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1、 学号0814139电气控制与PLC课 程 设 计（ 2008级本科）题 目： 自动喷泉的控制系统设计 系（部）院： 物理与机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 作者姓名： 肖 玉 瑞 指导教师： 张静 职称： 副教授 完成日期： 2011 年 12 月 30 日课程设计任务书学生姓名肖玉瑞学号0814139专业方向电气工程及其自动化班级08级（1）班题目名称自动喷泉的控制系统设计设计原始资料和控制要求:现有16个喷头，8个选择按钮，按下图所示。实现四种以上的自动喷泉花样。主要内容包括：1.设计出硬件系统的结构、接线图；2.系统有启动/停止、单步/连续和四个选择共八个按钮；3.实现四种及
2、以上的自动喷泉花样控制；（1）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。（2）喷泉可以选择单步运行和连续运行两种运行方式。（3）喷泉喷水方式由花样选择开关决定，按下选择开关K1、K2、K3、K4可选择不同的花样进行喷水。4.程序结构与控制功能自行设计；5.进行系统调试，实现自动喷泉的控制要求。一、设计内容1.可编程控制器输入接线图设计；2.控制面板元件布局图设计；3.控制梯形图和程序设计；4.编写设计说明书；二、设计要求1.设计应根据原始资料，满足控制要求；2.列出所选设备型号，规格和数量等；3.设计说明书应书写工整，整齐，用规定统一纸张；4.图纸应清洁规范，电气图形
3、符号和文字符号应符合国家标准；5.设计应独立完成，不得抄袭他人。三、设计进度第一周星期一、二 讲解设计课题内容、布置设计任务及要求，熟练课题，初步设计星期三、四 PLC输入输出接线图，初步设计星期五 梯形图，控制面板初步设计第二周 星期一、二 PLC 输入输出接线图，梯形图，控制面板图的修改及完善星期三、四 绘图，写说明书及操作使用说明星期五 完善上述设计内容，装订说明书，答辩指导老师签字：24 目录一、绪论11.简述喷泉11.1喷泉的意义11.2喷泉在我国的发展21.3喷泉的种类21.4喷泉中的一些新技术22.PLC简介32.1可编程序控制器PLC简介32.2 PLC的构成32.3 PLC的
4、优点32.4 PLC的主要技术指标43.使用S7-200PLC控制花样喷泉5二、喷泉的总体方案设计51.PLC控制花样喷泉运行要求52.花样喷泉的设计方案5三、硬件设计61.S7-200的CPU选型62.PLC的I/O接线图73.输入输出点数分配74.所选设备型号、规格和数量8四、软件设计81.喷泉的运行流程图82.喷泉的控制过程93.花样喷泉控制原理104.花样喷泉PLC控制梯形图10五、程序调试16总结21参考文献22一、绪论1.简述喷泉1.1喷泉的意义喷泉是人工环境中最富有生命力的景观,它具有分隔空间、增加层次、净化空气美化环境的作用。现代高科技把美妙的音乐、多姿的喷泉造型、五彩缤纷的水
5、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。科学技术的不断发展和生活水平的不断提高，使得喷泉在城市和社区环境建设中的应用更为广泛。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。1.2喷泉在我国的发展国内在二十世纪八十年代以前，喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细节，从设计到产品制作，工程安装都没有形成规模，产
6、品的水平也是简单、粗放的。二十世纪八十年以后，随着国民经济的恢复和发展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造的过程中，以及环境的美化和文化氛围的营造上对喷泉提出了求新的要求，得到了良好的社会反映和社会效益。在这个时期，一些喷泉设备专业加工厂和公司开始组建、发展，为喷泉的专业化发展提供了力量，打下了基础。二十世纪九十年代以后，社会主义市场经济快速发展，全国城市建设速度加快，人们也开始追求高质量的文化生活。市场的需求推动了喷泉行业的发展。喷泉走出公园、园林的围墙和广场的中心，深入延伸到人们的各个社会活动场所。许多喷泉专业的生产厂商和专业公司，在这段时间内应运而生，迅速发
7、展起来。专业技术人员把计算机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中，把喷泉行业的技术水平推上了一个新的层面，开拓了广阔的应用空间，喷泉行业得到了快速发展。1.3喷泉的种类喷泉景观概括来说可以分为两大类：一是因地制宜，根据现场地形结构，仿照天然水景制作而成，如：壁泉、涌泉、雾泉、管流、溪流、瀑布、水帘、跌水、水涛、漩涡等。二是完全依靠喷泉设备人工造景。这类水景近年来在建筑领域广泛应用，发展速度很快，种类繁多，普通喷泉分音乐喷泉、程控喷泉、旱地喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、趣味喷泉、激光水幕电影、超高喷泉等。1.4喷泉中的一些新技术漂浮式：整座水景喷泉的
8、管道系统全部安装在浮箱上，所以喷泉设备的运行不受季节性水位高低的影响。漂浮式喷泉制作、安装工艺技术性强，但维护方便，易于保养。在大型自然湖泊或各种人工湖中广泛应用。跑泉：多个喷头，按时序控制，构成各种形态瞬时变化的水型。可以形成跑动、跳动、波动等形状，又可以成固定造型的喷水形态，气势雄伟，变化多端。水幕激光：采用特殊的入映机播放，使用的影片也是专门为水幕电影特制的影带。由于电影的屏幕是透明的水膜，因此在电影播放时会有一种特殊的光学效果，屏幕的视觉穿透性可使画面具有一种立体感，影片的内容可与水面巧妙的结合，更有一种身临其境般的奇幻感觉。2.PLC简介2.1可编程序控制器PLC简介可编程序控制器P
9、LC（Programmable Logic Controller），是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备告诉计数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电接触控制系统在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛
10、应用。PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。2.2 PLC的构成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(EPROM，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。从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块
11、可以按照一定规则组合配置。2.3 PLC的优点PLC的优点很多，主要包括：编程方法简单易学；功能强、性能价格比高；硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强；可靠性高、抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量低、维修方便；体积小、能耗低等。而且PLC在各个工业部门的应用范围都得到了扩展。2.4 PLC的主要技术指标 PLC的性能指标较多，主要介绍与组成PLC控制系统关系较直接的几个。（1）编程语言及指令功能梯形图语言、助记符语言在PLC中较为常见，梯形图语言一般在计算机屏幕上编辑，使用起来简单方便。助记符语言与计算机编程序相似，如果对有编制程序基础的工程技术人员来说，学习助记符会容易
12、一些，只要理解各个指令的含义，就可以像做计算机程序一样写PLC的控制程序。如果两种语言都会使用更好，因为它们之间可以相互转换。PLC实际上只认识助记符语言，梯形图语言是需要转换成助记符语言后，存入PLC的存储器中。现在功能图语言的使用有上升趋势。编程语言中还有一个内容是指令功能。衡量指令功能强弱可看两个方面：一是指令条数多少；二是指令中有多少综合性指令。一条综合性指令一般就能完成一项专门操作。用户编制的程序完成的控制任务，取决于PLC指令的多少，指令功能越多，编程越简单和方便，完成一定的控制任务越容易。（2）输入输出点数输入输出点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的最大数量，值得注
13、意的是输入点数往往的大于输出点数的，且二者不能相互替代。（3）扫描速度数是指PLC扫描1k（1k=1024）字用户程序所需的时间，通常以ms/k字为单位，扫描速度越快越好。（4）存储容量存储容量是存放用户程序的存储器的容量。通常用k来表示。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在编制PLC程序时，需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些寄存器的多少，直接关系到程序的编制，该存储器的容量越大，就可以编制出更复杂的程序。（5）可扩展性在现代工业生产中PLC的可扩展性也显的非常重要。主要包括：a.输入输出点数的扩展；b.存储容量的扩展；c.联网
14、功能的扩展；d.可扩展的模块数；另外，可编程序控制器的可靠性、易操作性等功能指示也受用户的关注。3.使用S7-200PLC控制花样喷泉自20世纪60年代中期以来PLC产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近20年来计算机和信息技术的飞速发展,不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格,使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足的进步,也使PLC的广泛应用成为可能。本文就是以S7-200PLC为控制装置，以花样喷泉为控制对象，结合了大量资料及文献，研究花样喷泉的自动控制问题，设计出一套可行性较高的喷泉控制系统。其内容主要包括了花样喷泉的控制方案、设计思路、硬件设计、软件设计和程序调试等几
15、个模块组成。二、喷泉的总体方案设计1.PLC控制花样喷泉运行要求（1）按下启动按钮，喷泉进入运行等待状态。（2）按下喷泉的单步运行方式按钮，则喷泉会在选择了四种运行方式中的某一种运行方式后运行一次。（3）按下喷泉的连续运行方式按钮，则喷泉会在选择了四种运行方式中的某一种运行方式后连续运行。（4）按下喷泉喷水花样的循环方式按钮，喷泉开始运行，每隔6s改变一次花样。在连续运行方式下，喷水花样将一直循环下去，在单步运行方式下，喷水花样只运行一个循环。按下其他任意一个循环方式按钮，喷泉喷水花样的循环方式立刻改变。（5）按下停止按钮，喷泉停止运行。2.花样喷泉的设计方案本设计是一个以S7-200PLC控
16、制为核心的花样喷泉控制系统的设计。喷泉在PLC的控制之下，喷出各种各样的花样。结合设计任务书中的原始资料及控制要求，我的设计方案是：将给定的十六个喷头分成三组，分别编号为1、2、3组，第1组4个喷头，第2组8个喷头，第3组4个喷头。每一组装上不同的喷头，第1组装上大水柱喷头，第2组装上花朵式水柱喷头，第3组装上旋转式水柱喷头。三组喷头组成一定的形状，并在PLC的控制下交替喷水，具体分组见图1。图1图1中，喷泉由3种不同的水柱组成。其中1表示大水柱所在的位置，由四支中水柱均匀分布在半径为2m的圆轨迹上，其水柱较大，喷射高度较高；2表示花朵式水柱所在的位置，由八支花朵式水柱均匀分布在内径为2m外径
17、为3m的圆环轨迹上，水量比大水柱的水量小，其喷射高度比大水柱低；3表示旋转式水柱，它由四支小水柱均匀分布在内径为3m外径为4m的圆环轨迹上，其水柱较细，水量压力均较弱，其喷射高度比花朵式水柱略矮。 三、硬件设计1.S7-200的CPU选型由于我的设计方案将所给的十六个喷头分为了三组，每一组装上了不同的喷头，故在PLC控制时每一组都有一个驱动线圈完成水泵启动与停止的控制，即有三个输出，而任务书给定了八个按钮分别控制喷泉的启动与停止，单步运行与连续运行，还有四个运行方式的选择按钮，即有八个输入。而CPU224集成14个输入和10个输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数
18、字量I/O或35路模拟I/O点，13KB字节程序和数据存储空间。CPU224PLC还有6个高速计数脉冲输入端（I0.0I0.5），最快的响应速度为30KHZ，用于捕捉经CPU扫描周期更快的脉冲信号。另外，还有2个高速脉冲输出端（Q0.0、Q0.1），输出脉冲频率可达20KHZ.用于PTO（高速脉冲束）和PWM（宽度可变脉冲输出）高速脉冲输出。扩展模块EM223，输出16个点，输出16个点，足以满足工作要求。故我选择了CPU224PLC作为本次设计的控制器。2.PLC的I/O接线图3.输入输出点数分配表3-1花样喷泉PLC控制输入输出点分配输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号启动
19、按钮SB1I0.0大水柱接触器KM1Q0.0停止按钮SB2I0.1花朵式喷泉接触器KM2Q0.1连续按钮SB3I0.2旋转式喷泉接触器KM3Q0.2单步按钮SB4I0.3运行方式1按钮K1I0.4运行方式2按钮K2I0.5运行方式3按钮K3I0.6运行方式4按钮K4I0.74.所选设备型号、规格和数量名称PLC水泵喷头按钮型号S7-200/CPU224PLCQY型油浸式潜水泵集束喷头涌泉喷头旋转喷头绿色塑料带指示灯HXB2-EA35红色塑料带指示灯HXB2-EA45数量1348462选型说明:（1）PLC:本设计采用天津和通自动化科技有限公司生产的西门子S7-200/CPU224PLC，而CP
20、U224集成14个输入和10个输出共24个数字量I/O点，满足本次设计的8个输入和3个输出的要求，符合本设计的要求。（2）水泵:QY型油浸式潜水电泵是由充油式潜水电机与离心式水泵同轴联接组成。符合JB/T8092-1996标准规定，该水泵的使用条件是潜水深度不超过5米；水温不超过+40；PH值应在5-9之间，因此，符合本设计的要求。（3）喷头：喷泉的喷头分为可调直流喷头、涌泉喷头、集束喷头、旋转喷头等等，种类繁多，喷出的水型也各不相同。本设计采用的是集束喷头，该喷头由多个直流喷头组合而成，直射喷头口径大小可确定喷头的出水量及高度，它可以作为整个喷泉的主喷。（4）按钮：本设计采用江苏众联自动化科
21、技有限公司生产的红色和绿色两种带指示灯的塑料按钮，型号分别为HXB2-EA45和HXB2-EA35，这两种型号的按钮都有一个常开触点和一个常闭触点，方便编程和使用，符合本设计的要求。四、软件设计1.喷泉的运行流程图2.喷泉的控制过程按下喷泉控制系统的启动按钮，首先大水柱从地而起，直射天空；6s后，大水柱消失，紧接着八支中水柱竞相射向天空；最后所有水柱喷泉一齐迸发。整个过程分为6段，每段6s，且自动转换，全过程为36s。当单步连续开关置于连续，花样选择开关K1闭合时，其喷泉水柱的动作顺序如下：12（2+3）（1+2）（1+3）（1+2+3）1，周而复始，直到按下停止按钮，水柱喷泉才停止工作；当单
22、步连续开关置于单步时，喷泉水柱的动作只运行一个循环。花样选择开关K2闭合时，其喷泉水柱的动作顺序如下：1（2+3）（1+2+3）（1+3）2（1+2）1。花样选择开关K3闭合时，其喷泉水柱的动作顺序如下：12（1+3）（1+2）（1+2+3）（2+3）1。花样选择开关K4闭合时，其喷泉水柱的动作顺序如下：1（1+3）2（1+2+3）（2+3）（1+2）1。以下是六种花样的具体工作方式：花样名称花样1花样2花样3花样4花样5花样6工作水柱122+31+21+31+2+33.花样喷泉控制原理喷泉控制系统由启动控制程序、位移脉冲控制程序、位移及复位控制程序、驱动控制程序组成。通过位移脉冲控制程序实现
23、子元件中的内容在存储器间的移动，通过复位控制程序实现喷泉花样的循环，通过驱动控制程序实现喷泉的喷射。4.花样喷泉PLC控制梯形图五、程序调试调试步骤如图所示：按下启动按钮SB1（即输入点I0.0）,喷泉进入待命状态，按下按钮SB4(即输入点I0.3),选择单步运行,按下第一种运行方式按钮K5(即输入点I0.4),喷泉运行于花样一,6s后自动切换到花样二,6s后自动切换到花样三，6s后自动切换到花样四,6s后自动切换到花样五，6s后自动切换到花样六，按下停止按钮SB2，喷泉停止运行，以下各图都是喷泉在花样六下运行的具体状态：总结通过这次实践，我了解了PLC的用途及工作原理，熟悉了PLC的应用，锻
24、炼了实践能力，培养了自己独立设计能力。此次课程设计是对我专业知识的一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。此次设计收获很多，比如学会了查找相关资料和相关标准，分析数据，提高了自己的能力，懂得了许多经验是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。但是此次设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。这次实践是对自己大学四年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，更上一层楼。参考文献1张晓锋.电气控制与可编程序控制技术.北京.国防工业出版社,2010
25、2宋伯生.PLC.编程理论.算法及技巧.北京.机械工业出版社,20053吴明亮,蔡文忠.可编程控制器实训教程.北京.化学工业出版社,20054贾德胜.PLC应用开发实用子程序.北京.人民邮电出版社,20065陈忠华.可编程控制器与工业自动化.北京.机械工业出版社,20056崔元明.可编程器件应用导.北京.清华大学出版社,20007袁任光.可编程控制器选用手册.北京.机械工业出版社,20028胡学林.可编程控制器教程.北京.电子工业出版社,20059王坚.可编程控制器原理与应用.北京.清华大学出版社,2002电气控制与PLC课程设计成绩评定表姓 名肖玉瑞学 号0814139专业班级电气工程及其自动化08级1班课程设计题目：自动喷泉的控制系统设计课程设计答辩记录：答辩教师签字：成绩评定：评 定 项 目评 分 成 绩1.设计方案可行性及其选优（20分）2.设计过程及结果（40分）3.平时成绩（态度认真、遵守纪律）（10分）5.设计报告的规范性、参考文献充分（不少于5篇）（10分）6.答辩（20分）总 分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日