：按电磁阀1-电磁阀2-电磁阀3-电磁阀4的次序依次开启，每次开启间隔2S，下一阀开启时断开上一阀；方式2：按电磁阀4-电磁阀3-电磁阀2-电磁阀1的次序依次开启，每次开启间隔2S，下一阀开启时断开上一阀；方式3：按电磁阀1、电磁阀3开-电磁阀2、电磁阀4开-全开15S-电磁阀2、电磁阀4关-电磁阀1、电磁阀3关-电磁阀2、电磁阀4开-电磁阀1、电磁阀3开-全开15S-电磁阀1、电磁阀3关-电磁阀2、电磁阀4关的次序动作，开关时间间隔位2S；方式4：按电磁阀1-电磁阀2-电磁阀3-电磁阀4的次序依次开启，每次开启间隔2S，再全开15S后逆序关断; 按电磁阀4-电磁阀3-电磁阀2-电磁阀1的次序依次开启，每次开启间隔2S，再全开15S后逆序关断。自动控制方式是： 系统按方式1-方式2-方式3-方式4循环执行。按下取消自动按键后系统停在当前状态执行。四、控制方式与控制要求4.1.1 根据不同观赏需求，设置了2种工作方式，即1） 手动控制 按下启动按钮后，系统不立即启动，待按下状态按钮（有状态1-状态4）（或自动按钮）后系统才工作。系统进入状态后循环执行此状态，如在执行过程中有另一状态按钮按下，系统状态不立即转换，必须等当前状态执行完后才进入下一状态。2） 自动控制 按下启动按钮，如系统在自动控制状态，系统按状态1-状态4依次循环执行。（特别说明：系统在自动控制状态时如果按下了状态按钮，系统执行完当前状态后进入所按下的状态再次序循环执行。）4.1.2 控制要求1）按下启动键，动力不立即提供，只打开主电磁阀，必须按下状态按钮或是自动按钮后系统才上电工作，这样就避免了电机应堵转而不能正常工作，提高了系统的可靠性和安全性。2）由于系统长时间带电工作，需设置过载及短路保护。3）有急停按钮。4）有状态、自动及过载指示，明确系统当前的执行状态。五、设计任务1) 按上述控制要求完成PLC控制系统的硬件配置设计，绘制PLC系统的I/O端口接线电路原理图。2) 按控制要求设计程序。六、设计过程6.1 PLC主机的选用 根据装置的介绍及控制要求，统计出的I/O点数是：输入点数9点（1个保护信号，8个按钮信号）；输出点数12点（电磁阀5点，显示7点，包括1个启动显示、1个过载保护显示、4个单状态显示和1个自动状态显示）。根据I/O点数及存储容量，本系统选用欧姆龙CP1H型PLC作为本系统的主机。6.2 I/O端口地址的分配表 输入输入地址代号注释0.00SB1启动0.01SB2停止复位0.02SB3状态10.03SB4状态20.04SB5状态30.05SB6状态40.06SB7确定自动执行0.07SB8取消自动执行0.08FR过载保护输出100.00KM潜水泵100.01YV1电磁阀1100.02YV2电磁阀2100.03YV3电磁阀3100.04YV4电磁阀3100.05YV5 、HL7主电磁阀、启动指示100.06HL5自动指示101.00HL1状态1指示101.01HL2状态2指示101.02HL3状态3指示101.03HL4状态4指示101.05HL6过载指示6.3 I/O端口接线图6.4 程序设计由装置的控制要求可知系统是一个逻辑顺序控制系统，可用基本指令、步进指令或功能指令等多种方式来实现，但考虑到程序的简单和便于理解，这里选用以功能指令为主，其它指令为副的编程方法。6.4.1 系统的主流程图启动主阀YV5开停止D2=0?自动？D2=1?D2=2?D2=4?执行状态1执行状态2执行状态3执行状态4循环执行状态1、2、3、4自动？循环执行状态2、3、4、1循环执行状态3、4、1、2循环执行状态4、1、2、3D2=3？自动？自动？自动？YYYYYNNNYYYYNNNNNNYNNYY6.4.2 根据主流程图编制系统程序本系统主要实现的是花样的输出，如用经验编程法来实现程序未免太冗余，这里用移位寄存器来实现，在程序中只需改变各种控制量的逻辑关系，程序得到大大的简化。这里用状态1（手动状态）来进行讲解(流程图如附图1)：按下启动键后互锁有效，即换言之，如果系统不按启动键，系统将不会启动。再按下状态1按钮，即101通道的作用是状态指示和状态保持。D2中第一次写值完成后W5.01才置位。D2是状态寄存器，记录状态输入。这里还要介绍一下W5.00和W5.01的作用由于系统第一次上电寄存器就自动写零，故用了D2不等于0的比较指令。W5.00就是一个周期信号采集继电器，主要作用就是系统在执行当前状态完时如按下另一状态按钮，系统不立即进入下一状态，必须等当前状态执行完了之后才能进入。如果不外接W0.00，系统进入状态1后不会马上打开电磁阀1，必须等下一采集信号到来时才会执行，即有2S的时间间隔。由于电磁阀的开启都用了2S，这里用了一个周期脉冲产生电路充当信号采集时间。系统在自动状态时主要用移位寄存器控制的是101通道，让其自动在状态与状态之间进行转换。100.06是自动状态指示标志。当电磁阀全开15S到电磁阀执行下一状态时启动了15S的定时器，对信号采集做了如下变通，以状态3为例当W2.01来时，系统电磁阀全开，这时断开2S信号采集支路，同时启动15S定时器等15S信号到来时再采集移位寄存器的下一状态，同时关断15S定时器，恢复2S定时器的信号采集功能。本系统就是运用内部辅助继电器的不同接法而实现不同花样输出（W0控制状态1、W1控制状态2、W2控制状态3、W3控制状态4）。6.5 主要参数的计算FU熔体额定电流因为Ifu(1.52.5)×IN 所以IFU1=(1.52.5)×6.12=9.1815.3A,取10A; 根据PLC的容量选取 IFU2=IFU3=2A。 6.6 元件介绍选用6.6.1电磁阀产品型号：OK53特点： 性能稳定进口膜片 超长寿命 响应迅速抗污耐脏多级密封 保护线圈应用范围：水景艺术、音乐喷泉、跑泉、跳泉、等各种喷泉及水下管路、潮湿环境管路控制，适应于江、河、湖、海及人工水池等水下环境使用。主要技术参数原理结构：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：25万次流体温度：C1组：-5+50压力范围：080.50.6  Mpa接口形式：螺纹式、法兰式（型号规格后带F）阀体材质：黄铜（略）、304不锈钢（型号后用-304表示）标准电压：AC220V、DC24V (其它可特制)电气连接：浇封预埋式防水电缆线（线长度可定制）防护等级：国际标准IP686.6.2 指示灯型号:D16PLR-000圆型灯泡指示灯开孔尺寸: 22mm 面板尺寸: 29 灯炮及电压 14V: AC/DC 80mA (incandescent) 28V: AC/DC 40mA (incandescent) 110V: AC green/red (Neon) 220V: AC green/red (Neon) 外盖颜色: 蓝、绿、橙、红、白、黄色6.7元器件目录表序号代号名称数量规格型号备注1M潜水泵1Y10023KW/6.12A/2870r/min2FR热继电器1JR1620/3调节范围6.811A3FU1-FU3熔断器6BLX1熔心10A、2A、2A4QS电源开关1HZ10AC220V/10A5SB1-SB8点动按钮8LA191150Hz/660V6KM接触器1CJ1010AC380V/5A/4KW/600次7YV1-YV5电磁阀5OK53AC220V、DC24V8HL1-HL7指示灯7D16PLR-000220V: AC green/red (Neon)七、结论（1）通过本次程序的设计掌握了PLC的一般编程语言：助记符、梯形图和状态图。助记符、梯形图的编程方法相似，前者要求有一定的计算机编程基础；而后者是直接在继电器的基础是发展而来，其具有直观易懂、使用方便等特点，是PLC编程中最常用的一种编程语言，而状态图对顺序控制的工艺过程是非常适用和易于理解的。本程序在编制的过程中就是先用了状态转移图对控制变量的逻辑顺序进行确定，而后再运用功能指令等其它编程方法对程序进行完善的双重编辑方法。（2）通过本次程序的设计掌握了PLC的基本构造及其工作原理。对其编程工具CX-ONE有了更深层次的了解。（3）通过本次程序的设计掌握了PLC设计的一般步骤：1）控制要求的分析 2）确定输入/输出设备 3）选择合适的PLC 4)I/O点数的分配 5）PLC程序的设计 6）模拟调试 7）现场联机调试 8）整理技术文件。八、致谢词在本次设计的过程中，非常感谢老师与同学的帮助，特别是指导老师夏禄兴，在程序设计过程中遇到的各种难题都给于我一一解决，再次感谢他的大力帮助；还有教导本课程（PLC）的龙江老师和前期课程（工厂电气）的周渤老师，没有他们的悉心教导和讲解，就没有本次程序的成功；还有同学、朋友们的无私奉献，由于在设计中需查阅的资料比较多，而我又不可能全部都有。再次感谢大家对我的帮助，谢谢！九、参考文献【1】工厂电气控制技术 第3版 方承远 张振国 编著 机械工业出版社出版【2】PLC应用开发技术与工程实践 第2版 张宏林 编著 人民邮电出版社出版【3】欧姆龙CP1HPLC应用基础与编程实践 霍罡 樊晓兵 等编著 机械工业出版社出版十、附录11.1 电气原来图11.2 流程图状态1？YV1开2S后？2S后？2S后？2S后？YV2开、YV1关YV3关、YV4开YV2关、YV3开NNNYYYYYNN状态1流程图图11.2.1 状态2？YV4开2S后？2S后？2S后？2S后？YV3开、YV4关YV2关、YV1开YV3关、YV2开NNNYYYYYNN状态2流程图图11.2.2 状态3？YV1、YV3开2S后？2S后？2S后？15S后？YV2、YV4开YV1、YV3关YV2、YV4关NNNYYYYYNNYV2、YV4开2S后？YV1、YV3开15S后？YV1、YV3关2S后？YV2、YV4关2S后？NNNNYYYY状态3流程图图11.2.3图11.2.4状态4？YV1开2S后？15S后后？2S后？2S后？YV2开YV4开YV3开NNNYYYYNNYV4关2S后？YV3关2S后？YV2关2S后？YV1关2S后？NNNNYYYYYV1关2S后？YV2关2S后？YV3关2S后？YV4关2S后？NNNYYYYYV4开2S后？YV3开2S后？YV2开2S后？YV1开15S后后？NNNNYYYY状态4流程图YN