【工控老马】基于PLC的花样喷泉设计原理详解
时间：2023-02-27 15:30:00
基于PLC图案喷泉设计
一、PLC的结构
PLC与普通微型计算机基本相同，也由硬件系统和软件系统组成。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器I/O由扩展单元和其它外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接。结构简图如下：
a、电源
PLC电源在整个系统中起着非常重要的作用。如果没有良好可靠的电源系统，则无法正常工作PLC制造商也非常重视电源的设计和制造。一般交流电压波动 10%( 15%)在不采取其他措施的范围内PLC直接连接到交流电网上
b. 中央处理单位(CPU)
中央处理单位(CPU)是PLC控制中心。它按照PLC接收并存储从编程器中输入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警告定时器的状态，并在用户程序中诊断语法错误。当PLC投入运行时，首先通过扫描接收现场输入装置的状态和数据，并分别存储I/O图像区域，然后从用户程序存储器中逐个读取用户程序，按照指令的规定执行逻辑或算数操作的结果I/O图像区或数据寄存器。所有用户程序执行完毕后，最终会I/O各输出状态或输出寄存器中的数据传输到相应的输出装置，以便循环运行，直至停止运行。
为进一步提高PLC近年来，大规模可靠性PLC还采用双CPU构成冗余系统，或使用三个CPU表决系统。这样，即使是一个CPU如果出现故障，整个系统仍能正常运行。
c、存储器
存储系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存储应用软件的存储器称为用户程序存储器。
d、输入输出接口电路
1.现场输入接口电路由光耦合电路和微机输入接口电路组成PLC输入通道与现场控制的接口界面。
2.现场输出接口电路由输出数据寄存器、选择电路和中断请求电路集成PLC将相应的控制信号输出到现场的执行部件。
e、功能模块
功能模块如计数、定位等
f、通信模块
PLC软件系统是指PLC各种程序的集合通常可分为系统程序和用户程序。每个系统程序PLC成品必须包含的部分由PLC制造商提供控制PLC系统程序固化本身的运行EPROM中。用户程序是用户根据控制需要编写的程序。硬件系统和软件系统构成了一个完整的PLC系统，它们相辅相成，缺一不可。
二、 PLC的特点
可编程控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，本质上是一种工业控制专用计算机。国内外现有的机械手系统大多采用可编程控制器控制，特别是在智能要求高、容量大的现代工业机械手系统中。主要原因是PLC具有以下优点：
一、灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器。整个系统按设计的电气控制图由人工布线、焊接、固定等手段组装，过程费时费力。如果电气控制系统由于工艺上的一点变化需要改变，那么原来的整个电气控制系统将被完全拆除，接线、焊接、固定等工作将浪费大量的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。此外，同一个可编程控制器也可以用于不同的控制对象，只要软件可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性和通用性。
2)可靠性高，抗干扰能力强
对于机械手系统来说，可靠性和抗干扰能力是一个非常重要的指标。如何在各种工作环境和条件（如电磁干扰、低温湿度、灰尘超高温等）下稳定可靠地工作，最大限度地降低故障率，是开发各控制系统必须考虑的问题。现代PLC采用集成度高的微电子设备，大量的开关动作由无接触的半导体电路完成，其可靠性是机械接触继电器无法比拟的。为了保证PLC在恶劣的工业环境中可靠工作，在设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施，以适应恶劣的工业应用环境。
3)操作方便，维护方便
PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，方便用户阅读、编写和修改程序。用户几乎不需要特殊的计算机知识。工程师编写的程序非常清晰和直观。只要操作说明书写得好，操作人员就可以通过短期学习使用。
4）、功能强
现代PLC它不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且可以完成A/D、D/A转换、数字操作和数据处理以及通信网络和生产过程监控。因此，它不仅可以控制开关量，还可以控制模拟量；可以控制机械手和机械手组；可以控制简单的系统和复杂的系统；现场和远程控制。
5)体积小，重量轻，易于实现机电一体化
由于PLC采用半导体集成电路。因此，它具有体积小、重量轻、功耗低的特点。PLC它是一种专门为工业控制设计的计算机，结构紧凑，坚固耐用，体积小，可靠性强，抗干扰能力强，易于安装在机械设备内，成为实现机电一体化的理想控制设备。
同样，可编程控制器的控制也有其缺点，高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力低于单片机，通用性差，不同厂家的可编程控制器及其附属单元固定专用等。
三、 PLC的主要功能
PLC是一种应用广泛、发展迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)与计算机集成制造系统和计算机集成制造系统(CIMS)占重要地位。
PLC系统主要具有以下功能：
- 多种控制功能；
- 数据采集、存储和处理功能；
- 通信网络功能；
- 输入输出接口调节功能；
- 人机界面功能；
- 编程、调试功能。
PLC重量、体积、功耗和硬件价格一直在下降。虽然软件价格的比例增加了，但各厂商为了竞争也相应降低了价格。此外，使用PLC设计、编程大缩短设计、编程和生产周期，进一步降低总价。PLC面对现场总线的发展，产品将再次创新，以满足工业和民用控制的更高需求。
四、喷泉规模设计
1.喷泉占地面积俯视图为正方形，其面积S=100平方米；注射范围俯视图为圆形，其半径R=4.5m。
喷泉概况平面图如下：
喷泉由五种不同的水柱组成。其中一个表示大水柱的位置，水柱大，喷射高度高；2表示中水柱的位置，六个中水柱均匀分布在2个圆（r=2m）在轨道上，水量小于大水柱，喷射高度低于大水柱；3表示小水柱，由150个小水柱均匀分布在3（r=3m）在圆轨上，其水柱较细，其喷射高度略低于中水柱；4和5为花式和旋转喷泉，由19个喷嘴组成，均匀分布在4和5个圆形（r=4m）在轨道上，其水量压力较弱。
2.喷泉水柱的分布
喷泉回水池的俯视图为圆形，与喷泉喷射范围的俯视图为同心圆，半径相等。回水池为2m。
回水池的半径为100cm圆池和3个有效宽度为50cm环形水池组成，各水池相连，连接池宽度为50cm，三个圆环水池的半径分别为2m、3m、4m。如图所示：
回水池上方覆盖金属栏。
大水柱喷嘴的内径d=50mm，水柱喷嘴的内径d=30mm，小水柱喷头的内径d=20mm，花喷泉和旋转喷泉的内径d=30mm。
大水柱高度h=5m，中水柱高度h=3m，小水柱高度h=2m，花喷泉和旋转喷泉的喷水高度h=1m。
五、 PLC控制系统总设计
5.1 PLC控制花样喷泉运行要求的设计
1)设计启动按钮，按下启动按钮，喷泉进入运行等待状态。
2)，单步设计∕按下喷泉单步连续运行模式按钮∕喷泉默认为连续运行按钮。
3）、要设计一个循环方式按钮，按下喷泉喷水花样的循环方式按钮，喷泉开始运行，并设计每一个循环花样有八种，每隔6s改变模式。在连续运行模式下，喷水模式将继续循环。在单步运行模式下，喷水模式只运行一个循环。按下任何其他循环按钮，喷泉喷水模式的循环模式将立即改变。
4)设计停止按钮，按停止按钮，喷泉停止运行。
5.2喷泉运行流程图设计
5.3设计喷泉运行过程
按下喷泉控制系统的启动按钮，首先，大水柱从地面上升，直接进入天空；6s之后，大水柱消失了，然后六个中水柱竞相射向天空；最后，所有的水柱喷泉都爆发了。
整个过程分为8段，每段6段s，全过程为48s。当单步∕连续开关连续，花样选择开关1时，喷泉水柱动作顺序如下：1→2→（1 3 4）→（2 5）→（1 2）→（2 3 4）→（2 4）→（1 2 3 4 5）→1.循序渐进，水柱喷泉停止工作，直到按下停止按钮；单步∕当连续开关单步时，喷泉水柱的动作只运行一个循环。花样选择开关，喷泉水柱动作顺序如下：1→2→（2 4）→（2 5）→（1 2）→（2 3 4）→（1 3 4）→（1 2 3 4 5）→1。花样选择开关3时，喷泉水柱的动作顺序如下：1→2→（1 3 4）→（1 2）→（2 5）→（2 3 4）→（2 4）→（1 2 3 4 5）→1。花样选择开关置于4时，其喷泉水柱的动作顺序如下：1→2→（1 3 4）→（2 5）→（1 2）→（2 4）→（2 3 4）→（1 2 3 4 5）→1。
5.4喷泉控制原理
喷泉控制系统由启动控制程序、位移脉冲控制程序、位移和复位控制程序和驱动控制程序组成。子元件中的内容通过位移脉冲控制程序在存储器之间移动，喷泉模式通过复位控制程序循环，喷泉通过驱动控制程序喷射。
5.5花样喷泉PLC控制接线图的设计
5.6花样喷泉PLC设计控制输入输出点分配
5.7花样喷泉PLC控制梯形图的设计
br> 图中，第1逻辑行为启动控制程序；第2、3、4逻辑行组成6s移位脉冲控制程序；第5逻辑行为单步／连续控制程序；第6、7、8、9逻辑行组成花样选择控制程序；第10、11、12、13逻辑行组成移位及复位控制程序；第14、15、16、17、18逻辑行组成驱动控制程序。
接通PLC电源，第10逻辑行中位存储器M10.0接通，其在第14逻辑行中的常开触点闭合，为喷泉的启动做好了准备。
当按下喷泉控制器的启动按钮SB1后，第1逻辑行中输入继电器I0.0的常开触点闭合，位存储器M0.0接通并自锁。本程序默认为连续循环喷泉样式的控制程序，按钮SB3为连续按钮，在第5逻辑行中输入继电器I0.2为常闭触点，按钮SB4为单步按钮，第5逻辑行中输入继电器I0.3为常开触点，当按下此按钮，继电器I0.3触点闭合，位存储器M0.2接通并自锁，其在第1逻辑行中的常闭触点断开，喷泉样式进入一次运行状态。选择默认状态，按下SB5，第6行中输入继电器常开触点闭合，位存储器M0.4接通并自锁，其在第2、14、15、16、17、18逻辑行中的常开触点闭合，进入第一种喷泉样式，输出继电器Q0.0被接通，大水柱控制接触器KM1通电闭合，大水柱“1” 射向天空。
同时在第2逻辑行中的M0.0、M0.4的常开触点闭合，定时器T37被接通开始计时，经过3s后，T37动作，第3逻辑行的常开触点闭合，定时器T38被接通并开始计时，又经过3s后，T38动作，第4逻辑行中的常开触点闭合一个扫描周期使得位存储器M0.1闭合一个扫描周期。M0.1在第11逻辑行中的常开触点闭合一个扫描周期，将字元件MW10中的内容向左移1位，即将M10.0中的“1”的内容移至位存储器M10.1中，M10.1闭合。
由于M10.1接通，其在第14逻辑行中的常开触点闭合，输出继电器Q0.1被接通，中水柱控制接触器KM2通电闭合，中水柱喷出。
又经过6s后，M0.1在第6逻辑行中的常开触点闭合一个扫描周期，将字元件MW10中的内容向左移一位，即将M10.1中“1”的内容移至位存储器M10.2中，M10.2闭合其在第14、16逻辑行中的常开触点闭合，输出继电器Q0.0、Q0.2被接通，喷出大水柱、小水珠。
经过第7个6s后，“1”被移至位存储器M10.7中，M10.7第14、15、16、17、18逻辑行中的常开触点闭合；所有输出继电器全部闭合，所有喷泉一起喷发。
又经过6s后，“1”被移至位存储器M11.0中，M11.0在第12逻辑行中的常开触点闭合，使字元件MW10中M10.0-M11.0的各位复位为“0”，第10逻辑行中的M10.7复位，M10.0接通，M10.0在第14逻辑行中的常开触点闭合； Q0.0被接通，大水柱喷发。
如此不断循环，直到按下SB2。
六、程序调试
调试步骤如图所示：
（1）按下启动按钮，喷泉进入待命状态，如图所示。
（2）选择单步运行，如图所示。
（3）按下第一种运行方式，喷泉开始运行，如图5-3所示。
