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1、.- 学 院：电子与信息工程学院 专 业：电气工程及其自动化 课程名称：花式喷泉的PLC控制设计 指导教师：刘芳梅 学生学号：华 进20133522049 段石磊20130123096 付 成201335220281喷泉介绍1.1常见的几种花样喷泉随着时代的发展，科技水平的提高，城市的喷泉设备已经十分先进，各种音乐喷泉、程控喷泉、激光喷泉已经层出不穷，变化多端。规模可大可小，射程可高可低，喷出的水，大者如珠，细者如雾，变化万千，引人入胜。喷泉，使静水变为动水，使水也有了灵魂，又辅之以各种灯光效果，使水体具有丰富多彩的形态，可以缓冲、软化城市中“凝固的建筑物”和硬质的地面，以增加城市环境的生机，
2、有益与身心健康并能满足视觉艺术的需要。大型城市广场中的人工动态喷泉，也多来自自然的种种水态，如瀑布、水帘、溢流、溪流、壁泉等，随着科学技术的发展进步，各种喷泉真是花样翻新、层出不穷，几乎达到了人们随心所欲创造各种晶莹剔透、绚丽多姿动态水景的程度。喷泉在当今时代，已经形成了一道独特的人文景观。下面是一些我们日常生活中常见的喷泉：音乐喷泉是音乐和喷泉的结合，音乐是喷泉的主题，喷泉是音乐内涵的表达，如图1-1图1-1音乐喷泉程控喷泉是按照预先编辑的程序定时变换喷水造型，如图1-2。图1-2程控喷泉跑动喷泉是按照时序控制喷水，构成各种跑动、跳动、波动等形态，变化多端， 如图1-3图1-3跑动喷泉可是用
3、单片机通过可控硅作为功率开头元件实现花样喷泉时存在下面的缺点： 1、需要较多的保护电路；2、程序的增减不灵活；3、抗干扰能力差； 4、功率因数低。而采用PLC能有效的解决这些问题，同时PLC具有较强的自诊断功能，能迅速方便检查出故障，缩短检修时间，确保控制系统的可靠性，稳定性。1.2 花样喷泉的动作状态1.按下启动按钮，喷泉开始工作；按下停止按钮，喷泉停止工作；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定的方式，运行一个循环；4.花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，考虑以下4种喷水花样：花样选择开关在位置1时，按下启动按钮
4、后，4号喷头喷水，延时2s后，3号喷头喷水，在延时2s后，2号喷头喷水，又延时2s后，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。花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，1号喷头喷水，延时2s后，2号喷头喷水，在延时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。花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1号、3号喷头喷水，延时3s后，2号、4号喷头喷水，同时1号、3号喷头停止喷水。如此交替运行15s后，4组喷头全部喷水，30s后，如果为单步工作方式，则停下来；如果连续工作
5、方式，则继续循环下去。花样选择开关在位置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，依次间隔2s停止喷水。在经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。2 PLC的研究现状2.1 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、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
6、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、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。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，直接开关量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
7、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。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。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
8、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，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。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。 2.2 PLC的应用特点1、功能丰富 PLC的功能非常丰富。这主要与它具有丰富的处理信息的
9、指令系统及存储信息的内部器件有关。它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数据的运算。凡普通计算机能做到的，它也都可作到。它的内部器件，即内存中的数据存储区，种类繁多，容量宏大。I/O继电器，可以用以存储入、出 点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至10几万。这意味着它可进行这么多I/O点的入出信息变换，进行这么大规模的控制。它的内部种种继电器，相当于中间继电器，数量更多。内存中的一个位就可作为一个中间继电器。它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。小小的箱体或模块，其内部定时器、计数器可达成百、成千。这也是因为只要用内存中的一个字，再
10、加一些标志位，即可成为定时器、计数器，所以才那么多。而且，这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的，即上电后予以清零的。以满足不同的使用要求。这些也是继电器件所难以做到的。2、使用方便用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先PLC控制逻辑的建立是程序,用程序代替硬件接线。编程序变接线，更改程序变更改接线，当然要方便得多。其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所需的模块，PLC厂家多有现货供应，市场上即可购得。所以，硬件系统配置与建造也非常方便。正因如此，用可编程序控制器才有这个“可”字。对软件讲
11、，它的程序可编，也不难编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。3、工作可靠用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。(1) 在硬件方面：PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁的干扰，能正常地工作。PLC使用的元器件多为无触点的，而且是高度集成的，数量并是不太多，这就为其可靠工作提供了物质基础。 在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全
12、可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80-90度。 有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。 此外，有的PLC还采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。（2）软件方面： PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制
13、系统常出现的冒险竞争，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了“看门狗”（Watchingdog）监控程序。运行用户程序开始时，先清看门狗定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个“看门狗”监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现“死循环”而影响其工作的可靠性
14、。PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各种检测模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。正是因为PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC能够可靠的工作。它的平均无故障时间可高达几万小时以上；出了故障时的平均修复时间却很短，几小时以甚至几分钟就可以了。曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作
15、为它的首选指标4、经济合算 尽管使用PLC首次投资要大些，但从全面及长远看，使用PLC还是经济的。这是因为： 使用PLC的投资虽大，但它的体积小、所占空间小，辅助设施的投入少；使用时省电，运行费少；工作可靠，停工损失少；维修简单，维修费少；还可再次使用以及能带来附加价值等等，从中可得更大的回报。所以，在多数情况下，它的效益是很可观的。3 喷泉设计方案3.1控制要求分析1.按下启动按钮，喷泉开始工作；按下停止按钮，喷泉停止工作；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定的方式，运行一个循环；4.花样选择开关用于选择喷泉的喷
16、水花样，考虑以下4种喷水花样：花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时2s后，3号喷头喷水，在延时2s后，2号喷头喷水，又延时2s后，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。花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，1号喷头喷水，延时2s后，2号喷头喷水，在延时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。花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1号、3号喷头喷水，延时3s后，2号、4号喷头喷水，同时1号、3号喷头停止喷水。如此交替运行15s后，4组
17、喷头全部喷水，30s后，如果为单步工作方式，则停下来；如果连续工作方式，则继续循环下去。花样选择开关在位置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，依次间隔2s停止喷水。在经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。3.2 PLC的选型S7-200 PLC 具有集成的24V负载电源，它可以直接连接到传感器、变送器和执行器，CPU221、222具有180mA输出，CPU224、224XP、CPU226分别输出280
18、mA或400mA电流，可做负载电源。该设计中系统开关量输入点只有两个，开关量输出点有6个，如果选用CPU221 PLC （6输入/4输出），需要扩展单元，参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU222（8输入/6输出）。CPU222的主要技术数据见表3-1。表3-1 CPU222的主要技术数据特性CPU222外形尺寸/mmmmmm908062程序存储区2048字数据存储区1024字掉电保护时间/h50本机I/O8入/6出扩展模块数量2高速计数器，单相，双相4路30KHz，2路20KHZ脉冲输出（DC）2路20KHZ模拟电位器1实时时钟配时钟卡通讯口1RS-485浮点运算有
19、I/O映像区256（128入/128出）布尔指令执行速度0.37s/指令4.1 PLC的 I/O分配简介4.1.1开关量输入模块的选择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。开关量输入模块的选择时应注意以下几点：1、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
20、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。 2、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。3、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4.1.2开关量输出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0几个方面：1、输出方式开关量输出模块有继
21、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。 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2
22、20V2A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(82A)，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。4.1.3模拟量IO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
23、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、420mA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。 4.2 花样喷泉的I/O分配情况 输入信号启动按钮SB0 I0.0 停止按键 SB1 I0.1输出信号 1号闪灯 Q0.12号闪灯 Q0.2 3号闪灯 Q0.34号闪灯 Q0.44.3 花样喷泉的I/O接线图PLC的输入按钮只有一个SB0，用来控制系统的启动和停止。由于西门子PLC内部不为其输入点提供电源，需用户自行提供，因而设计中采用PLC自身输出的+24V的电源（M和L+两端）为上述按钮供电。P
24、LC的输出带负载的能力较低，如果直接带动直流电磁阀或闪灯，容易导致输出触点烧坏，因些采用中间继电器（KA0KA5）作为驱动元件，间接的控制潜水泵用闪灯的开户和闭合。各个输出支路的中间继电器均并联一个续流二极管，为感性负载断开瞬间的高压提供了放电回路，熔断器则起到短路保护作用。PLC的控制接线图如图4-1图4-1 花样喷泉的I/O接线图4.4 花样喷泉的流程图 图4-2 花样喷泉的流程图如图4-2所示，当开头闭合时，触发中间继电器M0.1和时间继电器T38（A、B、C三环的喷泉同时喷放，A喷口高度最高，B喷口第二，C喷口最低。同时与A、B、C相对应的闪灯1、2、3随喷口A、B、C一起闪烁10S）
25、。10秒过后，触发中间继电器M0.2和时间继电器T39（C喷口和闪灯3停止动作，剩下A、B喷口及相应闪灯1、2动作5S）。5秒后，触发中间继电器M0.3和时间继电器T40（只有A喷口和闪灯1口动作3S）。3秒后，触发中间继电器M0.4和时间继电器T41（B喷口和2闪灯和A喷品、1闪灯一起动作5S）。5秒后，回到中间继电器M0.1时的运作状态（喷口A、B、C和闪灯1、2、3又开始一起动作）。如此依次偱环。4.5 花样喷泉的梯形图 5.结束语本设计介绍了花样喷泉的发展和现状，分析了PLC控制花样喷泉的优势，总结了国内外PLC的现状与问题等。详细阐明了花样喷泉的设计与控制要求，在此基础上提出了花样喷
26、泉的喷水花样，在对4种喷水花样进行分析后设计了PLC的外部接线图、梯形图。PLC设计控制系统的发展趋势是PLC技术将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统，工业PC技术提供了许多功能，能够增强PLC的功能特性。另外，越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口部件。在最近的几年间，发展比现有普通小PLC更加强大的PLC是种趋势，许多PLC供应商在其产品的开发过程中仍然继续不断地改进和提高通信性能，其开发方向主要面向于Ethernet技术和基于Web技术。尽管传统PLC被应用于离散过程控制领域，但现在，PLC已被广泛应用于连续过程控制领域，而且基于连续过程控制技术的发展趋势正在进一步得到增长。参 考 文 献1 廖常初.S7-200SMART PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社,2013