基于PLC的全自动洗衣机课程设计

目目 录录 1 1 绪论绪论.1 1.1 课程设计的意义.1 1.2 课程设计的目的.1 1.3 PLC 的基本概念.1 1.4 PLC 的基本结构.2 1.5 PLC 的编程语言.4 1.6 PLC 技术发展呈现新的动向.5 1.7 OMRON 公司的 CPM2A 介绍.5 1.8 欧姆龙 3G3MV 系列通用变频器.5 1.9 全自动洗衣机.6 2 2 系统方案设计及确定系统方案设计及确定.8 2.1 功能要求.8 2.2 系统方案说明.8 3 3 系统硬件设计系统硬件设计.9 3.1 CPM2A 模拟量输入/输出单元.9 4 4 系统软件设计系统软件设计.9 4.1 I/O 端子表.9 4.2系统流程图.10 5 5 系统调试系统调试.11 5.1 硬件调试.11 5.2 软件调试.12 6 6 总结总结.13 7 7 参考文献参考文献.14 8 8 致谢致谢.15 9 9 附录附录.16 附录一 梯形图.16 附录二 时序图.19 1 1 绪论 在现代工业控制系统中，PLC 和变频器的综合应用最为普遍。PLC 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。 它比传统继电器更稳定，更节能，更抗干扰。随着 PLC 功能的不断完善，性能价格比的不断提高， PLC 的应用面也越来越广。目 前，PLC 已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工等各行各业中。特别适 用于自动化和智能化的家用电器。 1.1 课程设计的意义 电气控制技术是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业课，该课程不但 有较高的理论基础要求，而且工程实践性很强，因此除安排上完理论课时外， 还安排了两周的课程设计 。 1.2 课程设计的目的 (1)综合运用 PLC 课程和其它选修课程的理论和知识，掌握 PLC 设计的一般 方法，树立正确的设计思想，培养分析问题和解决实际问题的能力； (2)学会从控制系统功能的要求出发，合理的选择外围设备，制定设计方案， 编写控制程序。 (3)学习使用技术手册，掌握查阅专业资料的相关方法。 (4)控制程序要求调试通过，书写报告。 1.3 PLC 的基本概念 可编程控制器 (Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为 工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现 逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围， 2 因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算 机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。 1.4 PLC 的基本结构 中央处理单元 （CPU） 编程器 输出 电路 输入 电路 系统程序存 储器 系统程序存 储器 电源 图 1.1 PLC 的基本结构 如图 1.1，PLC 的基本结构有电源、中央处理单元、存储器、输入输出接 口电路，此外还有功能模块、通信模块。 a、电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可 靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也 十分重视。一般交流电压波动在 +10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而 将 PLC 直接连接到交流电网上去 。 b、中央处理单元 (CPU) 如图 1.2，中央处理单元 (CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序 赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入 运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按 指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内。等 3 所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存 器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗 余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个 系统仍能正常运行。 输 入 回 路 外围端口 RS-232C端口 通信开关 程序 I/O存储器 输 出 回 路 PC设置 外部输出设 备 外部输入设 备 设定 设定 通信处理 设定 图 1.2 PLC 的 CPU 基本结构 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为 用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 (1)现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC 与现场控制的接口界面的输入通道。 (2)现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成， 作用 PLC 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块 。 f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP 通讯模块等 。 4 1.5 PLC 的编程语言 在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语 言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布 尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以 完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制 和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表 图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操 作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无 法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成 所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制 系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握 等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。 梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控 制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为 熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛 的应用。 ，梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设 计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计 语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在 梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图 程序设计语言的特点是： (1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性； (2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和 学习； (3)与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应 用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待； (4)与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的 5 检查。 1.6 PLC 技术发展呈现新的动向 产品规模向大、小两个方向发展 。大：I/O 点数达 14336 点、32 位为微 处理器、多 CPU 并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。小：由整体结构 向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。PLC 在闭环过 程控制中应用日益广泛 。新器件和模块不断推出高档的 PLC 除了主要采用 CPU 以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM 或 RAM 的智能 I/O 模块、高 速计数模块、远程 I/O 模块等专用化模块。编程工具丰富多样，功能不断提 高，编程语言趋向标准化 有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形 图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC 指令系统。发展容错技术 采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。追求软硬件的标准化。 1.7 OMRON 公司的 CPM2A 介绍 Omron 公司的 PLC 产品，大、中、小、微型俱全，深受用户欢迎。其网络配 置简单、实用、造价低，具有明显的价格优势及良好的售后服务系统。 CPM2A 是一种紧凑的高速可编程控制器，是为需要每台 PLC 有 10120 点 I/O 的系统控制操作而设计的。CPM2A 在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同 步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能。CPM2A CPU 单元又 是一个独立单元，能处理广泛的机械控制作用，所以它是在设备内用作内装控制 单元的理想产品，完整的通信功能保证了与个人计算机、其他 OMRON PC 和 OMRON 可编程终端的通信。 1.8 欧姆龙 3G3MV 系列通用变频器 1.8.1 变频器介绍 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电 能控制装置。它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、电解电容和 逆变模块），二是控制电路（开关电源板、控制电路板）。CPU 就安装在控 6 制电路板上，变频器的操作软件烧录在CPU 上，同一型号的变频器软件是固 定的，唯一例外的就是三晶变频器，软件可根据使用需求更改。欧姆龙 3G3MV 系列是顺应 “更小，操作更容易”的需求，操作简便的变频器。采用独 特的电压矢量控制，实现了高精度，高力矩。 变频器通常分为 4 部分：整流单元、高容量电容、 逆变器和控制器。 (1) 整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。 (2) 高容量电容存储转换后的电能。 (3)逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同 频率、宽度、幅度的方波。 (4)控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近 似正弦波的交流电，驱动交流电动机。 1.8.2 阶梯形改变速度 将频率改变指令和输入端子功能选择进行组合，最高可将速度进行16 阶梯的变化，如图 1.3，通过给 S7、S6、S5 不同的信号就可以改变频率段， 如 000 代表段 1，001 代表段 2，如图 1.4。 图 1.3 输入端子与指令组合 图 1.4 频率段的改变 1.9 全自动洗衣机 全自动洗衣机就是将洗衣的全过程 (泡浸-洗涤-漂洗-脱水)预先设定好 7 N 个程序,洗衣时选择其中一个程序 ,打开水龙头和启动洗衣机开关后洗衣的全 过程就会自动完成 ,洗衣完成时由蜂鸣器发出响声。 目前市场上出售的全自动洗衣机大体分为三类。 发明最早的是前置式侧开门滚筒式洗衣机，这种洗衣机是欧洲发明的，擅 长洗涤真丝、棉毛等面料，不缠绕无磨损，在洗涤时保证衣物不受损害，而且 有良好的加温措施。但也有它不好的一面，由于不缠绕无磨损洗涤方式等因素 ，这种洗衣机洗涤时间长、洗净度差、用水用电量大，是其它洗衣机的几倍， 尤其是采用了 不锈钢内筒，产生的噪音较大。这种洗衣机适用于生活水平较高 ，穿着大体以真丝、纯毛、棉毛之类较高档的面料为主，而且更换衣服较勤的 家庭。 发明最晚的洗衣机是亚洲人发明的波轮上开门洗衣机。市场上有多种品牌 ，如“小天鹅” 、 “海棠” 、 “荣事达”等，这种洗衣机的特点是洗涤时间短， 用水量小，洗净度高，是滚筒式的很多倍，由于内筒是塑料材料制成，噪音小 ，而且上开盖，能使洗涤液反复利用，价格也比较经济。这种洗衣机适用于居 住在绿化较差，空气尘埃量较大，平均每2 至 3 天换一次衣服的家庭，主要 以洗净度为主，服装面料以化纤、腈纶为主。 本次实习设计的洗衣机结构如图 1.5。 图 1.5 洗衣机结构图 8 2 系统方案设计及确定 2.1 功能要求 应用 PLC 与变频器通信功能实现电动机的运行控制。可实现起、停控制。电 动机的运转速度可实现在线设置。洗衣机的工作流程由进水，洗衣，排水，和脱 水四个过程组成。在全自动洗衣机中，这四个过程可做到全自动依次运行，直至 洗衣结束。 2.2系统方案说明 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。 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。图 2.1 为设计方案框图。 PLC 启动 轻柔 手动脱水 标准 水位选择 停止 报警 变频器 出水阀 进水阀 电动机 图 2.1 系统设计方案框图 9 3 系统硬件设计 该系统输入涉及按钮、传感器，输出包括电磁阀、报警器、变频器。由于此 次实习是设计控制系统，可以没有实物，结合实验室现有硬件，传感器换成按钮， 电磁阀和报警器换成指示灯。再合理分配输入输出端子，连接按钮和变频器，见 附录硬件连接图。 3.1 CPM2A 模拟量输入/输出单元 外部输入端子分布图（图 3.1）： 010305070911010305 070911 0002040608100002 04060810 0CH1CH com 图 3.1 输入端子分布图 外部输出端子分布图(图 3.2)： 01 03 0507 03 0204 06 0000 02+ -comcomcom comcom 01 图 3.2 输出端子分布图 4 系统软件设计 主要方法是先编写工艺流程图，将整个流程分解，确定每步的转换条件，配 合分支、循环、跳转及某些特殊功能便可很容易的转化为梯形图了。 4.1 I/O 端子表 10 表 4.1 I/O 端子表 输入 I输出 O 轻柔模式启动 0.00 进水阀 10.00 标准模式启动 0.05 电机正转 10.01 强制停止 0.01 电机反转 10.02 强调节 0.02 出水阀门 10.03 弱调节 0.03 报警灯 10.04 手动脱水 0.04 变频器强档10.06 为 1 变频器弱档10.06 为 0 4.2 系统流程图 PLC 投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。按下启动按扭，选择水位 后开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水；根据衣料质地及多少选择洗 涤模式，开始洗涤；洗涤时，轻柔模式正转 10 秒后暂停，暂停 2 秒后开始反转 洗涤，反转洗涤 10 秒后暂停，暂停 2 秒。标准模式正转 15 秒后暂停，暂停 2 秒 后开始反转洗涤，反转洗涤 15 秒后暂停，暂停 2 秒；如此循环 2 次后，开始排 水，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水 5 秒后即完成一次从 进水到脱水的工作循环过程； 系统自动判断是否漂洗，若漂洗，则返回从进水 开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了大循环，则进行洗完报警；报警 10 秒结束全部过程，自动停机。 以下是全自动洗衣机洗衣过程的流程图（图 4.1 和图 4.2） 。 注： （1）本课程设计所设计的全自动洗衣机具有标准洗涤模式和轻柔洗涤模式， 轻柔洗涤模式的流程图与标准模式流程图相似，故不在此画出。 （2）甩干模式可以在不需要洗涤时可以单独手动操作，只进行衣物的甩干 操作。 11 开始 进水阀打开 进水是否到位 洗涤状态 排水 自动脱水5s 是否漂洗 报警10s 结束 Y N Y N 进入轻柔状态 电动机状态2 正转10s,暂停2s 反转10s,暂停2s 完成2次循环洗涤 排水 自动脱水5s 是否漂洗 报警10s 结束 Y N Y N 图 4.1 总流程图 图 4.2 标准洗涤状态 5 系统调试 5.1 硬件调试 硬件线路连的好不好，直接关系到整个系统的成败。仔细看电源极性有没有 接反，是否接地，看有没有逻辑性错误，主要包括错线、开路、短路。检查接线 是否牢固，用万用表检测更接线端看是否连接上。 12 5.2 软件调试 在 cx-p 环境里实现系统软件调试，首先在端口选择上选择 CPM2A* ，然后 画好梯形图。仔细检查梯形图后方可进行软件调试。 (1)在线工作:该软件与 PLC 连接在一起，称为在线工作，否则称为离线工作。 (2)传送：将程序、扩展指令等下载到 PLC。 (3)操作模式：PLC 工作模式为编程、调试、监视和运行四种。程序传送成功 后选择运行，这样 PLC 就能按程序工作了，调节 PLC 输入，观察对应的输出是不 是想要的结果。 13 6 总结 实习的两周很快就结束了，此次实习很好的应用 PLC 与变频器通信功能实现 电动机的运行控制。可实现起、停控制。电动机的运转速度可实现在线设置。洗 衣机的工作流程由进水，洗衣，排水，和脱水四个过程组成。让我了解了 PLC 梯 形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我更加了解了关于 PLC 设计原 理。最重要的是掌握了变频器的基本设置，实现了阶梯调速。在全自动洗衣机中， 这四个过程可做到全自动依次运行，直至洗衣结束。但此次实习也有不完美的地 方，比如说由于实验限制无法与洗衣机实物进行硬软件的衔接，这样就不能发现 实际运行所带来的问题。我们控制的对象主要是