- 相關推薦
PLC控制的花樣噴泉系統
PLC控制的花樣噴泉系統
目錄
1.內容摘要......................................3
2.PLC簡介.......................................3
2.1.PLC概述...................................3
2.2PLC的產生..................................4
2.3.PLC的應用領域.............................4
2.4.PLC的應用特點.............................5
3.花樣噴泉系統的設計.............................7
3.1控制要求....................................7
3.2花樣噴泉的設計方案..........................8
3.3模擬量I/O模塊的選擇.......................13
3.4特殊功能模塊的選擇.........................13
3.5系統I/O分配表.............................13
3.6 PLC外部接線圖.............................14
參考文獻........................................15
設計總結........................................16
PLC控制的花樣噴泉系統
內容摘要：花樣噴泉的核心是PLC，即可編程序控制器，是一種以微處理器為核心、帶有指令存儲器和輸入輸出接口、綜合了微電子技術、計算機技術、自動控制技術、通信技術的新一代工業控制裝置。它能夠存儲和執行指令，進行位置控制、邏輯控制、順序控制、定時、計數和算術運算等操作，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。它不僅充分發揮了計算機的優點，以滿足各種工業生產過程自動控制的需要，同時又照顧一般電氣操作人員的技術水平和習慣，采用梯形圖或狀態流程圖等編輯方式，使PLC的使用始終保持大眾化的特點。
關鍵詞：PLC 花樣噴泉 工業控制 大眾化
近年來我國經濟的不斷發展，物質生活水平的提高促使著人們迫切的追求更高的生活享受，于是大大小小的公園如雨后春筍般出現在新的城市規劃中，其中必然會修建一些噴泉供人們休閑、觀賞。這些噴泉按一定的規律改變噴水式樣，如果再與五顏六色的燈光相配合，在和諧優雅的音樂中，更是令人心曠神怡，流連忘返。其中PLC控制的花樣噴泉更是作為佼佼者，以其簡單的操作方法和絢爛的視覺效果飽受人們的稱贊。本文講述的是如何利用PLC控制噴泉噴水方式，從而產生產生各樣的樣式。
一、 PLC的簡介
（一） PLC的概述
可編程控制器是繼電器控制和計算機控制出上開發的產品，逐漸發展成以微器處理為核心把自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業自動控制裝置。早期的可編程控制器在功能上只進行邏輯控制，稱為可編程邏輯控制器（programmable logic controller）簡稱PLC。隨著技術的發展，
其控制功能不斷增強。現在的可編程控制還可進行算術運算、模擬量控制，因此，美國電器制造協會（NEMA）于1980年將它命名為可編程控制器（Programmable controller) 簡稱PC。但容易同個人計算機（ personal computer）相混淆，現又把可編程控制器稱為PLC。它已基本上替代傳統的繼電器控制系統，成為工業自動化領域中最重要、應用最多的控制裝置，居工業生產自動化三大支柱（可編程控制器、機器人、計算機輔助設計與制造）的首位。1987年2月，國際電工委員會頒布可編程控制器標準草案中將其進一步定義為：“可編程控制器式一種數字運算操作的電子系統，轉為在工業環境下應用而設計，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、技術和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程
（二） PLC的產生
PLC是在激烈的市場競爭中產生的，20世紀60年代么末，美國汽車制造業競爭激烈。為適應生產工藝不斷更新的需要，美國通用汽車公司（GM）對控制系統提出要求為：（1）能替代由各種繼電器、定時器、接觸器及其主令電器等按一定的邏輯關系用導線連接起來的控制系統，由傳統的繼電——接觸器控制，它簡單易懂，價格低廉，能夠滿足生產工藝改動頻繁的需要；（2）編程簡單；（3）模塊式結構；（4）輸入、輸出電壓為交流115V(美國標準)，輸出能直接驅動繼電器和電磁閥；（5）抗電磁干擾強；（6）具有數據通信功能。就是把繼電——接觸器控制的優點與計算機的功能齊全、靈活性、通用性強的特點結合起來，用計算機的編程軟件邏輯易于修改來代替繼電——接觸器控制的硬接線邏輯不易修改。美國數字設備公司（DEC）在1969年根據上述要求，研制出世界上首臺可編程控制器，并在美國通用汽車公司的汽車裝配現上應用成功，實現了生產裝配線的自動控制。
（三） PLC的應用領域
目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況主要分為如下幾類：
1.開關量邏輯控制
取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。
2.工業過程控制
在工業生產過程當中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續變化的量（即模擬量），PLC采用相應的A/D和D/A轉換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的一種調節方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。
3.運動控制
PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。
4.數據處理
PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。數據處理一般用于如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。
5.通信及聯網
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著工廠自動化網絡的發展，現在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
（四） PLC的應用特點
1.可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統將極高的可靠性。
2.配套齊全，功能完善，適用性強
PLC發展到今天，已經形成了各種規模的系列化產品，可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。多種多樣的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。
3.易學易用，深受工程技術人員歡迎
PLC是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人從事工業控制打開了方便之門。
4.系統的設計，工作量小，維護方便，容易改造
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時日常維護也變得容易起來，更重要的是使同一設備經過改變程序而改變生產過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產場合。
（2）安裝與布線
● 動力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應分別配線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應采用雙膠線連接。將PLC的IO線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內，分開捆扎交流線、直流線，若條件允許，分槽走線最好，這不僅能使其有盡可能大的空間距離，并能將干擾降到最低限度。
● PLC應遠離強干擾源如電焊機、大功率硅整流裝置和大型動力設備，不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內。在柜內PLC應遠離動力線（二者之間距離應大于300mm）。與PLC裝在同一個柜子內的電感性負載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應并聯RC消弧電路。
● PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10.
（3）I/O端的接線
輸入接線
● 輸入接線一般不要太長。但如果環境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。
● 輸入/輸出線不能用同一根電纜，輸入/輸出線要分開。
● 盡可能采用常開觸點形式連接到輸入端，使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致，便于閱讀。
輸出連接
● 輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。在不同組中，可采用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。
● 由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負載短路，將燒毀印制電路板。
● 采用繼電器輸出時，所承受的電感性負載的大小，會影響到繼電器的使用壽命，因此，使用電感性負載時應合理選擇，或加隔離繼電器。
● PLC的輸出負載可能產生干擾，因此要采取措施加以控制，如直流輸出的續流管保護，交流輸出的阻容吸收電路，晶體管及雙向晶閘管輸出的旁路電阻保護。
二、花樣噴泉系統的設計
（一）控制要求
本設計花樣噴泉模型如下:
如圖:
4號為中間噴頭，3號為內環狀噴頭，2號為一次外環狀噴頭，1號為外環狀噴頭。
1.花樣控制的幾種模式
（1）按下啟動按鈕，噴泉控制裝置開始工作，按下停止按鈕，噴泉控制裝置停止工作。
（2）噴泉的工作方式由花樣選擇開關和單步/連續開關決定。
（3）當單步/連續開關在單步位置時，噴泉只能按照花樣選擇開關設置的方式運行一個循環。
（4）花樣選擇開關用于選擇噴泉的噴水花樣，現考慮4種噴水花樣。
2.各種模式的動作狀態
（1）花樣選擇開關位置1時，按下啟動按鈕后，4號噴頭噴水，延時3s后，3號噴頭噴水，再延時2s，2號噴頭噴水，又延時2s，1號噴頭噴水。18s后，如果為單步工作方式，則停下來。如果為連續工作方式，則繼續循環下去。
（2）花樣選擇開關的位置2時，按下啟動按鈕后，1號、3號噴頭同時噴水，延時3s后，2號、4號噴頭，1號、3號噴頭停止噴水。如此循環5次后，4組噴頭全噴水，30s后，如果為單步工作方式，則停下來。如果為連續工作方式，則繼續循環下去。
（3）花樣選擇開光的位置3時，按下啟動按鈕后，1號噴頭噴水，延時2s后，2號噴頭噴水，再延時2s后，3號噴頭噴水，又延時2s后，4號噴頭噴水。30s后，如果為單步工作方式，則停下來。如果為連續工作方式，則繼續循環下去。
（4）花樣選擇開關位置4時，按下啟動按鈕后，按照1→2→3→4的順序，依次間隔2s噴水，然后一起噴水。30s后，按照1→2→3→4的順序，分別延時2s，依次停止噴水。再經1s延時，按照4→3→2→1的順序，依次間隔2s噴水，然后一起噴水。30s后停止。如果為單步工作方式，則停下來。如果為連續工作方式，則繼續循環下去。
（二）花樣噴泉的設計方案
1.軟件的設計
（1）噴泉控制流程圖
（2）系統程序的設計
本次系統為了方便模擬,選擇用PLC梯形圖語言設計。
（3）部分程序介紹
①花樣選擇程序
花樣選擇開關SB4,SB5,SB6,SB7任意一個按下,如SB4按下,則按下啟動按鈕后，4號噴頭噴水，延時3s后，3號噴頭噴水，再延時2s，2號噴頭噴水，又延時2s，1號噴頭噴水。18s后，如果為單步工作方式，則停下來。如果為連續工作方式，則繼續循環下去
2.PLC型號的選擇
對于小的系統，如80點以內的系統．一般不需要擴展；當系統較大時，就要擴展。不同公司的產品，對系統總點數及擴展模塊的數量都有限制，當擴展仍不能滿足要求時，可采用網絡結構；同時，有些廠家產品的個別指令不支持擴展模塊，因此，在進行軟件編制時要注意。當采用溫度等模擬模塊時，各廠家也有一些規定，請看相關的技術手冊。各公司的擴展模塊種類很多，如單輸入模塊、單輸出模塊、輸入輸出模塊、溫度模塊、高速輸入模塊等。 PLC的這種模塊化設計為用戶的產品開發提供了方便。
3．PLC的網絡設計
當用PLC進行網絡設計時，其難度比PLC單機控制大得多。首先你應選用自己較熟悉的機型，對其基本指令和功能指令有較深入的了解，并且指令的執行速
度和用戶程序存儲容量也應仔細了解。否則，不能適應你的實時要求，造成系統崩潰。另外，對通信接口、通信協議、數據傳送速度等也要考慮。最后，還要向 PLC的商家尋求網絡設計和軟件技術支持及詳細的技術資料，至于選用幾層工作站，依你的系統大小而定。
4.軟件編制
在編制軟件前，應首先熟悉所選用的 PLC產品的軟件說明書，待熟練后再編程。若用圖形編程器或軟件包編程，則可直接編程，若用手持編程器編程，應先畫出梯形圖，然后編程，這樣可少出錯，速度也快。編程結束后先空調程序，待各個動作正常后，再在設備上調試。
5．確定所選PLC
從上面的分析可以知道，系統共有開關量輸入點8個，開關量輸出點8個，參照三菱FX2N PLC產品目錄及市場實際價格，選用主機為FX2N 48MR的PLC為系統核心控制.
6.花樣噴泉I/O分配
（1）PLCI/O的分配簡介
一般I／O模塊的價格占PLC價格的一半以上。PLC的I／O模塊有開關量I／O模塊、模擬量I／O模塊及各種特殊功能模塊等。不同的I／O模塊，其電路及功能也不同，直接影響PLC的應用范圍和價格，應當根據實際需要加以選擇。
①輸入信號的類型及電壓等級
開關量輸入模塊有直流輸入、交流輸入和交流／直流輸入三種類型。選擇時主要根據現場輸入信號和周圍環境因素等。直流輸入模塊的延遲時間較短，還可以直接與接近開關、光電開關等電子輸入設備連接；交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環境下使用。
開關量輸入模塊的輸入信號的電壓等級有：直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。選擇時主要根據現場輸入設備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5V、12V、24V用于傳輸距離較近場合，如5V輸入模塊最遠不得超過10米。距離較遠的應選用輸入電壓等級較高的模塊。
②輸入接線方式
開關量輸入模塊主要有匯點式和分組式兩種接線方式。
匯點式的開關量輸入模塊所有輸入點共用一個公共端（COM）；而分組式的開關量輸入模塊是將輸入點分成若干組，每一組（幾個輸入點）有一個公共端，各組之間是分隔的。分組式的開關量輸入模塊價格較匯點式的高，如果輸入信號之間不需要分隔，一般選用匯點式的。
③注意同時接通的輸入點數量
對于選用高密度的輸入模塊(如32點、48點等)，應考慮該模塊同時接通的點數一般不要超過輸入點數的60％。
④輸入門檻電平
為了提高系統的可靠性，必須考慮輸入門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也越遠，具體可參閱PLC說明書。
（2）開關量輸入模塊的選擇
開關量輸出模塊是將PLC內部低電壓信號轉換成驅動外部輸出設備的開關信號，并實現PLC內外信號的電氣隔離。選擇時主要應考慮以下幾個方面：
①輸出方式
開關量輸出模塊有繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式。
繼電器輸出的價格便宜，既可以用于驅動交流負載，又可用于直流負載，而且適用的電壓大小范圍較寬、導通壓降小，同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，但其屬于有觸點元件，動作速度較慢（驅動感性負載時，觸點動作頻率不得超過1HZ）、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場合。
對于頻繁通斷的負載，應該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無觸點元件。但晶閘管輸出只能用于交流負載，而晶體管輸出只能用于直流負載。
分組式輸出、分隔式輸出
組式輸出是幾個輸出點為一組，一組有一個公共端，各組之間是分隔的，可分別用于驅動不同電源的外部輸出設備；分隔式輸出是每一個輸出點就有一個公共端，各輸出點之間相互隔離。選擇時主要根據PLC輸出設備的電源類型和電壓等級的多少而定。一般整體式PLC既有分組式輸出，也有分隔式輸出。
開關量輸出模塊的輸出電流(驅動能力)必須大于PLC外接輸出設備的額定電流。用戶應根據實際輸出設備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實際輸出設備的電流較大，輸出模塊無法直接驅動，可增加中間放大環節。
②注意同時接通的輸出點數量
選擇開關量輸出模塊時，還應考慮能同時接通的輸出點數量。同時接通輸出設備的累計電流值必須小于公共端所允許通過的電流值，如一個220V／2A的8點輸出模塊，每個輸出點可承受2A的電流，但輸出公共端允許通過的電流并不是16A(8×2A)，通常要比此值小得多。一般來講，同時接通的點數不要超出同一公共端輸出點數的60％。
③輸出的最大電流與負載類型、環境溫度等因素有關
開關量輸出模塊的技術指標，它與不同的負載類型密切相關，特別是輸出的最大電流。另外，晶閘管的最大輸出電流隨環境溫度升高會降低，在實際使用中也應注意。
（三）模擬量I/O模塊的選擇
模擬量I／O模塊的主要功能是數據轉換，并與PLC內部總線相連，同時為了安全也有電氣隔離功能。模擬量輸入（A／D）模塊是將現場由傳感器檢測而產生的連續的模擬量信號轉換成PLC內部可接受的數字量；模擬量輸出(D／A)模塊是將PLC內部的數字量轉換為模擬量信號輸出。
典型模擬量I／O模塊的量程為-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根據實際需要選用，同時還應考慮其分辨率和轉換精度等因素。
（四）特殊功能模塊的選擇
目前，PLC制造廠家相繼推出了一些具有特殊功能的I／O模塊，有的還推出了自帶CPU的智能型I／O模塊，如高速計數器、凸輪模擬器、位置控制模塊、PID控制模塊、通信模塊等.
（五）系統I/O分配表
輸入
X000 啟動(SB0)
X001 停止(SB1)
X002 連續循環(SB2)
X003 單步(SB3)
X004 花樣1檔(SB4)
X005 花樣2檔(SB5)
X006 花樣3檔(SB6)
X007 花樣4檔(SB7)
輸出
Y001 1號噴頭(KM1)
Y002 2號噴頭(KM2)
Y003 3號噴頭(KM3)
Y004 4號噴頭(KM4)
（六）PLC外部接線圖
接據系統控制要求,PLC外部接線圖如下:
1.接通電源,按下啟動按紐SB0,X000有信號輸入,PLC處于待命狀態,
2.花樣選擇開關,SB4,SB5,SB6,SB7,任意一開關接通,對應的PLC輸入點X004,X005,X006,X007有信號輸入,PLC處于相應選擇的工作狀態,
3.當按SB3,對應X003觸發,PLC處于單步運轉狀態,
4.按下SB1,對應經X001斷開,PLC停止工作.
詳細過程如下:
1.當按下開關SB0,單步開關SB3斷開,如選擇開關SB4接通,剛PLC輸出點Y007輸出信號,KM4接通相聯接的4號噴頭,同時開始計時,兩秒后動作接通Y005相對應的KM3接通聯接的3號噴頭,開始計時,兩秒后動作接通Y004,相對應的KM2接通聯接的2號噴頭,同理,在兩秒后,接通1號噴頭,再接通4號循環下去......
2.在一的過程,如SB3接通的情況下,剛在一個過程后,自動停止.
3.同樣,當選擇其他位置開關,PLC按設定程序進行工作.
參考文獻：
1.孫平，《可編程控制器原理及應用》，高等教育出版社，2003年1月第二版。
2.張運波，《工廠電氣控制技術》，高等教育出版社，2001年7月第一版。
3.王永華，《現代電氣及可編程控制技術》，北京航空航天大學出版社，2002年9月第一版。
4.任志錦，《電氣與電氣控制》，機械工業出版社，2003年2月第一版。
5程周，《可編程控制器原理及應用》，高等教育出版社，2003年4月第四版。
6.胡學林，《可編程控制器應用技術》，高等教育出版社，2001年8月第二版。
設計總結
本次畢業設計我以PLC為基本嵌入點，用來設計大眾化的噴泉景觀，作為機電專業的畢業生，一方面綜合應用了機電一體化的專業知識，同時優化了噴泉，可以為實際生活帶來更多的便利。在設計中,我遇到了不少問題,通過自己努力研究,把它們一個一個解決了,系統模擬非常成功,總的來說,這次設計不難,關鍵在于細心,有時一些小問題,讓我走了很多彎路,真正讓我感覺到了學以致用的重要性.三年來，我認真地學習了專業課程基礎知識，具有一定的設計理論基礎和獨立設計能力，由于畢業設計的課題是一種整體性的，系統性的設計，我真的是很努力地在做，但還是感到力不從心，因而這次設計在深度和廣度上都有一定的局限性，不過，我認為還是提高了認識，學到了東西。
在即將畢業之際，我想借此機會對關心和支持我的所有人表示感謝！
感謝工程系的各位老師尤其是我的指導老師李素平老師，在她的悉心指導下，我才得以完成畢業設計。另外，在整個設計的過程中，我還得到了同組其他同學的真誠幫助，在此一并表示感謝！
大學生活即將結束，我感到自己樹立了正確的世界觀、人生觀、價值觀。在此，我感謝學院領導和班主任老師，是他們教會我做人的道理。
回顧這三年的學習和生活，還有許多的朋友和同學在各個方面給予了我很多的幫助和支持，讓我堅持到了最后。在此我要感謝所有關心和愛護我的人，今后我會繼續努力，不辜負您們對我的期望！
【PLC控制的花樣噴泉系統】相關文章：
淺析PLC控制系統的設計方法概要11-22
基于壓鑄機的PLC 控制系統(一)03-07
PLC在推塊分揀機控制系統中的應用03-07
基于PLC的關節型機器人控制系統設計03-07
PLC在冰蓄冷中央空調系統控制中的應用03-20
基于PLC的閘門監控系統設計03-07
基于PLC的電機調速系統設計12-07