工学]基于plc和组态王的全自动洗衣机控制系统设计

工学]基于plc和组态王的全自动洗衣机控制系统设计内容摘要：

PLC采用开关式稳压电源供电。 ⑤ 通信端口 PLC 的 CPU 模块上至少有一个通信端口。 通过这个通信端口， PLC 可以直接和编程器或上位机相连。 ⑥ 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。 ⑦ 特殊功能单元 PLC 的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务，如定时、计数等。 （ 3）可编程控制器的基本特点 可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点： ① 编程方法简单易学、功能强大、性价比高、硬件配套齐全，系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长； ② 也能进行连续过程的 PID 回路控制； ③ 并能与上位机构成复杂的控制系统用户使用方便、适应性强、可靠性强、抗 干扰能力强； ④ 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。 （ 4） PLC 的工作原理 PLC 的工作原理可以简单的表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。 但是，在时间上， PLC 执行的任务是按串行方式进行的，其具体的运行方式与继电器 接触器控制系统及计算机控制系统都有着一定的差异与不同。 PLC 的基本工作原理： PLC 采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。 ① 每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新； ② 输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。 只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入； 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 10 ③ 一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新； ④ 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的； ⑤ 扫描周期的长短由三条决定： CPU 执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数，现在的 PLC扫描速度都是非常快的； ⑥ 由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入 /输出滞后的现象，即输入 /输出响应延迟。 （ 5） S7200 系列 PLC 西门子公司的 SIMATIC S7200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。 本设计采用 PLC S7200 为控制核心，实现自动控制和手动控制，硬件接线简单，软件开发周期短，具有工作可靠性高，操作方便，体积小、功耗低等特点，达到良好的经济效果。 继电器 （ 1） 继电器简介 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电 路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。 故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。 只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。 当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。 这样吸合、释放，从而达到了在电河南理工大学毕业设计（论文）说明书 11 路中的导通、切断的目的。 对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 （ 2） 继电器组的应用及实现的功能 在本次设计中，对继电器的使用较为突出，原理是利用可编程序控制器的 24V 直流信号来控制继电器线圈，实现由可控制的按预定程序导通 /关断的 380V 三相电源给电动机供电。 本次使用的继电器模块由三组三联装共九个继电器组成，每组继电器完成一个功能。 可分为：正转控制组，反转控制组及脱水控制组。 控制线圈与 PLC的输出口相连，电动机高压电源 通过变频器以后与继电器“常开引脚”相连，公共端接地。 它们的开合直接由可编程序控制器输出的离散信号控制。 即当洗衣机处在洗涤过程要求正转时，正转控制组闭和，反转及脱水控制组断开，三相电源按照原始顺序接入，电源由变频器控制频率后给电动机供电，此时电动机正转且速度为预定数值；当洗衣机处在洗涤过程要求反转时，反转控制组闭和，正转及脱水控制组断开，此时，三相电源中的两相已被继电器互换相接，由于三相异步电动机改变任意两相电磁力矩相反，电源再由变频器控制频率后给电动机供电，此时电动机反转且速度为预定数值；当洗衣机处在脱水过 程要求高速正转时，脱水控制组闭和，正转及反转控制组断开，此时，三相电源按预定顺序接入，电源直接接入电动机，电动机按额定转速正转。 PLC 的选型 I/O 储存器容量的估算 PLC 常用的内存有 EPROM、 EEPROM 和带锂电池供电的 RAM。 一般微型和小型 PLC 的存储容量是固定的，介于 1— 2KB 之间。 用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如 I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。 因此在程序设计之前只能粗略地估算。 PLC 内存容量为开关量 I/O 点数、模拟量 I/O 点数和程序编写的质量所增加 的内存容量综合。 根据经验，每个 I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下： 开关量输入元件： 10— 20B/点 开关量输出元件： 5— 10B/点 定时器 /计数器： 2B/个 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 模拟量： 100— 150B/个 通信接口：一个接口一般需要 300B 以上 根据上面算出的总字节数再考虑增加 25%左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的 PLC 内存。 该系统有 11 个数字输入点 6个数字输出点，需内存 280B，有定时器 7个，计数器2个，需内存 18B，考虑余量后需要内存 370B。 CPU 的选型 PLC 的功能日益强大，一般 PLC 都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些 PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等 . 选型时可考虑以下几点：功能与任务相适应， PLC 的处理速度应满足实时控制的要求、 PLC 结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。 全自动洗衣机控制所要求的控制功能简单，小型 PLC 就能满足要求了。 该控制系统 CPU模块可采用 CPU224（ AC/DC/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。 同时由于该模块采用交流 220V 供电，并且自带 14个数字量 输入点和 10 个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块。 综上所述此次设计选用西门子 S7200 系列整体式 PLC， CPU 模块为 CPU224（ AC/DC/继电器）模块。 PLC 的框架配置图如 34所示。 C P U 模 块C P U 2 2 4 （ A C / D C /继 电 器 ） 图 34 PLC 框架配置图 PLC 的外围接线图设计 根据全自动洗衣机的控制要求，对系统控制的 I/O 点数进行了统计和 PLC 型号进行了选择，现根据以上的统计和选择对控制系统 PLC 的外部接线进行设计。 PLC 的外围接线图如图 35 所示。 在图 35中， PLC 的各个 I/O 地址分别与全自动洗衣机控制系统所有的输入信号和输出信号连接起来，注意电源和接地的连接。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 13 图 35 PLC 外部接线图 系统资源分配 输入地址分配 根据不同的 PLC配置情况确定 I/O 地址是 PLC 编程的前提与基础，程序中的地址必须与实际物理连接点一一对应，才能确保动作的正确执行。 这个控制系统的输入有启动按钮、停止按钮、高水位选择开关、中水位选择开关、低水位选择开关、手动排水开关、自动排水开关、高水位传感器、中水位传感器、低水位传感器、水排空传感器共 11 个输入 点。 现在根据全自动洗衣机的实际工作状态对 PLC 控制系统的输入地址进行分配。 具体的输入地址分配如表 31所示。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 14 表 31输入地址分配表 输出地址分配 这个控制系统需要控制的外部设备有进水电磁阀、排水电磁阀、洗涤电动机、脱水桶、报警器共 5 个设备。 但是由于洗涤电动机有正转和反转两个状态，分别为正转继电器和反转继电器，所以输出点应该有 6 个。 具体的输出分配如表 32 所示。 表 32 输出地址分配表 内部元件地址分配 全自动洗衣机的工作过程中 ，需要用到 PLC 内部的计时器和计数器对其进行过程控制，现对控制中要用到的内部元件地址进行分配。 内部地址分配表归纳如表 33所示。 输入地址 对应的外部设备 启动按扭 停止按扭 水位选择开关（高水位） 水位选择开关（中水位） 水位选择开关（低水位） 手动排水开关 手动脱水开关 高水位传感器 中水位传感器 低水位传感器 水排空传感器 输出地址 对应的外部设备 进水电磁阀 排水电磁阀 洗涤电动机正转继电器 洗涤电动机反转继电器 脱水桶 报警器 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 15 表 33 内部地址分配表 定时器 /计时器 对应的功能 T37 进水暂停计时 T38 正洗计时 T39 正洗暂停计时 T40 反转计时 T41 反转暂停计时 T42 脱水计时 T43 报警计时 C50 正反洗循环计数 C51 大循环计数 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 16 4 软件设计 编程软件 编程软件采用西门子公 司设计的编程软件 STEPMicro/Win32。 STEP7Micro/WIN32是西门子公司专为 SIMATIC S7200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于 Windows 的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。 STEP7Micro/WIN32 编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能： （ 1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。 在脱机方式时，计算机与 PLC 断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、 编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。 （ 2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的 PLC 直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。 （ 3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。 经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。 （ 4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。 （ 5）设置 PLC 的工作方式、参数和运行监控等。 软件主界面一般可分为以下 6 个区域：菜单栏（ 包含 8 个主菜单项）、工具栏（快捷按钮）、浏览栏（快捷操作窗口）、指令树 (快捷操作窗口 )、输出窗口和用户窗口（可同时或分别打开图中的 5个用户窗口）。 除菜单栏外，用户可根据需要决定其他窗口的取舍和样式的设置。 程序流程图设计 PLC 采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程序工作过程可用流程 图表示。 由于 PLC 的程序执行为循环扫描工作方式，因而与计算机程序框图不同点是， PLC 程序框图在进行输出刷新后，再。