自动洗衣机的PLC控制系统设计

原创 2020-08-30 20:48  阅读

  课程(产品)设计 自动洗衣机的 PLC 控制系统设计 目 录 前 言 ...................................................................... 1 1 可编程控制器概述 .......................................................... 2 1.1 可编程控制器的定义 .................................................... 2 1.2 可编程控制器的特点及应用 .............................................. 2 1.2.1 PLC 的特点 ......................................................... 2 1.2.2 PLC 的应用领域 ..................................................... 3 1.3 PLC 的基本组成 ......................................................... 4 1.3.1 PLC 的硬件结构 ..................................................... 4 1.3.2 PLC 的软件系统 ..................................................... 6 1.4 PLC 的工作原理 ......................................................... 7 2 PLC 系统控制设计的方法 ................................................... 10 2.1 PLC 控制系统设计概要 .................................................. 10 2.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则 ........................................ 10 2.1.2 PLC 控制系统设计的基本内容 ........................................ 11 2.1.3 PLC 控制系统设计的一般步骤 ........................................ 11 2.2 PLC 硬件系统的设计 .................................................... 13 2.2.1 PLC 型号的选择 .................................................... 13 2.2.2 分配输入/输出点 .................................................. 14 2.2.3 使用环境条件 ..................................................... 15 3 自动洗衣机的 PLC 控制系统设计 ............................................. 16 3.1 全自动洗衣机简介 ..................................................... 16 3.1.1 全自动洗衣机介绍 ................................................. 16 3.1.2 全自动洗衣机的控制特点 ........................................... 16 3.2 自动洗衣机的 PLC 控制系统设计 ......................................... 17 3.2.1 自动洗衣机控制系统的功能要求 ...................................... 17 3.2.2 控制系统的元器件清单 ............................................. 17 3.2.3 控制系统的 PLC 外部接线图 ......................................... 18 3.2.4 控制系统的控制流程图 ............................................. 19 3.2.5 内部继电器的分配 ................................................. 19 4.2.6 控制系统的输入输出分配 ........................................... 20 3.2.7 控制系统的程序分析 ............................................... 20 结束语 ..................................................................... 26 参考文献 ................................................................... 27 附 录 ..................................................................... 28 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 (Programmable Logic Controller),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 1.2.1 PLC 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】 1.2.2 PLC 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)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】 1.3 PLC 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。 1.3.1 PLC 的硬件结构 如图 1-1 所示为 PLC 的硬件结构图。 图 1-1 PLC 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】 1.3.2 PLC 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(Ladder Diagram) 梯形图(Ladder Programming)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(Instruction list) 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(Sequential function chart) 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(Function block diagram) 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)结构文体(Structured text) 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】 1.4 PLC 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 1-4 PLC 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。 2 PLC 系统控制设计的方法 2.1 PLC 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。 2.1.1 PLC 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】 2.1.2 PLC 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】 2.1.3 PLC 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 2-1 PLC 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 PLC 硬件系统的设计 2.2.1 PLC 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,在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。计算机辅助编程既能实现离线编程,也能实现在线编程。在线编程需购置计算机,并配置编程软件。采用哪种编程方法应根据需要决定。 (6)据是否联网通信选型 若 PLC 控制的系统需要联入工厂自动化网络,则 PLC 需要有通信联网功能,即要求PLC 应具有连接其他 PLC 上位计算机及 CRT 等的接口。大、中型机都有通信功能,目前大部分小型机也具有通信功能。 (7)对 PLC 结构形式的选择 在相同功能和相同 I/O 点数据的情况下,整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活,维修方便(换模块),容易判断故障等优点,要按实际需要选择 PLC 的结构形式。【8】 2.2.2 分配输入/输出点 一般输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。分配好后,按系统配置的通道与接点号,分配给每一个输入信号和输出信号,即进行编号。 在个别情况下,也有两个信号用一个输入点的,那样就应在接入输入点前,按逻辑关系接好线(如两个触点先串联或并联),然后再接到输入点。 (1)确定 I/O 通道范围 不同型号的 PLC ,其输入/输出通道的范围是不一样的,应根据所选 PLC 型号,查阅相应的编程手册,决不可“张冠李戴”。必须参阅有关操作手册。 (2)部辅助继电器 内部辅助继电器不对外输出,不能直接连接外部器件,而是在控制其他继电器、定时器/计数器时作数据存储或数据处理用。 从功能上讲,内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。未分配模块的输入 /输出继电器区以及未使用 1:1 链接时的链接继电器区等均可作为内部辅助继电器使用。根据程序设计的需要,应合理安排 PLC 的内部辅助继电器,在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途,避免重复使用。 (3)分配定时器/计数器 参阅有关 PLC 的定时器/计数器数量分别见有关操作手册。【9】 2.2.3 使用环境条件 在选择 PLC 时,要考虑使用现场的环境条件是否符合它的规定。一般考虑的环境条件有:环境温度、相对湿度、电源允许波动范围和抗干扰等指标。【1】 3 自动洗衣机的 PLC 控制系统设计 3.1 全自动洗衣机简介 3.1.1 全自动洗衣机介绍 洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电。已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。如图3-1所示为全自动洗衣机的实物示意图。 图3-1 全自动洗衣机的实物示意图 按自动化程度分类,洗衣机可分为普通型、半自动型、全自动型三大类。目前大多是全自动型洗衣机,它是指洗涤、漂洗、脱水各个功能之间的转换全部不用手工操作而能自动进行的洗衣机。 3.1.2 全自动洗衣机的控制特点 全自动洗衣机的洗衣桶(外桶)和脱水桶(内桶)是以同一轴心安放的,内桶可以旋转,作为脱水用。内桶的周围有许多小孔,使内桶和外桶的水流相通,洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时通过控制系统将进水电磁阔打开,经进水管将水注入到外桶。排水时,通过控制系统将排水电磁阀打开.将水由外桶排到机外。洗涤时,正转、反转由洗涤电动机驱动波盘的正、反转来实现,此时脱水桶并不旋转。脱水时.控制系统将离合器合上,由洗涤电动机带动内桶正转进行甩十。高、低水位控制开关分别用来检测桶内水位情况。启动按钮用来启动洗衣机工作。停止按钮用来实现随时停止进水、 排水、脱水及报警全过程。 作为全自动洗衣机,其运行过程应能体现自动控制、自动运行的特点。以下即为全自动洗衣机的控制过程:接洗衣机启动按钮后,开始供水,当进水满时,停止供水,洗衣机开始执行洗涤过程。一开始,内桶正转数秒,然后反转数秒,执行此循环动作需要持续一段时间。洗涤结束之后.开始排水.当排完水时,脱水桶接着工作一段时间,脱水工作结束后。洗衣机继续排水,直到排水完毕,此时发出报警信号,提示工作人员来取衣服,如按停止按扭,则所有工作过程立即停止。【10】 3.2 自动洗衣机的 PLC 控制系统设计 3.2.1 自动洗衣机控制系统的功能要求 (1)按下启动按钮后,进水电磁阀打开开始进水,达到高水位时停止进水,进入洗涤状态。 (2)洗涤时内桶正转洗涤10S暂停2S,再反转洗涤10S暂停2S,又正转10S如此循环2次。 (3)洗涤结束后,排水电磁阀打开,进入排水状态。当水位下降到低水位时,进入脱水状态(脱水电磁离合器断开,同时仍然处于排水状态),脱水时间为10S。这样完成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,报警10S后自动停机,同时返回初始状态,等待再次启动。 3.2.2 控制系统的元器件清单 如表 3-1 所示是系统元件清单表。 表 3-1 元器件清单表 编号 元件名称 数量 1 三菱 FX0N-60MR PLC 1 台 2 PCB 万用板 1 块 3 小型直流电动机 3 个 4 5 号两槽电池盒 1 个 5 发光二极管 3 个 6 按钮 4 个 7 共阳极八段数码管 2 个 8 蜂鸣器 1 个 9 3 接口的接线 导线 控制系统的 PLC 外部接线图 PLC外部接线 PLC 外部接线 控制系统的控制流程图 如图 3-3 所示是系统控制流程图。 图 3-3 系统控制流程图 3.2.5 内部继电器的分配 内部继电器的分配如表 3-2 所示。 表 3-2 继电器的分配 内部继电器 功 能 内部继电器功 能 M0 步进初始状态 M7 排水状态 M1 进水状态 M8 脱水排水状态 M2 正转洗涤状态 M9 重返进水状态信号 M3 正转暂停状态 M10 报警状态 M4 反转洗涤状态 M11 暂停控制 M5 反转暂停状态 M12 停止控制 M6 重返正转洗涤状态信号 M13 系统工作状态 4.2.6 控制系统的输入输出分配 本毕业设计选用的是三菱公司的 FX0N-60MR 可编程控制器,其中选用输入点 4 个,输出点 9 个。输入输出点的分配如表 3-3 所示。 表 3-3 输入/输出继电器的分配 输入继电器 输出继电器 元件代号 元件功能 输入点 元件代号元件功能 输出点 SB1 启动按钮 X000 KA1 进水电磁阀控制 Y000 SB2 停止按钮 X001 KA2 高水位显示控制 Y001 SB3 继续按钮 X002 KM1 电动机正转控制 Y002 SB4 暂停按钮 X003 KM2 电动机反转控制 Y003 - - - KA3 排水电磁阀控制 Y004 - - - KA4 低水位显示控制 Y005 - - - KA5 脱水电磁控制 Y006 - - - KA6 报警蜂鸣器控制 Y007 - - - KA7 系统运行指示 Y010 3.2.7 控制系统的程序分析 本设计程序主要采用了梯形图语言的编程方法进行编程,具体程序可分为以下四大部分进行。 (1)初始和初始状态返回 图 3-4 梯形图 1 如图 3-4 所示,接通 PLC 的电源,由特殊辅助继电器 M8002(仅在 PLC 运行开始时的第一个扫描周期接通)接通 M0,并自锁,系统进入初始状态。M12 为停止控制信号,以确保系统在停止后可以再次启动。T12 为报警完成返回信号,报警完成后,T19 常开触点闭合,返回初始状态。M13 为工作控制信号,串入 M13 常闭触电可使系统在运行时不能重新启动。 (2)系统控制环节 图 3-5 梯形图 2 图 3-6 梯形图 3 如图 3-5、3-6 所示,接通 PLC 电源后,按下启动按钮 X000,辅助继电器 M1 接通并自锁,系统进入进水状态,Y000 为 ON(进水指示灯亮),同时定时器 T1 得电。当进水达高水位时(10s 后),T1 常闭触电断开,常开触点闭合,切掉 M1 电路,Y000 为 OFF(进水指 示灯灭),同时接通 M2 电路和 Y001 电路,Y001 为 ON(高水位数码管显示“H”字样,2s后由 T0 自动断开,Y001 为 OFF,高水位数码管灭)。M2 接通后自锁并接通 Y002 电路,系统由进水状态切换到正转洗涤状态,Y002 为 ON(正转洗涤电动机转动),同时定时器 T2得电。正转洗涤 10s 后,T2 常闭触电断开,常开触点闭合,切掉 M2 电路,Y002 为 OFF(正转洗涤电机停止转动),同时接通 M3 电路,系统由正转洗涤状态切换到正转暂停状态,暂停的时间为 2s。2s 后 T3 常闭触电断开,常开触点闭合,切掉 M3 电路,同时接通 M4 电路,M4 得电后自锁并接通 Y003 电路,系统由正转暂停状态切换到反转洗涤状态,Y003 为 ON(反转洗涤电动机转动),同时定时器 T4 得电。反转洗涤 10s 后,T4 常闭触电断开,常开触点闭合,切掉 M4 电路,Y003 为 OFF(反转洗涤电机停止转动),同时接通 M5 电路,系统由反转洗涤状态切换到反转暂停状态,同时计数器 C0 计数 1(未满 2 次),不动作。暂停的时间为 2s,2s 后 T5 常闭触电断开,常开触点闭合,切掉 M5 电路,同时接通 M6 电路,系统将重返正转洗涤状态(小循环)当系统再次运行至反转暂停状态 M5 并完成时,C0 再计数 1(满 2 次),这时 K=2,C0 常闭触电断开,常开触点闭合,M6 电路不接通,同时接通 M7 电路,系统完成了小循环,由反转暂停状态切换到排水状态,Y004 为 ON(排水指示灯亮),同时定时器 T6 得电。 当排水至低水位时(10s 后),T6 常闭触电断开,常开触点闭合,Y005 为 ON(低水位数码管显示“L”字样,2s 后由 T7 自动断开,Y005 为 OFF,低水位数码管灭),同时接通M8 电路,系统由排水状态切换到排水脱水状态,同时计数器 C1 计数 1(未满 2 次),不动作,Y004 和 Y006 同时为 ON(排水指示灯亮,脱水电动机转动)。10s 后,T8 常闭触电断开,常开触点闭合,切掉 M8 电路,Y004 和 Y006 为 OFF(排水指示灯灭,脱水电机停止转动),同时接通 M9 电路。系统将重返进水状态(大循环)当系统再次运行至排水脱水状态 M8 并完成时,C1 再计数 1(满 2 次),这时 K=2 动,C1 常闭触电断开,常开触点闭合, M9 电路不接通,同时接通 M10 电路,系统完成了大循环,由排水脱水状态切换到报警状态,报警时间为 10s(本设计的报警方式采用间断报警,由 T10 和 T11 联合控制报警时间间隔,为 1s,T12 控制报警总时间)。报警完成之后,系统停止运行,并返回初始状态,等待下一次启动。 (3)启动、停止、暂停和继续控制功能 图 3-7 梯形图 4 1)启动 如图 3-5、3-6、3-7 所示,接通 PLC 电源后,按下启动按钮 X000,M13 接通并自锁,其常开触电闭合,接通 Y010 电路,Y010 为 ON(工作指示灯亮)。同时其常闭触电断开,切掉初始状态 M0,以确保系统在运行之中不能重新启动。 2)停止 按下停止按钮 001 后,M12 通电后自锁,常闭触电断开,切掉所有状态的回路,系统停止运行。同时其常开触点闭合,返回初始状态,以确保停止后可以再次启动。 3)暂停 当系统正在运行时,按下暂停按钮 X003,M11 得电后并自锁,其常闭触电断开,切掉所有定时器电路和输出继电器电路(保留所有状态回路,以确保系统暂停后可以从断点继续运行),从而实现系统暂停。 4)继续 在系统暂停后,按下继续按钮 X002,断掉暂停控制信号 M11 的自锁电路,使 M11 的常闭触电回复闭合,再次接通各个定时器电路和输出继电器电路,系统由断点继续运行。 (4)计数器的复位 图 3-8 梯形图 5 本系统的循环为嵌套循环,用计数器 C0 和计数器 C1 控制。计数器的复位如图 3-8 所示。首先两个计数器都必须在系统开始运行时进行复位,故两计数器都要用 M8002 进行复位,使计数器从 0 开始计数。然后 M7 为小循环完成后的第一个状态即排水状态,而 M10 为大循环完成后的第一个状态即报警状态,故 C0 和 C1 应分别用 M7 和 M10 进行复位,以确保系统下一次循环的顺利运行。 结束语 本设计主要介绍了自动洗衣机的控制特点、工作原理、控制系统程序设计方法及控制系统的 PLC 程序。并根据自动洗衣机的工作原理,利用可编程控制器 PLC 实现控制,说明了 PLC 控制的原理方法、特点及控制洗衣机的特色。本次设计设计出了由 PLC 控制的自动洗衣机控制系统, 制作出了其模拟控制系统,达到了控制要求。 自动洗衣机控制系统采用PLC为控制核心,结构合理、测试方法可靠,它具有较强的灵活性,提高了设备运行的可靠性,缩短产品开发周期,保证新产品各项技术开发的同步性,提高了劳动效率,达到了良好的经济效果。此外,PLC可以重复使用,降低了测试经费。它的灵活性、操作方便性也方便测试者随时输入、调试和修改控制程序。PLC又设有串行接口,方便地与计算机进行连接,组成测控系统,给系统的维护和使用带来很大方便。 通过此次设计,本人对PLC的特点、原理和应用有了更加深入的理解,特别是在PLC程序编程方面有了较大的提高。 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 附 录 控制系统的指令表程序 0 LD M8002 1 SET S0 3 LD S0 4 MPS 5 AND X001 6 RST S20 8 ZRST S23 13 MPP 14 AND X000 15 SET S20 17 LD S20 18 OUT Y000 19 MPS 20 LD X003 21 OR M0 22 ANB 23 ANI T0 24 OUT T0 K20 27 OUT M0 28 MRD 29 AND X002 30 OUT Y003 31 MPP 32 AND T0 33 SET S21 35 LD S21 36 MPS 37 LDP X005 39 OR M1 40 ANB 41 ANI T1 42 OUT Y001 43 OUT M1 44 MRD 45 ANI M2 46 OUT T1 K150 49 MRD 50 LD T1 51 OR M2 52 ANB 53 ANI T2 54 OUT T2 K30 57 OUT M2 58 MPP 59 AND T2 60 SET S22 62 LD S22 63 MPS 64 LDP X006 66 OR M3 67 ANB 68 ANI T3 69 OUT Y002 70 OUT M3 71 MRD 72 ANI M4 73 OUT T3 K150 76 MRD 77 AND X002 78 OUT Y003 79 MRD 80 LD T3 81 OR M4 82 ANB 83 ANI T4 84 OUT T4 87 OUT M4 88 MPP 89 AND T4 90 OUT C100 K3 93 MPS 94 AND C100 95 OUT Y003 96 AND X004 97 SET S23 99 RST C100 101 MPP 102 ANI C100 103 SET S21 105 LD S23 106 OUT Y004 107 OUT Y003 108 OUT T5 K100 111 MPS 112 AND T5 113 OUT C101 K3 116 MRD 117 AND C101 118 SET S24 120 RST C101 122 MPP 123 ANI C101 124 SET S20 126 LD S24 127 OUT Y005 128 OUT T6 K100 131 AND T6 132 ZRST S0 S24 137 END

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