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1、电气控制与PLC应用技术课程设计说明书 题 目： 全自动洗衣机PLC控制 学 院： 信息与控制工程 专业班级： 自动化10-01班 实习日期：2013年 7 月 1 日12 日 课设成绩： 评阅教师： 评阅日期： 目录一、设计目的和意义3二、控制要求4三、设计方案论证4四、系统设计51、程序流程图52、cpu的选择63、I/O接口设置64、程序说明9五、组态界面的设计171、组态王172、监控系统功能要求213、新建一个工程214、监控界面设计225、运行和调试26六、总结与体会28参考文献30 全自动洗衣机控制系统 一、设计目的和意义传统的洗衣机采用继电器控制的优点是装置结构简单、价格便宜、
2、抗干扰能力强。但是，这也是随之带来的一些问题，如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏，而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。这种电路接线多，只适用于小型的控制电路。采用PLC控制比继电器控制好的多，我们采用PLC来控制。 （1） 可靠性高，抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部
3、电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2） 配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。（3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。（4） 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。二、控制要求1、按下启动按钮及水位选择开关，开始进水直到高(中、 低)
4、水位，关水；2、2秒后开始洗涤；3、洗涤时，正转30秒，停2秒，然后反转30秒，停2秒；4、如此循环5次，总共320秒后开始排水，排空后脱水30秒；5、开始清洗，重复(1)(4)，清洗两遍；6、清洗完成，报警3秒并自动停机；7、若按下停止按扭，可手动排水(不脱水)和手动脱水(不计数)。三、设计方案论证 PLC构成的分布式控制系统这类系统的被控对象通常比较多，分布在一个较大的区域内，相互之间比较远，而且，被控对象之间经常的交换数据和信息。这种系统的控制器采用若干个相互之间具有通信能力的PLC构成，系统地上位机可以采用PLC，也可以采用工控机。如图1所示。图1由于本次设计的系统只有1台被控电机以及
5、数量不是很多的其他被控对象，采用PLC集中控制方法，单台PLC进行多个对象的控制，只要适当的选用PLC，完全能够完成任务。四、系统设计1、程序流程图首先，我们按下启动按钮程序开始，洗衣机开始进水检测到高水位然后电机正转30S暂停2S然后开始反转，反转30S暂停2S此过程需要五次洗涤循环；五次正反转洗涤后，开始排水但检测到低水位时开始脱水30S此次循环三次，三次循环后洗衣机停机并报警；如图2开始开始进水 停止 水满洗涤正转洗涤反转洗涤结束报警全部停机 正30S 暂停2S 反30S 未完成5次 未完成3次 开始排水 暂停2S 下降到低水位开始脱水并继续排水 30S 3S 图2 2、CPU的选择PL
6、C的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等.选型时可考虑以下几点：功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求、PLC结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。全自动洗衣机控制所要求的控制功能简单，小型PLC就能满足要求了。该控制系统CPU模块可采用CPU-224（AC/DC/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带14个数字量输入点和10个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块
7、、数字量和输出模块。综上所述此次设计选用西门子S7-200系列整体式PLC，CPU模块为CPU-224（AC/DC/继电器）模块。PLC的框架配置图如3-4所示。图3-4 PLC框架配置图3、I/O端口设置 由于S7-200 224 CPU模块有14点数字量输入，10点数字量输出，所以不需要再增加扩展模块。模块上的输入端对应的输入地址是I0.0I1.2，输出端对应的输出地址是Q0.0Q1.0。CPU模块采用西门子公司的6ES7 214-1AD23-0XB0模块。由于该模块采用直流24V供电(直流晶体管输出)，有14点数字量输入和10点数字量输出，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不在需
8、要另外的数字量输入/输出模块1）数字量输入部分全自动洗衣机控制系统的输入有启动、停止、高水位、中水位、低水位、手动排水和手动脱水按钮以及高水位、中水位、低水位和排空检测开关共11个输入点。具体的输入分配如表1-1所示。 表1-1 输入地址分配名称符号地址启动按钮SB1I0.0停止按钮SB2I0.1高水位按钮SB3I0.2中水位按钮SB4I0.3低水位按钮SB5I0.4排空检测开关ST1I0.5高水位检测开关ST2I0.6中水位检测开关ST3I0.7低水位检测开关ST4I1.0手动排水按钮SB6I1.1手动脱水按钮SB7I1.22）数字量输出部分全自动洗衣机控制系统的外部设备有进水电磁阀、排水电
9、磁阀、正/反转洗涤电动机、蜂鸣器、指示灯等。具体的输出分配如表1-2所示。表1-2 输出地址分配名称符号地址启动指令J1Q0.0进水阀控制继电器J2Q0.1电动机正转及脱水继电器J3Q0.2电动机反转继电器J4Q0.3排水阀控制继电器J5Q0.4报警蜂鸣器HAQ0.5高水位指示灯HL1Q0.6中水位指示灯HL2Q0.7低水位指示灯HL3Q1.03）定时器部分具体的定时器分配如表1-3所示。表1-3 定时器分配定时器功能T37延时2秒开始洗涤T38洗涤正转定时3秒T39洗涤反转定时1秒T40脱水定时10秒T30报警定时3秒4）计数器部分具体的计数器分配如表1-4所示。表1-4 计数器分配计数器功
10、能C1洗涤循环计数5次C2清洗和漂洗计数3次 I/O连接图S7-200I0.1I0.222I0.3I0.4I1.1I1.2I0.6Q0.2I0.7Q0.5I1.0Q0.1Q0.4Q0.0KA1YV1YV2排水进水脱水正转M1报警I0.0L1启动高水位开关停止低水位开关中水位开关手动排水中液位传感器手动脱水高液位传感器低液位传感器SB1SB2SA1SA3SB3SB4ST1SA2ST2ST3图2 PLC外部接线图KA2Q0.6Q0.7Q1.0Q1.11L1通电L6高位L7中位L8低位水排空传感器I0.5ST4电源L+N24VM1M2M34、程序说明源程序1.启动全自动洗衣机Q0.0是启动输出，M0
11、.1是启动辅助继电器，当洗衣机的启动按钮按下时，Q0.0和M0.1得电。它的指令程序为：Network 1 开始洗涤LD I0.0O M0.1AN C2AN I0.1= M0.1= Q0.0 所对应的梯形图如图1-5所示图1-5 启动指令梯形图2.进水阀控制洗衣机启动后，再按下水位选择开关，进水电磁阀得电，洗衣机开始进水。当所选择水位的限位开关动作后,进水电磁阀释放，洗衣机停止进水。它的指令程序为：Network 2 进水阀控制LD M0.1EULD I0.5EUOLDO M0.3AN M0.2= M0.3Network 3LD I0.2AN I0.6LD I0.3AN I0.7OLDLD I
12、0.4AN I1.0OLDA M0.3= Q0.1Network 4LD Q0.1EDTON T37, +20Network 5LD T37O M0.2AN C1A M0.1= M0.2所对应的梯形图如图1-6所示图1-6进水阀控制梯形图3.洗涤控制当进水电磁阀释放2秒后，洗衣机开始洗涤。洗涤时，正转30秒，停2秒，然后反转30秒，停2秒，然后反转30秒，停2秒，如此循环5次，总共320秒。它的指令程序为：Network 6 正转及脱水控制LD M0.2AN T38AN Q0.3A M0.1LD I0.5AN T40AN Q0.3A M0.1OLDLD I1.2AN M0.1OLD= Q0.2
13、Network 7LD M0.2AN T39TON T38, +300Network 8 反转控制LD T38AN T39AN I0.5A M0.1= Q0.3Network 9LD Q0.3TON T39, +300Network 10LD T39EDLD T40EDCTU C1, +5所对应的梯形图如1-7所示图1-7洗涤控制梯形图4.出水阀控制当洗涤循环5次结束后，排水电磁阀得电，洗衣机开始排水。它的指令程序为：Network 11 出水阀控制LD C1LD I1.1AN M0.1OLD= Q0.4所对应的梯形图如图1-8所示图1-8出水阀控制梯形图5.脱水计时当排空检测限位开关动作后，
14、开始30秒脱水。它的指令程序为：Network 12 脱水计时LD I0.5TON T40, +300所对应的梯形图如图1-9所示图1-9脱水计时梯形图6.清洗和漂洗计数脱水结束后，洗衣机开始清洗，开始进水直到选择的水位，2秒钟后开始清洗。清洗时，正转30秒，停2秒，然后反转30秒，停2秒。循环5次后，开始排水，排空后脱水30秒。一共清洗2遍。它的指令程序为：Network 13 清洗和漂洗计数LD M0.2EDLDN M0.1CTU C2, +3所对应的梯形图如图1-10所示图1-10清洗和漂洗计数梯形图7.报警输出清洗完成后，报警3秒并自动停机。它的指令程序为：Network 14 报警输
15、出LD M0.1TOF T30, +30Network 15 LDN M0.1A T30= Q0.5所对应的梯形图如图1-11所示图1-11报警输出梯形图8.水位指示显示全自动洗衣机的水位。它的指令程序为：Network 16 水位指示LD I0.6= Q0.6Network 17 LD I0.7= Q0.7Network 18LD I1.0= Q1.0所对应的梯形图如图1-12所示图1-12水位指示梯形图设计一个上位机监控界面（用组态软件MCGS）五、组态界面的设计1、组态王组态王是一款功能强大的工业生产监控软件。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系
16、统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态王的主要功能：（1） 丰富的人机界面功能，可视化操作界面，真彩显示图形、丰富的图库；（2） 强大的通讯能力；（3） 先进的报警和事件管理；（4） 强大的网络和冗余功能。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控
17、制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能，拥有丰富的动画制作功能，其动画链接功能更是使工程技术人员运用组态王制作画面如虎添翼。工程人员在组态王开发系统中制作的画面都是静态的，如果要反映工业现场的状况，可以通过实时数据库，因为只有数据库中的变量才是与现场状况同步变化的。数据库变量的变化可以改变画面的动画效果，通过“动画连接”建立画面的图素与数据库变量的对应关系。动画连接的引入是设计人机接口的一次突破，它把工程人员从重复的图形编程中解放出来，为工程人员提供了标准的工业控制图形界面，并且由可编程的命令语言连接来增强图形
18、界面的功能。图形对象与变量之间有丰富的连接类型，给工程人员设计图形界面提供了极大的方便。“组态王”系统还为部分动画连接的图形对象设置了访问权限，这对于保障系统的安全具有重要的意义。通过这些功能的良好运用，可以制作出动画效果内容丰富，监控全面的监控系统。组态王中命令语言是一种在语法上类似语言的程序，工程人员可以利用这些程序来增强应用程序的灵活性、处理一些算法和操作等。命令语言都是靠事件触发执行的，如定时、数据的变化、键盘键的按下、鼠标的点击等。根据事件和功能的不同，包括应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言、动画连接命令语言和画面命令语言等。它具有完备
19、的词法语法查错功能和丰富的运算符、数学函数、字符串函数、控件函数、SQL函数和系统函数。各种命令语言通过“命令语言编辑器”编辑输入，在“组态王”运行系统中被编译执行。组态王软件的工程管理器界面如图6-1所示。工程浏览器界面如6-2所示。图6-1 工程管理器界面一般情况下启动组态王系统后，在信息窗口中可以显示的信息有：“组态王”系统的启动、关闭、运行模式；历史记录的启动、关闭；I/O设备的启动、关闭；网络连接的状态；与设备连接的状态；命令语言中函数未执行成功的出错信息。信息窗口如6-3所示。图6-2 工程浏览器界面图6-3 信息窗口2、监控系统功能要求用组态王设计的全自动洗衣机控制系统监控画面需
20、要实现洗衣机自动洗衣的功能，直观、形象地显示全自动洗衣机洗衣时的工作画面。全自动洗衣机的控制系统有两种方式：正常运行和强制停止。设计的画面要实现这两种情况下洗衣机的工作状态。建立一个新的组态王工程的一般过程是：设计图形界面（定义画面）；定义设备；构造数据库（定义变量）建立动画连接；运行和调试。3、新建一个工程启动“组态王”工程管理器，选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮。按照新建工程向导一步步的建立一个新的工程路径，并按自己要求设定工程文件目录。并将把新建工程设定为组态王当前工程。本设计新建的工程名为：全自动洗衣机。如图6-4所示。图6-4 新建一个工程4、监控界面设计（1）新建一个设备
21、在组态王工程浏览器树型目录中选择设备，在右边的工作区中出现了“新建”图标，双击“新建”图标，弹出“设备配置导向”对话框。由于本次毕业设计是采用软件编程与仿真的，没有具体的PLC设备，因此新建的设备选用的是亚控公司的仿真PLC设备，如图6-5所示。为仿真PLC设备取一个名字：仿真PLC。然后为设备选择连接的串口：COM2口。设备定义完成后，就可以再COM2下看到新建的设备-仿真PLC了。由于定义的是一个仿真设备，所以串口通讯参数可以不必设置，但在工程中连接实际的I/O设备时，必须对串口通讯参数进行设置且置顶，要与实际设备中的设置项完全一致，否则会导致通讯失败。图6-5 设备配置（2）创建画面单击
22、“画面”定义及命令语言工程栏，开始创建画面，输入画面名称，选择画面位置、画面风格及类型，在画面位置一栏输入需要创建的画面的宽度高度等数值。本设计创建的画面名称依次为：全自动洗衣机控制画面，中水位。（3）定义外部设备变量在利用组态软件的编辑过程中，首先应定义所要用到的变量，包括变量的描述，变量的类型，定义变量地址，选择连接的设备，寄存器。过程如下：点击画面左侧的“数据库”，双击右侧的“新建”出现定义变量对话框；变量名：可以根据需要设定；变量类型：根据离散信号还是整型信号来定义；连接设备：仿真PLC(刚刚定义的设备)；寄存器：离信号寄存器是CommErr，实型信号寄存器是INCREA或DECREA
23、。在定义变量的过程中，首先要确定变量类型。在实际运用中，应将从PLC中直接inputoutput的信号变量定义为离散型信号，如启动、停止、正反转等。而在自动控制过程中调用从预先写入寄存器内的参数时，应将此类信号变量设置为整型变量，如计数器，洗衣机中的水位。有些变量是原系统内部已经定义好的变量，如时间和日期等等，可以直接放入界面使用，并且会访问到操作系统的时钟。本设计定义的外部变量如图6-6所示。动画连接 给图形对象定义动画连接是在“动画连接” 对话框中进行的。在组态王开发系统中双击图形对象（不能有多个图形对象同时被选中），弹出动画连接对话框。图形对象可以按动画连接的要求改变颜色、尺寸、位置、填
24、充百分数等，一个图形对象又可以同时定义多个连接。把这些动画连接组合起来，应用程序将呈现出令人难以想象的图形动画效果。在画面制作过程中经常用到指示灯，指示灯可以用作报警显示，开关状态指示。通过指示灯的运用可以知道在预定工作条件下继电器，风扇等的开关，也可以表示热电偶的工作状态，这样可以大大提高监控的灵活性。此次设计的画面中指示灯用来显示全自动洗衣机的工作状态。首先在图库中选择画面设计需要的反应器、阀门、按钮和指示灯，并对每一个图库精灵进行动画连接。此外，画面需要有退出按钮，方便画面在运行时退出，选择函数Exit(0)来实现。在洗衣机洗衣过程开始前首先需要选择水位，由于画面显示的原因，需要进行画面
25、切换。主画面为全自动洗衣机控制画面，默认水位选择是高水位。当水位选择是中水位或低水位时，需要进行画面切换。设计好的组态界面-全自动洗衣机控制画面如图6-7所示，中水位画面如图6-8所示。 图6-6 外部变量定义图6-7 全自动洗衣机控制画面图6-8 中水位5、运行和调试在界面设置结束保存后就可以运行系统，要进入组态王运行系统就需要对画面进行配置，首先在开发系统中单击菜单栏“配置运行环境”命令或工具条“运行”按钮或工程浏览器“工程目录显示区系统配置设置运行系统”按钮后，弹出“运行系统设置”对话框。选择要运行的画面点击确定即可进入监控界面。全自动洗衣机正常运行画面如图6-9所示。图6-9所示画面分
26、析：按下启动按钮，水位选择高水位后，进水阀打开，开始进水，启动指示灯亮。当水位与设定水位（高水位）一致时，进水阀关闭。暂停2秒之后洗涤电机正转，对应正转指示灯亮，正转持续几秒后电机反转。反转后再次进行正转，循环3次后出水阀打开，进行排水。当水排空时，开始进行脱水。脱水完毕后，洗衣过程完毕，系统报警，洗涤完成指示灯亮。报警指示亮几秒后，高水位按钮、启动指示灯、洗涤完成指示灯灭，整个过程完成。在现实中在进行洗涤和漂洗前，必须根据衣物多少，先向盛水桶内注入规定的水量，选定水位高度，就是选定水量。不同结构的洗衣机，各自有不同的规定用水量和规定水位高度。全自动洗衣机选择中水位时运行画面如6-10所示。图
27、6-9 全自动洗衣机正常运行时的画面图6-10所示画面分析：水位选择中水位时洗衣过程同水位选择高水位一样，当水位到达设定水位后停止进水，洗衣机开始洗衣过程。图6-10 中水位时运行的画面 全自动洗衣机处于强制停止模式运行画面如图6-11所示。图6-11 手动排水时的运行画面图6-11所示画面分析：当系统处在正常运行方式时，按下停止按钮，电机停转，所有的指示灯灭。当按下手动排水按钮时，洗衣机开始排水，出水阀打开，排水指示灯亮。同样，当按下手动脱水按钮时，开始脱水，脱水指示灯亮。本次设计的界面虽然比较简陋，没有模仿洗衣机的造型或者有旋转效果，但是实现了全自动洗衣机正常运行和强制停止两种工作模式。当
28、选择水位开关，进行动画演示时，通过对水位这个参数进行设定使洗衣机在达到设定水位时，暂停几秒后电机开始正转，洗衣过程开始。在现实生活中，洗衣机在进水时往往出现溢水问题，在此次仿真中不会出现洗衣机进水时的溢水情况。六、总结和体会通过本系统的设计，对全自动洗衣机的控制系统有了深入的理解。全自动洗衣机控制系统利用了西门子PLC的特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入输出点设备进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。由于每遍的洗涤,排水,脱水的时间由PLC内计数器控制,所以只要改变计数器参数就可以改变时间。可以把上面设定的程序时间定下来,作为固定程序使用,也可以根据衣物的质地,数量及油污的程度来编程。
29、只要稍作改变,就可以设计出诸如要多洗多甩的牛仔类衣物,轻洗轻甩的羊毛类衣物以及通用的标准洗涤程序,充分表其实用性。本论文设计了基于PLC的全自动洗衣机控制系统，该系统包括进水、电机正传、电机反转、排水、脱水、报警等组成部分。在本次设计中主要完成了以下工作：（1）通过分析把整个系统分成了若干个模块，分析全自动洗衣机控制系统框图；（2）根据输入/输出点，对CPU进行选型，设计PLC的外围接线图，并进行I/O地址和内部元件地址的分配；（3）绘制了系统的正常运行流程图和强制停止流程图，对其顺序功能图进行分析；（4）使用STEP7-Micro/WIN32软件进行了梯形图的编程；（5）使用S7-200 V
30、4.0的仿真软件对程序进行了仿真；（6）利用组态王软件制作了该控制系统的工作画面。在做毕业设计的过程中，遇到了不少问题，但经过查询资料和同学帮助下基本得到了解决。系统仿真时，最初用的是S7-200系列PLC的仿真软件汉化版，但在经过CPU选型和程序下载后，按动面板上的开关按钮使其0，1状态切换，在CPU面板上的输出模拟LED灯不会亮。经过上网查询资料和咨询同学，下载了仿真软件的英文版，解决了仿真中遇到的问题，完成了系统的仿真。在组态画面的设计过程中，按下启动按钮时，洗衣机中的变量水位在没有按下启动按钮时就开始上升，出现此问题的原因是因为在进行新建设备时选择的是仿真PLC，水位是从其得到。而在实际工作中，I/O参数是从实际连接的PLC中采集获得,不会出现此种情况。为了更贴近实际工作情况，在画面开始运行时，就按下启动按钮。之后选择水位选择开关，进水阀打开，开始进水，洗衣过程开始。参考文献1 陈建明. 电气工程与PLC应用（第二版）.电子工业出版社2 贾德胜. PLC应用开发实用子程序.人民邮电出版社.20063 于庆广. 可编程控制器原理及系统设计.清华大学出版社.20044 张进秋. 可编程控制器原理及应用实例.机械工业出版社.20045 吴作明.PLC开发与应用实例详解.北京航空航天大学出版社.2007
