电气控制与PLC课程设计docx

1、电气控制与PLC课程设计题目：全自动洗衣机控制系统 院 系：工学院电气与电子工程系专 业：自动化 班 级：自动化1202 姓 名：王学松 学 号：201202022007 指导教师：王美春 二一五年六月PLC课程设计任务书一、基本情况 学时：1周 学分：1学分 适应班级：自动化1201-1202，电气工程1201-1204二、进度安排本设计共安排1周，合计30学时，具体分配如下：实习动员及准备工作： 1学时总体方案设计： 4学时硬件设计： 10学时软件设计： 10学时撰写设计报告： 4 学时总结： 1学时教师辅导： 随时三、基本要求1、课程设计的基本要求电气控制与PLC课程设计的主要内容包括：

2、理论设计与撰写设计报告等。其中理论设计又包括总体方案选择，硬件系统设计、软件系统设计；硬件设计包括单元电路，选择元器件及计算参数等；软件设计包括模块化层次结构图，程序流程图，应用程序。程序设计是课程设计的关键环节，通过进一步完善程序设计，使之达到课题所要求的指标。课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。2、课程设计的教学要求电气控制与PLC课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行。做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在实训期间累计旷课达到6节以上，或者迟到、早退累计达到6次以上的学生，该课程考核按不及

3、格处理。在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时间内方可外出。 课程设计的任务相对分散，每3-4名学生组成一个小组，完成一个课题的设计。小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以互相借鉴或参考别人的设计方法和经验。但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超过50%的课程设计考核按不及格处理。四、设计题目及控制要求题目：全自动洗衣机控制系统要求：起动时，首先进水，到高水位时停止进水，开始洗涤。正转洗涤15s，暂停3s后反转洗涤15s，暂停3s后再正转洗涤，如此反复30次。洗涤结束后，开始排水，当水位下降到低水位时，进行脱水

4、（同时排水），脱水时间为10s。这样完成依次从进水到脱水的大循环过程。经过3次大循环后（第2、3次为漂洗），进行洗衣完成报警，报警10s后结束全过程，自动停机。在洗涤过程中，按下停止按钮。洗衣机停止工作。在洗衣机停止工作时，按下排水按钮，洗衣机排水电磁阀得电排水，当水位下降到低水位开关时，排水电磁阀失电停止排水。五、设计报告设计完成后，必须撰写课程设计报告。设计报告必须独立完成，格式符合要求，文字（不含图形、程序）不少于2000字，图形绘制规范。设计报告的格式如下： 1、封面 2、摘要 3、目录4、正文(1) 所作题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；(2) 方案选择及论证；(3) 硬件

5、电路设计及描述（包括硬件的选型及电路图、输入输出接线图等的设计）；(4) 软件设计流程及描述（流程图及文字说明；(5) 源程序代码及调试；5、心得体会 6、参考文献 六、考核方法电气控制与PLC技术课程设计的考核方式为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，分数在90-100之间为优秀，80-89分之间为良好，70-79分之间为中等，60-69分之间为及格，60分以下为不及格。 考核分三个方面进行：平时表现20%；设计过程25%；设计报告 40%；设计答辩15%。有下列情形之一者，课程设计考核按不及格处理： 1、设计期间累计迟到、早退达8次；2、设计期间累计旷课达6节；3、设计报告

6、雷同率超过50%或无设计报告；4、不能完成设计任务，达不到设计要求。摘 要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。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S7-300系列PLC的特点，对按钮，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内定时器控制，所以只要改变定时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

7、据衣物的质地，数量及油污的程度来编程。本次设计对其中软件设计、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自动运行功能。关键词: PLC 自动 正反转 控制目录第1章 绪论1第2章 系统总体方案的设计32.1 全自动洗衣机的基本结构32.2 全自动洗衣机的系统42.2.1 洗涤脱水系统42.2.2 排水和进水系统42.2.3 电动机及传动系统42.3 全自动洗衣控制系统的选择52.4 PLC的定义52.5 PLC的硬件结构52.6 PLC工作原理52.7 PLC的应用62.8 PLC的设计步骤6第3章 全自动洗衣机控制系统73.1 洗衣机的PLC控制系统概述73.2 控制系统的结构73

8、.3 控制系统原理7第4章 自动洗衣机的设计94.1 全自动洗衣机工作原理94.2 全自动洗衣机的控制要求94.3 控制系统顺序功能图94.4 PLC的硬件设计114.4.1 通道分配表、定时器、计数器通道分配表114.4.2 PLC外部接线图114.5 PLC的软件设计124.5.1 控制系统的梯形图设计124.5.2 程序控制过程说明154.5.3 系统监测与调试16心得体会18参考文献19第1章 绪论从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩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

9、劳累。于是人类想怎样用身边的材料来帮人们干活来减轻人们的体力劳动。洗衣机就是人类智慧的结晶，它用来帮助人们解脱双手节省体力。随着时代的发展人们并不满足那些简单的机器，想只要把脏衣物扔进去，它会跟你洗得干干净净，衣物毫无损伤，最后出来的就是一件完全可以直接穿的衣服。于是就产生了现在的全自动洗衣机。1858年一个叫汉密尔顿·史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机。洗衣机的主件是一只圆桶，桶内装有一根带有桨状叶子的直轴。轴是通过摇动和它相连的曲柄转动的。因为使用费力且易损伤衣服而没被广泛使用。却标志了用机器洗衣的开端。19世纪末期的洗衣机已发展到一只用手柄转动的八角形洗衣缸，洗衣时

10、缸内放入热肥皂水衣服洗净后由轧液装置把衣服挤干。1880年美国又出现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年美国的费希尔在芝加哥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年美国玛塔依格公司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。第一台自动洗衣机于1937年问世首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机1932年美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝

11、自动化又前进了一大步。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。波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成了。70年代后期，以电脑实际上是微处理器控制的全自动洗衣机在日本问世开创了洗衣机发展史的新阶段。80年代“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备洗衣程序更随人意外观造型更为时尚。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。本文就是研究现代的全自动洗衣机的设计过程，让新一代的洗衣机更智能更人性化1。由于本实训设计着重于PLC的设计，

12、作者在外部设备的选择说明较少，而对PLC的设计上用墨较多。第2章 系统总体方案的设计2.1 全自动洗衣机的基本结构全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的。外桶固定，作盛水用。内桶可以旋转，作脱水（甩水）用。内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。该洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时，通过电控系统使进水闸打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、低水位开关分别用

13、来检测高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作。停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。如图2-1进水阀启动按钮停止按钮排水按钮上水位开关下水位开关排水阀单相电动机泼轮外桶内桶蜂鸣器图2-1 洗衣机工作示意图2.2 全自动洗衣机的系统2.2.1 洗涤脱水系统它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。盛水桶固定在钢制底板上，通过吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。

14、波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm左右）新水流两类。 2.2.2 排水和进水系统波轮式全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。为了对桶内的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。波轮式全自动套桶洗衣机使用最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关部分组成，用来监视水位的高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工

15、作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用， 220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。自动打开橡胶阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。2.2.3 电动机及传动系统波轮式全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，离合器又有普通离合器和减速离合器两种。其中普通离合器用在采用小波轮的套桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同，目前各种大波轮新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤，漂洗时波轮

16、的转速较慢，而脱水时离心桶的转速较快。电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源，普遍采用主，副绕组完全对称的电容式电动机。由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电动机的功率较大。采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理52.3 全自动洗衣控制系统的选择现在的市场上全自动洗衣机的控制系统有单片机和PLC控制的现在我们进行这两个系统地比较发现PLC系统具有如下特点：（1）使用方便，编程简单； (2)功能强，性能价格比高；（3）配套齐全，用户使用方便，适应性强；（4)可靠性高，抗干扰能力强；(5)系统的设计、安装、调试工作量少；(6)维修量小，维修方便；而单片机系统的特点：(1)求环境，单

17、片机对环境的适应能力较低，可靠性差。(2)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)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。由此可以PLC系统作为本课题的核心控制系统远远胜于单片机控制系统。所以我的课题就选择PLC作为我的全自动洗衣机的核心控制系统。2.4 PLC的定义可编程逻辑控制器2（Programmable Logic Controller），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。

18、2.5 PLC的硬件结构 可编辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本结构为：（1）电源：辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。（2）处理单元(CPU)：中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。（3）存储器：分为系统程序存储器和用户程序存储器。（4）输入、输出接口：可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。2.6 PLC工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述

19、三个阶段：（1）输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。2.7 PLC的应用（1）PLC的应用领域PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十多年来，PL

20、C的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、通信、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、环保和娱乐等行业。（2）本课题PLC的运用功能本课题应用PLC的控制功能来控制全自动洗衣机的运行，PLC是洗衣机的大脑是它的核心部件。该洗衣机利用PLC的顺序控制、运动控制、过程控制、数据控制、通讯网络来处理软件语言再进行一系列的控制。2.8 PLC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再进行系统调试。1、 硬件设计主要包括：（1）确定

21、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、 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；按梯形图编写指令程序表；3、 系统调试: 根据设计要求,对程序及硬件进行调试和修改,直到满足要求。第3章 全自动洗衣机控制系统3.1 洗衣机的PLC控制系统概述全自动洗衣机采用PLC控制系统3将大大提高工作效率和适应工作环境的能力。在全自动衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由单片机为中心控制系统工作的。首先由

22、于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相对复杂；其次，在设计控制系统硬件时要有多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等 这样增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率无形地增加了维修成本费用，在各种控制系统中广泛运用的PLC能克服单片机的缺点。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。因此在运用中，PLC的硬件也相对简单，提高控制系统的可靠性。另外它的编程语言也相对简单。3.2 控制系统的结构波轮式全自动洗衣机的电气控制系统由于洗衣机型号的不同而不尽相同，但电气控制系统主要有程序控制器，电动机，进水电磁阀，排水电磁阀，水位开关，安全开关

23、及各种功能选择开关等组成的，控制的基本原理也都一样。全自动洗衣机能实现洗衣的自动化，整个洗衣过程都是在程序控制器的“指挥”下进行的。如把离合器比作全自动套桶洗衣机的心脏，则程序控制器就是全自动洗衣机的“大脑”。3.3 控制系统原理程序控制器中存储着多种程序，一旦通过选择开关选好某种程序后，程序控制器便按这种程序自动实施对电动机，进水和排水电磁阀的控制。安全开关又称为盖开关，在洗衣机运行过程中起安全保护作用，它的功能为：在洗衣机工作时误开盖，安全开关便会切断电动机电源，自动中断程序；在脱水过程中如桶内衣物摆放不均匀而产生大幅度振动时，安全开关自动中断脱水过程，启动蜂鸣器。按照采用的程序控制器的不

24、同，波轮式全自动套桶洗衣机的电气控制电路可分为电动机驱动式程序控制器和单片机式程序控制器电路4。用PLC控制的全自动全自动洗衣机各种动作的系统结构如图3-1所示：图3-1 洗衣机运动系统结构图第4章 自动洗衣机的设计4.1 全自动洗衣机工作原理全自动洗衣机的洗衣桶和脱水桶是以同一中心安放的。外桶固定，作盛水用。内桶可以旋转，作脱水用。内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。该洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时，通过电动控制系统，使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实

25、现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、低水位开关分别用来检测高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作。停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。4.2 全自动洗衣机的控制要求起动时，首先进水，到高水位时停止进水，开始洗涤。正转洗涤15s，暂停3s后反转洗涤15s，暂停3s后再正转洗涤，如此反复30次。洗涤结束后，开始排水，当水位下降到低水位时，进行脱水，脱水时间为10s。这样完成依次从进水到脱水的大循环过程。经过3次大循环后（第2、3次为漂洗），进行洗衣完成报警，报警10s后结束全过程，自动停机。在洗涤过程

26、中，按下停止按钮。洗衣机停止工作。在洗衣机停止工作时，按下排水按钮，洗衣机排水电磁阀得电排水，当水位下降到低水位开关时，排水电磁阀失电停止排水。4.3 控制系统顺序功能图根据全自动洗衣机的要求可以绘出洗衣机的系统的顺序功能图如图4-1所示。图4-1 全自动洗衣机控制顺序功能图4.4 PLC的硬件设计4.4.1 通道分配表、定时器、计数器通道分配表根据设计要求可以算出PLC的I/O分配表以及定时器计数器分配，如表4-1，4-2。表4-1 全自动洗衣机I/O分配表输入元件输出元件起动按钮I0.0进水电磁阀Q0.0停止按钮I0.1电机正转控制Q0.1排水按钮I0.2电机反转控制Q0.2高水位开关I0

27、.3排水电磁阀Q0.3低水位开关I0.4脱水电磁离合器Q0.4报警蜂鸣器Q0.5表4-2 全自动洗衣机定时器、计数器分配表名称编号功能值定时器T0正转洗涤定时15sT1反转洗涤定时15sT2正洗暂停定时3sT3反转暂停定时3sT4脱水定时10sT5报警定时10s计数器C0小循环计数30次C1大循环计数3次4.4.2 PLC外部接线图根据上面得出的I/O分配表绘制出PLC外部接线图7，如图4-2。图4-2 外部接线图4.5 PLC的软件设计4.5.1 控制系统的梯形图设计根据上面的控制系统顺序功能图、PLC通道分配表、定时器、计数器通道分配表、PLC电路图以及全自动洗衣机的控制要求可以作出控制系

28、统的梯形图来，如图4-3。图4-3 控制系统梯形图4.5.2 程序控制过程说明按下启动按钮，进水电磁阀得电，洗衣机开始进水，进水电磁阀的常开触点闭合进行自锁。当水位达到高水位传感器指定水位时，高水位开关断开，进水停止。同时高水位传感器的常开触点合上洗衣机的正转电机得电正转，同时正转洗涤定时器开始计时，经过15s，正转洗涤定时器的常闭触点断开，正转电机停止，同时接通正转电机的暂停定时器。暂停3s，正转暂停定时器的常开触点合上接通洗衣机的反转电机，同时进行自锁和接通反转电机的定时器。经过15s，接通反转电机暂停定时器，暂停3s后反转电机暂停定时器断开，同时接通正转电机，以此循环进行30次。此时洗衣

29、机正反转小循环计数器得电接通排水电磁阀，洗衣机开始排水，当水位达到低水位传感器的指定水位时，低水位开关常开闭合同时接通脱水器，此时脱水器定时器接通开始定时，经过10s，脱水定时器的常开触点闭合又接通进水电磁阀，又从头开始进水洗涤。如此大循环反复3次，脱水大循环计数器接通报警器，报警器的常开触点合上，使报警定时器得电，同时自锁。10s后报警定时器的常闭触点断开报警停止。洗衣机完成全部过程。如果在洗衣过程中出现故障只要按下停止按钮全部过程将停止。按下手动排水将立行排水，按下手动脱水将立行脱水。4.5.3 系统监测与调试前面我已经进行了全自动洗衣机的整体简介6，PLC的基本知识和在本课题中的运用，接

30、着我写出了核心部分，洗衣机系统的设计包括硬件设计和软件设计。最后就是PLC设计的最后步骤系统的检测与调试。大体思路流程如下： 1 硬件调试：硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器，检查用户系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。（1）静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。 第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。 第二步：先用万用表检查连接点，再检测各连线之间是否有短路现象。 第三步：加电检测。检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求值 第四步：联机检查。用可编程控制器开发系统才能完成对用户系统调试。 （2）动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块，当调试时，与该元件无关的元器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。由分到合的调试即告完