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1、 學號0814139 《電氣控制與PLC》 課 程 設 計 （ 2008級本科） 題 目： 自動噴泉的控制系統(tǒng)設計 系（部）院： 物理與機電工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 作者姓名： 肖 玉 瑞 指導教師： 張靜 職稱： 副教授 完成日期： 2011 年 12 月 30 日

2、 課程設計任務書 學生姓名 肖玉瑞 學號 0814139 專業(yè)方向 電氣工程及其自動化 班級 08級（1）班 題目名稱 自動噴泉的控制系統(tǒng)設計 設計原始資料和控制要求: 現(xiàn)有16個噴頭，8個選擇按鈕，按下圖所示。實現(xiàn)四種以上的自動噴泉花樣。 主要內容包括： 1.設計出硬件系統(tǒng)的結構、接線圖； 2.系統(tǒng)有啟動/停止、單步/連續(xù)和四個選擇共八個按鈕； 3.實現(xiàn)四種及以上的自動噴泉花樣控制； （1）按下啟動按鈕，噴泉裝置開始工作，按下停止按鈕，噴泉控制裝置停止工作。 （2）噴泉可以選擇單步運行和連續(xù)運行兩種

3、運行方式。 （3）噴泉噴水方式由花樣選擇開關決定，按下選擇開關K1、K2、K3、K4可選擇不同的花樣進行噴水。 4.程序結構與控制功能自行設計； 5.進行系統(tǒng)調試，實現(xiàn)自動噴泉的控制要求。 一、設計內容 1.可編程控制器輸入接線圖設計； 2.控制面板元件布局圖設計； 3.控制梯形圖和程序設計； 4.編寫設計說明書； 二、設計要求 1.設計應根據(jù)原始資料，滿足控制要求； 2.列出所選設備型號，規(guī)格和數(shù)量等； 3.設計說明書應書寫工整，整齊，用規(guī)定統(tǒng)一紙張； 4.圖紙應清潔規(guī)范，電氣圖形符號和文字符號應符合國家標準； 5.設計應獨立完成，不得抄襲他人。 三、設計進度

4、 第一周 星期一、二 講解設計課題內容、布置設計任務及要求，熟練課題，初步設計 星期三、四 PLC輸入輸出接線圖，初步設計 星期五 梯形圖，控制面板初步設計 第二周 星期一、二 PLC 輸入輸出接線圖，梯形圖，控制面板圖的修改及完善 星期三、四 繪圖，寫說明書及操作使用說明 星期五 完善上述設計內容，裝訂說明書，答辯 指導老師簽字： 22 目錄 一、緒論 1 1.簡述噴泉 1 1.1噴泉的意義 1

5、 1.2噴泉在我國的發(fā)展 2 1.3噴泉的種類 2 1.4噴泉中的一些新技術 2 2.PLC簡介 3 2.1可編程序控制器PLC簡介 3 2.2 PLC的構成 3 2.3 PLC的優(yōu)點 3 2.4 PLC的主要技術指標 4 3.使用S7-200PLC控制花樣噴泉 5 二、噴泉的總體方案設計 5 1.PLC控制花樣噴泉運行要求 5 2.花樣噴泉的設計方案 5 三、硬件設計 6 1.S7-200的CPU選型 6 2.PLC的I/O接線圖 7 3.輸入輸出點數(shù)分配 7 4.所選設備型號、規(guī)格和數(shù)量 8 四、軟件設計 8 1.噴泉的運行流程圖 8 2.噴泉的控制過

6、程 9 3.花樣噴泉控制原理 10 4.花樣噴泉PLC控制梯形圖 10 五、程序調試 16 總結 21 參考文獻 22 一、緒論 1.簡述噴泉 1.1噴泉的意義 噴泉是人工環(huán)境中最富有生命力的景觀,它具有分隔空間、增加層次、凈化空氣美化環(huán)境的作用?，F(xiàn)代高科技把美妙的音樂、多姿的噴泉造型、五彩繽紛的水下燈光、神奇的激光圖文，通過電腦有機的結合在一起，給人以音樂聲響、視覺形象、色彩變換三位一體的超自然享受。隨著我國人民物質生活水平的不斷提高，對于精神生活的要求也在不斷提高。為進一步改造環(huán)境景觀，建設一個噴泉是很有必要的?？茖W技術的不斷發(fā)展和生活水平的不斷提高，使得噴泉在城市和

7、社區(qū)環(huán)境建設中的應用更為廣泛。當今噴泉工程和高新技術的結合正是歷史發(fā)展的必然趨勢。由于噴泉工程中采用了大量的高新技術，從而使噴泉效果更加絢麗多彩，婀娜多姿，令人賞心悅目、流連忘返。 1.2噴泉在我國的發(fā)展 國內在二十世紀八十年代以前，噴泉只是建筑給排水和園林造景專業(yè)的一個技術細節(jié)，從設計到產品制作，工程安裝都沒有形成規(guī)模，產品的水平也是簡單、粗放的。二十世紀八十年以后，隨著國民經(jīng)濟的恢復和發(fā)展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、園林主管部門在城市建設、改造的過程中，以及環(huán)境的美化和文化氛圍的營造上對噴泉提出了求新的要求，得到了良好的社會反映和社會效益。在這個時期，一些噴泉設備專業(yè)加工廠和

8、公司開始組建、發(fā)展，為噴泉的專業(yè)化發(fā)展提供了力量，打下了基礎。二十世紀九十年代以后，社會主義市場經(jīng)濟快速發(fā)展，全國城市建設速度加快，人們也開始追求高質量的文化生活。市場的需求推動了噴泉行業(yè)的發(fā)展。噴泉走出公園、園林的圍墻和廣場的中心，深入延伸到人們的各個社會活動場所。許多噴泉專業(yè)的生產廠商和專業(yè)公司，在這段時間內應運而生，迅速發(fā)展起來。專業(yè)技術人員把計算機技術、信息技術，以及聲、光、電、霧、火、激光、音樂、水幕電影等學科的技術應用到噴泉之中，把噴泉行業(yè)的技術水平推上了一個新的層面，開拓了廣闊的應用空間，噴泉行業(yè)得到了快速發(fā)展。 1.3噴泉的種類 噴泉景觀概括來說可以分為兩大類：一是因地制宜

9、，根據(jù)現(xiàn)場地形結構，仿照天然水景制作而成，如：壁泉、涌泉、霧泉、管流、溪流、瀑布、水簾、跌水、水濤、漩渦等。二是完全依靠噴泉設備人工造景。這類水景近年來在建筑領域廣泛應用，發(fā)展速度很快，種類繁多，普通噴泉分音樂噴泉、程控噴泉、旱地噴泉、跑動噴泉、光亮噴泉、趣味噴泉、激光水幕電影、超高噴泉等。 1.4噴泉中的一些新技術 漂浮式：整座水景噴泉的管道系統(tǒng)全部安裝在浮箱上，所以噴泉設備的運行不受季節(jié)性水位高低的影響。漂浮式噴泉制作、安裝工藝技術性強，但維護方便，易于保養(yǎng)。在大型自然湖泊或各種人工湖中廣泛應用。 跑泉：多個噴頭，按時序控制，構成各種形態(tài)瞬時變化的水型?？梢孕纬膳軇?、跳動、波動等形狀

10、，又可以成固定造型的噴水形態(tài)，氣勢雄偉，變化多端。 水幕激光：采用特殊的入映機播放，使用的影片也是專門為水幕電影特制的影帶。由于電影的屏幕是透明的水膜，因此在電影播放時會有一種特殊的光學效果，屏幕的視覺穿透性可使畫面具有一種立體感，影片的內容可與水面巧妙的結合，更有一種身臨其境般的奇幻感覺。 2.PLC簡介 2.1可編程序控制器PLC簡介 可編程序控制器PLC（Programmable Logic Controller），是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相接合的產物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機。PLC現(xiàn)已成為現(xiàn)代

11、工業(yè)控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、具有遠程通信聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計算機接口、能對模擬量進行控制、具備告訴計數(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，日益取代由大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電－接觸控制系統(tǒng)在機械、化工、石油、冶金、電力、輕工、電子、紡織、食品、交通、等行業(yè)得到廣泛應用。PLC的應用深度和廣度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。 2.2 PLC的構成 PLC和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM，

12、ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成。 從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 2.3 PLC的優(yōu)點 PLC的優(yōu)點很多，主要包括：編程方法簡單易學；功能強、性能價格比高；硬件配套齊全、用戶使用方便、適應性強；可靠性高、抗干擾能力強；系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少；維修

13、工作量低、維修方便；體積小、能耗低等。而且PLC在各個工業(yè)部門的應用范圍都得到了擴展。 2.4 PLC的主要技術指標 PLC的性能指標較多，主要介紹與組成PLC控制系統(tǒng)關系較直接的幾個。 （1）編程語言及指令功能 梯形圖語言、助記符語言在PLC中較為常見，梯形圖語言一般在計算機屏幕上編輯，使用起來簡單方便。助記符語言與計算機編程序相似，如果對有編制程序基礎的工程技術人員來說，學習助記符會容易一些，只要理解各個指令的含義，就可以像做計算機程序一樣寫PLC的控制程序。如果兩種語言都會使用更好，因為它們之間可以相互轉換。PLC實際上只認識助記符語言，梯形圖語言是需要轉換成助記符語言后，存入

14、PLC的存儲器中。 現(xiàn)在功能圖語言的使用有上升趨勢。編程語言中還有一個內容是指令功能。衡量指令功能強弱可看兩個方面：一是指令條數(shù)多少；二是指令中有多少綜合性指令。一條綜合性指令一般就能完成一項專門操作。用戶編制的程序完成的控制任務，取決于PLC指令的多少，指令功能越多，編程越簡單和方便，完成一定的控制任務越容易。 （2）輸入輸出點數(shù) 輸入輸出點數(shù)是PLC可以接受的輸入開關信號和輸出開關信號的最大數(shù)量，值得注意的是輸入點數(shù)往往的大于輸出點數(shù)的，且二者不能相互替代。 （3）掃描速度數(shù)是指PLC掃描1k（1k=1024）字用戶程序所需的時間，通常以ms/k字為單位，掃描速度越快越好。 （4

15、）存儲容量 存儲容量是存放用戶程序的存儲器的容量。通常用k來表示。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在編制PLC程序時，需要用到大量的寄存器來存放變量、中間結果、保持數(shù)據(jù)、定時計數(shù)、模塊設置和各種標志位等信息。這些寄存器的多少，直接關系到程序的編制，該存儲器的容量越大，就可以編制出更復雜的程序。 （5）可擴展性 在現(xiàn)代工業(yè)生產中PLC的可擴展性也顯的非常重要。主要包括： a.輸入輸出點數(shù)的擴展； b.存儲容量的擴展； c.聯(lián)網(wǎng)功能的擴展； d.可擴展的模塊數(shù)； 另外，可編程序控制器的可靠性、易操作性等功能指示也受用戶的關注。 3.使用S7-200PLC控制花樣噴泉 自

16、20世紀60年代中期以來PLC產品在電力、冶金、化工等行業(yè)發(fā)揮了重大作用,尤其近20年來計算機和信息技術的飛速發(fā)展,不斷成倍擴大的功能和成倍降低的價格,使PLC、通訊聯(lián)網(wǎng)技術、過程控制軟件都獲得了長足的進步,也使PLC的廣泛應用成為可能。本文就是以S7-200PLC為控制裝置，以花樣噴泉為控制對象，結合了大量資料及文獻，研究花樣噴泉的自動控制問題，設計出一套可行性較高的噴泉控制系統(tǒng)。其內容主要包括了花樣噴泉的控制方案、設計思路、硬件設計、軟件設計和程序調試等幾個模塊組成。 二、噴泉的總體方案設計 1.PLC控制花樣噴泉運行要求 （1）按下啟動按鈕，噴泉進入運行等待狀態(tài)。 （2）按下噴泉

17、的單步運行方式按鈕，則噴泉會在選擇了四種運行方式中的某一種運行方式后運行一次。 （3）按下噴泉的連續(xù)運行方式按鈕，則噴泉會在選擇了四種運行方式中的某一種運行方式后連續(xù)運行。 （4）按下噴泉噴水花樣的循環(huán)方式按鈕，噴泉開始運行，每隔6s改變一次花樣。在連續(xù)運行方式下，噴水花樣將一直循環(huán)下去，在單步運行方式下，噴水花樣只運行一個循環(huán)。按下其他任意一個循環(huán)方式按鈕，噴泉噴水花樣的循環(huán)方式立刻改變。 （5）按下停止按鈕，噴泉停止運行。 2.花樣噴泉的設計方案 本設計是一個以S7-200PLC控制為核心的花樣噴泉控制系統(tǒng)的設計。噴泉在PLC的控制之下，噴出各種各樣的花樣。結合設計任務書中的原始

18、資料及控制要求，我的設計方案是：將給定的十六個噴頭分成三組，分別編號為1、2、3組，第1組4個噴頭，第2組8個噴頭，第3組4個噴頭。每一組裝上不同的噴頭，第1組裝上大水柱噴頭，第2組裝上花朵式水柱噴頭，第3組裝上旋轉式水柱噴頭。三組噴頭組成一定的形狀，并在PLC的控制下交替噴水，具體分組見圖1。 圖1 圖1中，噴泉由3種不同的水柱組成。其中1表示大水柱所在的位置，由四支中水柱均勻分布在半徑為2m的圓軌跡上，其水柱較大，噴射高度較高；2表示花朵式水柱所在的位置，由八支花朵式水柱均勻分布在內徑為2m外徑為3m的圓環(huán)軌跡上，水量比大水柱的水量小，其噴射高度比大水柱低；3表示旋轉式水柱，它由四

19、支小水柱均勻分布在內徑為3m外徑為4m的圓環(huán)軌跡上，其水柱較細，水量壓力均較弱，其噴射高度比花朵式水柱略矮。 三、硬件設計 1.S7-200的CPU選型 由于我的設計方案將所給的十六個噴頭分為了三組，每一組裝上了不同的噴頭，故在PLC控制時每一組都有一個驅動線圈完成水泵啟動與停止的控制，即有三個輸出，而任務書給定了八個按鈕分別控制噴泉的啟動與停止，單步運行與連續(xù)運行，還有四個運行方式的選擇按鈕，即有八個輸入。 而CPU224集成14個輸入和10個輸出共24個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O或35路模擬I/O點，13KB字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 CP

20、U224PLC還有6個高速計數(shù)脈沖輸入端（I0.0—I0.5），最快的響應速度為30KHZ，用于捕捉經(jīng)CPU掃描周期更快的脈沖信號。另外，還有2個高速脈沖輸出端（Q0.0、Q0.1），輸出脈沖頻率可達20KHZ.用于PTO（高速脈沖束）和PWM（寬度可變脈沖輸出）高速脈沖輸出。擴展模塊EM223，輸出16個點，輸出16個點，足以滿足工作要求。故我選擇了CPU224PLC作為本次設計的控制器。 2.PLC的I/O接線圖 3.輸入輸出點數(shù)分配 表3-1花樣噴泉PLC控制輸入輸出點分配 輸入信號 輸出信號 名稱 代號 輸入點編號 名稱 代號 輸出點編號 啟動按鈕 SB1

21、 I0.0 大水柱接觸器 KM1 Q0.0 停止按鈕 SB2 I0.1 花朵式噴泉接觸器 KM2 Q0.1 連續(xù)按鈕 SB3 I0.2 旋轉式噴泉接觸器 KM3 Q0.2 單步按鈕 SB4 I0.3 運行方式1按鈕 K1 I0.4 運行方式2按鈕 K2 I0.5 運行方式3按鈕 K3 I0.6 運行方式4按鈕 K4 I0.7 4.所選設備型號、規(guī)格和數(shù)量 名稱 PLC 水泵 噴頭 按鈕 型號 S7-200/ CPU224PLC QY型油浸式潛水泵 集束

22、 噴頭 涌泉 噴頭 旋轉 噴頭 綠色塑料帶指示燈 HXB2-EA35 紅色塑料帶指示燈 HXB2-EA45 數(shù)量 1 3 4 8 4 6 2 選型說明: （1）PLC:本設計采用天津和通自動化科技有限公司生產的西門子S7-200/ CPU224PLC，而CPU224集成14個輸入和10個輸出共24個數(shù)字量I/O點，滿足本次設計的8個輸入和3個輸出的要求，符合本設計的要求。 （2）水泵:QY型油浸式潛水電泵是由充油式潛水電機與離心式水泵同軸聯(lián)接組成。符合JB/T8092-1996標準規(guī)定，該水泵的使用條件是潛水深度不超過5米；水溫不超過+40℃；PH值應

23、在5-9之間，因此，符合本設計的要求。 （3）噴頭：噴泉的噴頭分為可調直流噴頭、涌泉噴頭、集束噴頭、旋轉噴頭等等，種類繁多，噴出的水型也各不相同。本設計采用的是集束噴頭，該噴頭由多個直流噴頭組合而成，直射噴頭口徑大小可確定噴頭的出水量及高度，它可以作為整個噴泉的主噴。 （4）按鈕：本設計采用江蘇眾聯(lián)自動化科技有限公司生產的紅色和綠色兩種帶指示燈的塑料按鈕，型號分別為HXB2-EA45和HXB2-EA35，這兩種型號的按鈕都有一個常開觸點和一個常閉觸點，方便編程和使用，符合本設計的要求。 四、軟件設計 1.噴泉的運行流程圖 2.噴泉的控制過程 按下噴泉控制系統(tǒng)的啟動按鈕，首先大水

24、柱從地而起，直射天空；6s后，大水柱消失，緊接著八支中水柱競相射向天空；最后所有水柱噴泉一齊迸發(fā)。 整個過程分為6段，每段6s，且自動轉換，全過程為36s。當單步∕連續(xù)開關置于連續(xù)，花樣選擇開關K1閉合時，其噴泉水柱的動作順序如下：1→2→（2+3）→（1+2）→（1+3）→（1+2+3）→1，周而復始，直到按下停止按鈕，水柱噴泉才停止工作；當單步∕連續(xù)開關置于單步時，噴泉水柱的動作只運行一個循環(huán)。花樣選擇開關K2閉合時，其噴泉水柱的動作順序如下：1→（2+3）→（1+2+3）→（1+3）→2→（1+2）→1?；舆x擇開關K3閉合時，其噴泉水柱的動作順序如下：1→2→（1+3）→（1+2）→

25、（1+2+3）→（2+3）→1?；舆x擇開關K4閉合時，其噴泉水柱的動作順序如下：1→（1+3）→2→（1+2+3）→（2+3）→（1+2）→1。 以下是六種花樣的具體工作方式： 花樣名稱 花樣1 花樣2 花樣3 花樣4 花樣5 花樣6 工作水柱 1 2 2+3 1+2 1+3 1+2+3 3.花樣噴泉控制原理 噴泉控制系統(tǒng)由啟動控制程序、位移脈沖控制程序、位移及復位控制程序、驅動控制程序組成。通過位移脈沖控制程序實現(xiàn)子元件中的內容在存儲器間的移動，通過復位控制程序實現(xiàn)噴泉花樣的循環(huán)，通過驅動控制程序實現(xiàn)噴泉的噴射。 4.花樣噴泉PLC控制梯形圖

26、 五、程序調試 調試步驟如圖所示： 按下啟動按鈕SB1（即輸入點I0.0）,噴泉進入待命狀態(tài)，按下按鈕SB4(即輸入點I0.3),選擇單步運行,按下第一種運行方式按鈕K5(即輸入點I0.4),噴泉運行于花樣一,6s后自動切換到花樣二,6s后自動切換到花樣三，6s后自動切換到花樣四,6s后自動切換到花樣五，6s后自動切換到花樣六，按下停止按鈕SB2，噴泉停止運行，以下各圖都是噴泉在花樣六下運行的具體狀態(tài)： 總結 通過這次實踐，我了解

27、了PLC的用途及工作原理，熟悉了PLC的應用，鍛煉了實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設計能力。此次課程設計是對我專業(yè)知識的一次實際檢驗和鞏固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。 此次設計收獲很多，比如學會了查找相關資料和相關標準，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的能力，懂得了許多經(jīng)驗是前人不懈努力的結果。同時，仍有很多課題需要后輩去努力去完善。 但是此次設計也暴露出自己專業(yè)基礎的很多不足之處。比如缺乏綜合應用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解等等。這次實踐是對自己大學四年所學的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學之路還很長，以后更應該在工作中學習，更上一層樓。

28、 參考文獻 ［1］張曉鋒.電氣控制與可編程序控制技術.北京.國防工業(yè)出版社,2010 ［2］宋伯生.PLC.編程理論.算法及技巧.北京.機械工業(yè)出版社,2005 ［3］吳明亮,蔡文忠.可編程控制器實訓教程.北京.化學工業(yè)出版社,2005 ［4］賈德勝.PLC應用開發(fā)實用子程序.北京.人民郵電出版社,2006 ［5］陳忠華.可編程控制器與工業(yè)自動化.北京.機械工業(yè)出版社,2005 ［6］崔元明.可編程器件應用導.北京.清華大學出版社,2000 ［7］袁任光.可編程控制器選用手冊.北京.機械工業(yè)出版社,2002 ［8］胡學林.可

29、編程控制器教程.北京.電子工業(yè)出版社,2005 ［9］王堅.可編程控制器原理與應用.北京.清華大學出版社,2002 電氣控制與PLC課程設計成績評定表 姓 名 肖玉瑞 學 號 0814139 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化08級1班 課程設計題目：自動噴泉的控制系統(tǒng)設計 課程設計答辯記錄： 答辯教師簽字： 成績評定： 評 定 項 目 評 分 成 績 1.設計方案可行性及其選優(yōu)（20分） 2.設計過程及結果（40分） 3.平時成績（態(tài)度認真、遵守紀律）（10分） 5.設計報告的規(guī)范性、參考文獻充分（不少于5篇）（10分） 6.答辯（20分） 總 分 最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定） 指導教師簽字： 年 月 日