PLC全自动洗衣机控制系统设计方案.docx

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PLC全自动洗衣机控制系统设计方案

摘要

中文摘要：

该毕业设计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、硬件知识及PLC控制系统等相关知识。

采用三菱公司的FX2N系列的PLC，设计了一个简单的全自动洗衣机控制系统。

全自动洗衣机通过了可编程序控制器来实现洗涤过程，省时省力。

英文摘要：

Abstract

Thegraduationdesignintroducestheprogrammablelogiccontroller（PLC）andPLCtocontrolthebasicknowledgeofthesystem,includePLCdefinition,characteristics,arrange,thetechniquetarget,basicstructure,theworkprinciple,thehardwareknowledgeandcontrolofPLCthesystemrelatedknowledge.ThedesignadoptthePLCoftheseriesofFX2NoftheSanLingcompany,designaninbriefcontrolsystemoffull-automaticwashingmachine.Thefull-automaticwashingmachinepassestheprogrammablelogiccontrollertocarryoutthewashprocess,savetimelabor-saving.

前言

可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。

现已广泛应用于工业控制的各个领域，它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

该设计采用三菱公司的F1系列可编程控制器。

F1系列有被已在国内广泛使用的FX系列代替的趋势。

我们在这里有必要详细介绍三菱的FX系列可编程控制器的性能指标，硬件组成和指令。

PLC的学习比一般编程学习困难在于，要完成一个控制系统不仅需要掌握一定的编程技术，更为重要的是要知道如何针对实际应用的需要选择合适的PLC型号，然后进行资源配置，设计控制系统。

该设计为全自动洗衣机的PLC控制，主要介绍了全自动洗衣机的工作原理，控制系统的PLC的选型和资源的配置，控制系统程序设计与调试，控制系统PLC程序。

最后，在该设计过程中给予极大鼓励和帮助的老师、同学，在此表示衷心的感谢。

由于在设计过程中存在许多不足，希望老师同学指正。

目录

摘要…………………………………………………………………1

目录…………………………………………………………………3

第一章绪论……………………………………………………………4

1.1概论………………………………………………………………4

1.1.1PLC的定义……………………………………………………4

1.2PLC的特点…………………………………………………………4

1.2.1高可靠性………………………………………………………5

1.2.2应用灵活，使用方便…………………………………………5

1.2.3面向控制过程的编程语言，容易掌握………………………5

1.3PLC的分类…………………………………………………………5

1.3.1小型PLC………………………………………………………5

1.3.2中型PLC………………………………………………………6

1.3.3大型PLC………………………………………………………6

1.4PLC的主要技术指标………………………………………………6

1.4.1存储器容量……………………………………………………6

1.4.2输入/输出点数…………………………………………………6

1.4.3扫描时间………………………………………………………6

1.4.4指令种类和数量………………………………………………6

1.4.5内部寄存的种类和数量………………………………………7

1.4.6扩展能力………………………………………………………7

1.4.7智能模块的种类和数量………………………………………7

第二章PLC的结构……………………………………………………8

2.1PLC的基本结构…………………………………………………8

2.2整体式的结构PLC………………………………………………8

2.3模块式结构的PLC………………………………………………8

2.4PLC各组成部分介绍……………………………………………9

2.5基本指令…………………………………………………………10

第三章PLC的工作原理………………………………………………11

3.1循环扫描技术……………………………………………………11

3.2PLC的输入/输出的响应时间……………………………………12

第四章PLC的控制系统设计原则和设计步骤………………………14

4.1设计原则…………………………………………………………14

4.2设计步骤…………………………………………………………14

第五章PLC的硬件知识………………………………………………16

5.1PLC的模块介绍…………………………………………………16

5.2FX2NPLC的硬件系统构成………………………………………18

第六章课程设计PLC全自动洗衣机控制系统设计…………………20

6.1全自动洗衣机控制系统的设计要求……………………………20

6.2全自动洗衣机控制系统的PLC选型和资源配置………………21

6.3全自动洗衣机控制系统程序设计和调试………………………22

6.4全自动洗衣机控制PLC程序……………………………………24

6.5设计小结…………………………………………………………32

第七章参考文献………………………………………………………33

第一章绪论

首先介绍一下可编程控制器（PLC）和PLC控制系统的基本知识，包括PLC的产生和发展、特点、技术指标、基本结构、工作原理及PLC控制系统等相关知识。

1.1概述

可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现已广泛应用于控制的各个领域。

它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

1.1.1PLC的定义

PLC自问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。

为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC标准的草案第一、二、三稿，并在1987年作了如下的定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程控制器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及基有关外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充基其功能的原则设计的。

”总之，可编程控制器是一台专为工业环境而设计的计算机，它是将传统的计算机技术、继电器技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置。

在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体的工业应用，因此它的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。

1．2PLC的特点

PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以要工业控制方面，它具有继电器或通用计算机所无法比拟的特点。

1.2.1高可靠性

PLC的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面：

（1）在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对选用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强硬的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；所有的输入/输出接口都采用光电隔离措施，使外部电路和PLC内部电路能有效的进行隔离；PLC模块式的结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量的缩短系统的维修时间。

（2）在软件方面，PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运行处理器的延迟，保证在程序出现错误和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池、I/O口、通信等出现异常时，PLC的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失。

1.2.2应用灵活、使用方便

模块化的PLC设计，使用户能根据自己系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需要的PLC模块并进行资源配置和PLC编程。

这样，控制系统就不需要大量的硬件装置，用户只需根据控制需要设计PLC的硬件配置和I/O的外部接线即可。

1.2.3面向控制过程的编程语言，容易掌握

PLC的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。

虽然PLC是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户有很强的程序设计能力，只在用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。

1．3PLC的分类

1.3.1小型PLC

连接开关量I/O模块、模拟量I/O模块以及其它各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数输入/输出点数在128点以下的PLC称为小型PLC。

其特点是体积小、结构紧凑，它可以据处理和传送、通信联网以及各种应用指令。

1.3.2中型PLC

输入/输出点数在128-512点之间的PLC称为中型PLC。

它除了具有小型机所能实现在功能外，还具有强在的网络通信功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。

1.3.3大型PLC

输入/输出点数大于512的PLC称为大型PLC。

它具有强大的软件硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。

另外大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。

1．4PLC的主要技术指标

1.4.1存储器容量

存储器用来存储程序和系统参数等，其容量是由用户程序存储器和数据存储器组成的。

程序存储器容量大小决定了用户所能编写程序的长度。

一般中小型PLC的存储器容量在16KB以下，大型的PLC可达到2MB左右。

1.4.2输入/输出点数

输入/输出点数是指根据工业系统控制要求所得到的对应于PLC的输入/输出端的个数。

I/O点数越多，说明需要控制的器件和设备就越多。

1.4.3扫描时间

扫描时间是指CPU内部根据用户程序，按逻辑顺序，从开始到结束扫描一次所需的时间。

PLC用户手册一般给出执行指令所用的时间。

1.4.4指令种类和数量

指令的种类和数量决定了用户编制程序的方式和PLC的处理能力和控制能力。

1.4.5内部寄存的种类和数量

内部寄存器主要包括定时器、计数器、中间继电器、数据寄存器和特殊寄存器等。

它们主要用来完成计时、技术、中间数据存储、数据存储还有其他一些功能。

种类和数量越多，PLC的功能就越强大。

1.4.6扩展能力

PLC扩展能力是指PLC是否能具有I/O点数扩展、功能扩展、联网等一些功能。

1.4.7智能模块的种类和数量

智能模块是指能完成模拟量控制、远程控制以及通信等功能模块。

智能模块种类和数量越多，说明PLC功能越强大。

第二章PLC的结构和工作原理

2.1PLC的基本结构

PLC实质是一种用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。

根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。

2.2整体式结构的PLC

整体式结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、I/O单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在一起。

基本结构框图如图2-1所示。

电源

中央处理器

系统总线

输入/输出单元

存储器

编程器

图2-1整体式结构

2.3模块式结构的PLC

模块式结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线想到联系。

基本结构框图如2-2所示

编程器

其他PLC或上位机

现场设备

电源模块

CPU

模块

通信

模块

输入模块

输出模块

殊功功能模块

机架

图2-2模块式结构

2.4PLC各组成部分介绍

（1）中央处理器

中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，相当于PLC的“大脑”。

它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。

通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。

其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、检验用户程序、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等。

（2）存储器

根据存储器存储内容的不同，我们把存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。

系统程序存储器：

用来存入软件的存储器。

系统程序相当于计算机操作系统，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。

用户程序存储器：

用来存放用户根据控制要求编制的程序。

不同类型的PLC，其存储容量也不一样。

数据存储器：

用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。

因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。

（3）输入/输出单元

输入/输出单元是PLC与外部设备连接的纽带。

输入单元接收现场设备向PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。

输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备的。

（4）电源部分

不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC电源的输入电压既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。

（5）编程器

几乎每个PLC厂家都有自己的编程器，用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC。

它还可以在线检测程序的运行情况。

在出现故障时，通过编程器可能很方便的找出错误。

（6）特殊功能单元

主要包括模拟量输入/输出单元、远程I/O模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和PID调解模块等。

随着PLC的进一步发展，特殊功能单元的应用也越来越多。

2.5基本指令

2.5.1LD/LDI指令：

LD和LDI指令是连接在母线连接的触点.表示操作开始.LD是常开触点,LDI是常闭触点.

2.5.2AND/ANI指令：

AND和ANI指令是串联连接的触点,AND是常开触点,ANI是常闭触点.

2.5.3OR/ORI指令：

OR和ORI指令是并联连接的触点,执行逻辑“或”的功能.OR是常开触点,ORI是常闭触点.

2.5.4OUT指令：

OUT指令执行逻辑输出的功能,条件成立时为ON,条件不成立时为OFF.

2.5.5ANB/ORB指令：

ANB完成支路间的串联的功能,用于执行支路之间“于”操作；ORB完成支路间的并联的功能,用于执行支路之间“或”操作.

2.5.6比较指令：

CMP（Compare）的功能指令编号为FNC10，16位运算占7个程序步，32位运算占13个程序步.

2.5.7传送指令：

MOV的功能号为FNC12,它是将源操作数的内容传送目标操作数.

2.5.8四则逻辑运算指令

（1）二进制加法指令ADD

ADD的功能号为FNC20,它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相加,然后运算结果传送到指定的目标操作数中.

（2）二进制减指令SUB

SUB的功能号为FNC21.它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相减,然后运算结果传送到指定的目标操作数中.

（3）二进制乘法指令MUL

MUL的功能号为FNC22.它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相乘,然后运算结果传送到指定的目标操作数为首地址的软元件中.

（4）二进制除法指令DIV

DIV的功能号为FNC22.它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相除,然后运算结果传送到指定的目标操作数D中,余数传送到D+1中.

第三章PLC的工作原理

PLC的工作原理与继电器构成的控制装置一样，但是工作方式不太一样。

继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作。

而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作。

也可以说继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。

3.1循环扫描技术

PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段，输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。

扫描过程如下图所示。

一个扫描周期

3.1.1输入阶段

在这个阶段中，PLC读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。

3.1.2执行程序阶段

在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。

从相应的输入存储单元读入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据存储器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。

这一阶段执行完后，进入输出阶段。

在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。

3.1.3输出阶段

在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。

3.2PLC的输入/输出响应时间

I/O响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间因为PLC的循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，响应时间的长短也不同。

下面就给出了最短和最长响应时间。

最短响应时间：

一个扫描周期刚结束就收到输入信号，即收到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短。

考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。

最短响应时间如下图所示。

输入

输出

一个扫描周期

|←最短响应时间→|

最长响应时间：

在一个扫描更完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下个扫描周期才能得到响应。

这时响应时间最长如下图所示。

一个扫描周期

输入

输出

|←最长响应时间→|

第四章PLC控制系统设计原则和设计步骤

4.1设计原则

PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好的实现工艺提出的控制要求。

PLC控制系统的设计应遵循以下原则：

（1）根据工艺流程进行设计，力求设计出来的控制系统能最大限度满足控制要求。

（2）在满足控制要求的前题下，尽量减少PLC系统硬件费用。

（3）考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑到PLC的可扩展性。

（4）控制系统使用和维护方便、安全可靠。

4.2设计步骤

一般PLC控制系统的设计步骤如图1-3所示，具体操作如下：

（1）控制要求分析

在设计PLC控制系统之前，必须对工艺流程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己要完成的任务，设计出令人满意的控制系统。

（2）确定I/O设备

根据控制要求选择合理的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等）。

并根据选用的输入/输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。

（3）选择合适的PLC

确定PLC的点数后，就根据I/O点数、控制要求等来进行PLC的选择。

选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。

（4）PLC程序设计

本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。

首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的关系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。

（5）I/O点数分配

点数分配就是PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系，画出I/O接线原理图。

（6）模拟调试

程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。

（7）现场联机调试

现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试。

在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。

（8）整理技术文件

这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单和使用说明书等。

开始设计

控制要求分析

确定I/O设备

选择合适的PLC

I/O点数分配

PLC程序设计

模拟调试

现场联机调试

整理技术文件

设计结束

图4-1设计步骤示意图

第五章PLC的硬件知识

本章主要介绍PLC的各种硬件模块，以及PLC硬件系统配置的相关知识。

通过本章的介绍，可以了解PLC的硬件知识，并知道如何在实际中应用这些模块。

由于本次毕业设计应用的是三菱系统，因此，只介绍三菱FX2N的相关知识。

5．1PLC的模块介绍

5.1.1CPU模块

CPU模块是PLC控制系统的核心，它控制着整个PLC控制系统的有序运行。

PLC控制系统中，PLC程序的输入和执行、PLC之间或PLC与上机之间的通信、接收现场设备的状态和数据都离不开该模块。

CPU模块还可以进行自我诊断，即当电源、存储器、输入/输出端子、通信等出故障时，它可以给出相应的指示或做出相应的动作。

图5-1三菱FX2NCPU的模块面板示意图

三菱FX2N包括多种型号的CPU，它们的主要性能指标除了在外形尺寸和本机自带I/O点数有些不同外，其它性能基本相同，如表5-1所示。

表5-1三菱FX2NCPU主要性能指标

工程

性能指标

程序存储器容量

8000步内置，使用附加存储器盒可扩展到16000步

I/O点数

256点

内部继电器

3072点

定时器

256点

一般计数器

235点

指令数目

基本顺序指令：

27种

步进梯形指令：

2种

应用指令：

28种

指令处理速度

基本指令：

0.08us/指令

应用指令：

1.52至几百us/指令

5.1.2切换开关

PLC的方式开关有两种，一各是RUN/STOP开关，它只有RUN和STOP两种方式，

示意图如图5-2所示。

三菱FX2NCPU的方式切换开关属于这一种。

图5-2RUN/STOP开关

（1）RUN方式

将CPU面板上的钥匙开关转到RUN位置，则强制性地实行RUN，进行I/O扫描并将程序的执行结果输出。

如果程序上有错误，则不实行RUN。

在该方式，通过编程器或通信上的程序指令无效。

（2）STOP方式

将CPU面板上的钥匙开关转到STOP位置，则强制性地进入STOP方式，全部OFF。

在该方式时，通过编程器或通信的程序指令无效。

5.1.3指示灯

CPU模块面板有一些指示灯,其作用分别如下：

PWRPLC电源指示

RUNPLC运行指示

BATT