PLC课程设计 智能喷泉控制系统设计

1、 摘要 随着社会的发展生活的富裕，人们在精神上的追求越累越多，因为人们对美的要求也随之而高。无论大小公园甚至于家庭别院都会有喷泉的身影。而且喷泉可以减少灰尘，湿润空气，降温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，可以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，和愉悦人们的心情。 现如今，科技时代的撞击之下，喷泉也随之集科学和艺术于一身，在城市的现代化建设中扮演着越来越重要的角色，而在此过程中PLC可以说是第一功臣，是智能与便利的核心。 PLC就是可编程控制器。它是综合了自动控制技术，通信技术和计算机技术的新型的，通用的自动控制装置它可靠性高，方便灵活，易于现场变成和修给以及维护

2、，对环境要求低，等一系列的优点。所以在现代工业自动化以及传统产业方面都越来越多的应用尤其是S7-200系列的CPU224以其质量、价位等方面的因素，而应用在本设计中。考虑到操作方便，本篇采用触摸屏控制操作面板，方便美观。关键词：智能喷泉 PLC 触摸屏第一章 喷泉系统设计原理基础1.1 课题目的和设计意义 课程设计的主要目的是通过电气设施的设计，对PLC控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法有一定了解。通过课题设计之后会对以前的知识进一步的巩固和深化。生产设备和生产工艺对PLC有一定的要求，因此，设计之前必须了解设备的、结构、用途工艺过程和操作要求. 对于课程设计这一项目。

3、着重要求能力的培养，在独立完成设计任务的时候，还要注意个人的独立工作能力和培养创新能力；综合运用专业及基础知识的能力以及解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。1.2 对PLC的选择及硬件的选择 PLC的选择合适的PLC是硬件配置的关键，目前有众多的厂家生产PLC如西门子，松下，三菱，欧姆龙，LG等等。虽然所有的PLC的基本功能类似，但是每个产品都有其独特的功能。在价格方面以及编程软件和技巧等方面都不同。而且就算是同一个厂家也会有不同系类的PLC，乃至同一款PLC也有不同的型号，采用不同的CPU。PLC的功能相当强

4、大，不仅仅要有开关量逻辑运算还待有定时，技术以及数据处理等等基本功能。本设计中主要的是要求PLC对开关量的控制要求所以选用小型的PLC足够满足要求。PLC主要是由整体式和模块式构成，考虑本设计的实际情况宜使用整体式的PLC结构。一般的小型PLC都是使用的简易编程器，它必须待在PLC上才可进行编程，它是与PLC同用一个CPU，通过编程器上的方式开关来选择PLC的编程，监控以及运行的状态，这就是“离线编程”。小型PLC方便携带，易于在工作现场调试，检修和编程。现在许多的PLC都有各自的编程软件，这样就可以与计算机相连，来实现“在线编程”经各方面考究最终西门子PLC的S7-200系类CPU 224

5、型号的PLC满足设计要求。S7-200系列CPU 224型可靠工作环境条件：温度： 工作温度055，最高为60；储存温度： -40+85湿度： 相对湿度为595（无凝结霜）；振动和冲击：满足国际电工委员会标准；电源： AC200V，允许变化范围为-15+15，频率为4753HZ，瞬间停电保持10ms。在PLC的借口模块的输入模块中有8个数字量的输入端子，把它们分两组。1M.2M分别是两组端子的公共端子，每组的电源是24V。在直流输入模块的输入电路中，光耦合器隔离了电路与PLC的内部电路之间的联系，通过光耦合器把外部的信号转变成内部能够识别的信号当开关闭合后,外部的直流电压经过电阻R1 和阻容滤

6、波后加到双向光耦合器的发光二极管上,经光耦合,光敏晶体管接收光信号,并将接收的信号送入内部电路。直流输出模块采用的是晶体管输出的方式。用光耦合器来实现光隔离，用场效应管来作为功率驱动的开关。稳压管起过压保护，用来保护场效应管，发光二极管用来显示输出的状态。 PLC的容量选择PLC的容量包括两个方面：一是I/O的点数。二是用户存储器的容量 I/O模块的选择在本设计中执行元件为电磁阀，根据要求初步决定选择合适的I/O。1 开关量输入模块的种类很多，按照输入点可分有8点，12点，16点，32点。按其工作电压可分为常用的5V,12V,24V,48V几种。依据现场检测的元件和模块之间的距离来决定开关量模

7、块的工作电压等级，本设计的控制距离不是特别远客选用24V电源。考虑到控制系统的可靠性，我们必须考虑到门槛电平的大小所谓门槛电平指输入点的接通电平和关断电平的差值。门槛电平值和抗干扰能力是成正比的2 开关量输出模块的输出方式的选择（1） 继电器输出方式。其使用电压范围广，承受瞬时过电流和过电压的能力强，导通压降小且有隔离作用。但是继电器的缺点是响应速度慢且寿命短，适应于动作不是很频繁的直流负载（2） 晶体管输出方式。其属于无触点开关输出，开关频率高，使用于通断频率高的场所，且使用寿命长。基于以上因素，I/O模块应该定为12点的输入，10点晶体管输出。（3） 根据I/O的点数和控制要求决定I/O分

8、配如图4-1（4） 根据I/O分配画出PLC的接线图 1.3 触摸屏的选择触控屏（Touch panel）又称为触控面板,它最早是在20世纪70年代的时候出现的。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、简便美观易于交流等许多优点。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检测安装在屏幕上面用来采集用手指的具体坐标，而后送经触摸屏控制器辨别信号送入CPU。再接受CPU反馈的信息。从技术原理来区别触摸屏，可分为五个基本种类：矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏这里选用电阻技术触摸屏。电阻压力触摸屏，分四线电阻产品和五线电阻产品两种产品。其

9、有三层组成，一为玻璃底层，二为隔层，三是多树脂表层。电流是通过表层被挤压后传到底层，此时控制器就从四个角辨识相应的位置如图2-35线电阻式触摸屏具有透明度高、清晰度较好、分辨率高无漂移、没有色彩失真，没有关干扰、防尘、寿命长等优点。但五线电阻触摸屏有高价位和对环境要求高的缺点 由于5线电阻式触摸屏具有很多优点如清晰度较好、没有色彩失真、透明度高、防尘、分辨率高无漂移、没有关干扰、寿命长。五线电阻产品的表层是负载电压层，不起判断作用即使表面有所损坏也不会对触摸操作有多大的影响。五线电阻的触摸屏具有很强的环境适应能力，表面具有大于4H的防刮能力以及高于95%的透光能力。所以最总觉得使用五线电阻。1

10、.3.1 触摸屏软件设计 现今，计算机技术的不断发展，速度之快超乎想象。其中WINDOWS窗口软件无疑地已成为主流，其特点就是其特点就是让使用者可直观地由功能提示行或识别图式(ICONS)利用鼠标直接点取所须功能指令或识别图式按钮即可，故对各阶层人士，例如不熟练PC-DOS操作者，都能轻易地操作窗口软件。ADP3采用“所视即所得”的先进技术观念，使用者可直观的在屏幕上看到设计的实际结果，图像，文字，颜色等等。屏幕上显示的和实际人机是同步统一的。而在编程操作方面ADP3更以对象导向的理念设计，达到拖曳式编辑，让使用者可将画面设计工作区中的组件，随意以鼠标拖曳到其它位置，或改变其外形、大小。由HI

11、TECH触摸屏ADP3 中文窗口编程软件设计人机操作界面如图6-1所示: 选择开关：SB2,SB4,SB5 启动按钮：SB1 停止按钮：SB3 单步/连续：SB6 电源：SB71.4 阀的选择 对喷泉的喷水管喷与不喷起直接控制的是电磁阀，电磁阀是用电磁铁推动阀门的开启与关闭动作的电动执行器，主要优点是：动作可靠，体积小，价格便宜，维修方便。一般的用于口径在100mm一下的两位控制中，最常用于油路，气路中 电磁阀按原理可分为三类：直动式、分步直动式、先导式 直动式电磁阀的原理的在通电时电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。其在真

12、空，负压的情况下可以正常工作。一般的通经不会超过25mm。 先导式电磁阀的原理是，当开始通电的时候，电磁力把先导孔打开，此时上空室的压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速进入上腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，推动关闭件向下移动，关闭阀门。 分步直动式电磁阀的原理就是把直动式和先导式相结合。当出口与入口的压差小于等于0.05Mpa。导通时，电磁力会直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，此时阀门打开。当出入口压差大于0.05Mpa，导通时，电磁力先打开先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差

13、把主阀向上推开；断电时，先导阀和主阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。 本设计中喷泉要求控制灵活，且有工作压力，最后决定采用先导式电磁阀。第二章 电源模块2.1 电源选择范围 对于电源模块的考虑一般的只考虑到输出电流，电流模块的额定输出电流必须大于机器模块的电流以及I/O模块等等消耗的电流总和。所选定的电流模块的输出功率必须大于CPU模块的所有I/O模块和各种职能模块的所消耗的功率总和，而且还要保留出相当于30%的余量 2. 2 布线的要求及注意事项 PLC的干扰往往是来自于电源。PLC有外部电源和内部电源两种电源。 外部电源的作用是用来驱动PLC的输出（负载）以及提供信号

14、，也就是俗称的用户电源。在同一台PLC里，其外部电源可以有多种。输出负载和PLC输入电路是决定外部电源的容量和性能的主要决定因素。由于PLC的I/O模块有滤波隔离功能所以对外部电源的选择没有特别要求。 PLC的工作电源成为内部电源，也就是提供PLC内部工作的电源。其性能的好坏对PLC工作的可靠性有直接的影响，因此对PLC的内部电源的选择要求就比较的高一般PLC的内部电源采用开关式稳压电源或一次侧带低通滤波器的稳压电源。 在强干扰或者是对可靠性要求高的情况下，我们应该考虑使用带屏蔽层的隔离变压器来对PLC进行供电。在安装的同时我们需要注意一些问题 动力部分，PLC以及I/O电源应该分别配线。 隔

15、离变压器与PLC和I/O电源之间最好采用双绞线，可以控制串模干扰. 系统的动力线应足够粗，这样才可以保证大容量设备启动时不会引起线路降压。 为了保证PLC接受到的是正确的信号，PLC的输入电路外接电源的时候最好是采用稳压电源。 动力线与I/O线及其他控制线应分开走线，并要保持一定距离，尽量避免在同意线槽中布线.2.3 接地要求 PLC的可靠运行还有一个条件，就是接地线是否良好。一般的PLC最好是单独接地线。 在一项工程中接地要注意几个方面：机体接交流电源的GND并接地;，柜内电源的接地要单独接地。传送模拟信号的屏蔽线要单独接地。如果要释放高频干扰数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线，其电阻应小于

16、屏蔽层电阻的1/10，且屏蔽层两端要接地，要是还是无法释放那么就要加隔离器。 通信线全接地，否则改成全隔离或者转成光纤通信。像变压器这样的强电设备之间的接地距离大于15M，信号线必须有唯一的参考低。屏蔽电缆要是遇到可能会干扰的场所也必须接地，防止形成“地环路”第三章 控制方案3.1 喷水管布置要求我们在在许多的公园已经休闲广场都会看到喷泉会按照一定的规律变换着花样喷出各式各样的水花和图案。其中喷泉水管的布置是很重要的。如图所示的水管分布图，本设计中1是最外环喷水管，2是次外环喷水管，3是内环喷水管，3是中心喷水管。3.2 工作流程要求1.接通电源后，按下开始喷泉工作，按下停止喷泉停止工作。工作

17、方式两种单步/连续和选择开关来决定。2.“单步/连续”中单步就是完成一个工作流程后结束，连续就是一直重复该流程。3选择开关是用来控制喷水的花样的，该喷泉要求实现以下工作方式：选择开关在位置“1”的时候，按下开始按钮后，1，2，3，4 隔2s 依次喷水，一起喷水10s后停下；隔2s;然后按4，3，2，1的次序隔2s依次喷水，再一起喷水10s 后停下 。若在连续状态时隔3s;以此循环。选择开关在“2”位置时，选择开关在“1”位置时，按下开始扭后，4,3,2,1 隔2s 依次喷水，一起喷水15s后停下；隔2s;然后按1,2,3,4的次序隔2s依次喷水，再一起喷水15s 后停下 。若在连续状态时隔2s

18、;以此循环。选择开关在“3”位置时，按下开始按扭后，1,2,3,4按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s 后，1,2,3,4再分别延时2s 停喷。若再连续状态时隔2s。喷水管布置和形状如图3-1所示4.无论在什么样的工作环节按下停止后停止工作。5. 用触摸屏监控喷泉的运行状态，并可以通过触摸屏修改喷水时间等有关参数3.3 对控制方案的选择综合考虑，在本设计中应该采用电磁阀，从电磁阀的功率和同时被驱动的个数考虑应该采用小功率的电磁阀，同时也是从环保节能方面考虑的。根据电磁阀的选择我们可以来确定PLC的选择，输出功率可选校功率，I/O的个数小于等于15的就足够了。因为喷泉的特殊工作环境觉得了PLC

19、的工作环境对湿度的要求比较高。综合以上最终可选小型PLC西门子S7-200 CPU 224型S7-200，CPU 224的特点：工作温度范围：-25C+70C度；工作湿度范围: 5C时98% ； 70C时45%、不结露； 0C 55C、平安装；0C45C，垂直安装。S7-200在CPU单元没有设置硬件电路。来处理高速数字量I/O。触摸屏是与PLC相互吻合的HITECH PWS1760 系类。此系类有触摸屏为电容式，电源24V，电量小于12W，工作环境为0到50度，湿度为202%到90%。思路：利用触摸屏来实现人机的互动来控制PLC中的触头，实现对程序的控制。全系统的核心应属PLC的梯形图，该程

20、序来实现对喷泉的花样以及喷画的样式的改变，从而实现一个完整的花式喷气PLC控制系统。第四章 系统控制要求4.1 控制程序流程框图 在这个喷泉控制系统中，需要实现三个喷泉花样花式，因此可使用一个功能块来完成一个花式要求，三个块组成一个完整的喷泉程序流程。这样流程图清晰准备易懂。 程序流程框图如5-1所示4.2 编程思路 在本设计中主要采用的是位逻辑指令，置位复位指令，定时器，计数器等来完成本设计。 根据程序图，喷泉的总体花式是三种花式的组合，且互不干扰，这就为程序的修理以及维护提供了很大的便利。各花式的动作是有专门的控制开关。具体的程序如下：第五章 程序说明5 .1电源与启动在本程序里，电源是由

21、I1.1来控制通断的，I1.1是串联在各个喷水管的输出上的，还控制电源的指示灯。当I1.1闭合，电源接通，指示灯HL亮，按下启动按钮I0.0，喷泉就会工作喷水。如突然停电，所有的喷水管都会立即停止。5.2单步/连续控制单步或是连续的选择是通过I0.7来实现的。喷泉的每个喷水一个周期后都会有2秒的延时，2秒后进入下一个循环.，这2秒就是用一个由I0.7来控制的一个定时器来完成的。I0.7的功能就是在一个循环结束后来判断是否再进行下一个循环。如花样1程序，定时器T48计时2秒后，若I0.7处于打开状态则喷泉运行一次循环后无法再运行，至此一个循环结束；若I0.7处于关闭状态则会无限循环下去。5.3花

22、样选择喷泉喷水的花样是有I0.1,I0.3,I0.5这几个动合触点来实现的。分别是控制花样1，花样2，花样3.的动作。I0.1,I0.3.I0.5分别对应着触摸屏上的选择开关1，2，3.。所谓是选择开关就是指，在相应的花样上按下相应是开关就会工作的开关，如需要改变花样只要选择别的选择开关就可以了，而且上次动作的花样会停止，喷泉的花式就为当前所选择的花式。三者之间互不影响，此处是由相应的触摸屏的编程软件来实现的在选择开关旋动中会有一个先关闭当前喷水花样在启动选择喷水花样的过程。所以选择喷水花样时很方便，不需停止程序再选择后启动。花样1中启动后喷水管一4，3，2，1.的顺序来完成的，然后再是，1，

23、2，3，4的顺序喷水，在这过程中，先是由定时器T37,T38,T39,T40,T43来控制前一环然后又是分别由T44,T45,T46,T47,T48来控制后一环节的。当程序中的网络3程序段工作时 （如图7-1） 程序网络7-1辅助继电器M0.6置位，其常闭结点打开，控制1、2、3、4次序的各定时器都不起作用。当程序中的网络14程序段工作时 （如图7-2） 程序图7-2辅助继电器M0.6置位，其常闭结点闭合；辅助继电器M0.5复位，其常闭结点打开，此时控制4，3，2，1顺序的定时器不起作用从而实现顺序的转换。1. 急停停止按扭由I0.2来控制。它串在各个网络输出中，无论在什么情况下动作I0.2，

24、程序都会停止，实现了喷泉喷水的急停。 总结经过这几个月的学习研究设计和开发，最终终于可以完成对于花式喷泉的PLC监控系统的设计，并很好的表达了控制要求。这次设计给了我一个很好的机会用来检测以及证明我在学校4年的学习的成果。这次设计不仅仅是对过去的总结，更多的是进一步的学习很深入。是一个探索的过程，我对利用可编程控制器进行系统的设计与开发有了深刻的认识，对喷泉的工艺要求作原理有了初步了解，对控制系统的分析与设计有了深刻的认识和体会。在实践的过程中也让我懂得了许多，做永远比想象的来的难。在此过程中我也增长了许多的知识和丰富了经验，增强了动手的能力，以及规划和统筹的能力。在此过程中我更是体会到了各项

25、准备和调试的辛苦困难，但是更多的是成功后的喜悦，已经对成功越来越强的欲望，这是我成功的动力。从设计开始到最后，让我知道了我还有许多的知识不懂，在学校学的东西永远是不够的，更多的是要自己去学习研究。这次设计不仅使我学会了调查和研究的方式方法，大大的提高了我对工具书的运用能力，同时也让我了解到许多别的知识，如计算机应用，触摸屏的技术和发展前景等等。这些让我初步的掌握到了科学研究的基本方法思路，为以后的学习研究和工作垫下了厚实的基础。参考文献1 陈在平,赵相宾主编.可编程控制器技术原理及应用系统设计.北京: 机械工业出版社,20052高鸿斌,孔美静,赫孟合编.西门子PLC与工业控制网络应用.北京:电

26、子工业出版社.3 郭强,周云仙.液晶显示应用手册.北京:电子工业出版社,20024戴仙金主编.西门子S7-20系列PLC应用与开发.北京:水利水电出版社,2007.45 许翏,王淑英主编.电器控制与PLC控制技术.北京：机械工业出版社,2005.16净主编.电气控制与可编程序控制器.北京;机械工业出版社,2004.87 李长久主编.PLC原理及应用.北京:机械工业出版社,2006.98泓可主编.电气控制系统设计基础与范例.北京:机械工业出版社,20059 史国生主编.电气控制与可编程控制器技术.第二版.北京:化学工业出版社教材出版中心,2005 致谢 设计过程中得到了许多老师的关心和帮助，学院

27、老师对工作一丝不苟的态度对同学无微不至的照顾以及对科学对知识的严谨精神和其深厚的知识素养无一不让我感动和佩服。 刚开始我还在为课题为设计烦恼的时候是我们的指导老师给了我灵感。他是我获得深思熟虑的意见和概念清晰的见解的来源。他对我在本设计中遇到的文总是能用很清晰的思路和简明易懂的语言帮我进行分析，同时给我极大的鼓励，在我退缩的时候。 同时指导老师还给了我许多忠告以及到工作岗位后的为人处世的方法和常识，谢谢你老师，你让我懂得了更多，为我以后的社会之路打下基础。tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHY