基于PLC的全自動洗衣機課程設(shè)計

1、目錄 TOC o 1-5 h z 緒論1課程設(shè)計的意義 1課程設(shè)計的目的 1PLC的基本概念 1PLC的基本結(jié)構(gòu) 2PLC的編程語言 4PLC技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)新的動向 5OMRO公N司的 CPM2A介紹 5歐姆龍 3G3MV系列通用變頻器 5全自動洗衣機 6系統(tǒng)方案設(shè)計及確.定8功能要求 8系統(tǒng)方案說明 8系統(tǒng)硬件設(shè)計9CPM2A模擬量輸入 / 輸出單元 9系統(tǒng)軟件設(shè)計9I/O 端子表 9系統(tǒng)流程圖 10系統(tǒng)調(diào)試11硬件調(diào)試 11軟件調(diào)試 12總結(jié)13參考文獻14致謝15附錄16附錄一 梯形圖 1.6附錄二 時序圖 1.9 1 緒論在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中， PLC和變頻器的綜合應(yīng)用最為普遍。 PLC

2、采用一類 可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計 數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/ 輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 它比傳統(tǒng)繼電器更穩(wěn)定，更節(jié)能，更抗干擾。隨著 PLC功能的不斷完善，性能價格比的不斷提高， PLC的應(yīng)用面也越來越廣。目 前， PLC已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工等各行各業(yè)中。特別適 用于自動化和智能化的家用電器。課程設(shè)計的意義電氣控制技術(shù)是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，該課程不但 有較高的理論基礎(chǔ)要求，而且工程實踐性很強，因此除安排上完理論課時外， 還安排了兩周的課程設(shè)計 。課程設(shè)計的目的綜合運用

3、PLC課程和其它選修課程的理論和知識，掌握 PLC設(shè)計的一般 方法，樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)分析問題和解決實際問題的能力；學會從控制系統(tǒng)功能的要求出發(fā)，合理的選擇外圍設(shè)備，制定設(shè)計方案， 編寫控制程序。學習使用技術(shù)手冊，掌握查閱專業(yè)資料的相關(guān)方法?？刂瞥绦蛞笳{(diào)試通過，書寫報告。PLC的基本概念可編程控制器 (Programmable Controller) 是計算機家族中的一員，是為 工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller) ，簡稱 PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn) 邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功

4、能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer) 的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。PLC的基本結(jié)構(gòu)編程器輸入 電路中央處理單元( CPU )系統(tǒng)程序存電源圖 1.1 PLC 的基本結(jié)構(gòu)如圖 1.1 ，PLC的基本結(jié)構(gòu)有電源、中央處理單元、存儲器、輸入輸出接 口電路，此外還有功能模塊、通信模塊。a、電源 PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可 靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也 十分重視。一般交流電壓波動在 +10%(+15%)范圍

5、內(nèi)，可以不采取其它措施而 將 PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去 。b、中央處理單元 (CPU)如圖 1.2 ，中央處理單元 (CPU)是 PLC的控制中樞。它按照 PLC系統(tǒng)程序 賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按 指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或

6、輸出寄存 器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行為了進一步提高 PLC的可靠性，近年來對大型 PLC還采用雙 CPU構(gòu)成冗 余系統(tǒng)，或采用三 CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU出現(xiàn)故障，整個 系統(tǒng)仍能正常運行。圖 1.2 PLC 的 CPU基本結(jié)構(gòu)c、存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為 用戶程序存儲器。d、輸入輸出接口電路現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是 PLC 與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道?，F(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成， 作用 PLC 通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部

7、件輸出相應(yīng)的控制信號。e、功能模塊如計數(shù)、定位等功能模塊 。f 、通信模塊如以太網(wǎng)、 RS485、Profibus-DP 通訊模塊等 。PLC的編程語言在可編程控制器中有多種程序設(shè)計語言 , 它們是梯形圖語言、布爾助記符語 言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結(jié)構(gòu)化語句描述語言等。梯形圖語言和布 爾助記符語言是基本程序設(shè)計語言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以 完成大多數(shù)簡單的控制功能，例如，代替繼電器、計數(shù)器、計時器完成順序控制 和邏輯控制等，通過擴展或增強指令集，它們也能執(zhí)行其它的基本操作。功能表 圖語言和語句描述語言是高級的程序設(shè)計語言，它可根據(jù)需要去執(zhí)行更有效的操 作，例如，模擬量

8、的控制，數(shù)據(jù)的操縱，報表的報印和其他基本程序設(shè)計語言無 法完成的功能。功能模塊圖語言采用功能模塊圖的形式，通過軟連接的方式完成 所要求的控制功能，它不僅在可編程序控制器中得到了廣泛的應(yīng)用，在集散控制 系統(tǒng)的編程和組態(tài)時也常常被采用，由于它具有連接方便、操作簡單、易于掌握 等特點，為廣大工程設(shè)計和應(yīng)用人員所喜愛。梯形圖程序設(shè)計語言是最常用的一種程序設(shè)計語言，它來源于繼電器邏輯控 制系統(tǒng)的描述。在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對繼電器邏輯控制技術(shù)較為 熟悉，因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛 的應(yīng)用。，梯形圖程序設(shè)計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè) 計語

9、言。采用梯形圖程序設(shè)計語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計 語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個梯級是一個因果關(guān)系。在 梯級中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。梯形圖 程序設(shè)計語言的特點是：與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性；與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對電氣技術(shù)人員來說，易于撐握和 學習；與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點是，梯形圖中的能流( Power FLow)不是實際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應(yīng) 用時，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對待；與布爾助記符程序設(shè)計語言有一一對應(yīng)關(guān)系，便于相互的轉(zhuǎn)換和

10、程序的檢查。PLC技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)新的動向產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展 。大： I /O 點數(shù)達 14336 點、 32 位為微 處理器、多 CPU并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化。?。河烧w結(jié)構(gòu) 向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本。PLC在閉環(huán)過程控制中應(yīng)用日益廣泛 。新器件和模塊不斷推出高檔的 PLC除了主要采用 CPU以提高處理速度外，還有帶處理器的 EPROM或 RAM的智能 I/O 模塊、高 速計數(shù)模塊、遠程 I/O 模塊等專用化模塊。編程工具豐富多樣，功能不斷提 高，編程語言趨向標準化 有各種簡單或復雜的編程器及編程軟件，采用梯形 圖、功能圖、語句表等編程語言，

11、亦有高檔的PLC指令系統(tǒng) 。發(fā)展容錯技術(shù)采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。追求軟硬件的標準化。OMRO公N 司的 CPM2A介紹Omron公司的 PLC產(chǎn)品，大、中、小、微型俱全，深受用戶歡迎。其網(wǎng)絡(luò)配 置簡單、實用、造價低，具有明顯的價格優(yōu)勢及良好的售后服務(wù)系統(tǒng)。CPM2A是一種緊湊的高速可編程控制器，是為需要每臺 PLC有 10120點 I/O 的系統(tǒng)控制操作而設(shè)計的。 CPM2A在一個小巧的單元內(nèi)綜合有各種性能，包括同 步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設(shè)定和時鐘功能。 CPM2A CPU單元又 是一個獨立單元，能處理廣泛的機械控制作用，所以它是在設(shè)備內(nèi)用作內(nèi)裝控制 單元的理

12、想產(chǎn)品，完整的通信功能保證了與個人計算機、其他OMRONPC和 OMRON可編程終端的通信。歐姆龍 3G3MV系列通用變頻器變頻器介紹變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電 能控制裝置。它主要由兩部分電路構(gòu)成，一是主電路（整流模塊、電解電容和 逆變模塊），二是控制電路（開關(guān)電源板、控制電路板） 。 CPU就安裝在控制電路板上，變頻器的操作軟件燒錄在 CPU上，同一型號的變頻器軟件是固 定的，唯一例外的就是三晶變頻器，軟件可根據(jù)使用需求更改。 歐姆龍 3G3MV 系列是順應(yīng) “更小，操作更容易”的需求，操作簡便的變頻器。采用獨 特的電壓矢量控制，實現(xiàn)了高精度，高力矩。變

13、頻器通常分為 4 部分：整流單元、高容量電容、 逆變器 和控制器。(1) 整流單元將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。(2) 高容量電容存儲轉(zhuǎn)換后的電能。逆變器由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同 頻率、寬度、幅度的方波?？刂破靼丛O(shè)定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近 似正弦波的交流電，驅(qū)動交流電動機。階梯形改變速度 將頻率改變指令和輸入端子功能選擇進行組合，最高可將速度進行 16 階梯的變化，如圖 1.3 ，通過給 S7、S6、S5 不同的信號就可以改變頻率段， 如 000 代表段 1， 001 代表段 2，如圖 1.4 。圖 1.3 輸入端子與指令組合圖 1

14、.4 頻率段的改變?nèi)詣酉匆聶C全自動洗衣機就是將洗衣的全過程(泡浸 -洗滌 -漂洗 -脫水 )預先設(shè)定好 N個程序 , 洗衣時選擇其中一個程序 ,打開水龍頭和啟動洗衣機開關(guān)后洗衣的全 過程就會自動完成 , 洗衣完成時由蜂鳴器發(fā)出響聲。目前市場上出售的全自動洗衣機大體分為三類。發(fā)明最早的是前置式側(cè)開門滾筒式洗衣機，這種洗衣機是歐洲發(fā)明的，擅 長洗滌真絲、棉毛等面料，不纏繞無磨損，在洗滌時保證衣物不受損害，而且 有良好的加溫措施。但也有它不好的一面，由于不纏繞無磨損洗滌方式等因素 ，這種洗衣機洗滌時間長、洗凈度差、用水用電量大，是其它洗衣機的幾倍， 尤其是采用了 不銹鋼 內(nèi)筒，產(chǎn)生的噪音較大。這種

15、洗衣機適用于生活水平較高 ，穿著大體以真絲、純毛、棉毛之類較高檔的面料為主，而且更換衣服較勤的 家庭。發(fā)明最晚的洗衣機是亞洲人發(fā)明的波輪上開門洗衣機。市場上有多種品牌 ，如“小天鵝”、“海棠 ”、“榮事達 ”等，這種洗衣機的特點是洗滌時間短， 用水量小，洗凈度高，是滾筒式的很多倍，由于內(nèi)筒是塑料材料制成，噪音小 ，而且上開蓋，能使洗滌液反復利用，價格也比較經(jīng)濟。這種洗衣機適用于居 住在綠化較差，空氣塵埃量較大，平均每2 至 3 天換一次衣服的家庭，主要以洗凈度為主，服裝面料以化纖、腈綸為主。本次實習設(shè)計的洗衣機結(jié)構(gòu)如圖 1.5 。系統(tǒng)方案設(shè)計及確定功能要求應(yīng)用 PLC與變頻器通信功能實現(xiàn)電動機

16、的運行控制。可實現(xiàn)起、?？刂啤ｋ?動機的運轉(zhuǎn)速度可實現(xiàn)在線設(shè)置。洗衣機的工作流程由進水，洗衣，排水，和脫 水四個過程組成。在全自動洗衣機中，這四個過程可做到全自動依次運行，直至 洗衣結(jié)束。系統(tǒng)方案說明本次設(shè)計基于 PLC的全自動洗衣機控制，本文的課題源于市場上洗衣機產(chǎn)品。 PLC控制具有實時性、信號處理時間短、速度快、更能滿足各個領(lǐng)域大、中、小 型工業(yè)控制項目，可靠性高，豐富的 I/O 卡件，質(zhì)優(yōu)價廉，性價比高，安裝簡單， 維修方便， PLC控制能在高粉塵、高噪聲、強電磁干擾和溫度變化劇烈的環(huán)境下 正常工作。因為它是整體模塊，集中了驅(qū)動電路、檢測電路和保護電路以及通訊 聯(lián)網(wǎng)功能，所以在使用中，

17、硬件相對簡單，編程語言也相對簡單，并且測試容易， 維修方便，更可以提高控制系統(tǒng)設(shè)計的靈活性及控制系統(tǒng)的可靠性。本設(shè)計以操 作簡單、使用可靠、維護修理方便作為主要設(shè)計方向。圖 2.1 為設(shè)計方案框圖。圖 2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計該系統(tǒng)輸入涉及按鈕、傳感器，輸出包括電磁閥、報警器、變頻器。由于此 次實習是設(shè)計控制系統(tǒng)，可以沒有實物，結(jié)合實驗室現(xiàn)有硬件，傳感器換成按鈕， 電磁閥和報警器換成指示燈。再合理分配輸入輸出端子，連接按鈕和變頻器，見 附錄硬件連接圖。CPM2A模擬量輸入 / 輸出單元外部輸入端子分布圖（圖 3.1 ）：com 01 03 05 07 09 11 01 03 05

18、07 09 1100 02 04 06 08 10 00 02 04 06 08 10 0CH 1CH圖 3.1 輸入端子分布圖外部輸出端子分布圖 （ 圖 3.2） ：+ 00 01 02 04 05 07 00 02- com com com 03 com 06 com 01 03圖 3.2 輸出端子分布圖系統(tǒng)軟件設(shè)計主要方法是先編寫工藝流程圖，將整個流程分解，確定每步的轉(zhuǎn)換條件，配合分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)及某些特殊功能便可很容易的轉(zhuǎn)化為梯形圖了。I/O 端子表表 4.1 I/O 端子表輸入 I輸出 O輕柔模式啟動0.00進水閥10.00標準模式啟動0.05電機正轉(zhuǎn)10.01強制停止0.01電機反

19、轉(zhuǎn)10.02強調(diào)節(jié)0.02出水閥門10.03弱調(diào)節(jié)0.03報警燈10.04手動脫水0.04變頻器強檔10.06 為 1變頻器弱檔10.06 為 0系統(tǒng)流程圖PLC投入運行，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，準備好啟動。按下啟動按扭，選擇水位 后開始進水，水滿（即水位到達高低）時停止進水；根據(jù)衣料質(zhì)地及多少選擇洗 滌模式，開始洗滌；洗滌時，輕柔模式正轉(zhuǎn) 10秒后暫停，暫停 2 秒后開始反轉(zhuǎn) 洗滌，反轉(zhuǎn)洗滌 10秒后暫停，暫停 2秒。標準模式正轉(zhuǎn) 15秒后暫停，暫停 2 秒 后開始反轉(zhuǎn)洗滌，反轉(zhuǎn)洗滌 15秒后暫停，暫停 2秒；如此循環(huán) 2 次后，開始排 水，排空后（水位下降到低位）開始脫水并繼續(xù)排水。脫水 5 秒

20、后即完成一次從 進水到脫水的工作循環(huán)過程； 系統(tǒng)自動判斷是否漂洗，若漂洗，則返回從進水 開始的全部動作，進行下一次大循環(huán)；若完成了大循環(huán)，則進行洗完報警；報警 10秒結(jié)束全部過程，自動停機。以下是全自動洗衣機洗衣過程的流程圖（圖 4.1 和圖 4.2 ）。注：（1）本課程設(shè)計所設(shè)計的全自動洗衣機具有標準洗滌模式和輕柔洗滌模式， 輕柔洗滌模式的流程圖與標準模式流程圖相似，故不在此畫出。（2）甩干模式可以在不需要洗滌時可以單獨手動操作，只進行衣物的甩干 操作。圖 4.2 標準洗滌狀態(tài)系統(tǒng)調(diào)試硬件調(diào)試硬件線路連的好不好，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的成敗。仔細看電源極性有沒有 接反，是否接地，看有沒有邏輯性錯

21、誤，主要包括錯線、開路、短路。檢查接線 是否牢固，用萬用表檢測更接線端看是否連接上。軟件調(diào)試在 cx-p 環(huán)境里實現(xiàn)系統(tǒng)軟件調(diào)試，首先在端口選擇上選擇 CPM2A* ，然后 畫好梯形圖。仔細檢查梯形圖后方可進行軟件調(diào)試。在線工作 : 該軟件與 PLC連接在一起，稱為在線工作，否則稱為離線工作。傳送：將程序、擴展指令等下載到 PLC。操作模式： PLC工作模式為編程、調(diào)試、監(jiān)視和運行四種。程序傳送成功 后選擇運行，這樣 PLC就能按程序工作了，調(diào)節(jié) PLC輸入，觀察對應(yīng)的輸出是不 是想要的結(jié)果?？偨Y(jié)實習的兩周很快就結(jié)束了，此次實習很好的應(yīng)用 PLC與變頻器通信功能實現(xiàn) 電動機的運行控制?？蓪崿F(xiàn)起

22、、停控制。電動機的運轉(zhuǎn)速度可實現(xiàn)在線設(shè)置。洗 衣機的工作流程由進水，洗衣，排水，和脫水四個過程組成。讓我了解了PLC梯形圖、指令表、外部接線圖有了更好的了解，也讓我更加了解了關(guān)于 PLC設(shè)計原 理。最重要的是掌握了變頻器的基本設(shè)置，實現(xiàn)了階梯調(diào)速。在全自動洗衣機中， 這四個過程可做到全自動依次運行，直至洗衣結(jié)束。但此次實習也有不完美的地 方，比如說由于實驗限制無法與洗衣機實物進行硬軟件的銜接，這樣就不能發(fā)現(xiàn) 實際運行所帶來的問題。我們控制的對象主要是電機，而且是在空載條件下，而 在實際運行中，衣物會給電機帶負載，這樣電機的轉(zhuǎn)速就不能保證。當衣服過多 時甚至會發(fā)生堵轉(zhuǎn)的危險情況！如果要解決這些問題，就必須想辦法實現(xiàn)閉環(huán)控 制，這是我們本次實習沒有做到的。參考文獻1韓順杰,蔡長青.電氣控制技術(shù) M.北京:北京大學出版社 ,2010 2楊亞萍,陳北莉.電氣控制與 PLCM. 北京:化學