自动洗车机的PLC控制Word文档格式.docx

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2.1PLC的发展历程3

2.2PLC的应用领域3

2.3PLC的构成3

2.3.1CPU的构成3

2.3.2I/O模块4

2.4PLC的工作原理5

2.4.1PLC的工作过程及运行方式5

2.5PLC的外部设备及通信联网6

2.6PLC的未来展望7

3.三菱FX系列的软件介绍8

3.1三菱FX2N系列的软件8

3.1.1FX2N系列PLC编程元件及基本特征8

4.设计目的10

4.1投币退币功能10

4.2洗车动作流程10

4.3原点复位设计10

5.PLC控制系统中的应用11

5.1自动洗车机的PLC控制原理11

6.PLC运行过程及其控制要求14

总结15

致谢16

参考文献17

附录A18

附录B24

1绪论

1.1PLC的概述

可编程控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，简称PLC）。

与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。

国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：

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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

1.2PLC的特点

（1）编程方法简单易学

梯形图是使用的最多的PLC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，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花集天地的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，PLC在执行梯形图程序时，将它“翻译”成汇编语言后在执行。

（2）功能强，性能价格比较强

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程软件，可以实现非常复杂的控制功能与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

PLC还可以通过通信联网实现分散控制。

（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、系列化、模块化，配备有平准齐全的各种硬件装置供用户选择，用户能灵活方便的进行系统配置，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由较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器。

硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便、快速的适应工艺条件的变化。

（4）可靠性高、抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障。

PLC用软件代替中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可以减少到继电器控制系统的十分之一甚至百分之一。

PLC使用了一系列的硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于由强烈干扰的工业生产现场，已被公认为做可靠的工业控制设备之一。

（5）系统的设计、安装、调试工作量少

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

（6）维修工作量小、维修方便

PLC的故障率很低，具有完善的自诊断功能。

（7）体积小、能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可以将开关柜的体积缩小到原来的1/2甚至1/10。

2PLC基础知识

2.1PLC的发展历程

自20世纪60年代末期世界第一台PLC问世以来，PLC发展十分迅速，特别是近些年来。

随着微电子技术和计算机技术的不断发展，PLC在处理速度、控制功能、通信能力及控制领域等方面都有新的突破。

PLC将传统的继电——接触器的控制技术和现代计算机信息处理技术的优点有机结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最广的控制设备之一，并已成为现代工业生产自动化的重要支柱。

2.2PLC的应用领域

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开关量逻辑控制

2运动控制

3闭环过程控制

4数据处理

5通信联网

2.3PLC的构成

从结构上分，PLC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。

2.3.1CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

2.3.2I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

如下图所示：

图2.1I／O模块

常用的I/O分类如下：

开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

2.4PLC的工作原理

图2.2PLC的结构图

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：

首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。

随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：

当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

2.4.1PLC的工作过程及运行方式

最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：

（1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。

（2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。

这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

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

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。

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。

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。

2.5PLC的外部设备及通信联网

（1）外部设备

外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类

1、编程设备：

有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

2、监控设备：

有数据监视器和图形监视器。

直接监视数据或通过画面监视数据。

3、存储设备：

有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

4、输入输出设备：

用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。

（2）通信联网

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。

当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。

了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。

2.6PLC的未来展望

21世纪，PLC会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；

从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；

从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；

从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；

从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。

伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

3.三菱FX系列的软件介绍

三菱公司的FX系列PLC是比较具有代表性的微型PLC，除具有基本的指令表编程以外，还可采用梯形图编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC（sequentialfunctionchart）顺序功能图编程，而且这些程序可以相互转换。

在FX系列的PLC中设置了高速计数器扩大了PLC的应用领域。

3.1三菱FX2N系列的软件

FX2N系列PLC在FX系列中规格最大、性能最高、功能最强，可以适用于大多数单机控制或简单网络控制。

该可编程控制器主要有电源+CPU+输入输出+程序存储器（RAM）的单元型可编程控制器。

为主机备有可扩充其输入输出点数的“扩展单元（电源+I/O）”和“扩展模块（I/O）”此外，还可连接特殊扩展设备，用于特殊控制。

FX2N系列最多带256个I/O点，是FX系列PLC里面功能比较先进的系列，具备更

高的灵活性，增加了时钟控制，过程PID控制，很强的数学指令集等，是小系统

工业自动化应用中的首选PLC。

FX2N系列PLC具有128种298条应用指令，可分为程序控制类、数据处理类、特种应用类及外部设备类。

其中数据处理类指令最多，使用最频繁，又可分为传送比较、四则及逻辑运算、移位、编码解码等类别。

程序控制类指令主要用于程序的结构及流程控制，包含子程序、中断、跳转及循环等指令。

以上两大类指令我们将在后两节专门介绍。

外部设备类指令含一般的输入输出口设备及专用的外部设备两大类。

特种应用指令是机器的一些特殊应用，如高速计数器等指令。

应用指令的种类详见附录2。

功能指令处理的数据很多，数据在存储单元中流转的过程复杂，所以重要的是掌握指令的数据形式及数据的流传过程。

3.1.1FX2N系列PLC编程元件及基本特征

（1）代表功能的字母：

输入继电器用“X”表示、输出继电器用“Y”表示。

（2）数字：

数字为该类器件的序号。

FX2N系列PLC中输入、输出继电器的序号为八进制，其余为十进制。

（3）编程元件和继电接触器的元件类似、具有线圈和常开常闭触点。

当线圈披选中（通电）时，常开触点闭合，常闭触点断开，当线圈失。

去选中件时，常闭接通，常开断开。

可编程序控制器的编程元件可以有无数多个常开、常闭触点。

（4）数值的处理：

1）定时器和计数器的设定值（K常数）。

2）辅助继电器（M）、定时器（T）、计数器（C）、状态器等的编号（软元件编号）。

3）指定应用指令操作数中的数值与指令动作（K常数）。

（5）辅助继电器：

这类辅助继电器的线圈与输出继电器一样有无数的电子常开和常闭触点该触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动要通过输出继电器进行。

如果在PLC运行过程中停电，输出继电器及一般用辅助继电器都断开。

再运行时，除了输入条件为ON（接通）的情况以外，都为断开状态。

分为一般用（M0～M499）、停电保持用（M500～M3071）和特殊用途（M8000～M8255）辅助继电器。

FX2N系列PLC内的一般用辅助继电器和部分停电保持用辅助继电器M500～M1023）。

特殊辅助继电器分为触点利用型特殊辅助继电器和线圈驱动型特殊辅助继电器。

4.设计目的

4.1投币退币功能

（1）、设计投币100元自助洗衣车机。

（2）、有3个投币孔，分别为5元、10元及50元3种，当投币合计100元或超过时，按启动开关洗车机才会动作，启动灯亮起。

（3）、7段数码管会显示投币金额，当投币超过100元时，可按退币按钮，这时7段数码管会退回零，表示找加余额。

4.2洗车动作流程

（1）、按下启动开关之后，洗衣车机开始往右移，喷水设备开始喷水，刷子开始洗刷。

（2）、洗车机右移到达右限开关后，开始往左移，喷水机及刷子继续动作。

（3）、洗车机左移到达左极限开关后，开始往右移，继续喷洒清洁剂。

（4）、洗车机右移到达右极限开关后，开始往左移，继续喷洒清洁剂。

（5）、洗车机左移到达左极限开关后，开始往右移，清洁剂停止喷洒，当洗车机往右移3S后停止，刷子开始洗刷。

（6）、刷子洗刷5S后停止，洗衣车机继续往右移，右移3S后，洗衣车机停止，刷子又开始洗衣刷5S后停止，洗车机继续往右移，到达右极限开关停止，然后往左移。

（7）、洗车机往左移3S后停止，刷子开始洗衣刷5S后停止，洗衣车机继续往左移3S后停止，刷子开始洗刷5S后停止，洗车机继续往左移，直到碰到左极限开关后停止，然后往右移。

（8）、洗车机开始往右移，并喷洒清水与洗刷动作，将车洗衣干净，当碰到右极限开关时，洗车机停止前进并往左移，喷洒清水及刷子洗衣刷继续动作，直到碰到左极限开关后停止，并开始往右移。

（9）、洗车机往右移，风扇设备动作将车吹干，碰到右极限开关时，洗车机停止并往左移，风扇继续吹干动作，直到碰到左极限开关，则洗衣车整个流程完成，启动灯熄灭。

4.3原点复位设计

若洗车机正在动作时发生停电或故障，则故障排除后心须使用原点复位，将洗车机复位到原点，才能做洗车全流程的动作，洗衣车机往左移，当洗车机到达左极限开关时，原点复位灯亮起，表示洗车机完成复位动作。

5.PLC控制系统中的应用

5.1自动洗车机的PLC控制原理

（1）自动洗车机配置图

图5.1自动洗车机配置图

（2）自动洗车机的PLC实物图

图5.2PLC实物图

三菱FX2N系列PLC（如上图）是超小型机，I/O点数最大可扩展到256点。

它有内置8k步的RAM，使用存储盒后，最大容量可扩大到16k步，编程指令达327条。

PLC运行时，对一条基本指令的处理时间只要0.08μs。

它不仅能完成逻辑控制、数据排列、三角函数运算、平方根以及浮点数运算、PID运算等更为复杂的数据处理。

本系统选用三菱FX2N-32MR型PLC，I/O总点数为32点。

输入、输出端选AC电源220V。

（3）系统组成

图5.3自动洗车机系统组成图

（4）I/O分配

输入点

X0：

左极限感测开关

X1：

右极限感测开关

X2：

启动开关

X3：

复位开关

X4：

退币孔

X5：

5元投币孔

X10：

10元投币孔

X15：

50元投币孔

输出点

Y0：

洗车机左移

Y1：

洗车机右移

Y2：

喷水机洒水

Y3：

喷洒清洁剂

Y4：

刷子洗刷动作

Y5：

风扇吹干动作

Y6启动灯Y7原点复位灯

Y10~Y17七段灯显示金额

表5.1自动洗车机的I/O分配表

（5）外部接线图

图5.4自动洗车机的外部接线图

6.PLC运行过程及其控制要求

第1逻辑行X3为复位开关，当X3为接通状态是复位Y2喷水机洒水，Y3喷洒清结剂，Y4刷子洗刷动作，Y5风扇吹干动作，Y1洗车机右移，置位Y0，当洗车机在左限时，左极限感测开关X0通接为常闭状态，接通Y0，显示已在原点位置。

进行投币时第25、33、41、逻辑行中X5，X10，X15，为别为5元，10元，50元投币孔，每投一次币后会自动累计由第10逻辑行驱动七段数码管显示金额，只能金额大于或等于100元时才能按启动按钮X2，投入金额超过100元，X4接通进进行退币，分别置位M20，M100，M20接通使逻辑行52进行比较是否过额超过50元，若超过50元后，使M15，M16，为接通状态，减去50元由退币孔退还50元，此时超额以小于50元，使M17为接通状态，同时2秒后，T8通接判断此时是否大于10元，若还是大于10元，M12，M13为接通状态，右减去10元由退币孔退还10元，一直退还到小于10元时，复位M12，M13。

M14接通状态，同时再2秒后T9接通进行比较，等于5元M10接通，此时逻辑行104，时行减5元，由退币孔退还，此刻D0置存器以为0，由逻辑行114判断是否退还所有超出金额，M25接通T10设时1秒后，复位M2