畢業設計電氣控制技術課程設計說明書自動噴泉PLC控制系統設計 學 院： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 指導教師： 職稱 專 業： 電氣工程及其自動化班 級： 學 號： 完成時間： 湖南工學院電氣控制技術課程設計課題任務書學院：電氣與信息工程學院 專業：電氣工程及其自動化 指導教師學生姓名丁望望課題名稱自動噴泉PLC控制系統設計內容及任務一、目標設計一個基于PLC的自動噴泉控制系統。在許多休閑廣場、景區或游樂場里，經常看到噴水按一定的規律噴水或變化式樣，若在夜晚配上各種彩色的燈光顯示，更加迷人。如圖1所示為一花式噴水池，采用PLC控制是比較方便的，在花式噴水時序確定的前提下，可以通過改變時序或者改變控制開關，就可以改變控制方式，達到顯現各種復合狀態的要求。在圖1中，4為中間噴水管，3為內環狀噴水管，2為一次外環形狀噴水管，1為外環形狀噴水管。 (a) 花式噴水池演示示意圖 (b) 操作控制開關面板圖圖1 花式噴水池示意圖二、任務根據控制要求，明確設計任務，擬定設計方案與進度計劃，運用所學的理論知識，進行自動噴泉的控制原理設計、硬件系統設計、軟件系統設計、創新設計，提高理論知識工程應用能力、系統調試能力、分析問題與解決問題的能力。主要內容包括：1. 設計該系統電氣控制硬件系統；2PLC選擇及I/O及其它PLC元器件分配。3選擇電器元件，編制元件目錄表。 4設計該系統PLC控制梯形圖。5用計算機繪制PLC控制電路圖。6進行系統調試，實現自動噴泉的控制要求。7. 編寫設計說明書。三、要求某一噴水池的控制器需滿足下列要求：1控制器電源開關接通后，按下啟動按鈕，噴水裝置開始工作。按下停止按鈕，則停止噴水。工作方式由選擇開關和單步/連續開關來決定。2“單步/連續開關”在單步位置時，噴水池只運行一次循環；在連續位置時，噴水池運行一直繼續下去。3方式選擇開關用來選擇噴水池的噴水花樣，14號噴水管的工作方式選擇如下：選擇開關在位置“1”時。按下啟動按鈕后，4號噴水，延時2s后，3號也噴水，延時2s后，2號接著噴水，再延時2s，1號噴水，這樣，一起噴水15s后停下。若在連續狀態時，將繼續循環下去。選擇開關在位置“2”時。按下啟動按鈕后，1號噴水，延時2s后，2號也噴水，延時2s后，3號接著噴水，再延時2s，4號噴水，這樣，一起噴水30s后再停下。若在連續狀態時，將繼續循環下去。選擇開關在位置“3”時。按下啟動按鈕后，1、3號同時噴水，延時3s后，2、4號噴水，1、3號停止噴水；交替運行5次后，14號全噴水，30s后停止。若在連續狀態時，將繼續循環下去。選擇開關在位置“4”時。按下啟動按鈕后，噴水池14號噴水管的工作順序為：1234號按順序延時2s噴水，然后一起噴水30s，1、2、3和4號分別延時2s停水，再延時1s，由4321號反向順序按2s順序噴水，一起噴水30s后停止。若在連續狀態時，將繼續循環下去。4不論在什么工作方式下，按下停止按鈕，噴水池將停止運行。主要參考資料1 史國生. 電氣控制與可編程控制器技術M。北京：化學工業出版社，2012。2 于廣慶. 可編程控制器原理及系統設計M。北京：清華大學出版社，2004。3 吳啟紅. 變頻器、可編程控制器及觸摸屏綜合應用技術實操指導書（第二版）M。北京：機械工業出版社，2010。4 史國生，鞠勇. 電氣控制與可編程控制器技術實訓教程M。北京：化學工業出版社，2010。5 于曉云，許連閣. 可編程控制技術應用項目化教程M。北京：化學工業出版社，2011。 6 廖常初. PLC編程及應用M。北京：機械工業出版社，2005年。7 胡學林. 可編程控制器應用技術M。北京：高等教育出版社，2001年。8 三菱FX系列可編程序控制器編程手冊M。三菱公司編，2001年。9 三菱可編程序控制器應用101例M。三菱公司編, 1994年。10 史宜巧，孫業明，景紹學. PLC技術及應用項目教程M。北京：機械工業出版社，2009。教研室意見 教研室主任：（簽字）年 月 日1 緒 論1.1課題研究背景隨著城市化進程的加速，花式噴泉可以在人們周圍隨處可見。比如廣場，大廈，小區等。花式噴泉是人造小氣候，在炎熱的夏日可以起到增濕和降溫的作用；也為水體充氧，有利于水體增加自凈能力，起到防止水體黑臭的作用。花式噴泉運行的靈活性是評價花式噴泉優劣的關鍵，而這與花式噴泉的控制系統息息相關。花式噴泉可以根據自己的設計，設計出各種各樣的花樣，加上燈光，能給人有種不錯的視覺享受。1985年國際電子委員會（iec）對plc的定義如下：Plc是自動控制技術，計算機技術和通訊技術于一體的一種新型工業控制裝置，已躍居工業自動化三大支柱（plc、robot、cad/cam）的首位。可編程控制器，簡稱plc。它在集成電路、計算機技術的基礎上發展起來的一種新型工業控制設備。具有1.可靠性高、抗干擾能力強2.設計、安裝容易3.維修工作量少4.功能強、通用性好5.開發周期短、成功率高6.體積小、重量輕、功耗底等特點。具有功能強、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優點，已經廣泛應用于自動化控制的各個領域，并已成為工業生產自動化的支柱產品。與繼電觸發器系統相比系統更加可靠;價格上能與繼電接觸器控制系統競爭；易于在現場變更程序；便于使用、維修、維護；能直接推動電磁閥、接觸器與之相當的執行機構；能向中央執行機構。因此，進行花式噴泉的plc控制系統的設計，可以推動噴泉行業的發展，擴大plc在自動控制領域的應用，具有一定的經濟和理論研究的價值。1.2課題設計的目的和意義隨著我國經濟的高速發展，微電子技術，計算機技術和自動控制技術也得到了迅速發展，交流變頻調速技術已經進入個嶄新的時代，其應用越來越廣。而隨著我國城市化進程的加快和人口大量集聚，環境越來越重要，好的環境能使心身愉快，做事效率提高。其中噴泉可以濕潤周圍空氣，減少塵埃，降低氣溫。噴泉的細小水珠同空氣分子撞擊，能產生大量的負氧離子，有益于改善社區面貌和增進居民身心健康。2 系統控制方案的確定2.1采用PLC控制花式噴泉的優點 （1）控制方式上看：PLC軟接線，只需改變控制程序就可輕易改變邏輯或增加功能。 （2）工作方式看：PLC串行工作，不受制約。（3）控制速度上看：PLC通過半導體來控制，速度很快，無觸點，顧而五抖動一說。（4）定時、計數看：PLC時鐘脈沖由晶振產生，精度高，定時范圍寬，有記憶功能。（5）可靠、維護看：PLC無觸點，壽命長，且有自我診斷功能，對程序執行的監控功能，現場調試和維護方便。2.2系統設計的基本步驟在花式噴泉控制系統的設計過程中主要考慮以下幾點：（1）深入了解和分析花式噴泉的工藝條件和控制要求。（2）確定I/O設備。根據花式噴泉控制系統的功能要求，確定系統所需的輸入、輸出設備。常用的輸入設備有按鈕、選擇開關等，常用的輸出設備有指示燈等。（3）根據I/O點數選擇合適的PLC類型。（4）分配I/O點，分配PLC的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或輸入輸出端子 的接線圖。（5）設計花式噴泉系統的梯形圖程序，根據工作要求設計出周密完整的梯形圖（6）程序，這是整個花式噴泉系統設計的核心工作。（7）將程序輸入PLC進行軟件測試，查找錯誤，使系統程序更加完善。2.3系統控制方案花式噴泉系統的控制要求如下：1、 控制器電源開關接通后，按下啟動按鈕，噴水裝置即開始工作。按下停止按鈕， 則停止噴水。工作方式由選擇開關和單步連續開關決定。2、 “單步連續”開關在單步位置時，噴水池只運行一次循環：在連續位置時， 噴水池運行一直繼續下去。3、 方式選擇開關用來選擇噴水池的噴水花樣，14號噴水管的工作方式選擇如下（1）選擇開關在位置“1”時。按下啟動按鈕后，4號噴水，延時2s后，3號也 噴水，延時2s后，2號接著噴水，再延時2s，1號噴水，這樣，一起噴水15s后停下。若在連續狀態時，將繼續循環下去。（2） 選擇開關在位置“2”時。按下啟動按鈕后，1號噴水，延時2s后，2號噴水，延時2s后，3號接著噴水，再延時2s，4號噴水，這樣，一起噴水30s后再停下。若在連續狀態時，將繼續循環下去。（3）選擇開關在位置“3”時。按下啟動按鈕后，1、3號同時噴水，延時3s后，2、4號噴水，1、3號接著噴水：交替運行5次后，14號全噴水，30s后停止。若在連續狀態時，將繼續循環下去。（4）選擇開關在位置“4”時。按下啟動按鈕后，噴水池14號水管的工作順序為： 1234按順序延時2s噴水，然后一起噴水30s，1、2、3和4號分別延時2s停水，再延時1s，由4321反向順序按2s順序噴水，一起噴水30s后停止。若在連續狀態時，將繼續循環下去。4、 不論在什么工作方式下，按下停止按鈕，噴水池將停止運行。花式噴泉池示意圖如圖2-1所示： 2.4花式噴泉控制系統的原理圖在噴泉中，通過按鈕開關信號來控制PLC：因為有4層噴水，因此用了1個變頻器控制4個水泵。花式噴泉控制系統的原理如圖2-2所示： 3 系統硬件設計3.1 可編程控制器（PLC）的選擇3.1.1 PLC概述可編程控制器，英文稱Progammable Controller,簡稱PLC，本課題中用PLC作為它的簡稱。PLC是用于工業現場的電控制器。它源于繼電器控制技術，但基于電子計算機。它通過運行存儲在其內存中的程序，把經輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現對負載的控制。PLC有豐富的指令系統，有各種各樣的I/O接口、通信接口，有大容量的內存，有可靠的自身監控系統，因而具有以下基本的功能：1.邏輯處理功能；2.數據運算功能；3.準確定時功能；4.高速計數功能；5.中斷處理（可以實現各種內部中斷）功能；6.程序與數據存儲功能；7.聯網通信功能；8.自檢測、自診斷功能。可以說，凡普通小型計算機能實現的功能，PLC幾乎也都可以做到。3.1.2PLC的選型 在PLC系統設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統。（1）輸入輸出（I/O）點數的估算I/O點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據。（2）存儲器容量的估算存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來代替。（3）控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。根據本課題所設計控制的需求，主要介紹一下幾種功能的選擇。1.控制功能PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節省存儲器容量。2.編程功能離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式降低系統成本，但使用和調試不方便。在離線編程方式：CU和編程器有各自的CPU，主機CPU負載現場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數據交換，編程器把在線編制的程序或數據發送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。五種標準化編程語言：順序功能（SFC）、梯形圖（LD）、功能模式圖塊(FBD)三種圖形化語言和語句表（il）、結構體文（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準（IEC113123），同時，還應該支持多種語言編程方式，如C,Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。3.診斷功能PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對PLC內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過軟件對PLC的CPU與外幣輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。 4機型的選擇 通過對輸入/輸出點的選擇、對存儲量的選擇？對I/O響應時間的選擇輸出負載的特點選型的分許。 該控制系統選用三菱公司FXON系列的PLC。它體積小，重量輕，使用壽命長，編程和維護方便，故障率低，通過擴展模塊的鏈接，可以增加輸入/輸出點數。我設計的花式噴泉模型共有6個輸入，11個輸出，因此，選用型號為FX2N-32MR的PLC。4 系統軟件設計4.1 PLC梯形圖概述梯形圖時使用的最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統的電路圖很相似，具有直觀易懂的優點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計成為編程。PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了幾點起這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內部繼電器等，該存儲單元如果為“1”狀態，則表示梯形圖中對應軟繼電器的線圈“通電”，其常來觸電接通，常閉觸點斷開，稱這種狀態時該軟繼電器的“1”或“ON”狀態。如果該存儲單元為“0”狀態，對應軟繼電器的線圈和觸點的狀態與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或“OFF”狀態。使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編程元件。4.2 I/O分配表輸入I/O分配表序號輸入說明1X0啟動按鈕2X1停止按鈕3X2連續按鈕4X3單步按鈕5X4方式1選擇開關SA16X5方式2選擇開關SA27X6方式3選擇開關SA38X7方式3選擇開關SA4輸出I/O分配表序號輸出說明1Y0電磁閥YA12Y1電磁閥YA23Y2電磁閥YA34Y3電磁閥YA44.3 I/O接線圖4.4 流程圖 自動噴泉設計是主要用了跳轉指令完成過程循環的過程，用定時器定時實現噴頭之間的運行，通過互鎖實現單獨的工作方式運行不會出現多種方式共同運行的情況。通電后，進入工作狀態。如按下啟動按鈕，噴泉裝置進入準備工作狀態，若不按，則回到初始狀態。如按下啟動按鈕，噴泉按照設定的程序開始運行。如果按下停止按鈕，系統則停止運行，如果不按停止按鈕，系統則按照選擇的花樣繼續運行下去直到按下停止按鈕。開始按下啟動按鈕停止按鈕是否打開是開關在1位置開關在2位置開關在4位置開關在3位置是是是是否否否否執行工作方式1執行工作方式2執行工作方式3執行工作方式44.5 自動噴泉的程序設計 系統總程序如附錄所示。各樣式工作程序如下所示：（1） 樣式選擇1：選擇開關在位置“1”時。按下啟動按鈕后，4號噴水，延時2s后，3號也噴水，延時2s后，2號接著噴水，再延時2s，1號噴水，這樣，一起噴水15s后停下。若在連續狀態時，將繼續循環下去。樣式選擇1程序如圖3所示。圖3 樣式選擇1程序2）樣式選擇2：選擇開關在位置“2”時。按下啟動按鈕后，1號噴水，延時2s后，2號也噴水，延時2s后，3號接著噴水，再延時2s，4號噴水，這樣，一起噴水30s后再停下。若在連續狀態時，將繼續循環下去。樣式選擇2程序如圖4所示。圖4 樣式選擇2程序（3）樣式選擇3：選擇開關在位置“3”時。按下啟動按鈕后，1、3號同時噴水，延時3s后，2、4號噴水，1、3號停止噴水；交替運行5次后，14號全噴水，30s后停止。若在連續狀態時，將繼續循環下去。樣式選擇3程序如圖5所示。圖5 樣式選擇3程序（4） 樣式選擇4：選擇開關在位置“4”時。按下啟動按鈕后，噴水池14號噴水管的工作順序為：1234號按順序延時2s噴水，然后一起噴水30s，1、2、3和4號分別延時2s停水，再延時1s，由4321號反