电气与电子信息工程学院

《电气控制与PLC实训》

设计报告

名 称： PLC花样喷泉设计

专业名称： 电气工程及其自动化 班 级：

学 号：

姓 名：

指导教师：

设计时间： 20xx年4月28日~20xx年5月11日 设计地点： K3-218 PLC实验室

电气控制与PLC实训成绩评定表

指导教师签字：

I

设计任务书

2013～2014 学年第2学期

学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作部门： 电气与电子信息工程学院

一、设计题目

课题1 ：.电动机的综合控制方向

课题2 ：竟猜抢答系统的设计方向

课题3 ：交通灯控制方向

课题4 ：电梯控制方向

课题5 ：喷泉或彩灯控制方向

二、设计内容（含技术指标）

1、用PLC实现四台以上电动机综合控制，要求模拟实际的工况，包括电机的顺序控制、电机的连锁和互锁控制，电机间的逻辑联系应具有一定的复杂程度，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。

2、用PLC实验装置设计竟猜抢答系统，要求不少于5组，有必要的组号显示、记时显示和模拟记分系统，有优先抢答功能，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。

3、用PLC实现各种路口的交通信号灯控制，要求与实际交通灯工作情况基本相符，具有必要显示和通过外部设备进行设定功能，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。

4、用PLC实现电梯控制，要求与实际基本相符，电梯层数不少于4层，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。

5、用PLC实现喷泉控制，要求花样不少于6种，能自动循环、单循环、和手动控制，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。

6、同组同学要求不能完全重复，必须有自己的亮点，对思路新颖的、和用到更多功能指令的有加分。

7、所有小组均应在开题的过程中，由指导老师对与题目相关的具体的设计控制要求进行审 II

核。

三、设计进度安排

四、基本要求

设计报告：不少于5000字，Ａ４幅面，统一复印封面。

① 封面、设计任务书 ② 目录

1）方案选择，方案论证（综述、任务详解及设计思路，PLC选型等）

2）系统硬件设计（系统功能及原理、

系统组成框图、器件选择、电路原理图、I/O

分配及接线）

3）系统软件设计（各软件模块的功能，梯形图及说明）

4）系统调试（调试步骤、方法及调试过程中的问题及如何解决等） 5）结果分析及展望（最后的结果成功点和不足之处、总结及改进等） ③ 附录---参考文献

五、设计考核办法与成绩评定

根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩按得分0～100分，可分为优、良、中、

III

六、参考资料

[1]李仁主编，电气控制，北京：机械工业出版社，2000

[2]陈立定等主编，电气控制与可编程控制器，广州：华南理工大学出版社，2001

[3]王仁祥主编，常用低压电器原理及其控制技术，北京：机械工业出版社，2002

[4]郑萍主编，现代电气控制技术，重庆：重庆大学出版社，2001

[5] 佟为明等编，低压电器继电器及其控制系统，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000

[6] 王海，李洪奎，刘晓。基于PLC的多轴控制研究[J]。机械工程学报,2008, 6(4): 470-472.

[7] 杨东, 黄永红, 张新华, 吉敬华. 用PLC基本指令实现自动运动定位控制的 研究[J]. 微计

算机信息, 2010, 26(2-1): 62-64。

[8] 秦琴，王忠庆.。利用PLC的高速计数功能实现轴的精确定位控制.。电气技术。2009(3)。

[9] 陈婵娟, 薛恺. 基于PLC的步进电动机单双轴运动控制的实现. 机械设计与制造. 2009(3)。

[10] 杨涛, 王启江等。 基于PLC绕线机控制系统设计[J]。组合机床与自动化加工技

术， 2005(8)：58-59。

教研室主任：

20xx年2月 20 日

IV

目 录

一、 方案选择及论证 .......................................................... 2

1.1 综述 ................................................................. 2

1.2 方案设计 ............................................................. 2

1.3 PLC型号选择 ......................................................... 3

1.4方案论证 ............................................................. 3

1.5 花型设计 ............................................................. 4

二、 系统硬件设计 ............................................................ 5

2.1 系统整体框图 ......................................................... 5

2.2 I/O分配 ............................................................ 6

2.3 PLC硬件接线图 ...................................................... 7

三、 程序设计及调试 .......................................................... 7

3.1 程序设计方法 ......................................................... 7

3.2 程序流程 ............................................................. 8

3.3 部分关键程序说明 ..................................................... 9

3.3.1 初始化及复位程序 ............................................... 9

3.3.2 花样选择程序 .................................................. 10

3.3.3 模式选择程序 .................................................. 10

四、 分析及总结 ............................................................. 11

4.1 结果分析 ............................................................ 11

4.2 问题分析 ............................................................ 12

4.3 系统功能扩展 ........................................................ 12

4.4 总结 ................................................................ 12

五、附录.................................................... 错误！未定义书签。 1

一、方案选择及论证

1.1 综述

随着时代的进步，技术的发展,喷泉的形态越来越多,经过多年的发展，现在已经逐步发展为几大类：音乐喷泉；程控喷泉；音乐+程控喷泉；激光水幕电影；趣味喷泉等。加上特定的灯光、控制系统，起到净化空气，美化环境的作用。现代的喷泉所具备的条件是相当优越的，其中最为关键的便是控制系统PLC.它的主要作用是控制水下电磁阀来让喷泉在高水压下喷出各式各样的形态，随后在加上动听的音乐，便产生了具有震撼力的视觉冲击,所以利用现代科技来制作喷泉是极好的选择。

但在实验室进行PLC程序设计时，我们只关心所设计的PLC程序在控制及逻辑上是否满足设计任务所提出的要求，故可以采用彩灯来替代电磁阀，通过彩灯的点亮与熄灭，来观察所设计的程序是否满足设计任务要求，以便进行程序的修改与调试。

对于本次的课程设计，结合实验室的硬件条件，可以采用实验室PLC实训设备的烟花模块来进行喷泉的仿真调试与验收，采用彩灯的点亮与熄灭来模拟电磁阀的通电与断电状态，从而来展示不同花样的变换。

1.2 方案设计

通过对任务书要求的解读及实验室设备的限制，对于本次设计，总共设计出六个不同变换的花型，每个花型可以单独进行循环运行，也可以六个花型依次全循环运行，并且能够在单循环或全循环的任何时刻，通过停止按钮使其停止工作。对于单独循环运行时，可以通过花型选择按钮按下的次数来进行花型选择（如按下一次，则选择花型一，按下两次则选择花型二，依次类推，当按下第七次时，会自动清除所选择的花型，选择程序回到初始状态，若再次按下，则会选择花型一，选择程序将按照上述方式循环执行），当选择好花型后，按下 2

单循环启动按钮，系统循环输出当前所选择的花样。若在单循环运行时，按下花型选择按钮，系统在输出完当前循环的花型后，将会停止工作，此时若按下单循环启动，系统将循环输出当前所选花型。

1.3 PLC型号选择

对于本次设计，共有四个输入，二十一个输出，考虑到日后系统的扩展及升级要求，以及性价比，应该选择三菱公司的FX2N-64MR-001型的PLC，此系列的PLC体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的连接，可以增加输入/输出的点数。但受限于实验室硬件条件的限制，本次课程设计中选用三菱公司的FX0N-40MR-001型的PLC。

1.4方案论证

由于PLC具有编程方法简单易学，功能强，性能价格比高，硬件配齐全，用户使用放便，使用性强，可靠性高，抗干扰能力强。系统的设计、安装、调试工作量少，维护工作量少，维护方便，体积小，能耗低等优点，所以在使用PLC控制花式喷泉是相当具有优势的，利用自动化达到完美的效果，也可最大限度的优化资源。

虽然本次使用的FX0N-40MR型PLC只有16个输出口，但可以采用输出口复用的方式，即一个输出口来控制几个不同的彩灯（实际设计中的电磁阀）同时动作，这样完全可以实现以上方案设计中的要求。只是在设计花型及花型变换的时候，因有输出口复用，可能存在一定的局限性。

综合以上的论述，前文所提出的设计方案是完全可行，并能完全应用于实际的喷泉设计中。

3

1.5 花型设计

实验室中的烟花模块如下图1-1所示，可以看出，一共有21个输出彩灯。其中，我们将最外圈的8个输出彩灯分成三组，其中L13、L14、L15作为一组，L17、L18、L19作为一组，L16、L20作为一组，其余的13个彩灯一个作为一组。将输出组别分配好后，设计出的花型如下所述。

图 1-1

（1）花型一

L0喷水，延时2s后关断

延时2s后关断→L1、L2、L3、L4喷水，延时2s后关断→L5 ~ L12喷水，→L13 ~ L20喷水，延时2s后关断→L5 ~ L12喷水，延时2s后关断→L1、L2、L3、L4喷水，延时2s后关断。

（2）花型二

L0喷水，延时2s后关断

喷水，延时2s后关断

时2s后关断。 →L0、L2、L4喷水，延时2s后关断→L0、L2、L4、L7、L11→L0、L2、L4、L7、L11、L13、L14、L15、L17、L18、L19喷水，延

（3）花型三

L0、L6、L10喷水，延时2s后关断

LO、L12喷水，延时2s后关断

→L7、L2、L0、L4、L11喷水，延时2s后关断→L8、→L9、L3、L0、L1、L5喷水，延时2s后关断。 4

（4）花型四

L16、L20喷水，延时2s后关断→L20、L16、L12、L8喷水，延时2s后关断→L20、

→L0、L8、L12、L13 ~ L20喷水，延时2s后关L12、L0、L8、L16喷水，延时2s后关断

断→L0、L6、L10、L8、L12、L13 ~ L20喷水，延时2s后关断。

→L0喷水，延时2s后关断→L13 ~ L15、（5）花型五 L13 ~ L15、L17 ~ L19喷水，延时2s后关断

L17 ~ L19喷水，延时2s后关断

喷水，延时2s后关断

延时2s后关断→L0 ~ L4喷水，延时2s后关断→L13 ~ L15、L17 ~ L19→L0 ~ L12喷水，延时2s后关断→L13 ~ L15、L17 ~ L19喷水，→L0 ~ L12、L16、L20喷水，延时2s后关断。

→L0 ~ L4喷水，延时2s后关断→L0 ~ L12喷水，延时2s（6）花型六 L0喷水，延时2s后关断

后关断→L0 ~ L20喷水，延时2s后关断→L1 ~ L20喷水，延时2s后关断→L5 ~ L20

→L13 ~ L20喷水，延时2s后关断。 喷水，延时2s后关断

二、系统硬件设计

2.1 系统整体框图

本系统采用点动按钮，用来产生触发脉冲信号，脉冲信号传送到PLC后，PLC便开始运行相应的程序，对应的输出口根据程序的执行，输出相应的信号，其整体的系统框图如下图所示。

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图 2-1 系统框图

2.2 I/O分配

在本次花样喷泉的PLC控制设计中，有4个输入控制元件，有21个输出元件，系统的输入/输出元件的地址分配如下表所示：

表2-1 花样喷泉PLC控制的I/O分配表

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2.3 PLC硬件接线图

根据系统设计的控制要求，系统的硬件接线图如下图所示，其中的彩灯在实际的应用中换成相应的电磁阀即可。

图 2-2 花样喷泉控制系统接线图

三、程序设计及调试

3.1 程序设计方法

由于PLC有多种编程方式，而本次设计中，喷泉的运行方式是一步步按照顺序来执行的，故本次设计可采用步进顺序功能图（SFC）的方法编写其控制梯形图,从编程结果可以看出,与应用PLC的基本逻辑指令方法相比具有简单、直观、逻辑性强,提高编程的效率。与梯形图相比简单，出现错误时更容易检查。

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3.2 程序流程

花样喷泉运行时的流程如下图所示，此图的设计是为了使梯形图的编制逻辑更为清晰，简化编程步骤，便于调试修改，同时也能让相关人员更方便的读懂程序。其详细的梯形图可见附录。

图3-1 步进顺序功能图

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3.3 部分关键程序说明

3.3.1 初始化及复位程序

开始时，由M8002的初始脉冲，将S0置为活动步，按下X4，将定时器、计数器及各状态继电器进行清零及复位。若程序在运行状态下，按下X4，会将S0置为活动步，在S0置为活动步后，会同时接通各置位指令，使系统回到初始状态，这样就可以在任意时刻使系统停止工作。

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3.3.2 花样选择程序

如上图所示，当花样选择按钮每按下一次，将会产生一个脉冲，计数器的值会相印的增加1，当计数器计的值与给定值相同时，其对应的触点闭合或断开，变实现了花型的选择，当按下的次数为7时，程序将自动复位所有计数器，使选择程序回到初始状态。由于选择程序不在步进程序中，故选择按钮在程序运行时，任何时刻按下都有效。

3.3.3 模式选择程序

（1）全循环模式

如上图所示，借用中间辅助继电器M0将X5自锁，并用中间辅助继电器的触点去触发活动步。同时利用辅助继电器的常开与常闭的互锁，使M0线圈在得电时，单步循环不会接通， 10

从而避免了程序出现输出混乱，使其可靠性有了提高。

（2）单花型循环模式

如上述梯形图所示，当选择好花型，按下单循环启动按钮X7，通过不同计数器触点之间的相互逻辑关系，每次只可能有唯一的一个步被激发为活动步，在被激发为活动步后，程序遍开始执行该活动步内的程序，这样便实现了花型的选择。

四、分析及总结

4.1 结果分析

将所编写的梯形图用三菱的编程软件输入到电脑，经过检查，无错误后，用数据线将程序写入到PLC中。根据I/O分配表及花样喷泉控制系统接线图，将相应的模块与PLC连接好，检查无误后，将PLC的开关拨到RUN，程序便可以运行了。

程序运行后，当按下相应的功能按钮，其对应的功能便会被执行，且输出的花型也与最初所设计的花型一样，基本上实现了最初任务所提出的要求。

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4.2 问题分析

在程序的调试中，遇到了大大小小不同的问题，由于最初对步进梯形指令的认识不全面，在程序编写过程中，将花型选择程序放在了状态器S20中，以至于在程序复位后，花型选择按钮不起任何作用，程序不能实现单花型循环。

当认识到步进梯形指令是一步步执行，且只有当前执行的步被激活，其它的步都处于断电状态下后，便将花型选择程序从S20中移出，将其放在步进指令之外，这样便能通过按钮进行花型的实时选择。

4.3 系统功能扩展

本次设计虽然实现了任务书所提出的要求，但在功能方面还可以进行进一步的扩展，使其更贴近于实际的应用。

在本次设计中，由于时间的仓促，只能实现花型的变换。但我们可以结合定时器和相应的功能指令，来实现花型在循环过程中的频率变化，从而使花型的变换更为丰富，使本次的课程设计更贴近于实际的应用。

对于花型的选择，限于输出口的限制，本设计中只能通过操作者来记下花型选择按钮按下的次数来选择花型，不具备直观性。若在输出口有多余的条件下，我们可以加入一个八段位的数码管来显示当前所选花型的数字，这样可以使花型的选择更为直观与方便。

4.4 总结

此次PLC课程设计中，是以花样喷泉设计为总目标，以FX0N-40MR为总控制中心，最终编程实现了六种花型的单花型选择循环控制与总循环控制。在设计过程中，遇到了许多问题，如设计初始阶段，思绪混乱，经过认真思考和老师的指导，才使自己思路明确，抓住重点， 12

在软件设计方面，遇到了一些实际问题，通过查阅资料和老师，同学们的帮助下都能一一解决，使自己学到了许多新的知识。

对于PLC的应用过程，是一个非常严谨，复杂，科学，周密和细致，及技术性和综合性都相当高的过程，它要求你必须具备相当扎实的专业基础和理论知识，较强的专业操作与实践技能，能以细致和科学的头脑去考察、分析和解决问题。同时在设计中必须要有足够的耐心，持之以恒的毅力，坚强的意志以及实是求是，一丝不苟的精神，才能开发出理想的设计出来。

PS:梯形图可进入本人文库主页下载,名称为《PLC喷泉设计梯形图》

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