自动喷泉的PLC控制系统

电气控制技术课程设计说明书自动喷泉的PLC控制系统设计

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摘要

随着人民生活水平的提高，城市环境建设日益为人们所重视。喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景，不断出现在城市广场、居民小区、公园等场所。它不仅可以增加空气湿度，减少空气中的尘埃，降低空气湿度，更为人们生活增添了不少情趣。自动控制喷泉能自动且连续的改变其形态，呈现丰富多彩的花样变化，从而给人以美好的视觉感受。

本设计首先分析了自动喷泉的工作原理、控制要求，根据工艺要求，统计了自动喷泉所需要的输入和输出端子，其中输入点为6个，输出点为16个，共计22个输入输出点。根据PLC的I/O点数和内存容量选型原则，此设计选择了三菱FX2N-48MR继电器型PLC作为自动喷泉的控制器，同时选择了其它电器元件，设计了PLC的外部接线图。然后利用SFC（Sequential Function Chart，顺序功能图）图法设计了自动喷泉的程序梯形图。为了验证设计的正确性，运用三菱GX Developer仿真软件进行程序仿真。仿真结果证明，本设计以达到顺利实现工业控制的要求及目的，同时达到了低功耗、高性价比、运行安全可靠等基本要求。

关键词：PLC；喷泉；控制器

ABSTRACT

With the improvement of people's living standard, the construction of urban environment has become more and more valued by people. The fountain as a high art of ornamental features, continue to appear in the places of the city square, residential areas, parks etc.. It can not only increase air humidity, reduce the dust in the air, the air humidity is reduced and more people add a lot of fun. Automatic control of fountain can automatically and continuously change its shape, showing a colorful pattern changes, so as to give a person with a good visual feeling.

The first analysis of the automatic fountain of the working principle and control demand, according to the technical requirement of statistical automatic fountain need the input and output terminals, which input points to six, the output is 16, a total of 22 input and output points. According to the PLC I / O points and memory capacity selection principle, this design chose Mitsubishi FX2N-48MR relay type PLC as controller of the automatic fountain, and choose the other electrical components, design the PLC external wiring diagram. Then use SFC（Sequential Function Chart，Sequential function chart）graph method to design the automatic fountain program ladder diagram. In order to verify the correctness of the design, the MITSUBISHI Developer GX simulation software is used to simulate the program. The simulation results show that this design can achieve the requirements and objectives of industrial control, and at the same time achieve the basic requirements of low power consumption, high cost performance, safe and reliable operation.

Keywords: PLC; fountain; controller

目录

1 绪论 (1)

1.1 课题的背景与意义 (1)

1.2 自动喷泉技术的发展现状 (1)

1.3 本设计主要内容 (2)

2 控制系统硬件设计 (3)

2.1 系统设计要求 (3)

2.2 I/O点的统计 (4)

2.2.1 输入点统计 (4)

2.2.2 输出点统计 (4)

2.3 PLC选型及参数介绍 (5)

2.3.1 PLC选型 (5)

2.3.2 FX2N-48MR参数介绍 (6)

2.4 系统硬件接线图设计 (6)

3 PLC控制系统软件设计 (8)

3.1 系统变量定义及I/O地址分配 (8)

3.2 PLC控制程序设计 (9)

3.3 控制程序流程图设计 (9)

3.4 自动喷泉的工作方式介绍 (10)

4 系统调试及仿真 (15)

4.1 GX Developer介绍 (15)

4.2 系统调试 (15)

4.3 仿真结果 (16)

结束语 (21)

参考文献 (22)

致谢 (23)

附录 (24)

附录 A 程序清单 (24)

附录 B 梯形图 (27)

附录C CAD接线图 (30)

1 绪论

1.1 课题的背景与意义

国内在20世纪80年代以前，喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细节，从设计到产品制作、工程安装都没有形成规模。改革开放以来，随着国民经济的发展，人民生活水平的提高，一些城市的城建、园林主管部门在城市建设、改造过程中对喷泉美化和文化氛围营造上提出了要求，结合当时先进的单片机、通过电磁阀和直流电机调速实行变量控制，设计出了一批喷泉水景。近年来，喷泉走出公园、园林的围墙和广场的中心，深入延伸到人们的各个社会活动场所。专业技术人员把计算机技术、信息技术，以及声、光、电、雾、火、激光、音乐、水幕电影等学科的技术应用到喷泉之中，这些喷泉按照一定的规律改变喷泉式样，辅以五颜六色的灯光和优美的音乐，使人心旷神怡，流连忘返。随着可编程控制器在我国的迅速发展，人们对花式喷泉控制的要求也越来越高，使得越来越多的控制部分需用可编程控制器来实现。

人们对喷泉的造景功能、娱乐功能，认识逐步提高，开拓了喷泉的应用范围。适宜于节日、大型集会的广场喷泉和城市主题调速喷泉，造型简洁、明快、庄重、大方。在商业广场、购物中心以及一些景点的大型激光彩色音乐喷泉，欢快、跳跃，富有诗意，有些喷泉配以水幕电影，给人们带来变幻奇妙的视听效果。近年来，随着房地产市场的逐渐升温，一些住宅小区在景观设计中，融人了喷泉，使其与小区园林景观遥相呼应。商场、酒楼内的喷泉小巧、别致，可以调节室内气温。利用PLC控制喷泉喷水方式，产生各样的样式。在系统的硬件组成以及软件的实现，通过PLC控制电磁阀开关来决定喷水的效果，供人们休闲、观赏。

1.2 自动喷泉技术的发展现状

这些年，随着计算机技术的广泛应用，喷泉方案的制作技术有了极大的发展，方案设计从最初的手工制图发展到photoshop图片，再到三维动画制作的动态喷水方案。喷泉专用产品、设备不断地更新换代，新材料、新技术的采用，都为喷泉的良性发展提供了技术支持。国内外的自动喷泉控制系统设计均已达到成熟的水平，而且还有专门的生产设计厂家，提供设计、喷泉设备及安装等服务。目前，国内的自动喷泉逐渐向智能化、分散化、综合化、多样化的方向发展，于是对喷泉控制系统的设计也提出更高的要求。大多数喷泉除了具有美化环境的功能之外，还具有良好的生态效应、社会效应和广告效应。

随着科技发展，自动喷泉控制设备与数控指示灯都有了很大的发展。喷泉数控指示灯已经不再局限于一维、二维亦或是三维，而更倾向于工程公司提供要求

而相关技术人员研究开发设备这一模式。

1.3 本设计主要内容

首先分析了自动喷泉的工作原理、控制要求，根据工艺要求，统计了自动喷泉所需要的输入和输出端子，其中输入点为6个，输出点为16个，共计22个输入输出点。根据PLC的I/O点数和内存容量选型原则，此设计选择了三菱

FX2N-48MR继电器型PLC作为自动喷泉的控制器，同时选择了其它电器元件，设计了PLC的外部接线图。然后利用SFC（Sequential Function Chart，顺序功能图）图法设计了自动喷泉的程序梯形图。为了验证设计的正确性，运用三菱GX Developer仿真软件进行程序仿真。仿真结果证明，本设计以达到顺利实现工业控制的要求及目的，同时达到了低功耗、高性价比、运行安全可靠等基本要求。

本设计说明书共分为四章。

第一章绪论介绍了自动喷泉技术的意义及发展。

第二章主要介绍了系统工作原理、I/O点的统计、PLC选型以及硬件接线图设计。

第三章主要介绍了I/O地址的分配、PLC控制程序流程图设计以及控制程序梯形图设计。

第四章主要介绍了仿真软件的调试及仿真结果。

2 控制系统硬件设计

2.1 系统设计要求

有16个彩灯代表16个指示灯，有4个选择按钮，如图1所示。采用FX2N-48MR PLC进行控制，实现四种以上的自动喷泉花样。

图1 喷泉模拟图

基于以上要求，本系统应具有以下功能。

喷泉一：

①按下启动按钮X0，再按下K1按钮选择花样喷泉1模式

② 6号指示灯先喷，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K2选择花样喷泉2模式

② 3号指示灯先喷，2s后12号喷

③ 2s后14号指示灯喷，2s后5号喷

④ 3、12、14、5同时喷10s

⑤重复循环②--④步骤

喷泉三：

①按下K3选择花样喷泉3模式

② 2、8、15、9同时先喷10s

③再1s后一次间隔1s停

④重复循环②--③步骤

喷泉四：

①按下K4选择花样喷泉4模式

② 1、4、13、16同时喷

③ 1分钟后同时停

④重复循环②--③步骤

根据喷泉一、喷泉二、喷泉三、喷泉四的控制要求，画出PLC控制系统控制花样喷泉的程序流程图，首先通过启动按钮来控制PLC的开关，由选择按钮K1、K2、K3、K4来控制喷泉的四种花样模式。

2.2 I/O点的统计

2.2.1 输入点统计

自动喷泉设计所需的输入点分别为：启动开关，占用1个输入点；停止开关，占用1个输入点；工作方式1开关，占用1个输入点；工作方式开关2占1个输入点；工作方式开关3，占用1个输入点；工作方式开关四，占用1个输入点；经统计共有6个输入点。具体输入点统计如表1所示。

表1 输入点统计

序号输入点数量

1 启动开关 1

2 停止开关 1

3 工作方式1开关 1

4 工作方式2开关 1

5 工作方式3开关 1

6 工作方式4开关 1

2.2.2 输出点统计

自动喷泉设计所需的输出点是由16个指示灯组成的，经统计共有16个输出点。具体输出点统计如表2所示。

表2 输出点统计

序号输出点数量

1 指示灯1 1

2 指示灯2 1

3 指示灯3 1

4 指示灯4 1

5 指示灯5 1

6 指示灯6 1

7 指示灯7 1

8 指示灯8 1

9 指示灯9 1

10 指示灯10 1

11 指示灯11 1

12 指示灯12 1

13 指示灯13 1

14 指示灯14 1

15 指示灯15 1

16 指示灯16 1

2.3 PLC选型及参数介绍

2.3.1 PLC选型

在PLC系统设计时，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和设计相应的控制系统。

（1）输入/输出点数的估算

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。

（2）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。

（3）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。且通过扩展模块的链接，可以增加输入/输出点数。本设计的花式喷泉模型一共有6个输入，16个输出，因此，选用型号为FX2N-48MR的PLC。

2.3.2 FX2N-48MR参数介绍

FX2N-48MR的PLC是日本三菱公司的可编程控制器(PLC),继电器输出,输入24点,输出24点。FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8Kb，可扩展到16Kb，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A等）。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。其技术指标具体参数如下：

（1）一般技术指标：环境温度，使用时为0至55摄氏度；环境湿度，一般以不结露为准，使用时在35%至89%；抗噪音干扰，用噪音仿真器产生电压为1000Vp-p、周期为30至100HZ的噪音，在此噪音干扰下PLC能够正常工作。

（2）电源技术指标：电源电压一般为AC100至240V和50/60HZ。

（3）输出技术指标：输出电压为DC24V,输入电流为7mA。

（4）技术功能指标：输入输出方式为批处理方式。

2.4 系统硬件接线图设计

本设计根据系统要求所设计的系统主硬件电路接线图,其中PLC的六个输入点分X0到X5分别接启动按钮，停止按钮，花样选择开关1到4，然后并联到COM 口。十六个输出点Y1到Y17分别接指示灯L1到L16，然后并联到COM口接24V 电源。如图2所示。

图2 系统硬件接线图

3 PLC控制系统软件设计

3.1 系统变量定义及I/O地址分配

根据系统要求所选择的I/O功能分析的到系统需要六个输入点，分别为一个启动按钮，一个停止按钮，四个模式选择开关。十六个输出点，分别为十六盏指示灯。X0代表的是启动开关，用于系统启动，X1代表的是停止开关，用于使运行中的系统停止；X2代表的是方式1的开关，用于启动方式1；X3代表的是工作方式2的开关，用于启动方式2；X4代表的是工作方式3的开关，用于启动方式3；X5代表的是工作方式4的开关用于启动方式4。输出Y0～Y17共用16点，其中Y0控制1号指示灯，Y1控制2号指示灯，Y2控制3号指示灯，Y3控制4号指示灯，Y4控制5号指示灯，Y5控制6号指示灯，Y6控制7号指示灯，Y7

控制8号指示灯，Y10控制9号指示灯，Y11控制10号指示灯，Y12控制11号指示灯，Y13控制12号指示灯，Y14控制13号指示灯，Y15控制14号指示灯，Y16控制15号指示灯，Y17控制16号指示灯。I/O分配表如下所示。

表3 I/O分配表

功能元件输入点功能元件输出点

启动按钮SB1 X0 指示灯L1 Y0

停止按钮SB2 X1 指示灯L2 Y1

花样选择开关K1 X2 指示灯L3 Y2

花样选择开关K2 X3 指示灯L4 Y3

花样选择开关K3 X4 指示灯L5 Y4

花样选择开关K3 X5 指示灯L6 Y5

指示灯L7 Y6

指示灯L8 Y7

指示灯L9 Y10

指示灯L10 Y11

指示灯L11 Y12

指示灯L12 Y13

指示灯L13 Y14

指示灯L14 Y15

指示灯L15 Y16

指示灯L16 Y17

3.2 PLC控制程序设计

PLC作为一个工业控制计算机采用软件编程逻辑代替传统的硬件有线逻辑实现控制，其编成语言是面向被控对象，面向操作者，易于为熟悉继电器电路的广大电气技术人员掌控，通常PLC的编程语言有梯形图语言。

不同厂家，甚至不同型号的PLC产品使用的编程及编程语言中所采用的符号也不尽相同。

1.梯形图语言

梯形图语言是在继电器接触器充值原理的基础上演变而来的一种图形语言，它形象、直观，为广大电气人员所熟悉，是中、小型PLC的主要程序语言。

2.指令助记符语言

梯形图语言虽然直观方便，但PLC须配有较大的显示器才能输入图形符号，而小机型，特别是在生产现场编制调试程序时，常要借助编程器。它显示屏小，采用的是助记符语言，这是一种类似微机的汇编语言的助记符编程表达式。

3. 功能图编程语言（SFC）

这是一种较新的编程方法，它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程。目前国际电工协会（IEC）正在实施发展这种新式的编程标准。

4.高级语言编程

近几年推出的PLC产品，尤其是大型PLC。已经开始使用BASIC高级语言进行编程。

3.3 控制程序流程图设计

根据喷泉的控制流程，按下启动按钮，喷泉装置进入准备工作状态。再选择模式选择开关后，喷泉按四种花样之一控制要求进行喷泉。按下停止按钮，喷泉装置停止运行。具体的控制过程如下所示控制程序流程图。

图3 控制程序流程图

3.4 自动喷泉的工作方式介绍

工作方式1按下启动按钮开关X002接通时。Y006，Y013,Y007，Y012,间隔一秒依次喷水一起工作5秒后，循环工作。工作方式1流程图如图4所示，程序如图5所示。

工作方式2按下启动按钮开关X003接通时。Y003首先工作2秒后Y014工作，再过2秒Y016工作，然后Y003、Y014、Y016、Y005同时工作一起工作10秒后，循环工作。工作方式2流程图如图6所示，程序如图7所示。

工作方式3按下启动开关X004接通时，Y002、Y010、Y017、Y011首先工作10秒，1秒后Y002停止，再过1秒Y010停止，再1秒Y017停止，以此循环工作。工作方式3流程图如图8所示，程序如图9所示。

按下工作按钮X005时，Y001、Y004、Y015、Y020同时工作1分钟，一起循

环工作。工作方式4流程图如图10所示，程序如图11所示。

图4 工作方式1流程图

图5 工作方式1程序图

图6 工作方式2流程图

图7 工作方式2程序图

图8 工作方式3流程图

图9 工作方式3程序图

图10 工作方式4流程图

图11 工作方式4程序图

4 系统调试及结果分析

4.1 GX Developer介绍

GX Developer是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。

要安装这个软件，先要打开GX编程软件MELSOFT\EnvMEL\里的SETUP这个程序。这个安装程序是共通部件。并且要注意以下几点：

1：去掉文件夹名称中的中文字符。

2：先安装GX Developer\EnvMEL里的环境包。

3：打开GX Developer里的SETUP.EXE这个安装文件，开始安装。

编程软件GX Developer具体的操作方法如下：打开软件GX Developer，然后打开文件在下拉菜单栏里点击‘新建文件夹’选择‘FX2N’，确定打开后可以绘制梯形图编程。编程完后进行程序转换。然后利用GX Simulator进行程序的仿真。

4.2 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。

1．程序的模拟调试

将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通／断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC 实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相