基于PLC的花样喷泉 物理与电子学院毕业设计 毕业论.doc

河南大学物理与电子学院本科毕业论文目 录摘 要：10 前言11控制系统元器件介绍11.1 PLC简介11.2 可编程序控制器的发展过程21.3 PLC的结构21.4 PLC的特点31.5 PLC的主要功能41.6 PLC的编程语言51.7 国内外主要PLC产品概况52控制方案72.1主控制器方案的选择72.2 喷头组合方案的设计82.3主控面板的设计82.4喷泉花样的设计93系统的软件设计113.1花样喷泉的PLC控制流程图113.2花样喷泉I/O的分配133.3 PLC硬件接线图133.4 外部电路设计154控制系统主程序154.1 CX-Programmer简介154.2控制系统梯形程序图165 结论22参考文献2223基于PLC的花样喷泉（河南大学物理与电子学院，河南 开封，475004）摘 要： 本文重点讨论了PLC在花样喷泉控制系统设计中的应用。使用PLC控制花样喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序段设计简单等优点。当控制要求发生变化时，只需对程序做改动就行了，不必该变硬件接线图或只需微小改动即可，方便简单。关键词： PLC可编程控制器；喷泉；控制系统0 前言在日常生活中的一些公共场所下，我们可以看到有各种各样的喷泉，逐渐的喷泉这种东西有的只是为了引人入目，有的为了给生活或者节日带来喜庆的气氛，而有的变成了企业的一种精神象征。同时喷泉的存在也给我们带来了健康，比如：加湿、增氧、净化空气等等。本次的毕业设计是一个以OMRON系列(PLC)控制为核心的花样喷泉控制系统的设计。花样喷泉在PLC的控制之下，喷出各种各样的水柱，给人以一种视觉上美的享受。1控制系统元器件介绍1.1 PLC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、具备告诉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。11.2 可编程序控制器的发展过程第一阶段： PLC刚问世时功能简单，只能完成逻辑运算、定时、计数等功能，硬件方面以分离元件为主，存储器采用磁芯存储器，存储容量为12KB左右，一台PLC只能取代200300个继电器，没有成型的编程语言。第二阶段：集成电路技术集成电路技术的发展及微处理器的产生使PLC技术得到了较大发展。第三阶段：单片机的出现第四阶段：超大规模集成电路技术第五阶段：RISC芯片在计算机行业的大量使用1.3 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。2PLC硬件结构简图如下：图1-2 PLC硬件结构图1.4 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。1.5 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。1.6 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（LDLadder Diagram）、功能块图（FBD Function Block Diagram）、顺序功能图（SFC Sequential Function Chart）。文本化编程语言包括：指令表(IL-Instruction List)和结构化文本 (ST-Strutured Text)。继电器梯形图编程语言是PLC首先采用的编程语言，也是PLC最普遍采用的编程语言。梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。 1.7 国内外主要PLC产品概况 1 美国的PLC产品美国是PLC生产大国，在美国注册的PLC厂商己超过百家。其中AB公司、通用电气(GE)公司、莫迪康(MODICON)公司、德州仪器(T1)公司、 歌德(Gould)公司、西屋公司等都是著名的大公司。AB公司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国PLC市场50的份额。A-B PLC2 欧洲的PLC产品德国的西门子(SIEMENS)、AEG及法国的TI公司是欧洲著名的PLC制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。西门子S7-300系列西门子S5系列施耐德Modicon Premium3 日本的PLC产品日本的小型PLC很有特色如欧姆龙、三菱、松下、富士、日立、东芝等。在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70的份额。在中国，OMRON产品的销量居首位。OMRON公司的PLC产品，大、中、小、微型具全，微型机：SP系列；小型机：P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列以及CPM2C、CQM1、CQM1H等；中型机：C200H、C200H (C200HX/C200HG/C200HE)、CS l系列。大型机：C1000H/C2000H、CV(CV500/CV1000/CV2000/CVM1)等。3欧姆龙CPM2C-S1口0C小型PL欧姆龙C60P欧姆龙CPM1A-20CDRA-A三菱公司的PLC也是较早进入中国市场的产品。其小型机F1/F2系列；FX系列；FX2系列；三菱公司的中、大型机为A系列，典型产品有A1、A2、A3系列等。三菱FX1N系列三菱FX2N系列三菱MELSEC-Q系列松下电工公司的PLC产品中，FP0为微型机，FP1为整体式小型机，FP3为中型机，FP5/EPl0 (FPl0的改进型)、FP20为大型机，其中FP20是最新产品。松下FP1-C16松下FP1-C724 我国的PLC产品中国科学院自动化研究所的PLC0088，北京联想计算机集团公司的GK40，上海机床电器厂的CKY40，上海起重电器厂的F40MR旧R，苏州电子计算机厂的YZPC001A，原机电部北京机械工业自动化研究所的MPC001/20、KB 20/40，杭州机床电器厂的DKK02，天津中环自动化仪表公司的DJK S 84/86/480，上海自立电子设备厂的KKI系列，上海香岛机电制造有限公司的ACMYS80、ACMYS256。4江苏无锡HL-26R2小型PLC2控制方案2.1主控制器方案的选择PLC可编程逻辑控制器以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。对于喷泉控制系统这样，被控对象是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在组态软件设计方面要容易一些。且PLC通常都支持现场总线，会使得系统通信得到有利保障，更适合实现上位机的远程监控。目前适用于喷泉控制的中小型PLC种类繁多，价格低廉。使设计者会有更多的选择余地。系统整体造价会比工控机低，而且不会降低系统的稳定性。本控制系统以PLC为下位机，PC如图2-3成。2.2 喷头组合方案的设计此方案共四组喷头，除1号喷头以外，其余三组每组的4个喷头都由环形管道连接，因此，每次喷水，同一组的喷头是一起喷的，具体情况见下图2-2。图2-2四组喷头示意图2.3主控面板的设计系统的控制面板图如图2-3所示。图中分别是花样选择开关、启动、停止以及单步/连续开关，其中1号4号喷头可以通过滑挡调整喷水花样。123启动停止单步/连续电源控 制 面 板图2-3控制面板示意图2.4喷泉花样的设计（1） 按下启动按钮，喷泉控制装置开始工作，按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。（2） 喷泉的工作方式由花样选择开关和单步、连续开关决定。（3） 当单步、连续开关在单步控制时，喷泉只能按照花样选择开关设置得方式运行一个循环。（4） 花样选择开关用于选择喷泉得喷水花样，现考虑3种喷水花样。 选择开关在位置花样一：按下启动按钮喷水花样如下图1号2号3号4号5s是2s5s5s50s后如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。 选择开关在位置花样二：按下启动按钮1号2号3号4号5s13s5s5s2s50s后如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。 选择开关在位置花样三：按下启动按钮1号4号3号2号13s2s13s13s13s50s后如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。在本操作控制系统中，应充分考虑功能的组成及实现，主要从机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护和联锁，系统的工作方式（如手动、自动、半自动）和安全保护措施及紧急情况处理等。从而总结了以下几点控制思路：1、 先打开花样选择开关然后按下启动按钮；2、 每个花样以独立运行，通过辅助继电器、计数器、定时器来实现自动功能；3、 通过滑挡可以任意组合花样，本系统组合3种不同的花样。4、 需要立即结束时，按下停止按钮立即断电。3系统的软件设计3.1花样喷泉的PLC控制流程图花式喷泉的程序控制流程图见图3-15开始花样组合（滑挡）是否按下启动按钮NY单步/连续单步水泵进入工作状态连续水泵进入工作状态系统按花样程序运行系统按花样程序运行是否按下停止按钮是否按下停止按钮结束是否图4-1系统控制流程图如图，通电后，进入工作状态。如按下启动按钮，喷泉装置进入准备工作状态，若不按，则回到初始状态。接着通过滑挡选择喷水花样，共24种组合喷水花样可供选择。按下启动开关，喷泉按照设定的程序开始运行，如果为单步工作方式，25s后停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。如果按下停止按钮，系统则停止运行，如果不按停止按钮，系统则按照选择的花样继续运行下去直到按下停止按钮。3.2花样喷泉I/O的分配表3-2花样喷泉I/O的分配输入信号输入信号地址元件功能地址元件功能00000SB1启动开关05001KM11号喷头00001ST1位置开关105002KM22号喷头00002ST2位置开关205003KM33号喷头00003ST3位置开关305004KM44号喷头00005SB2停止开关05005LR工作指示灯00006ST5连续(默认单步)05006LA连续工作指示灯05007LB单步工作指示灯05008L2花样二指示灯05009L3花样三指示灯05000L1花样一指示灯I/O模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入和模拟量输出4类。CPU分配给数字量I/O模块的地址以字节为单位，一个字节由8个数字量I/O点组成。扩展模块I/O点的字节地址由I/O的类型和模块在同一类I/O模块链中的位置来决定。63.3 PLC硬件接线图OMRON PLC内部芯片接线图7：000010000200003000050000600000ST3ST1SB2ST2ST5SB1COMOMRON PLCCOM05001050020500305004KM1KM2KM3KM4220V/AC24V/DC1号水泵2号水泵3号水泵4号水泵05005工作指示灯L105006L2连续指示灯05007L3050080500005009花样二指示灯花样三指示灯LBLALR花样一花样三花样二启动停止连续图3-3 PLC内部芯片接线图3.4 外部电路设计L2QSL1L3NP24V/DC220V/AC工 业 用 电生 活 用 电OMRON PLCKM XFU XLNLPFR XM X图3-4外部电路设计图8图中“X”表示水泵序号，X可以取1、2、3、4，本控制系统共有四组电动机。4控制系统主程序4.1 CX-Programmer简介CX-Programmer是欧姆龙公司开发的、适用于C系列PLC的梯形图编程软件，它在Windows下运行，可实现梯形图的编程、监视和控制功能9。本系统采用CX-Programmer对OMRON PLC进行编程，软件界面如下：图4-1：编程软件CX-Programmer4.2控制系统梯形程序图4.2.1 控制主程序如图4-2-1：点击按钮SB1,，工作指示灯亮，常开触点50.05闭合，系统启动工作。系统默认单步工作，当检测到花样选择开关动作时，灯50.07亮并保持，常开触点50.07闭合，一个工作周期50s后，定时器作用，常闭触点T0099瞬间断开，系统停止工作。当选择连续工作方式时：连续工作指示灯亮，常开触点50.06闭合，此时单步工作方式被屏蔽，系统持续工作。10 图4-2-1：主控程序4.2.2 花样一子程序当花样开关置于花样1时，花样一指示灯亮，常开触点50.00闭合。图4-2-2延时2s后，1号喷头开始喷水，2号、3号、4号喷头分别在1号喷头工作5s、10s、15s后启动工作。图4-2-3图4-2-4若为单步工作方式，50s后常闭触点T0099瞬间断开，4组喷头同时停止工作；若为连续工作方式，50s后常闭触点T0099瞬间断开，延时定时器TIM0011重新工作，花样一将一直重复持续下去。4.2.3花样二子程序当花样开关置于花样2时：花样二指示灯亮，常开触点50.08闭合。图4-2-5延时2s后，1号喷头开始工作，2号、3号、4号喷头分别在1号喷头工作5s、10s、15s后启动工作。图4-2-6TIM021和TIM025、TIM022和TIM026、TIM023和TIM027、TIM024和TIM028的延时差都为10s，1号4号喷头在单步工作状态会出现一个10s的脉冲。图4-2-74.2.4 花样三子程序当花样开关置于花样3时：花样三指示灯亮，常开触点50.09闭合。图4-2-8图4-2-9A：CNT033：10s计数器TIM031：脉冲周期定时20s（T0031为CNT033置位）B: CNT034：10s计数器TIM032：脉冲周期定时20s（T0031为CN