基于PLC花样喷泉控制设计

课程设计说明书

课题名称： 基于PLC花样喷泉控制设计 学生学号： 专业班级： 11自动化 学生姓名： 学生成绩： 指导教师： * * 课题工作时间： 2014-5-26 至 2014-5-30

黄山学院教务处制

一、课程设计的任务基本要求： 指导教师签字： 教研室主任签字： 年 月 日 年 月 日 二、进度安排： 三、应收集资料及主要参考文献： 四、课程设计（学年论文）摘要（中文）：

五、成绩评定： 指导教师评语： 指导教师签字： 年 月 日 项目 调查论证 实践能力 分析、解决问题能力 得分 评价 项目 工作量、工作态度 质量 创新 评价 六、答辩记录： 答辩意见及答辩成绩 答辩小组教师（签字）： 年 月 日 总评成绩： （教师评分×75%+答辩成绩×25%）

目录

摘要…………………………………………………………………………………1 1.引言………………………………………………………………………………2 2.课程设计的目的…………………………………………………………………3 3.课程设计的内容…………………………………………………………………3 4.课程设计要求……………………………………………………………………3 第一章 系统设计方案介绍 ………………………………………………………4 1.1 控制方案选择………………………………………………………………4 1.1.1 控制特点分析 ………………………………………………………4 1.1.2 方案比较 ……………………………………………………………4 1.1.3 方案选择 ……………………………………………………………5 1.2 硬件的选型…………………………………………………………………5 1.2.1 PLC 硬件的选型 ……………………………………………………5 1.2.2 选择硬件 ……………………………………………………………7 1.2.3 I/O 模块的选型 ……………………………………………………7 第二章 系统端口分配及程序设计………………………………………………7 2.1 系统I/O分配 ……………………………………………………………7 2.2 系统外部接线图 …………………………………………………………8 2.3 系统梯形图设计 …………………………………………………………9 第三章 系统程序调试 ……………………………………………………………9 3.1.控制流程 …………………………………………………………………9 3.1.1 花样选择开关在位置 1……………………………………………9 3.1.2 花样选择开关在位置 2……………………………………………9 3.1.3 花样选择开关在位置 3……………………………………………10 3.1.4 花样选择开关在位置 4……………………………………………11 心得体会……………………………………………………………………………12 参考文献……………………………………………………………………………12 附录…………………………………………………………………………………13

基于PLC花样喷泉控制设计

摘要：

随着城市化进程的加速，花式喷泉可以在人们周围随处可见。比如广场，大厦，小区等。花式喷泉是人造小气候，在炎热的夏日可以起到增湿和降温的作用；也为水体充氧，有利于水体增加自净能力，起到防止水体黑臭的作用。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。花式喷泉可以根据自己的设计，设计出各种各样的花样，加上灯光，能给人有种不错的视觉享受。

可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易3.维修工作量少4.功能强、通用性好5.开发周期短、成功率高6.体积小、重量轻、功耗底等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为工业生产自动化的支柱产品。与继电——触发器系统相比系统更加可靠;价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维修、维护；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向执行机构。因此，进行花式喷泉的PLC控制系统的设计，可以推动喷泉行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。 关键词：花样喷泉、PLC、开关的控制

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1、引言

喷泉是由人工构筑的整形或天然泉池中，以喷射优美的水姿，供人们观赏的水景。喷泉是园林中重要的组成部分。现代园林中，除了植物景观外，喷泉也是重要的景观，它既是一种水景艺术，体现了动、静结合，形成明朗活泼的气氛，给人以美的享受；同时，喷泉还可以增加空气中的负离子含量，起到净化空气、增加空气湿度、降低环境温度等作用，因此深受人们的喜爱。

喷泉喷头是完成喷泉艺术造型的主要工作部件，它的作用是把具有一定压力的水，经过造型的喷头，形成绚丽的水花，喷射在水面的上空。各种不同的喷头组合配置，更能创造出千姿百态的水景景观，令人兴奋、激动，产生奇妙的艺术效果。喷泉喷头的种类很多，按照结构形式不同，可分为直射、旋转、水膜、吸力、雾化等多种类型；按照所喷水流的花形可分为蒲公英、喇叭花、牵牛花、蘑菇、冰塔、开屏以及喷雾喷头等多种类型。

随着光、电、声及自动控制装置在喷泉上的应用，音乐喷泉、间歇喷泉、激光喷泉等形成的出现，更加丰富了喷泉的内容，更加丰富了人们在视觉、听觉上的双重感受。我国历史上著名的喷泉如北京圆明园大水法喷泉群、现代的如北京天安门两侧的喷泉以及国庆节天安门广场上的临时喷泉群都非常雄伟壮观，博得中外游人的好评、喝彩。

1.1 喷泉的历史

早在我国汉代的上林苑中，就有\"铜龙吐水\"，这就是一种人工的喷泉，可见喷泉应用于园林已有二千余年的历史了。古代在喷泉的制作上主要利用自然整体结构，加之人工修改而成。

1.2 喷泉的类型

（1）普通装饰性喷泉 由各种花形图案组成固定的喷泉。

（2）与雕塑结合的喷泉 喷泉与雕塑等共同组成景观。

（3）水雕塑 由人工、机械塑造出各种大型水柱的姿态，形成景观。

（4）自控喷泉 利用电子技术，按照设计程序控制水、光、音、色等，形成奇异、

变幻的景观。

（5）其他类型 除了以上类型以外，还有高喷泉、旱喷泉、叠泉、音乐喷泉、跑泉、

跳泉、浮动喷泉、小品泉、意动泉、音乐跑泉等，还可以通过喷雾形成独特的水景。

1.3 喷泉的供水形式

直流式供水、水泵循环供水、潜水泵循环供水

1.4 喷泉原理

喷泉的原理是个动量守恒，从大半径管道到小半径管道，产生一个速度的变化，冲向背离地面的方向。 大半径的速度由泵带动，小半径中的速度是原来速度，与动量转化速度。需要选择一个微元计算动量守恒，这样能求出一个速度，这个速度是出口速度，然后就是一个上抛运动了，这个是理想的情况，没有摩擦，没有风。

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2、课程设计的目的

《PLC课程设计》是与专业课《可编程控制器》相配套的一门重要的实践课程，是理论与实践相结合的一个重要教学环节，其目的是培养学生对可编程控制器的应用能力，同时通过课程设计使学生了解和掌握PLC应用系统的设计过程、方法及实现，为以后设计和实现PLC应用系统打下良好基础。

3、课程设计内容

课程设计以“课程设计任务书”的形式下达给学生，课题由任课教师决定或学生自主选题。

教师在编程课程设计任务书时，要充分理解本课程完成后最终要到达的专业技能，要充分考虑学院现有的实践实训硬件条件，切不可脱离实际，课程设计的主要目的是培养学生PLC基本应用的能力， 因此课程设计的课题的设置要围绕提高学生动手能力进行，课题不求复杂求全面，并尽可能多地涉及实际。

课程设计必须完成以下技术资料：

1. 完成PLC电气控制原理图设计（原理图）； 2. 完成PLC梯形图编程；

3. 完成PLC及相关电器选择（明细表）； 4. 完成设计报告。

4、课程设计要求 4.1 工作过程说明：

某广场的花式喷泉示意图如下图所示。

在上图中，4号为中间喷头，3号为内环状喷头，2号为外环形状喷头，1号为外环形状喷头。

4.2 控制要求说明：

一、按下启动按钮，喷泉控制装置开始工作；按下停止按钮，喷泉控制装置停止工作。

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二、喷泉的工作方式由花样选择开关和单步/连续开关决定。

三、当单步/连续开关在单步位置时，喷泉只能按照花样选择开关设定的方式，运行一个循环。

四、花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样，现考虑四种喷水花样。

1） 花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4号喷头喷水，延时2s后，3号喷头喷水，再延时2s后，2号喷头喷水，又延时2s后，1号喷头喷水。18s后，如果为单步工作方式，则停止下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。 2 ）花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，1号喷头喷水，延时2s后，2号喷头喷水，再延时2s后，3号喷头喷水，又延时2s后，4号喷头喷水。30s后，如果为单步工作方式，则停止下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。

3）花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1、3号喷头同时喷水，延时3s后，2、4号喷头喷水，1、3号停止喷水。如此交替运行15s后，4组喷头全喷水，30s后，如果为单步工作方式，则停止下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。 4）花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，按照1→2→3→4的顺序，依次间隔2s喷水，然后一起喷水。30s后，按照1→2→3→4顺序，分别延时2s，依次停止喷水。再经1s延时，按照4→3→2→1的顺序，依次间隔2s喷水，然后一起喷水。 30s后停止。如果为单步工作方式，则停止下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。

第一章 系统设计方案介绍

1.1、控制方案选择 1.1.1 控制特点分析

本设计的花式喷泉的特点要求复杂，其特点有：（1）具有选择性有顺序地喷水，而且有定时喷水的特点；（2）有多种花样模式的喷泉效果，即当选择不同的花样模式位置时，其喷头的电磁阀开关按照所在位置开闭；（3）有不同的周期工作方式，即单周期工作方式和连续周期工作方式。

1.1.2 方案比较

根据本设计的花样喷泉控制特点，下面给出几种控制装置的控制比较。

（1）采用控制继电器来控制。

继电器是指当输入量或激励量，满足某些规定的条件是能在一个或多个电器输出电路中

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产生跃变的一种器件 。今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域，他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。用继电器控制的花式喷泉现在显然不能满足高要求，一旦有一个继电器损坏，那将难以排除其故障。

（2）采用微控制器单片机控制

随着大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，把计算机的运算器和控制器，存储器和多种接口集成在一块芯片上，称为微处理器，也叫微控制器，在我国习惯上又叫单片机。

单片机具有集成度高、体积小、功耗低、系列齐全、功能扩展容易、抗干扰能力强等优点。不可否认,单片机开发的器件成本比较低,但是他的开发成本比较高，而且单片机的编程麻烦，工作量大，可读性差，用于花式喷泉这种实时控制不太占优势。要满足花式喷泉这么大而且复杂的工程用一般的单片机控制显然有点麻烦，且可靠性过低。

（3）采用可编程序控制器PLC控制

经过长期的工程实践，PLC是最为广泛应用。在石油、化工、机械、钢铁、交通、电力、轻工、采矿、水利、环保等各领域。PLC控制器是建立在单片机之上的产品。不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进，而且编程方法简单易学。PLC可根据按钮、各种开关操作现场输入信号或检测信号控制执行机构完成相应的功能。PLC具有定时控制功能，可为用户提供上千个定时器和计数器，实现具体控制。对于花式喷泉的PLC控制，其可靠性要高很多，而且能把复杂的喷泉系统利用软件编程出来，编程出来的程序就简单易懂多了，也更容易查出故障，维修方便。

1.1.3 方案选择

根据比较，最终选择PLC控制器来控制花式喷泉。这样更经济、耐用和适合时代的大潮流。

1.2、硬件的选型

1.2.1 PLC硬件的选型

可编程控制器是是一种数字运算操作的电子系统，专业在工业环境下应用而设计。它利用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算等操作的指令，并通过数字式、模拟

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式的输入和输出，来控制各类型的机械或生产的过程。

(1) PLC的基本工作方式

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式

1每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。 ○

2输入刷新过程。○当输入端口关闭时,程序在进行执行阶段时,输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 ○

4元件印象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 ○

5扫描周期的长短由三条决定。○CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。 6由于采用集中采样，集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应○延迟。

（2）PLC的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。

（3）PLC工作过程

PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化的工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停的分阶段处理各种不同的任务见图2-5，这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。

图6-1 扫描过程

（4）PLC的功能

1.逻辑控制 ○

2.定时控制 ○

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3.计数控制 ○

4步进顺序控制 ○

5.PID控制 ○

6数据控制PLC具有数据处理能力 ○

7通信和联网 ○

8其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求.如：定位控制模块，○CRT模块。

1.2.2 选择硬件

S7-200不同的CPU模块的性能有较大的差别，在选择CPU模块时，应考虑开关量、模拟量模块的扩展能力，程序存储器与数据存储器的容量，通信接口的个数，本机I/O点的点数等，当然还要考虑性能价格比，在满足要求的前提下尽量降低硬件成本。

喷泉的控制系统，不仅喷水花样繁多，而且对电磁阀的动作时序要求相当高。传统的继电器逻辑控制，根本无法满足这一要求。为了保证系统的实用性，可靠性，故本次设计选用 西门子S7-200CPU266主机增加到40个数字量I/O点。最大扩至24个数字量I/O点或35路模拟I/O点。

1.2.3 I/O模块的选型

选择I/O模块前，应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC 驱动。 根据PLC 输出量和输入量的点数和性质，可以确定I/O模块的型号和数量每一块的点数可分为4、8、16、32、和点。依照本设计，选用6ES72162AD230XB8CPU226, DC PS, 24DE DC/16DA DC-CN2331.84型满足本设计需要。

第二章 系统端口分配及程序设计

2.1、系统I/O分配

根据控制要求给出系统I/O分配表。

表2.1 I/O端口分配功能表

序号 PLC地址（PLC端子） 电器符号 （面板端子） 1 2 3 4 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 SD K1 K2 K3 启动 花样1开关 花样2开关 花样3开关 功能说明 7

5 6 7 8 9 10 11 12 13 I0.4 I0.5 I0.6 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 主机输入1M接电源+24V K4 K5 K6 1 2 3 4 花样4开关 单步/连续 停止 喷泉花样1 喷泉花样2 喷泉花样3 喷泉花样4 电源正端 电源地端 主机1L、2L、面板GND接电源GND

2.2、系统外部接线图

图2-2 系统外部接线图

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2.3、系统梯形图设计

根据系统控制要求和I/O分配，编写梯形图如图。见附录

第三章 系统程序调试

3.1、控制流程

3.1.1 花样选择开关在位置1

选择开关在位置1时，按下启动按钮I0.0，首先是4号喷头先喷水，即输出点QO.4得电发亮， 观察仿真界面可知道每隔2s就会有一个输出点亮，也就是各喷头按顺序喷水，如此到最后四个喷头都喷水

根据对已编写的梯形图程序进行仿真，并观察了仿真的各个步骤与系统要求相符合，调试成功。

图3-1 开关置1时流程图

3.1.2 花样选择开关在位置2

按下启动按钮I0.0，首先是1号喷头先喷水，即输出点QO.1得电发亮，观察仿真界面可知道每隔2s就会有一个输出点亮，也就是各喷头按顺序喷水，如此到最后四个喷头都喷水。

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图3-2 开关置2时流程图

3.1.3花样选择开关在位置3

按下启动按钮I0.0，首先是1号、3号喷头先喷水，即输出点QO.1和Q0.3得电发亮，观察仿真界面可知道3s后输出点Q0.2、QO.4发亮，也就是2号、4号喷头喷水，同时原来亮的Q0.1、Q0.3又熄灭，过15s后，1、2、3、4号喷头全部喷水。

图3-3开关置3时流程图

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3.1.4花样选择开关在位置4

按下启动按钮I0.0，首先是1号、2号、3号、4号分别是Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4得电喷头按顺序分别延时2s得电，30s后又重复1-2-3-4的顺序，同样分别延时2s，依次喷完后再过1s改成按照4-3-2-1的顺序依次得电发亮，最后Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4同时得电发亮30s之后全部熄灭。

图3-4 开关置4时流程图

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心得体会

通过这次设计，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。同时，通过这次课程设计也发现了自身存在的不足之处，感觉理论在运用到实践的过程中有许多困难，在利用CAD绘制工程图的时候，对工程制图的绘制更加的了解，在程序的编写遇到困难时，通过我们大家一起齐心协力，从平时做的实验﹑老师上课的举例﹑书本上的知识以及老师的辅导和其他同学的帮助下一一解决。

通过次课程设计也让我充分认识到团队合作的重要性，我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，同时要感谢指导老师王哲老师的认真指导。

参考文献

[1] 廖常初. 《PLC编程及应用》.北京：机械工业出版社.廖常初主编.2007年9月第二版第八次印刷.

[2] 廖常初. 《S7-300/S7-400PLC应用技术》.北京：机械工业出版社.廖常初主编.2007年9月第一版第六次印刷.

[3] 路林吉,王坚,江龙康.《可变控制器原理及应用》.北京：清华大学出版社.2003年2 月第二次印刷.

[4] 刘华东.《单片机原理及其应》.电子工业出版社.2005.

[5]《可编程控制器教程（基础篇）（实训篇）》.胡学林主编.电子工业出版社2005. [6]《园林工程》.韩玉林主编，重庆大学出版社.2006.9.第一版. [7]《环境艺术设计》.魏栋.建筑工业出版社.2006.9.第一版.

[8]《SIMATIC S7-200可编程序控制器CPU22X系统手册》. 西门子（中国）有限公司. [9] 上海锦坤电气技术有限公司. [10] 中国工控网.www.gongkong.com.

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附录：

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