LC全自动洗衣机控制系统设计.docx

1、LC全自动洗衣机控制系统设计摘 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：AbstractThe graduation design introduces the programmable logic controller( PLC) and PLC to control the basic knowledge of th

2、e system, include PLC definition ,characteristics, arrange ,the technique target, basic structure, the work principle, the hardware knowledge and control of PLC the system related knowledge. The design adopt the PLC of the series of FX2N of the San Ling company, design an in brief control system of

3、full-automatic washing machine .The full-automatic washing machine passes the programmable logic controller to carry out the wash process, save time labor-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

4、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

5、同学指正。摘要 1目录 3第一章 绪论4 1.1概论 4 1.1.1 PLC的定义41.2 PLC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 1.3 PLC的分类5 1.3.1小型PLC5 1.3.2中型PLC6 1.3.3大型PLC6 1.4 PLC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82.1 PLC的基本结构82.2整体式的结构PLC8

6、 2.3模块式结构的PLC8 2.4 PLC各组成部分介绍9 2.5基本指令10第三章 PLC的工作原理113.1循环扫描技术113.2 PLC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144.1 设计原则144.2 设计步骤14第五章 PLC的硬件知识165.1 PLC的模块介绍165.2 FX2N PLC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206.1 全自动洗衣机控制系统的设计要求206.2 全自动洗衣机控制系统的PLC选型和资源配置216.3 全自动洗衣机控制系统程序设计和调试226.4 全自动洗衣机控制PLC程序246.5 设计小结

7、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198

8、7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

9、制要求进行编写。12 PLC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

10、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

11、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。13 PLC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/

12、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。14 PLC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

13、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

14、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2.1 PLC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

15、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2.4 PLC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

16、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

17、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、

18、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2.5.1 LD/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.2.5.2 AND/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.2.5.3 OR/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.2.5.4 OUT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.2.5.5 ANB

19、/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ADDADD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SUBSUB的功能号为FNC21.它是将源操作数S1和S2中的16位

20、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MULMUL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DIVDIV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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、，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PLCI/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

27、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。51 PLC的模块介绍 5.1.1 CPU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FX2N CPU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-

28、1所示。表5-1 三菱FX2N CPU主要性能指标项目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FX2N CPU的方式切换开关属于这一种。 图5-2 RUN/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