花式喷水池装置PLC控制梯形图的设计与调试

现代控制技术及PLC控制课程设计

姓 名 学 号 班 级 机电101班 专 业 机械电子工程 院 别 机械工程学院 指导教师

2013年7月5日

目 录

第一章 引言?????????????????????????????1

1.1花式喷水池装置PLC控制系统的设计目的??????????????1 1.2花式喷水池装置PLC控制系统的设计内容??????????????1 1.3花式喷水池装置PLC控制系统的实现目标??????????????2 1.4花式喷水池装置PLC控制系统的设计任务??????????????2 第二章 系统总体方案设计 ??????????????????????3 2.1花式喷水池装置PLC控制系统硬件配置及选型????????????3 2.2花式喷水池装置PLC控制系统I/O分配表??????????????6 2.3花式喷水池装置PLC控制系统主电路????????????????7 2.4花式喷水池装置PLC系统控制安装接线图??????????????8 2.5花式喷水池装置PLC系统控制原理图????????????????9 2.6花式喷水池装置PLC控制系统可靠性设计??????????????9 第三章 控制系统设计?????????????????????????9 3.1花式喷水池装置PLC控制程序流程图设计??????????????9 3.2花式喷水池装置PLC控制梯形图程序设计??????????????11

3.3花式喷水池装置PLC控制程序的语句表???????????????23 第四章 结束语????????????????????????????26

参考文献?????????????????????????????27

第一章 引 言

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。

要完成好电气控制系统的设计任务，除掌握必要的电气设计基础知识外，还必须经过反复实践，深入生产现场，将不断积累的经验应用到设计中来。课程设计正是为这一目的而安排的实践性教学环节，它是一项初步的工程训练。通过课程设计，了解一般电气控制系统的设计要求、设计内容和设计方法。电气设计包含原理设计和工艺设计两个方面，不能忽视任何一面，对于应用型人才更应重视工艺设计。课程设计属于练习性质，不强调设计结果直接用于生产。 1. 1 设计目的

课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。 1. 2 设计内容 1、花式喷水池示意图

a）花式喷水池喷嘴布局示意图b）花式喷水池控制开关面板图☆23启动停止4311选择开关4单步/连续电源 22. 控制要求：

（1）控制器电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置即开始工作。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”开关来决定。

（2）“单步/连续”开关在单步位置时，喷水池只运行一个循环；在连续位置时，喷水池

反复循环运行。

（3） 方式选择开关用以选择喷水池的喷水花样，1～4号喷水管的工作方式选择如下： 1）选择开关在位置“1”——按下启动按钮后，4号喷水，延时2s，3号喷水，再延时2s，2号喷水，再延时2s，1号喷水，接着一起喷水15s为一个循环。

2）选择开关在位置“2”——按下启动按钮后，1号喷水，延时2s，2号喷水，再延时2s，3号喷水，再延时2s，4号喷水，接着一起喷水30s为一个循环。

3）选择开关在位置“3”——按下启动按钮后，1、3号同时喷水，延时3s后，2、4号同时喷水，1、3号停止喷；交替运行5次后，再1～4号全部喷水30s为一个循环。 4）选择开关在位置“4”——按下启动按钮后，喷水池1～4号水管的工作顺序为： 1→2→3→4按顺序延时2s喷水，然后一起喷水30s后，1、2、3和4号水管分别延时2s停水，再等待1s，由4→3→2→1反序分别延时2s喷水，然后再一起喷水30s为一个循环。 （4） 不论在什么工作方式，按下停止按钮，喷水池立即停止工作，所有存储器复位。 3、本设计将在以下几个方面对花式喷泉的控制系统进行研究和论证。

(1)花式喷泉类型的选择。综合花式喷泉的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究能有四种喷水花样可供选择。

(2)花式喷泉硬件系统的设计。本课题设计的花式喷泉要求运行速度准确度高，在花式喷泉的格层检测系统中选用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现控制。

(3)花式喷泉控制系统软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计花式喷泉控制的要求，梯形图的编写运用win-c编程软件。

1. 3 实现目标

花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花式喷泉的控制系统息息相关。公园、广场以及一些旅游景点经常会修建花样喷水池。花式喷泉可以根据自己的设计，通过延时等PLC程序自动控制来设计出各种各样的花样，加上灯光，，供人们休闲、观赏，这些喷水池按一定的规律改变喷水式样，能给人有种不错的视觉享受。 1. 4 设计任务

1、根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。

2、根据控制要求，编制PLC应用程序。 3、编写设计说明书，内容包括： (1)设计过程和有关说明。

(2)基于PLC的电气控制系统电路图。 (3) PLC控制程序（梯形图和指令表）。 (4) 电器元器件的选择和有关计算。 (5)电气设备明细表。

(6)参考资料、参考书及参考手册。

(7) 其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。

第二章 系统总体方案设计

2. 1花式喷水池装置PLC控制系统硬件配置及选型 一、PLC的选型

系统共有开关量输入点8个，开关量输出点4个。本系统采用西门子S7-200系列PLC进行控制。如果选用CPU226PLC或CPU224PLC，价格较高，浪费较大。参照西门子S7-200产品目录，主机CPU222,它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的连接，可以增加输入/输出点数。

CPU 222 输入电压：20.4‐28.2V DC/85‐264V AC(43‐63Hz) ,集成了8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。 二、变频器的选型

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交——直——交方式，先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。整流部分为三桥式不可控整流器，逆变比分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 变频器选型时要确定以下几点：

（1）采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。

（2）变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。

（3）变频器与负载的匹配问题：

1.电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

2.电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。 3.转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生。

本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水的高度。此选用的是FR-S520（E）系列变频调速器。 三、 水泵的选型 （一）、水泵的主要参数

水泵参数是指工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。

1.流量（Q）

泵的流量市直单位时间所排出的液体的数量。通常泵的流量用体积计算，以Q表示，单位为米3/时（m3/h）、米3/秒（m3/s）、升/秒（1/s），也可用重量计，以G表示，单位为吨/时（t/h）、吨/秒（t/S）、千克/秒（kg/s）。 G与Q的关系：

G=r*Q r-液体的重量（千克/米3）

因水的重量近似1000千克/米3，故 1升/秒=3.6米3/时=3.6吨/时 2.扬程（H）

泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。以H表示，实质上就是水泵能够扬水的高度，又叫总扬程或全扬程。单位为米液柱高度，习惯上省去“液柱”，以米（m）表示。

泵的总扬程由吸水扬程两部分组成，因此

总扬程=吸水扬程=出水扬程

但由于水流经过管路时受到各种阻力而减少了泵的吸水扬程和出水扬程，因此

吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程 出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程 损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程 总扬程=实际扬程+损失扬程

由于水泵铭牌上表明的扬程是上述水泵的总扬程，因此不能误认为铭牌上的扬程是实际扬程数值，水泵的实际扬程都比水泵铭牌上的扬程数值小。因此在确定水泵扬程时，这一点要特别注意，否则，如果只按实际扬程来确定水泵的扬程，订购来的水泵扬程就低了，那可能会降低水泵的效率，甚至打不上水来。损失扬程与管路上的水管和附近种类（低阀、闸阀、逆止阀、直管、弯管）、数量、水管内径、管长、水管内壁粗糙程度以及水泵流量等都有密切关系，这一点在管路设计和选配水管和附件时也应注意。

3.转速（n）

转速是指泵叶轮每分钟的转数，以n表示，单位为转/分（r/min）。每台泵都有一定的转速，不能随意提高或降低，这个固定的转速称为额定转速，水泵铭牌上标定的转速即为额定转速。如果远大于额定转速，不但会引起动力机超载或转不动，而且泵的零部件也容易损坏；转速降低，泵的效率就会降低，影响水泵的正常工作。 4.比转数（ns）

在前述水泵型号中，有些型号的组成部分有比转数这个参数。比转数与转速是两个概念，水泵的比转数，简称比速，通常用符号为ns。水泵的比转数是指一个假象的所谓标准水泵叶轮的转数，这个假想的水泵与真实水泵的叶轮各部分都几乎相似而在消耗功率为0.735千瓦、扬程为1米、流量为0.075立方米/秒时所具有的转数。叶轮形状相同或相似的水泵比转数相同，叶轮形状不相同或不相似的水泵比转数不相同。如轴流泵比转数比混

流泵大，混流泵比转数也是放映水泵特性的综合性指标。此外，要注意比转数大的水泵，其转速不一定高；比转数小的，转速不一定低。大流量、低扬程的水泵，比转数大，防止则小。一般比转数较低的离心泵，其流量小、扬程高；而比转数较高的轴流泵，其流量大、扬程低。 5.功率

功率是指机组在单位时间内作功的大小。水泵功率可分为有效功率、轴功率和配套功率三种。 （1）有效功率

它是出丢水泵内部损失功率后，纯用于羊水所消耗的功率，因此又称为净功率、输出功率或水马力。常用符号为N效，单位为千瓦（或马力）。有效功率只可用水泵的流量和扬程计算得出：

（2）轴功率

它是动力机传给水泵轴上的功率，因此称为轴功率或输入功率。要包括泵体内轴承的摩擦、水泵轴与填料的摩擦、水与叶轮、泵壳间的摩擦，以及泵内高压水的回漏等所消耗的功率。 （3）配套功率

它是指水泵应选配的动力机的功率，一次又称有用功率。常用符号为N配，它比轴功率大。这是因为动力机把动力传递给水泵的过程中，有传动损失；同时还要考虑水泵工作时，流量及扬程有波动而可能出现动力机超载，因此动力机需要比水泵轴功率大的功率储备。配套功率可按下式求得：

动力安全系数（或称备用系数）可根据水泵轴功率大小确定，轴功率小时取大值。

传动交率要根据传动类型和传动方式确定。采用联轴器直接传动时，取0.99。采用皮带传动时，开口式传动取0.98，交叉传动取0.9，半交叉取0.92～0.94；三角带传动取0.96。 6.、效率（n）

效率是指有效功率与轴功率的比值，因此他是反映泵对动力所给予的功率利用程度的技术经济指标。常用符号为n，其大小用百分数来表示。可用下式表达：

由于有效功率小与轴功率，因此水泵效率永远小于1。但水泵效率值越大说明有效功率越大，泵内损失功率越小。我们选择水泵时，应尽量选择效率高的水泵铭牌上的效率是指水泵可能达到的最高效率，一般农用水泵的最高效率为60%～80%，有些大型水泵超过了80%。

（二）、选择步骤 （1）列出基本数据：

1.介质的特性：介质名称、比重、粘度、腐蚀性、毒性等。 2.介质中所含固体和颗粒、含量多少。 3.介质温度。

4.所需要的流量，一般工业用泵在工艺流程中可以忽略管道系统中的泄漏量，但必须考虑工艺变化时对流量的影响。

5.压力，吸水池压力，排水池压力，管道系统中的压力降。 （2）确定流量扬程和流量

1.如果生产工艺中已给出最小、正常、最大流量，应按最大流量考虑。 2.如果生产工艺中只给出正常流量，应考虑留有一定的余量。 3.如果基本数据值只给重量流量，应换算成体积流量。 此选用的是QYP100-4.5-2.2喷泉泵。

2. 2 花式喷水池装置PLC控制系统I/O分配表

表2-1 I/O分配表

名称 启动按钮 1号方式选择开关 2号方式选择开关 3号方式选择开关 4号方式选择开关 停止按钮 连续开关 单步开关 1号电磁阀YV1 2号电磁阀YV2 3号电磁阀YV3 4号电磁阀YV4 地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 Q0.0 Q0.1 00.2 Q0.3 符号 输入 SF0 SF1-1 SF1-2 SF1-3 SF1-4 SF2 SF3 SF4 输出 QA0 QA1 QA2 QA3 启动喷泉系统 喷泉选择1号方式喷水 喷泉选择2号方式喷水 喷泉选择3号方式喷水 喷泉选择4号方式喷水 停止喷泉系统 喷水池反复循环运行 喷水池一次循环运行 1号喷泉喷水 2号喷泉喷水 3号喷泉喷水 4号喷泉喷水 说明 2.3 花式喷水池装置PLC控制系统主电路图

如下图所示为电气控制主电路。四台控制喷水管的电机分别为MA0、MA1、MA2、MA3。接触器QA0、QA1、QA2、QA3分别控制MA0、MA1、MA2、MA3运行。BB1、BB2、BB3、BB4分别为四台水泵电机过载保护用的热继电器； FA1、FA2、FA3、FA4为四个熔断器，对电路起到过载保护的作用。 如图2-1所示主电路图：

2.4花式喷水池装置PLC系统控制安装接线图 接线图设计如下：

1QA0234QA15678QA29101112QA3131415161718192017212223172425261727282918BB01920BB1212223BB2242526BB32728293031323334353637383940412FA034FA1678FA2101112FA31415164243744243444243444243444546474849505152537545541MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7ML+CPU2221LQ0.0551DI8/DO62L55Q0.15Q0.29Q0.313NL1220V24VAC303132333435363738394041424344MA0MA1MA2MA3U1V1W146SF047SF1-148SF1-249SF1-350SF1-4SF251SF352SF4535454545454545454

图2-3控制系统安装接线图

2.5 花式喷水池装置PLC控制系统原理图及系统控制图 系统控制原理图设计如2-2所示：

2.6 花式喷水池装置PLC控制系统可行性设计

花式喷水池装置PLC控制系统在设计过程中必须要进行可行性设计。本设计在设计主电路及控制电路的过程中利用了熔断器的短路保护及严重过载保护，热继电器的过载保护，接触器的欠压失压保护等，这些保护措施在系统工作过程中可以起到举足轻重的保护作用，以防系统在工作过程中发生危险。

通过实验和检查，系统主电路、辅助电路及接线图的设计完成后可以使系统正常工作，及较好地运行。

第三章 花式喷水池装置PLC控制系统设计

3.1控制程序流程图设计

根据系统及控制要求设计的系统流程图如图3-1。

开始 选择开关 开关1 开关2 开关3 开关4 启动 启动 启动 启动 YV4通电, 4号喷水YV1通电, 1号喷水 YV1,YV3通电,1,3号同时喷水 YV1~YV4依次延时,2s通电 ,1~4号 依次喷水 延时2s后, YV3通电, 3号喷水 延时2s后, YV2通电,2号喷水 延时3s后,YV2，YV4通电,YV1，YV3断电,1,3号 停喷,2,4号喷水 一起喷水30s 延时2s后, YV2通电, 2号喷水 延时2s后, YV3通电,3号喷水 N 循环次数=5? YV4~YV1依次 延时2s断电,4~1 号依次停喷 延时2s后, YV1通电, 1号喷水 延时2s后, YV4通电,4 号喷水 Y YV1，YV3通电,1~4号同喷水30s 延时时1s后,YV4~ ~YV1依次延时 2s通电,4~1号依次喷水 一起喷水15s 一起喷水30s N 单步? Y N 一起喷水30s 单步? N 单步? Y 单步? Y N Y 结束 图3-1系统流程图

3.2 花式喷水池装置PLC控制系统程序的设梯形图设计 梯形图设计如下：

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