课程设计(论文）基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计

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1、目 录1 绪论11.1 课程设计的意义11.2 课程设计的目的11.3 PLC的基本概念11.4 PLC的基本结构21.5 PLC的编程语言41.6 PLC技术发展呈现新的动向51.7 OMRON公司的CPM2A介绍51.8 欧姆龙 3G3MV 系列通用变频器51.9 全自动洗衣机62 系统方案设计及确定82.1 功能要求82.2 系统方案说明83 系统硬件设计93.1 CPM2A模拟量输入/输出单元94 系统软件设计94.1 I/O端子表94.2系统流程图105 系统调试115.1 硬件调试115.2 软件调试126 总结137 参考文献148 致谢159 附录16附录一 梯形图16附录二

2、时序图19201 绪论在现代工业控制系统中，PLC和变频器的综合应用最为普遍。PLC采用一类可编程的存储器，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。它比传统继电器更稳定，更节能，更抗干扰。随着PLC功能的不断完善，性能价格比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。目前，PLC已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工等各行各业中。特别适用于自动化和智能化的家用电器。1.1 课程设计的意义 电气控制技术是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业课，该课程不但有较高的理论基础要求，而且工程实践性很强，因此

3、除安排上完理论课时外， 还安排了两周的课程设计 。1.2 课程设计的目的(1)综合运用PLC课程和其它选修课程的理论和知识，掌握PLC设计的一般方法，树立正确的设计思想，培养分析问题和解决实际问题的能力；(2)学会从控制系统功能的要求出发，合理的选择外围设备，制定设计方案，编写控制程序。(3)学习使用技术手册，掌握查阅专业资料的相关方法。(4)控制程序要求调试通过，书写报告。1.3 PLC的基本概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Con

4、troller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。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。1.4 PLC的基本结构图1.1 PLC的基本结构 如图1.1，PLC的基本结构有电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路，此外还有功能模块、通信模块。a、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动

5、在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 b、中央处理单元(CPU)如图1.2，中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内

6、的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 图1.2 PLC的CPU基本结构c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 (1)现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 (2)现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

7、 e、功能模块 如计数、定位等功能模块。 f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。1.5 PLC的编程语言在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、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。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和

8、其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。，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。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式

9、描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言的特点是： (1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性； (2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习； (3)与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待； (4)与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。1.6 PLC技

10、术发展呈现新的动向产品规模向大、小两个方向发展。大：I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。PLC在闭环过程控制中应用日益广泛。新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化 有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。发展容错技术 采用热备用或并行工作、多数

11、表决的工作方式。追求软硬件的标准化。1.7 OMRON公司的CPM2A介绍 Omron公司的PLC产品，大、中、小、微型俱全，深受用户欢迎。其网络配置简单、实用、造价低，具有明显的价格优势及良好的售后服务系统。CPM2A是一种紧凑的高速可编程控制器，是为需要每台PLC有10120点I/O的系统控制操作而设计的。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能。CPM2A CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制作用，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品，完整的通信功能保证了与个人计算机、其他OMRON PC和OMRON可编程终

12、端的通信。1.8 欧姆龙 3G3MV 系列通用变频器1.8.1 变频器介绍变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块），二是控制电路（开关电源板、控制电路板）。CPU就安装在控制电路板上，变频器的操作软件烧录在CPU上，同一型号的变频器软件是固定的，唯一例外的就是三晶变频器，软件可根据使用需求更改。欧姆龙3G3MV 系列是顺应 “更小，操作更容易”的需求，操作简便的变频器。采用独特的电压矢量控制，实现了高精度，高力矩。变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。 (1) 整流单元将

13、工作频率固定的交流电转换为直流电。 (2) 高容量电容存储转换后的电能。 (3)逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。 (4)控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。1.8.2 阶梯形改变速度将频率改变指令和输入端子功能选择进行组合，最高可将速度进行16阶梯的变化，如图1.3，通过给S7、S6、S5不同的信号就可以改变频率段，如000代表段1，001代表段2，如图1.4。 图1.3 输入端子与指令组合 图1.4 频率段的改变1.9 全自动洗衣机全自动洗衣机就是将洗衣的全过程(泡浸-洗涤-漂洗-脱

14、水)预先设定好N个程序,洗衣时选择其中一个程序,打开水龙头和启动洗衣机开关后洗衣的全过程就会自动完成,洗衣完成时由蜂鸣器发出响声。 目前市场上出售的全自动洗衣机大体分为三类。 发明最早的是前置式侧开门滚筒式洗衣机，这种洗衣机是欧洲发明的，擅长洗涤真丝、棉毛等面料，不缠绕无磨损，在洗涤时保证衣物不受损害，而且有良好的加温措施。但也有它不好的一面，由于不缠绕无磨损洗涤方式等因素，这种洗衣机洗涤时间长、洗净度差、用水用电量大，是其它洗衣机的几倍，尤其是采用了不锈钢内筒，产生的噪音较大。这种洗衣机适用于生活水平较高，穿着大体以真丝、纯毛、棉毛之类较高档的面料为主，而且更换衣服较勤的家庭。 发明最晚的洗

15、衣机是亚洲人发明的波轮上开门洗衣机。市场上有多种品牌，如“小天鹅”、“海棠”、“荣事达”等，这种洗衣机的特点是洗涤时间短，用水量小，洗净度高，是滚筒式的很多倍，由于内筒是塑料材料制成，噪音小，而且上开盖，能使洗涤液反复利用，价格也比较经济。这种洗衣机适用于居住在绿化较差，空气尘埃量较大，平均每2至3天换一次衣服的家庭，主要以洗净度为主，服装面料以化纤、腈纶为主。 本次实习设计的洗衣机结构如图1.5。图1.5 洗衣机结构图2 系统方案设计及确定2.1 功能要求应用PLC与变频器通信功能实现电动机的运行控制。可实现起、停控制。电动机的运转速度可实现在线设置。洗衣机的工作流程由进水，洗衣，排水，和脱

16、水四个过程组成。在全自动洗衣机中，这四个过程可做到全自动依次运行，直至洗衣结束。2.2 系统方案说明本次设计基于PLC的全自动洗衣机控制，本文的课题源于市场上洗衣机产品。PLC控制具有实时性、信号处理时间短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目，可靠性高，丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，PLC控制能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能，所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统设计的灵活性及控制系统的可靠性。本设计以操

17、作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。图2.1为设计方案框图。图2.1系统设计方案框图3 系统硬件设计该系统输入涉及按钮、传感器，输出包括电磁阀、报警器、变频器。由于此次实习是设计控制系统，可以没有实物，结合实验室现有硬件，传感器换成按钮，电磁阀和报警器换成指示灯。再合理分配输入输出端子，连接按钮和变频器，见附录硬件连接图。3.1 CPM2A模拟量输入/输出单元外部输入端子分布图（图3.1）：图3.1输入端子分布图外部输出端子分布图(图3.2)：图3.2 输出端子分布图4 系统软件设计主要方法是先编写工艺流程图，将整个流程分解，确定每步的转换条件，配合分支、循环、跳转及某些特殊功能便

18、可很容易的转化为梯形图了。4.1 I/O端子表表4.1 I/O端子表输入I输出O轻柔模式启动0.00进水阀10.00标准模式启动0.05电机正转10.01强制停止0.01电机反转10.02强调节0.02出水阀门10.03弱调节0.03报警灯10.04手动脱水0.04变频器强档10.06为1变频器弱档10.06为04.2 系统流程图PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。按下启动按扭，选择水位后开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水；根据衣料质地及多少选择洗涤模式，开始洗涤；洗涤时，轻柔模式正转10秒后暂停，暂停2秒后开始反转洗涤，反转洗涤10秒后暂停，暂停2秒。标准模式正转15秒后暂

19、停，暂停2秒后开始反转洗涤，反转洗涤15秒后暂停，暂停2秒；如此循环2次后，开始排水，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水5秒后即完成一次从进水到脱水的工作循环过程； 系统自动判断是否漂洗，若漂洗，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了大循环，则进行洗完报警；报警10秒结束全部过程，自动停机。以下是全自动洗衣机洗衣过程的流程图（图4.1和图4.2）。注：（1）本课程设计所设计的全自动洗衣机具有标准洗涤模式和轻柔洗涤模式，轻柔洗涤模式的流程图与标准模式流程图相似，故不在此画出。（2）甩干模式可以在不需要洗涤时可以单独手动操作，只进行衣物的甩干操作。图4.1 总流程图

20、图4.2 标准洗涤状态5 系统调试5.1 硬件调试硬件线路连的好不好，直接关系到整个系统的成败。仔细看电源极性有没有接反，是否接地，看有没有逻辑性错误，主要包括错线、开路、短路。检查接线是否牢固，用万用表检测更接线端看是否连接上。5.2 软件调试在cx-p环境里实现系统软件调试，首先在端口选择上选择CPM2A*，然后画好梯形图。仔细检查梯形图后方可进行软件调试。(1)在线工作:该软件与PLC连接在一起，称为在线工作，否则称为离线工作。(2)传送：将程序、扩展指令等下载到PLC。(3)操作模式：PLC工作模式为编程、调试、监视和运行四种。程序传送成功后选择运行，这样PLC就能按程序工作了，调节P

21、LC输入，观察对应的输出是不是想要的结果。6 总结实习的两周很快就结束了，此次实习很好的应用PLC与变频器通信功能实现电动机的运行控制。可实现起、停控制。电动机的运转速度可实现在线设置。洗衣机的工作流程由进水，洗衣，排水，和脱水四个过程组成。让我了解了PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我更加了解了关于PLC设计原理。最重要的是掌握了变频器的基本设置，实现了阶梯调速。在全自动洗衣机中，这四个过程可做到全自动依次运行，直至洗衣结束。但此次实习也有不完美的地方，比如说由于实验限制无法与洗衣机实物进行硬软件的衔接，这样就不能发现实际运行所带来的问题。我们控制的对象主要是电机，而且是在

22、空载条件下，而在实际运行中，衣物会给电机带负载，这样电机的转速就不能保证。当衣服过多时甚至会发生堵转的危险情况！如果要解决这些问题，就必须想办法实现闭环控制，这是我们本次实习没有做到的。7 参考文献1韩顺杰,蔡长青.电气控制技术M.北京:北京大学出版社,20102杨亚萍,陈北莉.电气控制与PLCM.北京:化学工业出版社,20093史国生.电气控制与可编程控制器技术M.第二版.北京:化学工业出版社,20084方承远.工厂电气控制设计M.第二版.北京:机械工业出版社,20055郁汉琪.电气控制与可编程序控制器技术M.南京:东南大学出版社,20046钟肇新,范建东.可编程控制器原理及应用.M.广州:

23、华南理工大学出版社,20037王亚欣.全自动洗衣机的PLC控制J.科技广场,20048 致谢为期两周的PLC课程设计让我收获了不少。最难的是设计程序方面，有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。本次实训脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做实训项目的过程中要不停的讨论问题，这样，我们组员可以尽可能的统一思想，这样就不会使在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。感谢学校老师给我们这次机会，他们为了我们能学好知识付出了很多，无论是时间还是精力，都让我们深深感动。我们一定不服他们的希望，努力成才。也感谢我们小组的组员，没有他们我更不可能圆满完成任务，只有团结才能真正攻克难题。9 附录 附录一 梯形图附录二 时序图模式一模式二