PLC课程设计-基于PLC的全自动洗衣机控制.doc

PLC课程设计西南科技大学Southwest university of science and technology 课 程 设 计 题 目 名 称电气传动与可编程控制课程设计专 业 班 级机械制造及自动化学 生 姓 名学 号指 导 教 师辅 导 教 师时 间2016年4月至2016年6月 目录基于PLC的全自动洗衣机控制2一、题目部分31.1课题内容31.2设计目标及参数31.3 课题要求3二、总体思路42.1全自动洗衣机控制系统的控制要求42.2全自动洗衣机控制系统的PLC选型和资源配置52.3全自动洗衣机控制系统的电气控制9三、电气设计部分94、 PLC设计及调试部分10 4.1全自动洗衣机控制系统程序设计调试10 4.2全自动洗衣机控制系统PLC程序144.3源程序16 4.4程序梯形图21五、心得体会23六、参考文献24七、仿真25基于PLC的全自动洗衣机控制 摘要：随着科学技术不断进步和社会飞速发展，洗衣机成为人民日常生活息息相关的家用电器产品。洗衣机的全自动化、多功能化、智能化是其发展方向。基于全自动洗衣机的应用日益广泛，本次设计利用三菱公司生产的PLC控制全自动洗衣机，与传统的继电器逻辑控制系统相比较，洗衣机可靠性、节能性得到了提高。PLC控制不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少，与此同时系统维修简单、维修时间缩短。本文首先介绍了洗衣机的发展，然后重点介绍了洗衣机的设计，对程序流程图及编程软件进行了说明，最后对系统进行了仿真。本次设计采用步进顺控指令编程，根据工艺要求编程简单、可允许双线圈使用，PLC采样按钮及限位开关外部输入信号的变化，执行相应的程序，然后输出控制电机正反转及脱水处理。最后就本课题所做的工作进行了总结，并对进一步的研究提出了自己的看法。本次设计的全自动洗衣机工艺要求有待改善，不可以单独脱水及洗衣时间的设置；由于时间有限，没做进一步的改善。基于全自动洗衣机在日常生活中广泛运用，本设计具有广泛的推广价值。关键词：全自动洗衣机；PLC控制；步进顺控指令 一、题目部分1.1课题内容根据设计参数和控制要求，设计一全自动洗衣机，画出其运行框图及梯形图控制程序的编制，并画出硬件接线图。1.2设计目标及参数（1） 按下启动按扭及水位选择开关，开始进水直到高（中、低）水位，关水（2）洗涤时，正转15秒，停3秒，然后反转15秒，停3秒（3） 如此循环5次，总共1080秒后开始脱水并继续排水，排空后脱水30秒（4） 开始清洗，重复3次（5） 清洗完成，报警10秒并自动停机（6） 若按下脱水按扭，可手动脱水 （7） 按下停止按钮可实现手动停止进水、排水、脱水及报警1.3 课题要求 1. 根据课题的控制要求完成设计 2. 对传感器选型并列出选型依据 3写出程序流程图及代码 4. 完成课程设计说明书二、总体思路2.1全自动洗衣机控制系统的控制要求2.1.1 全自动洗衣机的工作原理普通洗衣机的工作流程示意图如图2.1所示洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水、脱水4个过程组成。在半自动洗衣机中，这4个过程分别用相应的按钮开关来控制。全自动洗衣机中，这4个过程可做到全自动依次运行，直至洗衣结束。全自洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一心安放的，内桶可以旋转，作为脱水用。内桶的周围有许多小孔，使内桶和外桶的水流相通，洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时通过控制系统将进水电磁阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过控制系统将排水电磁阀打开，将水由外桶排到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘的正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，控制系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、中、低水位控制开关分别用来检测高、中、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、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。开始进水洗衣排水脱水结束图2.1 普通洗衣机的工作流程示意图2.1.2控制设备要求全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“手动停止”两种控制方式。1.正常运行“正常运行”方式具体控制要求如下：（1）将水位通过水位选择开关设在合适的位置（高、中、低），按下“启动”按钮，开始进水，达到设定的水位（高、中、低）后，停止进水。（2）进水停止后开始洗衣。（3）洗衣时，正转15s，停3s，然后反转15s，停3s。（4）如此循环共30次，总共1080s后开始排水并继续脱水（5）然后再进水，重复（1）（4）步，如此循环共3次。（6）洗衣过程完成，报警10s并自动停机。2.强制停止“强制停止”方式具体控制要求如下:（1）若按下“停止”按钮，洗衣过程停止，即洗涤电机和脱水桶停止转动、进水电磁阀和排水电磁阀全部闭合。（2）可用手动脱水开关进行手动脱水。【注】“正常运行”和“强制停止”两种模式的运行是一样的。2.2全自动洗衣机控制系统的PLC选型和资源配置2.2.1控制系统构成图1.控制系统图控制系统图如图2.2所示图2.2 全自动洗衣机控制系统图2.PLC的选型全自动洗衣机控制采用三菱公司的FX2N系列整体式PLC。根据设计要求，全自动洗衣机共有12个输入点，6个输出点，故选择PLC的型号为FX2N-32MR001，图2.3 FX2N-32MR001 3.I/O模块的选择和I/O地址分配开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：1）输入信号的类型及电压等级2）输入接线方式3）注意同时接通的输入点数量4）输入门槛电平开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：1）输出方式2）输出接线方式3）驱动能力4）注意同时接通的输出点数量5)输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关由于CPU模块有16点数字量输入，有16点数字量的输出，所以不再需要输入、输出模块。采用I/O分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是X000X017，输出端子对应的输出地址是Y000Y017。2.2.2模块功能概述FX2N系列PLC硬件组成与其他类型PLC基本相同，主体由三部分组成，主要包括中央处理器CPU、存储系统和输入、输出接口。PLC的基本结构如图1-1所示。系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。外部的开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信息和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各部分协调一致地实现对现场设备的控制。（1）中央处理器CPUCPU的主要作用是解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其它功能，控制整个系统协调一致地工作。常用的CPU主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。（2）存储器模块随机存取存储器RAM用于存储PLC内部的输入、输出信息，并存储内部继电器（软继电器）、移位寄存器、数据寄存器、定时器计数器以及累加器等的工作状态，还可存储用户正在调试和修改的程序以及各种暂存的数据、中间变量等。只读存储器ROM用于存储系统程序。可擦除可编程序的只读存储器EPROM主要用来存放PLC的操作系统和监控程序，如果用户程序已完全调试好，也可将程序固化在EPROM中。（3）输入输出模块可编程序控制器是一种工业控制计算机系统，它的控制对象是工业生产过程，与DCS相似，它与工业生产过程的联系也是通过输入输出接口模块(I/O)实现的。I/O模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。PLC连接的过程变量按信号类型划分可分为开关量（即数字量）、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。（4）编程器编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机对话的界面。随着PLC的功能不断增强，编程语言多样化，编程已经可以在计算机上完成。CPU模块采用三菱的FX2N32MR001（AC/DC/继电器）模块，它控制着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16个数字量输入点和16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、数字量输入和输出模块。2.3全自动洗衣机控制系统的电气控制全自动洗衣机在工作过程中，需要靠电动机完成洗衣、清洗、脱水，在此过程中，还需要实现正反转，电气部分要在PLC程序控制下自动完成。电气控制部分主要由电动机驱动波盘来实现正反转，电动机在快速转换过程中，电势能能够快速转换，但是电机内部磁场和电势不是同步转换的，因此再设计过程中需要考虑电机有一个暂停的过程，以便电机可靠地转换电势方向下，否则直接影响洗衣机的洗涤和脱水程序。电机在正反转自动切换时要能保证高效、安全。全自动洗衣机通过排空检测开关（SQ1）、高水位检测开关（SQ2）、中水位检测开关（SQ3）、低水位检测开关（SQ4）来检测水位高度的位置（检测开关遇水就通：ON，离水就断：OFF）。水位选择有一个选择按钮来完成，水位浮球开关用来采样水位信息，由于水位浮球开关是机械式的，通过通断信号输入PLC，由PLC 来控制进水阀和排水阀动作。三、电气设计部分如下图3.1为全自动洗衣机的PLC控制系统电路图。通过PLC来实现电动机的正反转，并且实现洗衣机按预先设置的程序自动执行，完成洗衣。当需要手动排水与脱水时，可强制止自动程序的运行，跳出自动切换到手动操作。为防止全自动洗衣机在工作过程中，电路发生短路，损坏电动机和电路中的各种电气设备，因此在主电路中安装了熔断器，当电路出现短路故障时，能迅速、可靠的断开电源。全自动洗衣的电机容量较小，主电路中的熔断器可同时作为控制电路的短路保护，所以在主电路中使用熔断器就足够了。PLC部分和开关电源那的熔断器也是为了防止电路过电流，保护电路和电路中的电器元件。全自动洗衣机在无人问津的情况下可能长时间运行，为防止电机绕组的温升超过额定值而损坏，采用热继电器作为保护元件，与熔断器搭配使用，可靠地保护电动机。 人机接口部分的按钮等都选择低压电器元件，保护操作者的安全。3.1 洗衣机的PLC控制电路四、PLC设计及调试部分4.1 全自动洗衣机控制系统程序设计调试4.1.1编程软件编程软件采用三菱公司为其生产的PLC而设计的编程软件GX Developer。4.1.2程序的流程图、构成和相关设置1.流程图（1）正常运行流程图正常运行流程图如图4.1所示。设定水位按启动按钮进水水位到设定水位停止进水计时0s正转洗衣计时15s反转洗衣计时30s洗衣5次开始NYNNYYYYYNNN停止洗衣计时2sN停止洗衣计时2sN停止进水停止按钮闭合超重水是否排完脱水计时30s洗衣过程运行3次洗完报警计时3s结束超重报警YYYNNNN排水YY图4.1正常运行流程图 (2)强制运行流程图强制运行流程图如图4.2所示。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4.2 强制运行流程图2.程序的构成这个程序有自动方式和手动方式两种。在自动方式下，PLC将运行已经设置好的程序和参数（适用于机械一切都正常工作的情况下）。在手动方式下是在紧急停止情况下，可以手动排水和脱水。3.程序的下载、安装和调试将各个输入输出端子和实际控制系统中的按钮。所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。全自动洗衣机程序是由GX Developer软件的指令完成，正常工作是程序存放在存储卡中，若要修改程序，先将PLC设定在STOP状态下，运行GX Developer编程软件，打开全自动洗衣机程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试。4.2全自动洗衣机控制系统PLC程序4.2.1系统资源分配1.数字量输入部分这个控制系统的输入有启动按钮、停止按钮、水位选择开关（高水位、中水位、低水位）、手动排水、自动排水开关、高水位浮球开关、中水位浮球开关，低水位浮球开关、水排空浮球开关、压力开关共12个。具体的输入地址分配如表4.1所示。表4.1 输入地址分配输入地址对应的元器件对应的外部设备X001SB1启动按钮X002SB2停止按钮X003SB3高水位选择开关X004SB4中水位选择开关X005SB5低水位选择开关X006SQ1水排空检测开关X007SQ2高水位检测开关X010SQ3中水位检测开关X011SQ4低水位检测开关X012SB6手动排水X013SB7手动脱水X014SP1压力开关 2.数字量输出部分这个控制系统需要控制的外部设备有进水电磁阀、排水电磁阀、洗涤电动机、脱水桶、报警器共五个设备。但是由于洗涤电动机有正转和反转两个状态，分别都应正转继电器和反转继电器，所以输出点有六个。具体的输出地址分配如表4.2所示。表4.2 输出地址分配输出地址对应的元器件对应的外部设备Y001YA1启动洗衣机Y002YA2进水电磁阀Y003KM1洗涤电动机正转继电器及脱水Y004KM2洗涤电动机反转继电器Y005YA3排水电磁阀Y006YH报警器 3.定时器和计数器全自动洗衣机的控制系统中的工作时间和循环次数需要定时器和计数器来控制。具体定时器和计数器分配如表4.3所示。表4.3 定时器和计数器分配类别元器件号设定值作用定时器T00s进水后暂停时间T115s正转洗涤计时T23s正转暂停计时T315s反转洗涤计时T43s反转暂停计时T530s脱水计时T610s洗完报警计时计数器C05次正反洗循环计数C13次大循环计数4.PLC I/0硬件接线图根据全自动洗衣机控制系统的输入、输出地址分配和定时器、计时器分配以及所选PLC型号，PLC I/O硬件接线图如下图4.1所示。图4.1 I/O硬件接线图4.3源程序1.辅助继电器在本程序中，M0是按下启动按钮的辅助继电器；M1是判断洗衣机水位是否和设定水位不一致的辅助继电器；M2是判断洗衣机是否和设定水位一致的辅助继电器；M3是停止自动洗衣机的辅助继电器，它的助记符如下。/按下启动按钮，开始洗衣 /洗衣机水位与设定水位不一致辅助继电器/ /LD X001 LD X003OR M0 ANI X007ANI X002 LD X004 OUT M0 ANI X010/ ORB /洗衣机水位与设定水位设定 LD X005水位相一致辅助继电器 ANI X011 / ORBLD X003 OUT M1AND X007 /LD X004 /停止自动洗衣辅助继电器AND X010 /ORB LD X002LD X005 OR M3AND X011 ANI X001ORB OUT M3OUT M2 /2.进水在正常情况下，按下启动按钮或者脱水完毕，而且洗衣大循环未到三次时，开始进水，当水位达到设定水位后停止进水，并进入洗衣程序。在强制停止情况下，当停止按钮按下时立即停止进水。它的助记符程序为：/进水到设定的水位，超重后报警，进水阀关闭，自动洗衣终止/ OUT Y006 LD M0 LD Y006LD T5 RST M0 ANI C1 /ORBOR Y002AND M1ANI X002ANI X014OUT Y002LD X0142.洗衣进水到设定水位后，开始洗衣，先正转15s，暂停3s然后再反转15s，暂停3s这样循环30次后进入排水过程。/ /洗涤电动机正转15s /洗涤电动机暂停3s/ /LD T0 LD T1 LDI C0 OUT T2 K30AND T4 /ORBOR Y001 ANI T1OUT Y001OUT T1 K150/ /洗涤电动机反转15s/LD T2OR Y004ANI T2OUT Y004OUT T3 K150/洗涤电动机暂停3s/LD T3OUT T4 K303.排水洗衣过程完毕后，进入排水过程。水排空后停止排水。它的助记符程序为：/洗衣小循环30次/LD Y004OUT C0 K30LD C0OUT Y005/排水，直至水排空/LD C0OR Y005ANI X002ANI X006LD M3AND X012ORBOUT Y0054.脱水水排空后，开始脱水，脱水30s后停止脱水。因为判断水排空是否在排水完毕后，所以要用到水排完毕辅助继电器。它的助记符程序如下：/排水完毕辅助继电器/LD Y005OR M4ANI Y003OUT M4/脱水30s/LD X006AND M4OR Y003ANI T3ANI X002OR X013OUT Y003OUT T5 K3005.洗完报警洗衣大循环3次后，开始洗完报警过程，10s后停止报警，这样整个洗衣过程结束。它的助记符程序为：/洗衣大循环3次/LD Y003OUT C1 K3LD C1OUT Y006/报警10s/LD Y006ANI T6ANI X002OUT Y006OUT Y006OUT T6 K100END4.4 程序梯形图 五、心得体会经过一月的努力我们的全自动洗衣机 PLC 课程设计终于完成了,让我们收获颇丰，不仅熟悉了全自动洗衣机的工作工程，还更加了解了S7-300程序的应用。经过一段时间的课程设计，让我们加深了对PLC 的认识和理解，也知道了PLC应用于工业控制的优点所在，更重要的是让我们看到了自己知识的匮乏，也坚定了以后要不断的学习，不断的向身边的人虚心请教， 同时要借助于图书馆和网络来 扩展自己的知识面的决心。也只有这样，在以后的社会竞争中，我们才能有立足之地，才能有所作为。另外