毕业设计（论文）-基于PLC的全自动洗衣机控制系统1.doc

基于 plc 的全自动洗衣机控制系统 摘 要 随着社会经济的发展和科学技术水的平提高，家庭电器全自动化成为 必然的发展趋势。全自动洗衣机的产生极大的方便了人们的生活。洗 衣机是国内家电业唯一不打价格战的行业，经过几年的平稳发展，国 产洗衣机无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同步。纵观洗衣 机市场，高效节能、省水、省电、环保型洗衣机一直在市场上占主导 地位。 根据全自动洗衣机的工作原理,利用可编程控制器 plc 实现控制, 说明了 plc 控制的原理方法,特点及控制洗衣机的特色。plc 的优点是： 可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等，为了进一步 提高全自动洗衣机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出 了用 plc 来控制全自动洗衣机这个课题。全自动洗衣机控制系统利用 了西门子 s7-200 系列 plc 的特点,对按鈕,电磁阀,开关等其他一些输 入/输出点进行控制,实现了洗衣机洗衣过程的自动化。由于每遍的洗 涤,排水,脱水的时间由 plc 内计数器控制,所以只要改变计数器参数就 可以改变时间。可以把上面设定的程序时间定下来,作为固定程序使用,也 可以根据衣物的质地,数量及油污的程度来编程。该论文就怎样利用 plc 来控制全自动洗衣机进行了调查，对其中软件设计、硬件设计等问 题进行了分析和研究，实现了全自动洗衣机的正常运行和强制性停止 功能。 关键词：plc；自动；定时；控制 目目 录录 摘要摘要 1 第第 1 1 章章 绪论绪论.1 1.1 课程设计的意义.1 1.2 课程设计的目的.1 1.3 plc 的基本概念1 1.4 plc 的基本结构 2 1.5 plc 技术发展呈现新的动向3 1.6 全自动洗衣机.4 第第 2 2 章章 系统方案设计及确定系统方案设计及确定.6 2.1 功能要求.6 2.2 系统方案说明.6 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计.7 3.1 plc 的选择7 3.1.1 io 的点数统计 7 3.1.2 io 存储器容量的估算 7 3.1.3 cpu 功能与结构的选择 8 3.2 plc 外部接线图 8 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计.9 4.1 i/o 端子表9 4.2系统流程图9 4.3 程序设计 10 第第 5 5 章章 系统调试系统调试.12 5.1 硬件调试.12 5.2 软件调试.12 第第 6 章章 心得体会心得体会.13 第第 7 章章 参考文献参考文献.14 附录附录.15 附录一 梯形图.15 附录二 语句表.17 第第 1 1 章章 绪论绪论 在现代工业控制系统中，plc 和变频器的综合应用最为普遍。plc 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。 它比传统继电 器更稳定，更节能，更抗干扰。随着plc 功能的不断完善，性能价格比的不断提高， p 业中。特别适用于自动化和智能化的家用电器。 1.11.1 课程设计的意义课程设计的意义电气控制技术是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业课，该 课程不但有较高的理论基础要求，而且工程实践性很强，因此除安排上完理论课时外， 还安 排了两周的课程设计 。 1.21.2 课程设计的目的课程设计的目的 (1)综合运用 plc 课程和其它选修课程的理论和知识，掌握 plc 设计的一般方法，树立正确的 设计思想，培养分析问题和解决实际问题的能力； (2)学会从控制系统功能的要求出发，合理的选择外围设备，制定设计方案，编写控制程 序。 (3)学习使用技术手册，掌握查阅专业资料的相关方法。 (4)控制程序要求调试通过，书写报告。 1.31.3 plcplc 的基本概念的基本概念 可编程控制器 (programmable controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而 设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller)，简称 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，所以将可编程控制器 简称 plc。 1.41.4 plcplc 的基本结构的基本结构 中央处理单元 （cpu） 编程器 输出 电路 输入 电路 系统程序存 储器 系统程序存 储器 电源 图 1.1 plc 的基本结构 如图 1.1，plc 的基本结构有电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路，此 外还有功能模块、通信模块。 a、电源 plc 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系 统是无法正常工作的，因此 plc 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压 波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc 直接连接到交流电网上去 。 b、中央处理单元 (cpu) 如图 1.2，中央处理单元 (cpu)是 plc 的控制中枢。它按照 plc 系统程序赋予的功能 接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o 以及警戒定时器 的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当plc 投入运行时，首先它以扫描的方式接 收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o 映象区，然后从用户程序存储器中逐 条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入i/o 映 象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o 映象区的各输出状 态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高 plc 的可靠性，近年来对大型 plc 还采用双 cpu 构成冗余系统，或 采用三 cpu 的表决式系统。这样，即使某个cpu 出现故障，整个系统仍能正常运行。 输 入 回 路 外围端口 rs-232c端口 通信开关 程序 i/o存储器 输 出 回 路 pc设置 外部输出设 备 外部输入设 备 设定 设定 通信处理 设定 图 1.2 plc 的 cpu 基本结构 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放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的输入接口电路，作用是plc 与现场控制 的接口界面的输入通道。 (2)现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用plc 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块 。 f、通信模块 如以太网、 rs485、profibus-dp 通讯模块等 。 1.51.5 plcplc 技术发展呈现新的动向技术发展呈现新的动向 产品规模向大、小两个方向发展 。大：i/o 点数达 14336 点、32 位为微处理器、多 cpu 并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。小：由整体结构向小型模块化结构发展，增 加了配置的灵活性，降低了成本 。plc 在闭环过程控制中应用日益广泛 。新器件和模块 不断推出高档的 plc 除了主要采用 cpu 以提高处理速度外，还有带处理器的eprom 或 ram 的智能 i/o 模块、高速计数模块、远程 i/o 模块等专用化模块。编程工具丰富多样， 功能不断提高，编程语言趋向标准化 有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形 图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的plc 指令系统。发展容错技术 采用热备用 或并行工作、多数表决的工作方式。追求软硬件的标准化。 1.61.6 全自动洗衣机全自动洗衣机 全自动洗衣机就是将洗衣的全过程 (泡浸-洗涤-漂洗-脱水)预先设定好 n 个程序,洗衣时 选择其中一个程序 ,打开水龙头和启动洗衣机开关后洗衣的全过程就会自动完成,洗衣完 成时由蜂鸣器发出响声。 目前市场上出售的全自动洗衣机大体分为三类。 发明最早的是前置式侧开门滚筒式洗衣机，这种洗衣机是欧洲发明的，擅长洗涤真丝 、棉毛等面料，不缠绕无磨损，在洗涤时保证衣物不受损害，而且有良好的加温措施。但 也有它不好的一面，由于不缠绕无磨损洗涤方式等因素，这种洗衣机洗涤时间长、洗净度 差、用水用电量大，是其它洗衣机的几倍，尤其是采用了不锈钢内筒，产生的噪音较大 。这种洗衣机适用于生活水平较高，穿着大体以真丝、纯毛、棉毛之类较高档的面料为主 ，而且更换衣服较勤的家庭。 发明最晚的洗衣机是亚洲人发明的波轮上开门洗衣机。市场上有多种品牌，如“小 天鹅” 、 “海棠” 、 “荣事达”等，这种洗衣机的特点是洗涤时间短，用水量小，洗净度高， 是滚筒式的很多倍，由于内筒是塑料材料制成，噪音小，而且上开盖，能使洗涤液反复利 用，价格也比较经济。这种洗衣机适用于居住在绿化较差，空气尘埃量较大，平均每2 至 3 天换一次衣服的家庭，主要以洗净度为主，服装面料以化纤、腈纶为主。 本次实习设计的洗衣机结构如图1.3。 图 1.3 洗衣机结构图 第第 2 2 章章 系统方案设计及确定系统方案设计及确定 2.1 功能要求 应用 plc 与变频器通信功能实现电动机的运行控制。可实现起、停控制。电动 机的运转速度可实现在线设置。洗衣机的工作流程由进水，洗衣，排水，和脱水四 个过程组成。在全自动洗衣机中，这四个过程可做到全自动依次运行，直至洗衣结 束。 2.2系统方案说明 本次设计基于 plc 的全自动洗衣机控制，本文的课题源于市场上洗衣机产品。 plc 控制具有实时性、信号处理时间短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型 工业控制项目，可靠性高，丰富的 i/o 卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维 修方便，plc 控制能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常 工作。因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功 能，所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方 便，更可以提高控制系统设计的灵活性及控制系统的可靠性。本设计以操作简单、 使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。图 2.1 为设计方案框图。 plc 启动 轻柔 手动脱水 标准 水位选择 停止 报警 变频器 出水阀 进水阀 电动机 图 2.1 系统设计方案框图 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3.1plc 的选择 3.1.1 i/o 点数统计 i/o 点数是 plc 的一项重要指标。合理选择 i/o 点数既可使系统满足控制要求， 又可使系统总投资最低。plc 的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的 模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输 入输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上 20%30% 的备用量。该系统有 11 个数字输入点 6 个数字输出点，具体的输入输出见表 2-1. 7 表 2-1i/o 点数统计表 输入点输出点 启动按扭进水电磁阀 停止按扭排水电磁阀 水位选择开关（高水位）洗涤电动机正转继电器 水位选择开关（中水位）洗涤电动机反转继电器 水位选择开关（低水位）脱水桶 手动排水开关报警器 手动脱水开关 高水位传感器 中水位传感器 低水位传感器 水排空传感器 3.1.2 i/o 存储器容量的估算 plc 常用的内存有 eprom、eeprom 和带锂电池供电的 ram。一般微型和小 型 plc 的存储容量是固定的，介于 12kb 之间。用户应用程序占用多少内存与 许多因素有关，如 i/o 点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设 计之前只能粗略地估算。根据经验，每个 i/o 点及有关功能元件占用的内存量大致 如下： 开关量输入元件：1020b/点 开关量输出元件：510b/点 定时器/计数器：2b/个 模拟量：100150b/个 通信接口：一个接口一般需要 300b 以上8 根据上面算出的总字节数再考虑增加 25%左右的备用量，就可估算出用户程序所需 的内存容量，从而选择合适的 plc 内存。该系统有 11 个数字输入点 6 个数字输出 点，需内存 280b，有定时器 6 个，计时器 2 个，需内存 16b，考虑余量后需要内 存 370b。 3.1.3 cpu 功能与结构的选择 plc 的功能日益强大，一般 plc 都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据 处理等基本功能，有些 plc 还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制 模块等，选型时可考虑以下几点：功能与任务相适应，plc 的处理速度应满足实时 控制的要求、plc 结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。全自动洗衣 机控制所要求的控制功能简单，小型 plc 就能满足要求了。 该控制系统 cpu 模块可采用 cpu-224（ac/dc/继电器）模块，它可控制整个 系统按照控制要求有条不紊地进行。同时由于该模块采用交流 220v 供电，并且自 带 14 个数字量输入点和 10 个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的 要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块。9 综上所述此次设计选用西门子 s7-200 型 plc 3.2 plc 外部接线图外部接线图 根据全自动洗衣机的控制要求，对系统控制的 i/o 点数进行了统计和 plc 型号 进行了选择，现根据以上的统计和选择对控制系统 plc 的外部接线设计如下图 3- 1。 图 31 外部接线图 图 2-1plc 外部接线图 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 主要方法是先编写工艺流程图，将整个流程分解，确定每步的转换条件，配合分支、循环、 跳转及某些特殊功能便可很容易的转化为梯形图了。 4.1 i/o 端子表端子表 表 4.1 i/o 端子表 输入 i输出 o 轻柔模式启动 0.00 进水阀 10.00 标准模式启动 0.05 电机正转 10.01 强制停止 0.01 电机反转 10.02 强调节 0.02 出水阀门 10.03 弱调节 0.03 报警灯 10.04 手动脱水 0.04 变频器强档10.06 为 1 变频器弱档10.06 为 0 4.2 系统流程图 plc 投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。按下启动按扭，选择水位后 开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水；根据衣料质地及多少选择洗涤模 式，开始洗涤；洗涤时，轻柔模式正转 10 秒后暂停，暂停 2 秒后开始反转洗涤， 反转洗涤 10 秒后暂停，暂停 2 秒。标准模式正转 15 秒后暂停，暂停 2 秒后开始反 转洗涤，反转洗涤 15 秒后暂停，暂停 2 秒；如此循环 2 次后，开始排水，排空后 （水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水 5 秒后即完成一次从进水到脱水的 工作循环过程； 系统自动判断是否漂洗，若漂洗，则返回从进水开始的全部动作， 进行下一次大循环；若完成了大循环，则进行洗完报警；报警 10 秒结束全部过程， 自动停机。 以下是全自动洗衣机洗衣过程的流程图（图 4.1 和图 4.2） 。 注： （1）本课程设计所设计的全自动洗衣机具有标准洗涤模式和轻柔洗涤模式， 轻柔洗涤模式的流程图与标准模式流程图相似，故不在此画出。 （2）甩干模式可以在不需要洗涤时可以单独手动操作，只进行衣物的甩干操 流程图 图 4.1 图 4.2 4.3 程序设计程序设计 4.31 系统顺序功能图 第第 5 5 章章 系统调试系统调试 5.1 硬件调试 硬件线路连的好不好，直接关系到整个系统的成败。仔细看电源极性有没有接反， 是否接地，看有没有逻辑性错误，主要包括错线、开路、短路。检查接线是否牢固， 用万表检测更接线端看是否连接上。 5.2 软件调试 在 cx-p 环境里实现系统软件调试，首先在端口选择上选择 cpm2a* ，然后画 好梯形图。仔细检查梯形图后方可进行软件调试。 (1)在线工作:该软件与 plc 连接在一起，称为在线工作，否则称为离线工作。 (2)传送：将程序、扩展指令等下载到 plc。 (3)操作模式：plc 工作模式为编程、调试、监视和运行四种。程序传送成功 后选择运行，这样 plc 就能按程序工作了，调节 plc 输入，观察对应的输出是不是 想要的结果。 第第 6 6 章章 心得体会心得体会 为期两周的 plc 课程设计让我收获了不少。最难的是设计程序方 面，有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。本次 实训脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学 讨论。我们在做实训项目的过程