最新全自动洗衣机系统Word文档下载推荐.docx

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谢汝生

2011年6月日

摘要

本文介绍了可编程序控制器（PLC）和PLC控制系统的基本知识，包括PLC的定义、特点、分类、技术指标、基本结构、工作原理、硬件知识、西门子S7-200系列PLC的程序设计基础及PLC控制系统等知识。

然后以西门子公司的S7-200系列小型PLC为控制装置，设计了一个简单的全自动洗衣机控制系统，并描述了全自动洗衣机控制系统的设计过程和运行结果。

关键词：

PLC可编程控制器、全自动洗衣机、自动控制

1．概述

1.1PLC产生背景

可编程序控制器（ProgrammableLogicController,PLC）在产生之间，主要用继电器作为产生系统的控制。

继电器的三大作用：

弱电控制强电、电气隔离、进行简单逻辑运算，因为这些作用较适合当时对自动控制要求还比较的低的工业生产，所以在PLC未产生之前，它得到了大量的运用。

传统的继电器控制系统，因为控制系统要求比较简单，所以使用的继电器数量较少，成本低，维修还不太困难，系统反应速度还能满足生产要求，但现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，传统的继电器控制系统成为实现这一目标的巨大障碍。

因为庞大的控制系统如果采用继电器的控制，要求的继电器的数量是巨大的，这使得系统的控制速度慢，易出故障，可靠性不高，维修困难，功耗大，灵活性变差。

因此需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更加可靠、更容易维修和适应经常变化的工业生产条件，于是PLC便在这种情况下产生了。

1.2PLC的基本概念与基本结构

1.2.1PLC的基本概念

可编程序控制器（PLC）:

可编程序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、计数和算术运算等操作的指令，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。

可编程序控制及其有关设备，都应按易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。

1.2.2PLC的基本结构

PLC主要同CPU模块、输入模块（input）、输出模块（output）、编程器和电源模块组成（如图1-1）。

1．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，它的物理存储器分为：

随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可以电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）。

2．I/O模块

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

I/O模块的作用：

输入模块用来接收和采集输入信号。

PLC通过输入模块检测被控对象或被控生产过程的各种参数，这些参数数据输入到PLC中用来控制PLC工作。

（a）开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号。

（b）模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。

输出模块将PLC处理的结果送出PLC去控制外部设备，达到控制工业生产过程的目的。

（a）开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。

（b）模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行机构。

通过上面对I/O模块的功能介绍和图1-1，简单的概括I/O模块的功能：

传递信号、电平变换、噪声隔离。

3．编程器

编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改、调试用户程序，监视用户程序执行情况。

现在的发展趋势，编程软件取代了手持式编程器，在计算器上编好的PLC程序编译无错后通过通信电缆下载到PLC上来达到编程器的目的，所以现在的PLC大多都没有带编程器。

4．电源

PLC使用AC220V电源或DC24V电源。

内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。

小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

1.3PLC的特点与应用领域

1.3.1PLC的特点

1.编程方法简单易学

梯形图是使用最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂。

2.功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器控制系统相比，具有很高的性能价格比。

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系统化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

4.可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。

而这些继电器是机械开关，使用寿命有限，容易出现故障。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。

5.系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件轼能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减小。

PLC的梯形图程序一般用顺序控制设计法来设计，这种编程方法很有规律，很容易掌握。

完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

6.维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。

如果发生故障时，只要查出发生故障的模块更换模块就可以迅速地排除故障。

7.体积小，能耗低

PLC与大量的继电器相比，体积大大减小，耗能也比继电器少。

因为PLC采用程序来取代大量继电器的电路连接，所以配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以节省大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节小大量的费用。

1.3.2PLC的应用领域

1.开关量逻辑控制

PLC最基本最广泛的应用就是开关量逻辑控制。

其输入输出均为开关量信号，控制过程替代继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制，可以用于单台设备，也可用于自动生产线，应用领域遍及各行各业。

2.运动控制

PLC使用专用的运动控制模块，对直线运动、圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，广泛应用于各种机械的加工场合。

3.闭环过程控制

通过PLC的模拟量A/D、D/A模块，可以完成模拟量和数字量之间的相互转换，实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID（比例－积分－微分）闭环过程控制。

4.数据处理

现代PLC具有数学运算、数据传输、数据转换、排序、查表等功能，可能实现数据采集、分析和处理，大大增强了PLC自动控制系统的功能。

5.通信联网

PLC的通信包括主机与远程I/O之间、多台PLC之间、PLC与其它智能设备（如计算机、变频器、数控装置等）之间的通信。

PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“分散控制、集中管理”的分布式自动控制系统（DCS系统）。

1.3.3PLC与其它控制设备的比较

个人计算机：

有较强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但主要为办公自动化和家庭设计，对环境要求不高，抗干扰能力不强，不能直接用于工业生产现场。

单片机：

只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。

要专门设计和制作配套的I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，要求设计者具有较强的计算机专业知识和电路设计及制作能力。

工业控制计算机：

专为工业控制而设计，控制功能强大，速度快，可靠性高，数据处理能力强，图形显示功能好,价格高。

外部接线多采用多芯扁平电缆和插头插座直接从各种印制电路板卡引出，接线不如PLC方便

2.PLC的硬件与工作原理

2.1PLC的硬件

2.1.1PLC的物理结构

根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。

1．整体式PLC

整体式又叫单元式或箱体式，即将PLC的模块集中装在一个箱体中。

它的特点是：

体积小、价格低，小型PCL一般采用这种结构，单一的整体式PLC功能较固定，如果需要扩展功能，可以将扩展模块通过扁平电缆与PLC的CPU模块连接。

2．模块式PLC

模块式即各功能模块没有像整体式那样集中装在一个箱体中，而是可以比较自由的组合。

模块式PLC特点：

可以灵活的组装用户需要的功能，维修时更换模块、判断故障范围很方便，大、中型PLC一般采用模块式结构。

2.1.2CPU模块中的存储器

存储器分为系统存储器和用户程序存储器。

PLC的CPU模块中的存储器：

2.1.3I/O模块

在PLC中各I/O点的通/断状态用发光二极管（LED）显示，PLC与外部接线的连接一般采用接线端子。

1．输入模块

输入电路设有RE滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。

输入方式：

直流输入模块、交流输入模块。

图2-1是S7-200的直流输入模块的内部电路和外部接线图。

当外接触点接通时，光耦合器中两个反并联的发光二极管中的一个亮，光敏三极管饱和导通；

外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经内部电路传送给CPU模块。

交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。

2．输出模块

PLC的输出模块的输出电路：

继电器输出电路、场效应晶体管输出电路、双向晶闸管输出电路。

继电器输出电路：

既可以驱动直流负载也可以驱动交流负载，同时继电器起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。

与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。

场效应晶体管输出电路：

只能驱动直流负载，输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给场效应晶体管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。

图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应晶体管。

双向晶闸管输出电路：

只能驱动交流负载。

2.2PLC的工作原理

2.2.1PLC的操作模式

1．PLC有两种操作模式，即RUN（运行）模式与STOP（停止）模式。

在RUN模式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

在STOP模式，CPU不执行用户程序。

2．CPU模块上的模式开关在STOP位置时，将停止用户程序的运行；

在RUN位置时，将启动用户程序的运行。

模式开关在STOP或TERM（Terminal，终端）位置时，电源通电后CPU自动进入STOP模式；

在RUN位置时，电源通电后自动进入RUN模式。

2.2.2PLC的工作原理

PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化工作。

为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同的任务（如图2-2），这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

PLC在RUN工作模式下，将采用周期性循环扫描、分时操作的工作方式，不断地读取输入，执行用户程序，处理通信请求，自诊断检查，改写输出。