1、喷泉设计1喷泉的 PLC 控制设计目录第一章 绪 论 .21.1 课题研究背景 .21.2 课程设计的内容 .21.3 课题设计的目的和意义 .3第二章 系统控制方案的确定 .32.1 花式喷泉的概述 .32.2 系统设计的基本步骤 .52.4 花式喷泉控制系统的原理图 .5第三章 系统硬件设计 .63.1 可编程控制器（PLC）的选择 .63.1.1 PLC 概述 .63.1.2PLC 的选型 .63.2 变频器的选型 .83.3 水泵的选型 .93.3.1 水泵的参数及性能 .103.3.2 选择步骤 .13第四章 系统软件设计 .144.1 PLC 梯形图概述 .144.2 SWOPC-
2、FXGP/WIN-C 编程软件的操作方法 .144.3 I/O 分配表 .154.4 流程图 .164.5 梯形图 .17喷泉设计24.6 指令表 .18第一章 绪 论1.1 课题研究背景随着城市化进程的加速，花式喷泉可以在人们周围随处可见。比如广场，大厦，小区等。花式喷泉是人造小气候，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（dec ）研制书
3、上世间第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（gm）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器，简称 plc(programmablc logic controller)。1985 年国际电子委员会（iec）对 plc 的定义如下：Plc 是自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（plc、robot、cad/cam）的首位。可编程控制器，简称 plc。它在集成电路、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 1.可靠性高、抗干扰能力强 2.设计、安装容易 3.维修工作量少 4.功能强、通用性好 5.开发周期短、成功率
4、高 6.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，并已成为工业生产自动化的支柱产品。与继电触发器系统相比系统更加可靠;价格上能与继电 接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维修、维护；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构。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。喷泉设计31.2 课程设计的内容本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
5、。综合花式喷泉的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究能有三种喷水花样可供选择；能够控制每环喷水管喷水的高度；喷水时要有灯光显示；可以根据不同的季节、不同的场合可改变喷泉水的花样。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速度准确度高，在花式喷泉的格层检测系统中选用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给 plc来实现控制。由于本课题目具体需求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
6、、稳定、灵活、美观的需要。（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 swopc-fxgp/win-c 编程软件，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时间。1.3 课题设计的目的和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也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入个崭新的时代，其应用越来越广。而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。其
7、中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，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。喷泉设计4第二章 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或其他液体经过一定压力通过喷头洒出来具有一定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。现代城市中的喷泉形式已十分丰富。随着构筑物的大小及水压等的变化，喷泉或高或低、或珠或雾，精彩纷呈。可分为以下 7 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、水型和灯光的变化。（2）程控喷泉：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
8、制信号，使水型及灯光有各种各样的变化。（3）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。（4）水幕激光喷泉：将激光器发出的激光束射在水幕喷头的水幕上，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，形成斑斓夺目的起义效果。（5）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。（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，而且这种应具有不确定性，是一种互动式喷泉，增强了娱乐氛围。
9、（7）跳跳喷泉：又名光亮泉。是一种高科技水景艺术，水形似根根晶莹透彻地冰柱，一串串飞向空中，轻舞飞扬。2.2 采用 PLC 控制花式喷泉的优点（1）控制方式上看：PLC 软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。（2）工作方式看：PLC 串行工作，不受制约。（3）控制速度上看：PLC 通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而五抖动喷泉设计5一说。（4）定时、计数看：PLC 时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有记忆功能。（5）可靠、维护看：PLC 无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。2.2 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
10、要考虑以下几点：（1）深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。（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、选择开关等，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 I/O 点，分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出端子 的接线图。（5）设计花式喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图（6）程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。（7）将程序输入 PLC 进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。2.4 花式喷泉控制系统的原理图在喷泉中，通过按钮
11、开关信号来控制 PLC：因为有 4 层喷水，因此用了 1个变频器控制 4 个水泵。花式喷泉控制系统的原理如图 2-2 所示：喷泉设计6第三章 系统硬件设计3.1 可编程控制器（PLC）的选择3.1.1 PLC 概述可编程控制器，英文称 Progammable Controller,简称 PLC，本课题中用PLC 作为它的简称。 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，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC 有丰富的指令系统，有各种各样的 I/O 接口、
12、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：1.逻辑处理功能；2.数据运算功能；3.准确定时功能；4.高速计数功能；5.中断处理（可以实现各种内部中断）功能；6.程序与数据存储功能；7.联网通信功能；8.自检测、自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC 几乎也都可以做到。3.1.2PLC 的选型在 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。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，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点
13、数、所需存储器容量、确定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设喷泉设计7计相应的控制系统。（1）输入输出（I/O）点数的估算I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。（2）存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，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。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算
14、来代替。（3）控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。根据本课题所设计控制的需求，主要介绍一下几种功能的选择。1.控制功能PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，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，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。2.编程功能离线编程方式：PLC 和编程器公用一个 CPU，编程器在编程模式时，CPU 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式降低系统成本，但使用
15、和调试不方便。在离线编程方式：CU 和编程器有各自的CPU，主机 CPU 负载现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。五种标准化编程语言：顺序功能（SFC） 、梯形图（LD） 、功能模式图块(FBD)三种图形化语言和语句表（il） 、结构体文（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC113123） ，同时，还应该支持多种语言编程方式，喷泉设计8如 C,Basic 等，以满足特殊控制场合的控制要求。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
16、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 与外币输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。4机型的选择通过对输入/输出点的选择、对存储量的选择？对 I/O 响应时间的选择输出负载的特点选型的分许。该控制系统选用三菱公司 FXON 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，通过扩展模块的链接，可以增加输入/输出点数。3.2 变频器的选型变频调速技术是针对固定工频而采取的高效节能措施，工频（50Hz）是发电的
17、最佳频率，但它并非是所有用电设备的最佳工作频率，因而导致许多设备长期处于低频率、低功率引述运行状态。占全国耗电 2/3 的交流电动机目前大多数还在工频、恒速下运动，运行效率只有 60%左右。为了提高效率，所以在本设计中用到变频器。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF 变频或矢量控制变频） ，先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。整流部分为三桥式不可控整流器，逆变比分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直
18、流储能和缓冲无功功率。变频器选型时要确定以下几点：（1）采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。喷泉设计9（2）变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。（3）变频器与负载的匹配问题：1.电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。2.电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。3.转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生。.在使用变频器驱动告诉电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流地阿牛值增大。因此用于高速
19、电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。.变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样的情况下，变频器容量要更大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。.对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器的容量要放大一档。本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水的高度。我选用的是 FR-S520（E）系列变频调速器。其实物图如图 3-1 示。喷泉设计103.3 水泵的选型泵是一种面大量广通用型号机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力、冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位
20、。泵的电能消耗起了积极作用。但是目前在国民经济各个领域中，由于选型不合理，许多的泵处于不合理运行状况，运行效率低，浪费了大量能量。还有的泵由于选型不合理，根本不能使用，或者使用维修成本增加，经济效益低。由此可见，合理选泵对节约能源同样具有重要意义。所谓合理选泵，就是要综合考虑泵机组和泵站的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。具体来说，有以下几个方面：必须满足使用流量和扬程的要求，即要求泵的运行工次点经常保持在高效间运行，这样既能剩动力又不易损坏。所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率。具有良好的抗气蚀性能，这样既能减小泵房的开
21、挖深度，又不使水泵发生气蚀，运行平衡、寿命长。3.3.1 水泵的参数及性能（1）水泵的主要参数水泵参数是指工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。1.流量（Q）泵的流量市直单位时间所排出的液体的数量。通常泵的流量用体积计算，以 Q 表示，单位为米 3/时（m3/h） 、米 3/秒（m3/s） 、升/秒（1/s） ，也可用重量计，以 G 表示，单位为吨/时（t/h） 、吨/秒（t/S） 、千克/秒（kg/s） 。G 与 Q 的关系：G=r*Q r-液体的重量（千克/米 3）因水的重量近似 1000 千克/米 3，故 1 升/秒=3.6 米 3/时=3.6 吨/时2.扬程（H）泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。以 H 表示，实质上
