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山东省“金蓝领”(维修电工技师)论 文题 目： PLC控制工业用洗衣机姓 名： 高 欢指导老师： 徐国林 二零一一年五月二十六号目 录摘要3第一章 PLC控制系统设计41.1为何选用PLC控制41.2PLC控制系统设计的基本原则51.3PLC I/O模块的选择步骤与原则6第二章 工业用洗衣机的PLC控制92.1PLC的设计步骤92.2 课题内容92.3 控制要求102.4 电气控制图以及水位检测元件说明102.5 I/O分配图以及梯形图112.6 程序工作原理分析152.7 调试结果162.8 选型以及规格16三、 设计总结17参考文献：18摘 要PLC可编程序控制器：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是: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。PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。它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. 关键词：可编程序控制器（PLC）； 工业用洗衣机； 自动控制AbstractPLC programmable logic controller: PLC Programmable Logic Controller English name, Chinese called the programmable logic controller, the definition is: the operation of a digital electronic computing systems for environmental applications in the industrial design. PLC is based on electronic computers, and apply to the industrial scene, the work of the controller. It originated from relay control devices, but it does not relay device, through circuit to achieve control of the physical processes, and mainly rely on running in the memory stored in the PLC process, transform information into and out of control. It uses a programmable memory for its internal storage procedures, the implementation of logical, sequential control, timing, counting and arithmetic operations such as user-oriented instructions, and through digital or analog input / output control of all types mechanical or production process.Key words: programmable logic controller (PLC); industrial washing machine; Contro第一章 PLC控制系统设计1.1 为何选用PLC控制PLC控制系统与电器控制系统的区别：PLC控制系统与电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。不同之处主要在以下几个方面： 1）从控制方法上看，电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外，继电器的触点数量有限，所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。 2）从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。 3）从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快， 程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。 4）从定时和计数控制上看，电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。5）从可靠性和可维护性上看，由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。PLC控制与PC控制的区别： PLC不断发展，虽然PC被引入控制工业，但PLC并没有因此退出控制舞台，这是因为它能与新技术很快的结合，如大量网络连接、处理速率、本地存储和编程的灵活性等技术。另一个原因是，各种控制模块的集成没有兼容性问题，降低了启动和系统确认的成本，提供了一个经测试的高稳定性的良好控制环境。PLC技术之特点包括：过程执行的实时性；读、写输入输出（I/O）值的实时性；能保证执行和继续操作的鲁棒性和可靠性；保护控制代码和执行不受外来影响；功能独立，保证控制响应的专一性。PLC处理能力的成本在下降，通信能力在增强，开放式的系统正在被广泛接受。总共具有32点 I/O的Nano PLC，网络通信能力不断增强；而具有129点I/O的micro PLC，在功能上则更加完善。根据一项ARC Advisory Group的研究，小型PLC通过网络配置性能替代大型PLC已成发展趋势，其原因包括可靠性、简易联线以及可测量性。同样，软件的进步也使用户能够容易地进设定和使用，PLC也可承担更多的逻辑控制。另一发展趋势是精密运动和位移控制软件以及网络化（web-enabled）功能，如基于网络的HMI、在线升级和远程故障判断及排除。1.2 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： 1.2.1 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。1.2.2 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。1.2.3 力求简单、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。1.2.4 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、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。1.3 PLC I/O模块的选择步骤与原则一般IO模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的IO模块有开关量IO模块、模拟量IO模块及各种特殊功能模块等。不同的IO模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。1.3.1 开关量IO模块的选择 1、 开关量输入模块的选择开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：1）输入信号的类型及电压等级开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。 开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5、12、24、48、60等；交流110、220等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5、12、24用于传输距离较近场合，如5输入模块最远不得超过米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。2）输入接线方式开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式， 开关量输入模块的接线方式a)汇点式输入 b)分组式输入汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。3）注意同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60。4）输入门槛电平为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。1.3.2 开关量输出模块的选择开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：1）输出方式开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。2）输出接线方式开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式，如图6-3所示。图6-3 开关量输出模块的接线方式 a)分组式输出 b)分隔式输出 分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。 3）驱动能力 开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。 4）注意同时接通的输出点数量 选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V2A的点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A(82A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60。 5)输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。1.3.3模拟量IO模块的选择 模拟量IO模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。模拟量输入（AD）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(DA)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。 典型模拟量IO模块的量程为-10V+10V、0+10V、420mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。 一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）。1.3.4特殊功能模块的选择 目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的IO模块，有的还推出了自带CPU的智能型IO模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。第二章 用PLC控制工业用洗衣机2.1PLC的设计步骤开发应用 PLC的设计任务分为硬件和软件设计两部分.2.1.1硬件设计主要包括:(1) 确定安排 PLC的输入、输出点;(2) 设计外围电路 , 包括主电路;(3) 选购 PLC并进行现场安装接线等内容.2.1.2软件设计 , 大多数用梯形图和指令程序 , 主要包括:(1) 设计控制流程 , 根据工艺要求先画出工作循环 ,如有必要再画详细的状态流程图;(2) 根据工作循环图 , 画出虚拟的电路图 继电器梯形图;(3) 按梯形图编写指令程序表;(4) 系统调试: 根据设计要求 , 对程序进行调试和修改 , 必要时还可对硬件进行修改 , 直到符合要求为止. 2.2 课题内容编制一个用PLC控制的工业用单缸全自动洗衣机的洗涤动作，具体操作过程见下附图（全自动洗衣机洗涤动作流程图）2.3 控制要求动作要求如下： 启动（选择手动与自动）后有运行指示灯。 洗衣机的进水、排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀执行。 洗涤正转、反转由洗涤电机驱动波盘正、反转来实现。 脱水时，由脱水电磁离合器合上、排水电磁阀吸合，洗涤电机正转进行甩干。 洗涤完成由蜂鸣器报警。 停止按钮用来手动结束洗涤过程。操作面板上设有启动按钮及停止按钮。 如果洗衣机内已经有出于高水位的水，则不需进行进水，而只需启动按钮启动即开始洗衣 对电机实行正反转的互锁控制，进水与出水的互锁。 可以通过参数设置是否需要进行大循环洗衣（即：正反三次且甩干后返回进水状态而继续洗衣，以达到更干净的要求） 在报警10秒后洗衣机自动停机 当洗衣没有达到三次而断电，如果来电后能够继续刚洗衣过程，不需重新开始三次洗衣 能够有手动控制，以达到只使用洗衣机的某部分功能而用作它用，扩展其用处 若有紧急情况，实现无条件停机！2.4 电气控制图以及水位检测元件说明输入输出X0启动输入Y0运行指示灯X1停止输入Y1电机正转X2手动排水Y2电机反转X3高水位输入Y3进水电磁阀X4低水位输入Y4出水电磁阀X5手动脱水Y5离合器电磁阀X6手动进水Y6蜂鸣报警X7手动正转X8手动反转X9手动/自动选择开关说明：对水位检测元件的理解和解释已经设计中的应用： 高水位时： 高水位元件接通 低水位时： 高水位元件断开 低水位元件断开 低水位元件接通手动/自动方式选择开关： 断开（常态）为自动方式 闭合为手动方式计数器选择带停电保持的计数器 C100 和C101, 其它计数器，辅助继电器为普通2.5 I/O分配图以及梯形图如下：梯形图指令表：2.6 程序工作原理分析如下：1. X11没有接通，表明选择自动洗衣，2. X0启动按钮接通，辅助继电器M100动作并自锁3. 同时启动进水电磁阀Y3（如果里面的水位已经人为的进水到高水位，则不需启动进水电磁阀，而直接进入洗衣过程）4. 当水位到达高水位，X3接通，电机正转(Y1)15秒 暂停3秒 电机反转（Y1断开，Y2接通）15秒 暂停3秒5. 当第四步完成后，计数器即加1，若计数器未满3，则继续重复第四步过程6. 计数器满3次，则启动出水电磁阀Y4，进行排水，水位至低水位即X4接通，则启动离合器电磁阀，和电机正转，同时保持出水电磁阀Y4接通，Y1,Y4,Y5保持输出10秒7. 如果需要增加洗衣洁净程度则在此设置计数器C101的次数大于1，以返回步骤3，完成设定的次数8. 计数器C101达到设定的次数，则报警（洗衣完成），10秒后自动停机，同时让计数器C100和C101复位，以为下次洗衣准备！9. X11接通，表明选择手动洗衣（主要方便只使用洗衣机的部分功能像：脱水，电机正反转来洗其他东西，排水可以人工清洗洗衣机内部），运行指示灯也会亮。10. 按下手动排水，接通Y4（进水与出水互锁），进行排水，排水到低水位会自动停止排水11. 按下手动脱水，会同时接通电机正转Y1,出水电磁阀Y4,离合器电磁阀Y5，脱水10秒（时间可以自定）后自动停机12. 按下电机正转Y1（反转Y2），则电机按规定的动作动作，正反转互锁，13. 按下手动进水，则接通进水电磁阀Y3，进水与出水互锁，进水到高水位则自动停止。14. 互锁有正反转，进水出水，15. 洗衣（或者手动时脱水）完成，后复位计数器C100与C1012.7 调试结果通过在试验台上的调试，PLC的输入用指定的按钮，水位检测元件用扭子开关代替，输出的电机正反转，电磁阀，指示灯等都直接用PLC的输出Y的指示灯表示，调试的结果都能按照规定的要求输出，达到要求！2.8 选型以及规格如下（能够保证使用要求，而且有足够的I/O口余量，也能够实现功能的升级改装）：8模型I/O总数输入 输出尺寸 mm(英寸）（宽）x（厚）x（高） 数目类型数目类型FX2N-32MR-0013216漏型16继电器150x87x90(5.9x3.4x3.5)三、 设计总结本次利用三菱FX2N-32MR-001完成了对单缸全自动洗衣机的洗涤动作，充分的了解了PLC具有的许多优势：1、功能强，性能价格比高 2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 3、可靠性高，抗干扰能力强 4、系统的设计、安装、调试工作量少 5、编程方法简单 6、维修工作量少，维修方便 7、体积小