《电气控制与可编程控制器》课程设计-自动洗衣机控制系统.doc

电气控制与可编程控制器课程设计说明书题目： 自动洗衣机控制系统 专业：电气工程及其自动化 班级： 0922 姓名： 学号： 苏州科技学院机电工程系目 录第一章 绪论-1 1.1课题的研究背景-1 1.2洗衣机的发展概况-1 1.3课题研究的目的与意义-1 1.4本课题研究的主要内容-2第二章 概述-3 2.1 PLC的控制特点-3 2.2 控制系统框图-4 2.3 控制系统对应设备及功能-4第三章 硬件电路的设计-5 3.1 PLC的选择-5 3.1.1 I/O点数统计-5 3.1.2 I/O储存器容量估计-6 3.1.3 CPU功能与结构的选择-6 3.2 PLC外部接线图-7 3.3 洗衣机示意图-8第四章 软件的设计-9 4.1 I/O分配表-9 4.1.1 输入地址分配表-9 4.1.2 输出地址分配表-9 4.1.3 内部元件地址分配表-9 4.2 系统流程图-11 4.2.1 强制停止流程图-11 4.2.2 正常运转流程图-11 4.3 程序设计-13 4.3.1 系统梯形图-13 4.3.2 系统指令语句表-19第五章 程序运行过程分析-22 第六章 系统仿真-22第七章 模拟硬件连接-24结语-25致谢-25参考文献-26II第一章 绪论1.1 课题的研究背景本次设计基于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。采用PLC控制开发的周期短，开发成本低，可以直接用于工业现场控制。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。 1.2 洗衣机发展概况和现状 全自动洗衣机已经是普及的家用电器，并且现在工业用的全自动洗衣机由 于其特殊性，也越来越多的采用PLC、变频器和触摸屏。该控制对象具有如下功能：波轮式全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心装的。外桶固定，作乘水用；内桶可以旋转，作脱水（甩干）用。内桶的四周有许多小孔，使内外桶水流相通。洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀控制。进水时，控制系统使进水电磁阀打开，将水注入外桶；排水时，使排水电磁阀打开，将水由外桶排到机外。洗涤和脱水由同一台电动机拖动，通过电磁阀离合器来控制，将动力传递给洗涤波轮或甩干桶（内桶）。电磁离合器失电时，电动机带动洗涤波轮实现正、反转，进行洗涤；电磁离合器得电时，电动机带动内桶单向旋转，进行甩干（此时波轮不转）。水位高低分别由高低水位开关进行检测，启动按钮用来启动洗衣机工作。1.3 课题研究的目的与意义本课题主要着重于全自动洗衣机的控制，要求洗衣机能实现进水、洗涤、排水、脱水、报警，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期，且要降低成本。传统的洗衣机采用继电器控制的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强。但是，这也是随之带来的一些问题，如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏，而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。这种电路接线多，只适用于小型的控制电路。采用PLC控制比继电器控制好的多，我们采用PLC来控制。 （1） 可靠性高，抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2） 配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。（3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。（4） 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5） 体积小，重量轻，能耗低，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.4 本课题研究的主要内容本课题需研制出可靠性高、易于操作的全自动洗衣机控制方法，该系统采用PLC控制，主要包括电动机正反转控制、离合器控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和联锁。研究的具体内容包括：（1） 深入了解洗衣机的发展、结构及控制要求。（2） 控制系统设计。包括硬件设计，PLC的选择，各硬件模块的介绍，软件设计，编程方法。 （3） 对编写好的编译程序进行实际调试。 第二章 概述2.1 PLC的控制特点 PLC系统的特点： 1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。 2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。 3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。单片机系统的特点：1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。3）功能单一只具有使用中所需要的功能。但是，它结构简单，处理速度快。典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图1所示：图1 PLC控制系统的硬件组成框图2.2 控制系统框图 此次设计根据全自动洗衣机的工作原理, 洗衣机的工作流程由进水，洗衣，排水，和脱水四个过程组成。在半自动洗衣机中，这四个过程分别用相应的按扭开关来控制。利用可编程控制器PLC实现控制,用于说明PLC控制的原理方法,特点及工作特色。此次全自动洗衣机控制系统设计利用了西门子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。根据以上要求PLC的控制系统框图如下图2。图2控制系统框图2.3 控制系统对应设备及功能根据控制过程中的进水、洗涤、脱水、报警等控制要求，对控制所需的外部设备初步设计如表2-1表2-1对应设备及功能表对应的外部设备对应的输出设备启动按扭进水电磁阀停止按扭排水电磁阀排水按钮电机正转控制高水位开关电机反转控制低水位开关脱水电磁离合器报警蜂鸣器自动洗衣机的进水，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中低水位，电磁进水阀起着通断水源的作用。进水时，电磁进水阀打开，将水注入，排水时，电磁排水阀打开，将水排出，洗衣时，洗涤电动机启动，脱水时，脱水桶启动。 第三章 硬件电路的设计3.1 PLC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3-1. 7表3-1 I/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排水按钮电机正转控制高水位开关电机反转控制低水位开关脱水电磁离合器报警蜂鸣器3.1.2 I/O储存器容量的估算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6个数字输入点7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。图3 PLC外部接线图3.3 洗衣机示意图洗衣机的进水和排水分别有进水电磁阀和排水电磁阀控制。进水时，控制系统使进水电磁阀打开，将水注入外桶；排水时，使排水电磁阀打开将水由外桶排到机外。洗涤和脱水由同一台电机拖动，通过电磁阀离合器来控制，将动力传给洗涤波轮或甩干桶（内桶）。电磁离合器失电，电动机带动洗涤波轮实现正、反转，进行洗涤；电磁离合器得电，电动机带动内桶单向旋转，进行甩干（此时波轮不转）。水位高低分别有高低水位开关进行检测。起动按钮用来起动洗衣机工作。10进水阀起动按钮停止按钮排水按钮上水位开关下水位开关排水阀单相电动机泼轮外桶内桶蜂鸣器图4洗衣机示意图第四章 软件的设计4.1 I/O分配表4.1.1 输入地址分配表 列出全自动洗衣机的输入分配表，见表4-1。表4-1输入地址分配表对应的外部设备输入地址起动按钮I0.0停止按钮I0.1排水按钮I0.2高水位开关I0.3低水位开关I0.44.1.2 输出地址分配表列出全自动洗衣机的输出分配表，见表4-2。表4-2输出地址分配表对应的输出设备输出地址进水电磁阀Q0.0排水电磁阀Q0.1电机正转控制Q0.2电机反转控制Q0.3脱水电磁离合器Q0.4报警蜂鸣器Q0.54.1.3 内部元件地址分配表全制动洗衣机控制时，需用到PLC内部的计时器和计数器对其进行过程控制，现对控制中要用到的内部位元件地址分配表归纳如表4-3。表4-3内部地址分配表定时器/计时器对应的作用T37 进水暂停计时T38正洗计时T39正洗暂停计时T40反转计时T41反转暂停计时T42脱水计时T43报警计时C50正反洗循环计数C51大循环计数4.2 系统流程图4.2.1强制停止流程图开始正常运行按停止按钮洗涤电机和脱水桶停止转动、进水和排水电磁阀闭合排水打开手动排水开关打开手动脱水开关脱水结束YYYNNN图4 强制停止流程图4.2.2正常运行流程图全自动洗衣机正常运行时即洗衣机按照程序设定依次完成依次洗衣过程，从选择水位，按下启动按扭，开始进水直到水满（即水位达到高水位）时停止进水开始洗涤正转，洗涤时，正转30秒，停两秒，然后反转30秒，停2秒，如此循环5次，总共320秒开始排水，水位下降到低水位时开始脱水并继续排水，脱水30秒，开始清洗，重复以上过程，清洗两遍，清洗完成，报警3秒并自动停机。按照以上的工作流程，作出全自动洗衣机的正常运行工作流程图见图5。图5 正常运行流程图4.3 程序设计4.3.1 系统梯形图一、梯形图的特点 梯形图是PLC模拟继电器控制系统的编程方法。它由触点、线圈或功能方框等构成，梯形图左、右的垂直线称为左、右母线。画梯形图时，从左母线开始，经过触点和线圈（或功能方框），终止于右母线。在梯形图中，可以把左母线看作是提供能量的母线。触点闭合可以使能量流过，直到下一个元件；触点断开将阻止能量流过。这种能量流，我们称之为“能流”。实际上，梯形图是CPU仿真继电器控制电路图，使来自“电源”的“电流”通过一系列的逻辑控制条件，根据运算结果决定逻辑输出的模拟过程。 梯形图中的基本编程元素有触点、线圈和方框。 触点：代表逻辑控制条件。触点闭合时表示能量可以流过。触点分常开触点和常闭触点两种形式。 线圈：通常代表逻辑“输出”的结果。能量流到，则该线圈被激励。 方框：代表某种特定功能的指令。能量流通过方框时，则执行方框所代表的功能。方框所代表的功能有很多种，例如：定时器、计数器、数据运算等。 梯形图中，每个输出元素可以构成一个梯级。每个梯形图网络由一个或多个梯级组成。 二、梯形图绘制原则(1) 梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每个继电器器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。每一个逻辑行起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于继电器线圈或右母线。注意：左母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与右母线之间不能有任何点，应直接连接。(2) 一般情况下，在梯形图中某个编号继电器线圈只能出现一次，而继电器触点可无限引用。有些PLC，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出。 (3) 在每个逻辑行中，串联触点多的支路应放在上方。如果将串联触点多的支路放下方，则语句增多，程序变长。 (4) 在每个逻辑行中，并联触点多的支路应放在左边。如果将并联触点多的支路放右边，则语句增多，程序变长。(5) 梯形图中，不允许一个触点上有双向“电流”通过。(6) 梯形图中，当多个逻辑行都具有相同条件时，为了节省语句数量，常将这些逻辑行合并。当相同条件复杂时，这对储存容量小的PLC很有意义。(7) 设计梯形图时，输入继电器的触点状态全部按相应的输入设备为常开状态进行设计更为合适，不易出错。因此，也建议尽可能用输入设备的常开触点与PLC输入端连接。如果某些信号只能用常闭触点输入，可以按输入设备全部常开来设计，然后将梯形图中对应的输入继电器触点取反。12三、系统梯形图根据以上的梯形图的基础知识、注意事项、特点及上节（3.3.1节）中的控制状态流程图，现利用STEP7-Micro/WIN编程软件做出全自动洗衣机控制系统梯形图。STEP7-Micro/WIN编程软件是专为西门子S7-200而设计的，在个人计算机的WINDOWS操作系统下运行，功能强大、使用方便、简单易学。其编写好的程序可通过专用编程线缆下载的PLC中运行。也可以导出后在仿真软件中进行测试。系统梯形图如下图7 图7系统梯形图4.3.2 系统指令语句表根据全自动洗衣机的控制要求和3.3.2中的体形图得出系统的指令语句表如下。TITLE=程序注释Network 1 / 网络标题/ 进水LD M1.3A T43O SM0.1O M0.0O I0.1AN M0.1= M0.0Network 2 LD I0.0A M0.0LD M1.2AN C51OLDO M0.1AN I0.1AN M0.2= M0.1= Q0.0Network 3 / 进水完停2秒LD I0.3A M0.1O M0.2AN M0.3= M0.2TON T37, +20Network 4 / 正转15sLD M0.2A T37LD M0.7AN C50OLDO M0.3AN I0.1AN M0.4= M0.3Network 5 LD M0.3= Q0.2TON T38, +150Network 6 / 正转完停3秒LD M0.3A T38O M0.4AN M0.5= M0.4TON T39, +30Network 7 / 反转15秒LD M0.4A T39O M0.5AN I0.1AN M0.6= M0.5Network 8 LD M0.5= Q0.3TON T40, +150Network 9 / 反转完停3秒LD M0.5A T40O M0.6AN M0.7= M0.6TON T41, +30系统指令语句表aNetwork 10 / 正反转小循环30次LD M0.6A T41O M0.7AN M1.0AN M0.3= M0.7Network 11 LD M0.7LD M1.0CTU C50, +30Network 12 / 排水LD M0.7A C50O M1.0AN M1.1AN I0.1= M1.0Network 13 LD Q0.1O M1.1O M1.0AN T42AN I0.1LD M0.0A I0.2AN I0.4A I0.1OLD= Q0.1Network 14 / 脱水10秒LD M1.0A I0.4O M1.1AN M1.2AN I0.1= M1.1Network 15 LD M1.1O Q0.4AN T42O I0.6LPSAN I0.1= Q0.4LPPTON T42, +100Network 16 / 大循环3次LD M1.1A T42O M1.2AN M1.3AN M0.1= M1.2Network 17 LD M1.2LD M1.3CTU C51, +3Network 18 / 洗衣结束报警10秒LD C51A M1.2O M1.3AN M0.0= M1.3Network 19 LD M1.3O Q0.5LD M0.0A Q0.1A T42OLDAN T43= Q0.5TON T43, +100系统指令语句表b第五章 程序运行过程分析(1)洗衣机进水起动时，先按下启动按钮，I0.0接通，Q0.0接通，开始进水。当水位上升到与高水位时，Q0.0断开停止进水，T37开始计时。(2)正反转洗衣T37计时时间到，Q0.2接通开始正转洗衣，T38计时开始。T38计时15秒，Q0.2断开，正洗暂停，T39开始计时。T39计时时间到，Q0.3接通，反洗，T40开始计时。T40计时时间到，Q0.3断开，反洗暂停，T41开始计时。T41计时时间到，C50计数一次，同时洗衣返回Q0.2接通，重复以上从正洗开始的全部动作，直到C50计满30次数时，Q0.1接通并自保，开始排水，C50复位，准备下次循环是再计数。(3)大循环洗衣排水到脱水水位时，I0.4闭合，Q0.1、Q0.4接通，开始脱水，T42开始计时。T42计时时间到，Q0.1、Q0.4断开，停止排水和脱水，C51计数一次，同时洗衣返回Q0.0接通,重复从进水到脱水的全部动作，知道C51计数满3次时，停止洗衣，Q0.5接通报警并自保，T43开始计时。T43计时时间到，报警结束，整个洗衣过程结束，T43常开触点闭合，准备下次启动。(4)强制停止运行中按停止按钮时，I0.1常闭触点断开，则M0.0、Q0.0、Q0.1、Q0.4、Q0.5断开，停止进水、排水、脱水及报警。按排水按钮时，I0.2常开触点闭合，Q0.1接通并自保，进行手动排水。当水位下降到低水位开关时，排水电磁阀失电停止排水。第六章 系统仿真S7-200仿真软件简介：(1) S7-200仿真软件是S7-200系列PLC专用仿真软件，无需安装，下载后执行S7-200.EXE即可进入。可以在没有PLC的情况下，对PLC程序进行仿真调试，虽然它不能模拟S7-200的全部指令和全部功能，但仍然不失为一个很好的学习S7-200的工具测试软件。(2) 执行S7-200.EXE后其窗口如图10图10 执行S7-200.EXE后窗口图执行图中菜单命令“配置”“CPU型号”，在CPU型号对话框中可选择自己对应的CPU型号。用户还可以修改CPU的网络地址，一般使用默认地址。图中灰色部分为是CPU 224类型的PLC面板可显示CPU运行状态和I/O点的状态，灯亮为1，灯灭为0。CPU224的右边空白方框是扩展模块的位置，双击空白方框即可进行模块配置选择，根据需要可选择各种数字量和模拟量的扩展模块。CPU模块的下方是用于输入数字量信号的小开关面板，具有和CPU224对应的14个输入点，单击面板中的开关按钮可使其0，1状态切换，在CPU面板上的模拟LED灯对应灭，亮。开关面板下方的SMB28,SMB29是两个直线电位器，分别是CPU224的两个8位模拟量输入电位器对应的特殊存储器字节，可左右拖动滑块来设置他的值，范围在0-255之间。(3) 仿真软件不能直接接收S7-200程序代码，需要在STEP7-Micro/WIN中将程序编译并导出成ASCII文本文件（扩展名为awl）。然后在S7-200仿真软件，使用工具栏的下载按钮即可将导出的文件下载到仿真软件当中进行仿真测试。(4) 在仿真软件中点击工具栏上的运行按钮使仿真PLC切换到RUN模式开始仿真测试，运行过程当中点击开关面板中的模拟开关进入信号输入，通过查看菜单当中的“程序块代码”查看对应程序代码，“程序块图形”查看梯形图运行状态，“数据块”查看V区存储器对应的值，“内存监视”来监控V、T、C、M等内部变量的值(5) 另外，仿真软件还有读取CPU和扩展模块的信息、设置PLC实时时钟、控制循环扫描次数和对TD200文本显示器仿真等功能。13系统程序仿真：将第3节中在STEP7-Micro/WIN中编写好的程序编译并导出成ASCII文本文件（扩展名为awl）。然后在S7-200仿真软件，使用工具栏的下载按钮即将导出的文件下载到仿真软件当中进行仿真测试。按照设计的要求进行仿真，看程序能够按照要求进行各种工作即可。第七章 模拟硬件连接经过上节的仿真成功后，就可以进行程序的下载、安装和调试。但由于条件的限制，此次设计不能进行完全的实物连接，只能用简单的元件进行模拟连接。具体的模拟元件如下：采用五个按钮开关来模拟启动按钮、停止按钮、排水按钮、低水位开关和高水位开关。洗衣机的进水、正转、反转、脱水和报警，采用五个放光二极管来模拟。选择好模拟元件后按照2.2节中的PLC外部接线图(图2-1)连接好模拟硬件图，把模拟元件对应的作