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        基于PLC和組態王的全自動洗衣機控制系統設計

        上傳人:QQ-1****6396 文檔編號:23635402 上傳時間:2021-06-10 格式:DOC 頁數:59 大?。?.28MB
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        1、河南理工大學畢業設計(論文)說明書摘 要隨著科技日新月異,人民生活水平不斷提高,消費者對家庭電器自動化的需求不斷加大,其中全自動洗衣機占很重要的位置??傮w看來,高效節能、節水以及環保的全自動洗衣機一直在市場上占主導地位。傳統的洗衣機采用繼電器控制,而大多數繼電器的優點是裝置結構簡單、價格便宜、抗干擾能力強,但其容易損壞,產生噪音,耗能大。PLC的優點是:可靠性高,耗電少,適應性強,運行速度快,壽命長,為了進一步提高全自動洗衣機的功能和性能,避免傳統控制的一些弊端,就提出了用PLC來控制全自動洗衣機這個課題。本設計采用西門子公司的S7-200系列的PLC作為核心控制部件,利用其特點,對按鈕、電磁

        2、閥、開關等其他一些輸入/輸出點進行控制,實現了洗衣機洗衣過程的自動化。本文對全自動洗衣機的控制系統進行了分析,進行了流程圖和梯形圖的設計,并進行仿真測試。為了能更直觀的顯示出整個自動控制過程,本設計運用組態王軟件建立了一個全自動洗衣機的監控系統畫面。關鍵詞:PLC; 全自動洗衣機; 組態王 Abstract Along with the development of the science and technology, peoples standard of living rises ceaselessly, and the demand of household appliances in

        3、creases, in which full automatic washing machine occupies a very important position.Overall, full automatic washing machine with high efficiency and energy saving, water conservation and environmental protection in the market has been held the dominant position.The traditional washing machine use re

        4、lay control, most of the relays have the advantages of simple structure, price cheap device and strong anti-interference ability, but they are easy to be damaged, produce noise, and consume huge amount of energy. The characteristics of PLC are high reliability, less consumption, strong adaptability,

        5、 fast operation and long life. This design used the Siemens S7-200 PLC as the key control components. According to its characteristics, it controlled the button, solenoid valve, switch, or some other input/output point,while realizing the automation of washing machine. In this paper, the automatic w

        6、ashing machine control system was analyzed, the flow chart and ladder diagram were designed. In order to show the automatic control process more intuitively, the design used King view to establish a picture of the full automatic washing machine control system. Key words: PLC; full automatic washing

        7、machine; King view目錄1 緒論11.1選題背景11.2洗衣機的發展概況和現狀11.3畢業設計的研究內容及意義22 系統總體分析42.1全自動洗衣機的工作原理42.2 全自動洗衣機的設備控制要求53硬件設計63.1硬件電路設計63.2可編程控制器73.3 繼電器103.4 PLC的選型113.4.1 I/O儲存器容量的估算113.4.2 CPU的選型123.5 PLC的外圍接線圖設計123.6 系統資源分配133.6.1 輸入地址分配133.6.2 輸出地址分配143.6.3 內部元件地址分配154 軟件設計164.1 編程軟件164.2 程序流程圖設計174.3 PLC控制順

        8、序功能圖設計194.4 梯形圖編寫204.5 梯形圖重點程序段落分析225 系統仿真285.1 S7-200 V4.0的仿真軟件285.2 仿真測試295.3仿真結果分析306 組態界面的設計326.1 組態王326.2 監控系統功能要求356.3 新建一個工程356.4 監控界面設計366.5 運行和調試397 總結與展望427.1 總結427.2 展望43致謝44參考文獻45附錄一 SIMATIC S7-200 CPU主要性能指標46附錄二 畫面命令語言47附錄三 系統指令語句表49521 緒論1.1選題背景洗衣機是人們日常生活中常見的一種家電,已經成為人們生活中不可缺少的家用電器。在工業

        9、生產中的應用也十分廣泛,本課題在于工業用洗衣機的研究,工業洗衣機適用于洗滌棉、毛、化纖、絲綢等衣物織品。水磨洗滌機可用于服裝廠水洗牛仔服及絲綢等衣物。工業用洗衣機適用于賓館、飯店、醫院、學校、工廠等領域,滿足大容量的洗衣要求。傳統的基于繼電器的控制,已經不能滿足人們對洗衣機的自動化程度的要求了。洗衣機需要更好地滿足人們的需求,必須借助于自動化技術的發展。而隨著PLC技術的發展,用PLC作為控制器,就能很好地滿足全自動洗衣機對自動化的要求,并且控制方式靈活多樣,控制模式可以根據不同場合的應用而有所不同。自動化技術的飛速發展使得洗衣機由初始的半自動式洗衣機發展到現在的全自動洗衣機,又正在向智能化洗

        10、衣機方向發展。 1.2洗衣機的發展概況和現狀從古到今,洗衣服都是一項難于逃避的家務勞動,在洗衣機出現以前,這項勞動并不像田園詩描繪的那樣充滿樂趣、手搓、腳踩、棒擊、沖刷、摔打。這些不斷重復的簡單的體力勞動,留給人的感受常常是辛苦勞累。世界上第一臺洗衣機于1858年誕生,但這臺洗衣機使用費力,且損傷衣服,因而沒被廣泛使用,但這卻標志了用機器洗衣的開端。1874年,“手洗時代”受到了前所未有的挑戰,美國人發明了木制手搖洗衣機。1880年,美國發明了蒸氣洗衣機,蒸氣動力開始取代人力。蒸汽洗衣機之后,水力洗衣機、內燃機洗衣機也相繼出現。1910年,美國試制成功世界上第一臺電動洗衣機,電動洗衣機的問世,

        11、標志著人類家務勞動自動化的開端。1922年,美國改造了洗衣機的洗滌結構,把拖動式改為攪拌式,使洗衣機的結構固定下來,這也就是第一臺攪拌式洗衣機的誕生。1932年,美國研制成功第一臺前裝式滾筒洗衣機。1955年,在引進英國噴流式洗衣機的基礎之上,日本研制出獨具風格、并流行至今的波輪式洗衣機。70年代后期,微電腦控制的全自動洗衣機出現引領新的發展方向,讓人耳目一新。90年代,由于電動機調速技術的提高,洗衣機實現了較寬范圍的轉速變換與調節,誕生了許多新水流洗衣機。全自動洗衣機的特點是能自動完成洗滌,漂洗和脫水的轉換,整個過程不需要人工操作。這類洗衣機均采用套筒式結構,其進水,排水都采用電磁閥,由程序

        12、控制器按人們預先設計好的程序不斷發出指令,驅動各執行器件動作,整個洗衣過程自動完成,所用的程序控制器可分為電動機驅動式和單片機式。從控制方式的發展階段上分,全自動洗衣機可分為兩大類:第一類:電動控制洗衣機,它的程序控制器由電動元件組成。第二類:電腦控制洗衣機,它的程序控制器由微型計算機組成。電動控制全自動洗衣機是較早出現的自動控制類家用電器,其產品類型還屬于傳統的機械產品,是自動控制的初級階段。隨著計算機及微電子技術的發展,自動控制系統正在逐步實現硬件化。因此,電動控制洗衣機將逐步退出家電舞臺。全自動洗衣機從結構上分有波輪式、攪拌式、滾筒式。目前,國內市場上銷售的大都是波輪式和滾筒式,供應最多

        13、的是波輪式洗衣機。波輪式洗衣機的特點是洗凈率高,但對衣服的磨損很大,隨著人們生活水平不斷地提高,絲綢,毛料,羊毛等大量走進普通家庭,廠商又適時地推出了滾筒洗衣機,它最大的優點是磨損率小,但洗凈率比波輪式低,價格高。洗衣機產品可以分三類:普通型、半自動型和全自動型。普通型和半自動型洗衣機,都需要人為參與操作,才能完成洗衣、甩干、排水全過程;而全自動洗衣機在整個洗滌、甩干、排水過程中,無需人為操作和監控。國內外洗衣機品牌有海爾、小天鵝、榮事達、松下、惠而浦水仙、LG熊貓、西門子、日立好用。1.3畢業設計的研究內容及意義本設計是基于PLC的全自動洗衣機控制系統設計,采用西門子公司的S7-200系列的

        14、PLC作為核心控制部件,利用其特點,對按鈕、電磁閥、開關等其他一些輸入/輸出點進行控制,實現洗衣機洗衣過程的自動化。首先需要對全自動洗衣機的控制系統進行分析,進行流程圖和梯形圖的設計,并進行仿真測試。為了能更直觀的顯示出整個自動控制過程,本設計運用組態王軟件建立一個全自動洗衣機的監控系統畫面。本文的課題源于市場上的洗衣機產品。傳統的洗衣機采用繼電器控制,而大多數繼電器的優點是裝置結構簡單、價格便宜、抗干擾能力強,但其容易損壞,產生噪音,耗能大。也有采用單片機控制的洗衣機,單片機系統的特點是結構簡單,處理速度快,但其對環境的適應能力較低,可靠性差,采用匯編語言或者是C語言,這些高級語言和PLC語

        15、言相比難以學習,而且功能單一,只具有使用中所需要的功能,硬件較為復雜。PLC系統的優點是:可靠性高,耗電少,適應性強,運行速度快。為了進一步提高全自動洗衣機的功能和性能,為了避免傳統控制和單片機控制的一些弊端,就提出了用PLC來控制全自動洗衣機這個課題。 PLC具有以下優點:(1)可靠性高,抗干擾能力強。高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術,采用嚴格的生產工藝制造,內部電路采取了先進的抗干擾技術,具有很高的可靠性。(2)配套齊全,功能完善,適用性強。PLC發展到今天,已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品,可以用于各種規模的工業控制場合。(3)編程簡單。PL

        16、C的優越性主要體現在它采用了獨特的,多種面向廣大工程設計人員的編程語言如指令表,梯形圖,邏輯功能圖,順序功能圖等,程序簡潔、明了,適合各類技術人員的傳統習慣,即使是沒有計算機知識的人員也很容易掌握,特別是梯形圖與邏輯功能圖,形象直觀,動態監測效果逼真,且與計算機控制容易連接,深受工程技術人員歡迎。(4)系統的設計、建造工作量小,維護方便,容易改造。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯,大大減少了控制設備外部的接線,使控制系統設計及建造的周期大為縮短,同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序而改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。(5)體積小,重量輕,能耗低。由于體積小

        17、很容易裝入機械內部,是實現機電一體化的理想控制設備。全自動洗衣機采用PLC控制系統將大大提高工作效率,和適應工作環境的能力。它是整體模塊,集中了驅動電路、檢測電路、保護電路以及通訊聯網功能。因此在運用中硬件也相對簡單,大大提高了控制系統的可靠性。另外它的編程語言也相對簡單。其次,它能實現脫機手動工作,聯機自動就地工作,上機控制的單周期運行方式,自動啟動、自動停機控制方式。2 系統總體分析2.1全自動洗衣機的工作原理全自動洗衣機的工作原理:全自動洗衣機的洗衣桶(外桶)和脫水桶(內桶)是以同一中心安放的,內桶可以旋轉,作為脫水用。內桶的周圍有許多小孔,使內桶和外桶的水流相通,洗衣機的進水和排水分別

        18、由進水電磁閥和排水電磁閥來執行。進水時通過控制系統將進水閥打開,經進水管將水注入到外桶。排水時,通過控制系統將排水電磁閥打開,將水由外桶排到機外。洗滌正傳反轉由洗滌電動機驅動撥盤的正反轉來實現,此時脫水桶并不旋轉。脫水時,控制系統將離合器合上,由洗滌電動機帶動內桶正傳進行甩干。高、中、低水位控制開關分別用來檢測高、中、低水位。啟動按鈕用來啟動洗衣機工作,停止按鈕用來實現手動停止進水、洗衣、排水、脫水及報警。全自動洗衣機的進水,洗衣,排水,脫水是通過水位開關,電磁進水閥和電磁排水閥配合進行控制,從而實現自動控制的。水位開關用來控制進水到洗衣機內高中低水位,電磁進水閥起著通斷水源的作用。全自動洗衣

        19、機的示意圖如2-1所示。 M 進水閥 進水 高水位傳感器 中水位傳感器 低水位傳感器 水排空傳感器 出水 洗衣電機出水閥 圖2-1 全自動洗衣機示意圖2.2 全自動洗衣機的設備控制要求全自動洗衣機控制系統的要求是能實現“正常運行”和“強制停止” 兩種控制方式。正常運行方式的具體控制要求如下:(1) 將水位能夠通過水位開關設在合適的位置(高、中、低),按下“啟動”按鈕,開始進水,到達設定的水位(高、中、低)后,停止進水。(2) 進水停止2秒后開始洗衣。(3) 洗衣時,正轉20秒,停2秒,然后反轉20秒,停2秒。(4) 如此循環共5次,總共220秒后開始排水,排空后脫水30秒。(5) 然后再進水,

        20、重復以上過程,如此循環共3次。(6) 洗衣過程完成,報警3秒并自動停機?!皬娭仆V埂狈绞降木唧w控制要求如下:(1) 若按下“停止”按鈕,洗衣過程停止,即洗滌電機和脫水桶停止轉動、進水電磁閥和排水電磁閥全部閉合。(2) 可用手動排水開關和手動脫水開關進行手動排水和脫水。根據全自動洗衣機的工作原理,洗衣機的工作流程由進水、洗衣、排水和脫水四個過程組成。在半自動洗衣機中,這四個過程分別用相應的按扭開關來控制。利用可編程控制器PLC實現控制,用于說明PLC控制的原理方法、特點及工作特色。此次全自動洗衣機控制系統設計需要利用西門子S7-200系列PLC的特點,對按鈕、電磁閥、開關等其他一些輸入/輸出點進

        21、行控制,實現洗衣機洗衣過程的自動化。3硬件設計3.1硬件電路設計硬件設計的整體思路就是通過PLC輸出的數字信號控制繼電器組,達到控制電路的目的??刂齐娐返慕M成主要包括:可編程控制器、繼電器組和連接電路(變頻器)。其中,繼電器為主要執行模塊,PLC所發出的數字指令控制繼電器線圈,而繼電器的開合直接控制電源電路,實現對電動機的控制。另外,變頻器在電路中控制洗滌時的電機轉速,不作為必要裝置。在此控制系統中,PLC是控制核心,外部多種輸入信號如啟動按鈕、高中低水位檢測等信號采樣進來,經過PLC內部進行邏輯運算或數據處理后,提供多種輸出信號來控制進水閥、出水閥動作,和控制電機驅動裝置進而控制正反轉和脫水

        22、運行。PLC用定時器記錄正反轉時間,脫水時間和報警時間,用計數器記錄正反轉次數和脫水次數,可以很容易地通過更改PLC定時器和計數器的參數,來滿足不同的洗滌條件和要求。根據以上要求,基于PLC的全自動洗衣機控制系統框圖如圖3-1所示。圖3-1 全自動洗衣機控制系統框圖PLC在系統中處于中心位置,啟動、停止信號和水位開關是PLC的輸入信號,進水閥,排水閥,電動機和脫水桶是洗衣機各種動作的執行機構。其中進水閥和排水閥由PLC給定信號來決定其工作狀態,電動機的工作狀態也由控制中心PLC給定信號來決定,而電動機的正反轉狀態直接決定洗衣機的洗滌狀態和脫水狀態。系統的硬件電路圖如圖3-2所示。圖3-2 硬件

        23、電路圖3.2可編程控制器 可編程控制器的基本概念國際電工委員會對PLC作了如下定義:可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統,專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器,用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令,并通過數字式、模擬式的輸入和輸出,控制各種類型的機械或生產過程??删幊炭刂破骷捌溆嘘P設備,都應按使工業控制系統形成一個整體,易于擴充其功能的原則設計。 可編程控制器的基本結構可編程邏輯控制器實質是一種專用于工業控制的計算機,其硬件結構基本與微型計算機相同,PLC主要由中央處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出(I/O)單元、電源部分、通信端口、編程

        24、器和特殊功能單元組成。典型的PLC控制系統的硬件組成框圖如圖3-3所示。1 中央處理器(CPU)中央處理器(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它通過系統總線與用戶存儲器、輸入/輸出(I/O)、通信端口等單元相連。它按照可編程邏輯控制器系統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據;檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態,并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時,首先它以圖3-3 PLC控制系統的硬件組成框圖掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據,并分別存入I/O映象區,然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序,經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的

        25、結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后,最后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置,如此循環運行,直到停止運行。2 存儲器 根據存儲器存儲內容的不同,存儲器可以分為系統程序存儲器、用戶存儲器和數據存儲器。3 輸入/輸出(I/O)單元輸入/輸出(I/O)單元是PLC與外部設備連接的紐帶。輸入單元接受現場設備箱PLC提供的開關量信號,經過處理后,變成CPU能夠識別的信號。輸出單元將CPU的信號經處理后來控制外部設備。4 電源部分PLC一般使用AC220V電源或DC24V電源。內部使用的電源是整體的供給中心,大部分PLC采用開關式穩壓電源供電。5

        26、 通信端口PLC的CPU模塊上至少有一個通信端口。通過這個通信端口,PLC可以直接和編程器或上位機相連。6 編程器編程器用來生成用戶程序,并用它進行編輯、檢查、修改和監控用戶程序的執行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖,只能輸入和編輯指令表程序。一般用于小型機或用于現場調試和維護。使用編程軟件可以在計算機上直接生成梯形圖或指令表程序,并且可以實現不同編程語言之間的相互轉換。程序被編譯后通過PC/PPI電纜可以下載到PLC中去,也可以將PLC當中的程序上傳到計算機當中來。7 特殊功能單元PLC的特殊功能模塊用來完成某些特殊的任務,如定時、計數等。(3)可編程控制器的基本特點可編程邏輯控制

        27、器具有以下鮮明的特點:1 編程方法簡單易學、功能強大、性價比高、硬件配套齊全,系統構成靈活,擴展容易,以開關量控制為其特長;2 也能進行連續過程的PID回路控制;3 并能與上位機構成復雜的控制系統用戶使用方便、適應性強、可靠性強、抗干擾能力強;4 系統的設計、安裝、調試工作量少、維護工作量小、維護方便、體積小、能耗低等特點。(4)PLC的工作原理PLC的工作原理可以簡單的表述為在系統程序的管理下,通過運行應用程序,對控制要求進行處理判斷,并通過執行用戶程序來實現控制任務。但是,在時間上,PLC執行的任務是按串行方式進行的,其具體的運行方式與繼電器-接觸器控制系統及計算機控制系統都有著一定的差異

        28、與不同。 PLC的基本工作原理:PLC采用“順序掃描,不斷循環”的工作方式。1 每次掃描過程,集中采集輸入信號,集中對輸出信號進行刷新;2 輸入刷新過程,當輸入端口關閉時,程序在進行執行階段時,輸入端有新狀態,新狀態不能被讀入。只有程序進行下一次掃描時,新狀態才被讀入;3 一個掃描周期分為輸入采樣,程序執行,輸出刷新;4 元件映象寄存器的內容是隨著程序的執行變化而變化的;5 掃描周期的長短由三條決定:CPU執行指令的速度;指令本身占有的時間;指令條數,現在的PLC掃描速度都是非??斓?;6 由于采用集中采樣,集中輸出的方式,存在輸入/輸出滯后的現象,即輸入/輸出響應延遲。(5)S7-200系列P

        29、LC西門子公司的SIMATIC S7-200系列屬于小型PLC,可以用于代替繼電器的簡單控制場合,也可以用于復雜的自動化控制系統。由于它有極強的通信功能,在大型網絡控制系統中也能充分發揮其作用。S7-200的可靠性非常高,可以用語句表、梯形圖和功能塊圖編程。它的指令豐富,簡單易學,內置有高速計數器、高速脈沖輸出和PID控制器等特殊功能,最大可以擴展到248點數字量I/O或35路模擬量I/O,最多有30多KB的程序和數據存儲空間。S7-200提供了近10種通訊方式以滿足不同的應用需求,從RS-485通信/編程接口通訊到自由口模式通訊,從PPI協議通訊到MPI協議通訊,從簡單的S7-200之間的通

        30、訊到S7-200通過Profibus-DP網絡通訊,甚至到S7-200通過以太網通訊。在網絡需求已日益成為必要的今天,強大的通訊無疑會使S7-200為更多用戶服務。本設計采用PLC S7-200為控制核心,實現自動控制和手動控制,硬件接線簡單,軟件開發周期短,具有工作可靠性高,操作方便,體積小、功耗低等特點,達到良好的經濟效果。3.3 繼電器(1) 繼電器簡介繼電器是一種電子控制器件,它具有控制系統(又稱輸入回路)和被控制系統(又稱輸出回路),通常應用于自動控制電路中,它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。電磁式繼電器一般由鐵

        31、芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓,線圈中就會流過一定的電流,從而產生電磁效應,銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯,從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點(常開觸點)吸合。當線圈斷電后,電磁的吸力也隨之消失,銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置,使動觸點與原來的靜觸點(常閉觸點)吸合。這樣吸合、釋放,從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點,可以這樣來區分:繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點,稱為“常開觸點”;處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。(2) 繼電器組的應用及實現的功能在本次設計中,對繼電器的使用較為突出,原理

        32、是利用可編程序控制器的24V直流信號來控制繼電器線圈,實現由可控制的按預定程序導通/關斷的380V三相電源給電動機供電。本次使用的繼電器模塊由三組三聯裝共九個繼電器組成,每組繼電器完成一個功能??煞譃椋赫D控制組,反轉控制組及脫水控制組??刂凭€圈與PLC的輸出口相連,電動機高壓電源通過變頻器以后與繼電器“常開引腳”相連,公共端接地。它們的開合直接由可編程序控制器輸出的離散信號控制。即當洗衣機處在洗滌過程要求正轉時,正轉控制組閉和,反轉及脫水控制組斷開,三相電源按照原始順序接入,電源由變頻器控制頻率后給電動機供電,此時電動機正轉且速度為預定數值;當洗衣機處在洗滌過程要求反轉時,反轉控制組閉和,正

        33、轉及脫水控制組斷開,此時,三相電源中的兩相已被繼電器互換相接,由于三相異步電動機改變任意兩相電磁力矩相反,電源再由變頻器控制頻率后給電動機供電,此時電動機反轉且速度為預定數值;當洗衣機處在脫水過程要求高速正轉時,脫水控制組閉和,正轉及反轉控制組斷開,此時,三相電源按預定順序接入,電源直接接入電動機,電動機按額定轉速正轉。3.4 PLC的選型3.4.1 I/O儲存器容量的估算PLC常用的內存有EPROM、EEPROM和帶鋰電池供電的RAM。一般微型和小型PLC的存儲容量是固定的,介于12KB之間。用戶應用程序占用多少內存與許多因素有關,如I/O點數、控制要求、運算處理量、程序結構等。因此在程序設

        34、計之前只能粗略地估算。PLC內存容量為開關量I/O點數、模擬量I/O點數和程序編寫的質量所增加的內存容量綜合。根據經驗,每個I/O點及有關功能元件占用的內存量大致如下:開關量輸入元件:1020B/點開關量輸出元件:510B/點定時器/計數器:2B/個模擬量:100150B/個通信接口:一個接口一般需要300B以上根據上面算出的總字節數再考慮增加25%左右的備用量,就可估算出用戶程序所需的內存容量,從而選擇合適的PLC內存。該系統有11個數字輸入點6個數字輸出點,需內存280B,有定時器7個,計數器2個,需內存18B,考慮余量后需要內存370B。3.4.2 CPU的選型PLC的功能日益強大,一般

        35、PLC都具有開關量邏輯運算、定時、計數、數據處理等基本功能,有些PLC還可擴展各種特殊功能模塊,如通信模塊、位置控制模塊等.選型時可考慮以下幾點:功能與任務相適應,PLC的處理速度應滿足實時控制的要求、PLC結構合理、機型統一、在線編程和離線編程的選擇。全自動洗衣機控制所要求的控制功能簡單,小型PLC就能滿足要求了。該控制系統CPU模塊可采用CPU-224(AC/DC/繼電器)模塊,它可控制整個系統按照控制要求有條不紊地進行。同時由于該模塊采用交流220V供電,并且自帶14個數字量輸入點和10個數字量輸出點,完全能滿足全自動洗衣機控制系統的要求,所以不再需要另外的電源模塊、數字量和輸出模塊。綜

        36、上所述此次設計選用西門子S7-200系列整體式PLC,CPU模塊為CPU-224(AC/DC/繼電器)模塊。PLC的框架配置圖如3-4所示。圖3-4 PLC框架配置圖3.5 PLC的外圍接線圖設計根據全自動洗衣機的控制要求,對系統控制的I/O點數進行了統計和PLC型號進行了選擇,現根據以上的統計和選擇對控制系統PLC的外部接線進行設計。PLC的外圍接線圖如圖3-5所示。在圖3-5中,PLC的各個I/O地址分別與全自動洗衣機控制系統所有的輸入信號和輸出信號連接起來,注意電源和接地的連接。圖3-5 PLC外部接線圖3.6 系統資源分配3.6.1 輸入地址分配根據不同的PLC配置情況確定I/O地址是

        37、PLC編程的前提與基礎,程序中的地址必須與實際物理連接點一一對應,才能確保動作的正確執行。這個控制系統的輸入有啟動按鈕、停止按鈕、高水位選擇開關、中水位選擇開關、低水位選擇開關、手動排水開關、自動排水開關、高水位傳感器、中水位傳感器、低水位傳感器、水排空傳感器共11個輸入點?,F在根據全自動洗衣機的實際工作狀態對PLC控制系統的輸入地址進行分配。具體的輸入地址分配如表3-1所示。表3-1輸入地址分配表輸入地址對應的外部設備I0.0啟動按扭I0.1停止按扭I0.2水位選擇開關(高水位)I0.3水位選擇開關(中水位)I0.4水位選擇開關(低水位)I0.5手動排水開關I0.6手動脫水開關I0.7高水位

        38、傳感器I1.0中水位傳感器I1.1低水位傳感器I1.2水排空傳感器3.6.2 輸出地址分配這個控制系統需要控制的外部設備有進水電磁閥、排水電磁閥、洗滌電動機、脫水桶、報警器共5個設備。但是由于洗滌電動機有正轉和反轉兩個狀態,分別為正轉繼電器和反轉繼電器,所以輸出點應該有6個。具體的輸出分配如表3-2所示。表3-2 輸出地址分配表輸出地址對應的外部設備Q0.0進水電磁閥Q0.1排水電磁閥Q0.2洗滌電動機正轉繼電器Q0.3洗滌電動機反轉繼電器Q0.4脫水桶Q0.5報警器3.6.3 內部元件地址分配全自動洗衣機的工作過程中,需要用到PLC內部的計時器和計數器對其進行過程控制,現對控制中要用到的內部

        39、元件地址進行分配。內部地址分配表歸納如表3-3所示。表3-3 內部地址分配表定時器/計時器對應的功能T37進水暫停計時T38 正洗計時T39正洗暫停計時T40反轉計時T41反轉暫停計時T42脫水計時T43報警計時C50正反洗循環計數C51大循環計數4 軟件設計4.1 編程軟件編程軟件采用西門子公司設計的編程軟件STEP-Micro/Win32。STEP7-Micro/WIN32是西門子公司專為SIMATIC S7-200系列可編程序控制器研制開發的編程軟件,它是基于Windows的應用軟件,功能強大,既可用于開發用戶程序,又可實時監控用戶程序的執行狀態。STEP7-Micro/WIN32編程軟

        40、件的基本功能是協助用戶完成應用軟件的開發,其主要實現以下功能:(1)在脫機(離線)方式下創建用戶程序,修改和編輯原有的用戶程序。在脫機方式時,計算機與PLC斷開連接,此時能完成大部分的基本功能,如編程、編譯、調試和系統組態等,但所有的程序和參數都只能存放在計算機的磁盤上。(2)在聯機(在線)方式下可以對與計算機建立通信關系的PLC直接進行各種操作,如上載、下載用戶程序和組態數據等。(3)在編輯程序的過程中進行語法檢查,可以避免一些語法錯誤和數據類型方面的錯誤。經語法檢查后,梯形圖中錯誤處的下方自動加紅色波浪線,語句表的錯誤行前自動畫上紅色叉,且在錯誤處加上紅色波浪線。(4)對用戶程序進行文檔管

        41、理,加密處理等。(5)設置PLC的工作方式、參數和運行監控等。軟件主界面一般可分為以下6個區域:菜單欄(包含8個主菜單項)、工具欄(快捷按鈕)、瀏覽欄(快捷操作窗口)、指令樹(快捷操作窗口)、輸出窗口和用戶窗口(可同時或分別打開圖中的5個用戶窗口)。除菜單欄外,用戶可根據需要決定其他窗口的取舍和樣式的設置。4.2 程序流程圖設計 PLC采用計算機控制技術,其程序設計同樣可遵循軟件工程設計方法,程序工作過程可用流程 圖表示。由于PLC的程序執行為循環掃描工作方式,因而與計算機程序框圖不同點是,PLC程序框圖在進行輸出刷新后,再重新開始輸進掃描,循環執行。全自動洗衣機工作方式有自動方式和手動方式兩

        42、種。在自動方式下,PLC將運行已經設置好的程序和參數(適用于機械一切都正常的情況下),按照用戶設定好的程序來進行工作。手動方式是在緊急停止情況下,可以手動進行排水和脫水。全自動洗衣機正常運行流程圖如圖4-1所示。圖4-1 正常運行流程圖強制停止流程圖如圖4-2所示。圖4-2 強制停止流程圖4.3 PLC控制順序功能圖設計順序功能圖,它是描述控制系統的控制過程、功能和特性的一種圖形,順序功能圖并不涉及所描述的控制功能的具體技術,它是一種通用的技術語言。順序功能流程圖語言是為了滿足順序邏輯控制而設計的編程語言。編程時將順序流程動作的過程分成步和轉換條件,根據轉移條件對控制系統的功能流程順序進行分

        43、配,一步一步的按照順序動作。每一步代表一個控制功能任務,用方框表示。在方框內含有用于完成相應控制功能任務的梯形圖邏輯。這種編程語言使程序結構清晰,易于閱讀及維護,大大減輕編程的工作量,縮短編程和調試時間。這種順序功能圖適合用于系統的規模校大,程序關系較復雜的場合。全自動洗衣機控制系統PLC控制狀態流程圖如圖4-3所示。 圖4-3 PLC控制順序功能圖4.4 梯形圖編寫打開STEP-Micro/Win32編程軟件,軟件主界面如圖4-4所示。(1) 在進行控制程序編程之前,首先需要創建一個項目。具體操作步驟為:執行菜單【文件】【新建】選項或單擊工具欄的新建按鈕,生圖4-4 STEP-Micro/W

        44、in32主界面成一個新的項目。項目以擴展名為project.mwp的文件格式保存。(2)設置與讀取PLC的型號在對PLC編程之前,應正確地設置其型號,以防止創建程序時發生編輯錯誤。設置與讀取PLC的型號的方法是:執行菜單【PLC】【類型】選項,在出現的對話框中,選擇PLC型號和CPU版本。也可以雙擊指令樹的【項目1】,然后雙擊PLC型號和CPU版本選項,在彈出的對話框中進行設置。在本設計中選用了CPU224的PLC,需要在對話框中選擇正確的CPU版本。CPU選型對話框如圖4-5所示。(3)程序的結構及編寫S7-200系列PLC支持的指令集有SIMATIC和IEC1131-3兩種。SIMATIC

        45、編程模式的選擇,可以通過執行菜單【工具】【選項】【常規】【SIMATIC】選項來確定。編程軟件可實現3種編程語言之間的任意切換,執行菜單【查看】【梯形圖】或【STL】或【FBD】選項便可進入相應的編程環境。 圖4-5 設置PLC的型號簡單的數字量控制程序一般只有主程序,系統較大、功能復雜的程序除了主程序外,可能還有子程序、中斷程序。編程時可以點擊編輯窗口下方的選項來實現切換以完成不同程序結構的程序編輯。用戶程序結構選擇編輯窗口如圖4-6所示。 圖4-6用戶程序結構選擇編輯窗口主程序在每個掃描周期內均被順序執行一次。子程序的指令放在獨立的程序塊中,僅在被程序調用時才執行。中斷程序的指令也放在獨立

        46、的程序塊中,用來處理預先規定的中斷事件,在中斷事件發生時操作系統調用中斷程序。在指令樹中選擇需要的編程元件,在指令工具條中選擇輸入連接線,完成梯形圖的編寫。(4)編譯程序編輯完成后,用“PLC”菜單中的“編譯”命令進行離線編譯。編譯結束,在輸出窗口顯示編譯結果信息,顯示無錯誤。4.5 梯形圖重點程序段落分析輔助繼電器梯形圖如圖4-7,4-8所示。圖4-7 輔助繼電器梯形圖(一)圖4-8 輔助繼電器梯形圖(二)如圖4-7和圖4-8所示程序段落,M0.0是按下按鈕的輔助繼電器,M0.1是判斷洗衣機水位是否和設定水位不一致的輔助繼電器,M0.2是判斷洗衣機水位是否和設定水位一致的輔助繼電器,M0.3

        47、是停止自動洗衣的輔助繼電器。按下啟動按鈕,M0.0輸出。當水位與設定水位不一致時,M0.1輸出;反之,M0.2輸出。 圖4-9 進水梯形圖如圖4-9所示程序段落,按下啟動按鈕或者脫水完畢(T40定時時間到),而且洗衣大循環未到3次時,開始進水。當水位到設定水位后停止進水,等待2秒進入洗衣過程。在強制停止情況下,當停止按鈕按下時立即停止進水。洗衣前根據衣物多少選擇好水位,按下水位選擇開關(I0.2、I0.3、I0.4)任意一個,再按下啟動按鈕,I0.0接通,Q0.0接通,開始進水。當水位上升到與選擇的水位相一致時,相一致的水位傳感器(I0.7、I1.0、I1.1)傳出信號,Q0.0斷開停止進水,

        48、T37開始計時。圖4-10 洗衣梯形圖(一)圖4-11 洗衣梯形圖(二)圖4-12 洗衣梯形圖(三)如圖4-10,4-11,4-12所示程序段落,T37計時時間到,Q0.2接通開始正轉洗衣,T38計時開始。T38計時30秒,Q0.2斷開,正洗暫停,T39開始計時。T39計時時間到,Q0.3接通,反洗,T40開始計時。T40計時時間到,Q0.3斷開,反洗暫停,T43開始計時。T43計時時間到,C50計數一次,同時洗衣返回Q0.2接通,重復以上從正洗開始的全部動作,直到C50計滿5次數時,Q0.1接通并自保,開始排水,C50復位,準備下次循環時再計數。排水梯形圖如圖4-13所示。洗衣過程完畢,正反

        49、轉大循環達到5次后,即C50計滿5次時,進入排水過程。當水排空后停止排水。 圖4-13 排水梯形圖圖4-14 脫水梯形圖如圖4-14所示程序段落是脫水梯形圖,水排空后,水排空輔助繼電器M0.4接通并自保持,洗衣機開始進行脫水,脫水30秒即T40計時30秒后停止脫水。因為判斷水排空是否在排水完畢后,所以要用到排水完畢輔助繼電器。圖4-15 報警梯形圖如圖4-15所示程序段落,排水過程進行3次,即洗衣大循環3次后,開始報警過程,3秒后停止報警,這樣整個洗衣過程結束。5 系統仿真5.1 S7-200 V4.0的仿真軟件該仿真軟件可以仿真大量的S7-200指令(支持常用的位觸點指令、定時器指令、計數器

        50、指令、比較指令、邏輯運算指令和大部分的數學運算指令等,但部分指令如順序控制指令、循環指令、高速計數器指令和通訊指令等尚無法支持。仿真程序提供了數字信號輸入開關、兩個模擬電位器和LED輸出顯示,仿真程序同時還支持對TD-200文本顯示器的仿真,在實驗條件尚不具備的情況下,完全可以作為學習S7-200的一個輔助工具。另外,仿真軟件還有讀取CPU和擴展模塊的信息、設置PLC實時時鐘、控制循環掃描次數等功能。軟件的主界面如圖5-1所示。 圖5-1 S7-200仿真軟件主界面圖中灰色部分為是CPU 224類型的PLC面板可顯示CPU運行狀態和I/O點的狀態,燈亮為1,燈滅為0。CPU224的右邊空白方框

        51、是擴展模塊的位置,雙擊空白方框即可進行模塊配置選擇,根據需要可選擇各種數字量和模擬量的擴展模塊。CPU模塊的下方是用于輸入數字量信號的小開關面板,具有和CPU224對應的14個輸入點,單擊面板中的開關按鈕可使其0,1狀態切換,在CPU面板上的模擬LED燈對應滅,亮。開關面板下方的SMB28,SMB29是兩個直線電位器,分別是CPU224的兩個8位模擬量輸入電位器對應的特殊存儲器字節,可左右拖動滑塊來設置它的值,范圍在0-255之間。5.2 仿真測試(1)CPU選型執行圖中菜單命令“configuration”“CPU Type”,在CPU型號對話框中選擇自己對應的CPU型號,CPU224。如圖

        52、5-2所示。圖5-2 CPU選型框(2)程序的下載仿真軟件不能直接接收S7-200程序代碼,在STEP7-Micro/WIN中將程序編譯并導出成ASCII文本文件(擴展名為awl),文件名為:全自動洗衣機.awl。然后在S7-200仿真軟件中使用工具欄的下載按鈕即可將導出的文件下載到仿真軟件當中進行仿真測試。加載成功后,在仿真軟件中的AWL和KOP觀察窗口中就可以分別觀察到加載的語句表程序和梯形圖程序。下載框如圖5-3所示。(3)仿真測試在仿真軟件中點擊工具欄上的按鈕,啟動運行,使仿真PLC切換到RUN模式開始仿真測試。仿真結果圖如圖5-4所示。圖5-3 文件下載框圖5-4 仿真結果圖5.3仿

        53、真結果分析由圖5-4 仿真結果圖可以得知:單擊面板中的開關按鈕0、2使其狀態切換到到1,CPU面板上的模擬LED燈1對應亮,再單擊面板上的開關按鈕7(高水位傳感器)使其狀態切換到1,CPU面板上的模擬LED燈1滅,模擬LED燈2對應亮。在實際操作中相當于按下啟動按鈕、高水位選擇開關后,進水閥打開,開始進水。進水完成后,高水位傳感器傳出數據,進水電磁閥關閉,洗滌電動機開始正轉,洗衣過程開始。在該仿真過程中,按鈕需要手動復位,否則無輸出或輸出混亂。各水位傳感器需要手動使其置位,洗衣機不能完全按照自動方式進行工作。6 組態界面的設計6.1 組態王組態王是一款功能強大的工業生產監控軟件。它具有適應性強

        54、、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通??梢园堰@樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層三個層次結構。其中監控層對下連接控制層,對上連接管理層,它不但實現對現場的實時監測與控制,且在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用。尤其考慮三方面問題:畫面、數據、動畫。通過對監控系統要求及實現功能的分析,采用組態王對監控系統進行設計。組態王的主要功能:(1) 豐富的人機界面功能,可視化操作界面,真彩顯示圖形、豐富的圖庫;(2) 強大的通訊能力;(3) 先進的報警和事件管理;(4) 強大的網絡和冗余功能。組態軟件也為試驗者提供了可視化監控畫面,有利于試驗者實時現場監控。而且,它能充分利用Wi

        55、ndows的圖形編輯功能,方便地構成監控畫面,并以動畫方式顯示控制設備的狀態,具有報警窗口、實時趨勢曲線等,可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能,擁有豐富的動畫制作功能,其動畫鏈接功能更是使工程技術人員運用組態王制作畫面如虎添翼。工程人員在組態王開發系統中制作的畫面都是靜態的,如果要反映工業現場的狀況,可以通過實時數據庫,因為只有數據庫中的變量才是與現場狀況同步變化的。數據庫變量的變化可以改變畫面的動畫效果,通過“動畫連接”建立畫面的圖素與數據庫變量的對應關系。動畫連接的引入是設計人機接口的一次突破,它把工程人員從重復的圖形編程中解放出來,為工程人員提

        56、供了標準的工業控制圖形界面,并且由可編程的命令語言連接來增強圖形界面的功能。圖形對象與變量之間有豐富的連接類型,給工程人員設計圖形界面提供了極大的方便?!敖M態王”系統還為部分動畫連接的圖形對象設置了訪問權限,這對于保障系統的安全具有重要的意義。通過這些功能的良好運用,可以制作出動畫效果內容豐富,監控全面的監控系統。組態王中命令語言是一種在語法上類似語言的程序,工程人員可以利用這些程序來增強應用程序的靈活性、處理一些算法和操作等。命令語言都是靠事件觸發執行的,如定時、數據的變化、鍵盤鍵的按下、鼠標的點擊等。根據事件和功能的不同,包括應用程序命令語言、熱鍵命令語言、事件命令語言、數據改變命令語言、

        57、自定義函數命令語言、動畫連接命令語言和畫面命令語言等。它具有完備的詞法語法查錯功能和豐富的運算符、數學函數、字符串函數、控件函數、SQL函數和系統函數。各種命令語言通過“命令語言編輯器”編輯輸入,在“組態王”運行系統中被編譯執行。組態王軟件的工程管理器界面如圖6-1所示。工程瀏覽器界面如6-2所示。圖6-1 工程管理器界面一般情況下啟動組態王系統后,在信息窗口中可以顯示的信息有:“組態王”系統的啟動、關閉、運行模式;歷史記錄的啟動、關閉;I/O設備的啟動、關閉;網絡連接的狀態;與設備連接的狀態;命令語言中函數未執行成功的出錯信息。信息窗口如6-3所示。圖6-2 工程瀏覽器界面圖6-3 信息窗口

        58、6.2 監控系統功能要求用組態王設計的全自動洗衣機控制系統監控畫面需要實現洗衣機自動洗衣的功能,直觀、形象地顯示全自動洗衣機洗衣時的工作畫面。全自動洗衣機的控制系統有兩種方式:正常運行和強制停止。設計的畫面要實現這兩種情況下洗衣機的工作狀態。建立一個新的組態王工程的一般過程是:(1) 設計圖形界面(定義畫面);(2) 定義設備;(3) 構造數據庫(定義變量)(4) 建立動畫連接;(5) 運行和調試。6.3 新建一個工程啟動“組態王”工程管理器,選擇菜單“文件新建工程”或單擊“新建”按鈕。按照新建工程向導一步步的建立一個新的工程路徑,并按自己要求設定工程文件目錄。并將把新建工程設定為組態王當前工程。本設計新建的工程名為:全自動洗衣機。如圖6-4所示。圖6-4 新建一個工

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