PLC课设报告 全自动洗衣机的PLC控制系统设计.doc

河南理工大学现代电气控制技术及PLC课程设计报告 全自动洗衣机的PLC控制系统设计 学生姓名： 王宏业、樊登宁、汪伊函学 院： 电气工程与自动化学院班 级： 自动化 14-02时 间： 2017年6月目录一、设计题目.1二、选题背景与意义.1三、设计任务与要求.1四、设计方案.1（一）硬件选型.1（二）IO口分配.6 (三）功率计算.6（四）系统设计.7（五）控制程序编制（梯形图） .9（六）监控界面设计.14五、心得体会.15参考文献.17附录.18全自动洗衣机的PLC控制系统设计报告1、 设计题目全自动洗衣机的PLC控制2、 选题背景与意义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，本次设计利用西门子公司生产的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。 3、 设计任务与要求 PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。启动时开始进水，水满(即水位到达高水位)时停止进水并开始正转洗涤。正转洗涤15 s后暂停，暂停3 s后开始反转洗涤。反转洗涤15s后暂停，暂停3 s后，若正、反洗涤未满3次，则返回从正转洗涤开始的动作；若正、反洗涤满3次时，则开始排水。排水水位若下降到低位时，开始脱水并继续排水。脱水10s即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。若未完成3次大循环，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3次大循环，则进行洗完报警。报警10s结束全部过程，自动停机。 此外，还要求可以按排水按钮以实现手动排水；按停止按钮以实现搬运，停止进水、排水、脱水及报警。4、 设计方案 （一）硬件选型1、 PLC选型（1）产品类型选择 按产品类型可分为三菱PLC和西门子PLC，具体介绍如下。 三菱PLC有很多种如FX1S，FXS1N,FXS2等系列。 FX1S系列PLC是一种卡片大小的PLC，适合在小型环境中进行控制。FX1N系列PLC是一种普遍选择方案，最多可达128点控制。由于FX1N系列PLC具有对于输入/输出、逻辑控制以及通讯/链接功能的可扩展性，因此它对普遍的解决方案有广泛的适用范围。FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。 西门子PLC 西门子PLC 也有很多类型，其中S7-200系列PLC在实际中运用的比较多： S7-200系列是SIEMENS公司推出的一种小型PLC，它结构紧凑，扩展性良好，指令功能强大，价格低廉；成为当代各种小型控制工程的理想控制器。（2） 结构形式选择 按结构形式可分为整体式和模块式，具体介绍如下。 整体式：整体式结构的PLC是将中央处理机、电源部件、输入和输出部件集中配置在一起，结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、小型PLC常采用这种结构，使用于工业生产中的单机控制。 模块式：机架模块式PLC，是将各部分单独的模块分开，如中央处理机模块、电源模块、输入模块等。使用时可将这些模块分别插入机架底板的插座上，配置灵活、方便、便于扩展。可根据生产实际的控制要求配置各种不同的模块，构成不同的控制系统，一般大、中型PLC采用这种结构。 （3） I/O点数选择 按I/O点数和功能分类可分为：大，中，小三个等级，具体介绍如下。 小型PLC的I/O点数在120点以下，用户程序存储器容量为2K（1K=1024，存一个“0”或“1”的二进制码称为“位”，一个字为16位）以下，具有逻辑运算、定时、计数等功能，它适合开关量的场合，可用它实现条件控制，定位、计数控制、顺序控制等。也有些小型PLC增加了模拟量处理、算术运算功能，其应用面更广。 中型PLC的I/O点数在120512点以上，用户程序存储器容量达28K字，具有逻辑运算，算术运算，数据传达，数据通信，模拟量输入输出等功能，可完 成既有开关量又有模拟量较为复杂的控制。 大型PLC的I/O点数在512点以上，用户程序存储器达到8K字或8K字以上。具有数据运算，模拟调节，网络通信，监视，记录，打印等功能。能进行中断控制，远程控制。在用于大规模的过程控制中，可构成分布式控制系统，或整个工厂的自动化网络。 PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同，PLC的各种类型相比较，三菱PLC及西门子PLC都为不错的选择，但因为我们学的都是西门子的S7系列PLC，且西门子的PLC有其优越性，本次设计共需要5个输入口和6个输出口，而且要考虑到留有空余的分配口，综合以上各种因素在PLC的选择上我们选的是西门子的PLC，型号为S7-1214c。2、电动机的选择 在全自动洗衣机中，配有小型单相交流感应电动机。交流感应电动机因应用类别的差异，一般可分为分相式电动机、电容启动式电动机、永久分相式电容电动机、罩极式电动机、永磁直流电动机及交直流电动机等类型。单相交流感应电动机，只能产生极性和强度交替变化的磁场，不能产生旋转磁场，因此单相交流电动机必须另外设计使它产生旋转磁场，转子才能转动，所以常见单相交流电机有分相启动式、罩极式、电容启动式等种类。 分相启动式电动机：分相式电动机广泛应用于电冰箱、洗衣机、空调等家用电器中。该电机有一个鼠笼式转子和主、副两个定子绕组。两个绕组相差一个很大的相位角，使副绕组中的电流和磁通达到最大值的时间比主绕组早一些，因而能产生一个环绕定子旋转的磁通。这个旋转磁通切割转子上的导体，使转子导体感应一个较大的电流，电流所产生的磁通与定子磁通相互作用，转子便产生启动转矩。当电机一旦启动，转速上升至额定转速70时，离心开关脱开副绕组即断电，电机即可正常运转。罩极式电动机：罩极式单相交流电动机，它的结构简单，其电气性能略差于其他单相电机，但由于制作成本低，运行噪声较小，对电器设备干扰小，所以被广泛应用在电风扇、电吹风、吸尘器等小型家用电器中。罩极式电动机只有主绕组，没有副绕组（启动绕组），它在电机定子的两极处各设有一副短路环，也称为电极罩极圈。当电动机通电后，主磁极部分的磁场产生的脉动磁场感应短路而产生二次电流，从而使磁极上被罩部分的磁场，比未罩住部分的磁场滞后些，因而磁极构成旋转磁场，电动机转子便旋转启动工作。罩极式单相电动机还有一个特点，即可以很方便地转换成二极或四极转速，以适应不同转速电器配套使用。 电容式启动电动机：该类电动机可分为电容分相启动电机和永久分相电容电机。这种电机结构简单、启动快速、转速稳定，被广泛应用在电风扇、排风扇、抽油烟机等家用电器中。电容分相式电动机在定子绕组上设有主绕组和副绕组（启动绕组），并在启动绕组中串联大容量启动电容器，使通电后主、副绕组的电相角成90，从而能产生较大的启动转矩，使转子启动运转。对于永久分相电容电动机来说，其串接的电容器，当电机在通电启动或者正常运行时，均与启动绕组串接。由于永久分相电机其启动的转矩较小，因此很适于排风机、抽风机等要求启动力矩低的电器设备中应用。电容式启动电动机，由于其运行绕组分正、反相绕制设定，所以只要切换运行绕组和启动绕组的串接方向，即可方便实现电机逆、顺方向运转。 由于家庭提供的电源限制故洗衣机的电动机采用单相电容运转式异步电动机，方便实用，价格便宜。单相异步电动机有两个绕组：主绕组和辅助绕组。主绕组能够产生脉振磁场，但不能产生起动转矩。辅助绕组与主绕组一起使用时共同产生起动转矩。由于电机需要正反转，但又不能用两台电动机。所以需要用PLC来控制电动机的转向。而单相异步电动机的转向只要改变辅助绕组的接线方式就可以转向。电机的启动方式用电容分相形式。 根据本次设计要求和实际生活情况，选择如下所示规格电动机。 图1 科圣牌电动机表1 科圣牌电动机规格3、水位传感器的选择对于PLC控制的洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,谐振式水位传感器是 利用电磁谐振电路LC 作为传感器的敏感元件,将被测物体的变化转变为LC 参数的变化,最终以频率参数输出。其工作原理是将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力,驱动内腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动,从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。故常采用谐振式水位传感器。4、接触器的选择 交流接触器的选择主要考虑主触点的额度电流、额定电压、线圈电压等。主触点的额定电流In可根据下面的经验公式进行选择 ,式中为接触器，主触点额定电流,K为比例系数,一般取1-1.4,为被控电动机额定功率，为被控电动机额定线电压。并且,交流接触器主触点额定电压一般按高于电路额定电压来确定。所以,取K=1,故选择施奈德的LC1-D0610M5C型交流接触器。其外形图如图2所示 ，图2 交流接触器其主要技术参数为，额定绝缘电压220V，额定发热电流6A。 5、 热继电器的选择图3 热继电器图其主要技术参数为：脱扣等级10A 整定电流范围1-1.6A 配合施奈德D06D38的交流继电器使用。 6、 电磁阀的选择根据设计要求，选择如下图所示的电磁阀，规格如下表所示。 图4 电磁阀表2 电磁阀规格7、 蜂鸣器的选择根据设计要求选择如下图5所示的蜂鸣器，表3所示规格的压电式蜂鸣器。 图5 蜂鸣器表3压电式蜂鸣器的规格 （二）IO口分配IO口具体分配如下表。输入输出I0.0：启动按钮Q0.0：进水电磁阀I0.l：停止按钮Q0.1：电动机正转接触器I0.2：排水按钮Q0.2：电动机反转接触器I0.3：高水位开关Q0.3：排水电磁阀I0.4：低水位开关Q0.4：脱水电磁阀Q0.5：报警蜂鸣器表4 IO口分配表 (三）功率计算 S7-1200 CPU 提供 5 VDC 和 24 VDC 电源。 当有扩展模板时，CPU 通过 I/O 总线为其提供 5 VDC 电源，所有扩展模块的 5 VDC 电源消耗之和不能超过该 CPU 提供的电源额定值。若不够用不能外接 5 VDC 电源。 每个 CPU 都有一个 24 VDC 传感器电源，它为本机输入点和扩展模块输入点及扩展模块继电器线圈提供 24 VDC。如果电源要求超出了 CPU 模块的电源额定值，你可以增加一个外部24 VDC 电源来提供给扩展模块。 所谓电源计算，就是用 CPU 所能提供的电源容量，减去各模块所需要的电源消耗量。 本课程设计中选用的PLC 包括一个 CPU 1214C AC/DC/继电器型、 1xSM 1223 8 DC输入/8 继电器输出和 1xSM 1222 8 x 24 VDC输出。电源功率如下所示：CPU 电源计算5 VDC24 VDCCPU 1214C AC/DC/继电器型1600 mA400 mA减系统要求5 VDC24 VDCCPU 1214C， 14点输入-14 * 4 mA = 56 mA1 个 SM 1223 145 mA 8 * 4 mA = 32mA8 * 11 mA = 88 mA1 个 SM 1222120 mA-总要求265mA176 mA等于电流差额5 VDC24 VDC总电流差额1335 mA224 mA表5 电源功率计算 （四）系统设计1、洗涤系统它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗 涤液。盛水桶固定在钢制底板上，通过4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm左右）新水流两类。2、排水和进水系统波轮式全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。为了对桶内的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。波轮式全自动套桶洗衣机使用最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关3部分组成，用来监视水位的高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。自动打开香蕉阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。3、控制系统结构波轮式全自动洗衣机的电气控制系统由于洗衣机型号的不同而不尽相同，但电气控制系统主要有程序控制器，电动机，进水电磁阀，排水电磁阀，水位开关，安全开关及各种功能选择开关等组成的，控制的基本原理也都一样。全自动洗衣机能实现洗衣的自动化，整个洗衣过程都是在程序控制器的“指挥”下进行的。如把离合器比作全自动套桶洗衣机的心脏，则程序控制器就是全自动洗衣机的“大脑”。如图2-1所示以程序控制器为核心的波轮式全自动套桶洗衣机控制系统的基本原理方框图。图6 全自动洗衣机控制系统的基本原理方框图 4、 控制方案（流程图）根据设计任务与要求，设计动作流程图如下：图7 全自动洗衣机动作流程图5、全自动洗衣机主电路设计全自动洗衣机主电路图如图8所示。图8 全自动洗衣机主电路图（五）控制程序编制（梯形图） 本次课设编程梯形图如下:图9 主程序梯形图图10 主程序梯形图洗衣小循环： 图11 洗衣小循环梯形图 图12 洗衣小循环梯形图洗衣大循环： 图13 洗衣大循环梯形图 图14 洗衣大循环梯形图 图15 洗衣大循环梯形图 图16 洗衣大循环梯形图 图17 洗衣大循环梯形图进水程序： 图18 进水程序梯形图图19 进水程序梯形图图20 进水程序梯形图图21 进水程序梯形图排水程序： 图22 排水程序梯形图脱水程序：图23 脱水程序梯形图（6） 监控界面设计图24 洗衣机未运行状态图图25 洗衣机正转运行状态图图26 洗衣机排水运行状态图五、心得体会实践是检验所学知识的最好方法，许多在平时学习中所忽视的问题在实践中能很突出的表现出来。课程设计便是检查平时所学知识最好的实践方法，在此次PLC课程设计中，我们遇到了很多平时学习时所没有遇到的问题，通过对一些问题的不断研究，寻找各种解决的方法，继而在各个方法中选择出最好的一种。在此过程中，通过在网上及其他书籍上查询资料，开阔了设计思路，同时对他人的思路有了一定的认识，对比自己想到的方法，找到自己方法中的不足，同时认真分析他人的方法的优点，将他人的知识变成自己的知识。另外，一些理论性的东西应用到实践中去时，往往会出现平时没有考虑到的不确定因素，而这些在实际应用中必须想到，尽可能得减少外部因素对整个系统的稳定的影响。只有在实践的过程中不断地失败并从中不断地学习，这种实践才真正有意义。由于在设计中确实遇到了不少的问题，可以说是困难重重，因此也是在这种情况下我们发现对之前所学过的知识理解不够深刻，掌握得也不牢固，而且实际运用与书本上的理论知识也是有一定出入的，不是简单的生搬硬套，这是需要一定的逻辑思维和创新能力的。编写程序的时候，开始对一些指令理解不够深刻，在运行的时候总是不能按照预想的进行，在查阅资料后才知道原先的理解是存在错误的，运用多个中间变量可以简化程序，使程序更易读，更易修改，这都是需要平时实践积累的经验。在系统的仿真这块，我们小组也花了大把的时间和精力去学习，从最开始什么都不懂的小喽啰，到现在基本入门的仿真都能很好的进行。这次设计，我们很感谢刘老师授予我们的专业知识，并且在遇到问题的时候能够耐心的给我们答疑指导，对我们的设计给予了极大的帮助。然后要感谢班里的同学们，当我们组有疑问的时候，大家都会集思广益，充分发挥每个人的能力帮助我们解答问题，这种互帮互助的学习氛围，对班级里的每一个人极大地受益，对我们这个班级也有良好的影响。本次课设，对我们组的团队精神也是一个考察，让我们在合作中更加有默契，当成功的时候一起体会喜悦的心情。这也让我们懂得了一句话，团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终成果。我认为此次课程设计的意义深远，不仅对于个人，而且对于我们整个团队都是一次很好的磨炼。我相信，不管在以后的学习生活中遇到多么困难的事情，我们总会尽力去尝试，身经百战才能得到充分的磨炼，因此，课设带给我们大家的不只是专业理论知识的实践应用，而且也会给我们的人生经历带来不一样的趣味。参考文献1 刘华波.西门子S7-1200PLC编程与应用.北京：机械工业出版社， 20112 史国生.电气控制与可编程控制器技术.北京：化学工业出版社，20103 漆汉宏.PLC电气控制技术.北京：机械工业出版社，2006.12 4 张宏林.PLC应用开发技术与工程实践.北京:人民邮电出版社,2008.7 5 廖常初.S7-1200PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，2010附录 S7-1200 系统电源数据简表（参考 S7-1200 系统手册）CPU 型号电流供应 (mA)5 VDC24 VDCCPU 1211C750300CPU 1212C1000300CPU 1214C1600400表6 CPU 的供电能力CPU 上及扩展模块上的数字量电流需求 (mA)5 VDC24 VDC每点输入-4 mA/输入表7 CPU 上及扩展模块上的数字量输入所消耗的电流 注意：如果数字量输入点使用外接24VDC电源，则不必纳入计算。数字扩展模块型号订货号电流需求5 VDC (mA)24 VDCSM 1221 8 x 24 VDC输入6ES7 221-1BF30-0XB01054 mA/输入SM 1221 16 x 24 VDC输入6ES7 221-1BH30-0XB01304 mA/输入SM 1222 8 x 24 VDC输出6ES7 222-1BF30-0XB0120-SM 1222 16 x 24 VDC输出6ES7 222-1BH30-0XB0140-SM 1222 8 x 继电器输出6ES7 222-1HF30-0XB012011 mA/输出SM 1222 16 x 继电器输出6ES7 222-1HH30-0XB013511 mA/输出SM 1223 8 x 24 VDC输入/8 x 24 VDC输出6ES7 223-1BH30-0XB01454 mA/输入SM 1223 16 x 24 VDC输入/16 x 24 VDC输出6ES7 223-1BL30-0XB01854 mA/输入SM 1223 8 x 24 VDC 输入/8 x 继电器输出6ES7 223-1PH30-0XB01454 mA/输入 11 mA/输出SM 1223 16 x 24 VDC 输入/16 x 继电器输出6ES7 223-1PL30-0XB01804 mA/输入 11 mA/输出表8 数字扩展模块所消耗的电流模拟扩展模块型号订货号电流需求 (mA)5 VDC24 VDCSM 1231 4 x 模拟量输入6ES7 231-4HD30-0XB08045SM 1231 8 x 模拟量输入6ES7 231-4HF30-0XB09045SM 1232 2 x