苏州职业大学毕业设计-基于S7-300PLC的投币洗衣机控制系统设计

苏州职业大学毕业设计（论文）题目基于S7300PLC的投币洗衣机控制系统设计学院机电工程学院系机械电子与汽车系专业班级姓名学号指导教师2014年10月8日苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）I摘要随着经济迅速地发展，人民生活水平不断地提高,各种产品的全自助经营模式因其自主、自助、便利的特性,逐渐受到广大人民的欢迎。日常生活中，洗衣服也是一项耗时、耗力、耗神的工作,尤其是校园、医院、军营、工厂等洗涤条件有限、人口集中居住场所,自助投币式洗衣机具有非常广阔的应用前景。本文基于PLC和WINCC对投币洗衣机进行监控系统的设计，首先对投币洗衣机的实际应用与意义、可编程控制器PLC技术、监控组态软件WINCC进行了介绍；其次介绍了设计的总体方案以及系统的硬件配置；接着介绍了下位机PLC控制系统与上位机WINCC监控画面的设计，下位机PLC采用西门子S7300系列，而上位机采用西门子的WINCC组态软件来进行界面设计与监控；最后通过MPI方式来实现上位机与下位机的通信，进行了整体调试运行，使系统能够稳定的对投币洗衣机工作过程进行监视和控制。关键词投币洗衣机PLCWINCC苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）III目录第一章前言111背景与意义112课题的研究现状213论文的结构和内容4第二章投币洗衣机控制系统的总体设计621投币洗衣机的工作原理622投币洗衣机控制系统的要求723总体控制方案的确定8第三章下位机PLC控制系统的设计1031PLC设备的选型1032PLC硬件的设计11321洗衣机电动机控制电路11322I/O资源分配设计12323PLC主机硬件接线图1333PLC软件的设计14331总体流程设计14332各功能程序设计16333梯形图的设计19334PID水位控制22第四章上位机WINCC监控界面的设计2441监控组态软件的选择2442WINCC监控界面的设计24421监控画面的总体设计24422监控子画面的设计24423上位机WINCC建立的变量27第五章系统的运行与调试2951通信的设计与调试2852系统总体的调试与运行31苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）IV521系统总体的调试31522系统总体的运行31第六章总结与展望35致谢36参考文献37附录38附录梯形图主要程序38苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）1第一章前言11背景与意义从古代到今天，洗衣服都是一种无法躲过的家务劳动之一，在洗衣机出现之前，对于所有的人来说，洗衣服就是用双手搓、用棍子击打、冲刷、以及甩打等这些需要人们不断循环的体力劳动，它给我们的感觉几乎就是很辛苦并且很劳累。当洗衣机发明之后则使得我们减小了很多的家庭负担，而且节约了许多宝贵的时间与精力。如今随着科技的不断发展，洗衣机同时也在一直不断的改良和很快的发展从当初的木制手摇式洗衣机到蒸汽式洗衣机再到电动式洗衣机，从手动的洗衣机到当时的半自动洗衣机再到现在的全自动化洗衣机。现在即方便、又快捷的自助式洗衣机已经来到我们的身边，并且受到越来越多的消费者认同和推崇。自助式投币洗衣机，它被很广泛的用在了学校、工厂、宾馆、社区、以及外来人口聚集的公共场所，它具有十分大的市场需求。而今市场上的自助投币式洗衣机大多使用单片机技术控制，它的指令系统比较复杂，而且编程难度比较的大，在设计其控制系统硬件时，需有许多种电路保护装置，例如过电流保护装置、过电压保护装置、过载保护装置、过热保护和欠电压保护装置等等，这样即增大了系统硬件的复杂性，并且也隐藏了很高的故障率，维修成本也随之而提高。如果使用以微处理器为基础的可编程序控制器（PROGRAMMABLELOGICALCONTROLLER,PLC）把计算机控制技术、自动化技术与通信技术融为一体，这就可以制造出面向控制过程、面向用户，适应环境、使用方便、可靠性很高的一种新的通用自动装置。它具有编程简易、可靠性好、抗干扰能力强等优点。所以，采用PLC设计这个课题就十分有意义。作为我的毕业设计，我想通过自己的研究基本懂得自助投币式洗衣机的运行原理及其过程实现。由于本人知识有限，把全文重点放在了PLC应用于投币式洗衣机控制系统的设计方面。本设计是基于S7300PLC的投币洗衣机控制系统的设计，选用的是德国西门子公司制造的S7300系列的PLC作为主要控制工具，利用其控制功能，使按钮、电磁阀、开关等器件进行协调性的控制，从而使得投币洗衣机实现洗衣过程的全自动化。首先需应该对投币洗衣机的控制系统进行全面的分析，进而对流程图和梯形图进行设计，并且利用S7300自带仿真软件进行测试。为了把整个自动控制过程全部演示出来，本次设计利用了西门子WINCC软件创立了多个投币洗衣机的监控系统画面。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）212课题的研究现状121投币洗衣机的研究现状自助投币式洗衣机是全自动洗衣机的一种。全自动洗衣机有进水，洗涤，漂洗，排水，脱水等功能，而且还能自动完成这些过程。它有多种洗涤程序可供您自由选择，工作时间可根据用户所选情况自动调节，目前最先进的洗衣机还采用了模糊技术，就是洗衣机可以对传感器所回馈的信息进行自行逻辑推理，自动判别衣物的质地情况、重量大小、脏污程度，从而通过自行推理抉择最佳的洗涤时间长短、进水量、漂洗所需数、脱水时间，达到了整个洗衣过程的自动化，使用简便，节约能原与水量。全自动洗衣机从结构上分主要有波轮式、搅拌式、滚筒式三种。波轮式洗衣机省时省力，但是费电、费水、衣物容易出现缠绕、清洁性也一般。滚筒式洗衣机衣物不会出现缠绕，它不会对衣物出现损伤，但是特别耗时，洁净力不是很强，适合洗涤羊毛、羊绒等纯毛类织物。搅拌式洗衣机衣物清洁力最强，省洗衣粉。缺点是十分容易缠绕，与前两种方式相比损坏性更大，噪声也最大。根据国内的具体情况一般选用波轮式，搅拌式不多见,滚筒式洗衣机比较昂贵。为了使用户在公共场所得到自助洗衣的满足，全自动洗衣机分为投币式、感应式、IC卡式等，从控制系统角度分，有集成电路控制式、单片机控制和PLC控制、模糊控制等。单片机控制式其控制功能强、环境适应较好、开发比较方便、体积小、价格合理等优点在家用电器上得到很广泛的应用。但是其也有很多的缺点指令系统比较复杂，编程难度较高，且控制系统的硬件所需较多的电路保护装置；而基于PLC控制的全自动洗衣机具有编程简单、功能全、外围电路简易、时间计算精准并且维护方便等一系列优点。但它的价格比单片机贵，适合温度较高、震动和冲击过强等工业环境，在家用电器控制中应用并不广泛。现在市场上的洗衣机大都使用单片机控制，本文选用PLC来控制是从探究、学习的角度出发的，对PLC在工业洗衣机中的应用有一定的参考价值。市场上常见的投币洗衣机如图11、图12所示。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）3图11图12122PLC的发展与研究现状随着科技的不断发展，现今的科学技术越来越完善，竞争也变得更加激烈，只是依靠人工操作已经不可能满足现在工业的需要了，而且不能保证更高质量的需求以及高新技术公司的形象。我们在生产实践中能够发现，自动化技术给我们带来了十分多的便利与产品质量上的保障，还减轻了工作人员的劳动强度。在很多繁杂的生产过程中很难实现目标的控制要求、整体的优化、最好的判断等，但娴熟的技术工人或者是专家、管理者能够很快的判断和操作，可以让我们得到很满意的需求。人工智能的研究目标就是使用计算机来完成、模拟这些智能动作，通过人脑与计算机协调工作，以人机结合的方式，为解决繁杂的问题寻找最好的方法。我们在各式各样的场所见到了继电器连接的控制，这已然是时代的过去，而今的继电器只可以作为较低端的基层控制模块或者简单的设备中使用到；随着PLC的出现也成为了划时代的主题，通过极其稳定的硬件穿插灵活的软件控制，使得自动化走向了新的高潮。PLC的发展至今已有近40年的历史了，跟着半导体技术、计算机技术和通讯技术的发展，产业控制领域已有翻天覆地的变化，PLC亦再不断的发展，挣朝着新的技术发展。PLC的最大特点在于电气工程师已不需要在电气的硬件上花费太多的时间与精力了，只要将按钮开关或者感应器的输入点连接到PLC的输入点上就能解决问题，通过输出点连接接触器或继电器来控制大功率的启动设备，而小功率的输出设备直接连接就可以。PLC的优点还有许许多多，总的来说它为现代工业化的进程提供了很有力的帮助与促进，未苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）4来的前景将更加广阔，123WINCC的发展与研究现状西门子视窗控制中心SIMATICWINCC是HMI/SCADA软件市场较后开发的，但运行效果很好。1996年进军工控组态软件的市场，以十分短的时间成为了第三个在世界地域内成功的SCADA系统，而在欧洲，它无所争辩的成为第一。在设计灵感上，SIMATICWINCC继承了西门子公司一贯优秀的企业文化思想，性能十分全面、技术也十分先进、系统特别开放的HMI/SCADA软件是WINCC开发人员的追求。WINCC软件是按世界地域内使用的系统进行开发的，因所以从刚开始就适用于世界上大部分制造商制造的控制系统，如AB，MODICON，GE等，而且通讯驱动程序的类别还在不断增多。通过OPC的方式，WINCC还能与很多的第三方控制器进行通讯。WINCCV60运用标准MICROSOFTSQLSERVER2000数据库来存档生产时的数据，并且具有WEB浏览器的功能，能使管理者在工作室内监测到生产流过程中的动态图面，这样就可以更合适地调动与指挥，是工控生产厂家中MES和ERP的第一选择的生产实时数据平台软件。作为SIMATIC全集成自动化系统的重要构成部分，WINCC能够保证与SIMATICS5、S7和505系列的PLC连结的快速与通讯的高质量，WINCC与STEP7编程软件的密切联合减少了项目开发的时间。另外，WINCC还能够对SIMATICPLC进行系统的诊断，使硬件维护提供了方便。在实际生产中也经常使用上位机来进行监控，监控组态软件WINCC就是用来进行组态、编程以及数据管理的，可以形成所需要的操作、监控、控制、报警等画面，还可以生成实时趋势、历史趋势的曲线以及打印报表等，这使得用户监控起来很方便。13论文的结构和内容本文对投币洗衣机的实际情况来进行分析，合理地选择所需要的洗衣方式，完成下位机PLC控制系统和上位机WINCC监控系统的设计，下位机和上位机直接的通信采用PCACCESS来实现。文章主要结构如下第一章是绪论，简要介绍本课题的研究背景意义。介绍了投币洗衣机在自动化控制技术方面的发展，介绍了PLC技术的相关知识和组态软件WINCC发展与研究。第二章是投币洗衣机控制系统的总体设计方案的介绍与各个系统的具体解释，以及系统的硬件配置。第三章是有关下位机PLC控制系统的设计。根据实际要求进行PLC硬件的选型，进苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）5行PLC的硬件设计与软件设计，最后进行下位机的调试与运行，显示其效果。第四章是上位机WINCC监控画面的设计部分。主要从组态软件的选择入手，根据投币洗衣机控制系统要求进行画面设计，对系统监控系统进行设计编程。第五章是总体介绍系统的运行于调试。主要介绍整个系统设计的调试过程与最终运行效果。第六章是有关技术的总结与展望，主要根据本毕业设计中所运用的技术，展望对基于MPI通信原理的PLC与WINCC结合，工业自动监控系统技术的应用前景。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）6第二章投币洗衣机控制系统的总体设计21投币洗衣机的工作原理投币洗衣机的工作原理用户先通过投币选择洗衣方式，继而洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的，内桶可以旋转，作为脱水用。内桶的周围有很多小孔，这样内桶与外桶的水流就相通，洗衣机的进水跟排水两个动作分别由进水电磁阀和排水电磁阀来控制。进水时通过控制系统将进水阀打开，由PID算法控制阀门开度，通过进水管道使得水注入到外桶。排水时，通过控制系统将排水阀打开，使水由外桶排出洗衣机外。洗涤时正转反转由洗涤电动机驱动拨盘的正转与反转来实现，此时脱水桶不会旋转。脱水时，电机高速正转，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、低水位控制开关分别用来检测高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作，停止按钮用来实现手动停止进水、洗衣、排水、脱水。投币洗衣机的进水，洗衣，排水，脱水是通过水位开关，电磁进水阀和电磁排水阀配合进行控制，从而实现自动控制的。水位开关用来控制进水到洗衣机内高低水位，电磁进水阀起着通断水源的作用。全自动洗衣机的简易示意图如21所示。图21苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）722投币洗衣机控制系统的要求本文描述的是一种自助式投币洗衣机，它通过用户投币选择所需洗衣功能，从而自动地完成洗衣全过程。投币洗衣机控制系统系统中，利用PLC为控制器，完成对洗衣机的全自动控制。该系统应具有3种功能，即投币一元选择单脱水功能，投币两元选择快速洗衣功能，投币叁元选择标准洗衣功能。PLC主要完成以下功能A检测功能（1）检测洗衣的方式单脱水，快速洗衣或者标准洗衣的选择。（2）检测进水是否到了需要的水位，即进水是否完成。（3）检测排水是否已经完成。B控制功能（1）控制进水、洗涤、排水、漂洗、脱水等洗衣机的动作。（2）控制洗涤、漂洗、脱水等的时间长短。（3）控制洗涤、漂洗等的次数。（4）控制在洗衣机完成一个动作后到下一个动作的准确转换。（5）控制完成洗衣时的信号提示。投币洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“维护运行”两种控制方式。“正常运行”方式的具体控制要求如下（1）投入一元后，单脱水指示灯亮，按下启动按钮，洗衣机实现“单脱水”功能。完成2S后结束指示灯亮，提示洗涤结束。单脱水时间为8分钟，即400秒，完成2秒后结束指示灯亮，提示洗涤结束。（2）投入二元后，快速洗衣指示灯亮，按下启动按钮，洗衣机实现“快速洗衣”功能，即一洗一漂两脱水，也就是洗衣机进水洗涤排水脱水进水漂洗排水脱水。洗涤（漂洗）时电机正转7秒，停2秒，然后反转7秒，停2秒,如此算作1次，循环20次，快速洗一次洗涤（漂洗）为360秒，每次洗涤或漂洗后的脱水时间为120秒，排水与进水是否完成由水位传感器控制。完成2秒后结束指示灯亮，提示洗涤结束。这里进水时由于受到不同地区不同水流量的影响，进水快慢由PID算法进行控制。（3）投入三元后，标准洗衣指示灯亮，按下启动按钮，洗衣机实现“标准洗衣”功能，即一洗二漂三脱水，也就是洗衣机进水洗涤排水脱水进水漂洗排水脱水进水漂洗排水脱水。洗涤（漂洗）时电机正转9秒,停2秒，然后反转9秒,停2秒，如此算作1次，循环25次，即标准洗一次洗涤（漂洗）时间为550秒。每次脱水时间为180秒，排水与进水由水位传感器控制。完成2S后结束指示灯亮，提示洗涤结束。进水速度由PID算法进行调节。“维护运行”主要是用于洗衣机出现故障时，维护人员可以使用强行停止，手动排水，手动脱水。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）823总体控制方案的确定投币洗衣机控制系统在整个运行过程中可谓相当繁杂，整个过程主要包括投币系统、洗衣系统、脱水系统、进排水系统等。其中，洗衣系统中又包含两种操作，即洗涤跟漂洗。本系统中所采用的硬件框如图22所示。图22系统框图维护手动脱水投币模拟开关启动开关高水位传感器零水位传感器强制停止维护手动排水排水电磁阀脱水电磁阀电机正转电磁阀电机反转电磁阀单脱水功能指示灯快速洗衣指示灯标准洗衣指示灯洗衣结束指示灯S7300PLC进水电磁阀洗涤（漂洗）指示灯进水指示灯排水指示灯进水指示灯脱水指示灯进水指示灯盖子控制电磁阀进水指示灯苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）9（1）PLC主机在本次设计中选择西门子S7300系列PLC作为此系统的控制主机。本系统共有7个数字量输入和13个数字量输出，共需要20个I/O。根据I/O点数及程序容量，选择了CPU315F2PN/DP型号的PLC作为本系统的主机。（2）投币模拟开关投币模拟开关的主要作用模拟投币，开关一次动作，相当于投币一元，当开关一次动作时，单脱水指示灯亮，开关两次动作时，快速洗衣指示灯亮，开关三次动作时，标准洗衣指示灯亮。（3）启动开关当用户投币结束之后，按下此开关洗衣机开始运行，它可以自动检测出用户所需功能，从而自动完成洗衣过程。并且在洗衣过程中按下此按钮无效，只有在洗衣机完成一次洗衣后，用户重新投币，它才恢复作用。（4）强制停止开关强制停止开关是维护人员使用按钮，其设置在投币箱内部，当洗衣机出现故障时，维护人员可以打开投币箱并按下此按钮，洗衣机立即停止工作，自动复位。此时工作人员可以检修洗衣机。（5）维护手动排水与脱水开关维护手动排水与脱水开关是投币箱里的3个按钮，起作用是当洗衣机出现故障时，维护人员可以打开投币箱进行手动处理排水跟脱水。（6）水位传感器水位传感器顾名思义就是监测水位的，主要运用于洗衣机进水与排水量。在进水时系统自动打开进水电磁阀，当水位达到高水位时，高水位开关将信号传给PLC，此时CPU关闭进水电磁阀并进行下一个洗衣步骤，当洗衣机排水时系统自动打开排水电磁阀，当水位为零时，零水位开关将信号传给PLC，此时CPU自动关闭排水电磁阀。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）10第三章下位机PLC控制系统的设计31PLC设备的选型PLC是用微处理器为基础，并且结合了计算机控制技术、自动化控制技术以及通信技术联合起来的一种通用的自动化工具。利用可编程控制器PLC来取代传统的继电器硬件控制，从而使得控制系统有了很大的柔性和通用性，PLC产品的种类繁多。PLC的型号不同，对应着其结构的形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同，适用的场所也各有各的侧重点。所以,正确选择PLC的型号，对于改善PLC控制系统的技术经济指标有着很大的意义。PLC的挑选主要该从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面进行全面的考虑。PLC机型选用的基本性原则是在符合功能要求与保证可靠与维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式、安装方式的选择、相应的功能要求、响应速度要求、系统可靠性的要求、机型尽量统一等因素。PLC的机型要统一主要是考虑到以下三方面问题（1）机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。（2）机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。（3）机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。综上所述，本系统设计采用的PLC为西门子系列的S7300PLC，西门子公司的SIMATICS7300系列属于中小型PLC，可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。S7300的可靠性非常高，可以用语句表、梯形图和功能块图编程。它的指令丰富，简单易学，内置有高速计数器、高速脉冲输出和PID控制器等特殊功能S7300提供了多种通讯方式以满足不同的应用需求，从RS485通信/编程接口通讯到自由口模式通讯，从PPI协议通讯到MPI协议通讯，从简单的S7300之间的通讯到S7300通过PROFIBUSDP网络通讯，甚至到S7300通过以太网通讯。在网络需求已日益成为必要的今天，强大的通讯无疑会使S7300为更多用户服务。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）11本设计采用PLCS7300为控制核心，实现自动控制和手动控制，硬件接线简单，软件开发周期短，具有工作可靠性高，操作方便，体积小、功耗低等特点，达到良好的控制效果。32PLC硬件的设计321洗衣机电动机控制电路PLC在系统中处于中心位置，启动、停止信号和水位开关是PLC的输入信号，进水阀，排水阀，电动机和脱水桶是洗衣机各种动作的执行机构。其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态，电动机的工作状态也由控制中心PLC给定信号来决定，而电动机的正反转状态直接决定洗衣机的洗涤状态和脱水状态。洗衣机在脱水运行中高速正转，这里用到了西门子MM440变频器。在变频器的领域，也有很多难以去控制的东西。直到西门子推出的功能具全的变频器问世之后，情况才有了很大的改善。MICROMASTER440是专门针对和通常相比叫所要更加广泛的功能与更高动态响应的应用所设计的。这些高级矢量控制系统可保证一致的高驱动性能，即便发生突然负载变化时也是这样。因为具有快速响应输入与定位减速斜坡，所以，甚至可以在不使用编码器的情况下也能移动至目标的位置。该变频器还有一个集成制动斩波器，即便在制动和短减速斜坡的时候，也能以优秀的精度工作。所有这些都可以在012KW到250KW的功率范围内实现。变频器的应用还属于一个新兴的市场，但随着电子元器件的迅速发展以及控制理论的更加完善，变频调速已快速取代了直流调速，成为驱动产品的领先产品，西门子变频器因为有强大的品牌效应在庞大的中国市场中取得了非常好的发展，西门子MM440在中国变频器市场的成功推广可以说是西门子品牌与技术的融为一体。在中国市场上能遇到的早期西门子变频器大部分都是有电流源的SIMOVERTA,以及电压源的SIMOVERTP，这些变频器也主要因为设备的引进而都进入了中国的市场。MM440是通用西门子的一种通用型变频器，适用于一切传动装置的矢量变频器MM440是用于控制三相异步电动机转速的变频器系列，该系列具有很多种种型号供用户选择。恒定转矩（CT）控制方式的额定P范围为120W200W，可变转矩（VT）控制方式可达250KW。MM440变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件。因此，它具有很高的运行可靠性和功能的多样性，其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因此降低电动机运行的噪音。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了很好地保护。MM440具有默认的工厂设置参数，它是给数量众多的简易的电动机苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）12控制系统供电的理想变频驱动装置。由于MM440具有全面且完善的控制功能，在设置相关参数后，它也使用于更高的电动机控制系统。MM440变频器的电路分为两大部分一部分是完成电能的转换（整流、逆变）的主电路；另一部分是处理信息的收集、变换和传输的控制电路。主电路是由电源恒输入单相或三相恒频的正弦交流电压，经整流电路转换成恒定的直流电压，供给逆变电路。逆变电路在CPU的控制之下，将恒定的直流电压逆变成电压和频率均可调的三相交流供给电动机负载MM440变频器直流环节是通过电容进行滤波的，因此属于电压型交直交变频器。控制电路是由CPU、模拟输入、模拟输出、数字输入、输出继电器触头、操作板等组成。本次设计采用西门子MM440075KW变频器（6SE64402UD175AA1）。采用变频技术控制三相异步电机实现洗衣机电动机的模拟；西门子变频器DIN1端为正转信号，DIN2为反转信号，DIN4为低速开关量信号，DIN5为高速开关量信号（具体对应速度由变频器参数设置而定），三相电机采用星形接法。变频器连接如图31所示图31322I/O资源分配设计在投币洗衣机系统中，综合各方面的因素，对整个系统的方方面面都需要好好的考虑，根据实际生产的要求来做相关设计，确定好所需要的输入与输出信号，分配好I/O资Q03Q04Q02Q16苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）13源是很重要的，对于一个生产设计或者是实践操作或许可以带来很大的方便与帮助，极大的提高效率。在本次设计中，主要确定了输入信号有7个，输出信号有15个；各个信号有各自的作用。在对PLC主机的所有I/O资源进行分配，其分配情况如表31所示。表31输入输出分配情况表信号类型地址编号信号说明I00启动按钮I01投币模拟开关I02高水位传感器I03零水位传感器I04强制停止I05维护手动排水输入信号I06维护手动脱水Q00进水电磁阀Q01排水电磁阀Q02电机低速转Q03电机正转电磁阀Q04电机反转电磁阀Q05单脱水功能指示灯Q06快速洗衣指示灯Q07标准洗衣指示灯Q10结束洗衣指示灯Q11进水指示灯Q12洗涤（漂洗）指示灯Q13排水指示灯Q14脱水指示灯输出信号Q15Q16洗衣机盖子控制电磁阀电机快速苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）14323PLC主机硬件接线图PLC主机硬件接线图可以很好地显示出输入输出信号、使用了什么型号的CPU、使用的电压是多少等等信息。根据PLC系统的硬件框图以及PLC主机的I/O资源分配，则PLC主机的硬件接线图如图32所示。YV1进水电磁阀启动YV2排水电磁阀投币器变频器DIN4工速变频器DIN1正转变频器DIN2反转高水位传感器LED1单脱水指示灯零水位传感器LED2快洗指示灯LED3标准洗指示灯LED4洗衣结束指示灯LED5进水指示灯LED6洗涤（漂洗）LED7排水指示灯强制停止LED8脱水指示灯手动排水手动脱水YV6盖子控制电磁阀变频器DIN5电机快转AC220VAC220V图32硬件接线图33PLC软件的设计Q00I00Q01I01Q02Q03Q04I02Q05I03Q06S7300PLCQ07Q10Q11Q12Q13I04Q14I05I06Q15Q16NLCOM苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）15331总体流程设计投币洗衣机系统的总流程图如下图33所示否是否否是是是图33总流程图总流程图简要说明当投币洗衣机通电时，所有信号初始化。用户将所需洗的衣物放入洗衣机，然后放入适量的洗衣粉并且合上洗衣机盖子。此时，用户根据自己的需要自行选择洗衣功能，通电启动按钮是否按放入衣服，洗衣粉，合上盖子开始投入硬币，显示已投硬币数MB1元MB2元MB3元快速洗衣标准洗衣单脱水结束指示灯亮，提示洗衣结束苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）16如果用户投入一元硬币则选择了单脱水洗衣功能。如果用户投入两元硬币则选择了快速洗衣功能，如果用户投入三元硬币则选择了标准洗衣功能。投完硬币后，用户按下启动按钮。此时洗衣机将按照用户所选功能进行工作，洗衣结束后，结束指示灯亮，提示洗衣结束，并且系统自动复位，准备下次洗衣。332各功能程序设计（1）单脱水功能程序设计投币洗衣机单脱水功能流程图如下图34所示图34单脱水功能流程图单脱水功能流程图简要说明投币一元脱水计时600S停止脱水计时2S系统复位结束指示灯亮，提示洗衣结束按启动键苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）17单脱水功能是用户投硬币一元所选择的洗衣功能，当用户按下启动按钮后，系统自行选择单脱水功能，也就是电机高速正转600秒，脱水结束两秒后，系统自行复位准备下次投币洗衣。此时，结束指示灯亮，提示洗衣结束。用户自行将所洗完衣物从洗衣机中取出。（2）洗衣功能程序设计投币洗衣机快速洗衣功能流程图如下图35所示按启动键投币两元进水水位到位停止进水计时2S正转洗衣计时7S停止正转计时2S反转洗衣计时7S洗衣20次排水排水完成否停止排水计时2S脱水计时120S停止脱水计时2S洗衣结束计时2S系统复位结束指示灯亮，提示洗衣结束苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）18图35快速洗衣功能流程图快速洗衣功能是用户投硬币两元所选的洗衣功能，标准洗衣则是投币3元的洗衣功能。它们的总体步骤差不多，但在每个步骤的运行时间上不一样，既洗衣强度不一样。快速洗衣适合用于轻薄衣物57件洗衣，标准洗衣适合用于轻薄衣物710件或厚重衣物46件的洗衣。用户根据自己所需洗衣的量自行选择洗衣功能。（3）维护停止程序设计投币洗衣机维护停止功能流程图如下图36所示否是停止反转计时2S运行2次开始正常运行按停止键停止工作打开手动排水排水打开手动脱水水脱水结束苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）19图36维护停止功能流程图维护停止按钮是设立在投币箱内部的强制停止按钮，普通用户不能使用。当洗衣过程中遇到故障，用户可以通知维护人员。维护人员可以通过打开投币按钮按下停止按钮，使其先停止工作，然后进行手动排水与手动脱水。333梯形图的设计在进行梯形图程序设计时，所建立的符号表如图37所示。图37建立的符号表综合根据实际生产要求与课题设计要求，设计出相应的梯形图程序，以下对梯形图程序作相关简要说明。在整个投币洗衣机控制系统中主要分为5部分投币部分、进水部分、洗涤（漂洗）部分、排水部分以脱水部分。首先是投币部分，在初始化之后用户进行投币，经过SB1按钮模拟投币，主要的梯形图程序如图38所示。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）20图38投币系统梯形图程序当投币完成后,按下启动按钮系统根据投币量自行选择洗衣功能，当选择单脱水功能时，电机高速正转10分钟，即洗衣机脱水10分钟，10分钟时间结束后结束指示灯亮，提示用户洗衣结束。系统自动复位，准备下次继续投币洗衣。，主要的梯形图程序如图39所示。图39单脱水功能梯形图程序当用户选择的是两元或三元洗衣时，用户按下启动按钮，系统则进入快速洗衣或者苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）21标准洗衣状态。进入洗衣状态时，洗衣机排水电磁阀打开，洗衣机进入自动进水状态。主要梯形图程序如图310所示。图310洗衣机进水梯形图程序当洗衣机进水结束结束两秒之后，开始进入洗涤（漂洗）状态。快速洗衣状态时电动机正转与反转循环20次，标准洗衣则循环25次。主要梯形图程序如图311所示。图311洗衣机洗涤（漂洗）梯形图程序当洗衣机洗涤（漂洗）完成后，洗衣机进入排水状态。排水状态主要梯形图如图312所示。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）22图312洗衣机排水梯形图334PID水位控制由于洗衣机在进水过程中由进水阀控制水流量，但在实际的场合水流量会受到不同地区用水高峰期等影响，比如夏天，水流量肯定比平时小。因此，这里用PID控制进水阀门的开度来调节进水量。PID控制器有了50多年的历史了，现在依然是应用十分广泛的工业控制器，PID控制器简单易懂，使用中不需要精准的系统模型。所以它是应用最为广泛的控制器。PID控制是连续控制系统中技术最成熟，PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值RT和实际输出值YT之间的偏差ET，如式31。ETRTYT31经比例P、积分I和微分D运算后通过线性组合构成控制量UT，对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图313所示，图中UT为PID调节器输出的调节量。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）23RTETUTYT图313PID控制原理框图比例积分微分电动机管道流量变送器苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）24第四章上位机WINCC监控界面的设计41监控组态软件的选择组态软件，又叫做为组态监控软件系软件，英文SCADA,即SUPERVISORYCONTROLANDDATAACQUISITION数据采集与监视控制。它就是一些数据采集和过程控制的专用软件。它们处于自控系统监控阶层一级的软件平台和开发状态，使用快速的组态方式，为用户提供高效构成工业自控系统监控功能的、通用层次的软件。截止到现在，国外的组态软件主要有INTOUCH、IFIX、CITECH、WINCC；国内的组态软件大体有力控FORCECONTROL、组态王KINGVIEW、REALINFO、MCGS、还有CONTROX（开物）、易控等等。组态软件也为用户提供了可视化监控画面，可以使试验者实时进行现场监视与控制。并且，它可以充分使用图形创建的功能，快速地构建监控画面，而且能用动画形式表示控制设备的现状，其还有报警功能、实时观察趋势曲线等功能，能够快速的生成多种图表。由于本课题所采用的下位机是西门子S7300系列的PLC，而且西门子的WINCC也是一套完备的组态开发环境，西门子提供类C语言的脚本，包括一个调试环境。WINCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。因此下位机采用西门子的组态软件WINCC。42WINCC监控界面的设计421监控画面的总体设计本课题根据任务书要求及实际动作情况，按照主要设计的流程来设计四个监控画面，分别为起始画面、投币画面、工作画面、洗衣机电动机状态画面。其中，“起始画面”为启动画面，点击“进入系统”按钮即可进入“投币画面”，在“投币画面”中进行所需要的操作之后点击“进入工作画面”按钮即可进入“工作画面”，在“工作画面”中进行所需要的操作之后点击“进入电动机监视画面”按钮即可进入“电动机状态画面”，四个监控画面就这样联系在了一起。422监控子画面的设计（1）“起始画面”的总体设计起始画面主要是一个欢迎界面，告诉参观者即将进入的是投币洗衣机流程，整个系苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）25统流程是用PLC和WINCC来操控的，因此画面就特意设计了PLC与WINCC图片在上面。具体画面设计如图41所示。图41起始画面（2）“投币画面”的总体设计在投币画面这一块，用户需要进行投币操作，用数码管显示对应投币数，用指示灯显示所投硬币对应的功能，为了方便与形象，这里将洗衣机与投币箱放在了一个画面里，具体画面设计如图42所示。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）26图42投币画面（3）“工作画面”的总体设计工作画面包含了投币洗衣机的投硬洗衣机功能的显示，投币洗衣机工作时各个过程的显示以及洗衣机内部电磁阀的一些动作。绿灯代表在工作，红灯表示没有在运行。还可以按下“进入电机监控画面”去观察洗衣电动机的工作状态，具体画面设计如图43所示。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）27图43工作画面（4）“洗衣电动机状态画面”的总体设计本次设计所用的电机为三相交流电动机，速度与状态由变频器控制。电动机的转速有两种情况，一种为工速，另一种为高速，工速是洗衣机在洗涤或漂洗时的状态，高速则用在洗衣机脱水时的状态。投币洗衣机状态有两种，分别是正转与反转。洗涤或漂洗时电动机有正转与反转两种状态，当洗衣机脱水时，洗衣机则只有正转状态。具体画面设计如图44所示。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）28图44洗衣电动机状态画面423上位机WINCC建立的变量在上位机中一共建立了22个变量如图45所示。图45苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）29第五章系统的运行与调试51通信的设计与调试（1）通信方式的选择西门子SIMATICWINCC是采用了最新的32位技术的过程监控软件，具有良好的开放性和灵活性。无论是单用户系统，还是冗余多服务器/多用户系统，WINCC均是较好的选择。通过ACTIVEX、OPC、SQL等标准接口，WINCC可以方便地与其它软件进行通信。WINCC与S7300系列PLC的通信方式包括WINCC与S7300系列PLC通过PROFIBUS协议进行通信的实现、WINCC与S7300系列PLC通过MPI协议进行通信的实现。综合应用成本与兼容性考虑，本系统选择了由MPI通信设计实现S7300与上位机的通信连接。（2）通信方式的连接1）添加驱动程序与系统参数设置打开WINCC软件，在“变量管理”中右击，在所弹出的菜单中点击“添加新的驱动程序”。然后选择SIMATICS7PROTOCOLSUTITECHN，点击打开这样就添加了驱动程序。如图51所示。图51在“变量管理”SIMATICS7PROTOCOLSUITEMPI右键单击MPI,在所弹现的菜单中点击“系统参数”，在弹出“系统参数MPI”对话框选择“单元”标签，查看逻辑设备名称。默认安装后，逻辑设备名为PCADPTERMPI,单击确定。如图52所示。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）30图522）添加通道与连接设置添加驱动连接，设置参数。在WINCC工程“变量管理”SIMATICS7PROTOCOLSUITEMPI右键单击MPI,在下拉菜单中，点击“新驱动程序的连接”，在连接属性对话框中中将名字取为“PLC1”，然后单击“属性”按钮，弹出“连接参数MPI”对话框。将此对话框中的站地址（S）与插槽号（T）改为2。然后单击确定按钮。具体情况如图53所示。图53苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）313）设置PG/PC接口打开西门子S7300软件，在头一行菜单栏中单击“选项”菜单，在所弹出的下来项中选项中单击“设置PG/PC接口”，弹出对话框后在为使用的接口分配参数（P）中选择PCADAPTERMPI,最后按下确定按钮。具体步骤如图54所示。图544）连接测试与通诊断通过WINCC工具的通道诊断功能WINCCCHANNELDIAGNOSIS即可以测试通讯是否成功。此时PLC必须处于运行状态，WINCC也需要运行。如图55,所示，绿色的“”表示通讯已经成功建立。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）32图5552系统总体的调试与运行521系统总体的调试在整投币洗衣机控制系统中，利用监控组态软件WINCC对用户操作进行实时控制与监察，PLC作为下位机实际控制生产，根据生产要求设计出所需要的梯形图程序，利用PCACCESS通信实现整体效果。在整个毕业设计期间，需要调试三部分。首先是PLC梯形图程序这部分，梯形图程序编好之后下载到PLC里面进行单独调试，利用手动开关来控制，达到了预期的效果；第二部分是WINCC组态的调试，由于是单独设计WINCC这块，因此首先试用了建立内部变量来看一下是否能够实现效果，最后一部分的调试也是最重要的，即上位机与下位机的通信，首先只是开始试用一个按钮控制一个灯，这样一开始便出现了问题，只能写进去，不能读出来，原因是在PLC梯形图程序中开关按钮名称不能用I，而应该用M。在所有程序中都利用这个原理来组态与调试，很好的实现了上位机与下位机的通信，有效的对投币洗衣机控制过程实施了监控。522系统总体的运行在整个系统中，PLC作为下位机进行实际操作，WINCC作为上位机进行实时监控，只需要在上位机上进行相关操作。本毕业设计共设计了4个监控画面，4个监控画面可依照投币洗衣机每个流程，实现每一阶段的监控。（1）下位机控制功能的实现效果在进行下位机调试运行时，与上位机没有任何连接，是人工手动控制开关。主要由灯的显示表示投币洗衣机的过程，如下图56所示。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）33图56（2）上位机监控功能的实现效果上位机监控界面主要可以监控这几个操作投币画面，洗衣机工作流程以及洗衣机工作时电动机的状态。当操作人员点击“模拟投币”按钮时，相当于用户投币，用数码管指示表示投币数，指示灯表示用户所选具体功能。具体监控界面如图57所示。图57苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）34用户选择好对应的功能后，按下启动按钮，进入洗衣机工作画面，以2元快洗为例，此时洗衣机工作，运行效果如图58所示。图58洗衣机在运行过程中如果进入洗涤，漂洗，以及脱水时等关于电机工作的状态，用户可以按下“进入电机监控画面监控洗衣机电动机的状态，具体监控界面如图59所示。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）35图59如果洗衣机出现故障维护人员可以进行手动操作，手动操作有手动脱水，手动排水以及强制停止三种操作，以手动脱水为例，具体监控画面如图510所示。图5103系统总体运行实现效果在上位机与下位机分别各自调试运行成功之后需要运用MPI将二者进行通信，在实际生产中，正是通过上位机WINCC界面监控实际工作流程，工作流程的具体状况可以在上位机中显示出来，也可以由上位机进行控制实际生产流程。例如，在界面中控制一个开关按钮，界面中即开始进行相关操作，实际运行中也同样进行相关操作，二者同时进行，总体运行如图511所示。图511总体运行苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）36第六章总结与展望在当今的工业生产中，PLC可编程控制器技术、上位机与下位机的通信以及监控组态技术等等应用已经越来越广泛了。PLC技术具有很多优点，如可靠性好、操作容易、灵活性好等。监控组态软件主要的优点有延续性和可扩充性、封装性（易学易用）、通用性等。本课题中PLC与组态监控技术的通信主要是依靠MPI来实现的，由MPI管理的通信，对于西门子系列PLC有着极大的稳定性和兼容性优势，使通信协议有效的简化，进而是系统结构更为清晰，降低了成本，也大大缩短了设计、调试时间。在认真学习西门子S7300系列PLC的理论知识，遵循PLC控制系统设计方法的基础上，本人成功地完成了基于PLC的投币式洗衣机控制系统的设计。该系统可以通过对投币总值的判断选择不同的洗衣程序满足商用自助洗衣的需要，而且PLC程序可根据洗衣时间、水位、价格等不同要求做出相应修改，面向控制，面向用户，具有编程简单、安装调试方便、可靠性高、抗干扰能力强等众多优点。今后，家用电动洗衣机将朝着多功能、节电、节水方向发展。节电、节水是今后我国家用电动洗衣机发展的主流。目前，我国的国标GB4288已将用电量、用水量的多少列入了考核的重要性指标。而且，为了引领消费和洗衣机生产企业的设计与制造，新国标GB4288将洗净比、用电量、用水量、噪声、含水率、寿命这6个主要性能指标进行分等级考核，即以上6个指标分别分为A、B、C、D4个级别。消费者可根据自己的需要选择不同级别的产品。该设计对研究PLC在工业洗衣机中的应用也有可贵的参考价值。但是由于水平和时间有限，设计中难免有不足之处，比如在洗衣机正面机箱上没有设置LED数码管来显示各工作过程及剩余时间。而且，从性价比角度来看，这个设计目前还不适合大规模投入生产，真正投入生产需要后续更多的研究工作。其实PLC最适合的还是环境恶劣、要求条件高的工业环境，对于家用电器的控制显得有些大材小用。然而完成这篇论文对于本人的能力提高无疑是有很大意义的通过它我学会了PLC的设计方法，掌握了西门子S7300系列PLC的硬件及软件编程的知识，学会了用专门软件绘制PLC的流程图及I/O接线图，同时还培养了质疑、探究、创新的学习精神，必将对我以后的学习、工作产生久远影响。苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）37苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）38致谢经过近半年的学习与研究，毕业设计已经接近尾声了。由于设计经验的匮乏，设计过程中难免会有考虑不周之处，如果没有指导老师的细心指导和全力督促，没有同组毕业设计的同学们的支持，完成这项设计的困难肯定要倍增许多。我要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。还要感谢周围同学们对我支持和帮助使得设计过程能够事半功倍。在此，我再说一次谢谢谢谢大家最后再一次感谢所有帮助过我的人，谢谢你们苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）39参考文献1张万忠电器与PLC控制技术北京化学工业出版社,20002殷洪义可编程序控制器选择设计与维护北京机械工业出版社,20043王也仿可编程控制器应用技术北京机械工业出版社，2004931254张桂香，张志军PLC的选型与系统配置微计算机信息，20052181一825张世荣，唐玉玲于PLC的全分布式输煤程控系统设计工业控制计算机，20081034一376SIMATICWINCC通讯手册K西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，19997深入浅出西门子WINCCV6M北京北京航空航天大学出版社，20048马国华监控组态软件及其应用北京清华大学出版杜，200145529王永华现代电气控制及PLC应用技术,北京，北京航空航天大学出版社，2008210朱文杰S7200PLC编程设计与案例分析，北京，机械工业出版社，2009911张进秋可编程序控制器原理及应用实例，北京机械工业出版社，200312路林吉,江龙康可编程序控制器原理及应用,北京清华大学出版社，200213BECKERT,ENDERST,DELGADOA,DYNAMICNEURALNETWORKSASATOOLFORTHEONLINEOPTIMIZATIONOFINDUSTRIALFERMENTATIONJBIOPROCESSBIOSYSTENG,2002,246788314苏昆哲深入浅出SIEMENSWINCCV6M，北京北京航空航天大学出版社，2004,10811215崔纳新变频调速器在电梯改造中的应用，电气传动自动化，200016潘月琴全自动洗衣机的维修M北京科学技术出版社，200417何希才传感器及其应用电路M北京电子工业出版社，200118李国厚PLC原理及应用设计化学工业出版社，200519邹郭颐家用电器原理与控制M北京中国轻工业出版社,199620赵金荣可编程序控制器原理及应用上海应用技术学院，200321汤以范电气与可编程序控制技术机械工业出版社，200322杜从商PLC编程应用基础（西门子）机械工业出版社，2010423L刘曾辉，赖英旭，赵伟西门子S7300PLC应用技术，机械工业出版社，20111苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）40附录附录梯形图主要程序苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）41苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）42苏州市职业大学机电工程学院毕业设计（论文）43