基于PLC的喷泉模拟控制系统设计

电气综合应用课程设计

题目:基于 PLC 的喷泉模拟控制系统设计

二级学院 专

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学号 学号 学号

业 级

班

学生姓名

学生姓名

学生姓名 指导教师

时间：

考核项目

设计 60 分

平时成绩 20 分

答辩 20 分

得分

总分

考核等级 教师签名

目录

1、课程目的.............................................................................................. 4

2、设计要求与任务 ................................................................................. 4

2.1、设计要求 ................................................................................... 4

2.2、设计任务 ................................................................................... 4 2.3、设计的花样控制功能 ............................................................... 5 2.4、主要内容 ................................................................................... 6 3、系统硬件设计 ..................................................................................... 6

3.1、PLC 介绍 .................................................................................... 6

3.2、PLC 选型 .................................................................................... 6 4 、系统软件设计 ................................................................................... 7

4.1、系统设计步骤 ........................................................................... 7

4.2、系统设计思路 ........................................................................... 7 4.3 、PLC 的存储器容量和 I\\O 点估算 .......................................... 8 4.4、系统 I/O 口接图 ....................................................................... 8 4.5、控制程序流程图设计 ............................................................... 9 5、系统调试及结果分析 ......................................................................... 9

6、总结.................................................................................................... 10 7、参考文献............................................................................................ 11 附件.......................................................................................................... 12

梯形图主程序 ................................................................................... 12

中文摘要：喷泉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。

随着可编程控制器在我国的迅速发展，对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 。

使用 PLC 控制喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。

用梯形图方法编程，可以使设计思路清晰，编程简便.若需要改变喷水花样和喷

水时间，设计方案不必作很大调整，只要把控制程序作相应的修改，即可实现控

制目的。本设计以3路喷泉为研究对象，采用了三菱 FX2N 系列可编程序控制器作

为喷泉的控制器。对花式喷水池的控制系统的总体功能进行了分析，阐述了可编

程控制器的组成和工作原理。并提出了喷水池硬件的各组成模块及详细的硬件模

块设计方案。本设计改善了喷泉系统的控制品质，并达到了实时控制的要求。

关键字：喷泉、PLC、梯形图编程

English abstract:

the fountain is recent a landscape architecture and fancy

ornamental combination of a product. Along with the programmable controller in the rapid development of our country, the fountain control requirements also more and morehigh,

make more and more control part need programmable controller to realize.

Use PLC control fountain, is easy to use, reliable operation, the control program

design simple etc. Use ladder diagram programming method, can make the design idea is

clear, the programming is simple. If you need to change the spray pattern and discharge

time, design need not be a significant change, as long as the control program for the

corresponding modification, can realize the control purpose. This design with 3 road

fountain as the research object, the mitsubishi FX2N series programmable controller as

a fountain of controller. To fancy fountain control of the whole system function was

analyzed, the programmable controller of component and work principle. And puts forward

the fountain hardware each composition module and detailed hardware module design. This

design improves the fountain system control quality, and has achieved the requirements

of real-time control.

Key words:

fountain, PLC, ladder diagram programming

1、课程目的

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。

自动喷泉控制的实现方法很多，本设计题目为基于可编程控制器（ PLC）的

喷泉控制系统，用 PLC 进行控制不仅能够进行多种水型切换，而且能将各种水型、

灯光按预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行控制程序发出

控制信号，使水型、等过实现多姿多彩的变化。通过上位机（PC）与 PLC 之间的

通讯来监控喷泉的状态与效果，进而控制电动机，以达到顺利实现工业控制的要

求及目的，同时还要达到低功耗、高性价比、运行可靠等基本要求。

2、设计要求与任务

2.1、设计要求

1）S7-200PLC 编程或欧姆龙 PLC；

2）用 LED 模拟三组 ABC 喷头，一点动开关；

3）按点动开关，A 组先喷 5 秒，然后 BC 两组同时喷且 A 组停，5 秒后

C 组停，而 AB 两组又同时喷，再经过 2 秒，C 组也开始喷，持续 5 秒后，全部停

止喷水，再经过 3 秒后重复前述过程。

扩展要求：

1）能用按键选择喷泉式样；

2）能用按键选择喷泉间隔时间。

2.2、设计任务

根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论

知识，进行自动喷泉的控制原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，

提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。

2.3、设计的花样控制功能

有 4 个彩灯代表 4 个喷头，有 3 个选择按钮，如下图 2-1 所示。采用三菱

FX2N-MR 进行控制，实现 2 种的自动喷泉花样。

彩 灯 按 钮

L1 L2 L3

K1 K2 K3

图 2-1 喷头分布与方式选择按钮

基于以上要求，本系统应具有以下功能

花样一：

① 按下启动按钮 K1 按钮选择花样 1 模式

② 灯 L1 亮 5 秒

③ 然后灯 L1 灭，灯 L2 和 L3 亮 5 秒

④ 然后灯 L3 灭，灯 L1 和 L2 亮 2 秒

⑤ 然后灯 L1、L2 和 L3 同亮 5 秒

⑥ 最后熄灭 3 秒后，重复②到⑥

花样二：

① 按两下 K1 按钮选择花样 2 模式

② 灯 L2 亮 1 秒

③ 然后灯 L1 和 L3 亮 1 秒

④然后灯 L1、L2 和 L3 同亮 1 秒

⑤然后灯 L1 和 L3 亮 1 秒

⑥然后灯 L2 亮 1 秒

⑦最后熄灭 1 秒后，重复②到⑦

2.4、主要内容

1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；

2. 系统有启动/停止，单步/连续功能按钮；

3. 运用相关指令进行 PLC 控制程序设计，实现 2 种的自动喷泉花样控制；

5. 程序结构与控制功能自行创新设计；

6. 进行系统调试，实现自动喷泉的控制要求

3、系统硬件设计

3.1、PLC 介绍

可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而

设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺

序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/

输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。

早 期 的 可 编 程 控 制 器 称 作 可 编 程 逻 辑 控 制 器 （ Programmable Logic

Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这

种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，

因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机

（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称 PLC,PLC 自 1969

年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制

器质量优良，功能强大。

3.2、PLC 选型

现在应用最广泛的 PLC 有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。

三菱 PLC 结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、

适用面广但是数据处理比西门子弱。

西门子 PLC 性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是

价钱太高。

欧姆龙 PLC 欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求，东欧的老机床器件

符号输进去好多都不认，按它的标准老图的标示都要变很不方便。

松下 PLC 超小型尺寸，轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需

任何电缆。从 I/O 10 点到最大 I/O 128 点的选择空间。

本设计需要速度快稳定同时从价格等方面考虑我们选择三菱 PLC 本设计所

使用的 I/O 口不是太多所以我们选择三菱 FX-2N 型 PLC。

4 、系统软件设计

4.1、系统设计步骤

（1）深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。

（2）确定 I/O 设备。根据花式喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、

输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。

（3）根据 I/O 点数选择合适的 PLC 类型。

（4）分配 I/O 点，分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出

端子的接线图。

（5）设计花式喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图

（6）程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。

（7）将程序输入 PLC 进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。

4.2、系统设计思路

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。

4.3 、PLC 的存储器容量和 I\\O 点估算

（1）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。

（2）输入输出（I/O）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。

根据系统要求所选择的 I/O 功能分布表如下表所示：

表 4-1 输入输出（I/O）选择

功能元件

输入点

功能元件

输出点

启动按钮 SB1

I0.0

指示灯 L1

Q0.0

停止按钮 SB2

I0.1 I0.2

指示灯 L2 指示灯 L3

Q0.1 Q0.2

花样选择开关 K1

4.4、系统 I/O 口接图

220V

花样选择开关

K1

I0.0

启动按钮

SF2

I0.1

Q0.0

Q0.1 FX2N-MR

L1 L2 L3

AC

停止按钮

I0.2

SF3

Q0.2 com

com

220v

图 4-1 系统 I/O 口接图

4.5、控制程序流程图设计

开始

按下启动按钮

否

判断花样一按 钮是否按下

是

执行花样一

否

判断花样二按 钮是否按下

是

执行花样二

否

循环扫描并判 定按钮是否按

下

按下停止按钮

停止工作

图 4-2 控制流程图

5、系统调试及结果分析

将 PLC 连接到计算机的 COM1 口，其他都为默认状态，首先看一下计算机与

PLC 的通讯是否正常，将软件打开选择好机型，将自动喷泉控制系统的程序打开，

转换、写入，打开监视状态。按下启动按钮和选型按钮，通过观察 I/O 口输入、

输出是否正确。如有错误找出原因，解决问题。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。 在调试时应充分考虑各种可能的情况，

对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能

的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和

PLC

中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。

完成上述的工作后，将 PLC 安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴

露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及 PLC 的外部

接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达

不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可

能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实

际的运行了。

6、总结

通过所做 PLC 的设计，让我们进一步对 PLC 的应用及功能做了了解，对软件

梯形图的应用也变的熟练。我掌握了更多关于自动控制系统的知识，明白了自动

喷泉控制系统的组成，FX2N-MR 的功能及特点。无论是在硬件还是软件设计上，

我都遇到了不少的问题，在克服困难的过程中，我们学到了许多，特别是在课堂

上学不到的东西。使我重新系统的学习了网络测控，可编程控制器等课程，熟悉

掌握了 PLC 的使用。对一个系统的设计步骤有了清楚的了解，并掌握了一个系统

的设计过程。学会了如何发现问题，解决问题。并在查阅资料的过程中对问题的

认识和问题的解决提出了新的见解，分析问题出现的原因，使得对问题理解也更

加深刻。

通过本次设计，让我很好的锻炼了理论与具体项目、课题相结合开发、设计

产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中

遇到的问题怎样用理论去解决。最后，非常感谢老师的指导和同学们的帮助。

7、参考文献

【1】 周军.《电气控制及 PLC》.机械工业出版社，2001。

【2】 廖常初.《PLC 编程及应用》.机械工业出版社，2002。

【3】 贾树军.《组态王在音乐喷泉中的应用》.山西机械出版社，2003。

【4】 章文浩.《可编程控制器原理及实验》.国防工业出版社，2003。

【5】 章国华、苏东《典型生产线原理、安装与调试》北京理工大学出版社 2009.04

【6】 计时鸣《机电一体化控制技术与系统》西安电子大学出版社 2009.06

【7】 华满香《电气控制及 PLC 应用》人民邮电出版社 20090.5

【8】 邓其贵、周炳《变频器操作与工程项目应用》北京理工大学出版社 2009.08

附件

梯形图主程序

2）子程序