多花样喷泉设计研究毕业论文.docx
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多花样喷泉设计研究毕业论文
中国传媒大学
专业学位硕士学位论文
多花样喷泉设计研究
TheOperatingTheoryofEssentialTruthinJournalism
作者姓名:
学科、专业:
学号:
指导教师:
完成日期:
ShandongUniversity
摘要......................................................1
绪论.....................................................3
1.PLC概述...............................................5
1.1PLC的产生..........................................6
1.2PLC的结构..........................................6
1.3PLC的使用领域......................................8
1.4PLC的使用特点......................................9
2.概述及设计目的......................................10
2.1概述...............................................10
2.2设计目的...........................................11
2.3研究思路和方法.....................................11
3.花样喷泉系统的设计..................................12
3.1PLC型号的选择......................................12
3.2PLCI/O的分配......................................15
3.3开关量输入模块的选择................................17
3.4特殊功能模块的选择..................................19
3.5喷泉水柱的分布......................................
3.6喷泉及其参数的选择..................................
3.7多样喷泉的方案......................................19
3.8多花样喷泉设计原理..................................23
3.9多花样喷泉设计原理图................................24
4.设计过程...............................................25
4.1启动和停止的设计.....................................25
4.2花样喷泉控制以及单步控制设计.........................25
4.3程序梯形图...........................................26
4.4仿真效果.............................................29
5.程序调试...............................................31
6.设计优缺点.............................................36
7.设计体会...............................................36
8.感谢词.................................................26
9.参考文献...............................................37
10.附录一........................................
11.附录二...............................................
摘要
在游人和居民经常光顾的场所,如公园、广场、旅游景点及一些知名建筑前,经常会修建一些喷泉供人们休闲、观赏。
这些喷泉按一定的规律改变喷水式样,如果再和五颜六色的灯光相配合,在和谐优雅的音乐中,更使人心旷神怡,流连忘返。
本设计讲述的是如何利用PLC控制喷泉喷水方式,产生各样的样式,并给出了花式喷泉的喷水花样,选择西门子的PLC作为控制器,分配了4种喷水花样下PLC的I/O接口、设计了PLC的外部接线图及控制梯形图,同时用组态王软件完成了花式喷泉系统人机界面的设计,通过人机屏面和西门子PLC之间的通讯,实现了小型喷泉系统的PLC控制。
关键词:
PLC 喷泉 控制系统 控制组态
ABSTRACT
theplacewhichpatronizesfrequentlyinthetouristandtheresident,beforelikethepark,thesquare,thescenicsiteandsomewell-knownconstructions,willconstructsomeeruptivefountainstosupplythepeopleleisure,watchingfrequently.Theseeruptivefountainsaccordingtocertainrulechangesprayingofwatermodel,ifcoordinatesagainwiththecolorfullight,inwiththeharmoniousgracefulmusic,causesthehumantobecompletelyrelaxed,forgetstoreturn.WhatthisarticlenarratedishowusingthePLCcontroleruptivefountainsprayingofwaterway,hasallkindsstyles.Forepatternsofthefountainweregiven.ThedistributionofPLCisinput/outputinterfacewasdescribedunderthosepatterns.Theexternalhookupandladderdiagramsweredesignedalsointhispaper.Theconfigurationrealizationofthesystemwasintroduced.ConfigurationdynamicsimulationwascompletedbycommunicatingtheconfigurationsoftwareandthePLChardwareofSIEMENS.
keyword:
PLCeruptivefountaincontrolsystemControlConfiguration
绪论
喷泉是人工环境中最富有生命力的喷泉,它具有分隔空间、增加层次、净化空气美化环境的作用,具有美化环境的功能,常常博得观赏者的喜爱。
喷泉水景首次在我国兴建是18世纪中期,北京圆明园(又名长春园)中的“西洋楼”建筑提升到高处的蓄水池(180m3)里,然后通过管道供给喷泉。
近代,国内外随着城市和工业的发展,改善城市环境,兴建自然景观日益增多。
因而水景的艺术形式和规模都有很大发展。
现代高科技把美妙的音乐、多姿的喷泉造型、五彩缤纷的水下灯光、神奇的激光图文,通过电脑有机的结合在一起,给人以音乐声响、视觉形象、色彩变换三位一体的超自然享受。
随着我国人民物质生活水平的不断提高,对于精神生活的要求也在不断提高,为进一步改造环境景观,建设一个喷泉是很有必要的。
随着科学技术的不断发展和生活水平的不断提高,尤其是喷泉在城市和社区环境建设中起着尤其重要的作用。
当今喷泉工程和高新技术的结合正是历史发展的必然趋势,由于喷泉工程中采用了大量的高新技术,从而使喷泉效果更加绚丽多彩,婀娜多姿,令人赏心悦目、流连忘返。
本次的毕业设计是一个以西门子S7-200PLC控制为核心的花样喷泉控制系统的设计。
花样喷泉在PLC的控制之下,喷出各种各样的水柱,给人以一种视觉上美的享受。
1.PLC概述
可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品,逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。
早期的可编程控制器在功能上只进行逻辑控制,称为可编程逻辑控制(programmablelogiccontroller)简称PLC。
随着技术的发展,其控制功能不断增强。
现在的可编程控制还可进行算术运算、模拟量控制,因此,美国电器制造协会(NEMA)于1980年将它命名为可编程控制器(Programmablecontroller)简称PC。
但容易同个人计算机(personalcomputer)相混淆,现又把可编程控制器称为PLC。
它已基本上替代传统的继电器控制系统,成为工业自动化领域中最重要、使用最多的控制装置,居工业生产自动化三大支柱(可编程控制器、机器人、计算机辅助设计和制造)的首位。
1987年2月,国际电工委员会颁布可编程控制器标准草案中将其进一步定义为:
“可编程控制器式一种数字运算操作的电子系统,转为在工业环境下使用而设计,它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
1.1PLC的产生
PLC是在激烈的市场竞争中产生的,20世纪60年代么末,美国汽车制造业竞争激烈。
为适应生产工艺不断更新的需要,美国通用汽车公司(GM)对控制系统提出要求为:
(1)能替代由各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统,由传统的继电——接触器控制,它简单易懂,价格低廉,能够满足生产工艺改动频繁的需要;
(2)编程简单;(3)模块式结构;(4)输入、输出电压为交流115V(美国标准),输出能直接驱动继电器和电磁阀;(5)抗电磁干扰强;(6)具有数据通信功能。
就是把继电——接触器控制的优点和计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来,用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电——接触器控制的硬接线逻辑不易修改。
美国数字设备公司(DEC)在1969年根据上述要求,研制出世界上首台可编程控制器,并在美国通用汽车公司的汽车装配现上使用成功,实现了生产装配线的自动控制。
1.2PLC的结构
PLC和一般的微型计算机基本相同,也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM,ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。
各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。
其结构简图1-1如下:
图1-1PLC硬件结构图
PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合,通常可分为系统程序和用户程序两大部分。
系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分,由PLC厂家提供,用于控制PLC本身的运行,系统程序固化在EPROM中。
用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。
硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统,他们是相辅相成,缺一不可的。
1.3PLC的使用领域
目前,PLC在国内外已广泛使用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况主要分为如下几类:
1.开关量逻辑控制
取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2.工业过程控制
在工业生产过程当中,存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量),PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的使用。
3.运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
一般使用专用的运动控制模块,如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4.数据处理
PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
5.通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC和其它智能设备间的通信。
随着工厂自动化网络的发展,现在的PLC都具有通信接口,通信非常方便
1.4PLC的使用特点
1.可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在使用软件中,使用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统将极高的可靠性。
2.配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了各种规模的系列化产品,可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
多种多样的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号和表达方式和继电器电路图相当接近,为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计,工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时日常维护也变得容易起来,更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
这特别适合多品种、小批量的生产场合。
2.概述及设计目的
2.1概述
随着人们的生活日趋小康,一些必要的美化设施逐渐兴起,各式各样的广场花园越来越多,喷泉作为一项建筑艺术,在国内外均有较悠久的历史。
人们随着生活水平的提高,对美化住宅小区以及别墅环境的要求也越来越高,小型音乐喷泉成为一个发展方向。
目前的水景喷泉一般包括:
固定水景、时控喷泉、程控喷泉、声控喷泉、音乐喷泉5类,控制方式的复杂程度由低到高。
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,若需要改变喷水花样和喷水时间,不必做很大调整,只要相应修改控制程序,即可实现控制目的。
这样的地方又怎能少了喷泉呢?
多花样喷泉形式多样,常常能吸引人们的眼球,同时水又增加了环境的灵动性,多花样喷泉已经成为人们建造各类娱乐广场的必需设施。
那些控制简便,花样较多,价格低廉的喷泉慢慢成为建设者的首选。
现今,多花样喷泉的制造,延袭传统,结合现代,正日益成为人们或出于对环境的追求,或为了居室的美化,等等,而得到众多品位人士的追求。
本设计的多花样喷泉采用西门子编程软件进行PLC编程,利用PLC的工作原理,结合按钮、开关、电源电路进行设计,将软件和硬件有机地结合起来,使得系统能够实现多花样喷泉各种模式的变化以及控制。
2.2设计目的
通过对实例工程的模拟,熟悉掌握了PLC编程和程序调试方法。
进一步了解PLC的I/O连接。
进一步熟悉定时移位的编程指令的使用,用PLC构成喷泉系,学习电气可编程中的基本实验器件及PLC编程等的综合使用。
巩固和加深对PLC编程控制器的理解和使用。
掌握硬件实验装置的方法。
2.3研究思路和方法
本次设计的题目是花样喷泉系统,本设计基于西门子S7-200PLC编程,设计了花样喷泉系统。
花样喷泉控制系统的主要任务就是改变喷泉的喷水样式,以达到有规律的改变喷泉喷水样式的目的。
按下启动按钮,喷泉装置开始工作,按下停止按钮,喷泉控制装置停止工作。
喷泉工作方式由花样选择开关和单步∕连续开关决定。
当单步∕连续开关选择单步时,喷泉只能按照花样选择开关设定的方式,运行一个循环;当单步∕连续开关选择连续时,喷泉按照花样选择开关设定的方式,运行多个循环,直至按下停止按钮。
花样循环方式选择开关用于选择喷泉的喷水花样,本文设计四种喷水花样循环。
PLC控制系统体积小、功能强、可靠性高,且具有较大的灵活性和可扩展性的特点。
用PLC花样喷泉控制系统,不但实现了自动转换花样喷泉的喷水样式,提高了系统的可靠性和安全性,而且,美化了我们的生活环境,使我们的生活环境更加安逸、舒适。
因此PLC控制系统具有一定的工程使用和推广价值。
3.花样喷泉系统的设计
3.1PLC型号的选择
PLC产品的种类繁多。
PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。
因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC机型的选择
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。
选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。
一合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中;而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数和输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。
二安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低;远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源;多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。
三相应的功能要求
一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档PLC。
但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
四响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其使用范围内的需要。
如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
五系统可靠性的要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。
对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。
六机型尽量统一
一个企业,应尽量做到PLC的机型统一。
主要考虑到以下三方面问题:
1)机型统一,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理。
2)机型统一,其功能和使用方法类似,有利于技术力量的培训和技术水平的提高。
3)机型统一,其外部设备通用,资源可共享,易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。
综上,本设计选择西门子S7-200PLC。
3.2PLCI/O的分配
一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。
PLC的I/O模块有开关量I/O模块、模拟量I/O模块及各种特殊功能模块等。
不同的I/O模块,其电路及功能也不同,直接影响PLC的使用范围和价格,应当根据实际需要加以选择。
①输入信号的类型及电压等级
开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流/直流输入三种类型。
选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。
直流输入模块的延迟时间较短,还可以直接和接近开关、光电开关等电子输入设备连接;交流输入模块可靠性好,适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
开关量输入模块的输入信号的电压等级有:
直流5V、12V、24V、48V、60V等;交流110V、220V等。
选择时主要根据现场输入设备和输入模块之间的距离来考虑。
一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合,如5V输入模块最远不得超过10米。
距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。
②输入接线方式
开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式。
汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端(COM);而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组,每一组(几个输入点)有一个公共端,各组之间是分隔的。
分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高,如果输入信号之间不需要分隔,一般选用汇点式的。
③注意同时接通的输入点数量
对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等),应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。
花样喷泉控制I/O分配如表2-1:
输入信号
元件及作用
X0000
启动按钮
X0001
停止按钮
X0002
单步开关
X0003
花样1开关
X0004
花样2开关
X0005
花样3开关
X0006
花样4开关
输出信号
元件及作用
Y0000
1号喷泉
Y0001
2号喷泉
Y0002
3号喷泉
Y0003
4号喷泉
表2-1花样喷泉控制I/O分配
3.3开关量输入模块的选择
开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号,并实现PLC内外信号的电气隔离。
选择时主要应考虑以下几个方面:
①输出方式
开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。
继电器输出的价格便宜,既可以用于驱动交流负载,又可用于直流负载,而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小,同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强,但其属于有触点元件,动作速度较慢(驱动感性负载时,触点动作频率不得超过1HZ)、寿命较短、可靠性较差,只能适用于不频
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