花式喷水池控制系统设计

1、过程控制系统课程设计题 目: 基于组态王的花式喷泉设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 自动化 学生姓名： 董新杰 学 号： 201323020425 指导教师： 鲁可 设计地点： 31520 设计时间： 2016.07.7 设计成绩： 指导教师： 本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。摘 要花式喷水池是近年来出现的一种园林建筑与花式观赏相结合的一种产物。随着可编程控制器在我国的迅速发展，对花式喷泉的控制要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需要可编程控制器来实现。 使用PLC控制花式喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。用SFC方法编程，可以使设计思路清晰，

2、编程简便.若需要改变喷水花样和喷水时间，设计方案不必作很大调整，只要把控制程序作相应的修改，即可实现控制目的。本设计以4环花式喷泉为研究对象，采用了三菱FX1N系列可编程序控制器作为喷泉的控制器。对花式喷水池的控制系统的总体功能进行了分析，阐述了可编程控制器的组成和工作原理。并提出了喷水池硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案。本设计改善了喷泉系统的控制品质，并达到了实时控制的要求。关键词：喷泉、PLC、SFC编程目录摘 要I1 系统控制方案的确定11.1 喷泉的布局设计11.2控制要求22 系统硬件设计42.1PLC的选择42.2 泵的选择52.3喷头的选择72.3阀的选择92.4 灯具的

3、选择103 系统软件设计113.1 I/O分配113.2 梯形图设计114 组态王监控系统设计164.1组态王与设备通信164.2监控画面165 系统调试19设计心得22参考文献23附录A 系统程序24附录B PLC接线图26附录C 组态王监控画面271 系统控制方案的确定1.1 喷泉的布局设计 图1-1 喷泉布局图本设计布局如图1-1所示。图1-1中A组喷水管，有一个喷水管该喷水管所喷出的水柱为4组喷水管最大，喷射高度为4组喷水管最高为8（m）。图1-1中B组喷水管所处的圆上由8个喷水管组成，该组喷水管所喷出的水柱为比A组的水柱略小，所喷高度比A组的高度略底，所喷高度为6（m）。图1-1中C

4、组喷水管所处的圆上由20个喷水管组成，该组所喷出的水柱比B组的水柱小，所喷高度比B组水柱低，所喷高度为4（m）。图1-1中D组喷水管所处的圆上组由30个喷水管组成，该组所喷水柱为4组中水柱最小，所喷高度最低的一组。所喷高度为2（m）。为了在每组喷水管工作时能够更好的欣赏，能区别4组所喷出的水柱，所以B组所处的圆的半径为R=2(m)，C组所处的圆的半径为R=4（m），D组所处的圆的半径为R=6（m）。本设计中A组喷头所喷的水柱最高，本设计中4组喷头所喷的水柱高度为 2-8（m）。本设计的最多时有A、B、C三组喷头同时喷出水柱，最少时有两组喷头喷出水柱，所以流量为150-230（m3/h）。水质为

5、自来水。1.2控制要求本设计由四组喷头组成，分别为A组B组C组D组。本设计有单周期和连续两种操作方式。按下开始按钮后指示灯亮，当选择单周期方式时A组D组同时喷6秒然后A组和C组同时喷7秒然后B组和D组同时喷10秒然后ABC三组同时喷水5秒停2秒后报警器发出声音报警，按停止按钮终止报警。当选择连续方式时重复单周期方式时的过程20次后停两秒后报警，按停止按钮终止报警。每个喷头工作时，都连带红，绿，黄，蓝四组彩色灯间隔1S循环发光。如图1-2系统流程图所示当系统上电后，点击开始按钮SB1，PLC的输入口X1=1，则Y10=1指示灯被点亮，等待用户选择运行方式。当用户选择单次运行时点击单次运行按钮SB

6、3 则X3=1， Y12=1水泵开始工作，同时Y0=1、Y3=1，A、D两组喷头的电磁阀得电，A、 D两组喷头开始喷出水柱同时T5开始计时。当T5=6S时Y3=0、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，C组喷头的电磁阀得电。所以A、 C组喷头喷出水柱，D组喷头停止喷水，同时T6开始计时。当T6=7S时Y1=0、Y2=0、Y1=1、Y3=1，A、C两组喷头的的电磁阀失电，B、D两组喷头的电磁阀得电。所以B组喷头和D组喷头喷出水柱A组喷头和C组喷头停止喷水，同时T7开始计时。当T7=10S时Y3=0、Y0=1、Y1=1、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，A、B、C组喷头的电磁阀得电。所以A组喷头和C组

7、喷头喷出水柱D组喷头停止喷水，同时T8开始计时。当T8=5S时系统停止两秒后开始报警。当用户选择连续运行时点击连续运行按钮SB4 则X4=1， Y12=1水泵开始工作，同时Y0=1、Y3=1，A、D两组喷头的电磁阀得电，A、 D两组喷头开始喷出水柱同时T1开始计时。当T1=6S时Y3=0、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，C组喷头的电磁阀得电。所以A、 C组喷头喷出水柱，D组喷头停止喷水，同时T2开始计时。当T2=7S时Y1=0、Y2=0、Y1=1、Y3=1，A、C两组喷头的的电磁阀失电，B、D两组喷头的电磁阀得电。所以B组喷头和D组喷头喷出水柱A组喷头和C组喷头停止喷水，同时T3开始计时。当

8、T3=10S时Y3=0、Y0=1、Y1=1、Y2=1,D组喷头的的电磁阀失电，A、B、C组喷头的电磁阀得电。所以A组喷头和C组喷头喷出水柱D组喷头停止喷水，同时T4开始计时。当T4=5S时C0开始计数，当CO<20时重复上述动作当C0=20时系统停止2S后开始报警。当系统报警时点击停止按钮SB2则系统停止报警。开 始指示灯是否点亮 Y10=1?是否O单 次连 续A、D同时喷水 T5计时6ST5=6S?是否A、D同时喷水 T0计时6ST0=6S?是否A、C同时喷水 T6计时7ST6=7S?否A、C同时喷水 T1计时7ST0=7S?是否B、D同时喷水 T7计时10ST7=10S?是否B、D同

9、时喷水 T2计时10ST2=10S?否A、B、C同时喷水 T8计时5ST8=5S?是否A、B、C同时喷水 T3计时5ST3=5S?是A、B、C、D停止C0计数20次C0=20次?是否是是报 警X2=0?否是图1-2 系统流程图2 系统硬件设计2.1 PLC的选择2.1.1 PLC介绍 编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的

10、范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,PLC自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。2.1.2 PLC选型 现在应用最广泛的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。 三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、适用面广但是数据处理比西门子弱。 西门子PLC性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。 欧姆龙PLC欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求，东欧的老机床器件符号输进去好多都不认，按它的标准老图的标示都要

11、变很不方便。 松下PLC超小型尺寸，轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何电缆。从I/O 10点到最大I/O 128点的选择空间。 本设计需要速度快稳定同时从价格等方面考虑我们选择三菱PLC本设计所使用的I/O口不是太多所以我们选择三菱FX-1N型PLC，如图2-1所示。图2-1 三菱FX1N PLC2.2 泵的选择2.1.1 潜水泵介绍 深井提水的重要设备。使用时整个机组潜入水中工作。把地下水提取到地表，是生活用水、矿山抢险、工业冷却、农田灌溉、海水提升、轮船调载，还可用于喷泉景观，热水潜水泵用于温泉洗浴，还可适用于从深井中提取地下水，也可用于河流、水库、水渠等提水工程。主要用于

12、农田灌溉及高山区人畜用水，亦可供中央空调冷却、热泵机组、冷泵机组、城市、工厂、铁路、矿山、工地排水使用。 一般流量可以达到(10m3650m3)每小时、扬程可达到1500米。2.2.2 泵的选型 现在喷泉常用的潜水泵有QS、QY、QX、QJ等系列。 QS系列潜水泵体积小、性能可靠，机泵一体、潜入水中运行主要优越性是：运行可靠、经久耐用、使用方便、功率大、故障少，维修费用低等。流量：10-250（m3/h）。杨程：5-140（m）。 QY系列潜水泵QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三部分组成。电泵的上端，多为离心式水泵；下端为三相鼠笼立式异部电动机。电机全部采用优质整圆硅钢片，效率高，耗电少潜水

13、深度不超过5米水温不超过+40。流量：10-300（m3/h）。杨程：4-110（m）。 QX系列潜水泵工程潜水泵泵电一体，结构紧凑，非常适合于基建及矿山的搬运和安装无需引水，使用简便双端密封，电器保护设计合理、性能优良、几无噪音。流量：5-20（m3/h）。杨程：20-60（m） QJ系列潜水泵电机与水泵直联，机组全部潜入水中工作，具有结构紧凑、安装、维护方便、体积小、重量轻、高效节能等特点。 工作条件1、工作介质为清水或化学性质类似于清水的液体。额定扬程：150米额定流量：10立方米/小时。从该喷泉所需的扬程、流量、水质、价格等方面考虑该喷泉选择QS系列的潜水泵，如图2-2所示。图2-2

14、QS系列潜水泵2.3 喷头的选择喷头的介绍喷泉喷头也称喷泉喷嘴全部采用铜或不锈钢制作，这样具有黄金的色彩或银光闪闪，喷头显得豪华气派。其工艺精巧美观，结构合理，性能高效节能。其中常用的有：可调直流喷头、半球形喷头、树冰形喷头、礼花喷头、涌泉喷头、加气喷头、直上喷头等产品系列。各种喷头的选择1：A组喷头的选择A组位于中间位置，需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱，所以A组喷头选择直上喷头。直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴，这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力、层次分明、主题突出、是大型喷泉中心必备的主要喷头。该喷

15、头也叫中心喷头。可调节射流的方向。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图2-3所示。图2-3 直上喷头实物图及安装简图2：B组喷头的选择B组位于第二层的位置，所喷出的水柱应该比A组所喷出的水柱稍细比A组所喷的水柱要低。所以我B组选择可调直流喷头。可调节直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球形接头， 可沿垂直方向向15度进行调节。 可调直流喷头可组合各种不同形状的喷射果，射流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小决定。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图2-4所示。图2-4 可调直流喷头实物图及安装简图3：C组喷头的选择 C组喷头应该比B组喷头喷射高度略低比D组略高，所喷水柱

16、比B组水柱略粗壮、挺拔。所以C组喷头选择树冰形喷头。 树冰形喷头喷水时外观效果庞大丰满，粗壮挺拔，抗风力较强。喷头安装在导流筒上端与水面齐平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图2-5所示。图2-5 树冰形喷头实物图及安装简图4：D组喷头的选择 D组位于该喷泉的最外侧，水柱所喷高度应该最低，水量应该较大，择所喷水柱比较灵动。所以选择涌泉喷头。 涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，水沫轻溅，古朴灵动。 加气喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷出的水柱呈白色不透明状，反光效

17、果好。喷头材质：铸铜、不锈钢，如图2-6所示。图2-6 涌泉喷头实物图及安装简图2.3 阀的选择 喷泉常用的阀门有球阀、蝶阀、闸阀、止回阀、水下液压阀、水下电磁阀、 水下数控阀等。本设计的喷泉采用PLC控制同时在工作时会接触水，所以选择DC 24V水用电磁阀。如图2-7所示。图2-7 水用电磁阀2.4 灯具的选择 该喷泉用四组彩灯分别为红，绿，黄，蓝。从里到外分别对应A处用红色的彩灯，B处为绿色的彩灯，C处为黄色彩灯，D处为蓝色彩灯。每一个喷头处对应一个相应颜色的彩灯。 因为喷泉用彩灯都是安装在水下所以对光线的要求高，对安全性能的要求也要很高，同时对使用寿命要求要长。LED水下灯能够达到上述的

18、要求，所以本设计选择AC 220V LED水下灯，如图2-8所示图2-8 LED水下灯3 系统软件设计3.1 I/O分配根据第一章的介绍可以得出该喷泉的开始、停止、单周期、连续需要用到四个按钮，这四个按钮开关分别接到PLC的四个输入口上。而A、B、C、D四组喷泉口需要用到四个水用电磁阀，这四个电磁阀需要接到PLC上面的四个输出口上。红绿黄蓝四组彩灯、指示灯、报警器和控制水泵的接触器也需要接到PLC的七个输出口上，所以该系统需要用到四个输入口和十一个输出口。表3-1为它们所对应的I/O口。表3-1 I/O分配表输 入 口输 出 口设备符号设备名称PLC口设备符号设备名称PLC口SB1开始按钮X1

19、KM1A口喷头电磁阀Y0SB2停止按钮X2KM2B口喷头电磁阀Y1SB3单周期按钮X3KM3C口喷头电磁阀Y2SB4连续按钮X4KM4D口喷头电磁阀Y3LR红色彩灯Y4LG绿色彩灯Y5LY黄色彩灯Y6LB蓝色彩灯Y7HL指示灯Y10HA报警器Y11KM控制泵的接触器器Y123.2 梯形图设计为了解决应用可编程控制器(PLC)的基本逻辑指令编写顺序控制梯形图时所存在的编程复杂、不易理解等问题,采用PLC的顺序功能图（SFC）来编写顺序控制梯形图是一种非常有效的方法,该方法具有编程简单而且直观等特点。本设计采用顺序功能图（SFC）的方法编写其控制梯形图,从编程结果可以看出,与应用PLC的基本逻辑指

20、令方法相比具有简单、直观、逻辑性强,提高编程的效率。与梯形图相比简单，出现错误时更容易检查。3.2.1 SFC程序分步介绍如图3-1所示为PLC从停止启动运行切换瞬间使特殊辅助继电器M8002接通，从而使状态器S0被激活。图3-1 系统启动程序如图5-2所示为按下启动按钮X0使状态器S20被激活， Y10得电，指示灯点亮等待用户选择运行模式。图3-2 按下开始系统等待用户选择运行模式程序如图3-3所示为用户按下X4选择连续运行，使状态器S21被激活（用户按下X3选择单次运行，使状态器S28被激活）。Y0、Y3、Y12得电，使水泵开始工作同时A组和D组的电磁阀导通，使A组和C组同时喷出水柱。同时

21、红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。同时当选择连续时TO开始计时6秒（当选择单次运行时T5开始计时6秒）。图3-3 用户选择连续（单次）运行AD同时喷水程序如图3-4所示为选择连续时TO计时6秒时间到，T0的常开触点闭合，使状态器S22被激活（选择单次时T5计时6秒时间到，T5的常开触点闭合，使状态器S29被激活）。Y0、Y2、Y12得电，水泵工作同时A组和C组的电磁阀导通使A组和C组喷出水柱。同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。同时当选择连续运行时T1开始计时7秒（当选择单次运行时T6开始计时7秒）。图3-4 AC同时喷水程序如图3-5所示为当选择连续运行时T1计时7秒时间到，T1的常开触点闭合，使

22、状态器S23被激活（当选择单次运行时T6计时7秒时间到，T6的常开触点闭合，使状态器S30被激活）。Y1、Y3、Y12得电，水泵工作同时B组和D组的电磁阀导通使B组和D组喷出水柱。同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一秒点亮。同时当选择连续运行时T2开始计时10秒（当选择单次运行时T7开始计时10秒）。图3-5 BD同时运行程序如图3-6所示为当选择连续运行时T2计时10秒时间到，T2的常开触点闭合，使状态器S24被激活（当选择单次运行时T7计时10秒时间到，使状态器S31被激活）。Y0、Y1、Y2、Y12得电，水泵工作同时A组、B组和C组的电磁阀导通使A组、B组和C组喷出水柱。同时红绿黄蓝四组彩灯间隔一

23、秒点亮。同时当选择连续运行时T3开始计时5秒（当选择单次续运行时T8开始计时5秒）。图3-6 ABC同时运行程序如图3-7所示为为当选择连续运行时T3计时5秒时间到，T3的常开触点闭合，使状态器S25被激活。T4开始计时2秒（当选择单次运行时T8计时5秒时间到，T8的常开触点闭合，使状态器S25被激活。T9开始计时2秒）。图3-7 系统停止运行2秒程序如图3-8所示为为T4计时2秒时间到，T4的常开触点闭合，使状态器S26被激活。C0开始计数20次。图3-8 计数器计数20次程序如图3-9所示为当选择连续运行时 C0计数在未达到20次则跳转到状态器S21处循环运行，当CO计数达到20次则C0的

24、常开触点闭合状态器S27被激活，同时特殊辅助继电器M8013被激活，同时Y11得电，报警器报警。同时计数器CO复位。图3-9 选择连续运行时报警和返回S21程序如图3-10所示为当选择的是单次运行时当T9计时2秒时间到，T9的常开触点闭合，状态器S33被激活，特殊辅助继电器M8013被激活，同时Y11得电，报警器报警。图3-10 单次运行时报警程序如图3-11所示为按下停止按钮X2后后系统停止报警，同时回到系统开始。图3-11 系统停止运行程序总程序见附录A。4 组态王监控系统设计组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系

25、统。4.1 组态王与设备通信“组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现组态王和外部设备的通讯，组态王内置了大量设备的驱动作为组态王和外部设备的通讯接口，在开发过程中您只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”一步步完成连接过程即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。每一个驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。4.2 监控画面本设计的仿真画面分为4个单元，分别为按钮单元，彩灯单元，计时计数单元，喷泉模拟单元。4.2.1 按钮单

26、元介绍图4-1 组态王按钮单元如图4-1所示该单元由绿色、红色、粉红色、黄色四个按钮组成。它们分别绿色对应开始按钮，红色对应停止按钮，粉红色对应单周期按钮，连续对应连续按钮。彩灯单元介绍图4-2 组态王彩灯单元彩灯单元由两排六盏灯组成，其中第一排由红色、绿色、黄色、蓝色四盏灯。它们分别对应红色、绿色、黄色、蓝色四组LED灯。第二排由紫色和红色的两盏小一些的灯组成，它们分别对应着系统开始的指示灯和报警灯。计时计数单元图4-3 组态王计时计数单元计时计数单元由6组数据组成，前面5组是计时长的数据，第一组为AD两组同时喷水的时长。第二组为AC两组同时喷水的时长，第三组为BD两组同时喷水的时长，第四组为ABC三组同时喷水的时长，第五组为循环结束后停止时间的时长。第六组是选择连续时完成了几次循环的计数。4.2.4 喷泉模拟单元介绍图4-4 组态王喷泉模拟单元喷泉模拟单元由四个长方体组成，分别代表A、B、C、D四组喷头，当所对应的喷头工作时四个长方体会填充满并变为蓝色。组态王监控画面见附录C。5 系统调试在系统调试时先将附录A中的系统程序烧到PLC里，然后打开组态王软件监控系统的运行情况。当PLC上电后点击监控系统中的开始按钮，监控画面中的指示灯点亮等待用户选择运行模式。如图5-1所示。图5-1 点击开始