自动洗衣机的plc控制系统设计终稿.docx
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自动洗衣机的plc控制系统设计终稿
课程（产品）设计
自动洗衣机的PLC控制系统设计
学院:
机电工程学院
专业:
自动化
班级：
08自动化B
学号:
28100102060
学生姓名:
郑钦耀
指导教师:
刘跃华
完成时间:
2012年2月5日
电子科技大学中山学院机电工程学院
课程设计任务书
题目
名称
自动洗衣机的PLC控制系统设计
设计
目的
熟悉自动洗衣机的实际应用，掌握可编程控制器的使用与设计方法；用PLC实现控制自动洗衣机的协调，达到正常工作的基本要求。
设计
条件
设计
内容
及
要求
控制系统设计的基本要求：
（1）按下启动按钮后，进水电磁阀打开并开始进水。
达到高水位时停止进水，进入洗涤状态
（2）洗涤时内筒正传洗涤10S暂停2S，再反转洗涤10S暂停2S，又正传10S暂停2S…，如此反复循环2次。
（3）洗涤结束后，排水电磁阀打开，进入排水状态。
当水位下降倒低水位时，进入脱水状态并同时排水，脱水时间10S。
这样就完成了从进水到脱水的一个大循环。
（4）经过2次上述大循环后，洗衣机自动报警装置开启，报警10秒，自动停机。
设计
步骤
1.收集资料、看资料；
2.进行自动洗衣机控制系统总体设计；
3.进行软件编写、硬件制作；
4.进行软件、硬件调试及总体调试；
5.编写设计报告。
成果
形式
（1）自动洗衣机的PLC模拟控制系统；
（2）毕业设计报告。
参考
文献
[1]史国生.电气控制与可编程控制器技术（第二版）[M].北京:
化学工业出版社，2008
[2]郁汉琪.电气控制与可编程控制器应用技术（第2版）[M].南京:
东南大学出版社，2009
[3]王建,张宏.三菱PLC入门与典型应用[M].北京:
中国电力出版社，2006
[4]王阿根.电气可编程控制原理与应用[M].北京:
清华大学出版社，2007
[5]龚仲华,史建成,孙毅.三菱FX/Q系列PLC应用技术[M].北京:
人民邮电出版社，2006
[6]贾德胜.PLC应用开发实用子程序[M].北京:
人民邮电出版社，2006
[7]洪志育.例说PLC[M].北京:
人民邮电出版社，2006
指导
教师
年月日
课程设计成绩评定表
设计过程及成果
评语：
成绩（70%）指导教师：
年月日
答辩
评语：
成绩（30%）答辩组长：
年月日
总评
审核人：
年月日
前言
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，可编程控制器PLC在工业控制领域内得到十分广泛地应用。
PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置。
它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令。
通过数字或模拟的输入／输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、计数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。
工业化的加速发展，出现了洗衣机，出现了自动洗衣机。
无论是波轮式洗衣机也好，还是滚筒式洗衣机也好，都朝着智能化、水流方式多样化、洗衣方式创新化、设计更趋人性化四大特征方向发展。
传统的电气控制已经不能满足现状的要求了，使智能化的控制取代了传统的工业控制。
本次设计要求设计出由PLC控制的自动洗衣机控制系统,制作出其模拟控制系统并编写出控制程序，经过调试并运行，达到其控制要求。
1可编程控制器概述
1.1可编程控制器的定义
PLC（ProgrammableLogicController），中文名称为可编程控制器，是一种电气自动化控制装置，国际电工委员会（IEC）将PLC定义为：
是为工业环境下应用的数字运算操作的电子装置，专为在工业环境下应用而设计。
它使用可编程存储器内部储存用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来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的设备，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。
1.2可编程控制器的特点及应用
1.2.1PLC的特点
（1）控制程序可变，具有很好的柔性
在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改变程序就可满足要求。
因此，除单机控制外，PLC在柔性制造单元（FMC），柔性制造系统（FMS），以致工厂自动化（FA）中也被大量采用。
（2）具有高度可靠性，适用于工业环境
PLC产品的平均故障间隔时间（MTBF）一般可达到5年以上，因此是一种高度可靠的工业产品，大大提高了生产设备的运行效率。
PLC不要求专用设备的机房，这为工业现场的大量直接使用提供了方便。
（3）功能完善
现代PLC具有数字和模拟量输入/输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、PID调节、各种智能模块、远程I/O模块、通信、人－机对话，自诊断，记录和图形显示、组态等功能。
除了适用于离散型开关量控制系统外，现在也能应用于连续的流程控制系统，从而使设备的控制水平大大提高。
（4）易于掌握，便于维修
由于PLC使用编程器进行编程和监控，使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言（或语句表、流程图）就可进行用户程序的编制和测试。
因此，即使不太懂得计算机的操作人员，也能掌握和使用PLC。
也由于PLC有完善的自诊断功能，输入／输出均有明显的指示，在线监控软件的功能很强，因此，很容易进行维修，能很快查找出故障的原因。
PLC本身高可靠性也保证了故障的几率是很低的。
（5）体积小，省电
与传统的控制系统相比，PLC的体积很小，一台收录机一样大小的PLC具有相当于三个1.8m高继电器控制柜的功能。
PLC消耗的功能只是传统控制系统的三分之一至二分之一。
（6）价格低廉
随着集成电路芯片功能的提高，价格的降低，可编程控制器硬件的价格也一直不断地在下降。
虽然PLC的软件价格在系统中所占的比重在不断提高，但由于缩短了整个工程项目的设计，编程和投运费用以及缩短了整个投运周期，因此，使用PLC的总造价是低廉的，而且还呈不断下降的趋势。
【2】
1.2.2PLC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）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
【3】
1.3PLC的基本组成
可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。
1.3.1PLC的硬件结构
如图1-1所示为PLC的硬件结构图。
图1-1PLC的硬件结构
（1）中央控制处理单元（CPU）
可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。
（2）存储器
可编程控制器配有两种存储器：
系统存储器和用户存储器。
系统存储器：
存放系统管理程序，用只读存储器实现。
用户存储器：
存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中。
（3）输入输出接口
作用：
连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。
对输入输出接口的要求：
良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。
PLC输入输出接口的类型：
模拟量输入输出接口、开关量输入输出接口（直流、交流及交直流）。
用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。
1）开关量输入接口电路
各种输入接口均采取了抗干扰措施。
如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。
通常有三种类型：
直流（12~24）V输入、交流（100~120）V输入与交流（200~240）V输入和交直流（12~24）V输入。
直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入信号接通时输入电流一般小于10mA；交流输入模块的电源一般由用户提供。
如图1-2所示为直流输入接口。
图1-2直流输入接口
2）开关量输出接口电路
有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。
开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。
开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。
如图1-3所示为交直流输入接口（继电器输出型）。
图1-3交直流输出接口（继电器输出型）
（4）电源
PLC的供电电源一般是市电，也有用直流24V电源供电的。
（5）外围设备：
编程器、打印机、演示板等
利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。
（6）用户输入输出设备
用户输入器件有控制开关和检测元件，即各种开关、按钮、传感器等；用户输出设备主要有接触器、电磁阀、指示灯等。
【5】
1.3.2PLC的软件系统
PLC的软件系统由系统程序和用户程序组成。
（1）系统程序
用于控制可编程控制器本身的运行。
有系统管理程序、用户程序编辑和指令解释程序、标准子程序与调用管理程序3种类型。
1）系统管理程序。
由它决定系统工作节拍，包括PLC运行管理（各种操作的时间分配安排）、存储空间管理（生成用户数据区）和系统自诊断管理（如电源、系统出错，程序语法、句法检验等）。
2）用户程序编辑和指令解释程序。
编辑程序能将用户程序变为内码形式以便程序的修改、调试。
解释程序能将编程语言变为机器语言以便CPU操作运行。
3）标准子程序与调用管理程序。
为提高运行速度，在程序执行中某些信息处理（如I/O处理）或特殊运算等是通过调试标准子程序来完成的。
（2）用户程序
它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。
根据系统配置和控制要求编辑用户程序，是PLC应用与工业控制的一个重要环节。
PLC的语言编辑多种多样，不同PLC厂家、不同系列PLC采用的编程语言不尽相同。
【3】
在PLC中有多种程序设计语言,如梯形图语言、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。
（1）梯形图（LadderDiagram）
梯形图（LadderProgramming）是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。
它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。
梯形图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与电气操作原理相呼应。
它的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知。
PLC的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。
PLC的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的，其主要特点为使用方便、修改灵活。
（2）指令表（Instructionlist）
指令表也叫做语句表，是程序的另一种表示方法。
它和单片机程序中的汇编语言有点类似，由语句指令依一定的顺序排列而成。
一条指令一般可分为两个部分，一为助记符，二为操作数。
也有只有助记符没有操作数的指令，称为无操作数指令。
指令表程序和梯形图程序有严格的对应关系。
（3）顺序功能图（Sequentialfunctionchart）
顺序功能图简称SFC编程指令，常用来编辑顺序控制类程序。
它包含步、动作、转换三个要素。
顺序功能图编程法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小的工作状态的功能分别处理后再依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制顺序。
（4）功能图块（Functionblockdiagram）
功能图块是一种类似于数字逻辑电路的编程语言。
该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，信号自左向右流动。
就像电路图一样，它们被“导线”连接在一起。
（5）结构文体（Structuredtext）
结构文体描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的运算关系，完成所需的功能或操作。
大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化
可编程控制器的编程语言是编制可编程控制器应用软件的工具。
它是以PLC的输入口、输出口、机内元件进行逻辑组合以及数量关系实现的控制要求，并存储在机内的存储器中。
【1】
1.4PLC的工作原理
可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。
但个人计算机与PLC的工作方式有所不同，计算机一般采用等待命令的工作方式。
如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。
当键盘有键按下或I/O口有信号时则中断转入相应子程序，而PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是以循环扫描方式完成的。
【1】
如图1-4所示为PLC的工作过程。
图1-4PLC的工作过程
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。
（1）输入采样阶段
也称输入采样。
在这个阶段中，PLC读入输入口的状态，并将它们存放在输入数据暂存区中。
在执行程序过程中，即使输入口状态有变化，输入数据暂存区中的内容也不变，直到下一个周期的输入处理阶段，才读入这种变化。
（2）程序执行阶段
在这个阶段中，PLC根据本次读入的输入数据，依用户程序的顺序逐条执行用户程序。
执行的结果均存储在输出状态暂存区中。
（3）输出处理阶段
也叫输出刷新阶段。
这是一个程序执行周期的最后阶段。
PLC将本次用户程序的执行结果一次性的从输出状态暂存区送到各个输出口，对输出状态进行刷新。
这三个阶段也是分时完成的。
为了连续地完成PLC所承担的工作，系统必须周而复始地依一定的顺序完成这一系列的具体工作。
这种工作方式叫做循环扫描工作方式。
2PLC系统控制设计的方法
2.1PLC控制系统设计概要
PLC的内部结构尽管与计算机、微机相类似，但其接口电路不相同，编程语言也不一致。
因此，PLC控制系统与微机控制系统开发过程不完全相同，需要根据PLC本身的特点、性能进行系统设计。
2.1.1PLC控制系统设计的基本原则
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）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。
（2）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。
（3）在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、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。
（4）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。
【6】
2.1.2PLC控制系统设计的基本内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。
因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括以下内容。
（1）确定系统运行方式与控制方式。
PLC可构成各种各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。
在进行应用系统设计时，要确定系统的构成形式。
（2）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。
这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法属于其他课程的内容。
（3）PLC的选择。
PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。
选择PLC应包括机型选择、容量选择、I／O模块选择、电源模块选择等。
（4）分配I／0点，绘制I／0连接图，必要时还须设计控制台（柜）。
（5）设计控制程序。
控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统正常、安全、可靠的关键。
因此控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为止。
（6）编制控制系统的技术文件，包括说明书、电气原理图及电气元件明细表、I／0连接图、I／O地址分配表、控制软件。
【7】
2.1.3PLC控制系统设计的一般步骤
设计PLC控制系统的一般步骤如图2-1所示。
图2-1PLC控制系统设计步骤
（1）根据生产的工艺过程分析控制要求，需要完成的动作、操作方式；
（2）根据控制要求确定所需要的输入、输出设备。
据此确定PLC的I/O点数；
（3）选择PLC机型及容量；
（4）定义输入、输出点名称，分配PLC的I/O点，设计I/O连接图；
（5）根据PLC所要完成的任务及应具备的功能，进行PLC程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计的现场施工；
（6）待控制台（柜）设计及现场施工完成后，进行联机调试。
如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足为止；
（7）编制技术文件；
（8）交付使用【1】。
2.2PLC硬件系统的设计
2.2.1PLC型号的选择
在作出系统控制方案的决策之前，要详细了解被控对象的控制要求，从而决定是否选用PLC进行控制。
在控制系统逻辑关系较复杂（需要大量中间继电器、时间继电器、计数器等）、工艺流程和产品改型较频繁、需要进行数据处理和信息管理（有数据运算、模拟量的控制、PID调节等）、系统要求有较高的可靠性和稳定性、准备实现工厂自动化联网等情况下，使用PLC控制是很必要的。
机型的选择可从以下几个方面来考虑。
（1）对输入/输出点的选择
盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。
要先弄清除控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15～20％留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。
另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60％；PLC每个输出点的驱动能力（A/点）也是有限的，有的PLC其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般PLC的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。
在选型时要考虑这些问题。
（2）对存储容量的选择
对用户存储容量只能作粗略的估算。
在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘10字/点＋输出总点数乘5字/点来估算；计数器/定时器按（3～5）字/个估算；有运算处理时按（5～10）字/量估算；在有模拟量输入/输出的系统中，可以按每输入/（或输出）一路模拟量约需（80～100）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。
最后，一般按估算容量的50～100％留有裕量。
对缺乏经验的设计者，选择容量时留有裕量要大些。
（3）对I/O响应时间的选择
PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。
对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。
但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。
（4）根据输出负载的特点选型
不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。
但继电器输出型的PLC有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。
所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。
（5）对在线和离线编程的选择
离线编程示指主机和编程器共用一个CPU，通过编程器的方式选择开关来选择PLC的编程、监控和运行工作状态。
编程状态时，CPU只为编程器服务，而不对现场进行控制。
专用编程器编程属于这种情况。
在线编程是指主机和编程器各有一个CPU，主机的CPU完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描
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