基于S7200PLC的全自动洗衣机控制系统设计本科毕业设计论文.doc
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基于S7200PLC的全自动洗衣机控制系统设计本科毕业设计论文.doc
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南京工程学院
本科毕业设计(论文)
题目:
基于S7-200PLC的全自动洗衣机控制系统设计
专业:
机械电子工程
班级:
机电
(2)班学号:
200090703215
学生姓名:
黄钰凯
指导教师:
孙延永
起迄日期:
2013.3~20013.6
2
GraduationDesign(Thesis)
Afullautomaticwashingmachinecontrolsystem
designedwhichisbasedonS7-200PLC
By
HuangYukai
Supervisedby
LecturerSunYanyong
DepartmentofMechatronicEngineering
NanjingInstituteofTechnology
June,2013
南京工程学院本科毕业设计(论文)
摘要
随着社会经济的发展和科学技术水平的提高,家庭电器全自动化成为必然的发展趋势。
全自动洗衣机的产生极大的方便了人们的生活。
洗衣机是国内家电业唯一不打价格战的行业,经过几年的平稳发展,国产洗衣机无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同步。
纵观洗衣机市场,高效节能、省水、省电、环保型洗衣机一直在市场上占主导地位。
根据全自动洗衣机的工作原理,利用可编程控制器PLC实现控制,说明了PLC控制的原理方法,特点及控制洗衣机的特色。
PLC的优点是:
可靠性高,耗电少,适应性强,运行速度快,寿命长等,为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能,避免传统控制的一些弊端,就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。
全自动洗衣机控制系统利用了西门子S7-200系列PLC的特点,对按鈕,电磁阀,开关等其他一些输入/输出点进行控制,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。
该论文就怎样利用PLC来控制全自动洗衣机进行了调查,对其中软件设计、硬件设计等问题进行了分析和研究,实现了全自动洗衣机的正常运行和强制性停止功能。
关键词:
PLC;控制;延时;自动
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Abstracts
Alongwiththesocialeconomydevelopmentandthescienceandtechnologylevelenhancement,thefamilyelectricapplianceentireautomationbecomestheinevitabledevelopmenttendency.Entireautomaticwasherproductionenormousconveniencepeople'slife.Thewasheristhedomesticelectricalappliancesindustrydoesnotonlyhittheprofessionwhichthepricefights,passesthroughseveralyearsteadydevelopment,thedomesticallyproducedwasherregardlessofinqualityorinfunctionallwithworldleadinghorizontalsynchronization.Looksoverthewashermarket,thehighlyeffectiveenergyconservation,theprovincewater,theprovinceelectricity,theenvironmentalprotectionwashercontinuouslyoccupythedominantpositioninthemarket.
Accordingtotheworkingprincipleofthefull-automaticwashingmachineusingPLCprogrammablecontrollercontrol,illustratestheprincipleofPLCcontrolmethod,characteristicandcontrolcharacteristicofthewashingmachine.PLCis:
theadvantagesofhighreliability,lessconsumption,highadaptability,runningspeed,longservicelife,etc.,inordertofurtherimprovethefunctionalityandperformanceoffullyautomaticwashingmachine,avoidsomedisadvantagesoftraditionalcontrol,isproposedtousePLCtocontroltheautomaticwashingmachineisthesubject.FullyautomaticwashingmachinecontrolsystemusingtheSiemensS7-200seriesPLC,thecharacteristicsofthebutton,solenoidvalves,switchesandotherinput/outputpointcontrol,realizetheautomationofthewashingmachinelaundryprocess.Becauseeverytimewash,drainageanddehydrationtimeiscontrolledbyPLCinthecounter,sojustchangethecounterargumentcanchangethetime.Canputtheabovesetofprogramtimedecided,usedasafixedprogram,canalsoaccordingtothequalityofclothes,quantityandtheamountofoiltoprogramming.ThepaperonhowtousePLCtocontrolautomaticwashingmachine,someproblemssuchassoftwaredesign,hardwaredesignintheanalysisandresearch,forthenormaloperationofthefull-automaticwashingmachineandamandatorystopfunction.
Keyword:
PLC;control;delay;automatic
目录
第一章绪论 1
1.1课题的研究背景 1
1.2洗衣机发展概况和现状 1
1.3课题研究的目的与意义 2
1.4本课题研究的主要内容 3
第二章系统的概述 4
2.1PLC的控制特点 4
2.2控制系统框图 5
2.3控制系统对应设备及功能 6
2.4全自动洗衣机的控制系统原理与控制要求 7
2.5全自动洗衣机示意图 8
2.6主电路电动机控制线路图 9
第三章硬件电路的设计 10
3.1PLC的选择 10
3.1.1I/O点数统计 10
3.1.2I/O储存器容量的估算 10
3.1.3CPU功能与结构的选择 11
3.2PLC外部接线图 12
3.3洗衣机的示意图 13
第四章软件的设计 14
4.1I/O分配表 14
4.1.1输入地址分配表 14
4.1.2输出地址分配表 14
4.1.3内部元件地址分配表 15
4.2程序流程图设计 15
4.2.1强制停止流程图 16
4.2.2正常运行流程图 16
4.3程序设计 18
4.3.1PLC控制流程图 18
4.3.2系统梯形图 19
4.4梯形图编写 21
4.5梯形图重点程序段落分析 23
第五章系统仿真 28
5.1S7-200V4.0的仿真软件 28
5.2仿真测试 29
5.3仿真运行 30
5.4仿真结果分析 34
第六章总结与展望 35
6.1总结 35
6.2全自动洗衣机的展望 36
结语 38
致谢 39
参考文献 41
附录一SIMATICS7-200CPU主要性能指标 1
附录二系统指令语句表 2
附录三梯形图 7
附录四主电路图 11
附录五外部接线图 12
III
第一章绪论
1.1课题的研究背景
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。
采用PLC控制开发的周期短,开发成本低,可以直接用于工业现场控制。
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。
本设计以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。
1.2洗衣机发展概况和现状
从古到今,洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动,在洗衣机出现以前,这项劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。
这些不断重复的简单的体力劳动,留给人的感受常常是辛苦劳累。
世界上第一台洗衣机于1858年诞生,但这台洗衣机使用费力,且损伤衣服,因而没被广泛使用,但这却标志了用机器洗衣的开端。
1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战,美国人发明了木制手摇洗衣机。
1880年,美国发明了蒸气洗衣机,蒸气动力开始取代人力。
蒸汽洗衣机之后,水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。
1910年,美国试制成功世界上第一台电动洗衣机,电动洗衣机的问世,标志着人类家务劳动自动化的开端。
1922年,美国改造了洗衣机的洗涤结构,把拖动式改为搅拌式,使洗衣机的结构固定下来,这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。
1932年,美国研制成功第一台前装式滚筒洗衣机。
1955年,在引进英国喷流式洗衣机的基础之上,日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。
70年代后期,微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向,让人耳目一新。
90年代,由于电动机调速技术的提高,洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节,诞生了许多新型洗衣机。
全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤,漂洗和脱水的转换,整个过程不需要人
4
工操作。
这类洗衣机均采用套筒式结构,其进水,排水都采用电磁阀,由程序控制器
按人们预先设计好的程序不断发出指令,驱动各执行器件动作,整个洗衣过程自动完成,所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。
全自动洗衣机最多的是波轮式洗衣机。
波轮式洗衣机的特点是洗净率高,但对衣服的磨损很大,随着人们生活水平不断地提高,丝绸,毛料,羊毛等大量走进普通家庭,厂商又适时地推出了滚筒洗衣机,它最大的优点是磨损率小,但洗净率比波轮式低,自动洗衣机可分为两大类:
第一类:
电动控制洗衣机,它的程序控制器由电动元件组成。
第二类:
电脑控制洗衣机,它的程序控制器由微型计算机组成。
电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器,其产品类型还属于传统的机械产品,是自动控制的初级阶段。
随着计算机的及微电子技术的发展,自动控制系统正在逐步实现硬件化。
因此,电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。
全自动洗衣机从结构上分有波轮式、搅拌式、滚筒式。
目前,国内市场上销售的大都是波轮式和滚筒式,供应价格高。
洗衣机产品可以分三类:
普通型、半自动型和全自动型。
普通型和半自动型洗衣机,都需要人为参与操作,才能完成洗衣、甩干、排水全过程;而全自动洗衣机在整个洗涤、甩干、排水过程中,无需人为操作和监控。
国内外洗衣机品牌有海尔、小天鹅、荣事达、松下、惠而浦水仙、LG熊猫、西门子等。
1.3课题研究的目的与意义
本课题主要着重于全自动洗衣机的控制,要求洗衣机能实现进水、洗涤、排水、脱水、报警,所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。
控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期,且要降低成本。
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、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。
(5)体积小,重量轻,能耗低,由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
1.4本课题研究的主要内容
本课题需研制出可靠性高、易于操作的全自动洗衣机控制方法,该系统采用PLC控制,主要包括电动机正反转控制、离合器控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和联锁。
研究的具体内容包括:
(1)深入了解洗衣机的发展、结构及控制要求。
(2)控制系统设计。
包括硬件设计,PLC的选择,各硬件模块的介绍,软件设计,编程方法。
(3)对编写好的编译程序进行实际调试。
第二章系统的概述
2.1PLC的控制特点
PLC系统的特点:
(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)编程简单。
PLC的优越性主要体现在它采用了独特的,多种面向广大工程设计人员的编程语言如指令表,梯形图,逻辑功能图,顺序功能图等,程序简洁、明了,适合各类技术人员的传统习惯,即使是没有计算机知识的人员也很容易掌握,特别是梯形图与逻辑功能图,形象直观,动态监测效果逼真,且与计算机控制容易连接,深受工程技术人员欢迎。
(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。
(5)体积小,重量轻,能耗低。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率,和适应工作环境的能力。
它是整体模块,集中了驱动电路、检测电路、保护电路以及通讯联网功能。
因此在运用中硬件也相对简单,大大提高了控制系统的可靠性。
另外它的编程语言也相对简单。
其次,它能实现脱机手动工作,联机自动就地工作,上机控制的单周期运行方式,自动启动、自动停机控制方式
单片机系统的特点:
1)要求环境,单片机对环境的适应能力较低,可靠性差。
2)编程和PLC相比难以学习,主要是单片机采用汇编语言或者是C语言,这些高级语言和PLC语言相比,难以学习。
3)功能单一只具有使用中所需要的功能。
但是,它结构简单,处理速度快。
典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图2-1所示:
图2-1PLC控制系统的硬件组成框图
2.2控制系统框图
此次设计根据全自动洗衣机的工作原理,洗衣机的工作流程由进水,洗衣,排水,和脱水四个过程组成。
在半自动洗衣机中,这四个过程分别用相应的按扭开关来控制。
利用可编程控制器PLC实现控制,用于说明PLC控制的原理方法,特点及工作特色。
此次全自动洗衣机控制系统设计利用了西门子S7-200系列PLC的特点,对按鈕,电磁阀,开关等其他一些输入/输出点进行控制,实现了洗衣机洗衣过程的自动化。
根据以上要求PLC的控制系统框图如下图2-2所示:
图2-2控制系统框图
2.3控制系统对应设备及功能
根据控制过程中的进水、洗涤、脱水、报警等控制要求,对控制所需的外部设备初步设计如表2-1与表2-2
表2-1对应设备及功能表
对应的输入设备
对应的输出设备
启动按扭
进水电磁阀
停止按扭
排水电磁阀
水位选择开关(高水位)
洗涤电动机正转继电器
水位选择开关(中水位)
洗涤电动机反转继电器
水位选择开关(低水位)
脱水电机继电器
手动排水开关
报警器
手动脱水开关
高水位传感器
中水位传感器
低水位传感器
水排空传感器
表2-2其它器件
定时器/计数器
对应的作用
定时器T37
进水暂停计时
定时器T38
正洗计时
定时器T39
反转计时
定时器T40
脱水计时
定时器T41
报警计时
定时器T42
正洗暂停计时
定时器T43
反转暂停计时
计数器C50
正反洗循环计数
计数器C51
大循环计数
2.4全自动洗衣机的控制系统原理与控制要求
全自动洗衣机的进水,洗衣,排水,脱水是通过水位开关,电磁进水阀和电磁排水阀配合进行控制,从而实现自动控制的,水位开关用来控制进水到洗衣机内高中低水位,电磁进水阀起着通断水源的作用。
进水时,电磁进水阀打开,将水注入,排水时,电磁排水阀打开,将水排出,洗衣时,洗涤电动机启动,脱水时,脱水桶启动。
全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“强制停止”两种控制方式。
"正常运行"方式的具体控制要求如下:
将水位能够通过水位开关设在合适的位置(高、中、低),按下“启动”按钮,开始进水,到达设定的水位(高、中、低)后,停止进水。
进水停止2秒后开始洗衣。
洗衣时,正转20秒,停2秒,然后反转20秒,停2秒。
如此循环共5次,总共220秒后开始排水,排空后脱水30秒。
然后再进水,重复以上过程,如此循环共3次。
洗衣过程完成,报警3秒并自动停机。
“强制停止”方式的具体控制要求如下:
若按下“停止”按钮,洗衣过程停止,即洗涤电机和脱水桶停止转动、进水电磁阀和排水电磁阀全部闭合。
可用手动排水开关和手动脱水开关进行手动排水和脱水。
根据全自动洗衣机的工作原理,洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水和脱水四个过程组成。
在半自动洗衣机中,这四个过程分别用相应的按扭开关来控制。
利用可编程控制器PLC实现控制,用于说明PLC控制的原理方法、特点及工作特色。
此次全自动洗衣机控制系统设计需要利用西门子S7-200系列PLC的特点,对按鈕、电磁阀、开关等其他一些输入/输出点进行控制,实现洗衣机洗衣过程的自动化。
2.5全自动洗衣机示意图
图2-5(a)全自动洗衣机外部示意图
图2-5(b)全自动洗衣机内部结构示意图
2.6主电路电动机控制线路图
图2-6电动机控制线路图
注释:
QS:
隔离开关FU:
熔断器
FR:
热继电器KM:
交流接触器
KM1闭合,洗涤电动机正传洗涤
KM2闭合:
洗涤电动机反转洗涤
KM3闭合:
脱水电动机脱水
第三章硬件电路的设计
3.1PLC的选择
3.1.1I/O点数统计
I/O点数是PLC的一项重要指标。
合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求,又可使系统总投资最低。
PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定,一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。
考虑到今后的调整和扩充,一般应在估计的总点数上再加上20%—30%的备用量。
该系统有11个数字输入点6个数字输出点,具体的输入输出见表3-1
表3-1I/O点数统计表
输入点
输出点
启动按扭
进水电
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