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1、plc基于全自动洗衣机论文设计摘要本论文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。可编程逻辑器件（plc.Programmable Logic Controller）是以计算机微处理器为基础的工业自动控制装置，随着PLC技术的发展，它的功能越来越完善，也越来越强，被广泛用于各种工业自动控制装置中，plc集三 电于一体。具有良好的控制精度和可靠性。Plc的生产厂家，型号种类繁多，不同的型号有不同的使用方法和编程语言。本文是采用西门子公司的S7-200系列的PLC设计的全自动洗衣机控

2、制系统。关键词：全自动洗衣机 PLC 自动控制 顺序功能图 梯形图程序 西门子S7-200 CPU242X 定时器 计数器 可编程逻辑器件Abstract The paper introduces the design of programmable logic controller (PLC) and a basic knowledge of PLC control systems, including PLC, the definition, characteristics, classification, technical indicators, the basic structure

3、, working principle, hardware knowledge and knowledge of PLC control systems. The PLC.programmable Logic Controller is a automatic control device which takes the computer microprocessor as the foundation. Along with the PLC technology s development, its function is getting more and more perfectIs al

4、so getting stronger and stronger .It is widely applied in each industry automatic control device . The PLC which includes three electricity bodyHas a good control precision and the reliability . The PLC manufacturer and the model has many types The different model hao different application Method an

5、d the programming language. And the use of Siemens S7-200 series PLC control system design of automatic washing machines. Keywords: Full-automatic washing machine PLC Control Sequence Order function diagram Ladder diagram program Siemens S7-200 CPU242X timer counter Programmable Logic Device 全自动洗衣机控

6、制系统设计一 PLC基本概述与基本结构1.1PLC的发展历程 20世纪60年代以来社会要求制造也对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应了这一要求的出现，它是以微处理器为基础的通用控制装置。国际电工委员会在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC定义为：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设计。它采用可编程程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各

7、种类型的机械或生产过程。可编程程序控制器以及相关设备，都应按易于使工业控制系统成为一个整体，易于扩充其功能的原则设计。从上述定义我们看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了以上的功能外，它还应该具有与其他计算机通信的功能。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。1.2PLC的结构1.2.1 PLC的物理结构PLC按物理结构可以分为两类：整体式PLC和模块式PLC。（1）整体式PLC 图1- 1 整体式PLC

8、整体式PLC有称为单元式和箱体式，它的体积小、价格低、小型PLC一般采用的是这种结构。整体式PLC将CPU模块、I/O模块和电源装到一个箱型的塑料机壳内，在其机盖上有模式选择开关、模拟量电位和扩展模块连接器。同时它还提供具有不同的I/O点数的CPU和数字量、模拟量I/O扩展模块供用户选择。CPU的扩展模块可以通过扁平电缆连接，可以选用全输入或全输出的数量量I/O扩展模块来改变输入和输出的点数比例。整体式的PLC还配备有许多专用的特殊的功能模块，例如模拟输入和输出的模块、热电偶模块、热电阻模块、位置控制模块和通信模块，这样使PLC的功能得到了很大扩展(2)模块式PLC大中型的PLC一般都采用这种

9、模块是结构，这种结构的PLC它由机架和模块组成。你看插在模块插座上，后者焊接在机架种的总线连接板上，有不同的槽数的机架供用户选择，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以增设一个或者数个机架，各个机架之间用接口模块连接。图1- 2 模块式PLC用户可以选择不同档次的CPU模块，品种繁多的I/O模块和特殊功能模块、对硬件配置的选择余地很大，维修更换模块很方便。1.2.2 PLC的硬件组成PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、编程器和电源五部分组成。图1- 3 PLC控制系统示意图(1) CPU模块CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用。它包括微处理器（CPU芯片）和存储器组成。每套PLC至少有

10、一个CPU芯片芯片，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，并存入规定的映像寄存器中，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芯片主要由运算器、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芯片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芯片的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够

11、的理解。CPU芯片的控制器控制CPU芯片工作，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芯片速度和内存容量是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。常使用的CPU芯片有通用的微处理器和单片机。存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，系统程序相当于个人电脑的操作系统，它是PLC具有智能能够完成设计者规定的各项工作。系统程序由生产厂家固化在ROM中，用户程序由用户设计。主要的几类存储器：ROM、RAM和EERO

12、M，RAM叫读写存储器，它也是易失性存储器，它在电影掉电有信息丢失，RAM工作速度高、价格便宜、改写方便。ROM称为只读存储器，其内容只能读，不能对其写入数据。它是易失性的存储器。主要用来保存系统程序。EEROM是非易失性存储器，但是可以对其编程兼有ROM和RAM的优点。(2) 输入模块输出模块输入模块输出模块简称I/O模块，I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。PLC通过I/O模块与工业生产过程现场相联系。I/O模块主要有开关量I/O模块和模拟量I/O模块等。输入模块用来采集输入信号，开关量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字拨码开关等等。模拟输入模块用来接收

13、电位器等连续变化的模拟变化的电流电压。输入模块三大功能：传递信号、电平转换和噪声隔离。输出模块三种输出类型：继电器输出、场效应管输出和双向可控硅输出。继电器输出通用性强可用于交直流输出，场效应管输出用于直流输出，而双向可控硅输出用于交流输出。I/O模块三种接线方式：汇点式、分组式和分隔式。(3) 电源模块PLC使用AC200V的电源或者是DC24V电源，内部的开关电源为各个模块提供不同等级的直流电源。小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V的电源，驱动PLC负载直流电源一般由用户提供。(4) 编程器模块编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执

14、行情况。手持式编程器不能直接的输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令，因此又称指令编程器。但是由于这种编程器的通用性很差，一个型号的编程器也只能够匹配该型号的PLC。现在基本上很少使用。现在普遍使用编程软件来代替了手持式编程器，编程软件使用计算机直接编程，可以实现不同类型语言的编程和转换，程序经过编译，只用通信电缆直接下载到PLC中，也可以从PLC中上载程序，这样大大的提高了工作效率，这种方式的通用性很强，只需要在软件上设置不同的型号，就可以实现与不同的型号PLC之间的通信，实现各种交互。而通信电缆使用的是标准的接口这样通用性就更加的大大提高。1.3 PLC 特点及应用领域1.3.1 PLC的特

15、点(1)编程方法简单易学(2)功能强，性能价格比高(3)硬件配套齐全，用户使用方便，适应强(4)可靠性高，抗干扰能力强软件抗干扰措施排除可恢复故障硬件措施(5)系统的设计、安装、调试工作量少(6)维修工作量小，维修方便(7)体积小，能耗低1.3.2 PLC的应用领域(1)数字量逻辑控制(2)运动控制(3)闭环过程控制(4)数据处理(5)通信联网二 PLC的工作原理2.1 用触点和线圈实现逻辑运算在数字控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，例如高电平和低电平、续电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可以用逻辑代数种的1和0来表示它们，在波形图中，用高电平表示1状态，用低电平表示0状态。“与”

16、、“或”、“非”。用续电器电路或梯形图可以实现“与”、“或”、“非”逻辑运算。用多触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算。继电器线圈通电时，其常开触点接通，常闭触点断开；线圈断电时，其常开触点断开，常闭触点闭合。梯形图中的位元件的触点和线圈也有类似的关系。2.2 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为五个阶段，即输入采样、用户程序执行、通信出来、自诊断检查和输出刷新五个阶段。完成上述五个阶段称作一个图 2-1 PLC 的工作方式扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述五个阶段。 2.2.1读取输入输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地

17、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。 2.2.2执行用户程序阶段 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RA

18、M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。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

19、经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。2.2.3通信处理在处理通信请求阶段,CPU处理从通信接口和智能模块接受的信息,例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中,在适当的时候将信息送给通信请求方.2.2.4 CPU自诊断测试自诊断测试包括定期检查CPU 模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。2.2.5 改写输出CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。2.2.6 中断程序的处理如果在程序中使用了中断，中断事件发生时，CPU停止正常的扫描工作方式，立即执行中断程序，中断功能可以提高PLC对某些事件的响应

20、速度。2.2.7 立即I/O处理在程序执行的过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点的值时，相应的输入过程映像寄存器的值被更新。用立即I/O指令可以来改写输出的点时，相应的输出过程映像寄存器的值可以被更新。2.3 PLC的操作模式2.3.1 操作模式PLC有两种操作模式，即RUN（运行）模式与STOP（停止）模式。在CPU模块的面板上用“RUN和“STO”LED显示当前的操作模式。在RUN模式，通过执行反应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，可以用编程软件创建和编程用户程序，设置PLC的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到

21、PLC。如果有致命错误，在消除它之前不允许从STOP模式进入RUN模式。PLC操作系统储存非致命错误供用户检查，但是不会从RUN模式自用进入STOP模式。2.3.2用模式开关改变操作模式 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。2.3.3用STOP 7-Micro/EIN编程软件改变操作模式用编程软件与PLC的操作模式必须满足下面的两个条件：(1)在编程软件与PLC之间建立起通信连接。(2)

22、在PLC的模式开关放置在RUN模式或TERM模式。2.3.4 在程序中改变操作模式在程序中插入STOP指令，可以使CPU由RUN模式进入STOP模式。2.4 S7-200系列PLC2.4 .1 S7-200系列PLC的特点(1) 功能强大(2) 先进的程序结构(3) 方便灵活的寻找方式(4) 功能强大、使用方便的编程软件(5) 简化复杂编程任务的先导功能(6) 强大的通信功能(7) 品种丰富的配套人机界面(8) 有竞争力的价格(9) 完善的网上技术支持2.4.2 S7-200数字量扩展模块 在S7-200中可以选择8点、16点、32点和64点的数字量的输入输出模块，来满足不同的控制的需要，除C

23、PU221外，其他的CPU模块均可以配接多个扩展模块，连接时CPU模块放在左侧，扩展模块用扁平电缆与左边的模块连接2.4.3 S7-200模拟量扩展模块在工业控制中，某些输入量（如压力、温度、流量、转速等等）是模拟量，某些机构要求PLC输出是模拟量。而cpu只能处理数字量，在这种情况下，岁输入量作A/D 转换为数字量，对PLC的输出作D/A转换模拟量。而A/D和D/A转化的位数越多，那么其分辨率越高。三 PLC程序的设计基础3.1 PLC编程语言与程序结构PLC中的程序由两部分组成：一是操作系统；二是用户程序。操作系统由PLC的生产厂家提供，它支持用户程序的运行；用户程序是用户为完成特定的控制

24、任务而编写的应用程序。要开发应用程序，就要用到PLC的编程语言和指令系统。个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。各个厂家的PLC的编程语言和指令系统的功能和表达方式也各不相同，因此各厂家的PLC互不兼容。 PLC的开发和使用，IEC（国际电工委员会）制定了PLC的全球标准(IEC61131)。该标准包含了如下五个组成部分：通用信息、设备与测试要求、编程语言、用户指南和通信。其中的第三部分（IEC61131-3）是PLC的编程语言标准，也是至今为止唯一的工业控制系统的编程语言标准。目前已有越来越多的PLC生产厂家提供了符合IEC 61131-3标准的产品。IEC 6

25、1131-3标准的5种编程语言：顺序功能图、梯形图、功能筷图、指令表、结构文本。3.1.1 PLC编程语言（1）顺序功能图 位于其它编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元素。顺序功能图有三种基本的程序结构：顺序结构（单系列）、选择系列和并行系列。（2）梯形图梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。是使用得最多的PLC图形编程语言。梯形图与工厂的继电器控制系统的电路图相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的技术人员掌握，特别适合于开关量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用

26、方框表示的功能块图组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。功能块图用来表示定时器、计数器或者数学运算、数据处理等指令。PLC的梯形图称为电路或程序，是一种软件信息，是一种反映PLC的输入输出控制逻辑关系的程序软件，它与传统的继电器控制系统的梯形图（硬件）电路不同，不是真正的物理（硬件）电路，一定不能把它们当作硬件电路来看待。PLC的梯形图程序中主要有四类符号: 触点符号、输出符号、数据处理指令符号、逻辑电源符号。（3）功能块图 类似于数字逻辑电路的一种编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。该编程

27、语言使用类似于与门、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。（4）指令表 程序的最小独立单位，用户程序是由若干条顺序排列的指令构成的。一条指令由一个操作码和一个操作数组成，操作数由标识符和参数组成。操作码定义要执行的功能，它告诉CPU该执行什么操作；操作数为执行该操作所需要的信息，它告诉CPU用什么去做。一般情况下，指令的操作数在PLC的存贮器中。(5) 结构文本 标准IEC 61131-3标准创建的一种专用的高级语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写程序非常简洁和紧凑。3.1.2 S7-200的程序结构S7-200的控制程序由主程序、子程序和中

28、断程序组成。（1）主程序 主体，每个项目都必须并且只能用一个主程序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。（2）子程序 是可选的，仅在被其它程序调用时执行。同一个子程序可以在不同地方被多次调用。使用子程序可以简化程序代码和减少扫描时间。（3）中断程序 时处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。中断程序不是由用户程序调用，而是在中断事件发生时由操作系统调用。中断程序由用户编写。3.2 存储器的数据类型和寻址方式3.2.1 数据在存储器的存取方式所有的数据在PLC中都是以二进制形式表示的，数据的长度和表示方式称为数据格式。S7-200的指令对数据格式有一定的要求，指令

29、与数据之间的格式一致才能正常工作，主要有以下几种方式。（1）用1位2进制数表示开关量（2）多位2进制数（3）十六进制数（4）字节、字与双字（5）负数表示（6）BCD码3.2.2 CPU的存储区（1）输入过程映像寄存器（I）输入继电器输入过程映像寄存器是PLC接收外部输入的开关量信号的窗口。在每个扫描周期的开始，PLC的CPU模块对物理输入端进行采样，通过光电耦合器，将外部信号的状态读入并存入输入映像寄存器中。外部输入电路接通时对应的映像寄存器为ON（1状态），反之为OFF（0状态）。输入端可以外接常开触点或常闭触点，也可以接多个触点组成的串、并联电路。在用户编制的梯形图程序中，可以多次使用输入

30、位的常开触点或常闭触点。一般情况下，输入继电器的状态唯一取决于现场输入信号的状态，不可能受用户程序的控制，因此在梯形图中绝对不能出现输入继电器的线圈。（2）输出过程映像寄存器（Q）输出继电器在扫描周期的末尾，CPU将输出过程映像寄存器的数据传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。在上图的梯形图中，如果Q0.0的线圈“通电”，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的常开触点闭合，使接在Q0.0输出端的外部负载通电，反之则外部负载断电。输出模块中的每一个硬件继电器仅有一对常开触点，但是在梯形图中，每一个输出位常开触点和常闭触点都可以多次使用。（3）变量存储区V：用来在程序执行过程中存放中间结果，或者用来

31、保存与工序或任务有关的其它数据。（4）位存储区（M）位存储器（M0.0M31.7）类似于继电器控制系统中的中间继电器，用来存储中间操作状态或其它控制信息，也可以按字节、字或双字来存取。（5）定时器存储区（T）定时器相当于继电器控制系统中的时间继电器。S7-200中有三种定时精度的定时器：1ms、10ms和100ms。定时器的当前值寄存器是16位有符号整数，用于存储定时器累计时间基准增量值（132767）。定时器位用来描述定时器的延时都在的触点状态，定时器为1时，梯形图中对应的定时器常开触点闭合，常闭触点断开；为0时则触点状态相反。接通延时定时器的当前值大于等于设定值时，定时器被置为1状态。定时器线圈断电时，定时器被复位为0。用定时器地址（如T5）来存取当前值和定时器位，带位操作数的指令存取定时器位，带字操作数的指令存取当前值（即时定时时间）。（6）计数器存储区（C）计数器用来对输入脉冲信号的上升沿进行计数。S7-200中提供了加计数、减计数和加减计数器。计数器当前值为16位有符号整数，用来存放计数脉冲（132767）。当加计数器的当前值大于等于设定值时，计数器位被置为1状态。用计数器地址（如C20）来存取当前值和计数器位，带位操作数的指令存取计数器位，带字操作数的指令存取当前值（即时计数脉冲数）。（7）高速计数器（HC）用来累