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PLC控制的花样喷泉系统
PLC控制的花样喷泉系统
目录
1.内容摘要......................................3
2.PLC简介.......................................3
2.1.PLC概述...................................3
2.2PLC的产生..................................4
2.3.PLC的应用领域.............................4
2.4.PLC的应用特点.............................5
3.花样喷泉系统的设计.............................7
3.1控制要求....................................7
3.2花样喷泉的设计方案..........................8
3.3模拟量I/O模块的选择.......................13
3.4特殊功能模块的选择.........................13
3.5系统I/O分配表.............................13
3.6 PLC外部接线图.............................14
参考文献........................................15
设计总结........................................16
PLC控制的花样喷泉系统
内容摘要：花样喷泉的核心是PLC，即可编程序控制器，是一种以微处理器为核心、带有指令存储器和输入输出接口、综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的新一代工业控制装置。它能够存储和执行指令，进行位置控制、逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。它不仅充分发挥了计算机的优点，以满足各种工业生产过程自动控制的需要，同时又照顾一般电气操作人员的技术水平和习惯，采用梯形图或状态流程图等编辑方式，使PLC的使用始终保持大众化的特点。
关键词：PLC 花样喷泉 工业控制 大众化
近年来我国经济的不断发展，物质生活水平的提高促使着人们迫切的追求更高的生活享受，于是大大小小的公园如雨后春笋般出现在新的城市规划中，其中必然会修建一些喷泉供人们休闲、观赏。这些喷泉按一定的规律改变喷水式样，如果再与五颜六色的灯光相配合，在和谐优雅的音乐中，更是令人心旷神怡，流连忘返。其中PLC控制的花样喷泉更是作为佼佼者，以其简单的操作方法和绚烂的视觉效果饱受人们的称赞。本文讲述的是如何利用PLC控制喷泉喷水方式，从而产生产生各样的样式。
一、 PLC的简介
（一） PLC的概述
可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器在功能上只进行逻辑控制，称为可编程逻辑控制器（programmable logic controller）简称PLC。随着技术的发展，
其控制功能不断增强。现在的可编程控制还可进行算术运算、模拟量控制，因此，美国电器制造协会（NEMA）于1980年将它命名为可编程控制器（Programmable controller) 简称PC。但容易同个人计算机（ personal computer）相混淆，现又把可编程控制器称为PLC。它已基本上替代传统的继电器控制系统，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。1987年2月，国际电工委员会颁布可编程控制器标准草案中将其进一步定义为：“可编程控制器式一种数字运算操作的电子系统，转为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程
（二） PLC的产生
PLC是在激烈的市场竞争中产生的，20世纪60年代么末，美国汽车制造业竞争激烈。为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出要求为：（1）能替代由各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统，由传统的继电——接触器控制，它简单易懂，价格低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要；（2）编程简单；（3）模块式结构；（4）输入、输出电压为交流115V(美国标准)，输出能直接驱动继电器和电磁阀；（5）抗电磁干扰强；（6）具有数据通信功能。就是把继电——接触器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电——接触器控制的硬接线逻辑不易修改。美国数字设备公司（DEC）在1969年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配现上应用成功，实现了生产装配线的自动控制。
（三） 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，使用情况主要分为如下几类：
1.开关量逻辑控制
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.工业过程控制
在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。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。
3.运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一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，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4.数据处理
PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、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。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
5.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。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
（四） PLC的应用特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。
2.配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。
（2）安装与布线
● 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。将PLC的IO线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。
● PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。在柜内PLC应远离动力线（二者之间距离应大于300mm）。与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。
● PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10.
（3）I/O端的接线
输入接线
● 输入接线一般不要太长。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。
● 输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。
● 尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。
输出连接
● 输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。
● 由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。
● 采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。
● PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。
二、花样喷泉系统的设计
（一）控制要求
本设计花样喷泉模型如下:
如图:
4号为中间喷头，3号为内环状喷头，2号为一次外环状喷头，1号为外环状喷头。
1.花样控制的几种模式
（1）按下启动按钮，喷泉控制装置开始工作，按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。
（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置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，现考虑4种喷水花样。
2.各种模式的动作状态
（1）花样选择开关位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时3s后，3号喷头喷水，再延时2s，2号喷头喷水，又延时2s，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。
（2）花样选择开关的位置2时，按下启动按钮后，1号、3号喷头同时喷水，延时3s后，2号、4号喷头，1号、3号喷头停止喷水。如此循环5次后，4组喷头全喷水，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。
（3）花样选择开光的位置3时，按下启动按钮后，1号喷头喷水，延时2s后，2号喷头喷水，再延时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。
（4）花样选择开关位置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，分别延时2s，依次停止喷水。再经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。
（二）花样喷泉的设计方案
1.软件的设计
（1）喷泉控制流程图
（2）系统程序的设计
本次系统为了方便模拟,选择用PLC梯形图语言设计。
（3）部分程序介绍
①花样选择程序
花样选择开关SB4,SB5,SB6,SB7任意一个按下,如SB4按下,则按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时3s后，3号喷头喷水，再延时2s，2号喷头喷水，又延时2s，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
2.PLC型号的选择
对于小的系统，如80点以内的系统．一般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展仍不能满足要求时，可采用网络结构；同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请看相关的技术手册。各公司的扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块、输入输出模块、温度模块、高速输入模块等。 PLC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。
3．PLC的网络设计
当用PLC进行网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多。首先你应选用自己较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速
度和用户程序存储容量也应仔细了解。否则，不能适应你的实时要求，造成系统崩溃。另外，对通信接口、通信协议、数据传送速度等也要考虑。最后，还要向 PLC的商家寻求网络设计和软件技术支持及详细的技术资料，至于选用几层工作站，依你的系统大小而定。
4.软件编制
在编制软件前，应首先熟悉所选用的 PLC产品的软件说明书，待熟练后再编程。若用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可少出错，速度也快。编程结束后先空调程序，待各个动作正常后，再在设备上调试。
5．确定所选PLC
从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点8个，开关量输出点8个，参照三菱FX2N PLC产品目录及市场实际价格，选用主机为FX2N 48MR的PLC为系统核心控制.
6.花样喷泉I/O分配
（1）PLCI/O的分配简介
一般I／O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I／O模块有开关量I／O模块、模拟量I／O模块及各种特殊功能模块等。不同的I／O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。
①输入信号的类型及电压等级
开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
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较高的模块。
②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。
③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％。
④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，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。
（2）开关量输入模块的选择
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。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。
分组式输出、分隔式输出
组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。
开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。
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(8×2A)，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，在实际使用中也应注意。
（三）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、4~20mA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。
（四）特殊功能模块的选择
目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I／O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I／O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等.
（五）系统I/O分配表
输入
X000 启动(SB0)
X001 停止(SB1)
X002 连续循环(SB2)
X003 单步(SB3)
X004 花样1档(SB4)
X005 花样2档(SB5)
X006 花样3档(SB6)
X007 花样4档(SB7)
输出
Y001 1号喷头(KM1)
Y002 2号喷头(KM2)
Y003 3号喷头(KM3)
Y004 4号喷头(KM4)
（六）PLC外部接线图
接据系统控制要求,PLC外部接线图如下:
1.接通电源,按下启动按纽SB0,X000有信号输入,PLC处于待命状态,
2.花样选择开关,SB4,SB5,SB6,SB7,任意一开关接通,对应的PLC输入点X004,X005,X006,X007有信号输入,PLC处于相应选择的工作状态,
3.当按SB3,对应X003触发,PLC处于单步运转状态,
4.按下SB1,对应经X001断开,PLC停止工作.
详细过程如下:
1.当按下开关SB0,单步开关SB3断开,如选择开关SB4接通,刚PLC输出点Y007输出信号,KM4接通相联接的4号喷头,同时开始计时,两秒后动作接通Y005相对应的KM3接通联接的3号喷头,开始计时,两秒后动作接通Y004,相对应的KM2接通联接的2号喷头,同理,在两秒后,接通1号喷头,再接通4号循环下去......
2.在一的过程,如SB3接通的情况下,刚在一个过程后,自动停止.
3.同样,当选择其他位置开关,PLC按设定程序进行工作.
参考文献：
1.孙平，《可编程控制器原理及应用》，高等教育出版社，2003年1月第二版。
2.张运波，《工厂电气控制技术》，高等教育出版社，2001年7月第一版。
3.王永华，《现代电气及可编程控制技术》，北京航空航天大学出版社，2002年9月第一版。
4.任志锦，《电气与电气控制》，机械工业出版社，2003年2月第一版。
5程周，《可编程控制器原理及应用》，高等教育出版社，2003年4月第四版。
6.胡学林，《可编程控制器应用技术》，高等教育出版社，2001年8月第二版。
设计总结
本次毕业设计我以PLC为基本嵌入点，用来设计大众化的喷泉景观，作为机电专业的毕业生，一方面综合应用了机电一体化的专业知识，同时优化了喷泉，可以为实际生活带来更多的便利。在设计中,我遇到了不少问题,通过自己努力研究,把它们一个一个解决了,系统模拟非常成功,总的来说,这次设计不难,关键在于细心,有时一些小问题,让我走了很多弯路,真正让我感觉到了学以致用的重要性.三年来，我认真地学习了专业课程基础知识，具有一定的设计理论基础和独立设计能力，由于毕业设计的课题是一种整体性的，系统性的设计，我真的是很努力地在做，但还是感到力不从心，因而这次设计在深度和广度上都有一定的局限性，不过，我认为还是提高了认识，学到了东西。
在即将毕业之际，我想借此机会对关心和支持我的所有人表示感谢！
感谢工程系的各位老师尤其是我的指导老师李素平老师，在她的悉心指导下，我才得以完成毕业设计。另外，在整个设计的过程中，我还得到了同组其他同学的真诚帮助，在此一并表示感谢！
大学生活即将结束，我感到自己树立了正确的世界观、人生观、价值观。在此，我感谢学院领导和班主任老师，是他们教会我做人的道理。
回顾这三年的学习和生活，还有许多的朋友和同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后。在此我要感谢所有关心和爱护我的人，今后我会继续努力，不辜负您们对我的期望！
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