全自动洗衣机的PLC控制.doc

扬州市职业大学毕业设计论文设计（论文）课题：全自动洗衣机的PLC控制系 别：汽车与电气工程系专 业：电 气 自 动 化班 级：07 电气姓 名：袁 淑 侠学 号：0716011106指导教师：王 蕊完成时间：2010.4目录摘要2关键字2第一章 概述311 课题简介312 控制要求4 第二章 选择PLC的方案论证52.1 与继电器控制系统的比较52.2 与微型计算机系统的比较52.3 与单片机控制系统的比较6第三章 PLC简介73.1 发展、特点及发展趋势73.1.1 发展史73.1.2 分类73.1.3 特点83.1.4 发展趋势93.2 应用领域93.3 工作原理103.4 硬件系统组成113.5 梯形图语言133.6 PLC控制系统的设计流程14第四章 PLC控制的全自动洗衣机的设计164.1 系统的控制要求164.2 PLC选型174.3 开关量I/O模块的选择184.4 模拟量I/O模块的选择194.5 特殊功能模块的选择194.6 具体设计204.6.1 流程图214.6.2 全自动洗衣机程序分析214.6.3 I/O分配表214.6.4 PLC外部接线图224.6.5 梯形图224.6.6 全自动洗衣机PLC控制梯形图指令254.6.7 材料清单26第五章 总结27第六章 参考文献28摘 要 随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，家庭电器全自动化成为必然的发展趋势。全自动洗衣机的产生极大的方便了人们的生活。洗衣机是国内家电业唯一不打价格战的行业，经过几年的平稳发展，国产洗衣机无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同步。纵观洗衣机市场，高效节能、省水、省电、环保型洗衣机一直在市场上占主导地位。在洗衣机控制方面，在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器占主导地位。但继电器控制领域有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，PLC控制系统产生了。继1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期，从此，可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来了。在许多领域都有广泛的应用。PLC的 优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等，为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。 该论文就怎样利用PLC来控制全自动洗衣机进行了调查，对其中软件设计、硬件设计等问题进行了分析和研究，实现了全自动洗衣机的正常运行和强制性停止功能 关键字：PLC 全自动洗衣机 控制 第一章 概述 1.1 课题简介洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁上升。在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附近。这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。衣物在涡流的作用下，作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。又由于波轮中心是低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同人工揉搓衣物，污垢被迫脱离衣物。其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。再次由于洗衣涌形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向都发生了改变，形成湍流。在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣物的洗净的均匀性。全自动洗衣机是通过水位开关与电磁进水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断：从而实现自动控制的。电磁进水阀起着通、断水源的作用。当电磁线圈断电时，移动铁芯在重力和弹簧力的作用下，紧紧顶在橡胶膜片上，并将膜片的中心小孔堵塞，这样阀门关闭，水流不通。当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内。由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。衣物的脏污程度是通过水的透明度来判断的。在洗衣桶的排水口处加一红外光电传感器，使红外光通过水而进入另一侧的接收管。若水的透明度低，接收管获得的光能小，说明衣物较脏。脱水时采用压电传感器。当脱水桶高度旋转时，从脱水桶喷射出来的水作用于压电传感器上，根据这个压力变化，自动停止脱水运转。PLC具有可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等优点，在工业上有着广泛的应用，为了提高洗衣机的性能和工作效率，将PLC应用到洗衣机的控制系统中，达到控制的要求。1.2 控制要求按下启动按钮后，洗衣机开始进水。水满时（即水位到达高水位，高水位开关由OFF变为ON），PLC停止进水，并开始洗涤正转，正转洗涤15S后暂停，暂停3S后开始洗涤、反转。反洗15S后暂停。暂停3S后，若正、反洗未满3次，则返回从正洗开始的动作；若正、反洗满3次时，则开始排水。水位下降到低水位时（低水位开关由ON变为OFF）开始脱水并继续排水。脱水10S即完成一次从进水到脱水的大循环过程。若未完成三次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了三次大循环，则进行洗完报警。报警10S后结束全部过程，自动停机。此外，还要求可以按排水按钮以实现手动排水；按停止按钮以实现手动停止进水、排水、脱水及报警。第二章 选择PLC的方案论证2.1 与继电器控制系统的比较1.从控制逻辑上看，继电器采用硬件接线逻辑即利用继电器的机械触点、线圈构成电路，利用触电的串、并联关系及延时继电器的动作实现其控制逻辑。这种控制方式存在的问题是连线复杂，系统维护不便，功能不易改变，因此灵活性和扩展性很差。此外，系统功耗也较大；而PLC采用软线接线，与硬接线相比，虽沿用继电器触点线圈等概念，但实际上并不存在对应的物理实体，而仅仅是PLC内部的一些存储单元，其特点是连线少，体积小，软继电器的触点数理论上无限制，因此灵活性和扩展性非常好。PLC中有中大规模集成电路组成，所以系统功耗也很小。2.从控制速度看，继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，触点的开关动作一般为几十毫秒数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题，故工作效率低；而PLC是由程序中的指令控制半导体电路来实现控制，一般一条用户指令的执行时间为us数量级，故速度快。PLC内部还有严格的同步控制，故不会出现抖动问题。3.从可靠性看，继电控制器使用了大量的机械触点，机械触点开闭过程中，会产生电弧,使触点产生磨损，甚至损坏，因此寿命短，可靠性差；而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，故体积小，寿命长，可靠性高，而且PLC还配备自检和监督功能。4.从适应性和通用性看，要实现某种控制时，继电器线路是通过许多真正的硬继电器和它们之间的连线达到的，控制功能包含在固定线路之中，功能专一，系统扩充必须变更硬接线，故灵活性较差；而PLC采用软件编制程序来完成控制任务，编程时所用到的继电器为内部软继电器，外部只需在端子上接入相应的输入/输出信号即可。系统在I/O点数及内存容量允许范围内，可自由扩充，并可用编程器在线或离线修改程序，以适应系统控制要求的改变，因此，同PLC一台不改变硬件而仅改编软件，就可适应各种控制，故通用性强，另外，一般PLC都具有强制和仿真作用，故程序的设计、修改和调试都很安全方便，可大大缩短系统设计和投入运行的周期。5.从工作方式看，继电器控制系统是并行的，而PLC是串行的，各软继电器处于周期性循环扫描中，受同一条件制约的继电器的动作顺序决定于扫描顺序，同它们在梯形图中位置有关。新一代PLC除具有远程通信联网功能以及易于计算机接口实现群控外，还可通过附加高性能模块对模拟量进行处理，从而实现各种复杂的控制功能，这些对于布线逻辑的继电器控制系统是无法办到的。6.从价格看，继电器控制逻辑使用机械开关，继电器和接触器价格较便宜，PLC采用大规模集成电路，价格相对较高。一般认为，在少于10个继电器的装置中，继电器系统比较经济；在需要10个以上的继电器的场合，使用PLC比较经济。从上面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高，设计施工周期短，调试修改方便，且体积小，功耗低，使用维护方便，但价格高于继电器控制。2.2 与微型计算机控制系统的比较PLC虽采用了计算机技术和微处理器，但它与计算机相比又有明显的不同。1.从应用范围看，微机除用在控制领域之外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信等；PLC主要用于工业控制。2.从工作环境看，微机对工作环境要求高，一般要在干扰小且具有一定温度要求的室内使用；而PLC是专为适应工业控制的恶劣环境而设计的，是应用工程现场的环境。3.从编程语言看，微机具有丰富的程序设计语言，其语法关系复杂，要求使用者必须具有一定水平的计算机软硬件知识；而PLC采用面向控制过程的逻辑语言，以继电器逻辑梯形图为表达式，形象直观，编程操作简单，可在较短时间内掌握它的使用方法和编程技巧。4.从工作方式看，微机一般采用等待命令方式，运算和响应速度快；PLC采用循环扫描的工作方式，其输入/输出存在相应滞后，速度较慢，对于快速系统，PLC的使用受扫描速度的限制。另外，PLC一般采用模块化结构，可针对不同的对象和控制需要进行组合和扩展，比起微机来有很大的灵活性和很好的性价比，维修更方便。5.从价格看，微机是通用机，功能完备，故价格较高；而PLC是专用机，功能较少，价格相对较低。从以上几个方面比较，PLC是一种用于工业自动化控制的专用微机控制系统，结构简单，抗干扰能力强，易于学习和掌握，价格也比一般的微机便宜。在同一系统中，一般PLC集中在功能控制方面，而微机作为上位机集中在信息处理和PLC网络的通信管理上，两者相辅相成。2.3 与单片机控制系统的比较1.从使用者学习掌握角度看，单片机的编程语言一般采用汇编语言或单片机C语言，这就要求设计人员具备一定的计算机硬件和软件知识，对于只熟悉机电控制的技术人员来说，需相当一段时间的学习才能掌握；PLC虽然本质上是一种微型计算机系统，但它提供给用户使用的机电控制人员所熟悉的梯形图语言，使用的仍然是“继电器”一类的术语，大部分指令与继电器触点的串、并联相对应，这就使得熟悉机电控制的工程技术人员一目了然。对于使用者来说，不必去关心微机的一些技术问题，只需用较短时间去熟悉PLC的指令系统及操作方法，就能应用到工程现场。2.从使用简单程度看，单片机用来实现自动控制时，一般要在输入/输出接口上做大量的工作，例如，要考虑现场与单片机的连接、接口的扩展、输入输出信号的处理、接口工作方式等问题，除了要设计控制程序外，还要在单片机的外围做很多软、硬件方面的工作，系统的调试也比较麻烦；而PLC的I/O接口已经做好，输入接口与输入信号直接连线，非常方便，输出接口具有一定的驱动能力。3.从可靠性看，用单片机做工业控制突出的问题是抗干扰性能差，而PLC是专门应用于工程现场的自动控制装置，在系统软硬件上都采取了抗干扰措施，如光电耦合、自诊断，多个CPU并行操作等，故PLC系统可靠性较高。PLC在数据采集等方面不如单片机。总之，PLC用于控制，稳定可靠，抗干扰能力强，使用方便，但单片机的通用性和适应性较强。总结：综上，通过PLC跟继电器系统、微机及单片机系统的分析比较可见，它各自都有自己的特点和不足。分析全自动洗衣机的工作原理及控制过程，无论从技术方面还是价钱方面，我觉得还是选择PLC比较适用。所以，本次设计的洗衣机是用PLC系统来完成控制的。第三章 PLC简介3.1 发展、特点及发展趋势3.1.1 发展史世界上第一台PLC是1969年由美国数据设备公司（DEC）研制成功的。1968年，美国通用汽车公司根据市场形势与生产发展的需要，提出了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。显然，原有的汽车生产线电气控制装置远远不能满足这一战略决策。GM提出能否把计算机的灵活性、通用性等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，做成一种通用的控制装置。这种装置把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，使得不熟悉计算机的人也能方便使用。DEC公司首先响应，于1969年研制成功第一台PLC，型号为PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上获得成功应用。自第一台PLC问世以来，发展极为迅速。1971年，日本从美国引进这项技术；1973年，德国、法国相继研制出自己的PLC；我国从1974年开始研制，现在也有不少厂家研制和生产PLC，但是具有很大影响力和较大市场占有率的产品不多，目前我国大中型控制系统所使用的PLC大多是国外产品。到目前为止，PLC已发展到了第四代。第一代在1969年至1972年。这个时期的产品，CPU由中小规模集中电路组成，存储器为磁芯存储器，其功能单一，仅能实现逻辑运算、定时、计数等功能。第二代在1973年至1975年。这个时期的产品已开始使用微处理器作为CPU，存储器采用半导体存储器，其功能也有所增加，能够实现数字运算、传送、比较等功能，并初步具备自诊断能力，可靠性也有了一定的提高。第三代在1976年至1983年。PLC进入了迅速发展阶段。美国、日本、德国各有几个厂家生产PLC。这个时期产品已采用8位和16位微处理器作为CPU。部分产品还采用了多处理器结构，其功能显著增强，速度大大提高，并能进行多种复杂的数学运算，具备完善的通信功能和较强的远程输入/输出控制能力，具有较强的自诊断功能，并采用了容错技术。第四代从1983年到现在。这个时期的产品采用16位以上的微处理器为CPU外，内存容量更大，有的已达数十兆字节；可以将多台PLC连接起来，实现资源共享；可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；编程语言除了可使用传统的梯形图、流程图外，还可以使用高级语言；外设多样化，可以配置CRT和打印机等。3.1.2 分类PLC的形式有多种，功能也不尽相同，对PLC进行分类时，一般按照以下原则分类：1.按硬件结构形式分类： 根据硬件结构形式的不同，可大致将PLC分为整体式和模块式。（1）整体式PLC 整体式PLC由一些装在标准机壳内的基本单元或扩展单元构成，它体积小，价格低，安装方便。 整体式PLC提供多种不同I/O点数的基本单元和扩张单元供用户选择。基本单元内有CPU模块、I/O模块和电源，扩展单元内只有I/O模块和电源，基本单元和扩展单元之间通过扩展电缆相连，各单元输入点和输出点的比例一般是固定的。整体式PLC一般还配备有多种专用的特殊功能单元，使PLC功能得到扩展。小型PLC一般采用整体式结构，如S7-200系列。（2）模块式PLC模块式PLC由机架和模块组成。各模块可直接挂接在机架上，模块之间通过背板总线连接起来。插入的模块可根据需要灵活配置。二者相比，整体式PLC每一个I/O点的平均价格比模块式PLC的价格便宜，在小型控制系统中一般采用整体结构，但模块式PLC的硬件组态方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的使用等方便的选择余地都比整体式PLC大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此比较复杂。要求较高的系统一般选用模块式PLC.2.按功能分类：根据PLC功能强弱的不同，可分为低档、中档、高档三种。3.按I/O点数分类：根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型机、中型机和大型机3种。（1）小型PLC I/O点数在256点以下；（2）中型PLC I/O点数在2562048中间；（3）大型PLC I/O点数在2048以上。3.1.3 特点1.可靠性高，抗干扰能力强。PLC组成的控制系统用软件代替了传统的继电器控制中复杂的硬件电路，因此，使用PLC的控制系统显然故障小于不使用PLC的控制系统。另一方面，PLC本身采用了抗干扰能力强的微处理器作为CPU，电源采用多级滤波并采用集成稳压块稳压，以适用电网电压的波动；输入/输出回路采用光电隔离技术；工业应用的PLC还采用了较多的屏蔽措施。所有这一切都使PLC本身的抗干扰能力得以提高，从而提高整个系统的可靠性，使PLC的控制系统能在恶劣的工作环境下良好地运行。2.丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，如交流或直流，开关量或模拟量，电压或电流，脉冲或电位，弱电或强电等，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块，为了组成工业局部网络，它还有多种通信联网的接口模块等。3.采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各个模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要进行组合，使系统构成十分灵活，PLC的内部不需要接线和焊接，只要编程就可以使用，故安装方便。PLC辅助触点的使用不受次数的限制，内部器件可多到用户不感到有什么限制，只需考虑输入输出点个数即可。4.编程简单，使用方便。PLC的设计宗旨是方便使用，使计算机控制技术得到推广和普及。目前大多数的PLC均采用继电器控制方式的梯形图编程方式。采用这种编程方式既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯。因此，这种编程方式简单易学，容易被技术人员接受，在一定程度上，推动了计算机控制技术的普及和应用。相比而言，通常用作计算机控制的汇编语言编出的程序短小精悍，运行快，但是，由于汇编语言指令复杂较难掌握，程序通用性和易读性较差，而且对于大多数机电设备来说，PLC编程所增加的运行时间微不足道，所以用汇编语言编程进行控制的方法一直得不到普及和推广。5.安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。6.设计施工周期短。使用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和PLC程序设计同时进行，设计周期短，且程序调试和修改方便。正是由于有了上述优点，使得PLC受到了广泛的欢迎。3.1.4 发展趋势PLC目前正朝两个完全不同的方向发展。一个方向是向大型化、复杂化、高功能化、分散型、多层分布式工厂自动网络化方向发展。例如美国GE公司曾推出的GENETTWO工厂自动化网络系统，不但具有逻辑运算、计时、计数等功能，还能够进行数值运算。模拟调节、监控、记录、显示、与计算机接口、数据传输等，可以实现中断控制、智能控制、过程控制和远程控制。这种PLC向上能与计算机通信，向下能直接控制机器人及伺服设备，还可以通过下级PLC去执行控制。从发展的眼光看，有关专家认为工控计算机的能力再强，仍然需要PLC作为终端的控制部件，他们认为大型的PLC今后仍将是工业控制的主要设备。PLC发展的另一方向是简易型和超小型。为了占领小型、分散、低要求的工业控制市场，各PLC生产厂家推出了许多简易、经济、超小型的PLC。这种类型的PLC多以单片机的形式出现，较多地用于实现“机电一体化”。由于成本低、操作使用简便，目前的市场面还在不断地扩大，发展迅猛异常。3.2 应用领域目前，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。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 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，现在一般使用专用的运动控制模块。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、机床、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，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处理一般是运行专用的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，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6.通信及互联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便3.3 工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 1. 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2. 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。3. 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。3.4 硬件系统组成PLC的硬件系统由基本单元、I/O扩展单元及外部设备组成，如下图为PLC的硬件系统的机构框架图31 图31 PLC的硬件系统的机构框架图1.微处理器（CPU）与通用计算机一样，CPU是PLC的核心部件，在PLC控制系统中的控制系统中的作用类似于人体的神经中枢，整个PLC地工作过程都是在CPU的统一指挥下进行的。它的主要功能有以下几点：（1）接受从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储；（2）用扫描方式接受输入设备的状态信号，并存入相应的数据区（输入映像寄存器）；（3）监测和诊断电源，PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误；（4）执行用户程序，完成各种数据的运算、传递和存储等功能；（5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能；2.存储器PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统程序，用户存储器用来存放用户编织出来控制程序。系统程序用来管理PLC系统，不能由用户直接存取，所以，PLC产品样本或说明书中所列的存储器类型及其容量，系指用户程序存储器而言。如FX2-24M的存储器容量为4K步，即指用用户程序存储器的容量。PLC所配的用户存储器的容量 大小差别很大，通常中小型PLC的用户存储容量在8K步以下，大型PLC的存储了容量可达到或超过256K步。3.输入输出(I/O)部件PLC输入/输出模块的电路框图32所示（a）（b）图32输入输出接口 （a）输入接口 (b)输出接口为提高抗干扰能力，一般的输入/输出模块都有光电隔离装置。在数字量I/O模块中广泛采用由发光二接管和光电三接管组成的光电耦合器，在模拟量I/O模块中通常采用隔离放大器。来自工业生产现场的输入信号经输入模块进入PLC。这些信号有的是数字量，有的是模拟量；有的是直流信号，有的是交流信号。使用时要根据输入信号的类型选择何时得输入模块。由PLC产生的输出控制信号经过输出模块去驱动负载，如电镀上的升降电动机的起停和正反转、阀门的开闭、设比的移动、升降等。和输入模块相同，与输出模块相接的负载所需的控制信号有的是属质量，有的模拟量；有的交流，有的是直流。因此，同样需要根据负载性质选择合适的输出模块。PLC具有多种模块，常见的有属质量I/O模块和模拟量I/O模块，以及快速响应模块、高速计数模块、通信接口模块、温度控制模块、中断控制模块、PID控制模块和位置控制模块等多种。I/O模块的类型、品种与规格越多，PLC系统的灵活性越好；I/O模块的I/O容量越大，PLC系统的适应性越强。4.电源部件PLC配有开关式稳定电源的电源模块，用来将外部供电电源转换成PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源。PLC的电源部件有很好的稳压设施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源电压的额定值在+10%-15%范围内波动。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源部件。为了防止在外部电源发生故障的情况下，PLC内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC还带有里电池作为后备电源。3.5 梯形图语言 PLC梯形图编程的几个步骤：1.决定系统所需的动作及次序当使用可编程控制器时，最重要的一环是决定系统所需的输入及输出。输入及输出要求：(1)第一步是设定系统输入及输出数目。(2)第二步是决定控制先后、各器件相应关系以及作出何种反应。2.对输入及输出器件编号每一输入和输出，包括定时器、计数器、内置寄存器等都有一个唯一的对应编号，不能混用。3.画出梯形图根据控制系统的动作要求，画出梯形图。梯形图设计规则：（1）触点应画在水平线上，并且根据自左至右、自上而下的原则和对输出线圈的控制路径来画。（2）不包含触点的分支应放在垂直方向，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。（3）在有几个串联回路相并联时，应将触头多的那个串联回路放在梯形图的最上面。在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。这种安排，所编制的程序简洁明了，语句较少。（4）不能将触点画在线圈的右边。4.将梯形图转化为程序把继电器梯形图转变为可编程控制器的编码，当完成梯形图以后，下一步是把它的编码编译成可编程控制器能识别的程序。这种程序语言是由序号（即地址）、指令（控制语句）、器件号（即数据）组成。地址是控制语句及数据所存储或摆放的位置，指令告诉可编程控制器怎样利用器件作出相应的动作。5.在编程方式下用键盘输入程序。6.编程及设计控制程序。7.测试控制程序的错误并修改。8.保存完整的控制程序。PLC梯形图编程应该遵循以下基本原则：1. 外部输入、输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。2. 梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在最右边，接点不能放在线圈的右边，如下图。3. 线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器R9010（常0N）的常开接点来连接。4. 同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作，应尽量避免线圈重复使用。5. 梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不符合顺序执行的电路不能直接编程。6. 在梯形图中串联接点、并联接点的使用次数没有限制，可无限次地使用。7.两个或两个以上的线圈可以并联输出3.6 PLC控制系统的设计流程PLC控制系统设计主要可分为原理设计及施工设计。具体设计步骤如下：1.分析控制要求，确定I/O点数在接到一个控制任务后，要分析被控对象的控制过程和要求，看是否适合PLC来做控制系统。通常。PLC适用于工业环境较差，对安全性和可靠性要求较高，系统工艺复杂，输入/输出以开关量为主的工业控制。当然现代PLC对模拟量的处理能力也很高，可取代工业控制计算机作为主控制器，来完成复杂的工业自动控制任务。对于控制任务，在选定PLC作为控制器之后，还要确定PLC的控制范围。通常，反应生产过程的运行情况，能用传感器进行直接测量或控制逻辑复杂的部分都由PLC来完成。而对于紧急停车，手动控制等环节，需要使用传统电气控制电路，需要时可结合PLC来共同完成。在确定PLC的控制范围之后，明确所使用的输入输出设备，确定总的I/O点数和模拟量I/O点数。2.选择PLC型号，确定输入/输出模块 根据控制要求，明确PLC需要完成的功能，然后选择PLC的厂家、CPU的型号以及输入/输出模块的型号。 对于PLC的型号选择，需要从控制任务的功能、PLC的价格和工程设计人员的个人喜好角度考虑，一旦确定了PLC主机的型号，相应的输入/输出模块种类就可以确定了。 PLC的输入模块类型分为5V/12V/24V/60V几种，交流15V/220V两种。根据现场设备和模块之间的距离远近程度选择电压的大小。一般5V/12V/24V属于低电平，传输距离不宜太远，例如5V的输入模块最远不超过10m。因此，距离较远的设备选用较高电压的模块比较可靠。另外，为了提高系统的稳定性，必须考虑门槛电平的大小，门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。 PLC的输出模块类型分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出三种形式。晶闸管输出模块适应于开关频率高、电感性、低功率因数的负载；继电器输出模块适应于电压范围宽、导通压降损失小、价格低的场合。输出模块同时接通的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。输出模块的电流输出能力必须大于负载电流的预定值。3.I/O地址分配 输入/输出信号对应的PLC的I/O端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件来说，I/O地址分配以后可以进行编程；对硬件来说，只有确定了I/O地址，才可以绘制电气接线图、装配图，并进行安装。 进行I/O地址分配时，最好将I/O点的地址、符号、功能或注释以表格的形式列写出来，这项工作可以使用相应的编程软件在符号表中进行。4程序设计和调试 程序设计的难易程度因控制任务而已，也因人而异。对于经验丰富的工程技术人员来说，由于积累了许多专业及工程经验，除了一般的编程方法外，更有自己的编程技巧和方法。因此，平时注意积累和总结编程经验对于程序设计和调试时非常有用的。 在程序设计时，设计人员可根据自己对编程语言的熟练程度及控制任务的特点选择适当的编程语言。例如，一般工程人员可选择梯形图进行编程，因为梯形图比较直观；而对于经验丰富的技术人员可使用语句表直接编程，语句表功能更强，且编程灵活；对于属于清晰地顺序控制的控制任务，最好使用功能图进行程序设计。但是，不管使用什么编程语言，对于程序段或语句添加注释是非常有必要的，这有利于方便阅读程序和调试程序。 一般的，进行程序设计和调试都在相应的编程软件中进行，编程软件提供了良好的编程环境和调试功能，例如在线监视功能、变量功能和修改功能、故障诊断功能等。 第四章 PLC控制的全自动洗衣机的设计4.1 系统的控制要求 洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水、脱水4个过程组成。自动洗衣机的进水、洗衣、排水和脱水是通过水位开关、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，电磁进水阀打开，将水排出。洗衣时，洗涤电动机启动，脱水时，脱水桶启动。图4-1 全自动洗衣机具体的要求如下： 按下启动按钮后，洗衣机开始进水。水满时（即水位到达高水位，高水位开关由OFF变为ON），PLC停止进水，并开始洗涤正转，正转洗涤15S后暂停，暂停3S后开始洗涤、反转。反洗15S后暂停。暂停3S后，若正、反洗未满3次，则返回从正洗开始的动作；若正、反洗满3次时，则开始排水。水位下降到低水位时（低水位开关由ON变为OFF）开始脱水并继续排水。脱水10S即完成一次从进水到脱水的大循环过程。若未完成三次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了三次大循环，则进行洗完报警。报警10S后结束全部过程，自动停机。此外，还要求可以按排水按钮以实现手动排水；按停止按钮以实现手动停止进水、排水、脱水及报警。4.2 PLC选型随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各不相同，使用的场合也各有侧重。因此合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要的意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、 容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信连网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠 维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：1. 合理的结构型式 PLC主要有整体式和模块式俩种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且积相对较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在I/O点数 输入点数与输出点数的比例 I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般用于较复杂的控制系统。2. 安装方式的选择 PLC系统的安装方式分为集中式 远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快 成本低；远程I/O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联合的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。3. 相应的功能要求 一般小型PLC具有逻辑运算 定时 计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A/D和D/A转换单元，具有加减算术运算 数据传送功能的增强型低挡PLC。但是中高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。4. 响应速度要求 PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I/O处理功能的PLC，可选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。5. 系统可靠性的要求 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。6. 机型尽量统一 一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。主要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，配上计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。 因此综上所述PLC机型选用FX2N-16MR-D.4.3 开关量I/O模块的选择 一般IO模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的IO模块有开关量IO模块、模拟量IO模块及各种特殊功能模块等。不同的IO模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。1. 开关量输入模块的选择 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开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5、12、24、48、60等；交流110、220等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5、12、24用于传输距离较近场合，如5输入模块最远不得超过米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。2）输入接线方式 汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。3）注意同时接通的输入点数量 对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60。4）输入门槛电平 为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。2. 开关量输出模块的选择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）输出方式开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属