基于PLC控制的花式喷泉系统.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书资料大小：7.14M 资料格式：doc 举报版权申诉

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1 引言

1.1 本课题的研究背景

1.2 课题研究目的及意义

2 喷泉的介绍

2.1 喷泉的发展

2.2 喷泉的种类

3 PLC的简介

3.1 可编程序控制器简介

3.2 PLC的结构

3.3 PLC的特点

3.4 PLC的主要功能

3.5 PLC的经济性分析

3.6 PLC发展状况及趋势

3.7 PLC的编程语言

4 喷泉总体设计

4.1 喷泉的布局设计

4.2 控制要求

5 硬件设计

5.1 PLC的选择

5.2 泵的选择

5.2.1 潜水泵介绍

5.2.2 泵的选型

5.3 喷头的选择

5.3.1 喷头的介绍

5.3.2 各种喷头的选择

5.4 阀的选择

5.5 灯具的选择

5.6 元器件明细表

6 系统软件设计

6.1 I/O分配

6.2 梯形图设计

6.3 SFC程序分步介绍

7 组态王监控系统设计

7.1 组态王与设备通信

7.2 监控画面

7.2.1 按钮单元介绍

7.2.2 彩灯单元介绍

7.2.3 计时计数单元

7.2.4 喷泉模拟单元介绍

8 系统调试

结论

致谢

参考文献

附录A 系统程序

附录B PLC接线图

附录C 组态王监控画面

本科毕业设计说明书（论文）第 1 页共 35 页 1 引言 1.1 本课题的研究背景喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。园林中的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。喷泉可以湿润周围空气，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。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在许多城市的市民广场、单位居民生活区里都能看到各种形式的喷泉。随着科学技术突飞猛进的发展，在喷泉工程中采用了大量的高新技术，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有种愉悦的感受。从而使喷泉效果更绚丽多彩，婀娜多姿，令人赏心悦目、流连忘返。喷泉在炎热的夏日可以起到增湿和降温的作用；也为水体充氧，有利于水体增加自净能力，起到防止水体黑臭的作用。花样喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花样喷泉的控制系统息息相关。花式喷泉可以根据自己的设计，设计出各种各样的花样，加上灯光，能给人有种不错的视觉享受。1969 年美国数字设备公司研制书上世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期， 70 年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使可编程序控制器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。可编程序控制器是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。同时它也是在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。具有可靠性高、抗干扰能力强、设计、安装容易，维护工作量少、功能强、通用性好、开发周期短、成功率高、体积小，重量轻、功耗底等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，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。与继电——接触器系统相比系统更加可靠；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器及与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。因此，进行花样喷泉控制系统的设计。可以推动喷泉行业的发展，

本科毕业设计说明书（论文）第 2 页共 35 页扩大可编程序控制器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 课题研究目的及意义本设计的主要的目的，是通过对自动化生产设备、自动化生产线、控制过程的调查研究，明确生产工艺对PLC控制提出的各项要求。根据这些要求进行接线图设计、器件选型、梯形图设计和系统调试，使我们在毕业设计的全过程中，进一步明确设计任务中的各项要求，建立机电系统设计工作的整体概念，从工程环境、实现手段和操作方式的各个环节入手来设计控制系统，通过不断的调试和完善硬件设计，最终能够满足这些要求。这次课程设计不仅培养我们的工程应用功能，独立完成工作的能力外，还培养了我们文献检索的能力和对所学知识的综合运用的能力，并未我们毕业后的工作能力打下良好的基础。

本科毕业设计说明书（论文）第 3 页共 35 页 2 喷泉的介绍 2.1 喷泉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。只是在展览馆等公共建筑和公园里能见到一些中、小喷泉，产品的水平也是简单、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，一部分建筑、园林、水利的设计院、研究所及大专院校，综合了土建结构、给排水、机电控制等传统的专业技术，加上当时先进的单片机，通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出一批喷泉、水景。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。2001 年中国建筑金属结构协会、给水排水设备分会成立了水景喷泉专业委员会，行业组织为城镇、园林的主管部门、设计院、所及专业生产厂商、公司提供服务，促进喷泉行业健康有序地发展。一些大学和中专的建筑、园林专业也开设了水景、喷泉课程，为喷泉行业的今后发展提供了知识储备。喷泉行业的发展进入到一个新的阶段。人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，开拓了喷泉的应用范围。我们可以看到：适宜于喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取，凝聚向上的感受。在商业广场、购物中心以及一些景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些

本科毕业设计说明书（论文）第 4 页共 35 页喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。河、湖自然水面上喷水高度超过百米的高水柱喷泉，其雄伟、壮观的水造型往往成为这个城市或旅游景点的特征之一。喷泉进入了住宅小区，多与建筑小品和雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足的形式。松弛、舒适的环境氛围给人们愉悦的感受。商场内、酒楼里的喷泉小巧、别致，既调节了室内小气候，又增添了画意。依托大型建筑物和自然地形建成的人工瀑布及溢水造景给人们以清新和另有韵味的感受。喷泉在电视转播厅和大型歌舞上频频出现，调谐得当的水形烘托着演出的效果。精巧的微型喷泉进入了办公室和居室，给室内增添了动态的装饰。喷泉是艺术和技术的结合物，建筑艺术、园林艺术、美术以至引伸到人文学、文学艺术、音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计、创作中。不少成功的作品都注意喷泉的设计风格与周边的环境、建筑物风格的协调一致，注意当地人文、文化心理，所以好的方案设计是至关重要的，它是成功的起点。在喷泉方案的制作上，短短的几年时间就从手工制图发展到 photo shop 图片再发展到三维动画制作的光盘描绘的动态喷水方案，计算机技术极大地丰富和开拓了人们的思维空间。快速、直观、便于保存、易于修改的优点很快地就被建设方接受，成为喷泉设计方案招投标的必备内容。喷泉的专用产品，设备也在不断地更新换代，新材料、新技术的采用，环保型的产品更加安全、可靠，售后服务周到、及时，这些都为喷泉的良性发展提供了技术支撑，使得大多数的喷泉在美化环境之外，还发挥了良好的生态效应社会效益和广告效应等间接的经济效益。 2.2 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。

本科毕业设计说明书（论文）第 5 页共 35 页 3 PLC 的简介 3.1 可编程序控制器简介可编程序控制器 PC(Programmable Controller)又称可编程序控制器 PLC （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。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。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。 3.2 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(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。 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。 3.3 PLC 的特点可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实

本科毕业设计说明书（论文）第 6 页共 35 页质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为 PLC 具有以下优点： (1) 灵活、通用。在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。 (2) 可靠性高、抗干扰能力强。对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代 PLC 采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证 PLC 能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。 (3) 操作方便、维修容易。PLC 采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。 (4) 功能强。现代 PLC 不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成 A/D、D/A 转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。 (5) 体积小、重量轻和易于实现机电一体化。由于 PLC 采用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。且 PLC 是为工业控制设计的专用

本科毕业设计说明书（论文）第 7 页共 35 页计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。 3.4 PLC 的主要功能 PLC 是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA) 和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。PLC 系统主要有以下功能： (1) 多种控制功能； (2) 数据采集、存储与处理功能； (3) 通信联网功能； (4) 输入、输出接口调理功能； (5) 人机界面功能； (6) 编程、调试功能。 PLC 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用 PLC 还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC 产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。 3.5 PLC 的经济性分析综上所述，在各种环境中，使用 PLC 控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。对 PLC 的经济分析，应从以下几方面考虑： (1) 从影响成本的各个因素综合考虑。对目前生产设备控制装置来说，有三种类型：① 继电器控制；② 半导体器件控制；③ PLC 控制。价格仅是选择 PLC 品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。 (2) 从设计、生产周期长短考虑。不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备

本科毕业设计说明书（论文）第 8 页共 35 页及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而 PLC 则完全可以实现。这是因为使用 PLC 不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。据调查，目前我国 70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了可靠性差外，程序设计也很繁杂。从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用 PLC 控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在 EEPROM 模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既简单、方便又保密。 3.6 PLC 发展状况及趋势现代 PLC 的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。 (1) 大型网络化。主要是朝 DCS 方向发展，使其具有 DCS 系统的一些功能。网络化和通信能力强是 PLC 发展的一个重要方面，向下可将多个 PLC、I/O 框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP 网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。 (2) 多功能。随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使 PLC 控制领域更加宽广。 3.7 PLC 的编程语言在 IEC61131-3 中，规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示，并对以往编程语言进行了部分修改后形成目前通用的 5 种语言。在这 5 种语言中，有 3 种是图形化语言，2 种是文本化语言。图形化编程语言包括：梯形图（LD－Ladder Diagram）、功能块图（FBD － Function Block Diagram）、顺序功能图（SFC －

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