基于plc控制的洗衣机设计

毕业设计（论文）题目基于PLC控制的洗衣机设计所属院（系）电子信息工程学院2011年6月15日目录摘要ABSTRACT第一章绪论111洗衣机的发展历史112自动控制的应用领域313选题的背景意义314本文的主要工作3第二章系统的总体设计521洗衣机控制系统简介522控制系统的组成5第三章逻辑可编程控制器（PLC）介绍631PLC概述6311可编程控制器的产生与发展6312可编程控制器的用途与特点832PLC的硬件组成933PLC的软件及应用程序编程语言1034可编程控制器的工作原理及运行方式11341输入采样阶段11342用户程序执行阶段11343输出刷新阶段1235PLC的特点12351可靠性高，抗干扰能力强12352配套齐全，功能完善，适用性强13353易学易用，深受工程技术人员欢迎13354系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造13355体积小，重量轻，能耗低1336PLC控制系统设计的基本原则13361最大限度地满足被控对象的控制要求13362保证PLC控制系统安全可靠14363力求简单、经济、使用及维修方便14364适应发展的需要1437开关量IO模块的选择14371开关量输入模块的选择14372开关量输出模块的选择15373模拟量IO模块的选择16第四章洗衣机硬件理论与设计1741硬件的设计1742可编程控制器17421可编程控制器的基本概念与基本结构17422可编程控制器的基本特点19423S7200系列PLC19424开关两I/O模块的选择19425可编程控制器I/O分配表21426可编程控制器的选择21427PLC的工作环境2143变频器的使用及参数设定2244继电器23441继电器简介23442继电器组的应用及实现功能2345本章小结24第五章系统梯形图设计2551梯形图总体设计2552本章小结27总结28参考文献29致谢30附录31基于PLC控制的洗衣机设计摘要本文介绍了采用逻辑可编程控制器（PLC）作为核心控制部件的洗衣机的控制系统。通过介绍洗衣机的结构，对洗衣机的控制系统进行了分析，在此基础上提出了基于PLC控制的洗衣机控制方案，并对方案进行了分析。根据洗衣机的工作原理，设计了流程及程序，对按钮、继电器、开关、变频器等其他一些输入/输出点进行控制，实现了PLC控制洗衣机的全过程。由于洗涤、甩干的时间均由PLC内计数器控制，所以只要改变计数器参数就可以改变时间。具有智能化程度高、安全可靠、方便、灵活等特点。可编程逻辑控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置，它的功能性强，可靠性高，编程简单，使用方便，体积小巧，近年来在工业生产中得到广泛的应用，被誉为当代工业自动化主要支柱之一。在现代的社会，洗衣机普及到各家各户，本文介绍了PLC用于洗衣机的控制系统，其设计理念改进了现有技术的不足，操作简单、方便。关键词洗衣机，可编程控制器（PLC），简化结构，操作方便ACCORDINGTOTHEWASHINGMACHINEINPLCCONTROLSTHEDESIGNOFTHESYSTEMANDRESEARCHABSTRACTTHISARTICLEUSEDPROGRAMMABLECONTROLLERPLCTOREALIZETHEWASHERCOMPLETELYAUTOMATICCONTROL,EXPLAINEDTHEPLCCONTROLPRINCIPLEMETHOD,THECHARACTERISTICANDCONTROLLEDTHEWASHERTHECHARACTERISTICTHEARTICLEDURINGINTRODUCTIONWASHERSTRUCTURE,CARRIESONTHEANALYSISTOTHECOMPLETELYWASHERCONTROLSYSTEM,PROPOSEDINTHISFOUNDATIONBASEDONTHEPLCCOMPLETELYWASHERCONTROLPLAN,ANDHASCARRIEDONTHEPROOFTOTHEPLAN,HASCARRIEDONTHEDESIGNACCORDINGTOTHEWASHERPRINCIPLEOFWORKTOTHEPROCEDUREANDTHEFLOW,HASTHEINTELLECTUALIZEDDEGREEHIGH,SAFERELIABLEANDSOONTHECHARACTERISTICSTOTHEBUTTON,THERELAY,THESWITCH,THEFREQUENCYCHANGERANDSOONOTHERSOMEI/OSPOTCARRIESONTHECONTROL,REALIZEDTHEWASHERTOWASHCLOTHESTHEPROCESSAUTOMATIONBECAUSESPREADSEVERYTIMELAVATION,DEHYDRATEDTIMEBYPLCINCOUNTERCONTROL,SOLONGASTHEREFORETHECHANGECOUNTERPARAMETERMAYCHANGETHETIMEPLCISTAKESCORETOCONTROLDEVISEDTHECALCULATORTECHNIQUEASTHEINGENERALUSEAUTOMATIONCONTROLEQUIPTOCOMPUTERSKILLSITSFUNCTIONISSTRONG,THECREDIBILITYISHIGH,THEPLAITDISTANCEISSIMPLE,THEUSAGEISCONVENIENT,THEPHYSICALVOLUMEISCLEVERLYMADE,INTHESEYEARS,PLCISTHEEXTENSIVEAPPLICATION,ANDDRIVEFORCONTEMPORARYTHEINDUSTRIALAUTOMATIONMAINLYPAYSONEOFTHEPILLARSINTHEMODERNTIME,THEWASHERISENTERINGEVERYFAMILYTHEARTICLEINTRODUCESANEWDECELERATINGCLUTCH,WHICHISUSEDINWASHINGMACHINE,ITCANIMPROVETHECURRENTTECHNOLOGY,SIMPLIFYSTRUCTURE,ITISALSOHELPFULTOCONTROLMOREEASILYANDCONVENIENTTOIMPROVETHESYSTEMKEYWORDSWASHINGMACHINE，PROGRAMMABLECONTROLLER，SIMPLIFYSTRUCTURE，CONTROLEASILY第1章绪论11洗衣机的发展历史机械力、洗涤液、水是洗衣机洗涤过程中的三要素。洗衣机运动部件产生的机械力和洗涤液的作用使污垢与衣物纤维脱离。加热洗涤液，可增强去污效果。织物不同，适宜液温也不同。1858年，一个叫汉密尔顿史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机。该洗衣机的主件是一只圆桶，桶内装有一根带有桨状叶子的直轴。轴是通过摇动和它相连的曲柄转动的。同年史密斯取得了这台洗衣机的专利权。但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。次年在德国出现了一种用捣衣杵作为搅拌器的洗衣机，当捣衣杵上下运动时，装有弹簧的木钉便连续作用于衣服。19世纪末期的洗衣机已发展到一只用手柄转动的八角形洗衣缸，洗衣时缸内放入热肥皂水，衣服洗净后，由轧液装置把衣服挤干。1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快1880年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。经历了上百年的发展改进，现代蒸汽洗衣机较早期有了无与伦与的提高，但原理是相同的。现代蒸汽洗衣机的功能包括蒸汽洗涤和蒸汽烘干，采用了智能水循环系统，可将高浓度洗涤液与高温蒸气同时对衣物进行双重喷淋，贯穿全部洗涤过程，实现了全球独创性的“蒸汽洗”全新洗涤方式。与普通滚筒洗衣机在洗涤时需要加热整个滚筒的水不同，蒸汽洗涤是以深层清洁衣物为目的，当少量的水进入蒸汽发生盒并转化为蒸汽后，通过高温喷射分解衣物污渍。蒸汽洗涤快速、彻底，只需要少量的水，同时可节约时间。对于放在衣柜很长时间产生褶皱、异味的冬季衣物，能让其自然舒展，抚平褶皱。“蒸汽烘干”的工作原理则是把恒定的蒸汽喷洒在衣物上，将衣物舒展开之后，再进行恒温冷凝式烘干。通过这种方式，厚重衣物不仅干得更快，并且具有舒展和熨烫的效果。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。水力洗衣机包括洗衣筒、动力源和与船相连接的连接件，洗衣机上设有进、出水孔，洗衣机外壳上设有动力源，洗衣筒上设有衣物进口孔，其进口上设有密封盖，洗衣机通过连接件与船相连。它无需任何电力，只需自然的河流水力就能洗涤衣物，解脱了船民在船上洗涤衣物的烦恼，节约时间，减轻家务劳动强度。1910年，美国的费希尔在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，美国玛塔依格公司改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。1932年，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步第一台自动洗衣机于1937年问世。这是一种“前置”式自动洗衣机。靠一根水平的轴带动的缸可容纳4000克衣服。衣服在注满水的缸内不停地上下翻滚，使之去污除垢。到了40年代便出现了现代的“上置”式自动洗衣机。随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，以电脑（实际上微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚。90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。之后，随着科技的进一步发展，滚筒洗衣机已经成了大家耳濡目染的产品。伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式。自动控制的应用领域现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器简称PLC（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC在其他领域也得到了迅速的发展。在发达的工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，在我国有越来越多的行业领域开始应用到PLC。PLC的应用领域主要有数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等几个方面。选题的背景意义洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。在工业生产中的应用也十分广泛，本课题在于家用洗衣机的研究。家用洗衣机适用于洗涤棉、毛、化纤、丝绸等衣物织品。水磨洗涤机可用于服装厂水洗牛仔服及丝绸等衣物。但是传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了。洗衣机需要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。而随着PLC技术的发展，用PLC作为控制器，就能很好地满足洗衣机对自动化的要求，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。自动化技术的飞速发展使得洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机，又正在向智能化洗衣机方向发展。本文的主要工作第一章，明确本次论文选题的背景及意义，回顾洗衣机的历史，以及自动控制的应用领域，阐述PLC控制的家用洗衣机的优点。第二章，确定系统的总体设计，对洗衣机控制系统进行简单的介绍，并交代控制系统的组成。第三章，叙述了可编程程序控制器的产生、发展、应用的历程，通过论述可编程程序控制器的各种优点、卓越性能、结构、原理，有一个感性的总体认识。第四章，对洗衣机的硬件进行设计，包括可编程控制器的设计，以及继电器、变频器的设计，并对所选器件的参数进行设定。第五章，结合洗衣机控制系统的要求，进行程序设计，并绘制系统的梯形图，对梯形图中重点的部分进行详细的分析。第2章系统的总体设计洗衣机控制系统简介本次设计的家用洗衣机是以方便家庭使用为目的而设计的，在一些家庭里，洗衣机要求操作简单，方便快捷。同时还需要洗衣机的控制系统更加稳定耐用，从而达到更好的经济收益。但是，对于控制系统来说，能达到如此的地步，就需要相当的技术标准。可编程序控制器是一种能够适应多种环境的控制装置，其稳定的性能受到广大工业生产者的好评。这种控制系统具有极高的可靠性和灵活性。应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC在其他领域也得到了迅速的发展。在性能价格比不断提高的同时，它所带来的成果越来越明显。综上，本次设计的家用洗衣机控制系统将由PLC可编程序控制器来作为主要组成部分。控制系统的组成本次设计的控制系统主要是以可编程逻辑控制器所输出的离散型指令为指令源。通过这些数字信号的输出以及其他控制电路的受控行为来指挥供电电路给电动机供电，实现了对模拟洗衣机的控制。PLC执行控制电路电机运转图系统结构框图在图21中可以看出，对供电电路的控制是本次设计的最终目的，也就是说，继电器的开合为控制电路的主要动作。模拟洗衣机的电动机是满足工业380V三相电源的交流异步电动机，要想改变电动机的旋转方向只需调换其中的任意两相。这就是继电器组的主要功能。控制电路的组成主要包括可编程序控制器、继电器组和连接电路（变频器）。其中，继电器为主要执行模块，PLC所发出的数字指令控制继电器线圈，而继电器的开合直接控制电源电路，实现对电动机的控制。另外，变频器只是作为增强效果的连接装置，在电路中控制洗涤时的电机转速，不作为必要装置。第3章可编程逻辑控制器（PLC）31PLC概述可编程控制器（PROGRAMMABIELOGICCONTROLLER,缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要，生产、发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。311可编程控制器的产生与发展在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。1968年美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。PLC的发展过程大致可以分为如下几个阶段19701980年PLC的结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展推广。PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。19801990年PLC的普及阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的价格、品种开始系列化，并且形成了固定I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有F、F1、F2小型PLC系列产品,K/A系列中、大型PLC产品等。19902000年，PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列产品等。2000年至今PLC的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。一方面，PLC在继续提高CPU运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品（包括最新的FX3U系列产品），QN,QNPH系列中，大型PLC系列产品等。312可编程控制器用途与特点简要概括PLC的用途如下（1）数字量逻辑控制这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器逻辑控制，含触点的串、并联及组合逻辑控制、定时、计数控制等。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动先控制。其应用领域已遍布各行各业，甚至深入到家庭。（2）运动控制PLC使用专用运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度控制，可以实现单轴、双轴、三轴和多轴位置控制。是运动控制与逻辑控制结合起来，可编程运动控制可以用于各种机械，如机床、装配机械、机器人、电梯等。（3）过程控制通过模拟量I/O模块，PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID功能的提供使PLC具有闭环控制能力，可用于过程控制。使PLC广泛地应用于塑料成型机、加热炉、热处理设备、锅炉及轻化工、冶金、电力等行业。（4）数据处理现代可编程控制器具有数学运算（含四则运算、函数运算、字逻辑运算、浮点运算及求反、循环、移位等）、数据传送、转换、查表、排序、位操作等功能，可以完成数据的采集和处理。运算数据可以与参考值比较用于控制，也可以通过通信传送给其他智能装置，或将数据打印制表。数据处理一般用于大型控制系统。（5）通信联网可编程控制器通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程控制器之间的通信、可编程控制器与其他智能控制设备。这些设备由网络组成集中管理分散控制的分布式控制系统，极大地提高了控制的可靠性。简单总结PLC的特点如下（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件。继电器接触器系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象大大降低了系统的可靠性。而在PLC中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，因而具有极高的可靠性。（2）配套齐全，适用性强，应用灵活由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。更重要的是，PLC系统相对继电器接触器控制系统，接线少，主要功能是通过程序实现的，在需要改变设备的控制功能时，只要修改程序，修改界限的工作量很少的。（3）编程方便，易于使用PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言，也称功能图，使编程更加简单方便。（4）功能强，扩展能力强，性价比高PLC中含有数量巨大的供用户使用的编程软元件，可轻松的实现大规模的控制。PLC配合功能单元能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多个生产线。它不但可以进行现场控制，还可以用于远程监控。与一般的继电器系统比较，具有很高的性价比。（5）PLC控制系统设计、安装、调试方便PLC用程序代替硬接线，安装接线工作量少。设计人员只要有PLC就可以进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试；而继电器系统的调试是靠在现场改变接线进行的，十分繁琐。（6）维修方便，维修工作量小PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过这些信息可以查找故障原因，便于迅速处理。（7）PLC体积小、能耗低、易于实现机电一体化采用PLC实现的控制系统与同规模的继电器系统相比，开关柜的体积缩小到原来的1/101/2；安装方便，易于实现机电一体化；由于省去了大量的继电器，能耗也大大减小。32PLC的硬件组成PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。其结构如图31所示。电源中央处理单元（CPU）输出单元输入单元存储器系统程序存储器用户程序存储器外设接口I/O扩展口图31整体式PLC的结构图中央处理单元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。33PLC的软件及应用程序编程语言PLC的软件含系统软件和用户程序。系统软件主要包括系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块及系统调用三个部分。系统管理程序是系统软件中最主要的部分，主管可编程控制器运行管理、存储空间管理及系统自检。运行管理主要是时序安排，如何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等时间上的分配管理。用户指令解释程序是联系高级程序语言和机械码的桥梁。可编程控制器可用梯形图语言编程，把使用者直观易懂的梯形图变成机械易懂的机械语言，这就是解释程序的任务。标准程序模块和系统调用由许多独立的程序块组成，各程序块具体工作都有这部分程序来完成的。这部分程序的多少决定了可编程控制器性能的强弱。用户程序即应用程序，是可编程控制器的使用者针对具体控制对象编程的程序。根据不同的控制要求编制不同的程序，相当于改变PLC的用途，相当于设计和改变继电器控制设备的硬接线线路。程序既可由编程器方便的送入到PLC内部的存储器中，也能方便的通过它读出、检查与修改。PLC提供的编程语言通常有梯形图（LAD）、指令表（STL）和顺序功能图（SFC）。梯形图是用的最多的可编程控制器图形编程语言，是在继电器接触器电路图基础上演变而来的，其编程思想也与继电器控制系统电路图基本一致，梯形图的符号、符号名称及图形结构都与继电器电路是相似的，只是PLC编程中使用的继电器实质是存储器，其功能是由软件实现的。指令表也称为语句表，类似于计算机中的助剂符语言，它是可编程控制器的基础编程语言。所谓指令表编程，是指用一系列的指令表达程序的控制要求。一条典型指令往往由两部分组成，一是由几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能，称为助剂符，另一部分为操作数或是操作数的地址。顺序功能图也叫状态流程图或步序图，是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来表达一个顺序控制过程。此外，国际上流行功能块图编程器，这是一种类似于数字逻辑门电路的图形编程语言。34可编程控制器的工作原理及运行方式341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。342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。343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。PLC的扫描工作过程如图32、图33所示读图32PLC的扫描工作输入刷新程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新图33PLC的扫描周期图35PLC的特点351可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平用户输出设备输入端子输入锁存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。352配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。353易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。354系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。355体积小，重量轻，能耗低PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。36PLC控制系统设计的基本原则361最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。362保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。363力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。364适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。37开关量IO模块的选择371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5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V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5V、12V、24V用于传输距离较近场合，如5V输入模块最远不得超过10米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。2输入接线方式开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，开关量输入模块的接线方式A汇点式输入B分组式输入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。372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，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。2输出接线方式开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式，开关量输出模块的接线方式A分组式输出B分隔式输出分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。3驱动能力开关量输出模块的输出电流驱动能力必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。4注意同时接通的输出点数量选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V2A的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A82A，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60。5输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。373模拟量IO模块的选择模拟量IO模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。模拟量输入（AD）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出DA模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。典型模拟量IO模块的量程为10V10V、010V、420MA等，还应考虑其分辨率和转换精度等因素。一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）第4章洗衣机硬件理论与设计41硬件的设计硬件设计的整体思路是通过PLC输出的数字信号控制继电器组，达到控制电路的目的，如图41。交流电源变频器PLC洗涤电机甩干电机图4142可编程控制器421可编程控制器的基本概念与基本结构随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。可编程控制器的基本概念国际电工委员会对PLC作了如下定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按以于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器的基本结构PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成，如图42所示。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。CPU模块输入模块输出模块输出电源电源开关图42可编程控制器的基本结构图CPU模块CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。I/O模块输入（INPUT）模块和输出（OUTPUT）模块简称I/O模块它们是联系系统外部设备和CPU模块的桥梁。编程器编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监控用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序。一般用于小型机或用于现场调试和维护。使用编程软件可以在计算机上直接生成梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后通过PC/PPI电缆可以下载到PLC中去，也可以将PLC当中的程序上传到计算机当中来。电源PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源。内部的开关电源为各种模块提供不同电压等级的直流电源。422可编程控制器的基本特点可编程控制器具有编程方法简单易学、功能强大、性价比高、硬件配套齐全，用户使用方便、适应性强、可靠性强、抗干扰能力强、系统的设计、安装、调试工作量少、维护工作量小、维护方便、体积小、能耗低等特点。423S7200系列PLC西门子公司的SIMATICS7200系列属于小型PLC，可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。S7200的可靠性非常高，可以用语句表、梯形图和功能块图编程。它的指令丰富，简单易学，内置有高速计数器、高速脉冲输出和PID控制器等特殊功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间。S7200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从RS485通信/编程接口通讯到自由口模式通讯，从PPI协议通讯到MPI协议通讯，从简单的S7200之间的通讯到S7200通过PROFIBUSDP网络通讯，甚至到S7200通过以太网通讯。在网络需求已日益成为必要的今天，强大的通讯无疑会使S7200为更多用户服务。424开关量I/O模块的选择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。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5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V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5V、12V、24V用于传输距离较近场合，如5V输入模块最远不得超过10米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，即汇点式和分组式。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。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。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。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。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，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。开关量输出模块的输出电流驱动能力必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V2A的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A82A，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60。开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切