PLC花样喷水池设计论文

摘 要

可编程控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置,它的功能性强,可靠性高,编程简单,使用方便,体积小巧,近年来在工业生产中得到广泛的应用,被誉为当代工业自动化主要支柱之一。

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。在游人和居民光顾的场所，如公园、广场、旅游景点及一些知名建筑前，经常会修建一些喷水池供人们休闲、观赏，这些喷水池按一定的规律改变喷水式样。而且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。

本文结合任务设计书的要求，以4环花式喷水池为研究对象，采用了西门子s7-200系列可编程序控制器作为喷水池的控制器。对花式喷水池的控制系统的总体功能进行了分析，详细介绍了系统的硬件配置、设计方案及软件设计顺序功能图。本设计改善了喷泉系统的控制品质，并真正地达到了实时控制的要求。当控制要求发生改变时，只需要改变程序，硬件接线不变或作较小变动即可，方便简单。而且采用PLC控制时，利用其体积小、功能强、可靠性高，并具有较大的灵活性和可扩展性的特点，改变控制方式或改变选择开关，即可改变喷水规律，变换出不同的花样。所以PLC在当前工业控制中得到广泛应用！

关键词:喷水池；可编程控制器；灵活性；功能强

目录

第一章引言 .......................................................................................... 2

1.1 课程设计的目的及意义........................................................ 2

1.2 课题背景................................................................................ 2

1.3 控制任务和要求 .............................................................................. 3

1.3.1 喷水池示意图 ...................................................................... 3

1.3.2 喷水池设计要求 ................................................................. 3

第二章总体控制方案概述 .................................................................. 5

2.1 总体控制方案确定 ......................................................................... 5

2.1.1 控制系统的比较 ....................................................... 5

2.2.2 喷水池的PLC控制系统概述................................... 6

2.2 PLC的设计步骤..................................................................... 7

第三章硬件电路设计 .......................................................................... 8

3.1 I/O口的分配 ................................................................................... 8

3.2 CPU功能与结构的选择 ................................................................. 9

3.3 PLC外部接线图 ............................................................................... 9

3.4 电路图 .............................................................................................. 10

第四章软件设计 ................................................................................ 11

4.1 系统流程图 ..................................................................................... 11

4.2 梯形图概要.......................................................................... 12

4.3 系统梯形图设计.................................................................. 13

4.3.1 主程序梯形图 ......................................................... 14

4.3.2 工作方式1子程序梯形图 ..................................... 16

4.3.3 工作方式2子程序梯形图 ..................................... 17

4.3.4 工作方式3子程序梯形图 ..................................... 21

4.4梯形图说明........................................................................... 22 致谢 ................................................................................................................... 24

参考文献............................................................................................. 25

第一章引言

1.1 课程设计的目的及意义

随着微电子技术的发展，可编程序控制器（简称PC或PLC）以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等领域，成为一种多功能、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。

我们这次建筑电气控制技术课程设计的主要目的，是通过对某个简单的自动化生产设备、某条简单的自动化生产线、某些简单的工艺过程的调查研究，使大家明确生产工艺对电气控制提出的各项要求。根据这些要求，进行基本的原理设计、工艺设计和操作设计，使我们在课程设计的全过程中，进一步明确设计任务中的各项要求，建立课程设计工作的整体概念，从工程环境、实现手段和操作方式的各个环节入手来设计控制程系统，通过不断的调试和完善软硬件设计，最终能够满足这些要求。

这次课程设计不仅培养了我们的工程应用能力，独立完成工作的能力，还培养了我们文献信息检索的能力和对所学知识的综合运用的能力，并为我们的毕业设计以及毕业后的工作能力打下良好的基础。

1.2 课题背景 在许多休闲广场、景区或游乐场所里,人们经常看到喷泉按一定的规律喷水,景色迷人。传统的喷泉控制采用单片机控制原理，通过可控硅作为功率开关元件，完成对潜水泵间歇工作的控制，可实现各种花样的喷水。但是这种控制系统在实践中存在以下缺点：由于可控硅承受过电压、过电流的能力差，因而不能长时间

运行；需要配置较多的保护电路；程序的增减、修改和运行监视不灵活；抗干扰能力差；功率因数较低等。为有效解决上述问题，确保控制系统的正常运行，我们就可以采用PLC 控制。PLC具有体积小、功能强、可靠性高,且具有较大的灵活性和可扩展性的特点,通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关,就可以改变花式喷泉的喷水规律,从而变换出各式花样,以适应不同季节、不同场合的喷水要求。

1.3 控制任务和要求

1.3.1 喷水池示意图

某广场的喷泉如图1所示，4号为中间喷水管，3号为内环状喷水管，2号为一次外环形状喷水管，1号为外环形状喷水管。

图1 花式喷水池示意图

1.3.2 喷水池设计要求

1、 控制器电源开关接通后，按下启动按钮，喷泉装置即开始工作，

按下停止按钮，则停止喷水。工作方式由选择开关和单步/连续开关决定。

2、 “单步/连续”开关在单步控制时，喷水池只能运行一次循环；

在连续位置时，喷水池运行一直继续下去。

3、 方式选择开关用于选择喷泉得喷水花样，1-4号喷水管的工作

方式选择如下：

1) 选择开关在位置“1”时。按下启动按钮后，4号喷水管喷

水，延迟2s后，3也喷水，再延迟2s后，2号接着喷水，

又延迟2s后，1号喷头喷水。这样，一起喷水15s后停

下。若在连续状态时，将继续循环下去。

2) 选择开关在位置“2”时。按下启动按钮后，1、3号同时

喷水，延迟3s后，2、4号喷水，1、3号停止喷水。交替

运行5次后，1-4号全喷水，30s后停止。若在连续状态

时，将继续循环下去。

3) 选择开关在位置“3”时。按下启动按钮后，喷水池1-4号

水管的工作顺序：1-2-3-4接顺序延时2s喷水，然后一起

喷水30s，1、2、3和4号分别延迟2s停水，再延时1s，由4-3-2-1反向顺序按2s顺序喷水，一起喷水30s后停

止。若在连续状态时，将继续循环下去。

4、 不论在什么工作方式下，按下停止按钮，喷水池将停止运行。

2、 “单步/连续”开关在单步控制时，喷水池只能运行一次循环；

在连续位置时，喷水池运行一直继续下去。

3、 方式选择开关用于选择喷泉得喷水花样，1-4号喷水管的工作

方式选择如下：

1) 选择开关在位置“1”时。按下启动按钮后，4号喷水管喷

水，延迟2s后，3也喷水，再延迟2s后，2号接着喷水，又延迟2s后，1号喷头喷水。这样，一起喷水15s后停下。若在连续状态时，将继续循环下去。

2) 选择开关在位置“2”时。按下启动按钮后，1、3号同时

喷水，延迟3s后，2、4号喷水，1、3号停止喷水。交替运行5次后，1-4号全喷水，30s后停止。若在连续状态时，将继续循环下去。

3) 选择开关在位置“3”时。按下启动按钮后，喷水池1-4号

水管的工作顺序：1-2-3-4接顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s，1、2、3和4号分别延迟2s停水，再延时1s，由4-3-2-1反向顺序按2s顺序喷水，一起喷水30s后停止。若在连续状态时，将继续循环下去。

4、 不论在什么工作方式下，按下停止按钮，喷水池将停止运行。

第二章总体控制方案概述

2.1 总体控制方案确定 2.1.1 控制系统的比较

1、PLC系统的特点：

1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。

2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。

3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。

2、单片机系统的特点：

1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。 2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。

3）功能单一只具有使用中所需要的功能。但是，它结构简单，处理速度快。

3、典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图2所示：

图2 PLC控制系统的硬件组成框图

2.2.2 喷水池的PLC控制系统概述

从工程实际出发，在制定控制系统的方案时，充分考虑功能的组成及实现，主要从机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护和联锁，系统的工作方式（如手动、自动、半自动）和安全保护措施及紧急情况处理着手设计。从而总结了以下几点在梯形图设计过程中的主要思路：

1、为了便于程序清晰明了，分别调用不同的三个花样，采用了子程序调用指令[CALL P]，并通过[RET]返回原始指令。

2、不同花样的选择采用手动选择开关，内部通过时间继电器和辅助继电器实现自动化控制来完成各花样内的循环动作。 3、使用内部计数器实现循环，使用定时器实现定时控制。 4

、采用分块式，有四个选择开关决定，选择哪一个，哪一个模块计时工作，控制输出。

2.2PLC的设计步骤

开发应用PLC 的设计任务分为硬件和软件设计两部分： 1、硬件设计主要包括:

1）确定安排PLC 的输入、输出点； 2）设计外围电路, 包括主电路；

3）选购PLC 并进行现场安装接线等内容； 2、软件设计, 大多数用梯形图和指令程序, 主要包括:

1）设计控制流程, 根据工艺要求先画出工作循环,如有必要再画详细的状态流程图；

2）根据工作循环图, 画出虚拟的电路图———继电器梯形图，按梯形图编写指令程序表；

3）系统调试: 根据设计要求, 对程序进行调试和修改, 必要时还可对硬件进行修改, 直到满足要求。

第三章硬件电路设计

3.1 I/O口的分配

合理选择I/O分配既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上20%—30%的备用量。该系统有8个数字输入点4个数字输出点，具体的输入输出见表1。

表1 I/O口分配

3.2CPU功能与结构的选择

PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求、PLC结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。全自动洗衣机控制所要求的控制功能简单，小型PLC就能满足要求了。

该控制系统CPU模块采用西门子s7-200系列可编程序控制器，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带8个数字量输入点和5个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块。

综上所述此次设计选用西门子s7-200系列可编程序控制器。

3.3PLC外部接线图

根据喷水池的控制要求，对系统控制的I/O点数进行了统计和PLC型号进行了选择，现根据以上的统计和选择对控制系统PLC的外部接线设计如下图3所示。

图

3 PLC外部接线图

3.4 电路图

在PLC设计中，主电路和控制电路图起到重要作用，通过连接电机和各接点，实现控制要求。电路图如下图4所示。

图4 电路图

第四章软件设计

4.1 系统流程图

按照设计要求的工作流程，作出花样喷水池的正常运行工作流程图见图5。

图5 正常运行流程图

4.2 梯形图概要

一、梯形图简介：

梯形图（LAD, LadderLogic Programming Language）是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。它与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图由触点、线圈或功能方框等构成，梯形图左、右的垂直线称为左、右母线。画梯形图时，从左母线开始，经过触点和线圈（或功能方框），终止于右母线。在梯形图中，可以把左母线看作是提供能量的母线。触点闭合可以使能量流过，直到下一个元件；触点断开将阻止能量流过。这种能量流，我们称之为“能流”。实际上，梯形图是CPU仿真继电器控制电路图，使来自“电源”的“电流”通过一系列的逻辑控制条件，根据运算结果决定逻辑输出的模拟过程。

梯形图中的基本编程元素有触点、线圈和方框。

触点：代表逻辑控制条件。触点闭合时表示能量可以流过。触点分常开触点和常闭触点两种形式。

线圈：通常代表逻辑“输出”的结果。能量流到，则该线圈被激励。

方框：代表某种特定功能的指令。能量流通过方框时，则执行方框所代表的功能。方框所代表的功能有很多种，例如：定时器、计数器、数据运算等。

梯形图中，每个输出元素可以构成一个梯级。每个梯形图网络由一个或多个梯级组成。

二、梯形图绘制原则

(1) 梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每个继电器

器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。每一个逻辑行起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于继电器线圈或右母线。

注意：左母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与右母线之间不能有任何点，应直接连接。

(2) 一般情况下，在梯形图中某个编号继电器线圈只能出现一次，而继电器触点可无限引用。有些PLC，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出。

(3) 在每个逻辑行中，串联触点多的支路应放在上方。如果将串联触点多的支路放下方，则语句增多，程序变长。

(4) 在每个逻辑行中，并联触点多的支路应放在左边。如果将并联触点多的支路放右边，则语句增多，程序变长。

(5) 梯形图中，不允许一个触点上有双向“电流”通过。

(6) 梯形图中，当多个逻辑行都具有相同条件时，为了节省语句数量，常将这些逻辑行合并。当相同条件复杂时，这对储存容量小的PLC很有意义。

(7) 设计梯形图时，输入继电器的触点状态全部按相应的输入设备为常开状态进行设计更为合适，不易出错。因此，也建议尽可能用输入设备的常开触点与PLC输入端连接。如果某些信号只能用常闭触点输入，可以按输入设备全部常开来设计，然后将梯形图中对应的输入继电器触点取反。

4.3 系统梯形图设计

根据以上的梯形图的基础知识、注意事项、特点及控制状态流程图，现利用STEP7-Micro/WIN编程软件做出全自动洗衣机控制系统梯形图。STEP7-Micro/WIN编程软件是专为西门子S7-200

而设计的，在个人计算机的WINDOWS操作系统下运行，功能强大、使用方便、简单易学。其编写好的程序可通过专用编程线缆下载的PLC中运行。也可以导出后在仿真软件中进行测试。

4.3.1主程序梯形图

主程序图如图6至图7 。

图6 主程序图（

1

）

图7 主程序图（

2

）

4.3.2工作方式1子程序梯形图 工作方式1子程序梯形图如图8至图9 。

图8 工作方式1子程序图（

1

）

图8 工作方式1子程序图（2）

4.3.3工作方式2子程序梯形图 工作方式2子程序梯形图如图9至图12。

图9工作方式2子程序图（

1

）

图10工作方式2子程序图（

2

）

图11工作方式2子程序图（

3

）

图12 工作方式2子程序图（

4

）

4.3.4工作方式3子程序梯形图

工作方式2子程序梯形图如图13至图14

图13 工作方式3子程序图（

1

）

图14 工作方式3子程序图（2）

4.4梯形图说明

1、该梯形图有两大程序——主程序和子程序，主程序控制子程序进行位置选择。该梯形图选择位置1、2、3.

2、主程序控制程序的启动和暂停、控制单步和连续运行、控制子程序的选择。按键SM0,.1按下，所有控制均复位，当按下启动按钮I0.5对应M0.0动作，于是分别按下I0.1、I0.3、I0.4进行不同的方式选择。按下I0.6，停止运行。

3、在这个复杂的程序中，我们组5人进行分工处理，其中我负责子程序

2的实现：

按下方式选择I0.3及启动按钮I0.5时，1、3号开始喷水，同时定时器T7开始定时；3s后移位指令进行左移一位，实现的功能是1、3号停止喷水，2、4号开始喷水；同时定时器T9开始工作，2s后又再次开始1、3号喷水，2、4号停止循环。5次后，计数器C20复位，计数器T7、T9复位停止工作，同时控制开关V10.0、V10.1、V10.2、V10.3闭合，1、2、3、4号同时喷水，同时定时器T10开始定时，15s后停止。

该程序实现了1、3号和2、4号交替喷水，再同时喷水的功能。

致谢

通过本次课程设计，我复习了这学期学习的可编程序控制器，再次熟悉了所学的内容，对PLC的构成和工作原理， PLC的使用方法， PLC的编程方法和过程有了进一步的认识。课程设计给了我一个理论联系实际的平台，加强了实践能力的运用。

在这次课设中，自己的学习过程经历了好几个阶段,由刚开始的迷茫到后来的懵懂，又经过一连两天的程序设计，编程的思路逐渐清晰了起来。因为基础不足在调试花样1这么简单的程序时自己也弄了一天的时间。后来，经过不断地尝试调试，同时也是在老师悉心的指导下，所有的问题终于解决了迎刃而解。

在整个设计过程中，没有指导老师的修正，就没有今日的成果。老师渊博的知识，严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风，平易近人的性格都是我学习的楷模。

同时感谢实验室的老师，他们给我们提供了必要的实验器材，使程序的设计更加顺利。

最后感谢同组的同学们，在作论文期间，他们对我有很大的帮助。

参考文献

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[2] 陈宇，段鑫.可编程控制器基础及编程技巧[M]，华南理工大

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[6] FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC系列编程手册

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