基于三菱PLC 花式噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

翁錦華

（漳州技師學(xué)院，福建漳州，363000）

0 引言

可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了3C（Computer、Control、Communcation）技術(shù)即計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。近年來計算機和信息技術(shù)的快速發(fā)展，也帶動了功能的成倍增長和價格的降低，使得PLC 的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、過程控制軟件都取得了飛速的進步，讓PLC 獲得了更為廣泛的應(yīng)用，如應(yīng)用在電梯控制、機械制造、防盜系統(tǒng)控制、交通分流信號燈控制、樓宇供水自動控制、消防系統(tǒng)自動控制、各種生產(chǎn)流水線自動控制及文化娛樂場所等各行各業(yè)。目前，國內(nèi)PLC 應(yīng)用市場仍然以國外產(chǎn)品為主，如西門子的S7-200 系列、300 系列、400 系列；三菱的FX 系列、A 系列、Q 系列和歐姆龍的C200H 系列等，本文闡述的是基于三菱FX 系列PLC 在噴泉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。

PLC 作為一項比較成熟的技術(shù)，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，不會過多地消耗能源，節(jié)能環(huán)保。同時它適應(yīng)性較強，不僅可以很方便融合進電氣控制技術(shù)，還可以服務(wù)于其他眾多行業(yè)。PLC 可以較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便和經(jīng)濟等問題。克服了繼電器及接觸器控制系統(tǒng)的缺點，又具有計算機的優(yōu)點，并且編程方便，體積小、功能全、可靠性高、能耗低、安裝維修方便，兼容性強以及具有較大的靈活性和擴展性等優(yōu)點。正因為PLC 的這些優(yōu)點，結(jié)合對花式噴泉的特點、要求及應(yīng)用場合，接下來以三菱PLC 控制三種噴泉花樣（即三種工作模式）供選擇的設(shè)計為例，通過不改變或變動很少的硬件接線，或是選擇不同工作模式，就可以靈活控制每組噴泉的順序及時間，實現(xiàn)了花式噴泉變換花樣的目的。

1 花式噴泉設(shè)計任務(wù)及要求

本任務(wù)是基于三菱FX3U-16M系列控制器及GX Developer Ver.8 編程軟件進行PLC 編程，三種工作模式是根據(jù)PLC 工作原理及變頻器的使用方法，將硬件和軟件系統(tǒng)結(jié)合開關(guān)、按鈕、電源電路進行設(shè)計，按要求實現(xiàn)整個噴泉的花式功能。本次花式噴泉控制系統(tǒng)主要由三菱系列PLC 控制器、變頻器及四組噴水裝置(A 組、B 組、C 組、D 組)等組成，其主要系統(tǒng)組成圖如圖1 所示。

圖1 花式噴泉系統(tǒng)組成圖

圖1 中，根據(jù)要求選擇三菱FX3U-16M 系列PLC 控制器、三菱A700 變頻器，按鈕開關(guān)信號、電壓等。該控制系統(tǒng)若是要求花式噴泉的運行速度準確度很高，水泵的選型非常重要，可以根據(jù)所需的揚程、流量、水質(zhì)、價格等方面考慮。噴泉噴頭常用的有可調(diào)直流噴頭、樹冰形噴頭、半球形噴頭、禮花噴頭、直上噴頭、涌泉噴頭加氣噴頭等產(chǎn)品系列，噴泉噴頭根據(jù)具體需要進行選擇應(yīng)用，且在硬件設(shè)計時需采用相關(guān)保護措施。

噴泉工作時若是需要燈光的顯示，可以添加視覺的色彩，燈光按照要求發(fā)布排列組合在噴頭的周圍，利用計算機運行程序發(fā)出控制信號，達到水型與燈光的有效結(jié)合。若想更換噴泉不同花樣，可以利用PLC 來對花式噴泉進行改善，使其擁有更多的噴水樣式，只需要改變PLC 系統(tǒng)控制程序或是選擇不同工作模式就可以改變噴泉的噴水規(guī)律，這樣就可以變換出多種精彩的噴泉花樣，看起來更加的絢麗多彩，效果更加迷人。接下來主要介紹三菱FX3U-16M 系列PLC 技術(shù)對花式噴泉系統(tǒng)的控制情況。具體設(shè)計任務(wù)及要求如下：

（1）花式噴泉由四組（A 組、B 組、C 組、D 組）噴頭裝置等組成，其噴泉開關(guān)布局及噴頭裝置布局如圖2 所示。

圖2 花式噴泉開關(guān)布局及噴頭裝置布局圖

圖中，A 組為外環(huán)形狀噴泉裝置，B 組為次外環(huán)形狀噴泉裝置，C 組為內(nèi)環(huán)狀噴泉裝置，D 組為中間噴泉裝置。

（2）控制器電源開關(guān)接通后，按下啟動按鈕X0，噴泉噴水裝置即開始工作，三種工作模式如圖3 時序圖循環(huán)工作。

圖3 花式噴泉工作時序圖

由工作時序圖看出，花式噴泉的三種工作模式（即花樣）具體控制要求如下：

①工作模式一（花樣1）

按下啟動按鈕（X0），選擇工作模式一(X2)：A 組噴泉裝置噴水2s →B 組噴泉裝置噴水2s →C 組噴泉裝置噴水2s →D 組噴泉裝置噴水2s →循環(huán)。

②工作模式二（花樣2）

按下啟動按鈕（X0），選擇工作模式二（X3）：D 組噴泉裝置噴水2s →C 組噴泉裝置噴水2s →B 組噴泉裝置噴水2s →A 組噴泉裝置噴水2s →循環(huán)。

③工作模式三（花樣3）

按下啟動按鈕（X0），選擇工作模式三（X4）：B組和D 組噴泉裝置噴水2s →A 組和C 組噴泉裝置噴水2s →B 組和D 組噴泉裝置噴水2s →A 組和C 組噴泉裝置噴水2s →A 組、B 組、C 組、D 組噴泉裝置噴水2s →循環(huán)。

（3）暫停/繼續(xù)：按下停止按鈕(X1)1 次，程序暫停執(zhí)行/按下啟動按鈕（X0），程序繼續(xù)執(zhí)行。

（4）停止：按下停止按鈕(X1)兩次，程序停止執(zhí)行并復(fù)位。

2 花式噴泉的設(shè)計系統(tǒng)方案

■2.1 硬件選型

根據(jù)以上花式噴泉任務(wù)和控制要求，在硬件設(shè)計的過程中主要需要考慮花式噴泉的性能穩(wěn)定、經(jīng)濟實用、美觀靈活的需要。本次設(shè)計采用了FX3U-16M可編程序控制器為系統(tǒng)的硬件設(shè)備，吸收了PLC 整體式和模塊式可編程序控制器的優(yōu)點。FX3U是FX2N的升級版，在性能和運算速率上都比FX2N快很多，電源規(guī)格AC100V-240V 50/60Hz DC 電源型（DC24V），輸入輸出擴展可連接FX2N系列用的擴展設(shè)備，PROFINET 接口用于編程、HMI 以及PLC 間通信。FX3U-16M采用可以編程序的存儲器，用邏輯運算運行在其內(nèi)部、計時等操作指令，通過運行在其內(nèi)存中的程序，把輸入電路的物理過程到輸入變換成為所需要的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)對負載的控制，F(xiàn)X3U-16M輸入輸出點數(shù)符合控制系統(tǒng)設(shè)計的要求，硬件功能強大，控制能力好，性價比高。

■2.2 軟件設(shè)計

本次任務(wù)軟件設(shè)計方面是以三菱的GX Developer Ver.8編程軟件為程序開發(fā)系統(tǒng)，此軟件具有非常強大的診斷功能，能夠快速找出故障所出的原因和位置，從而大幅的縮短了人工維修的時間，提高效率。該設(shè)計主要采用PLC 編程語言梯形圖、指令語句表兩種，其中，梯形圖是用的最多的PLC 語言，梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，很容易被熟悉電器控制的電氣人員掌握，能夠很直觀地反映系統(tǒng)設(shè)計的思路與要求，使用編程軟件可以直接生成和編輯梯形圖，指令語句表是一種與微機的匯編語言中的指令相似的助記符表達式，由指令組成的程序叫做指令表程序，在用戶程序存儲器中，指令按步序號順序排列。

除了幾種編程語言，如順序功能圖、梯形圖、功能塊圖等供用戶選擇外，標準還允許編程者在同一程序中使用多種編程語言，從而適應(yīng)特殊的工作，降低了設(shè)計人員的操作難度，節(jié)省了操作時間，提高了經(jīng)濟效益，穩(wěn)定性也相當強，該任務(wù)控制系統(tǒng)流程圖，如圖4 所示。

圖4 花式噴泉控制系統(tǒng)流程圖

■2.3 I/O 地址分配表

根據(jù)任務(wù)要求，可以確定PLC 的輸入、輸出信號I/O地址分配表如表1 所示。

表1

■2.4 控制系統(tǒng)PLC 接線圖

根據(jù)以上PLC 的I/O 地址分配表，可繪制系統(tǒng)外部接線，如圖5 所示。

圖5 花式噴泉控制系統(tǒng)PLC 接線圖

■2.5 設(shè)計梯形圖程序

通過對以上任務(wù)及控制要求的分析可知，該系統(tǒng)的程序控制是一個帶時限的延時順序控制（A 組、B 組、C 組、D 組噴頭按一定的順序延時工作），綜合三種工作模式時序圖，用梯形圖方法編程，可以使設(shè)計思路清晰，編程簡單。本控制系統(tǒng)設(shè)計介紹的是如何利用PLC 控制噴水裝置不同的工作模式，產(chǎn)生不同的噴水花樣，根據(jù)三種工作模式下的I/O 分配及PLC 的外部接線圖，設(shè)計出了三種工作模式花式噴泉控制系統(tǒng)梯形圖程序如圖6 所示。

圖6 三種工作模式花式噴泉控制系統(tǒng)梯形圖

■2.6 指令語句表

為了方便理解，根據(jù)以上完整的梯形圖程序，對應(yīng)的指令語句表如表2 所示。

表2 指令語句表

3 模擬調(diào)試及仿真運行

為了更加直觀地顯示整個噴泉控制裝置的工作過程，通過人機界面和三菱PLC 之間通訊，實現(xiàn)了噴泉系統(tǒng)基于PLC監(jiān)控，結(jié)合組態(tài)軟件MCGS 為系統(tǒng)配備了一套直觀、豐富的人機界面，根據(jù)花式噴泉開關(guān)布局及噴頭裝置布局圖（如圖2 所示），三種工作模式的調(diào)試都可以按兩個步驟進行，確保完整地完成設(shè)計任務(wù)的要求。第一步，按下啟動按鈕，先選定某一種工作模式，觀察觸摸屏界面顯示和程序的運行情況是否符合要求。如果不符合要求，再通過修改PLC 程序來改善，這是比較節(jié)省時間和精力的。第二步，在某一種工作模式運行的基礎(chǔ)上按下停止/暫停按鈕1 次或是2 次，再次觀察程序能否按要求執(zhí)行暫停或復(fù)位工作。經(jīng)過不斷地修改、調(diào)試和完善，直至最后滿足要求，調(diào)試工作才算完成。本任務(wù)設(shè)計通過實物調(diào)試驗證了控制要求的可行性，實現(xiàn)了系統(tǒng)控制功能，三種工作模式的噴泉花樣調(diào)試圖形如圖7 所示。

圖7

4 結(jié)束語

通過以三菱FX3U-16M可編程序控制器為核心組成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了花式噴泉的效果，重點分析了控制系統(tǒng)三種工作模式的花式噴泉系統(tǒng)方案設(shè)計、模擬調(diào)試及仿真運行等相關(guān)內(nèi)容。PLC 憑借智能化和集成度高的特點，充分地發(fā)揮了PLC 在自動控制技術(shù)領(lǐng)域的實用性強、可靠度高、靈活性好、接線簡單、編程直觀、擴展容易等優(yōu)點，以及PLC 技術(shù)不斷發(fā)展與成熟，運行成本也得到了大幅度降低，各行業(yè)運用PLC 技術(shù)能夠顯著提高社會效益及經(jīng)濟效益，實現(xiàn)各行業(yè)健康、穩(wěn)定及可持續(xù)性的發(fā)展。