1、本科毕业论文（20 届）花式喷泉的 PLC 控制所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 花式喷泉的 PLC 控制摘 要 随着我国经济文化不断的加速发展，物质生活水平的提高促使着人们迫切的追求更高的生活享受，花样喷泉可以在人们周围随处可见，比如广场、大厦、小区、公园等。于是大大小小的公园如雨后春笋般出现在新的城市规划中，其中必然会修建一些喷泉供人们休闲，观赏。花样喷泉是人造小气候，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。本设计主要以可编程控制器 PLC 的控制功能，通过对各个开关的控制，
2、来满足人们对视觉的需求，实现了利用可编程控制器控制花样喷泉的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当花样喷泉的功能增加时，只需要增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少，调试结果表明，在适应性、灵活性、准确性和可靠性方面，都达到了设计要求。通过本设计，我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。并且，更了解了有关可编程器件的功能。关键词花样喷泉、PLC、开关的控制目 录第一章 绪 论 .11.1 课题概述 .11.2 喷泉的应用现状 .11.3 课题设计的目地及意义 .1第二章 系统总体设计 .32.1 设计方案论证 .32.2 PLC 的介绍 .42.1.1 PLC 的定义
3、 .42.1.2 PLC 的分类 .52.1.3 PLC 系统与继电器控制系统的区别 .62.2 PLC 的结构与工作原理 .82.2.1 PLC 的结构 .82.2.2 可编程控制器工作原理 .92.3 PLC 的发展趋势 .112.4 PLC 的选择 .132.4.1 单片机控制 .132.4.2 继电器接触器控制 .132.4.3 工控机控制 .132.4.4 PLC 控制 .14第三章 花式喷泉的总体硬件设计 .163.1 PLC 的选择方案 .163.2 硬件组态 .163.3 S7-300PLC 的结构 .173.4 水泵的选择方案 .19第四章 系统的软件设计 .204.1 花式
4、喷泉的 PLC 控制流程图 .204.2 编程语言 .204.3 S7-300 的编程软件 .214.3.1 STEP7 的组成及功能 .214.3.2 STEP7 的程序类型 .224.3.3 STEP7 的程序结构 .224.4 花式喷泉的 I/O 分配 .234.5 PLC 的 I/O 地址分配简介 .244.6 软件的选用 .244.7 系统主程序 .25第五章 系统仿真与调试 .325.1 S7-PLC 模拟软件 S7-PLCSIM 的简介 .325.2 仿真软件的选用 .325.3 系统的仿真及调试 .32第六章 WinCC 画面制作及调试 .356.1 WinCC 的综述 .35
5、6.1.1 WinCC 简介 .356.1.2 WinCC 常用功能 .356.2 WinCC 组态 .356.3 WinCC 画面 .37个人心得 .42参考文献43西安航空学院1第一章 绪 论1.1 课题概述随着人们的生活日趋小康，一些必要的美化设施逐渐兴起，各式各样的广场花园越来越多，喷泉作为一项建筑艺术，在国内外均有较悠久的历史。人们随着生活水平的提高，对美化住宅小区以及别墅环境的要求也越来越高，小型音乐喷泉成为一个发展方向。目前的水景喷泉一般包括：固定水景、时控喷泉、程控喷泉、声控喷泉、音乐喷泉类，控制方式的复杂程度由低到高。使用控制花式喷泉，具有使用方便、运行可靠、控制程序设计简单
6、等优点，若需要改变喷水花样和喷水时间，不必做很大调整，只要相应修改控制程序，即可实现控制目的。这样的地方又怎能少了喷泉呢? 多花样喷泉形式多样，常常能吸引人们的眼球，同时水又增加了环境的灵动性，多花样喷泉已成为人们建造各类娱乐广场的必需设施。那些控制简便，花样较多，价格低廉的喷泉慢慢成为建设者的首选。现今，多花样喷泉的制造，延袭传统，结合现代，正日益成为人们或出于对环境的追求，或为了居室的美化，等等，而得到众多品位人士的追求。本设计的多花样喷泉采用西门子编程软件进行 PLC 编程，利用 PLC 的工作原理，结合按钮、开关、电源电路进行设计，将软件和硬件有机地结合起来，使得系统能够实现多花样喷泉
7、各种模式的变化以及控制。1.2 喷泉的应用现状当今喷泉已融入现代科技、建筑环境艺术和文化娱乐、社会经济为一体的多功能综合景观艺术。在研究“美学、水学、电学“互为互补科学关系的同时，利用计算机、软件、激光、变频技术等机电一体化现代科技，开发研制各系列喷泉控制系统。特别是最近研制的音乐喷泉控制系统，不但结构先进灵活方便可靠，可利用各种音源（如录音机、CD、VCD、DVD、卡拉 OK 音乐会） ，在喷水现场，根据不同的要求，通过控制任意改变喷水的高低、花形花样，而且克服了以往音乐与喷水不够同步、音乐曲目难改等缺点，更有效控制多路各种变化，既能创造出高歌澎湃、激昂热烈的壮观场面，又能达到轻歌曼舞柔情摇
8、曳，绚丽多姿的景观，真正使音乐、水姿、色彩和感观有机融合，令人迷恋、陶醉！西安航空学院21.3 课题设计的目地及意义通过对实例工程的模拟，熟悉掌握了 PLC 编程和程序调试方法。进一步了解 PLC 的I/O 连接。进一步熟悉定时移位的编程指令的应用，用 PLC 构成喷泉系，学习电气可编程中的基本实验器件及 PLC 编程等的综合应用。巩固和加深对PLC 编程控制器的理解和应用。掌握硬件实验装置的方法。PLC 控制系统体积小、功能强、可靠性高且具有较大的灵活性和可扩展性的特点。用 PLC 花样喷泉控制系统，不但实现了自动转换花样喷泉的喷水样式，提高了系统的可靠性和安全性，而且，美化了我们的生活环境
9、，使我们的生活环境更加安逸、舒适。因此 PLC 控制系统具有一定的工程应用和推广价值。西安航空学院3第二章 系统总体设计2.1 设计方案论证方案1：使用单片机控制花式喷泉单片机的特点是控制性能和可靠性高，体积小、价格低、易于产品化。由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在智能仪表、机电一体化产品、实时工业控制家用电器等各个领域都获得了极其广泛的应用。花式喷泉的原理是利用控制器控制水泵的喷水的方式，此方案采用AT80C51系列单片机作为主控制器来控制喷泉的喷水方式。单片机的成本较低，适合用于控制小型的花式喷泉。单片机通过控制步进电机来控制电磁阀,实现对喷头流量的控制, 从而使喷泉水
10、姿、灯光色彩产生变化。但采用单片机控制原理，是以可控硅作为功率开关元件，由于可控硅承受过电压、过电流的能力较差，因而不能长时间运行。方案2：使用 S7-300PLC 控制花式喷泉自20世纪60年代中期以来 PLC 产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近20年来计算机和信息技术的飞速发展,不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格,使 PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足的进步,也使PLC 的广泛应用成为可能。PLC 的优点很多，主要包括：编程方法简单易学；功能强、性能价格比高；硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强；可靠性高、抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量
11、低、维修方便；体积小、能耗低等。而且 PLC 在各个工业部门的应用范围都得到了扩展。此方案采用西门子300系列 PLC 作为主控制器。S7-300PLC 是中型的 PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-300PLC 的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-300PLC可提多种 CPU 可供选择使用，并且体积小，功能强、可靠性高，灵活性强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，从而变化出很多花样，同时，PLC 具有很强的自诊断功能，迅速方便的检查出故障，缩短检修时间，因而确保控制系统的可靠性
12、，稳定性。西安航空学院4基于本设计的控制要求，可采用 S7-300系列的 PLC 来控制电磁阀，从而达到对喷头流量的控制，产生各种方式的喷水花样。方案3：使用 S7-200PLC 控制花式喷泉本方案采用 S7-200PLC 作为喷泉的主控制器来控制水泵的运行。S7-200PLC是一种小型的 PLC，它有5种 CPU 模块，最多可以扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量 I/O 或者38路模拟量 I/O，最多有30多 KB 的程序存储空间和数据存储空间。集成了6个有12种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器、脉冲宽度调制器。本设计方案可以选择 S7-300CPU226的 PLC 作为主控制器
13、，该型号的PLC 共14入10出24个 I/O 点。从 I/O 点分配方面来说很适合本设计的控制要求。但是这也限制了它以后的发展，在改变喷水方式的时候很不方便，因此不利于调整。2.2 PLC 的介绍2.1.1 PLC 的定义可编程程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller） ，乃是一种固态电子装置，主要利用输入/输出装置的回授信号及储存程序，控制机械或程序的操作。在工厂自动化（FA）系统中，PLC 因为具备价格便宜、系统稳定及环境适应性佳的特点，故一直为自动化业界所采用。近几年来，各 PLC 制造厂家无不致力于新机种的研发，所以在 CPU 处理速度、扩展
14、模块及通讯的功能上，相较于早期 PLC 控制器，已有长足的进展。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable Controller(PC)。最初，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC。只能进行计数、定
15、时及开关量的逻辑控制。个人计算机(简称 PC)发展起来后，为了避免与个人计算机（ Personal Computer ）PC 这一简写名称术语混乱，仍沿用早期的 PLC 表示可编程控制器，但 PLC 并不意味着只具有逻辑运算的功西安航空学院5能1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向拥护的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控
16、制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。2.1.2 PLC 的分类1根据 I/点数分类（1）微型机I/点数（总数）在64点以下，内存容量为256B1KB,称为微型机。微型机的结构为整体式，主要用于小规模的开关量控制。（2）小型机I/点数（总数）为65128点，内存容量为13.6KB，称为小型机。一般只有逻辑运算、定时、计数和移位等功能，适用于中小规模开关量的控制，可用它实现条件控制、顺序控制等。微型机和小型机的特点是价格低，体积小，适用于控制自动化单机设备，开发机电一体化产品。（3）中型机I/点数为129512点，内存容量为3.613KB，称为中型机。它除了具有逻辑运算能力外，还增加了模拟
17、量输入/输出、算数运算、数据传送、数据通信等功能，可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。中型机特点是功能强，配置灵活。适用于小规模的综合控制系统。（4）大型机I/点数为513896点，内存容量为13KB，称为大型机。大型机的功能更加完善，具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能。（5）巨型机I/点数大于896点，内存容量大于13KB，称为巨型机。巨型机的特点是I/点数特别多，控制规模宏大，组网能力强，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统或整个工厂的集散控制系统。西安航空学院62根据结构形式分类（1）整体式 PLC这种结构的 PLC 的电源、CPU、I/、部件都集中配置在一个
18、箱子中，结构紧凑，体积小、重量轻、价格低。缺点是主机的 I/点数固定，使用不灵活。（2）模版式 PLC这种形式的 PLC 各部分以单独的模版分开设置，配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩展，缺点是结构较复杂，各种插件多，因而增加了造价。（3）分散式 PLC分散式 PLC 的结构是将可编程控制器的 CPU、电源、存储器集中放置在控制室，而将各 I/模版分散在各个工作站，由通信接口进行通信连接，由 CPU集中指挥。3.根据用途分类（1）用于顺序逻辑控制（2）用于闭环过程控制（3）用于多级分布式和集散控制系统（4）用于机械加工的数字控制和机器人控制2.1.3 PLC 系统与继电器控制系统的区别PLC
19、 梯形图与继电器控制电路图非常相似，主要原因是 PLC 梯形图大致上沿用了继电器控制的元件符号和术语，仅个别之处有不同。同时，信号的输入/输出形式及控制功能也基本上是相同的，但是 PLC 的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。1、逻辑控制继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有4 8个对触点。因此，灵活性和扩展性很差。而 PLC 采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线” 。因此灵活性和扩展性都很好。2、工作方式
