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1、贵州电子信息职业技术学院机电工程系毕业论文 基于plc控制的花样喷泉毕 业 生 姓 名： 田强 指导教师、职称： 占刚老师 学 号： 200962107035 专 业 名 称： 机电一体化 27 目 录目 录1引言3一.PLC概述21.1 PLC的产生21.2 PLC的结构31.3 PLC的应用领域41.3.1开关量的逻辑控制41.3.2模拟量控制41.3.3运动控制51.3.4过程控制51.3.5数据处理51.3.6通信及联网61.4 PLC的应用特点61.4.1可靠性高6二.概述及设计目的82.1 概述82.2设计目的82.3研究思路和方法9三.花样喷泉系统的设计103.1 PLC型号的选
2、择103.1.1合理的结构型式103.1.2安装方式的选择103.1.3相应的功能要求113.1.4响应速度要求113.1.5系统可靠性的要求113.1.6机型尽量统一12四、PLC的工作原理134.1扫描技术134.2输入采样阶段134.3用户程序执行阶段134.4输出刷新阶段14五、花样喷泉I/O分配表及程序设计155.1 I/O分配表155.2程序初始化165.3喷泉花式1185.4喷泉花式2195.5喷泉花式3205.6 PLC接线图21六、设计优缺点24七、心得体会25八、感谢词26九、参考文献27引言 喷泉是人工环境中最富有生命力的喷泉,它具有分隔空间、增加层次、净化空气美化环境的
3、作用, 具有美化环境的功能，常常博得观赏者的喜爱。喷泉水景首次在我国兴建是18世纪中期，北京圆明园(又名长春园)中的“西洋楼”建筑提升到高处的蓄水池(180m3)里，然后通过管道供给喷泉。近代，国内外随着城市和工业的发展，改善城市环境，兴建自然景观日益增多。因而水景的艺术形式和规模都有很大发展。 现代高科技把美妙的音乐、多姿的喷泉造型、五彩缤纷的水下灯光、神奇的激光图文，通过电脑有机的结合在一起，给人以音乐声响、视觉形象、色彩变换三位一体的超自然享受。随着我国人民物质生活水平的不断提高，对于精神生活的要求也在不断提高，为进一步改造环境景观，建设一个喷泉是很有必要的。随着科学技术的不断发展和生活
4、水平的不断提高，尤其是喷泉在城市和社区环境建设中起着尤其重要的作用。当今喷泉工程和高新技术的结合正是历史发展的必然趋势，由于喷泉工程中采用了大量的高新技术，从而使喷泉效果更加绚丽多彩，婀娜多姿，令人赏心悦目、流连忘返。本次的毕业设计是一个以西门子S7-200 PLC控制为核心的花样喷泉控制系统的设计。花样喷泉在PLC的控制之下，喷出各种各样的水柱，给人以一种视觉上美的享受。一.PLC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（pr
5、ogrammable 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
6、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。1.1 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
7、）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。1.2 PLC的结构PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EP
8、ROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。其结构简图1-1如下：外设I/O接口 输出部件存储器 EPROM 微处理器 运算器 控制器电源 输入部件I/O扩展接口 I/O扩展单元 受控元件输入信号外部设备图1-1 PLC硬件结构图PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和
9、软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。1.3 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，使用情况大致可归纳为如下几类。1.3.1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它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。1.3.2模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处
10、理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 1.3.3运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在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。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 1.3.4过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的
11、控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。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。 1.3.5数据处理 现代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。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如
12、造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 1.3.6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。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。1.4 PLC的应用特点1.4.1可靠性高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，PL
13、C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。1.4.2配套齐全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。1.4.3易学易用PLC是面向工矿企业的工控设备
14、。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。1.4.4系统的设计 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。二、概述及设计目的2.1 概述随着人们的生活日趋小康，一些必要的美化设施逐渐兴起，各式各样的广场花园越来越多，喷泉作为一项建筑艺术，在国内外均有较悠久的历史。人们随着生活水平的提高，对美化
15、住宅小区以及别墅环境的要求也越来越高，小型音乐喷泉成为一个发展方向。目前的水景喷泉一般包括：固定水景、时控喷泉、程控喷泉、声控喷泉、音乐喷泉类，控制方式的复杂程度由低到高。使用控制花式喷泉，具有使用方便、运行可靠、控制程序设计简单等优点，若需要改变喷水花样和喷水时间，不必做很大调整，只要相应修改控制程序，即可实现控制目的。这样的地方又怎能少了喷泉呢? 多花样喷泉形式多样，常常能吸引人们的眼球，同时水又增加了环境的灵动性，多花样喷泉已经成为人们建造各类娱乐广场的必需设施。那些控制简便，花样较多，价格低廉的喷泉慢慢成为建设者的首选。现今，多花样喷泉的制造，延袭传统，结合现代，正日益成为人们或出于对
16、环境的追求，或为了居室的美化，等等，而得到众多品位人士的追求。本设计的多花样喷泉采用西门子编程软件进行PLC编程，利用PLC的工作原理，结合按钮、开关、电源电路进行设计，将软件和硬件有机地结合起来，使得系统能够实现多花样喷泉各种模式的变化以及控制。2.2设计目的通过对实例工程的模拟，熟悉掌握了PLC编程和程序调试方法。进一步了解PLC的I/O连接。进一步熟悉定时移位的编程指令的应用，用PLC构成喷泉系，学习电气可编程中的基本实验器件及PLC编程等的综合应用。巩固和加深对PLC编程控制器的理解和应用。掌握硬件实验装置的方法。2.3研究思路和方法本次设计的题目是花样喷泉系统，本设计基于西门子 S7
17、-200 PLC编程，设计了花样喷泉系统。花样喷泉控制系统的主要任务就是改变喷泉的喷水样式，以达到有规律的改变喷泉喷水样式的目的。按下启动按钮，喷泉装置开始工作，按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。喷泉工作方式由花样选择开关和单步连续开关决定。当单步连续开关选择单步时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循环；当单步连续开关选择连续时，喷泉按照花样选择开关设定的方式，运行多个循环，直至按下停止按钮。花样循环方式选择开关用于选择喷泉的喷水花样，本文设计四种喷水花样循环。PLC控制系统体积小、功能强、可靠性高,且具有较大的灵活性和可扩展性的特点。用 PLC花样喷泉控制系统，不但实现了自动转
18、换花样喷泉的喷水样式，提高了系统的可靠性和安全性，而且，美化了我们的生活环境，使我们的生活环境更加安逸、舒适。因此PLC控制系统具有一定的工程应用和推广价值。三、花样喷泉系统的设计3.1 PLC型号的选择PLC产品的种类繁多。PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。 PLC机型的选择PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提
19、下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。3.1.1合理的结构型式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。3.1.2安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,
20、系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。3.1.3相应的功能要求一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂,要求实现PID运算 、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,
21、选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。3.1.4响应速度要求PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。3.1.5系统可靠性的要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。3.1.6机型尽量统一一个企业,应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：1
22、)机型统一,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理。2)机型统一,其功能和使用方法类似,有利于技术力量的培训和技术水平的提高。3)机型统一,其外部设备通用,资源可共享,易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。综上，本设计选择西门子 S7-200 PLC。四、PLC的工作原理4.1扫描技术 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。4.2输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存
23、入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。4.3用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线
24、圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。4.4输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的
25、外设。这时，才是PLC的真正输出。 同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。 一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。五、花样喷泉I/O分配表及程序设计5.1 I/O分配表元件代号输入地址作用SB0X0启动/停止元件代号输出地址作用YV0Y01号喷点YV1Y12号喷点YV2Y23号喷点YV3Y34号喷点YV3Y45号喷点
26、YV4Y56号喷点YV5Y67号喷点YV6Y78号喷点YV7Y109号喷点YV10Y1110号喷点YV11Y1211号喷点YV12Y1312号喷点YV13Y14主电动机5.2程序初始化初始化以及程序执行一次大循环和停止时对所有状态复位。5.3喷泉花式1按下启动按钮X0，程序开始执行，Y014为主电机，一直处于得电状态。Y0到Y13每隔一秒顺序点亮。当Y13点亮后隔一秒种，Y0到Y13每隔一秒逆序停止。逆序停止后，置位M9开始下一个流程。5.4喷泉花式2 M9得电后Y0到Y13每隔一秒全亮全灭三次，次数到单数亮两秒，双数亮两秒后执行下一步程序。5.5喷泉花式3T31得电后，每隔一秒，Y0-Y13
27、,从两边向一次点亮，计数六次，计数到全停，开始下一个循环。5.6 PLC接线图当喷泉第八种喷射花样结束后，喷泉进入停止状态。在此调试过程中，主要观察喷射花样的运行是否符合程序的设定。其余三种循环方式，也是在喷泉处于单步运行状态时，进行调试。喷泉的四种循环方式选择开关，可在喷泉处于单步运行状态时，进行调试。喷泉运行状态下，按下喷泉循环方式选择按钮，完成四种方式间的切换调试。以上调试完成后，喷泉在默认（连续）状态下启动，喷泉一直运行下去。六、设计优缺点优点：（1）该设计控制简单。（2）变化模式可选。（3）可单步执行。缺点：（1）花样变化比较单一。 （2）用PLC逻辑控制器设计，成本较高。七、心得体
28、会通过本次毕业设计，利用 PLC在控制上的优越性，使喷泉在实际生活中的喷水花样，变化更多，更加完美。本设计采用PLC控制,利用PLC体积小、功能强、可靠性高,且具有较大的灵活性和可扩展性的特点,通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关,就可以改变花样喷泉的喷水规律,从而变换出各式花样,以适应不同季节、不同场合的喷水要求。能给人的视觉系统带来一种更加美的享受。八、感谢词本毕业设计从开始工作到最终的完成都离不开我的指导老师占刚老师的悉心指导和帮助。占老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从占老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向占老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在完成设计的过程中，感谢众多同学和任课教师的热情帮助。最后，衷心感谢各位老师对我的设计进行评审，有不足之处，敬请批评指正。九、参考文献1.三菱PLC快速入门与实例提高 陈苏波 杨俊辉 陈伟欣 常春藤2.三菱系列PLC原理及应用 王万丽，郝庆文，臧永福 出版社：人民3.PLC操作实训(三菱) 基本信息 孙德胜，李伟4.电气自动化专业高技能型人才教学用书 王建 ，张宏 出版社：机械工业出版社