基于PLC和变频器的花式喷泉的设计毕业设计说明书(论文).doc

基于PLC和变频器的花式喷泉的设计毕业设计说明书（论文）中文摘要随着我国城市化进程的加快和人口的大量集聚，环境显得越来越重要。在日常生活中的一些公共场所，比如：广场、大厦、小区等等。我们可以看到各种各样的喷泉，有的是为了引人入目，有的是为了给生活或节日增添喜庆的气氛，而有的则成了企业的一种精神象征，同时喷泉还可以净化空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善环境和增进人们的身心健康。在炎热的夏日可以起到增湿和降温的作用：目前世界各国技术发展日新月异，不过很多都是以破坏环境为代价的，环境问题已经受到了党和国家以及全国人民的重视，保护环境，人人有责！花式喷泉是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物。随着可编程控制器在我国的迅速发展，对花式喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需要可编程控制器来实现。花式喷泉采用了可编程控制器(PLC)和变频器，用软件实现对花式喷泉运行的自动控制，可靠性大大提高。控制系统结构简单，可方便的增加或改变控制功能，也可以进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。变频器调速以其优异的调速性能和起制动性能，可以控制喷泉水位的高度。可编程控制器(PLC）技术结合变频器调速技术已成为现代喷泉行业的一个特点。关键词 可编程序控制器(PLC) 花式喷泉 梯形图 变频器 控制水泵 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Design Based on PLC and converters of the fancy fountain AbstractWith the accelerated process of urbanization and the large concentration of population, The environment is becoming more and more important. In some public places in everyday life, such as in square, building, district, etc. We can see various fountain, some of them just want to catch peoples eye, and some want to enhance the atmosphere of daily life or festival, and others become a kind of the symbol of enterprise spirit. Meanwhile fountain can moisten the air, reduce dust and lowering temperature .The tiny water droplets collide with air molecules can produce a lot of negative oxygen ions. Fancy fountain can be seen everywhere. It can improve the environment and enhance people's physical and mental health. During the hot summer it plays an important role in increasing the humidity and lowering temperature. In most countries, technology is advancing rapidly, but many are based on the cost of destroying the environment .Now the party, the state and the national people have paied great attention to the environment. Protection of the environment is everyone's responsibility! Fancy fountain is the product of the combination between garden architectural and fancy ornamental. With the rapid development of programmable controller in China , the control requirements of fancy fountain is becoming more and more strict, so more and more control section should need programmable controller to achieve.Fancy fountain uses a programmable logic controller (PLC) and the frequency converter, using software to control the fancy fountain and it can increase the reliability. The control system is simple and can be easily added .We also can change its control function. It provides functions of automatically detect the faults and alarm ,so it improves operational safety , and is easy to examine and maintain .Owing to its excellent performance ,starting and braking performance ,the fancy fountain can control the height of the water level. PLC programmable logic controller combined with frequency converter technology has become a feature of the modern fountain industry. Key words PLC（Programmable Logic Controller） fountain frequency converters trapezoidal diagram controlling pump目次1绪论11.2 课题设计研究的内容21.3 课题设计研究的目的及意义32 系统控制方案的确定42.2 采用PLC控制花式喷泉的优点52.3 系统设计的基本步骤52.4 系统控制的方案52.5 花式喷泉控制系统的原理图63 系统硬件软件设计73.1.1 PLC的概述73.1.2 PLC的选型83.2 变频器的选择93.3 水泵的选择93.4 硬件接线图103.5 I/O分配表113.6 控制系统软件设计概述113.6.1 新FX编程软件(GX Developer Version 7)的操作方法123.6.2 系统工作过程的顺序功能图123.7 花式喷泉控制系统程序设计123.7.1花式喷泉的第一种花样123.7.2花式喷泉的第二种花样153.7.3 花式喷泉的第三种花样17结论21致谢22参考文献23附录A24附录B251绪论1.1 课题研究的背景中国古典园林崇尚自然，力求清雅素静,富于野趣。18世纪,西方式的喷泉传入中国。1747年清乾隆皇帝在圆明园西洋楼建“谐奇趣”、“海晏堂”、“大水法”三大喷泉。近年来随着城市现代化进程的加快，社会主义市场经济快速发展，人们也追求高质量的文化生活和环境美。市场的需求推动了喷泉行业的发展。喷泉走出了公园、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。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。花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花式喷泉的控制系统息息相关。花式喷泉可以根据自己的设计，设计出各种花样，加上灯光，能给人们很好的视觉享受。可编程控制器是20世纪60年代开始发展起来的一种新型工业控制装置，用于取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数等功能。高档PLC还能实现数字运算、数据处理、模拟量调节，以及联网通信。1968年美国通用汽车公司（GM）提出了公开招标研制新型工业控制器的设想。1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程控制器，人们把它称为PLC(Programmable Logic Controller)即可编程控制器。70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（Programmable Controller），但由于PC容易与个人计算机（Personal Computer）相混淆，故人们习惯地用PLC作为可编程器的缩写。1987年国际电工委员会（IEC）对PLC的作了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC是继电器逻辑系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：逻辑运算和弱电控制强电。在自动化领域，PLC与ROBOT、CAD/CAM并称为工业自动化三大支柱。它是在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备，具有如下特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）控制程序可变，通用性好；（3）编程简单，使用方便；（4）配套齐全，功能完善，适用性强；（5）扩充方便，组合灵活，接线方便；（6）减少了控制系统的设计及施工的工作量；（7）体积小，重量轻。已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。因此，进行花式喷泉的PLC控制系统的设计，可以推动喷泉行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。1.2 课题设计研究的内容本课题设计将在以下几个方面对花式喷泉的控制系统进行研究和论证。1.花式喷泉类型的选择。综合花式喷泉的类别和各类的特点及要求，在本课题中主要研究能提供三种喷水花样，能够控制每环喷水管的喷水高度，喷水时要有灯光显示，以及可以根据不同的季节、不同的场合改变喷水花样的花式喷泉。将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变化。2.花式喷泉硬件系统的设计。本课题设计的花式喷泉要求运行迅速、标准确度高，本课题在硬件系统的设计过程中主要考虑了花式喷泉的经济实用、稳定、灵活、美观的需要。通过设置控制，主要研究三种喷水花样，可以自行设置。3.花式喷泉控制系统软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计花式喷泉控制的要求，梯形图的编写运用新FX编程软件(GX Developer Version 7版本)，此软件支持全部的三菱FX系列的PLC，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了维修的时间。1.3 课题设计研究的目的及意义 随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术都得到了迅速发展，交流变频调速技术已进入一个崭新的时代，其应用也越来越广泛。而随着我国城市化进程的加快和人口的大量集聚，环境显得越来越重要，好的环境能使人身心愉快，做事效率提高。其中喷泉可以湿润空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，社区和大厦等处设立喷泉有益于改善社区面貌和增进人们的身心健康。可编程控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。花式喷泉控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC对程序进行设计可以改变喷泉的花样，提高控制水平。2 系统控制方案的确定2.1 花式喷泉的概述喷泉是一种将水和其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。如今喷泉的形式已十分丰富。随着构筑的大小及水压等的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈。可以分为以下8种：1. 普通喷泉：只有简单的几种固定水型及灯光，随着电源的开闭而控制喷泉的运行、水型和灯光变化。2. 音乐喷泉：在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，计算机通过对音频及MIDI信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步。3. 程控喷泉: 按照预先编辑的程序变换喷水造型和灯光色彩强弱变化的喷泉，可实时显示各个喷泉的工作状态和灯光状态，以及水泵和灯光的故障指示，程序一般可以随时修改，也可储存多种程序，随意调用。4. 水幕激光喷泉：将激光器发出的激光来射在水幕喷头喷出的水膜上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多样的图案及色彩，照射在晶莹透明的水膜上，形成斑斓夺目的奇异效果。5. 旱地喷泉：是在水喷泉的基础上进一步完善的，旱地喷泉地表清洁整齐，喷头和灯光设置在盖板下端，不喷水时表面平整阔广，喷水时，水柱通过盖板筚子或花岗岩辅装孔喷出，既是广场休闲，又能观赏喷泉，一举两得。6. 游戏喷泉：又称感应泉，喷泉水柱根据游人的动作产生反应，而且这种反应具有不确定性，是一种互动方式喷泉，增强了娱乐氛围。7. 光亮喷泉：是一种新型的喷泉装置。灯光和喷头科学结合，水流通过光源反射，喷出的水柱透明光滑，具有较高的艺术品位和观赏效果。如果安装个数多于两个可追逐、跟踪等功能，程序可根据用户需要编制。8. 水珍珠喷泉：利用特殊音波将水变成球体的喷水装置和全频高速闪光灯的视觉图像效果的产品组成。2.2 采用PLC控制花式喷泉的优点1.从工作方式上看：PLC串行工作，不受制约。2.从定时、计数上看：PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围广，另有计数功能。3.从控制方式上看：PLC的连接线，只需改变控制程序就可以改变逻辑或者增加功能。4.从控制速度上看：PLC通过半导体来控制，速度快，无触点，所以无抖动之说。5.从可靠性、维护性上看：PLC无触点，寿命长，有自我诊断的功能，对程序执行的监控功能以及现场调试的功能，维护方便。2.3 系统设计的基本步骤在花式喷泉控制系统的设计过程中主要应考虑以下几点：1.深入了解和分析花式喷泉的工艺要求和控制要求。2.确定I/O设备。根据花式喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的输入/输出设备。常用的输入设备有按钮、开关等，常用的输出设备有指示灯等。3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。4.分配PLC的I/O点，编制出I/O分配表或者I/O端子的接线图。5.根据工作要求设计出周密完整的梯形图，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。6.运用FX编程软件编辑PLC梯形图，并进行测试，查找错误，使系统更加完善。2.4 系统控制的方案花式喷泉系统的控制要求如下：1. 1，2均为外环形状的喷水管，3为内环形状的喷水管，4为星形喷水管。灯光系统由三条支路组成，分别为绿色灯支路（在1、2之间）、黄色灯支路（在2、3之间）、红色灯支路(在3、4之间)。2. 按下启动按钮，喷泉即开始工作，按下停止按钮，则停止喷水。喷泉的工作方式（即喷水花样）由选择开关来实现。3. 喷泉花样：比如1、3同时喷水，延时三秒后，1、3停止喷水，同时2、4喷水，交替运行五次后，1、2、3、4一起喷水，三十秒后停止，以此规律循环。4. 通过变频器控制每环喷水管的高度。5. 灯光的控制：由PLC的X5输入端为灯光系统控制的选择按钮即（灯控按钮），当需要灯光配合时，接通X5输入端。此时可实现三路灯光的控制，即3、4任意一层喷水时，红色灯亮；2喷水时，黄色灯亮；所有的喷头喷水时，绿色灯亮。图2-4为花式喷泉示意图：1234图2-4花式喷泉示意图2.5 花式喷泉控制系统的原理图 在喷泉中，通过按钮开关来控制PLC；此喷泉有4层喷水，所以用了一个变频器来控制4个水泵。花式喷泉控制系统的原理，如图2-5所示：PLC变 频 器按钮开关信号水泵电源 图2-5花式喷泉控制系统的原理图3 系统硬件软件设计3.1 可编程控制器（PLC）的选择3.1.1 PLC的概述可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称为PLC。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，交换所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC是微机技术和继电器常规控制相结合的产物，是一种新型控制器，梯形图编程语言。它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字或模拟式的输入/输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程控制器及其有关设备应按易于与工业系统连成一个整体和具有扩充功能的原则进行设计。PLC作为一种新型的控制装置于传统的继电器控制系统相比具有时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易与计算机连接、维修方便、体积小、重量轻和功耗低等优点。PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口、有大容量的内存，有可靠的自身监控系统。3.1.2 PLC的选型 首先应确定控制方案，然后是PLC工程设计的选型。设计选型的主要依据是工艺流程的特点和应用要求。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围来确定所需的操作，根据控制要求，估算I/O点数、所需的存储器容量、确定PLC的功能，外部设备特性等等，再选择具有较高性价比的PLC来设计相应的控制系统。1. 一系列的估算(1)I/O点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输I/O点数，再增加10%-20%的余量。算入余量后作为I/O点数的估算数据。(2) 存储器容量的估算存储器容量是PLC本身能提供的硬件存储单元的大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。所以常用存储器容量的估算来代替程序容量的估算。2. 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、编程功能、诊断功能、通信功能和处理速度等特性的选择。（1）控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制，大多数场合采用单回路或多回路控制器解除模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，（2）编程功能五种标准化编程语言：顺序功能图、梯形图、功能模块图三种图形化语言和语句表、结构文本两种文本语言。（3）诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。3. 机型的选择根据对I/O点的选择、对存储器容量的选择、对I/O响应时间的选择等来选择机型。该控制系统选用三菱公司FX系列的PLC。它体积小、重量轻、使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的连接，可以增加输入/输出点数。 3.2 变频器的选择 本课题设计是通过变频器调速技术来控制每环喷水管的高度。选用的是FR-S520(S)E系列变频调速器。其实物图如图3-2所示： 图3-2 FR-S520(S)E系列变频调速器的实物图3.3 水泵的选择此课题选用了QYP喷泉水泵。由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确启停，而且其输出功率必须能够精确控制。QYP喷泉水泵具有以下的优点：结构紧凑；无需引水、使用方便；双端密封、电器保护；设计合理、性能优良；经久耐用、安全可靠。并且水泵出口采用圆法兰结构，电机为F级绝缘，适合于音乐喷泉等场合对电机频繁启动的要求，叶轮具有防松装置，不怕翻转。其实物图见其3-3所示： 图3-3 QYP喷泉水泵实物图3.4 硬件接线图系统的硬件接线图即PLC和系统中各个硬件的连接。如图3-4-1所示：图3-4-1 硬件接线图3.5 I/O分配表输入：见表3-5-1序号输入说明1X0停止按钮2X1启动按钮3X2选择开关1的位置4X3选择开关2的位置5X4选择开关3的位置6X5灯控按钮表3-5-1输出：见表3-5-2序号输出说明1Y0 电源指示2Y1控制1管喷水3Y2控制2管喷水4Y3控制3管喷水5Y4控制4管喷水6Y5红色灯7Y6黄色灯8Y7绿色灯9Y10中速10Y11慢速11Y12正转表3-5-23.6 控制系统软件设计概述梯形图是使用的最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电气控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。顺序功能图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC的顺序控制程序的有力工具。顺序控制就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入转换信号或内部转换状态的作用下，使生产过程中各个执行机构自动有秩序的进行操作。而顺序控制设计法就是首先根据系统的工艺过程画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图。顺序控制设计法是一种先进的设计方法，易被初学者接受。3.6.1 新FX编程软件(GX Developer Version 7)的操作方法本课题采用新FX编程软件(GX Developer Version 7)编程软件，具体操作如下：打开编程软件。点击工程-创建新工程，确定后就可以绘制梯形图，选择所需的元件，点击诊断无误后，最后点击变换，就可以完成对梯形图的绘制。3.6.2 系统工作过程的顺序功能图系统工作过程用顺序功能图（即工作流程图）来表示见（附录A）1.按下启动按钮和灯控按钮，启动运行。2.按下位置开关1，是第一种喷泉花样。3.按下位置开关2，是第二种喷泉花样。4.按下位置开关3，是第三种喷泉花样。5.无论哪种喷泉花样，当3、4任意一层喷水时，红色灯亮；2喷水时，黄色灯亮；所有的喷头喷水时，绿色灯亮。6.按下停止按钮，结束运行。3.7 花式喷泉控制系统程序设计3.7.1花式喷泉的第一种花样当选择开关1的位置时，喷泉运行第一种花样：4、3、2、1隔2秒依次喷水，一起喷水15秒后停下，再按1、2、3、4、的次序隔2秒依次喷水，再一起喷15秒后停下，以此规律循环。其中，1、3管以中速正转喷水，2、4管以慢速正转喷水。当第三或第四层任意一层喷水时，红灯亮；当第二层喷水时，黄灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。梯形图如下3-7-1： 图3-7-1第一种花样的梯形图3.7.2花式喷泉的第二种花样 当选择开关2的位置时，喷泉运行第二种花样：1、3管同时喷水，延时3秒后1、3停止喷水，同时2、4喷水，交替运行5次后1、2、3、4一起喷水，30秒后停止，以此规律循环。1、3管以中速正转喷水，2、4管以慢速正转喷水。当第三或者第四层任意一层喷水的时候红灯亮；当第二层喷水的时候，黄灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。梯形图如下3-7-2：图3-7-2 第二种花样的梯形图3.7.3 花式喷泉的第三种花样当选择开关3的位置时，喷泉运行第三种花样：1、2、3、4按顺序延时2秒喷水，然后一起喷30秒后4、3、2、1再分别延时2秒停喷，以此循环。1、3管以中速正转喷水，2、4管以慢速正转喷水。当第三或者第四层任意一层喷水的时候红灯亮；当第二层喷水的时候，黄灯亮；当所有喷水时，绿灯亮。梯形图如下3-7-3： 图3-7-3 第三种花样的梯形图结论本课题是基于PLC和变频器的花式喷泉的设计，主要是以可编程控制器PLC和变频器为核心来研究花式喷泉的设计，利用可编程控制器PLC和变频器强大的控制功能，实现了利用可编程控制器和变频器控制花式喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。其中，梯形图的设计可以根据不同的花样要求设计出不同的喷水式样，同时修改方便。还有如果要增加花式喷泉的功能时，只需增加一个I/O扩展模块即可。原来的接线无需改变，软件上只需增加相应的程序以及输出功能，易于修改。此次课题设计培养了我们的设计能力、分析能力以及全面思考问题的能力，是对我们四年大学生活的检验和总结，对我们而言是一次很好的锻炼，相信一定会对我们以后的学习和工作产生深远的影响，可谓受益匪浅！致谢在完成论文的过程中，指导老师给予了我极大的帮助，我有不懂的问题去找老师，老师总是热情耐心地讲解，帮我解决了设计过程中存在的问题。我对老师的讲解也非常满意。同时也要感谢帮助过我的老师和同学们，非常感谢你们的帮助和大力支持，从中我学到了很多也懂得了许多人生的道理。再次对你们表示感谢！参考文献1 龚仲华.三菱FX/Q系列PLC应用技术M.北京：人民邮电出版社，2008,351-374.2 中国机电一体化技术应用协会和PLCopen中国组织联合主办.PLC技术发展及IEC 61131-3国际标准研讨会C,2010-05-12.3 袁晓红.可编程控制器梯形图语言编译器的研究与设计D.中南大学，2004.4 刘强.变频器世界R.广东省自动化学会副秘书长,2004.5 YOSHIDA HIROSHI;KAGAWA TETSUO.OMRON CORP.PLC control program development device and program.2007-10-196 李国洪,陈刚,孙东辉,安志远,王菊香. PLC梯形图程序的顺序控制设计法J. 电工技术杂志,2000.(03).7 张政军.PLC步进控制编程实例N/OL.电子报.2010-05-168 曾慧，三菱PLC编程软件GX Developer 应用(下)N.电子报,2008-10-26.9 GB/T 7714-2005,文后参考文献著录格式S10 高钦和.可编程序控制器应用技术与设计实例M.北京:人民邮电出版社,2004：50-107.附录A附录B