1、大型花样喷泉控制系统设计毕业设计论文 毕 业 设 计 论 文题 目： 大型花样喷泉控制系统设计 学 院： 电气与控制工程学院 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 指导老师： 完成时间： 2016年5月18日 摘要该花样喷泉控制系统设计采用的是西门S7-200 PLC软件，利用该软件对喷泉控制系统的进行程序编写和仿真。本次设计的主要目的是使喷泉喷水样式的多样化，利用所编写的程序使花样喷泉的运行规律化。当按下开始按钮使，该装置开始运行，当按下停止按钮，喷泉控制装置将立刻停止工作。喷泉的喷水方式是由喷泉花样方式选择开关和单步/连续开关共同决定的：当按下单步按钮时，喷泉就会按照一个花样式运行一次，然
2、后停止运行；若选择的是连续模式，喷泉就会在预先选中的花样下多次循环运行，直到按下停止按钮后，喷泉装置才停止运行。喷泉运行的花样方式则可以通过花样方式选择开关来控制，本设计提供了4种不同的喷水花样方式。西门子S7-200 PLC最大的特点就是可扩展性强，同时还具有稳定性好，可靠性高，操作简单等优点。花样喷泉控制系统采用PLC设计，满足设计要求：可以让喷泉自动的变换喷水花样。因此PLC在工业中可以广泛推广。关键词：花样喷泉,S7-200 PLC,自动控制 Abstract The figure fountain control system design USES is Simon S7-200
3、PLC software, fountain control system to make use of the software programming and simulation. The main purpose of this design is to make the water fountain, style diversity, use written procedures to make pattern the operation law of the fountain. When press the start button, the device is up and ru
4、nning, when press the stop button, fountain control device will stop working immediately .Fountain of hydraulic way is by the fountain pattern mode selector switch and joint decision step/continuous switch: when step according to the order button, the fountain will be in accordance with the style of
5、 a flower run once, then stop running; If choose continuous mode, fountain will in advance under the selected pattern cycle for many times, until after the press the stop button, fountain device didnt stop running. Pattern of fountain operation pattern may be able to switch to control, this design p
6、rovides four different ways of water pattern. Siemens S7-200 PLCs biggest feature is strong scalability, at the same time also has a good stability, high reliability, simple operation, etc. Fountain control system adopts PLC design pattern, meet the design requirements: automatically convert fountai
7、n water spray pattern. So the PLC can be widely in the industry.Key words: Figure fountain; S7-200 PLC; Automatic control第1章 绪论1.1 课题背景 喷泉在社会生活中非常常见，既有大型的广场喷泉也有小型的室内喷泉，喷泉的样式也多模多样，喷泉的工作原理简单的说就是利用喷泉的喷头将具有一定压力的水喷出各种各样的花纹，如果喷泉的喷头不同，喷泉的喷水方式也会千奇百样，能创造出多姿多彩的水景景观，产生奇妙的艺术效果。随着社会的不断发展，喷泉市场的发展有着突飞猛进的进步，机遇与挑战并存
8、，这就需要喷泉设计者要有更大的创新，才能适应这一行业的迅猛发展。 在以前，喷泉只是各别专业中的一个细节，例如：建筑学中的给排水专业以及园林造景专业。无论是产品的设计制作，还是相关工程的施工和设备的安装，都不具备系统化。现在将信息技术应用到花样喷泉中去，可以研制出一批别具匠心的喷泉，未来喷泉的市场前景将一片大好。 1.2课题的意义在现实生活中，喷泉到处可见，例如广场，酒店，公园等，如今喷泉已经成了现实生活中不可缺少的一部分。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。如今，将计算机技术，自动控制技术，以
9、及PLC装置应用到喷泉上，就会产生各种各样的花样喷泉，例如音乐喷泉，激光喷泉等。这些喷泉既具备以往喷泉的功能，还增加了新内容，更加能够满足人们在视觉和听觉上的享受，使广大人民的生活变的丰富多彩，使人们的生活境界得到了极大的提高。虽然喷泉到处可见，但是高质量的喷泉并不多，因为现在科技发展日新月异，喷泉行业也要紧跟其后，所以这就要把当今世界上的新技术融入到喷泉技术中，使之生产出科技含量高，功能更加强大，更加能够满足社会需要的喷泉，因此喷泉行业的前景非常广大，研究花样喷泉的意义也非常大！ 1.3 国内外的发展状况如今的世界经济快速发展，而对于喷泉市场来说可以算是机遇与挑战并存。市场上，在有些国家或地
10、区，喷泉企业存在着供给与需求的严重不平衡的现象。喷泉行业有可能要面临着重新大洗牌的风险。尽管如此，喷泉行业某一些具体的方面，无论是国内还是国外，都仍然需要企业有信息化技术和核心的竞争力。在我国，改革开放以前，喷泉只是某些专业中的一个小分支，无论是花样喷泉的设计还是工程施工都没有形成具体的规模。只是在一些大型酒店，广场以及花园中见到一些设计非常简单的喷泉，这类喷泉设计简单，没有较高的技术要求和技术含量。从改革开放以后到现在，在一些城市的建设和改造过程中，以及对居民生说环境的美化和文化氛围的营造中，城市的相关部门开始引进了高技术含量的喷泉技术。部分大学，设计院，研究所中的相关专业，如建筑，土木，水
11、利等专业也出现了喷泉的身影。在将水利水电，机电控制等技术和单片机，PLC电机调速技术相结合，设计出一批花样喷泉并将其应用于各种场所，这种喷泉在社会上得到了良好社会效应。此时的喷泉行业市场前景十分广阔，一些喷泉设备制造公司如雨后般的春笋拔地而起，为喷泉的快速发展打下了坚实基础。1.4主要内容用PLC来设计一个花样喷泉控制系统，通过PLC设备来控制喷泉的喷射花样，通过PLC编写程序，设置按钮，使喷泉喷出多种花样的水柱，使他具有多种喷射花样，以达到满足人们视觉享受的效果。要掌握PLC编程软件的相关理论和知识点；设计硬件电路；用PLC编制软件编写程序；分析仿真结果与优化设计方案；熟练使用AUTO CA
12、D 来绘制系统主电路图，硬件接线图，程序流程图。第2章 PLC的简介2.1 PLC的发展史在20世纪六十年代末，美国数字设备公司最先提出采用程序化技术来实现电气控制，并将其成功的应用于生产流水线上。这就是世界上第一台可编程控制器，简称PLC。随后，世界各国开始陆续研发PLC相关产品，例如日本的DCS-8系列，德国的西门子PLC。中国第一台国产PLC，是在1974年自主设计制造成功的。与此同时，微处理器的出现，也使PLC的功能得到了腾飞，将可编程控制器添加在PLC装置中，使其具有数据运算，传输，处理等功能，使其具有了计算机的特征。后来计算机技术迅猛发展，为了突出可编程控制器的特点，将其更名为PL
13、C，这就是PLC名称的由来。上世纪七十年代是PLC的发展进入了适用性发展阶段，它在功能上进行了不断的创新和改进，使之使用效果更加理想。引入了速度快，体积小，稳定性好的抗干扰设计模拟量运算以及PID功能，再加上它极高的性价比，这些促使了PLC在工业中占有不可或缺的地位。上世纪八十年代，是PLC发展的成熟阶段。大量的PLC装置在先进的工业国家中投入使用。PLC广阔的前景使越来越多的国家开始生产应用PLC，因此世界上PLC装置的产量也在日益增多。这个时期是PLC发展的鼎盛的时期，PLC每年的年生产增长率一直维持在在百分之三十五左右。此时的PLC的新亮点是其具有处理模拟量，数字运算的能力。同时人机接口
14、技术和网络通信技术也得到了更好的完善。在过程控制领域中也PLC得身影，PLC的作用逐渐的变成了不可替代。从这以后，PLC就朝着现代产业技术的方向发展。这个时期的PLC出现了大型机和小型机以及各种各样的适应特殊功能的功能的模块单元这些都使PLC在工业控制设备中更好的得到了应用。2.2 PLC的结构PLC由硬件装置和软件装置两部分构成。其中硬件部分主要包括中央处理器，存储器，I/O口及其扩展单元，以及电源和编辑器组合而成。这些硬件成分都是通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。其结构简图如下图2.1PLC整体结构图2.2.1 电源电源在整个PLC系统中地位的重要性可想而知，如果
15、电源部分无法正常稳定的工作，那么对整个PLC装置造成的影响可以说是致命的。因此对PLC电源制造商的要求也是非常的高，要求其在电源的设计和制造过程中要严格按照要求进行。正常情况下，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 。2.2.2 中央处理单元中央处理器又叫做CPU，它是PLC的最关键的部件，犹如人体的心脏一样，控制着PLC的一切装置。它的主要功能是接受存储用户的程序和数据，这些数据和程序主要是通过编程键完成的。CPU可以监控很多硬件部分的运行状况，例如电源存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误；当I/O口和定
16、时器运行出现错误时，CPU也可以迅速发现它们的错误所在。当设备一旦开始工作时，CPU会立马查询这些设备的各种参数和指标，然后将这些参数和指标转移到I/O映象区域中去。接下来CPU就开始从RAM读取程序了，依靠着程序中的指令来执行逻辑运算和算法运算，并将算得的结果存放在I/O映像区中。当全部程序执行完毕后，将映象区中的结果传送到相应的装置中区，照这样往复的进行，直到运行结束为止。对于大型PLC装置，则可采用双CPU系统或三CPU系统，即使其中的某个CPU模块出现了故障，其他CPU便可迅速开始工作，使系统仍能正常运行，这样便可大大的提高了PLC的稳定性。2.2.3 存储器 存储器主要分为两种，一种
17、叫作系统程序存储器，主要是用来存储系统软件的；另一种叫作用户程序存储器，它则是用来存放应用软件的。存储器在PLC中的作用非常重要，它用来存放数据和参数，这些数据和参数是PLC控制和运行的指导方。2.2.4 输入输出接口电路 接口电路是由现场输入接口电路和现场输出接口电路这两种电路构成的。输入接口电路是由光耦合电路和微型计算机组成的，它主要是用来连接PLC装备和现场控制的接口。而输出接口电路是由数据寄存器电路，选通电路和中断请求电路这三个电路构成的，它的主要作用是可以向现场的执行装置传输相应的信号，从而控制现场装置。2.2.5 通信模块 一个PLC设备中所有程序的加起来构成了该PLC的软件系统。
18、软件系统又有两大部分构成：系统程序和用户程序。由PLC生产厂家提前设置好的用来控制PLC自身运行的储存在EPROM中的程序称为系统程序。与系统程序相比用户程序则恰恰相反，它不是提前设置好的，而是用户根据所要实现的功能来书写的。只有将这两部分程序相结合起来，才能使设备的又好又快的保持高效率工作。2.3 PLC的特点 PLC实际上是一台工业自动控制装置，最主要的部件是微处理器，实际上是工业控制上的专用计算机。例如世界上的机械手操作系统，特别是那些智能化程度高，容量大的机械手操作系统都普遍采用的是PLC控制装置。继电器控制系统中控制器件主要是由继电器组成的，根据提前设计好的图纸由人工布线，焊接来完成
19、组装，整个过程麻烦，且效率低。若是工程上稍有变化那么前面的工作就得重来，从头开始设计线路走向，从头开始焊接各部件，重新安装，这样不光麻烦，还耗费大量的人力物力财力。而如果采用PLC装置来控制，当控制要求有所改变时，只需要重行书写PLC上的程序，然后将接口改变下就可以了。一台PLC可以控制不同的控制装置。并且可以根据不同的控制要求来编写不同的PLC程序。因此PLC具有很强的机动性和广泛性。同时PLC还具有稳定性好，可靠性强的特点。对于一个稳定性好，抗干扰能力强的机械系统来说，要具备在各种工作环境下都能够有条不紊的工作的能力，这也是每一位研发者所考虑的问题。PLC将电子元器件高度集成，这种方法的可
20、靠度比那些机械触点的继电器要好的多的多。同时，在PLC的设计和制造过程中设计主一系列的软硬件方面的抗干扰的措施，这样PLC就可以在恶劣的环境下，仍然可以正常的工作了。PLC操作非常方便且很容易维修。通常PLC有两种编程方法，操作人员既可以采用梯形图编程，也可以采用助记符编程。这样编写出来的程序，使用和理解起来非常的方便，因为PLC所编写的程序都是由一些固定的功能块组成，只要能熟记这些功能块，就能很轻松的理解使用程序。对于非专业的人员只要按照设备操作手册来操作，就可以使用设备，不需要专业培训。由此可见PLC的操作是非常方便的。如今PLC的功能越来越强大了，可以完成条件控制，还具有计算时间，计算数
21、据和步进的功能。对于数据的运算和处理也可以通过PLC来实现。PLC所具备的这些功能使它具备控制开关量和模拟量的功能。PLC控制功能非常的强大，无论是简单的还是复杂的，无论是单一的还是综合的系统，都可以用PLC来控制，并且还可以进行现场实施控制和远程操纵控制。在机电一体化的控制设备中，PLC使用的是集成电路模块，使其具有体积小，重量轻，功耗低等特点，且PLC所采用的计算机是工业控制中的专用计算机，它不仅坚固而且重量轻，可靠性高，排除外界的干扰能力好，并且不费多大力气就能轻松的装入机械装置中去。虽然PLC有着许多不可取代的特点，但是，它也有不足之处，例如它的性价比要比普通的单片机和继电器高。由于各
22、厂商之间的技术保密，所以各厂商之间PLC设备之间是不相配的，不能互换器件，所以一旦该设备的某一器件坏了，只能用原厂家的，不能用其他厂家的来代替。2.4 PLC的编程语言 在西门子S7200中，有固定的编程语法，语义和显示，在前编程语言的基础上进行了修改得到现在的编程语言。PLC的编程语言很多，最常用的编程的语言有五种，在这五种语言中有三种是图形化语言，剩下的两种是文本语言。指令表和结构化文本是文本语言的两种基本形式。可编程控制器最先采用的编程语言是继电器编程语言，这种编程语言也是可编程控制器中最普遍采用的语言。而梯形图就是从继电器原理图中演化而来的。两者所使用的基本原理是一样的，只是使用符号和
23、表达形式上有所不同罢了。指令表程序语言与计算机的助记符汇编语言有些相同，它是PLC最基本的编程语言。其实指令表就是用一些便于记忆的符号来代替PLC中的某些操作功能罢了。2.5 PLC的主要功能可编程控制装置PLC应用面广，且在工业自动化装置中发展十分的快。在工厂自动化和计算机集成系统中都占有非常重要的地位。PLC的控制功能真是特别的强大，基本上工程上所要求的，它都能实现，特别是西门子系列的PLC。这也是我这次毕业设计之所以选用PLC来做的一个重要原因。大家都知道PLC它的体积不大，所以携带运输很方便，这就给安装带来了便利，同时，从另一个层面也说明了PLC的集成度高，科技含量高，我想这肯定也是为
24、什么PLC使用越来越广泛的一个原因吧。大家都知道，一个好的机器，不经要在功能上能够满足用户需求，同时还要美观，S7-200 PLC的用户界面就很简洁美观，操作者使用起来会有一种享受的感觉。综合上述各种原因，PLC都是工程师们在工程项目上的最佳选择。即使软件的价格在增加，但是由于生产商之间的竞争，软件价格也在降低。此外，由于PLC具有设计方便，编程容易和投产周期短的优点，使得总价格也有所降低。现场总线的发展将使PLC的地位再一次有所提升，满足了现代工业快速发展的要求。2.6 PLC的选用 一个设备要完美的运行PLC的选用也十分的重要。首先所选用的PLC要满足被控对象的控制要求，这是PLC选用中最
25、基本也是最重要的一条准则；其次，所选用的PLC必须要运行稳定，安全可靠，这样才能设备高效运行，不影响工业生产；最后，所选用的PLC的容量必须要比被控对象所要求的容量要大一些，这样是为了方便对控制程序的编写和生产工艺的修改。同时你所编写的程序中，所使用的I/O口点数也是一个重要的指标，I/O点数和种类的选择应该根据控制对象的开关量，模拟量等输入输出设备来选定的。例如，本次毕业设计所采用的是八个输入，六个输出，所以我选用的PLC的CPU的型号CPU 214，它是14个输入10个输出，正好可以满足我的设计要求。但是考虑到设备安全运行和以后修改的方便，要适当的选用容量大一点的CPU，一般要比需要的大1
26、5%左右。所以PLC的选型很重要，选小了无法工作，选大了不但浪费资源还很昂贵。2.7 可编程序控制器应用可编程控制器PLC技术包含了微机技术和继电器常规技术，该控制器包含顺序控制器和数字控制器，其核心是数字控制的专用计算机。它既可以利用微处理器来实现工业上的及时控制要求，同时也适合现场电器工作人员操作技能习惯，抛弃了汇编语言的复杂而琐碎的表达形式，形成了一套以继电器梯形图为基础的编写方法，这种表达形式形象且生动易懂。这使得编写出来的用户程序具有直观简洁，很轻松就能够看明白，很容易就可以掌握，调试和查错都很方便的特点。PLC已经成为现代工业支柱之一，凭借着其良好的稳定性，很强的逻辑性，且体积小便
27、于安装，不仅可以在线修改程序还可以实现远程控制。并且一个国家的PLC的应用情况，设计的深度和广度已经成为一个国家工业化程度和科技发展水平的重要评估指标之一。无论是在电器方面，还是在航空航天方面，都随处可见PLC的身影。2.8 PLC的未来的发展趋势 而今世界各个PLC生产商生产的PLC主要向着两个方面去发展：第一个方向是，使PLC的体积更加的小，这样便于安装；功能更加的强大，工作起来要更加的稳定，这样可以使之适应更为复杂的环境；第二个方向就是使PLC网络信息化，兼容互换化方面发展，这主要是为了PLC的使用者在设备的维修和使用方面更加方便快捷，比如说，以前买的PLC设备某部分零件出毛病了不能用了
28、，而该系列的PLC又已经不生产了，如果满足了不同系列PLC设备零件之间可以互换代替，那么就可以就近找新的PLC零件代替，这样就大大的节约了成本，同时也解决了PLC设备最大的弊端，即不同公司生产设计的PLC设备之间不能够很好的融合，而对于PLC的网络信息化，主要是指直接在PLC设备上编程和修改程序，同时也可以让程序员不用到现场，利用远程控制来控制PLC设备。第3章 花样喷泉设计3.1 喷泉的规模设计从高空俯瞰看花样喷泉，其总体为一个正方形，总面积约为一百平米；整个喷射范围为一个圆形，这个圆的半径为4.5米。喷泉平面图如图3-1所示：图3-1喷泉平面图从上图中可以看出，花样喷泉控制系统由五种水柱组
29、成，其中1号代表得是大水柱，它是五种水柱中喷射高度最高的，喷水量最大的水柱；中2号位置所安放的是中水柱，6支中水柱均匀分布在一个圆上，整个中水柱所在圆的半径为两米，其喷水高度和强度仅次于大水柱。3号表示的是小水柱所在的位置，由150支小水柱均匀的分布在半径为三米的圆上组成，喷射的水柱比较细，喷射高度仅次于大水柱和中水柱；而4号和5号所代表的是花朵式喷泉和旋转式喷泉，分别由19个喷头组成，均匀的分布在半径为四米的圆上，其喷水量是五种水柱中最弱的。在安装时，所有喷泉喷头的上沿距地平面10cm。3.2 喷泉水柱的分布 整个喷泉的回水池是一个和喷泉的喷射范围为同心圆的圆形水池，半径也为4.5米。水池深
30、3米，水池由一个半径为1米和三个半径分别为2m、3m和4m圆形小水池组成，这些圆形小水池之间相隔的距离为0.5米。各个水池之间是相互连通的，连接水池的跨度0.5米。如图3-2所示。大水柱的喷水头内部直径为5厘米，喷水高度为5米；中水柱喷头内部直径为3厘米，喷水高度为3米；小水柱喷头的内部直径为2厘米，喷水高度为2米；花朵喷泉和旋转喷泉的内部直径为3厘米，喷水高度为1米。 图3-2水池 第4章 喷泉控制系统总设计4.1花样喷泉设计要求 本次毕业设计要满足以下设计要求：1）、要设计一个启动按钮，按下启动按钮，喷泉进入运行等待状态。2）、要设计一个单步连续运行方式按钮，按下喷泉的单步连续运行方式按钮
31、，该喷泉默认为连续运行方式。3）、要设计一个循环方式按钮，按下喷泉喷水花样的循环方式按钮，喷泉开始运行，并设计每一个循环花样有八种，每隔6s改变一次花样。在连续运行方式下，喷水花样将一直循环下去，在单步运行方式下，喷水花样只运行一个循环。按下其他任意一个循环方式按钮，喷泉喷水花样的循环方式立刻改变。4）、要设计一个停止按钮,按下停止按钮，喷泉停止运行。 4.2喷泉潜水泵花样喷泉控制系统所用潜水泵是由两部分组成的，这种水泵符合GB/T8123-2006生产标准要求，这种水泵在市场上很容易购买到。它是在传统水泵的基础上，经过二十多年来不断的改进和技术创兴而成，不仅动力强，节能，而且其设计合理，运行
32、可靠，适应在频繁启动及变频运行的环境下工作，并且安装方便，使用安全，对水源没有污染且符合绿色环保标准，现在该产品越来越成为广大用户首选的产品。这种水泵在工业生活中用处特别广，它可以用于农业中的灌溉农田，园林中用来给花草树木浇水，用于市卫环卫中的洒水车，还可以用来抗洪救灾。这种水泵最大的特点就是可以自动上水，使用起来十分方便。水泵的两端是密封的、具有电器自保护的功能；设计合理、性能优良。潜水泵的选择从表4-1可以看出，外层喷水是由一台7.5KW潜水泵来实现的，第一层到第三层采用的是用5.5KW的潜水泵，旁边的小水泵用的是3KW的潜水泵，水泵的技术参数如下。功率额定扬尘水泵型式额定 电压额定电流地缘 等级额定转速3KW7m轴流泵380V7.5AE28605.5KW10m离心泵380V11.6AB28607.5KW15m离心泵380V15AB2860表4-1潜水泵的选择4.3
