1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于 PLC 的花式喷泉监控系统设计一、课题研究意义及现状喷泉时常与美景相联系，由此人们对环境美的要求由喷泉的自身带给人的美感也不能忽视。而且喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。如今科技日新月异，喷泉也更是包含了许多的科学技术，集科学与艺术于一身，在城市建设中扮演着越来越重要的角色，其自身的发展与大量新技术的出现及发展是分不开的，完成本设计控制系统的核心控制部件 PLC 更是有着丰富的发展历史。经过数十年的发展，PLC 技术已越来越成熟，应用的范围
2、也越来越广泛，几乎渗透到了各行各业。而在很多的控制应用系统中，以 PLC 为核心的控制系统逐渐成为理想的控制系统，其主要特点主要有硬件的可靠性；编程简单，使用方便；接线简单，通用性好；可连接为控制网络系统；易于安装，便于维护。而对音乐喷泉的成败最重要的是看喷出的水流量是否有音乐感。PLC 的主要功能是对音乐信号进行处理，再将处理后的信号传输到下一级控制设备，这样就可以控制所需的水型及灯光按照音乐的节奏高低起伏和动感变化，使音乐喷泉真正达到了水上芭蕾的艺术效果。PLC 所具有的准确、精密、快速、稳定的特点和多点控制的功能已使它成为现代高技术音乐喷泉工程中不可缺少的设备。该系统从理论上讲，可以采用
3、的控制器有：继电器-接触器控制；单片机控制；PLC 控制等三种控制器。但对这三种不同形式的控制器的比较，在广场音乐喷泉控制系统中，很显然 PLC 作为控制器的优势比较明显、突出。因此，在此次音乐喷泉控制系统中选用了PLC 作为控制器的方案。由于系统各主要部分所需要满足的功能步骤及要求大多是开关量信号，所以选择可编程序逻辑控制器是完全能够满足其功能要求的。系统主要靠 PLC 内部程序运行，从而达到实时性、准确性得到很大改善，使系统可靠性得到了进一步的保证。系统采用 PLC 作为控制器，其本身就具有极强的功能扩展性，加之 PLC 产品的完整性，使得系统功能扩展极其方便。系统采用先进控制方式，大大降
4、低了工程成本，并由于系统组态及结构简单，这使得可维护性增强。二、课题研究的主要内容和预期目标1主要内容主要研究内容是利用 PLC 控制技术来设计一个花式音乐喷泉系统的主控模块，再结合触摸屏相关编程软件实现人机互动界面，从而驱动 PLC 中的开闭触点，实现对程序的操作。PLC 梯行图程序为系统核心部分以实现喷泉喷出花样及喷泉花样样式的改变，从而实现一个完整的花式喷泉 PLC 监控系统设计。2预期目标1、利用 PLC 设计好一个系统，当电源开关接通后，按下启动按扭，喷水装置即开始工作；按下停止按扭，则停止喷水。工作方式由选择开关和单步/连续开关来决定。 “单步/连续”开关在单步位置时，喷泉只运行一
5、次循环；在连续位置时，喷泉运行一直继续下去，选择开关用来选择喷泉的喷水花样，该喷泉要求实现以下三种工作方式：1）选择开关在“1”位置时，按下启动按扭后，4,3,2,1 隔 2s 依次喷水，一起喷水15s 后停下；隔 2s;然后按 1,2,3,4 的次序隔 2s 依次喷水，再一起喷水 15s 后停下 。若在连续状态时隔 2s;以此循环。2）选择开关在“2”位置时，按下启动按扭后，1,3 同时喷水，延时 3s 后，2,4 喷水，1,3 停喷，交替运行 5 次后，隔 2s；1,2,3,4 全喷水， 30s 后停止。若在连续状态时隔2s；以此规律循环。3）选择开关在“3”位置时，按下启动按扭后，1,2
6、,3,4 按顺序延时 2s 喷水，然后一起喷水 30s 后，1,2,3,4 再分别延时 2s 停喷。若再连续状态时隔 2s。不论在什么工作方式下，按下停止按扭，喷泉停止运行。用触摸屏监控喷泉的运行状态，并可以通过触摸屏修改喷水时间等有关参数。2、喷水模型图形如下：3、通过硬件和软件的连接，达到可以用手操作触摸屏，给触摸屏指令后可以驱动 PLC内的程序实现音乐、喷泉的完美结合。3、课题研究的方法及措施1研究方法本设计中的喷泉监控系统重要应用部件为 PLC 及触摸屏设计原理主要是基于这两者。按照可编程控制器的构成原理，可编程控制器系统由传感器、可编程控制器和执行器组成，可编程控制器通过循环扫描输入
7、端口的状态，执行用户程序来实现控制任务，其操作原理如下图所示2研究措施1）收集查阅喷泉监控系统的相关资料，对 PLC 的应用设计情况进行熟悉了解；了解不同的设计实现方法，比较现有的相关方案，确定本课题研究和实现方案，然后对方案中的各单元进行了必要的分析和研究。2）对所研究的喷泉监控系统的功能进行详细了解，主要有触摸板、控制面板、检测信号、电磁阀、延时继电器、交流接触器等。3）根据喷泉监控系统所要实现的功能，编写完整的梯形图设计。以及根据功能来分配I/O 接口。完成编程以后，通过调试，看是否满足预先所设想的功能。初步设计系统的控制方案为输入 模快 输入 模快 受 控输 出装 置现 场输 入信 号
8、PLC电磁阀继电器接触器电机控 制面 板 触摸屏喷水根据控制方案，以及对喷泉监控系统的性能分析，考虑日后扩展预留的接口数。大致确定 I/O 点数，综合 PLC 的性价比。选定 PLC 型号。4）考虑控制系统额可靠性，由于控制系统工作的环境相当恶劣，故需要采取一些措施，保证控制系统能够长期稳定的工作。四、课题研究进度计划1第一阶段（4 周）：2010 年 10 月 15 日至 2010 年 11 月 14 日分析任务，收集 PLC 音乐喷泉控制系统的相关资料，对资料进行消化，确定如何利用PLC 控制系统实现音乐喷泉系统的总体方案设计，基本完成开题报告、文献综述、外文翻译等2第二阶段（4 周）：2
9、010 年 11 月 15 日至 2010 年 12 月 15 日设计与写论文，包括该设计中的主要器件 PLC、触摸屏以及用到的其他元器件的选型，并着手硬件设计、软件设计、综合调试等，最后根据设计情况撰写设计报告与论文。3第三阶段（2 周）：2010 年 12 月 15 日至 2010 年 12 月 30 日对设计作品的继续完善，对论文进行修改以及编写 PPT 等，做好毕业答辩准备等。五、参考文献1 Mohammed Bani Younis Alexander Fay Georg Frey. Automatic Re-Implementation of PLC ProgramsJ.ATP In
10、ternational,2008,21(1):5660.2 易泓可.电气控制系统设计基础与范例M.北京:机械工业出版社,2005 年 5 月.3 吴中俊.可编程控制器原理及应用（第 2 版）M.北京:机械工业出版社,2005 年 3 月.4 廖常初.PLC 编程及应用（第 3 版）M.北京:机械工业出版社,2008 年 1 月.5 陈建明. 电气控制与 PLC 应用M.北京：电子工业出版社，2006 年 8 月.6 戴仙金. 西门子 S7-20 系列 PLC 应用与开发M.北京:水利水电出版社,2007 年 4 月.7 薛迎成. PLC 与触摸屏控制技术M.北京:中国电力出版社,2008 年
11、2 月.1 易泓可主编.电气控制系统设计基础与范例M.北京:机械工业出版社,2005 年 3 月.2 史国生主编.电气控制与可编程控制器技术.第二版M.北京:化学工业出版社教材出版中心,2005 年 8 月.3 吴中俊,黄永红主编.可编程控制器原理及应用.第二版M.北京: 机械工业出版社,2005 年 12 月.毕业论文文献综述电气工程及自动化基于 PLC 的花式喷泉监控系统摘要：主要介绍了PLC的特点和基本情况，着重说明基于PLC的花式喷泉监控系统的设计思路和各模块实现考虑等，并总结了选择用PLC来实现该功能的优点。关键词：音乐喷泉；PLC 控制系统；设计及 PLC 选型 1、花式喷泉的现状
12、在许多休闲广场，景区或游乐场所里，常看到喷泉按着一定的规律或变化花样，其中喷水管的布置对喷水花样的形成很重要。喷泉又时常与美景相联系，由此人们对环境美的要求由喷泉的自身带给人的美感也不能忽视。而且喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子 1。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。如今科技日新月异，喷泉也更是包含了许多的科学技术，集科学与艺术于一身，在城市建设中扮演着越来越重要的角色，其自身的发展与大量新技术的出现及发展是分不开的，完成本设计控制系统的核心控制部件 PLC 更是有着丰富的发展历史 2。1.1、PLC 的特性和优势可编程
13、控制器(PLC)是综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术的新型的，通用的自动控制装置。它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程及适应工业环境下应用等一系列优点，它在工业自动化、传统产业技术等方面的应用越来越广，其中西门子公司的可编程控制器，尤其是小型可编程控制器 S7-200 系列的 CPU224 以其质量、价位等方面的因素，而应用在本设计中。本设计控制系统软件设计部分是通过相关的 PLC 编程软件编制的，具体体现为程序梯形图，由于其具有直观、形象的优点，所以易于修改、维护 3。而且 PLC 是以嵌入式 CPU 为核心，加上输入、输出等模块，可以应用于工业控制领域的装置。由于 PLC
14、是一种新型的控制器，它把微型计算机技术和继电器控制技术融合在一起，兼具计算机的功能完备、灵活性强、通用性好以及继电器接触器控制系统的简单易懂、维修方便的特点。经过长期的工程实践，PLC 的优点越来越被广大技术人员所认识和接受，已经广泛应用到了石油、化工、机械、钢铁、交通、电力、轻工、采矿、水利、环保等各个领域。PLC 在音乐喷泉方面的应用，就是其在机械方面的一个典型运用 6 。花式喷泉是利用以上的 PLC 技术来实现音乐与喷泉的互动，达到唯美的境界，使人得到美的享受。该喷泉采用 PLC 控制，在花式喷水时序确定前提下，可以通过改变时序或者改变控制开关，实现控制方式的改变，达到显现各种复合状态的
15、要求 7。2、花式喷泉的实现喷泉的排水管形式主要有以下四种：第一种为外环形状喷水管；第二种为次外环形状喷水管；第三种为内环形状喷水管；第四种为中心喷水管。其实现过程可概括为：当电源开关接通后，按下启动按扭，喷水装置即开始工作；按下停止按扭，则停止喷水。工作方式由选择开关和单步/连续开关来决定。 “单步/连续”开关在单步位置时，喷泉只运行一次循环；在连续位置时，喷泉运行一直继续下去。选择开关用来选择喷泉的喷水花样，该喷泉要求实现以工作方式：选择开关在“1”位置时，按下启动按扭后，4,3,2,1 隔 2s 依次喷水，一起喷水 15s 后停下；隔 2s;然后按 1,2,3,4 的次序隔 2s 依次喷
16、水，再一起喷水15s 后停下 。若在连续状态时隔 2s;以此循环。选择开关在“2”位置时，按下启动按扭后，1,3 同时喷水，延时 3s 后，2,4 喷水，1,3 停喷，交替运行 5 次后，隔 2s；1,2,3,4全喷水，30s 后停止。若在连续状态时隔 2s；以此规律循环。选择开关在“3”位置时，按下启动按扭后，1,2,3,4 按顺序延时 2s 喷水，然后一起喷水 30s 后，1,2,3,4 再分别延时2s 停喷。若再连续状态时隔 2s。不论在什么工作方式下，按下停止按扭，喷泉停止运行。用触摸屏监控喷泉的运行状态，并可以通过触摸屏修改喷水时间等有关参数 8。另外，给 PLC 供电的电源非常有讲
17、究。电源往往是干扰 PLC 功能的主要因素。PLC 系统的电源有两类：外部电源和内部电源。外部电源用来驱动 PLC 输出设备（负载）和提供输入信号，又称用户电源。同一台 PLC 的外部电源可能有多种。外部电源的容量与性能由输出负载和 PLC 的输入电路决定。由于 PLC 的 I/O 电路都具有滤波，隔离功能，所以外部电源对 PLC 性能影响不大。因此，对外部电源的要求不高。内部电源是 PLC 的工作电源，既 PLC 内部电路的工作电源。他的性能好坏直接影响到 PLC 的可靠性。因此，为了保证PLC 的正常工作，对内部电源有较高的要求。一般 PLC 的内部电源采用开关式稳压电源或一次侧带低通滤波
18、器的稳压电源。在干扰较强或可靠性要求较高的场合，应该用带屏蔽层的隔离变压器，对 PLC 系统供电。还可以在隔离变压器二次侧串联 LC 滤波电路 9。2.1、花式喷泉的材料分析和选择花式喷泉中驱动喷泉的控制阀应选用电磁阀，考虑到电磁阀的驱动功率及同时被驱动的个数，也从节能环保角度考虑，适宜选用小功率电磁阀。 10根据电磁阀的选用。可确定PLC 的输出功率可选小功率，I/O 个数在15 个足够，由于喷泉工作性质决定了 PLC 的工作环境，要求其工作时对湿度的要求比较高，根据以上因素确定选用小型 PLC 可选取西门子 S7-200 CPU 224 型。 S7-200，CPU 224 的特点：工作温度
19、范围：-25+70度；工作湿度范围:5时 98%；70时 45% 、不结露；055，平安装；045，垂直安装 11。S7-200 在 CPU 单元上设有硬件电路（芯片等）处理高速数字量 I/O，如高速计数器（输入） 、高速脉冲输出。这些硬件电路在用户程序的控制下工作，可以达到很高的频率。实现该设计的监控系统用 S7-200 系列 PLC 的基本位操作指令中的触点，线圈指令；置位/复位指令，定时器，计数器及中间继电器来实现 12。触摸屏为根据 PLC 选型确定与其输入输出电压相匹配的 HITECH 、PWS1760 系列，有如下优点：触摸屏为电容式；电源 DC24V ；电量小于 12W ；环境条
20、件工作温度 050；环境湿度 2090(不结露) 13。由于 5 线电阻式触摸屏具有清晰度较好、透明度高、没有色彩失真、分辨率高无漂移、没有关干扰、防尘、寿命长。五线电阻产品，其表层是负载电压层，不起判定作用. 所以，五线电阻即使表面破损，仍然不影响触摸操作。五线电阻触摸屏幕，与外间环境无关，具有最强大的环境适应能力，表面具有4H 的防刮伤能力，和高于 95% 的透光率，所以触摸屏的选型为 5 线电阻式触摸屏 14。3、最终效果通过对硬件的连接，软件的编程控制，以及对材料的选取等严格把关，最终将完成一个完整的，会随着音乐的变动而改变喷水花式的音乐喷泉。而且为了操作上的方便，它将采用触摸屏实现控
21、制操作面板，触摸屏比传统的开关和输入设备更简便、美观，通过相应的软件制作操作面板使喷泉监控系统更直观，且易操作。其实现过程大致可以描述如下：由触摸屏相关编程软件实现人机互动界面，编号程序控制后就可以通过人工对触摸屏做出相应的操作来驱动 PLC 中的开闭触点，实现对程序的操作。PLC 梯行图程序是系统核心部分，是用来控制喷泉喷出水柱及喷泉的花样样式的改变，从而实现一个完整的花式喷泉PLC 监控系统。当触摸屏指令传输到 PLC 后，PLC 根据已经编好的梯形图程序做出相应的动作，来驱动它下面的各种元器件，包括继电器、接触器以及电磁阀，其中将会实现三种花式，轮流变化 13。参考文献：1 Mohamm
22、ed Bani Younis Alexander Fay Georg Frey. Automatic Re-Implementation of PLC ProgramsJ.ATP International,2008,21(1):5660.2 易泓可.电气控制系统设计基础与范例M.北京:机械工业出版社,2005 年 5 月.3 吴中俊等.可编程控制器原理及应用（第 2 版）M.北京:机械工业出版社,2005 年 3月.4 廖常初.PLC 编程及应用（第 3 版）M.北京:机械工业出版社,2008 年 1 月.5 陈建明. 电气控制与 PLC 应用M.北京：电子工业出版社，2006 年 8 月.
23、6 戴仙金. 西门子 S7-20 系列 PLC 应用与开发M.北京:水利水电出版社,2007 年 4 月.7 薛迎成. PLC 与触摸屏控制技术M.北京:中国电力出版社,2008 年 2 月.8 李道霖. 电气控制与 PLC 原理及应用(西门子)M.北京:电子工业出版社,2004 年 8 月.9 Simon Haykin. Adaptive Filter Theory. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2003.10 晁样 胡军 熊伟.可编程控制器原理应用与实例解析M.北京:清华大学出版社,2007年 11 月11 胡学林主
24、编.可编程序控制器教程M.北京:电子工业出版社,2004.年 7 月.12 史国生主编.电气控制与可编程控制器技术(第二版)M.北京:化学工业出版社教材出版中心,2005 年 6 月.13 吴中俊,黄永红主编.可编程控制器原理及应用(第二版)M.北京: 机械工业出版社,2005 年 7 月.14 陈在平,赵相宾主编.可编程控制器技术原理及应用系统设计M.北京: 机械工业出版社,2005 年 8 月.15李长久主编. PLC 原理及应用M.北京:机械工业出版社,2006 年 9 月.毕业设计（20_ _届）基于 PLC 的花式喷泉监控系统设计摘 要结合设计要求并通过不同的实现方案比较，确定了一个
25、具体的实施方案，即利用西门子 S7-200 系列 CPU224 型 PLC，正泰接触器 R-10，5 线电阻式触摸屏，以及各种继电器、电机、电磁阀和增压泵等设计了一个花式喷泉监控系统。文中给出了触摸屏的连接和介绍，PLC 的外部接线图以及输入输出分配表，还画出了电气控制图和程序的总体流程图。最终可实现的功能可简述为：当电源开关接通后，在触摸屏上按下启动按扭，喷水装置即开始工作；按下停止按扭，则停止喷水。工作方式由触摸屏上的选择开关和单步/连续开关来决定。 “单步/连续”开关打在单步位置时，喷泉只运行一次循环；打在连续位置时，喷泉运行一直循环下去，选择开关用来选择喷泉的三种喷水花样。最后选择用 MCGS 组态软件进行仿真调试，基本功能符合设计要求，同时也考虑了可靠性、安全性以及各种不足。关键词：可编程控制器；花式喷泉；监控；设计；组态软件；触摸屏
