【文章內(nèi)容簡介】 活，擴(kuò)展容易，以開關(guān)量控制為 其特長； 也能進(jìn)行連續(xù)過程的 PID 回路控制； 并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)用戶使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)； 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少、維護(hù)工作量小、維護(hù)方便、體積小、能耗低等特點(diǎn)。 （ 4） PLC 的工作原理 PLC 的工作原理可以簡單的表述為在系統(tǒng)程序的管理下，通過運(yùn)行應(yīng)用程序，對(duì)控制要求進(jìn)行處理判斷，并通過執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。但是，在時(shí)間上， PLC 執(zhí)行的任務(wù)是按串行方式進(jìn)行的，其具體的運(yùn)行方式與繼電器 接觸器控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)都有著一定的差異與不同。 PLC 的基本工 作原理： PLC 采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式。 每次掃描過程，集中采集輸入信號(hào)，集中對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新； 輸入刷新過程，當(dāng)輸入端口關(guān)閉時(shí)，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時(shí)，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí)，新狀態(tài)才被讀入； 一個(gè)掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新； 元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的； 掃描周期的長短由三條決定： CPU 執(zhí)行指令的速度；指令本身占有的時(shí)間；指令條數(shù)，現(xiàn)在的 PLC 掃描速度都是非?？斓?； 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(xiàn)象，即輸入 /輸出響應(yīng)延遲。 （ 5） S7200 系列 PLC 西門子公司的 SIMATIC S7200 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(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它有極強(qiáng)的通河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其作用。 S7200 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(xué)，內(nèi)置有高速計(jì)數(shù)器、高速脈沖輸出和 PID 控制器等特殊功能，最大可以擴(kuò)展到 248 點(diǎn)數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O，最多有 30多 KB 的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。 S7200 提供了近 10 種通訊方式以滿足不同的應(yīng)用需求，從 RS485 通信/編程接口通訊到自由口模式通訊，從 PPI 協(xié)議通訊到 MPI 協(xié)議通訊，從簡單的 S7200 之間的通訊到 S7200 通過 ProfibusDP 網(wǎng)絡(luò)通訊，甚至到 S7200通過以太網(wǎng)通訊。在網(wǎng)絡(luò)需求已日益成為必要的今天，強(qiáng)大的通訊無疑會(huì)使S7200 為更多用戶服務(wù)。 本設(shè)計(jì)采用 PLC S7200 為控制核心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，硬件接線簡單，軟件開發(fā)周期短，具有工作可靠性高，操作方便，體積小、功耗低等特點(diǎn)，達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效果。 167。 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(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)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(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)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(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的 反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。 （ 2） 繼電器組的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)的功能 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 在本次設(shè)計(jì)中，對(duì)繼電器的使用較為突出，原理是利用可編程序控制器的 24V 直流信號(hào)來控制繼電器線圈，實(shí)現(xiàn)由可控制的按預(yù)定程序?qū)?/關(guān)斷的380V 三相電源給電動(dòng)機(jī)供電。 本次使用的繼電器模塊由三組三聯(lián)裝共九個(gè)繼電器組成 ，每組繼電器完成一個(gè)功能?？煞譃椋赫D(zhuǎn)控制組，反轉(zhuǎn)控制組及脫水控制組。 控制線圈與 PLC 的輸出口相連，電動(dòng)機(jī)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(hào)控制。即當(dāng)洗衣機(jī)處在洗滌過程要求正轉(zhuǎn)時(shí)，正轉(zhuǎn)控制組閉和，反轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)供電，此時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)且速度為預(yù)定數(shù)值；當(dāng)洗衣機(jī)處在洗滌過程要求反轉(zhuǎn)時(shí)，反轉(zhuǎn)控制組閉和，正轉(zhuǎn)及脫水控制組斷開，此時(shí)，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(dòng) 機(jī)改變?nèi)我鈨上嚯姶帕叵喾?，電源再由變頻器控制頻率后給電動(dòng)機(jī)供電，此時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)且速度為預(yù)定數(shù)值；當(dāng)洗衣機(jī)處在脫水過程要求高速正轉(zhuǎn)時(shí)，脫水控制組閉和，正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)控制組斷開，此時(shí)，三相電源按預(yù)定順序接入，電源直接接入電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)按額定轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)。 167。 PLC 的選型 167。 I/0 存儲(chǔ)器容量的估算 PLC 常用的內(nèi)存有 EPROM、 EEPROM 和帶鋰電池供電的 RAM。一般微型和小型 PLC 的存儲(chǔ)容量是固定的，介于 1— 2KB 之間。用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如 I/O 點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量 、程序結(jié)構(gòu)等。因此在程序設(shè)計(jì)之前只能粗略地估算。 PLC 內(nèi)存容量為開關(guān)量 I/O 點(diǎn)數(shù)、模擬量 I/O 點(diǎn)數(shù)和程序編寫的質(zhì)量所增加的內(nèi)存容量綜合。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每個(gè) I/O 點(diǎn)及有關(guān)功能元件占用的內(nèi)存量大致如下： 開關(guān)量輸入元件： 10— 20B/點(diǎn) 開關(guān)量輸出元件： 5— 10B/點(diǎn) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器： 2B/個(gè) 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 模擬量： 100— 150B/個(gè) 通信接口：一個(gè)接口一般需要 300B 以上 根據(jù)上面算出的總字節(jié)數(shù)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(nèi)存容量，從而選擇合適的 PLC 內(nèi)存。 該系統(tǒng)有 11 個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn) 6 個(gè)數(shù)字輸 出點(diǎn)，需內(nèi)存 280B，有定時(shí)器 7個(gè)，計(jì)數(shù)器 2 個(gè)，需內(nèi)存 18B，考慮余量后需要內(nèi)存 370B。 167。 CPU 的選型 PLC 的功能日益強(qiáng)大，一般 PLC 都具有開關(guān)量邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)處理等基本功能，有些 PLC 還可擴(kuò)展各種特殊功能模塊，如通信模塊、位置控制模塊等 . 選型時(shí)可考慮以下幾點(diǎn)：功能與任務(wù)相適應(yīng)， PLC 的處理速度應(yīng)滿足實(shí)時(shí)控制的要求、 PLC 結(jié)構(gòu)合理、機(jī)型統(tǒng)一、在線編程和離線編程的選擇。全自動(dòng)洗衣機(jī)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(tǒng) CPU 模塊可采用 CPU224（ AC/DC/繼電器）模塊，它可控制整個(gè)系統(tǒng)按照控制要求有條不紊地進(jìn)行。同時(shí)由于該模塊采用交流 220V供電，并且自帶 14 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和 10 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，完全能滿足全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的要求，所以不再需要另外的電源模塊、數(shù)字量和輸出模塊。 綜上所述此次設(shè)計(jì)選用西門子 S7200 系列整體式 PLC， CPU 模塊為CPU224（ AC/DC/繼電器）模塊。 PLC 的框架配置圖如 34 所示。 圖 34 PLC 框架配置圖 167。 PLC 的外圍接線設(shè)計(jì) CPU 模塊 CPU 224 （ AC / DC / 繼電器 ） 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 根據(jù) 全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制要求，對(duì)系統(tǒng)控制的 I/O 點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和PLC 型號(hào)進(jìn)行了選擇，現(xiàn)根據(jù)以上的統(tǒng)計(jì)和選擇對(duì)控制系統(tǒng) PLC 的外部接線進(jìn)行設(shè)計(jì)。 PLC 的外圍接線圖如下圖 35 所示。 在下圖中， PLC 的各個(gè) I/O 地址分別與全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)所有的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)連接起來，注意電源和接地的連接。 圖 35 系統(tǒng)外圍接線圖 167。 系統(tǒng)資源分配 167。 輸入地址分配 根據(jù)不同的 PLC 配置情況確定 I/O 地址是 PLC 編程的前提與基礎(chǔ)，程序河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 中的地址必須與實(shí)際物理連接點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，才能確保動(dòng)作的正確執(zhí)行。 這個(gè)控制系統(tǒng)的輸入有啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、高水位選擇開關(guān)、中水位選擇開關(guān)、低水位選擇開關(guān)、手動(dòng)排水開關(guān)、自動(dòng)排水開關(guān)、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(gè)輸入點(diǎn)。 現(xiàn)在根據(jù)全自動(dòng)洗衣機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)對(duì) PLC 控制系統(tǒng)的輸入地址進(jìn)行分配。 具體的輸入地址分配下如表 31 所示。 表 31 輸入地址分配表 167。 輸出地址分配 這個(gè)控制系統(tǒng)需要控制的外部設(shè)備有進(jìn)水電磁閥、排水電磁閥、洗滌電動(dòng)機(jī)、脫水桶、報(bào)警器共 5 個(gè)設(shè)備。但是由于洗滌電動(dòng)機(jī)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個(gè)狀態(tài)，分別為正轉(zhuǎn)繼電器和反轉(zhuǎn)繼電器，所以輸出點(diǎn)應(yīng)該有 6 個(gè)。 具體的輸出分配如下表 32 所示。 輸入地址 對(duì)應(yīng)的外部設(shè)備 啟動(dòng)按扭 停止按扭 水位選擇開關(guān)（高水位） 水位選擇開關(guān)（中水位） 水位選擇開關(guān)（低水位） 手動(dòng)排水開關(guān) 手動(dòng)脫水開關(guān) 高水位傳感器 中水位傳感器 低水位傳感器 水排空傳感器 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 167。 內(nèi)部元件地址分配 表 32 輸出地址分配表 全自動(dòng)洗衣機(jī)的工作過程中，需要用到 PLC 內(nèi)部的計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器對(duì)其進(jìn)行過程控制，現(xiàn)對(duì)控制中要用到的內(nèi)部元件地址進(jìn)行分配。 內(nèi)部地址分配表歸納如下表 33 所示。 表 33 內(nèi)部地址分配表 輸出地址 對(duì)應(yīng)的外部設(shè)備 進(jìn)水電磁閥 排水電磁閥 洗滌電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)繼電器 洗滌電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)繼電器 脫水桶 報(bào)警器 定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器 對(duì)應(yīng)的功能 T37 進(jìn)水暫停計(jì)時(shí) T38 正洗計(jì)時(shí) T39 正洗暫停計(jì)時(shí) T40 反轉(zhuǎn)計(jì)時(shí) T41 反轉(zhuǎn)暫停計(jì)時(shí) T42 脫水計(jì)時(shí) T43 報(bào)警 計(jì)時(shí) C50 正反洗循環(huán)計(jì)數(shù) C51 大循環(huán)計(jì)數(shù) 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 167。 編程軟件 載用 編程軟件采用西門子公司設(shè)計(jì)的編程軟件 STEPMicro/WinSP9。 STEP7Micro/WINSP9 是西門子公司專為 SIMATIC S7200系列可編程序控制器研制開發(fā)的編程軟件，它是基于 Windows 的應(yīng)用軟件，功能強(qiáng)大，既可用于開發(fā)用戶程序，又可實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。 STEP7Micro/WINSP9 編程軟件的基本功能是協(xié)助用戶完 成應(yīng)用軟件的開發(fā)，其主要實(shí)現(xiàn)以下功能： （ 1）在脫機(jī)（離線）方式下創(chuàng)建用戶程序，修改和編輯原有的用戶程序。在脫機(jī)方式時(shí)，計(jì)算機(jī)與 PLC 斷開連接，此時(shí)能完成大部分的基本功能，如編程、編譯、調(diào)試和系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計(jì)算機(jī)的磁盤上。 （ 2）在聯(lián)機(jī)（在線）方式下可以對(duì)與計(jì)算機(jī)建立通信關(guān)系的 PLC 直接進(jìn)行各種操作，如上載、下 戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等。 （ 3）在編輯程序的過程中進(jìn)行語法檢查，可以避免一些語法錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)類型方面的錯(cuò)誤。經(jīng)語法檢查后，梯形圖中錯(cuò)誤處的下方自動(dòng)加紅色波浪線，語句表的錯(cuò)誤行前自 動(dòng)畫上紅色叉，且在錯(cuò)誤處加上紅色波浪線。 （ 4）對(duì)用戶程序進(jìn)行文檔管理，加密處理等。 （ 5）設(shè)置 PLC 的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。 軟件主界面一般可分為以下 6 個(gè)區(qū)域：菜單欄（包含 8 個(gè)主菜單項(xiàng)）、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(shí)或分別打開圖中的 5 個(gè)用戶窗口）。 除菜單欄外，用戶可根據(jù)需要決定其他窗口的取舍和樣式的設(shè)置。 167。 程序流程圖設(shè)計(jì) PLC 采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，其程序設(shè)計(jì)同樣可遵循軟件工程設(shè)計(jì)方法，程序工作過程可用流程 圖表示。由于 PLC 的程序執(zhí)行為循環(huán)掃描工作方式，河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 因而與計(jì)算機(jī)程序框圖不同點(diǎn)是， PLC 程序框圖在進(jìn)行輸出刷新后，再重新開始輸進(jìn)掃描，循環(huán)執(zhí)行。 全自動(dòng)洗衣機(jī)工作方式有自動(dòng)方式和手動(dòng)方式兩種。 在自動(dòng)方式下， PLC 將運(yùn)行已經(jīng)設(shè)置好的程序和參數(shù)，按照用戶設(shè)定好的程序來進(jìn)行工作。手動(dòng)方式是在緊急停止情況下，可以手動(dòng)進(jìn)行排水和脫水。全自動(dòng)洗衣機(jī)正常運(yùn)行流程圖如 下 圖 41 所示。 強(qiáng)制停止流程圖如下圖 42 所示。 167。 PLC 控制順序功能圖設(shè)計(jì) 順序功能圖，它是描述控制系統(tǒng)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(shù)，它是一種通用的技術(shù)語言。 順序功能流程圖語言是為了滿足順序邏輯控制而設(shè)計(jì)的編程語言。編程時(shí)將順序流程動(dòng)作的過程分成步和轉(zhuǎn)換條件，根據(jù)轉(zhuǎn)移條件對(duì)控制系統(tǒng)的功能流程順序進(jìn)行分 配，一步一步的按照順序動(dòng)作。每一步代表一個(gè)控制功能任務(wù)，用方框表示。在方框內(nèi)含有用于完成相應(yīng)控制功能任務(wù)的梯形圖邏輯。這種編程語言使程序結(jié)構(gòu)清晰，易于