烟花控制系统设计毕业设计

毕业设计毕业设计题烟花控制系统毕业设计类型产品设计□工艺设计□方案设计姓名班级所属系部物流工程系专业物流工程技术指导教师职称完成时间摘要近年来"随着工业控制的智能化和网络化"烟花控制设备的发展也从当初的手工点火展到了现在的程控点火控制"从速度和安全性上都有了很大的提高，是随着经济的发展和人们欣赏水平的提高"更重要的是企业竞争的不断加剧"各企业之间的设备更新和改进步伐不断的加快"是的现代烟花控制呈现百家争鸣的势头。目前的烟花生产控制系统由继电器控制回路构成，且基本以单机为主。此类设备故障率高、维护强度大和工作效率低。专为工业环境设计的可编程逻辑控制器(PLC)具有功能齐全、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强和维护方便等优点，现已成为制造、冶金、自来水、地铁等行业实现工业自动化的主角。由PLC控制器组成的烟花控制系统，不但能采集现场生产数据，反映现场设备的状态，而且能够根据采集的信息实时地控制生产线自动运行，实时有效地监控生产过程。烟花种类繁多，不同种类的烟花工艺要求不同，工艺流程也随之变化，针对现有烟花生产设备落后、劳动强度大、操作人员多和安全隐患多等问题，提出一种以PLC控制器技术为核心的烟花生产控制系统，对复杂控制系统进行简化。PLC控制的烟花生产控制系统能实现可靠高效连续自动化的监控呢，大幅度地减少在线操作人员数量，降低劳动强度，提高安全可靠性。关键词：烟花；PLC；自动化；控制系统；智能化和网络化

目录1、绪论 51、1烟花控制系统的意义及目的 61、2本设计主要研究内容 61、3设计的主要任务 62、基于PLC控制系统的设计现实 72、1可编程控制器 72、2PLC的主要特点 72、3PLCD的组网方式 93、烟花控制系统方案设计 113、1烟花控制系统的构成 113、2PLC的PPI通信协议 123、3系统的程序编写 133、4联网后控制系统的实现 153、5实验结果 154、总结 16致谢 18参考文献 191、绪论1．1烟花控制系统的意义及目的火的使用，是人类从野蛮进化到文明的标志，花炮，正是人类文明的结晶。它燃放时照亮寂静的夜空，带来无限光明与勃勃生机。它不仅是一种大众娱乐的消费品，更是一种火的艺术、火的文化，经过历代的传承与创新，已升华到人类文明的一种新的境界。由四大发明之一的火药文明升华的花炮文化，是中华名族文化中的一块赏心悦目的瑰宝。烟花就与中华民族的发展，繁荣富强交相辉映，堪称中华民族的艺术精华。因为焰火燃放存在高危险性，不可预知性，设计的基本要求是通信功能稳定，燃放编排智能化，控制时间精确度高，编排界面人性化。因为焰火燃放存在高危险性，不可预知性。本设计通过图形化可视化编排软件，可以达到远距离、高精确的对每个点火从机、每一个燃放通道、每一个点火头进行实时监控、远程查看每个从机通信及点火设备是否正常。1．2本设计主要研究内容在“焰火燃放控制系统”的科研项目里,主要研究：使用高级语言编辑出智能化、图形化、可视化的编排软件。研究焰火燃放控制的相关特点，对时间精确度，通信可靠性，点火设备的稳定性及电源供电部分的要求都做了深入的研究和讨论。运用PLC编程对烟花进行系统控制的设计并进行系统的组网，实现对整个系统的有效控制。1、3设计的主要任务(1)绘制烟花控制系统的系统框图，确定设计方案。(2)了解电路所需芯片的功能、参数和工作原理。(3)采用PLC完成烟花控制系统的原理图绘制。(4)采用PLC编程完成软件设计。(5)采用软件完成烟花控制系统的仿真画面。(6)完成烟花控制系统的硬件设计方案。(7)调试并实现烟花控制系统的功能。2、基于PLC控制系统的设计实现2.1可编程控制器可编程控制器，又称为可编程逻辑控制器根据国际电工委员会在1987年的可编程控制器国际标准中，对其定义如下:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。2.2PLC的主要特点：可靠性高，抗干扰能力强PLC是专为工业控制而设计，在硬件方面采用了电磁屏蔽、光隔离、模拟量和数字量滤波、优化电源等措施，并对元件进行了严格的筛选，在软件方面采用了警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，利用后备电池对程序和数据进行保护，因此，PLC具有其他工业控制设备更高的可靠性。（2）编程简单，使用方便PLC采用面向过程，面向问题的“自然语言”编程，比如梯形图语言编程方式，非常直观，易懂易编，容易推广使用，现代的PLC已经使用IEC1131-3作为编程语言标准，具有功能清晰、易于理解的特点正在被技术人员所接纳和采用。（3）功能强大，应用灵活PLC的基本功能包括数字和模拟量输入/输出、算术和逻辑运算、定时、计数、步进、位移、比较、代码转换等，还能完成A/D、D/A转换、以及通讯网络、生产过程监控等功能。PLC的配置、安装、使用和维护都很简单，方便，PLC标准的积木式结构与模块化的程序设计可以适应大小不同、功能复杂的控制要求，并能适应产品规格或者工艺要求的变化，从而可以节省大量的人力和物力。（4）编程简单，容易掌控目前，大多数PLC仍采用继电器控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制路线的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编辑水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编程语言。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图编程时，用解释程序将它翻译成汇编语言后执行。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图编程的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。（5）减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修极为方便。（6）体积小、重量轻、功能低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.3PLC的组网方式目前，PLC为下位机而组成的控制系统，已成为广泛应用的控制模式，它结合了计算机的界面友好，直观和PLC稳定、编程灵活的优点，主导计算机控制系统的流行趋势，因此，对PLC的数据交互，组网功能提出了更高的要求，如PLC与PLC之间，PLC与计算机、PLC与智能设备等都需要进行数据交互，特别是在某些远程控制，控制点分散等场合，PLC的网络功能显得尤为重要。常用PLC组网方式大致可概括为基于专用总线、基于标准工业以太网及通用串口模块三种。(1)基于专用总线基于现场总线CAN的PLC网络设计，能够对多台联网的PLC实现远程配置、数据通讯，并能够在投入较低硬件成本的基础上，实现良好的系统运行功能。充分发挥现场总线CAN的通讯特点：实时、可靠、高速、远距离、易维护等，并且将现场总线技术与集中控制技术的有机结合，联网后的PLC网络可以构成一个性能优越的通讯系统，用户在同一个PC机上可以远程监控、改变任何一个联网PLC的程序或状态。（2）基于标准工业以太网基于标准工业以太网方式进行组网，系统一般分为三个层次：第一层为工控机组成的上位机监控站;第二层为由集线器、双绞线和收发器等组成的工业以太网;第三层为控制站，选择TCP/IP作为通讯协议，并采用C/S模式使控制站和监控站实现面向连接的通讯。（3）通用串口模块基于串口通信模块来实现网络连接，网络结构采用了计算机链接的形式，在上位机的组态软件中进行相应的设置，无需编程，即可与多台PLC进行通讯，以三菱公司的FXIS系列的PLC为例，RS232C/485转换适配器选用FX-485PC—IF，RS-485通讯板选用FXlN-485一BD即可实现，这种方法使用较为方便，性能也很好，关键是串口通信模块的成本相对较高。3、烟花控制系统方案设计随着应用技术的发展，工业经常会出现需要多台PLC协同完成一个系统的综合控制。此时，原有集中控制的单一PLC控制方案就显得力所不及，PLC网络的需求也应运而生。能够对多台联网的PLC实现远程配置、数据通讯，并能够在投入较低硬件成本的基础上，实现良好的系统运行功能。充分发挥PPI通信特点：实时、可靠、高速、远距离、易维护等，并且将PPI通信技术与集中控制技术的有机结合，联网后的PLC网络可以构成一个性能优越的通讯系统，用户在同一个PC机上可以远程监控、改变任何一个联网PLC的程序或状态。3.1烟花控制系统的构成西门子S7-200PLC1PLC2PLC3 烟花 烟花 烟花图3.1烟花控制系统结构示意图图3.1是烟花燃放控制系统结构示意图。电脑程控焰火燃放控制系统将计算机技术引入到了焰火燃放的应用中，通过PLC编程组网对烟花进行有效控制，从而形成了一个完整的系统控制。3.2PLC的PPI通信协议在PPI通信协议中,计算机和PLC采用主从方式进行通信,主设备是计算机,从设备是PLC。其通信过程是计算机按照通信任务,用一定格式的数据向PLC发送通信命令。PLC收到命令后,进行命令校验。如命令数据格式无误,则PLC向计算机发出表示命令正确的初步应答信号,计算机在收到初步应答信号后,再向PLC发送确认命令。PLC收到确认命令后,执行命令响应。在实际编程过程中,采用主设备先向从设备发送请求命令的方案。让主设备等待一定的时间(确保请求命令响应完成),直接发送确认命令数据给从设备,再等待一定时间(确保从机对确认命令响应完成),再去读取从设备对请求命令和确认命令响应的所有数据,并对数据格式进行校验。如果正确,则进行相应的数据处理;如果数据错误,则放弃收到的数据重新进行通信。3.3系统的程序编写用PLC设计一个按钮控制一只LED指示灯亮灭的电路和程序。具体要求：当第一次按下按钮时，指示灯亮；再一次，指示灯灭。图3.2PLC对一个烟花控制图3.2是一组烟花控制系统的PLC编写程序，主要是对一个烟花进行时间精准度的启停控制。控制系统是基于ＰＰＩ通信协议的PLC网络设计，能够对多台联网的PLC实现远程配置、数据通讯，实现良好的系统运行功能，可将现场总线技术与集中控制技术的有机结合，联网后的PLC网络可以构成一个性能优越的通讯系统，用户在同一个PC机上可以远程监控、改变任何一个联网PLC的程序或状态。3.4联网后的控制系统的实现烟花燃放控制器PPI通信可编程控制器1可编程控制器2可编程控制器3图3.2程序图3.2程序图3.2程序图3.3控制系统联网3.5试验结果利用ＰＰＩ通信协议对PLC进行组网后可以对三组PLC、3个烟花进行控制，使之能够精准的燃放。设计中实现了三组PLC中3个烟花的控制，按下总控制器的开关按钮，有3个烟花可以同时燃放，再按一次，3个烟花熄灭。4、总结随着焰火燃放的解禁，除了对焰火燃放产品，更对焰火燃放控制技术和设备要求越来越高。在燃放的同时要保证动作准确、可靠，在燃放效果上，要保证点火时间完全达到设计要求，否则就难以实现三维的燃放效果。本系统设计了智能化、可视化、简单化的编排界面，经测试实现了对燃放从机的实时，多节点，远距离控制。能够实现高精度毫秒级点火。利用烟花控制系统信息的实时获取、控制，能在很大程度上提高烟花燃放的安全性、使燃放效果实现质的提升、将带动整个烟花产业从传统的生产方式走向自动化，具有重要的科研价值及市场应用价值。在烟花系统中，PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己在设计和制作硬件装置。PLC还具有功能强，适应面广的特点。今天的PLC已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着起扩展能力和通讯能力的发展，不仅在交通灯中控制自如，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中，烟花可以增强人们的感官，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添了亮丽。随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高，人们对于彩灯的要求越来越高，另一方面，随着电子技术的发展，应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展，PLC技术的应用引起电子产品及系统开发的巨大变革。梯形图语言作为可编程逻辑器件的标准语言描述能力强，覆盖面广，抽象能力强，在实际应用中越来越广泛。于是，人们开始追求贯彻整个系统设计的自动化，可以从繁重的设计工作中解脱出来，把精力集中在创造性的方案与概念构思上，从而可以提高设计效率，缩短产品的研制周期。整个过程通过PLC自动完成，大大减轻了设计人员的工作强度，减少了出错的机会，并且提高了设计质量。致谢在这毕业设计过程中，