基于西门子PLC的花样喷泉控制系统毕业设计

1、基于西门子plc的花样喷泉控制系统毕业设计 1 引言11喷泉的发展111我国喷泉的发展 自古以来喷泉水景在我国园林建造中应用广泛但是就其技术而言只是利用地形之高差或自然的水压而形成镜池溪流涌泉壁流瀑布等景观形式较为单一二十世纪八十年代以后伴随着改革开放的春风国民经济快速恢复并且持续发展人民生活得到稳步提升在一些大中型城市中城市建设和园林设计部门对喷泉景观在环境的美化和文化氛围的营造上提出了新的要求一些园林水利的设计院研究所及大专院校根据土建结构给水排水机电控制等传统的专业技术加上当时先进的单片机通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制设计出许多优秀的喷泉水景令人耳目一新 给人以视听上的高度享受得到

2、了良好的社会反映和社会效益在这个时期一些喷泉设备专业加工厂和公司开始组建发展为喷泉的专业化发展提供了力量打下了基础喷泉水景逐步成为美化城市改善环境的重要手段1二十世纪九十年代以后社会主义市场经济快速发展全国城市建设速度加快人们也追求高质量的文化生活和环境美喷泉开始进入到人们的各个社会活动场所中从此走出公园园林的围墙和广场的中心市场经济的推动让喷泉设计和制造行业进入了快速发展的新天地一些喷泉专业的生产厂商和制造公司在这段时间内应运而生快速发展起来专业研究人员把微机技术信息技术以及声光电雾火激光音乐水幕电影等技术应用到喷泉之中把喷泉行业的技术水平推上了一个新的层面开拓了广阔的应用空间喷泉行业得到了

3、飞速发展2001年中国建筑金属结构协会给水排水设备分会成立了水景喷泉专业委员会行业组织为城镇园林的主管部门设计院所及专业生产厂商公司提供服务促进喷泉行业健康有序地发展一些大学和中专的建筑园林专业也开设了水景喷泉课程为喷泉行业的今后发展提供了知识储备喷泉行业的发展进入到一个新的阶段2-3112喷泉的应用状况随着人们生活水平的提高精神生活的不断丰富人们对喷泉的景观功能环保功能娱乐功能提出了新的要求在喷泉方案的制作上短短的几年时间就从手工制图发展到photo shop图片再发展到三维动画制作的光盘描绘的动态喷水方案计算机技术极大地丰富和开拓了人们的思维空间快速直观便于保存易于修改的优点很快地就被建设

4、方接受成为喷泉设计方案招投标的必备内容喷泉的专用产品设备也在不断地更新换代新材料新技术的采用环保型的产品更加安全可靠售后服务周到及时这些都为喷泉的良性发展提供了技术支撑使得大多数的喷泉在美化环境之外还发挥了良好的生态效应社会效益和广告效应等间接的经济效益给人们以变幻无穷绚丽多姿的视听效果舒适的环境氛围给人们愉悦的感受既有中老年人们喜爱的幽静典雅的风格也有适于儿童嬉水趣味十足的形式商场内酒楼里的喷泉小巧别致既调节了室内小气候又增添了画意依托大型建筑物和自然地形建成的人工瀑布及溢水造景给人们以清新和另有韵味的感受喷泉电视和大型歌舞上频频出现水形烘托着演出的效果精巧的微型喷泉了办公室和居室给室内增添

5、了动态的装饰喷泉是艺术和技术的结合物建筑艺术园林艺术美术以至引伸到人文学文学艺术音乐艺术等都能蕴含到喷泉的设计创作中不少成功的作品都注意喷泉的设计风格与周边的环境建筑物风格的协调一致注意当地人文文化心理所以好的方案设计是至关重要的它是成功的起点有些认识上的误区和不良倾向应该引起人们的重视1方案设计上的盲目导致作品成为败笔使作品难于长久2细设计的不合理直接影响作品效果3质次价高的伪劣产品直接影响着有关厂商和公司的信誉4节能节水环保问题应引起足够的重视喷泉的水造型是通过细部设计来实现的机泵管阀门喷头的合理选配直接影响着喷水效果有些喷泉的设计只注意了流量工作压力等技术指标忽视了流态效果这个重要因素水

6、造型效果差例如超高水柱密实段长破裂段和雾化段短水柱直径和喷水高度比例合适抗风能力强喷水效果挺拔雄伟而目前的一些超高水柱水柱密实段短破裂段和雾化段长水柱直径与喷水高度相比显得细小单薄抗风能力差水柱很容易被吹散飘移这就是有关参数选配不合理所致在整体水造型的组合效果上也存在类似的问题细部设计不合理是技术经济指标差的表现需要在设计阶段给予解决喷泉是耗能的景观工程在保障设计效果的前提下尽可能地节约能源这在方案设计阶段时就应该进行量体裁衣的设计我国是一个缺水的国家节水是基本国策喷泉要提倡循环用水设计时应考虑减少喷水的雾化飘移损失循环用水系统应该有过滤净化装置现在有许多旱喷泉喷水很容易把地面上的泥土脏物冲入

7、地下水池水质极易污染搞好池水净化延长池水使用周期用过的池水可以浇灌周边的草坪绿地既节约了用水又有环保的功能如壁泉涌泉雾泉管流溪流瀑布水帘跌水水涛漩涡等这类水景近年来在建筑领域广泛应用发展速度很快种类繁多图21 单片机控制系统单片机控制系统用于喷泉控制是完全可行的它可以通过定时器计数器对喷泉喷射的时间进行控制并且也可以利用串行接口与上位机进行通讯由于单片机的价格比较便宜所以大批量生产时的性能价格比很高但由于单片机需要附属很多的外围电路对电路的设计水平要求很高否则便很可能降低系统的稳定性14而且由于喷泉控制系统很少会有批量生产的情况对于小规模制作时pcb印刷电路板的制作成本是很高的综上所述此次设计

8、采用单片机控制系统不是最佳方案212工控机喷泉控制系统工控机即工业控制计算机但现在更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑英文简称ipc全称industrial personal computer工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机如图22所示工控机特点工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机而工业现场一般具有强烈的震动灰尘特别多另有很高的电磁场力干扰等特点且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息因此工控机与普通计算机相比必须具有以下特点1 机箱采用钢结构有较高的防磁防尘防冲击的能力2 机箱内有专用底板底板上有pci和isa插槽3 机箱内有专门电源电源有较强的抗干扰能力4 要求具有连

9、续长时间工作能力 自1984年国内开始从事开发和推广应用工控机以来已被广泛地应用于钢铁冶金石油化工机电成套设备医药食品数控机床工业炉窑等工业领域以及军工和科研设备中15图22 工控机控制系统对于工控机作为喷泉控制系统由于喷泉控制系统的环境相对工业控制环境要好得多而且喷泉控制系统对连续长时间工作的能力要求也不是很高用工控机设计喷泉控制系统实属有些大材小用而且工控机的价格较同层次的pc机要偏高这样就更增加了系统的成本降低了整体的性价比213 plc喷泉控制系统自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器programmable logic controllerplc取代传统继电器控制装置以来plc得

10、到了快速发展在世界各地得到了广泛应用同时plc的功能也不断完善随着计算机技术信号处理技术控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高plc在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能16今天的plc不再局限于逻辑控制在运动控制过程控制等领域也发挥着十分重要的作用如图23所示作为离散控的制的首选产品plc在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展世界范围内的plc年增长率保持为2030随着工厂自动化程度的不断提高和plc市场容量基数的不断扩大在自动化领域占据着十分重要的位置plc是由模仿原继电器控制原理发展起来的二十世纪七十年代的plc只有开关量逻辑控制首先应用的是汽车制造行业它以存储

11、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17-19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图23 plc控制系统一个plc的控制器可以接收几千个io点最多可达8000多个io对于喷泉控制系统这样被控对象主要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

12、造价会比工控机低而且不会降低系统的稳定性经过以上三种控制系统的可行性分析可以看出以plc为下位机pc机为上位机组成的控制系统是此次设计喷泉控制系统的最佳方案22 总体实现方案根据设计要求该喷泉控制系统是由plc组成如图24所示plc对喷泉的水泵进行时序控制产生各种不同的喷水造型需设计四种不同的喷泉类型上位机编写组态软件对喷泉的工作状态进行实时监控要求喷泉控制程序能够产生不同的喷水造型并且符合美学标准逻辑合理且操作简单图 24 喷泉控制系统总体方案3 花样喷泉的设计方案31 花样喷泉模型 某广场的花样喷泉示意图如31所示 图31 花样喷泉示意图其中4号为中间喷头3号为内环状喷头2号为外环形状喷头

13、1号为外环形状喷头32 花样喷泉控制要求 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位置时喷泉只能按照花样选择开关设定的方式运行一个循环4花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样现考虑四种喷水花样a 花样选择开关在位置1时按下启动按钮后4号喷头喷水延时2s后3号喷头喷水再延时2s后2号喷头喷水又延时2s后1号喷头喷水18s后如果为单步工作方式则停止下来如果为连续工作方式则继续循环下去b 花样选择开关在位置2时按下启动按钮后1号喷头喷水延时2s后2号喷头喷水再延时2s后3号喷头喷水又延时2s后4号喷头喷水30

14、s后如果为单步工作方式则停止下来如果为连续工作方式则继续循环下去c花样选择开关在位置3时按下启动按钮后13号喷头同时喷水延时3s后24号喷头喷水13号停止喷水如此交替运行15s后4组喷头全喷水30s后如果为单步工作方式则停止下来如果为连续工作方式则继续循环下去d 花样选择开关在位置4时按下启动按钮后按照1234的顺序依次间隔2s喷水然后一起喷水30s后按照1234顺序分别延时2s依次停止喷水再经1s延时按照4321的顺序依次间隔2s喷水然后一起喷水 30s后停止如果为单步工作方式则停止下来如果为连续工作方式则继续循环下去33工作流程图图32花样喷泉流程图 如图32通电后进入工作状态按下启动按钮

15、喷泉装置进入准备工作状态选择花样按下单步按钮系统按设定程序进行一个循环后停止按下连续按钮系统按设定程序进行连续循环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34可编程控制器plc的选取与其特点本论文选用西门子公司的s7-200系列可编程序控制器s7-200系列plc适用于各行各业各种场合中的检测监测及控制的自动化s7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能因此s7-200系列具有极高的性能价格比s7-200系列出色表现在以下几个方面极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特

16、性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模块 s7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制应用领域极为广泛覆盖所有与自动检测自动化控制有关的工业及民用领域包括各种机床机械电力设施民用设施环境保护设备等等如冲压机床磨床印刷机械橡胶化工机械中央空调电梯控制运动系统地址元件功能i00sb1启动按钮i01sa1花样选择开关位置1sa2花样选择开关位置sa3花样选择开关位置i04sa4花样选择开关位置i05sb2重复按钮i06sb3停止按钮输出信号地址元件功能q01km1喷头1q02km2喷头2q03km3喷头3q04km4喷头436 plc 外部接

17、线图 plc 外部接线图如图33所示图33 plc外部接线图37花样喷泉的梯形图371 梯形图中的关键问题及实现i00代表启动按钮i06代表停止按钮i01i02i03i04分别代表四种花样i05代表模式选择按下表示重复q 01q02q03q04分别代表4个喷头中间变量m 01m02m03m 04代表4个喷水阶段m10代表停止状态 本论文的梯形图采用西门子公司step 7- microwin v40 sp3版软件编程并截图而得四种花样的梯形图均有截图因梯形图篇幅太大所以采用截图后拼接的方式拼合在一起372 梯形图花样一对应的梯形图如图34所示图34 花样一对应的梯形图如图34所示花样一对应的梯形

18、图中各网络所起到的作用网络1的梯形图程序作用是启动喷泉进入第1步网络2作用为停止喷泉网络3为第1步代表启动4号喷头并且启动2秒定时器网络4作用定时时间到进入第2步网络5为第2步表示启动3号喷头并启动2s定时器网络6作用是定时时间到进入第3步网络7为第3步代表启动2号喷头和启动2s定时器网络8为定时时间到进入第4步网络为9为第4步表示启动1号喷头和启动18秒定时器网络10表示定时时间到并判断是否需要重复花样二对应的梯形图如图35所示图35花样二对应的梯形图如图35所示花样二对应的梯形图中各网络所起到的作用网络1的梯形图程序作用是启动喷泉进入第1步网络2作用为停止喷泉网络3为第1步代表启动1号喷头

19、并且启动2秒定时器网络4作用定时时间到进入第2步网络5为第2步表示启动2号喷头并启动2s定时器网络6作用是定时时间到进入第3步网络7为第3步代表启动3号喷头和启动2s定时器网络8为定时时间到进入第4步网络9为第4步表示启动4号喷头和启动30秒定时器网络10表示定时时间到并判断是否需要重复花样三对应的梯形图如图36所示图36花样三对应的梯形图如图36所示花样三对应的梯形图中各网络所起到的作用网络1的梯形图程序作用是启动喷泉并进入第1步网络2作用为停止喷泉网络3为第1步代表启动13号喷头并且启动3s定时器网络4作用定时时间到进入第2步网络5为第2步代表启动24号喷头和启动3s定时器网络6作用是定时

20、时间到进入第3步网络7为第3步表示启动13号喷头并且启动3s定时器网络8为定时时间到进入第4步网络9为第4步表示启动24号喷头和启动3s定时器网络10表示定时时间到并进入第5步网络11为第5步代表启动13号喷头并且启动3s定时器网络12作用定时时间到进入第6步网络13为第6步表示4个喷头同时启动启动30s定时器网络14作用是定时时间到判断是否需要重复喷水花样四对应的梯形图如图37和图38所示图37 花样四对应的部分梯形图如图37所示花样四对应的部分梯形图中网络1到网络14所起到的作用网络1的梯形图程序作用是启动喷泉进入第1步网络2作用为停止喷泉网络3为第1步代表启动1号喷头并且启动2秒定时器网

21、络4作用定时时间到进入第2步网络5为第2步表示启动2号喷头并启动2s定时器网络6作用是定时时间到进入第3步网络7为第3步代表启动3号喷头和启动2s定时器网络8为定时时间到进入第4步网络为9第4步表示启动4号喷头和启动2秒定时器网络10表示定时时间到并进入第5步网络11为第5步作用是若m20断开重复以上喷水动作1-2-3-4若m20合上进行接下来的动作4-3-2-1网络12表示定时时间到根据m20判断是否需要重复一次以上喷水动作1-2-3-4否则继续下一动作4-3-2-1网络13为第6步4个喷泉全部关闭延时1s网络14代表定时时间到进入第7步图38 花样四对应的部分梯形图 如图38所示花样四对应

22、的部分梯形图中网络15到网络24所起到的作用网络15为第7步其梯形图程序作用是启动4号喷头并且启动2秒定时器网络16作用定时时间到进入第8步网络17为第8步表示启动3号喷头并启动2s定时器网络18作用是定时时间到进入第9步网络19为第9步代表启动2号喷头和启动2s定时器网络20为定时时间到进入第10步网络21为第10步表示启动1号喷头和启动2秒定时器网络21为第10步启动1号喷泉启动2s定时器网络22为定时时间到进入第11步网络23为第11步作用是同时启动4个喷泉启动30s定时器网络24表示定时时间到判断是否需要重复喷水38花样喷泉的实验结果采用西门子公司s7-200仿真软件进行调试仿真软件界

23、面如图39 和所有基于windows的软件一样仿真软件最上方是菜单仿真软件的所有功能都有对应的菜单命令在工件栏中列出了部分常用的命令如plc程序加载启动程序停止程序awlkopdb1和状态观察窗口等仿真软件不提供源程序的编辑功能因此必须和step7 microwin程序编辑软件配合使用即在step7 microwin中编辑好源程序后利用fileexport命令将梯形图程序导出为扩展名为awl的文件然后加载到仿真程序中执行图39 s7-200 plc 仿真软件v20界面运行时共有2组信号指示灯和一组开关可供观察和设置位于软件界面下方的一组开关0至6分别对应开启按钮花样选择开关1花样选择开关2花样

24、选择开关3花样选择开关4重复选择按钮停止按钮位于界面中间的指示灯0至7作用是显示下方开关的状态位于界面上方的指示灯1至4代表喷泉的喷头1至喷头4花样一的实验结果如图310所示图310花样一的实验结果截图花样二的实验结果如图311所示图311 花样二的实验结果截图花样三的实验结果如图312所示图312 花样三的实验结果截图花样四的实验结果如图313所示图313 花样四的实验结果截图39 实验小结本设计的梯形图是用西门子公司的step 7- microwin v40 sp3 版编程软件按设计要求编制而得在 s7-200 sim 20 版的仿真软件上运行后得到的实验结果完全符合最初的设计要求因此说明

25、本设计给出的梯形图设计合理step 7- microwin v40 sp3版的仿真软件编制梯形图并在此基础上在s7-200 sim 20 版仿真软件上进行了调试达到了按下相应的花样选择开关并运行后喷泉按相应的花样进行喷水的预期效果本设计尚存在不足之处特别是在对花样进行相应的编程时难免会使梯形图有些错误此外本设计只阐述了四种喷水花样这在实际的运用中难免会显得单调与欠缺并且现实中的花样喷泉会有相应的灯光与声音效果来使喷泉更具有观赏性这一点是需要改进的plc设计控制系统的发展趋势是plc技术将继续向开放式控制系统方向转移尤其是基于工业pc的控制系统工业pc技术提供了许多功能能够增强plc的功能特性越来越多的plc供应商开始提供ethernet接口部件在最近的几年间发展比现有普通小plc更加强大的plc是种趋势许多plc供应商在其产品的开发过程中仍然继续不断地改进和提高通信性能其开发方向主要面向于ethernet技术和基于web技术尽管传统plc被应用于离散过程控制领域但现在plc已被广泛应用于连续过程控制领域而且基于连续过程控制技术的发展趋势正在进一步得到增长给水排水19931014152肖玲俐音乐喷泉与现场总线技术n北京