1、過程控制系統課程設計題 目: 基于組態王的花式噴泉設計 院系名稱： 電氣工程學院 專業班級： 自動化 學生姓名： 董新杰 學 號： 201323020425 指導教師： 魯可 設計地點： 31520 設計時間： 2016.07.7 設計成績： 指導教師： 本欄由指導教師根據大綱要求審核后，填報成績并簽名。摘 要花式噴水池是近年來出現的一種園林建筑與花式觀賞相結合的一種產物。隨著可編程控制器在我國的迅速發展，對花式噴泉的控制要求也越來越高，使得越來越多的控制部分需要可編程控制器來實現。 使用PLC控制花式噴泉，具有使用方便，運行可靠，控制程序設計簡單等優點。用SFC方法編程，可以使設計思路清晰，

2、編程簡便.若需要改變噴水花樣和噴水時間，設計方案不必作很大調整，只要把控制程序作相應的修改，即可實現控制目的。本設計以4環花式噴泉為研究對象，采用了三菱FX1N系列可編程序控制器作為噴泉的控制器。對花式噴水池的控制系統的總體功能進行了分析，闡述了可編程控制器的組成和工作原理。并提出了噴水池硬件的各組成模塊及詳細的硬件模塊設計方案。本設計改善了噴泉系統的控制品質，并達到了實時控制的要求。關鍵詞：噴泉、PLC、SFC編程目錄摘 要I1 系統控制方案的確定11.1 噴泉的布局設計11.2控制要求22 系統硬件設計42.1PLC的選擇42.2 泵的選擇52.3噴頭的選擇72.3閥的選擇92.4 燈具的

3、選擇103 系統軟件設計113.1 I/O分配113.2 梯形圖設計114 組態王監控系統設計164.1組態王與設備通信164.2監控畫面165 系統調試19設計心得22參考文獻23附錄A 系統程序24附錄B PLC接線圖26附錄C 組態王監控畫面271 系統控制方案的確定1.1 噴泉的布局設計 圖1-1 噴泉布局圖本設計布局如圖1-1所示。圖1-1中A組噴水管，有一個噴水管該噴水管所噴出的水柱為4組噴水管最大，噴射高度為4組噴水管最高為8（m）。圖1-1中B組噴水管所處的圓上由8個噴水管組成，該組噴水管所噴出的水柱為比A組的水柱略小，所噴高度比A組的高度略底，所噴高度為6（m）。圖1-1中C

4、組噴水管所處的圓上由20個噴水管組成，該組所噴出的水柱比B組的水柱小，所噴高度比B組水柱低，所噴高度為4（m）。圖1-1中D組噴水管所處的圓上組由30個噴水管組成，該組所噴水柱為4組中水柱最小，所噴高度最低的一組。所噴高度為2（m）。為了在每組噴水管工作時能夠更好的欣賞，能區別4組所噴出的水柱，所以B組所處的圓的半徑為R=2(m)，C組所處的圓的半徑為R=4（m），D組所處的圓的半徑為R=6（m）。本設計中A組噴頭所噴的水柱最高，本設計中4組噴頭所噴的水柱高度為 2-8（m）。本設計的最多時有A、B、C三組噴頭同時噴出水柱，最少時有兩組噴頭噴出水柱，所以流量為150-230（m3/h）。水質為

5、自來水。1.2控制要求本設計由四組噴頭組成，分別為A組B組C組D組。本設計有單周期和連續兩種操作方式。按下開始按鈕后指示燈亮，當選擇單周期方式時A組D組同時噴6秒然后A組和C組同時噴7秒然后B組和D組同時噴10秒然后ABC三組同時噴水5秒停2秒后報警器發出聲音報警，按停止按鈕終止報警。當選擇連續方式時重復單周期方式時的過程20次后停兩秒后報警，按停止按鈕終止報警。每個噴頭工作時，都連帶紅，綠，黃，藍四組彩色燈間隔1S循環發光。如圖1-2系統流程圖所示當系統上電后，點擊開始按鈕SB1，PLC的輸入口X1=1，則Y10=1指示燈被點亮，等待用戶選擇運行方式。當用戶選擇單次運行時點擊單次運行按鈕SB

6、3 則X3=1， Y12=1水泵開始工作，同時Y0=1、Y3=1，A、D兩組噴頭的電磁閥得電，A、 D兩組噴頭開始噴出水柱同時T5開始計時。當T5=6S時Y3=0、Y2=1,D組噴頭的的電磁閥失電，C組噴頭的電磁閥得電。所以A、 C組噴頭噴出水柱，D組噴頭停止噴水，同時T6開始計時。當T6=7S時Y1=0、Y2=0、Y1=1、Y3=1，A、C兩組噴頭的的電磁閥失電，B、D兩組噴頭的電磁閥得電。所以B組噴頭和D組噴頭噴出水柱A組噴頭和C組噴頭停止噴水，同時T7開始計時。當T7=10S時Y3=0、Y0=1、Y1=1、Y2=1,D組噴頭的的電磁閥失電，A、B、C組噴頭的電磁閥得電。所以A組噴頭和C組

7、噴頭噴出水柱D組噴頭停止噴水，同時T8開始計時。當T8=5S時系統停止兩秒后開始報警。當用戶選擇連續運行時點擊連續運行按鈕SB4 則X4=1， Y12=1水泵開始工作，同時Y0=1、Y3=1，A、D兩組噴頭的電磁閥得電，A、 D兩組噴頭開始噴出水柱同時T1開始計時。當T1=6S時Y3=0、Y2=1,D組噴頭的的電磁閥失電，C組噴頭的電磁閥得電。所以A、 C組噴頭噴出水柱，D組噴頭停止噴水，同時T2開始計時。當T2=7S時Y1=0、Y2=0、Y1=1、Y3=1，A、C兩組噴頭的的電磁閥失電，B、D兩組噴頭的電磁閥得電。所以B組噴頭和D組噴頭噴出水柱A組噴頭和C組噴頭停止噴水，同時T3開始計時。當

8、T3=10S時Y3=0、Y0=1、Y1=1、Y2=1,D組噴頭的的電磁閥失電，A、B、C組噴頭的電磁閥得電。所以A組噴頭和C組噴頭噴出水柱D組噴頭停止噴水，同時T4開始計時。當T4=5S時C0開始計數，當CO<20時重復上述動作當C0=20時系統停止2S后開始報警。當系統報警時點擊停止按鈕SB2則系統停止報警。開 始指示燈是否點亮 Y10=1?是否O單 次連 續A、D同時噴水 T5計時6ST5=6S?是否A、D同時噴水 T0計時6ST0=6S?是否A、C同時噴水 T6計時7ST6=7S?否A、C同時噴水 T1計時7ST0=7S?是否B、D同時噴水 T7計時10ST7=10S?是否B、D同

9、時噴水 T2計時10ST2=10S?否A、B、C同時噴水 T8計時5ST8=5S?是否A、B、C同時噴水 T3計時5ST3=5S?是A、B、C、D停止C0計數20次C0=20次?是否是是報 警X2=0?否是圖1-2 系統流程圖2 系統硬件設計2.1 PLC的選擇2.1.1 PLC介紹 編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的

10、范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC,PLC自1966年出現，美國，日本，德國的可編程控制器質量優良，功能強大。2.1.2 PLC選型 現在應用最廣泛的PLC有三菱、西門子、歐姆龍、松下等。 三菱PLC結構靈活、傳輸質量高、速度快、帶寬穩定、范圍廣、成本低、適用面廣但是數據處理比西門子弱。 西門子PLC性能強大、可操作性強、有相配套的伺服系統和組態軟件但是價錢太高。 歐姆龍PLC歐姆龍編程軟件對符號地址的格式有要求，東歐的老機床器件符號輸進去好多都不認，按它的標準老圖的標示都要

11、變很不方便。 松下PLC超小型尺寸，輕松擴展，擴展單元可直接連接到控制單元上、不需任何電纜。從I/O 10點到最大I/O 128點的選擇空間。 本設計需要速度快穩定同時從價格等方面考慮我們選擇三菱PLC本設計所使用的I/O口不是太多所以我們選擇三菱FX-1N型PLC，如圖2-1所示。圖2-1 三菱FX1N PLC2.2 泵的選擇2.1.1 潛水泵介紹 深井提水的重要設備。使用時整個機組潛入水中工作。把地下水提取到地表，是生活用水、礦山搶險、工業冷卻、農田灌溉、海水提升、輪船調載，還可用于噴泉景觀，熱水潛水泵用于溫泉洗浴，還可適用于從深井中提取地下水，也可用于河流、水庫、水渠等提水工程。主要用于

12、農田灌溉及高山區人畜用水，亦可供中央空調冷卻、熱泵機組、冷泵機組、城市、工廠、鐵路、礦山、工地排水使用。 一般流量可以達到(10m3650m3)每小時、揚程可達到1500米。2.2.2 泵的選型 現在噴泉常用的潛水泵有QS、QY、QX、QJ等系列。 QS系列潛水泵體積小、性能可靠，機泵一體、潛入水中運行主要優越性是：運行可靠、經久耐用、使用方便、功率大、故障少，維修費用低等。流量：10-250（m3/h）。楊程：5-140（m）。 QY系列潛水泵QY型潛水電泵由電動機、水泵和密封三部分組成。電泵的上端，多為離心式水泵；下端為三相鼠籠立式異部電動機。電機全部采用優質整圓硅鋼片，效率高，耗電少潛水

13、深度不超過5米水溫不超過+40。流量：10-300（m3/h）。楊程：4-110（m）。 QX系列潛水泵工程潛水泵泵電一體，結構緊湊，非常適合于基建及礦山的搬運和安裝無需引水，使用簡便雙端密封，電器保護設計合理、性能優良、幾無噪音。流量：5-20（m3/h）。楊程：20-60（m） QJ系列潛水泵電機與水泵直聯，機組全部潛入水中工作，具有結構緊湊、安裝、維護方便、體積小、重量輕、高效節能等特點。 工作條件1、工作介質為清水或化學性質類似于清水的液體。額定揚程：150米額定流量：10立方米/小時。從該噴泉所需的揚程、流量、水質、價格等方面考慮該噴泉選擇QS系列的潛水泵，如圖2-2所示。圖2-2

14、QS系列潛水泵2.3 噴頭的選擇噴頭的介紹噴泉噴頭也稱噴泉噴嘴全部采用銅或不銹鋼制作，這樣具有黃金的色彩或銀光閃閃，噴頭顯得豪華氣派。其工藝精巧美觀，結構合理，性能高效節能。其中常用的有：可調直流噴頭、半球形噴頭、樹冰形噴頭、禮花噴頭、涌泉噴頭、加氣噴頭、直上噴頭等產品系列。各種噴頭的選擇1：A組噴頭的選擇A組位于中間位置，需要噴出雄壯并且噴射高度高得水柱，所以A組噴頭選擇直上噴頭。直上噴頭是在同一個配水室上安裝多角度直射噴嘴，這些噴嘴規格相同時，噴出的水姿雄壯筆直、粗狂美觀；這些噴嘴規格不完全相同時，大小噴嘴布設得當，噴出的水姿粗壯有力、層次分明、主題突出、是大型噴泉中心必備的主要噴頭。該噴

15、頭也叫中心噴頭。可調節射流的方向。噴頭材質：鑄銅、不銹鋼，如圖2-3所示。圖2-3 直上噴頭實物圖及安裝簡圖2：B組噴頭的選擇B組位于第二層的位置，所噴出的水柱應該比A組所噴出的水柱稍細比A組所噴的水柱要低。所以我B組選擇可調直流噴頭。可調節直流噴頭在各種場合的噴水池中廣泛應用，并是音樂噴泉的必備噴頭，這種噴頭裝有球形接頭， 可沿垂直方向向15度進行調節。 可調直流噴頭可組合各種不同形狀的噴射果，射流的高低和角度的變化，可根據水池形狀大小決定。噴頭材質：鑄銅、不銹鋼，如圖2-4所示。圖2-4 可調直流噴頭實物圖及安裝簡圖3：C組噴頭的選擇 C組噴頭應該比B組噴頭噴射高度略低比D組略高，所噴水柱

16、比B組水柱略粗壯、挺拔。所以C組噴頭選擇樹冰形噴頭。 樹冰形噴頭噴水時外觀效果龐大豐滿，粗壯挺拔，抗風力較強。噴頭安裝在導流筒上端與水面齊平，噴水時能將池水帶出，形成粗大壯觀的水柱。噴頭材質：鑄銅、不銹鋼，如圖2-5所示。圖2-5 樹冰形噴頭實物圖及安裝簡圖4：D組噴頭的選擇 D組位于該噴泉的最外側，水柱所噴高度應該最低，水量應該較大，擇所噴水柱比較靈動。所以選擇涌泉噴頭。 涌泉噴頭也是加氣噴頭的一種，又稱鼓泡噴頭、珍珠噴頭。噴水時能將氣吸入，使水姿形成充滿空氣的白色水丘，水沫輕濺，古樸靈動。 加氣噴頭用射流泵的原理，噴水時將空氣吸入，以少量的水產生豐滿的射流，噴出的水柱呈白色不透明狀，反光效

17、果好。噴頭材質：鑄銅、不銹鋼，如圖2-6所示。圖2-6 涌泉噴頭實物圖及安裝簡圖2.3 閥的選擇 噴泉常用的閥門有球閥、蝶閥、閘閥、止回閥、水下液壓閥、水下電磁閥、 水下數控閥等。本設計的噴泉采用PLC控制同時在工作時會接觸水，所以選擇DC 24V水用電磁閥。如圖2-7所示。圖2-7 水用電磁閥2.4 燈具的選擇 該噴泉用四組彩燈分別為紅，綠，黃，藍。從里到外分別對應A處用紅色的彩燈，B處為綠色的彩燈，C處為黃色彩燈，D處為藍色彩燈。每一個噴頭處對應一個相應顏色的彩燈。 因為噴泉用彩燈都是安裝在水下所以對光線的要求高，對安全性能的要求也要很高，同時對使用壽命要求要長。LED水下燈能夠達到上述的

18、要求，所以本設計選擇AC 220V LED水下燈，如圖2-8所示圖2-8 LED水下燈3 系統軟件設計3.1 I/O分配根據第一章的介紹可以得出該噴泉的開始、停止、單周期、連續需要用到四個按鈕，這四個按鈕開關分別接到PLC的四個輸入口上。而A、B、C、D四組噴泉口需要用到四個水用電磁閥，這四個電磁閥需要接到PLC上面的四個輸出口上。紅綠黃藍四組彩燈、指示燈、報警器和控制水泵的接觸器也需要接到PLC的七個輸出口上，所以該系統需要用到四個輸入口和十一個輸出口。表3-1為它們所對應的I/O口。表3-1 I/O分配表輸 入 口輸 出 口設備符號設備名稱PLC口設備符號設備名稱PLC口SB1開始按鈕X1

19、KM1A口噴頭電磁閥Y0SB2停止按鈕X2KM2B口噴頭電磁閥Y1SB3單周期按鈕X3KM3C口噴頭電磁閥Y2SB4連續按鈕X4KM4D口噴頭電磁閥Y3LR紅色彩燈Y4LG綠色彩燈Y5LY黃色彩燈Y6LB藍色彩燈Y7HL指示燈Y10HA報警器Y11KM控制泵的接觸器器Y123.2 梯形圖設計為了解決應用可編程控制器(PLC)的基本邏輯指令編寫順序控制梯形圖時所存在的編程復雜、不易理解等問題,采用PLC的順序功能圖（SFC）來編寫順序控制梯形圖是一種非常有效的方法,該方法具有編程簡單而且直觀等特點。本設計采用順序功能圖（SFC）的方法編寫其控制梯形圖,從編程結果可以看出,與應用PLC的基本邏輯指

20、令方法相比具有簡單、直觀、邏輯性強,提高編程的效率。與梯形圖相比簡單，出現錯誤時更容易檢查。3.2.1 SFC程序分步介紹如圖3-1所示為PLC從停止啟動運行切換瞬間使特殊輔助繼電器M8002接通，從而使狀態器S0被激活。圖3-1 系統啟動程序如圖5-2所示為按下啟動按鈕X0使狀態器S20被激活， Y10得電，指示燈點亮等待用戶選擇運行模式。圖3-2 按下開始系統等待用戶選擇運行模式程序如圖3-3所示為用戶按下X4選擇連續運行，使狀態器S21被激活（用戶按下X3選擇單次運行，使狀態器S28被激活）。Y0、Y3、Y12得電，使水泵開始工作同時A組和D組的電磁閥導通，使A組和C組同時噴出水柱。同時

21、紅綠黃藍四組彩燈間隔一秒點亮。同時當選擇連續時TO開始計時6秒（當選擇單次運行時T5開始計時6秒）。圖3-3 用戶選擇連續（單次）運行AD同時噴水程序如圖3-4所示為選擇連續時TO計時6秒時間到，T0的常開觸點閉合，使狀態器S22被激活（選擇單次時T5計時6秒時間到，T5的常開觸點閉合，使狀態器S29被激活）。Y0、Y2、Y12得電，水泵工作同時A組和C組的電磁閥導通使A組和C組噴出水柱。同時紅綠黃藍四組彩燈間隔一秒點亮。同時當選擇連續運行時T1開始計時7秒（當選擇單次運行時T6開始計時7秒）。圖3-4 AC同時噴水程序如圖3-5所示為當選擇連續運行時T1計時7秒時間到，T1的常開觸點閉合，使

22、狀態器S23被激活（當選擇單次運行時T6計時7秒時間到，T6的常開觸點閉合，使狀態器S30被激活）。Y1、Y3、Y12得電，水泵工作同時B組和D組的電磁閥導通使B組和D組噴出水柱。同時紅綠黃藍四組彩燈間隔一秒點亮。同時當選擇連續運行時T2開始計時10秒（當選擇單次運行時T7開始計時10秒）。圖3-5 BD同時運行程序如圖3-6所示為當選擇連續運行時T2計時10秒時間到，T2的常開觸點閉合，使狀態器S24被激活（當選擇單次運行時T7計時10秒時間到，使狀態器S31被激活）。Y0、Y1、Y2、Y12得電，水泵工作同時A組、B組和C組的電磁閥導通使A組、B組和C組噴出水柱。同時紅綠黃藍四組彩燈間隔一

23、秒點亮。同時當選擇連續運行時T3開始計時5秒（當選擇單次續運行時T8開始計時5秒）。圖3-6 ABC同時運行程序如圖3-7所示為為當選擇連續運行時T3計時5秒時間到，T3的常開觸點閉合，使狀態器S25被激活。T4開始計時2秒（當選擇單次運行時T8計時5秒時間到，T8的常開觸點閉合，使狀態器S25被激活。T9開始計時2秒）。圖3-7 系統停止運行2秒程序如圖3-8所示為為T4計時2秒時間到，T4的常開觸點閉合，使狀態器S26被激活。C0開始計數20次。圖3-8 計數器計數20次程序如圖3-9所示為當選擇連續運行時 C0計數在未達到20次則跳轉到狀態器S21處循環運行，當CO計數達到20次則C0的

24、常開觸點閉合狀態器S27被激活，同時特殊輔助繼電器M8013被激活，同時Y11得電，報警器報警。同時計數器CO復位。圖3-9 選擇連續運行時報警和返回S21程序如圖3-10所示為當選擇的是單次運行時當T9計時2秒時間到，T9的常開觸點閉合，狀態器S33被激活，特殊輔助繼電器M8013被激活，同時Y11得電，報警器報警。圖3-10 單次運行時報警程序如圖3-11所示為按下停止按鈕X2后后系統停止報警，同時回到系統開始。圖3-11 系統停止運行程序總程序見附錄A。4 組態王監控系統設計組態王開發監控系統軟件，是新型的工業自動控制系統，它以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系

25、統。4.1 組態王與設備通信“組態王”把每一臺與之通訊的設備看作是外部設備，為實現組態王和外部設備的通訊，組態王內置了大量設備的驅動作為組態王和外部設備的通訊接口，在開發過程中您只需根據工程瀏覽器提供的“設備配置向導”一步步完成連接過程即可實現組態王和相應外部設備驅動的連接。在運行期間，組態王就可通過驅動接口和外部設備交換數據，包括采集數據和發送數據/指令。每一個驅動都是一個COM對象，這種方式使驅動和組態王構成一個完整的系統，既保證了運行系統的高效率，也使系統有很強的擴展性。4.2 監控畫面本設計的仿真畫面分為4個單元，分別為按鈕單元，彩燈單元，計時計數單元，噴泉模擬單元。4.2.1 按鈕單

26、元介紹圖4-1 組態王按鈕單元如圖4-1所示該單元由綠色、紅色、粉紅色、黃色四個按鈕組成。它們分別綠色對應開始按鈕，紅色對應停止按鈕，粉紅色對應單周期按鈕，連續對應連續按鈕。彩燈單元介紹圖4-2 組態王彩燈單元彩燈單元由兩排六盞燈組成，其中第一排由紅色、綠色、黃色、藍色四盞燈。它們分別對應紅色、綠色、黃色、藍色四組LED燈。第二排由紫色和紅色的兩盞小一些的燈組成，它們分別對應著系統開始的指示燈和報警燈。計時計數單元圖4-3 組態王計時計數單元計時計數單元由6組數據組成，前面5組是計時長的數據，第一組為AD兩組同時噴水的時長。第二組為AC兩組同時噴水的時長，第三組為BD兩組同時噴水的時長，第四組為ABC三組同時噴水的時長，第五組為循環結束后停止時間的時長。第六組是選擇連續時完成了幾次循環的計數。4.2.4 噴泉模擬單元介紹圖4-4 組態王噴泉模擬單元噴泉模擬單元由四個長方體組成，分別代表A、B、C、D四組噴頭，當所對應的噴頭工作時四個長方體會填充滿并變為藍色。組態王監控畫面見附錄C。5 系統調試在系統調試時先將附錄A中的系統程序燒到PLC里，然后打開組態王軟件監控系統的運行情況。當PLC上電后點擊監控系統中的開始按鈕，監控畫面中的指示燈點亮等待用戶選擇運行模式。如圖5-1所示。圖5-1 點擊開始