毕业设计（论文）-洗手间PLC控制系统的设计（全套图纸）.doc

本科毕业设计（论文本科毕业设计（论文） 题目题目： 洗手间 PLC 控制系统的设计 全套图纸，加 153893706 院院 系系： 专专 业业： 班班 级级： 姓姓 名名： 学学 号号： 指导教师指导教师： XX 教务处教务处 二二一五年十一月一五年十一月 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设 计 I 洗手间 PLC 控制系统的设计 摘 要 可编程序控制器（PLC）是一种新型的通用的自动控制装置，它将传统的继 电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，是功能加强、编程简单、使用 方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。PLC 的应用领域已经拓宽到了 各个领域，PLC 的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照 逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散 量的数据采集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC 最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控 制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。 如注塑机，印刷机，订书机，组合智能窗帘，磨床，包装等。目前，PLC 在国内 外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通 运输，环保及文化娱乐等各个行业，使用广泛。 众所周知，我国是一个水资源极其短缺的国家，水环境日益严峻，公共场 所水资源浪费现象更是十分严重因此，加强公共场所的节约用水势在必行，而自 动冲水装置可以很好的解决这一问题。目前在诸如公厕等公共场有些没有自动冲 水控制装置，有些所采用的自动冲水装置有的停留在机械原理控制，有的使用强 电工作，布线不方便，不能很好的达到节水节电目的。而我们介绍的自动冲水装 置运用模数电原理，结构简单以及低电压控制的电磁阀实现上述控制，从而达到 节能、优化控制的目的，适宜实际使用与广泛推广。 文章介绍了一种洗手间 PLC 控制系统。当有人入厕的时候，热释电红外线传 感器能够以非接触的方式检测出人体发出的红外线辐射，并且转化为电信号，触 发 PLC 电路。克服了传统冲水系统的缺点，实现了精确的计数。 关键词 PLC 控制 洗手间控制系统 红外线电路 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 II The design of the PLC control system in the bathroom ABSTRACT With development of all kind of science technology and global economy, Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. The inverted pendulum is a typical high order system, with multi variable, non -linear, strong- coupling, fleet and absolutely instable. It is representative as an ideal model to prov e new control theory and techniques. During the control process, pendulum can effe ctively reflect many key problems such as equanimity, robust, follow- up and track, therefore.This paper studies a control method of double inverted pend ulum . First of all, the mathematical model of the double inverted pendulum is esta blished.Themake a control design to double inverted pendulum on the mathematical model, and determine the system performance index weightmatrix , by using genet ic algorithm in order to attain the system state feedback control matrix. Finally, the simulation of the system is made by . After several test matrix value the results are not satisfactory response, then w e optimize matrix by using Genetic Algorithm. Simulation results show: The syste m response can meet the design requirements effectively after Genetic Algorithm o ptimization. Small twisted paper broken machine for meat. the system state feedback control matrix. Keywords PLC cylinder pneumatic Fout degrees of freedom 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 III 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 III 目目 录录 摘要.I Abstract.II 1 绪论.1 1.1 本课题研究的目的、意义 .1 2 洗手间 PLC 控制系统功能简介.3 2.1 洗手间 PLC 控制组成、原理和工作过程 .4 3 PLC 控制系统简介 .6 3.1 PLC 的定义 .7 3.2 PLC 的控制原理 .8 3.3 PLC 的分类 .10 3.4 PLC 的用途 .11 4 系统硬件的设计.12 4.1 红外线检测模块.12 4.2 PLC 计时计数器 .13 4.3 电磁阀.14 5 系统工作原理.15 5.1 探测信号.16 5.2 信号传输过程.17 5.3 冲水动作的触发.18 5.4 水箱注水控制.18 6 系统软件设计方案.19 6.1 软件组成.20 6.2 系统控制流程图.20 6.3 设计 PLC 控制梯形图程序.21 结 论.22 致 谢.23 参考文献.24 DOCUMENT TITLE 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 1 1 绪论 机电一体化工业是一个国家的重要产业，机电一体化工业的发展无时不刻都在 影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机械工业的发展。在全球经济发展的大 环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和 品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对物料进行改良和优化 是当务之急。有大型物料拾取装置生产企业对该装置的安全指标的有着一定生产的 严格要求。在生产设备的企业，充分考虑到在设备运行中可能出现的问题，从而减 少噪声污染引起的振动或不当操作设备的现象等。 可编程序控制器（PLC）是一种 新型的通用的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术 融为一体，是功能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系 列优点。PLC 的应用领域已经拓宽到了各个领域，PLC 的发展历程在工业生产过程 中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行 连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。在传统上，这些功能是通过气动 或电气控制系统来实现的。PLC 最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传 统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于 多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机，订书机，组合智能窗帘，磨床，包 装等。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制 造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等各个行业，使用广泛。 1.1 本课题研究的目的、意义 用 PLC 控制系统解决我国家庭洗手间的冲水是最有希望的、最有效可行的途径。 PLC 洗手间控制系统的应用市场前景广阔，除家庭用冲水外，还可用于宾馆的冲水、 大型公共场所卫生间等领域。从发展角度看，城市家庭生活冲水的实现不应由业主 考虑，而应与建筑设计开发同时进行。在此基础上设计出了洗手间冲水的自动控制 系统。 在电子技术飞速发展的今天，有必要而且有可能采用新技术对原电气控制系统 进行改造，以提高可靠性，并实现系统的自动控制，提高节约用水的能力。可编程 控制器由于可提供使用的时间继电器和中间继电器相当多，而且其常开常闭触点可 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 2 多次重复使用，使得我们在编程中可以随心所欲。用内部编程“软元件”取代继电 器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器，简化控制线路、有效提高系统 的可靠性，是 PLC 的突出特点。 目前，我国大部分洗手间的控制部分，往往需要大量的中间继电器和时间继电 器来满足生产工艺要求，结果使电路设计复杂、繁琐，故障时有发生，给使用和日 常维护带来了很大的不便。洗手间 PLC 控制系统是利用商业化程度最高 、应用最 普遍的技术 。但是在洗手间自动控制系统中大多采用单片机控制 ，单片机开发价 格较高，而 PLC 开发价格便宜。选用 PLC 控制，它具有速度快，可靠性高，体积小， 功能全，编程简单的特点。通过改进或完善已有洗手间控制系统的不足，设计开发 新型洗手间控制系统基于 PLC 的洗手间自动控制系统。 2 洗手间 PLC 控制系统功能简介 2.1 洗手间 PLC 控制组成、原理和工作过程 本次设计的洗手间 PLC 控制系统的工作过程原理为：当有人如厕后，人次达到 预先设定值，或待人上完厕所离开一定时间后放水冲洗，而后系统恢复。以待下次 使用，这样不仅简便易用而且在保证厕所干净整洁的同时节约珍贵的水资源。其系 统总体设计框图和原理图分别如图 1.1,1.2 所示： 图 1.1 系统总体设计框图 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 3 图 1.2 系统原理图 3 PLC 控制系统简介 3.1 PLC 的定义 PLC 即可编程控制器（Programmable Logic Controller），是指以计算机技术 为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义;PLC 英文全称 Programmable Logic Controller，中文全称为可编程 逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计 的。它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。 PLC 即可编程控制器（Programmable Logic Controller），是指以计算机技术 为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义;PLC 英文全 ProgrammableLogicController，中文全称为可编程 逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计 的。它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， 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 4 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。PLC 是可编程逻辑控制电路，也是一种和硬件结合很紧 密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC。 3.2 PLC 的控制原理 PLC 就是可编程控制器，简单说应用在控制系统中的专用的“计算机”，根据 控制逻辑编写控制程序装入 PLC，PLC 可以替代过去老式的继电器逻辑控制电路， 性能稳定可靠，修改逻辑关系方便，已经在控制系统中广泛使用。 3.3 PLC 的分类 可编程控制器类型很多，可从不同的角度进行分类： 1)按控制规模分 控制规模主要指控制开关量的入、出点数及控制模拟量的模入、模出，或两者 兼而有之（闭路系统）的路数。但主要以开关量计。模拟量的路数可折算成开关量 的点，大致一路相当于 816 点。 2)按点数分，PLC 大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机。 微型机控制点仅几十点，如德维森公司的 V80 系列 PLC 本体从 16 点到 40 点， OMRON 公司的 CPM1A 系列 PLC，西门子的 Logo 仅 10 点。 小型机控制点可达 100 多点。如如德维森公司的 V80 系列 PLC 可扩展到 256 点， OMRON 公司的 C60P 可达 148 点，CQM1 达 256 点。德国西门子公司的 S7-200 机可达 64 点。 中型机控制点数可达近 500 点，以至于千点。如德维森公司的 PPC11 系列可扩 展到 1024 点，OMRON 公司 C200H 机普通配置最多可达 700 多点，C200Ha 机则可达 1000 多点。德国西门子公司的 S7300 机最多可达 512 点。 大型机：控制点数一般在 1000 点以上。如如德维森公司的 PPC22 系列可扩展 到 2048 点，OMRON 公司的 C1000H、CV1000，当地配置可达 1024 点。 C2000H、CV2000 当地配置可达 2048 点。 超大型机：控制点数可达万点，以至于几万点。如美国 GE 公司的 9070 机， 其点数可达 24000 点，另外还可有 8000 路的模拟量。再如美国莫迪康公司的 PCE984-785 机，其开关量具总数为 32k（32768），模拟量有 2048 路。西门子 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 5 的 SS115UCPU945，其开关量总点数可达 8k，另外还可有 512 路模拟量。等等。 以上这种划分是不严格的，只是大致的，目的是便于系统的配置及使用。 一般讲，根据实际的 I/O 点数，凡落在上述不同范围者，选用相应的机型，性 能价格比必然要高；相反，肯定要差些。 自然，也有特殊情况。如控制点数不是非常之多，不是非用大型机不可，但因 大型机的特殊控制单元多，可进行热备配置，因而采用了大型机。 3.4 PLC 的用途 目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳 为如下几类。 1、开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控 制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。 如注塑。 2、模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速 度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和 数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3、运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于 开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用 16 路的运动控制模块。 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家 的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、抢答器、机器人、电梯等场合。 4、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 6 PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系 统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此 功能模块。PID 处理一般是运行 16 路的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处 理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5、数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据 转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据 可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信号与 设定的压力信号经过 PID 运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速， 保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统;自动检测 水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏显 示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和 泵的工作状态等信息;可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。 该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水， 且可以做到无人值守。 该系统具有手动和自动两种运行方式： 选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。 这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。 在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设 定水位要求，1#泵变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从 0Hz 开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈 PLC，由 PLC 经 PID 运算后控制 变频器的频率输出;如压力不够，则频率上升至 50Hz，延时一定时间后，将 1#泵切 换为工频，2#泵变频交流接触器吸合，变频启动 2#水泵，频率逐渐上升，直至出水 压力达到设定压力，依次类推增加水泵。 如用水量减小，出水压力超过设定压力，则 PLC 控制变频器降低输出频率，减少 出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值（水泵出水频率，一般 为 25Hz），而出水压力仍高于设定压力值时，PLC 开始计时，若在一定时间内，出 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 7 水压力降低到设定压力，PLC 放弃计时，继续变频调速运行;若在一定时间内出水压 力仍高于设定压力，根据先投先停的原则，PLC 将停止正在运行的水泵中运行时间 最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。 对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统，可设置一台小流量水 泵。例如在晚上 12 点到凌晨 5 点，居民生活用水很少，一台 30kW 的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在 25Hz 左右，电动机不仅要消耗十几 个千瓦的电能，同时还要长期工作在低频状态，大大影响电动机的寿命。若系统中 设置一台 5KW 左右的小流量水泵，为了维持出水压力，由小流量水泵变频工作，不 仅 电动机工作在较高频率，而且消耗的电能也很小。在小流量水泵的选择上， 其功率一般是主水泵功率的 1/4 到 1/6，扬程和主泵相同。 在自动供水的过程中，PLC 实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时， 蜂鸣器发出缺水报警信号;若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防 止水泵干抽，并发出停机报警信号;若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动 关断水池给水管电动阀门。 有时电源会突然断电，若无人值班，恢复供电后若系统无法启动会造成断水，为 此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源恢复后，PLC 会发出指令，蜂鸣 器发出警告，然后按自动运行方式变频启动 1#泵，直到稳定地运行在给定水压值。 当出现消防报警信号时，系统立即按照消防压力运行。 变频故障从冗余设计原则考虑，在变频器发生故障时也要不间断供水。 当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC 发指令使全部水泵停机，然后 1#泵工频 运行（若水泵功率大于 37KW，则需要采用降压启动或其它启动方式），经一定延时 后根据压力变化情况再使 2#泵工频运行。此时，PLC 切换泵则根据实际水压的变化 在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情 况时，均能由蜂鸣器发出警报声。条件许可时可以添加 MODEM 模块，变频器、 电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来维修。 所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。 可编程序控制器采用 SIEMENS 的 S7-300 系列 CPU-226 主机，I/O 点数为 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 8 40 点（24 个输入点和 16 个输出点），具有 2 个 RS-485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是 S7-200 PLC 的一个很有特色的功能，它使 S7-200 PLC 可以由用户自己定义通讯协议。 利于自由通讯口方式，在本系统中 PLC 可以与变频器和触摸屏方便连接。模拟 量输入采用 4 路 12 位 A/D 模拟量输入的 EM231 模块，具有较高的精度。PLC 编程采用 STEP7-Micro/WIN 编程软件，它提供一个完整的编程环境，可进行离 线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。 在传统的变频控制系统中，变频器的启动/停止由 PLC 通过开关量输出控制， 变频器频率是由 PLC 通过模拟量输出端口输出 05（10）V 或 420mA 信号 控制的，这需要购买 PLC 比较昂贵的模拟量输出端口模块。对变频器故障的检 测是只是由 PLC 读取变频器的故障报警触点，只是知道变频器出现故障，但具 体什么故障并不清楚，需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才 知道，这对于一般值班人员来说太难了。 因此在本系统中 PLC 对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，变频器选用 SIEMENS 的 MM 系列或 ABB 的 ACS-400 系列风机/泵类 16 路变频器，它们具有 RS- 485 通讯接口，性价比较高。PLC 通过自由通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运 行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过 负荷等全部报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频 器的运行具有较高的可靠性，节省了 PLC 宝贵的 I/O 端口，又获的了大量变频器的 信息。 触摸屏选用台湾 HITCH 公司生产的 PWS 系列，它具有丰富的驱动程序， 可方便地通过串口与 S7-200 系列 PLC 通讯。通过触摸屏可以直观地显示各泵 的运行状态、管网实际出水压力、设定压力、变频器的电压、电流、功率及各种 故障信息等参数;操作人员通过触摸屏可以方便的在线设置生活供水压力、消防 供水压力、变频器加减速时间、各泵的在线/检修状态等参数，并可以通过触摸 屏控制各水泵的运行。 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 9 在控制电路设计中，注意到系统自动/手动转换、每台水泵的变频接触器和工频 接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁，防止系统中出现一台水泵工频和变 频电源同时接通或多台水泵同时接通变频电源的现象。系统主要控制回路 整个系统 PLC 既有开关量和模拟量的输入/输出，又有与变频器和触摸屏的 通讯，因此在 PLC 控制软件编程上采用模块式结构，各种功能的程序模块通过 主程序有机地结合起来，使系统运行稳定可靠。 在主程序中，PLC 上电初使化，检测系统各部分状态信息，若有报警信息 则首先发出警告，若无报警信息，则开始从 1#泵（1#泵被切除出系统，则从泵 号最小的在线泵）变频启动，实时检测出水压力并进行 PID 运算，控制变频器的输 出频率，保持供水压力恒定;变频器频率达到 50Hz 延时几秒后，出水压力仍低于设 定压力，则将 1#泵切换为工频，变频启动 2#泵以保持压力恒定并依此类推。若出 水压力超过设定压力，则变频器降低输出频率来稳定出水压力。若变频器输出频率 低于设定水泵出水频率而出水压力仍高于设定压力值时，延时一 段时间后根据先 投先停的原则，停止正在运行水泵中运行时间最长的工频泵，至出水压力达到设定 值。 若系统只有一台水泵变频运行且连续一段时间频率低于设定出水频率，则切除变频 运行主泵，投入小流量泵，既保护主泵电动机，又节约能源。 4 系统硬件的设计 4.1 红外线检测模块 红外技术的内容包含四个主要部分：红外辐射的性质，其中有受热物体所发射 的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性：反射、折射、衍射 和散射；热电效应和光电效应等。红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷 器、红外窗口材料和滤光电等。把各种红外元件、部件构成系统的光学、电子学和 精密机械的组成部分。红外技术在军事上和国民经济中有着广泛的应用。 红外 技术有很多应用，例如在夜晚可以用看见物体的红外线来确定物体的位置;用一个 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 10 红外线发射器和一个红外线接收器在生产上可以计算商品的数量；军事上可以用来 防止敌人侵入,当红外线发射器和接收器被挡住, 警报就会响; 在医学上还可以查 看人的病情等等。红外线计数器分为对射式和反射式两种电路。对射式红外线是一 个发射头和一个接收头在中间如有物件通过就遮挡一下光线，输出脉冲信号触发计 数电路；反射式红外线是把发射头和接收头做在一块成为一个红外探头，当探头前 有一个物件出现就把发射头的红外线反射给接收头，探头输出一个脉冲给计数器计 数。 红外线接收管 本文所设计的计数器是采用红外线遮光方式，利用红外对射管作计数传感器, 当有物体通过时光被遮挡住,接收模块输出一个高电平脉冲,对此脉冲进行计数, 就 可实现对产基于这种光电检测原理, 配合组成集成电路,就可品的统计。设计测物 对光束的遮挡或反射，由同步回光电传路感应反射回来的光的强弱而检测物体的存 在与否。感器首先发出红外线光束到达或透过物体，物体或镜面对红外线光束进行 反射，光电传感器接收反射回来的光束，根据光束的强弱判断物体的存在，多数光 电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。红外对射管的种类很多，有镜反 射式光电开关、漫反射式、槽式、对射式、光纤式等。 红外检测电路如图所示， 当红外对管之间红外对射管将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根 据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。每当物件通过红外对射管中间 一次，红外光被遮挡一次，光电接收管的输出电压发生一次变化，这个变化的电压 将产生一个脉冲信号。对射式红外线计数器。该装置抗干扰能力强,工作稳定, 计 数准确。 目前常用的红外线对射管是根据物体对近红外线光束的反射原理。其中红外检 测电路图如图 1.3 所示： 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 11 1.3 红外检测电路图 4.2 PLC 计时计数器 计时器的分辨率有三种，1Ms 、10Ms 、100Ms 三种。计时器的值每增加一个数 字表示多长时间。计时器号决定定时器的分辨率 T0 T64 T32 T96 时间分辨率是 1Ms。T1T4 等时间分辨率是 10Ms ，T5T31 等时间分辨率是 100Ms。 S7200 系列 PLC 中定时器一共三种： （1）接通延时计时器 TON （2） 断开延时计时器 TOF （3）保持型接通延时计时器 TONR 接通延时计时器，TON 工作原理 PLC 上 电时，计时器的常开接点断开，常闭接点闭合，计时器当前值为 0。当 IN 断开时， 计时器的常开接点断开，常闭接点闭合，计时器当前值为 0。当 IN 闭合时，计时器 从 0 开始记时，当计时值大于或等于设定值时，计时器的常开接点闭合，常闭接点 断开，定时器的值记到 32767 为止。在计时的中间，如果 IN 断开，则计时器的当 前值回到 0，常开接点断开，常闭接点闭合。 断开延时计时器，TOF 工作原理 PLC 通电时，其常开接点断开，常闭接点闭合，其当前值为 0。当 IN 接通时，其常 开接点立即闭合，常闭接点立即断开，其当前值为 0。当 IN 从接通变到断开时，定 时器从 0 开始记时，当当前值等于设定值时，常开接点断开，常闭接点闭合，其当 前值保持不变。 保持型接通延时计时器，TONR 工作原理 当 PLC 上电时，其常开 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 12 接点断开，常闭接点闭合，计时值为 0。当 IN 接通时，定时器其开始计时，当定时 器的当前值大于或等于设定值时，常开接点闭合，常闭接点断开，同时定时器继续 计时。当 IN 断开时，定时器的当前值保持不变，当 IN 再次接通时，定时器以此值 为基数开始计时。可用 R 指令复位定时器的当前值。 计时器注意事项： A、每个定时器线圈只能用一次,接点可以多次使用。 B、 定时器的编号决定定时器的类型和分辨率。 C、分辨率是 1mS 和 10mS 的定时器， 其接点不能出现在自身的 IN 回路中。 D、定时器在使用时只能是 TON、TOF、TONR 中的一种，不能同时是其中的两种或三种形式。 E、 定时器的设定值最大是 32767，最小为 0。 F、IN 不能直接接左侧的能量线。对输入的信号进行计数，在 计数输入信号的上升沿计一次数。计数器用 C 表示。 S7200 一共有 256 个计数 器，编号从 C0 到 C255。 计数器有三种类型： (1)加计数器，CTU (2)减计数器， CTD (3)加减计数器，CTUD 一个计数器类型可以是三种类型中的一种，和计数器 编号无关，但是统一个计数器不可同时使用两种或三种以上类型。 加计数器， CTU 工作原理 初次上电时，计数器的当前值为 0，计数器的位为 OFF，常开接点断 开，常闭接点闭合。当复位端 R 断开时，计数输入端（CU）上升沿时（ONOFF）， 计数器加 1，直至加到 32767 时停止计数。当计数器的当前值大于或等于设定值时， 计数器的常开接点闭合，常闭接点断开。当复位端 R 接通时，计数器的当前值复归 到 0。对计数器执行复位指令（R）时，计数器的当前值复归到 0。 减计数器， CTD 装载输入 LD 断开（OFF），在计数输入端 CD 上升沿（OFF 到 ON）时，计数器 当前值减 1，直到减到 0 时，停止计数。当当前值为 0 时，其常开接点闭合，常闭 接点断开。当装载输入 LD 接通（ON）时，计数器的常开接点断开，常闭接点闭合， 计数器的值变为设定值。初次上电时，减计数器的位为 ON（常开接点闭合，常闭接 点断开），计数器的当前值为 0。 加减计数器，CTUD 加计数输入 CU 由 OFF 到 ON（上升沿）时，计数器加 1。当减计数输入 CD 由 OFF 到 ON（上升沿）时，计数 器减 1。当计数器的值大于或等于设定值时，计数器的常开接点闭合，常闭接点断 开。复位 R 变成 ON 时，计数器复位到 0。 4.3 电磁阀 追朔电磁阀的发展史，到目前为止，国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即： 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 13 直动式、分步直动式、先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又 分为六个分支小类(直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活塞结 构、分步活塞结构、先导活塞结构)。 (一)、直动式电磁阀 原理：通电时，电 磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧 力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过 25mm。 (二)、分步直 动式电磁阀 原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口压差 0.05Mpa，通电时，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打 开。当入口与出口压差0.05Mpa，通电时，电磁力先打开先导小阀，主阀下腔压力 上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀和主阀利用 弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。 特点：在零压差或真 空、高压时亦能可靠工作，但功率较大，要求竖直安装。 (三)、先导式电磁阀 原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上 低下高的压差，推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭， 入口压力通过旁通孔迅速进入上腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，推动关闭 件向下移动，关闭阀门。 特点：流体压力范围上限很高，但必须满足流体压差条件。 通过导线将电磁 阀体内线圈输入正向脉冲信号，线圈产生的工作磁通，使动芯吸合，打开阀门。当 停止正向脉冲信号输入时，动芯释放，动芯在弹簧力的作用下回复到初始状态，关 闭阀门。另外有自保持型的，停止输入正向脉冲或断电后也能保持，需要输入负向 脉冲信号才能复位；脉冲电磁阀的工作原理是利用电器的脉冲转化为机械的脉动使 得脉动气体的强大能量变成动量在短时间内释放产生巨大冲力。 本文是通过红外传感到有人靠近时输出一个信号给控制电路，控制电路发出控 制信号给电磁阀，进行短暂冲水；红外传感到有人离开时输出信号给控制电路，控 制电路发出信号给电磁阀，进行较长时间冲水。 5 系统工作原理 5.1 探测信号 在公厕的每一个位置上都安装红外线传感器，探测元件的波长灵敏度在 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 14 0.220m 范围内而人体辐射的红外线中心波长为 910 m。在传感器顶端开设了一 个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为 710m，正好适合于 人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线则由滤光片予以吸收，这样便形成了 一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。当有人入厕的时候，红外线传感器能 够检测出人体发出的红外线辐射，并且经过红外线开关将其转化为电信号输出，产 生高电平信号开始计数。当人上完厕所离开后，电路恢复到低电平信号，而 PLC 电 路被输出脉冲信号的下降沿触发。这样设计的好处是能够避免重复计数，准确的统 计入厕人数，克服了传统的机械定时冲水系统的缺点。 5.2 信号传输过程 用新型红外传感器探测入厕人体红外线辐射，将其经过控制电路转化成微弱的 电信号输出，经运算放大器 OP1、OP2 进行运算放大，再将放大后的电信号经比较 器 COP1 和 COP2 构成的双向鉴幅器处理，同时滤去干扰信号，最后将有效信号输入 驱动计数器计数。信号传输过程图如下图 1.4 所示： 1.4 信息传输过程 5.3 冲水动作的触发 入厕人数是由输入的单脉冲个数决定的，而单脉冲信号是由传感器探测到的红 外线信号经过放大器，比较器等处理，滤去干扰信号而产生的。当单脉冲信号下降 沿输入 P 计数器，分别开始计时和计数。冲水动作的触发是由计时器和计数器共同 决定的，当在预设的时间内入厕人数达到预设值时则触发冲水；当在预设的时间内 入厕人数未达到预设值，则在预设时间触发冲水。冲水动作完成之后电路产生一个 复位信号，PLC 复位，控制系统的计时和计数重新开始。LC 时一个工作周期便开始。 第一个脉冲输人后，PLC 启动计时器开始工作。 5.4 水箱注水控制 水箱采用自动注水控制系统，在水箱里安装水位传感器实时监控水位。水箱的 水是根据水位的高低利用液位继电器对进水阀门的开关进行控制。给水箱预设一个 本科毕业设计（论文） 洗手间 PLC 控制系统的设计 15 最低水位和最高水位高度值，当水位低于最低水位，自动开启进水阀门开始注水， 实时保持水箱内充满水；当水位高于最高水位，关闭进水阀门停止注水，不致使水 溢出水箱，节约用水。 6 系统软件设计方案 6.1 软件组成 软件系统通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。系统软件指 的是操作系统、程序设计系统等与计算机密切相关的程序。系统软件一般由计算机 生产商或各种软件公司提供，带有一定的通用性，用不着自己编写。本课题采用日 本三菱公司的 PLC，所以系统软件是由三菱公司提供的，该软件对系统进行实时监 控。 应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统 中，每个控制对象或控制任务都要有相应的控制程序，用这些控制程序来完成对象 的不同要求，这种程序通常称为应用程序。本课题主要根据太阳能热水器的各种输 入输出状态来编制 PLC 的梯形图程序。 6.2 系统控制流程图 本次设计