电气控制技术 课程设计 题 目: 自动喷泉的控制系统模块设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 目录 1系统概述 1 1.1设计的目的 1 1.2设计内容 1 1.3实现的目标 1 2方案论证 2 2.1方案比较 2 2.2方案选择 4 3硬件设计 5 3.1系统的原理框图 5 3.2主电路 5 3.3 I/O分配 6 3.4 I/O接线梯形图 11 5系统调试 13 设计心得 18 参考文献 18 附录1元件清单 19 附录二语句表 20 1系统概述 1.1设计的目的 通过对自动喷泉PLC控制管理系统的工作原理的分析、系统模块设计、编程、及上机调试工作的实践，了解电器控制管理系统的一般设计思路，熟悉和掌握外围电路系统和软件设计的方法，并掌握PLC工作状况进行监控的方法. 1.2设计内容 有16个阀门（喷头），有4个选择按钮，如下图所示。实现四种以上的自动喷泉花样 主要内容包括： 1. 设计出硬件系统的结构图、接线. 系统有启动/停止按钮； 3. 实现四种以上的自动喷泉花样控制；（自己定义） 5. 程序结构与控制功能自行创新设计； 6. 进行系统调试，实现自动喷泉的控制要求。 7. 电机3KW,380V 1.3实现的目标 按照设计要求有16个彩灯代表16个喷头，有4个选择按钮，实现四种以上的自动喷泉花样，4个选择按钮分别控制4种喷泉花样，同时四种喷泉花样应该相互独立，按照要求设计出如下四种喷泉花样，喷泉一、喷泉二、喷泉三、喷泉四, 系统控制流程如下四个喷泉控制过程 喷泉一： 1 按下启动按钮X0，再按下SB1按钮选择花样喷泉1模式? 2?6号喷头先喷，1s后11号喷??????? 3?1s后7号喷，1s后10号喷???????? 4?同时喷5s后，6、7、10、11都停???????? 5?重复循环②--④步骤 喷泉二: 1 按下SB2选择花样喷泉2模式?????? 3号喷头先喷，2s后12号喷??????? 2s后14号喷头喷，2s后5号喷??????? 3、12、14、5同时喷10s??????? 5 重复循环②--④步骤 喷泉三: 1 按下SB3选择花样喷泉3模式 2 2、8、15、9同时先喷10s 再1s后一次间隔1s停 4 重复循环②--③步骤 喷泉四: 1 按下SB4选择花样喷泉4模式?????? ? 2?1、4、16、13同时喷? ? 3?1分钟后同时停? 4?重复循环②--③步骤 2方案论证 2.1方案比较 方案1：使用单片机控制花式喷泉 单片机的特点是控制性能和可靠性高，体积小、价格低、易于产品化。由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在智能仪表、机电一体化产品、实时工业控制家用电器等各个领域都获得了极其广泛的应用 自动喷泉的原理是利用控制器控制水泵的喷水的方式，此方案采用AT80C51系列单片机作为主控制器来控制喷泉的喷水方式。单片机的成本较低，适合用于控制小型的花式喷泉。单片机通过控制步进电机来控制电磁阀,实现对喷头流量的制,从而使喷泉水姿、灯光色彩产生变化。但采用单片机控制原理，是以可控硅作为功率开关元件，由于可控硅承受过电压、过电流的能力较差，因而不能长时间运行,单片机形式的喷泉如图2-1所示. 图2-1 单片机自动喷泉原理框图 方案二采用控制继电器来控制 继电器是指当输入量或激励量，满足某些规定的条件是能在一个或多个电器输出电路中产生跃变的一种器件?。今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域，他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。用继电器控制的花式喷泉现在显然不能满足高要求，一旦有一个继电器损坏，那将难以排除其故障 方案三:PLC喷泉控制 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable?Logic?Controller，PLC)取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各国得到了广泛应用。 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.PLC形式的自动喷泉如图2-2所示 图2-2 PLC自动喷泉原理图 2.2方案选择 根据比较，单片机控制系统用于喷泉控制是完全可行的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。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. 继电器控制系统大多都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果,所以根据综合分析最终选择PLC控制器来控制花式喷泉。这样更经济、耐用和适合时代的大潮流. 3硬件设计 3.1系统的原理框图 在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC:因为有4层喷水，因此用了1个变额器来控制4个水泵。自动喷泉控制系统的原理图如图3-1所示 图3-1 自动喷泉控制系统原理图 3.2主电路 主电路主要有四台电动机和变频器组成,合上开关QS接通三相电源,然后合上开关QS1使变频器接通三相电源,如果需要第一层喷泉喷，则合上QS2，KM1，KM2。其他的依次类推。其接线?变频器和水泵的接线 I/O分配 通过对系统的分析,我进行了I/O分配,分配情况如表3-1所示 表3-1 I/0口分配表 3.4 I/O接线图 系统 外部接线 系统I/O接线元器件选型 PLC选型 在PLC系统模块设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制管理系统 输入输出（I/O）点数的估算:I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%~20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据 存储器容量的估算: 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替控制功能的选择: 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。根据本课题所设计控制的需求通过对输入/输出点的选择、对存储量的选择,对I/O响应时间的选择输出负载的特点选型的分许。该控制系统选用三菱公司FX2N系列的PLC。它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的链接，可以增加输入/输出点数。我设计的花式喷泉模型共有6个输入，16个输出，因此，选用型号为FX2N-48MR的PLC 变频器选型 我设计的是通过变频器调速技术来控制每环喷水管的高度。我选FR-S520?(S)E系列变频调速器 （3）水泵的选型 由于喷泉的水泵必须满足大功率快速精确起停，而且其输出功率必须能够精确的进行控制。我选用品牌为DESHB(德士比)的QYPI00-4.5-2.2喷泉泵。具有以下优点：结构紧凑：无需引水、使用简便：双端密封、电器保护；设计合理、性能优良：经久耐用、安全可靠。并且水泵出口采用圆法兰结构，电机为F级绝缘，适用于音乐喷泉等场合对电机频繁启动的要求，叶轮具有防松装置，不怕反转。其实物图见其图3-4所示 图3-4 QYP喷泉泵的实物图 4软件设计 4.1主流程 根据喷泉一、喷泉二、喷泉三、喷泉四的控制要求，画出PLC控制系统控制自动喷泉的程序流程图，首先通过启动按钮来控制PLC的开关，由选择按钮SB1、SB2、SB3、SB4来控制喷泉的四种花样模式。流程图如下图4-1所示 图4-1 自动喷泉程序流程图 4.2梯形图 5系统调试 PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止,本次调试为模拟调试,调试结果如下图所示 : 喷泉模式一调试结果如图5-1所示: 图5-1 喷泉模式一调试结果图 按下启动按钮,再按下花样选择开关SB1,选择模式一, 6号喷头先喷，1s后1号喷1s后7号喷，1s后10号喷,同时喷5s后，6、7、10、11都停,如果不按其他花样选择开关或停止按钮,将继续重复上述过程. 喷泉模式二调试结果如图5-2所示 图5-2 喷泉模式二调试结果图 按下SB2选择花样喷泉2模式,3号喷头先喷，2s后12号喷2s后14号喷头喷，2s后5号喷,3、12、14、5同时喷10s, 如果不按其他花样选择开关或停止按钮,将继续重复上述过程. 喷泉模式三调试结果如图5-3所示 图5-3 喷泉模式三调试结果图 按下SB3选择花样喷泉3模式,2、8、15、9同时先喷10再1s后一次间隔1s停如果不按其他花样选择开关或停止按钮,将继续重复上述过程. 喷泉模式四调试结果如图5-4所示 图5-4喷泉模式四调试结果图 按下SB4选择花样喷泉4模式1、4、16、13同时喷?1分钟后同时停, 如果不按其他花样选择开关或停止按钮,将继续重复上述过程 设计心得 两周来所做PLC的设计，让我进一步对PLC的应用及功能做了了解，对软件梯形图的应用也变的熟练。我掌握了更多关于自动控制系统的知识，明白了自动喷泉控制系统的组成，FX2N-48MR的PLC的功能及特点。无论是在硬件还是软件设计上，我都遇到了不少的问题，在克服困难的过程中，我学到了许多，特别是在课堂上学不到的东西。使我重新系统的学习了网络测控，可编程控制器等课程，熟悉掌握了PLC的使用。对一个系统的设计步骤有了清楚的了解，并掌握了一个系统的设计过程。学会了如何发现问题，解决问题。并在查阅资料的过程中对问题的认识和问题的解决提出了新的见解，分析问题出现的原因，使得对问题理解也更加深刻。 我觉得本次设计最大的优点就是采用PLC设计自动喷泉控制系统，而没有采用单片来设计，虽然是用单片机也能完成本次设计，但是采用PLC，不但价格低廉，而且系统整体造价会比工控机低，而且不会降低系统的稳定性?。但是我觉得本次设计还是有许多的不足，首先，我觉得在梯形图设计上，没有设计出较完整的方案，而且我的原件选型方面，做的还不严谨。不过能够设计出本套装置系统，是自动喷泉可以完成四种花型，解电器控制系统的一般设计思路，熟悉和掌握外围电路系统和软件设计的方法，并掌握利PLC工作状况做监控的方法。我觉得这就是本次设计的重要意义。 参考文献 [1]?陈贵银.单片机原理及接口技术?.北京：电子工业出版社，2004.1? [2]?王雅芳.驱动电路设计与应用.北京：机械工业版社，2004.7? [3]?俞国亮.PLC原理与应用（三菱FX系列）.北京：清华大学出版社，2005.6? [4]?谢克明、夏路易.可编程控制器原理与程序设计.??北京：电子工业出版社? [5]?张兴国.可编程控制器技术及应用.北京：中国电力出版社，2006? [6]?陶权.PLC控制管理系统设计、安装与调试.北京：北京理工大学出版社，2006.3? [7]?宋德玉.可编程序控制器原理及应用系统设计技术.北京：冶金工业出版2001? 附录1元件清单 名称 型号(参数) 个数 电机 3KV,380V 4 PLC FX2N-48MR 1 水泵 QYPIOO-4.5-2.2 1 电源 24V 2 电源 220V 1 彩灯 16 选择按钮 4 附录二语句表 LD X000 OUT T3 OR M0 K10 ANI X001 MRD OUT M0 AND T3 AND X002 OUT Y012 OR M1 OUT T4 ANI X001 K50 OUT M1 MPP LD M1 AND T4 ANI M30 OUT M30 MPS OUT CJ P1 OUT Y006 以上是喷泉模式一的语句表，按下启动按钮X000， MRD 再按下花样选择按钮X002，就启动了模式一。 OUT T1 K10 LD M0 MRD AND X003 AND T1 OR M3 OUT Y013 ANI X001 OUT T2 OUT M3 K10 LD M3 MPP ANI M104 AND T2 OUT Y003 OUT M2 OUT T5 LD M2 K20 ANI M30 LD T5 MPS ANI M104 OUT Y007 OUT Y014 MRD OUT T6 K20 LD M4 LD T5 ANI T10 ANI M104 OUT Y010 OUT Y014 LD M4 OUT T6 ANI T11 K20 OUT Y017 LD T6 LD M4 ANI M104 ANI T12 OUT Y016 OUT Y011 OUT T7 OUT T13 K20 K100 LD T6 LD T13 ANI M104 ANI T12 OUT Y005 OUT T9 OUT T8 K100 K100 LD T9 LD T8 OUT T10 OUT M104 K10 OUT CJ P2 LD T10 以上是喷泉模式二语句表 OUT T11 按下花样选择开关X003,就 K10 启动模式二 LD T11 LD M0 OUT T12 AND X004 K10 OR M4 LD T12 ANI X001 OUT CJ P3 OUT M4 以上是喷泉模式三语句表，按下花样选择开关X004， LD M4 就启动模式三 ANI T9 OUT Y002 LD M0 AND X005 OR M5 ANI X001 OUT M5 LD M5 ANI T14 OUT Y001 LD M5 ANI T14 OUT Y004 LD M5 ANI T14 OUT Y020 LD M5 ANI T14 OUT Y015 OUT T14 K600 LD T14 OUT CJ P4 END 以上是模式四语句表，按下花样选择开关X005，就启动模式四。 I 1 成绩： 指导老师签名： 日期： P1 P2 P3 P4
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