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自动洗衣机
摘要
本论文介绍了可编程控制器的基本结构、特点与应用领域;可编程序控制器的硬件与工作原理以及它的编程语言与指令系统;详细说明了利用PLC如何设计控制程序和梯形图程序的设计方法和顺序控制梯形图的编程方式。
为了更好的阐述,详细介绍了PLC在全自动洗衣机控制程序的设计过程。
关键字:
PLC、顺序功能图、洗衣机自动控制系统、梯形图
全自动洗衣机实验论文
第一部分PLC简介
第一章、PLC介绍
一、PLC的概念
PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器,用于控制机械的生产过程。
可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC,plc自1966年出现,美国,日本,德国的可编程控制器质量优良,功能强大。
二、PLC的基本结构
PLC专为工业场合设计,采用了典型的计算机结构,主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。
1)CPU:
可编程控制器的控制中枢。
CPU模块主要由微处理器和存储器组成,CPU模块不断的采集输入信号,
执行用户程序,刷新系统的输出;小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU,中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机,大型PLC的CPU多用高速位片式处理器,具有高速处理能力。
存储器用来储存程序和数据,只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成。
它采用扫描方式工作,每一次扫描都要完成以下工作:
输入处理:
将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。
程序执行:
逐条读入和解释用户程序,产生相关的控制信号去控制有关的电路,完成数据的存取、传送和处理,并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。
输出处理:
将输出映像寄存器的内容送给输出模块,控制外部负载。
2)存储器:
只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成。
分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序,包括管理程序,监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的,内容不可更改,断电不消失。
用户存储器:
分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器(RAM)组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源,寿命一般为3~5年。
3)I/O单元及I/O扩展接口:
可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。
(1)输入接口:
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管:
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号,发光二极管就产生与
入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管:
在光信号的照射下导通,导通程度与光信号的强弱有关。
在光电合器的线性工作区内,输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程:
当开关合上,二极管发光,然后三极管在光的照射下导通,向内部电路输入信号。
当开关断开,二极管不发光,三极管不导通。
向
内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC
内部所能接受的数字信号。
(2)输出接口
PLC的继电器输出接口电路
工作过程:
当内部电路输出数字信号1,有电流流过,继电器线圈有电流,然后常开触点闭合,提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0,则没有电流流过,继电器线圈没有电流,然后常开触点断开,断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
三种类型:
继电器输出:
有触点、寿命短、频率低、交直流负载。
适用广、过载能力强、但反应慢及寿命短,用于输出量变化不频繁的场合
晶体管输出:
无触点、寿命长、直流负载。
可靠性高、反应快、寿命长,但过载能力稍差
晶闸管输出:
无触点、寿命长、交流负载
4)外设接口电路:
用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器,并能通过外设接口组成PLC的控制网络,实现编程、监控、连网等功能。
5)电源单元:
把外部电源(220V的交流电源)转换为PLC内部电路需要的工作电源(直流5伏、正负12伏、24伏),并为外部输入元件(如接近开关)提供24V直流电源(仅供输入端点使用)。
三、PLC的工作原理
当PLC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,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(1)输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC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映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
(2)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话,输入过程影像寄存器的值不会被更新,程序直接从I/O模块取值,输出过程影像寄存器会被立即更新,这跟立即输入有些区别。
(3)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,PLC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。
这时,才是PLC的真正输出。
四、PLC优点
编程简单,可在现场修改程序;
维护方便,最好是插件式;
可靠性高于继电器控制柜;
体积小于继电器控制柜;
在成本上可与继电器控制柜竞争;
可将数据直接输入到系统中的管理电脑中,以便操作;
具有灵活的扩展能力;
PLC的应用面广,功能强大,使用方便,已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中,PLC在其他领域,例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。
PLC仍然处于不断的发展之中,其功能不断地增强,更为开放,它不但是单机自动化中应用最广的控制设备,在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位。
PLC应用面之广,普及程度之高,是其他计算机控制设备无法比拟的。
五、PLC发展方向
1:
产品规模向大、小两个方向发展大:
I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。
小:
由整体结构向小型模块化结构发展,增加了配置的灵活性,降低了成本。
2:
PLC在闭环过程控制中应用日益广泛
3:
不断加强通讯功能
4:
.新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外,还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。
5:
编程工具丰富多样,功能不断提高,编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件,采用梯形图、功能图、语句表等编程语言,亦有高档的PLC指令系统
6:
发展容错技术采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
7:
追求软硬件的标准化。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活,易学易用、体积小,重量轻,价格便宜的特点。
第二章、PLC分类
一、按I/O点数及内存容量分类:
PLC种类
外观
典型I/O点数范围
典型应用
微型PLC
固定I/O点,砖块式
<32点
替代继电器,分布式I/O
小型PLC
砖块式,模块式
33-128点
工业机器开关控制和商业用途
中型PLC
模块式,小机架
129-512点
复杂机器控制和一些分布式系统
大型PLC
大机架
>513点
分布式系统,监控系统
二、从组成结构形式分:
1、一体化整体式PLC:
结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点
一般小型或超小型PLC
整体式PLC又叫做单元式或者箱体式,它的CPU模块、I/O模块和电源装在一个封闭箱体里面,结构非常紧凑。
整体式PLC的体积小,价格低,使用比较方便。
这种类型的PLC还提供多种不同I/O点数的基本单元和扩展单元供用户选用,基本单元有CPU模块、I/O模块和电源,扩展单元主要有I/O模块和电源,没有CPU,基本单元与扩展单元之间通过扁平电缆连接。
整体式PLC的基本单元和扩展单元之间的关系如图1所示。
整体式PLC两个单元之间的关系
2、模块式结构化PLC:
配置灵活,装配和维修方便,易于扩展
一般大中型的PLC
小型的PLC主要适用整体式,而大中型的PLC都是用模块式结构。
模块式PLC主要有模块和框架构成,模块与模块之间可以使独立的,也可以是整体的,各框架之间是通过用户I/O扩展线来连接的。
模块式PLC可以供用户选择不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块。
用于对硬件配置的选择余地较大,维护、维修和更换模块也比较方便。
第三章、PLC的特点及应用
一、PLC的特点
1、编程简单,使用方便
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言,形象直观,易学易懂。
2、控制灵活,程序可变,具有很好的柔性
采用模块化形式,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。
3、功能强,扩充方便,性能价格比高
很强的逻辑判断、数据处理、PID调节和数据通信功能,可以实现非常复杂的控制功能。
扩充非常方便,与相同功能的继电器系统相比,具有很高的性能价格比。
4、控制系统设计及施工的工作量少,维修方便
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器,时间继电器,计数器等期间,使控制贵的设计安装接线工作量大大减少。
配线较少,控制柜体积小,节省大量的购置费用及安装时间。
可编程序控制器的故障率很低,且有完善的自诊断和显示功能,便于迅速地排除故障。
5、可靠性高,抗干扰能力强
为现场工作设计的,采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,硬件措施如屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、后备电池等。
6、体积小、重量轻、能耗低
复杂的控制系统使用PLC后,可以减少大量的中间继电器和时间继电器,小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小,因此可以将开关柜的体积缩小到原来的1/2—1/10,是“机电一体化”特有的产品。
二、PLC的应用领域
PLC能储存如顺序指令、定时器指令、计数器指令、演算指令、数据控制指令以及通讯指令,并藉以控制工业的机械装置及流程。
如下图所示为PLC在应用方面的概念图。
多年来,PLC从其产生到现在,实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃;其功能从弱到强,实现了逻辑控制到数字控制的进步;其应用领域从小到大,实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。
今天的PLC在处理模拟量数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高,成为工业控制领域的主流控制设备,在各行各业发挥着越来越大的作用。
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况主要分为如下几类:
1、逻辑控制
PLC用“与”,“或”,“非”等逻辑控制指令来实现触点和电路的串并联,代替继电器进行组合逻辑控制,定时控制与顺序逻辑控制。
数字量逻辑控制可以用于单台设备,也可以用于自动生产线,包括微电子、家电行业也有广泛的应用。
2、运动控制
PLC使用专用的运动控制模块,对直线运动或圆周运动的位置,速度和加速度进行控制,可以实现单轴,双轴,三轴和多轴位置控制,使运动控制与顺序控制有机的结合在一起。
广泛地用于各种机械,如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。
3、过程控制
PLC通过模拟量I/O模块,实现模拟量和数字量之间的A/D和D/A转换,并对模拟量实行闭环PID控制。
广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备,以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。
4、数据处理
现代PLC具有数学运算,数据运算,转换,排序和查表,位操作等功能,可以完成数据的采集,分析和处理。
用于机电系统测试,航天航海测控系统。
也可以用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
5、构建网络控制
PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信,多台PLC之间的通信,PLC与其他智能控制设备之间的通信。
PLC与其他智能控制设备一起,组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
第二部分S7-200
第一章简介
一、S7-200的特点
1、功能强
2、先进的程序结构
3、灵活方便的寻址方法
4、功能强大、使用方便的编程软件
5、简化复杂编程任务的向导功能
6、强大的通信功能
7品种丰富的配套人机界面
8、有竞争力的价格
9、完善的网上技术支持
二、S7-200基本单元
1PLC的物理结构
整体式PLC
体积小、价格低,CPU、I/O及电源等同在一个箱形机壳中,适用于小型控制系统。
模块式PLC
硬件组态方便灵活,I/O点的多少,I/O模块的种类选择余地大,更新维护方便,判断故障范围也很方便,适用于较复杂、要求较高的控制系统。
2CPU与存储器
CPU:
可编程控制器的控制中枢
小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU,中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机;大型PLC的CPU多用高速位(32位以上)片式处理器,具有高速处理能力。
存储器:
只读存储器ROM:
存放系统程序;
随机存储器RAM:
存放用户程序及中间运算数据;掉电时信息丢失,可以附加高性能电池作为保护措施
可电擦写的存储器EEPROM:
存放需长期保存的重要数据。
兼有ROM的非易失性和RAM的随机存储性
3I/O模块
输入模块
开关量(数字量)输入模块DI:
把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。
模拟量输入模块AI:
把现场连续变化的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的、由若干位表示的数字信号。
模拟量输入单元一般由滤波、A/D转换器、光耦合器隔离等部分组成。
输出模块
开关量(数字量)输出模块DO:
PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。
模拟量输出模块AO:
0~32000输出信号为0~20mA的直流信号
-32000~+32000输出信号为-10v~+10v直流电压信号
按照现场执行机构使用的电源类型的不同,开关量输出单元可分为:
晶体管输出方式:
输出信号送给内部电路中输出锁存器,再经光耦合器送给场效应晶体管,后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接触和断开。
用于直流输出负载,可靠性高、反应快、寿命长,但过载能力稍差。
双相晶闸管输出方式:
用于交流输出负载
继电器触点输出方式:
继电器同时起隔离和功率放大的作用,每一路只给用户提供一对常开触点。
既可用于直流、又可交流,适用广、过载能力强、但反应慢及寿命短,用于输出量变化不频繁的场合
第二章S7-200指令系统
一、PLC的编程语言
编程语言
用户类
应用
语句表(STL指令表)
愿意用类似于机器码语言编程的用户
程序在运行时间和存贮空间要求上最优
阅读较难
梯形图(LAD)
习惯电路图的用户
编写逻辑控制程序,可用于较复杂的数字量控制程序,可转化为语句表
功能图(FBD)
熟悉布尔代数逻辑图的用户
编写逻辑控制程序
使用较少,如西门子LOGO系列微型PLC
SCL/ST(结构控制语言/结构文本)可选软件包
用高级语言。
如PASCAL或C语言编程的用户
数据处理任务程序
实现复杂的数学运算,程序简洁紧凑
S7Graph/SFC(顺序控制/顺序功能图)可选软件包
有技术背景,没有PLC编程经验的用户
以顺序过程的描述很方便
位于其他编程语言之上的图形语言
S7HiGraph(状态图形)可选软件包
有技术背景,没有PLC编程经验的用户
以异步非顺序过程的描述很方便
CFC(连续功能图)可选软件包
有技术背景,没有PLC编程经验的用户
适用于连续过程的描述
二PLC的程序结构
主程序:
程序的主体,有且仅有一个,可调用子程序和中断程序,主程序通过
指令控制整个应用程序的执行,扫描一次执行一次
子程序:
子程序是可选的,仅在被其他程序调用时执行。
指令的集合(集成的块),被调用时才执行,简化代码,减少扫描。
中断程序:
中断程序用来技术处理与用户程序的执行时序无关的操作,或者不能实现预测何时发生的中断事件。
是指令的可选集合,中断事件发生时由操作系统调用(等级高)
三数据在存储器中的数据格式
用1位二进制数表示开关量
多位二进制数
十六进制数
字节,字与双字
负数的表示方法
1,BCD码
四CPU的存储区
输入过程映像寄存器(I):
接收外部数字量信号的窗口
输出过程映像寄存器(Q):
实时存放程序执行结果(与数字输出模块相关)
变量存储区(V):
程序执行过程中的中间结果(全局变量)
位存储区(Q的辅助存储)(M):
存放逻辑运算的中间操作状态
定时器存储区(T):
存储定时器累计时基增量值
计数器存储区(C):
存储计数器累计计数脉冲数,计数过程与扫描周期有关。
高速计数器(HC):
累计比CPU扫描数度更块的事件,计数过程与扫描周期无关
累加器(AC):
存放计算的中间值,以及子程序间传递参数(AC0~AC3)
特殊存储器(SM):
CPU与用户之间的交换信息,提供时钟脉冲,零、溢出标志等
局部存储器(L):
存放局部变量,其仅在被创建的POU中有效;变量存储器V存放全局变量,可被所有的POU存取。
模拟量输入(AI):
存放输入PLC的模拟量;16位,从偶字节开始存放(AIW0,AIW2..)
模拟量输出(AQ):
存放输出PLC的模拟量;16位,从偶字节开始存放(AIW0,AIW2..)
顺序控制继电器(S):
提供控制程序的逻辑分段
五触点指令
语句
描述
LDbit
装载,电路开始的常开触点
Abit
与,串联的常开触点
Obit
或,并联的常开触点
LDNbit
非装载,电路开始的常闭触点
ANbit
非与,串联的常闭触点
ONbit
非或,并联的常闭触点
语句
描述
LDIbit
立即装载,电路开始的常开触点
AIbit
立即与,串联的常开触点
OIbit
立即或,并联的常开触点
LDNIbit
立即非装载,电路开始的常闭触点
ANIbit
立即非与,串联的常闭触点
ONIbit
立即非或,并联的常闭触点
六输出指令
语句
描述
=bit
输出
=Ibit
立即输出
Sbit,N
置位
SIbit,N
立即置位
Rbit,N
复位
RIbit,N
立即复位
七堆栈指令
语句
描述
ALD
栈装载与,电路块串联连接
OLD
栈装载或,电路块并联连接
LPS
逻辑入栈
LRD
逻辑读栈
LPP
逻辑出栈
LDSn
装载堆栈
图6
八RS触发指令
图7
九定时器指令
接通演示定时器
接通演示定时器(TON)的使能输入端(IN)的输入电路接通时开始定时。
当前值大于等于预置时间端指定的设定值(1—32767)时,定时器位变为ON,梯形图中定时器的常开触点闭合,常闭触点断开。
达到设定值后,当前值仍然继续增大,直至最大值32767。
输入电路断开时,定时器自动复位,当前值被清零,定时器位为OFF。
CPU第一次扫描时,定时器位被清0。
断开延时计时器
接通延时定时器(TOF)的使能输入端(IN)的输入电路接通时开始定时,当前值被清零。
当输入电路断开时,定时器位变为ON,当前值从0开始增大。
当前值等于设定值时,定时器位为OFF,当前值保持不变。
保持型接通延时定时器
保持型接通延时定时器(TONR)的使能输入端(IN)的输入电路接通时开始定时。
当前值大于等于PT端指定的设定值时,定时器位变为ON,达到设定值后,当前值仍然继续增大,直至最大值32767。
输入电路断开时,当前值保持不变。
计数器指令
包括加计数器(CTU),减计数器(CTD),加减计数器(CTUD)
定时器图例:
第三章PLC程序设计
一、梯形图经验设计方法:
1、可根据原有的继电逻辑控制图进行转化设计;
2、没有固定的方法和步骤可遵循,试探性和随意性强;
3、由于需要中间变量完成记忆联锁互锁,需要考虑的因素很多;
4、设计耗时长,且修改麻烦;
二、顺序控制设计方法:
1基础
用经验设计法设计梯形图时,没有一套固定的方法和步骤可以遵循,具有很大的试探性和随意性,对于不同的控制系统,没有一种通用的如意掌握的设计方法。
在设计复杂系统的梯形图时,用大量的中间单元来完成记忆、联锁和互锁功能,由于需要考虑的因素很多,它们往往又交织在一起,分析起来相当困难,而且容易遗漏一些该考虑的问题。
修改局部电路时,很可能牵一发而动全身,对系统其它部分产生想不到的影响,往往修改很长时间都得不到满意的结果。
所谓的顺序控制就是按照生产工艺预先规定的顺序,在各个输入信号的作用下,根据内部状态和时间的顺序,在生产过程中各个执行机构自动的有秩序的进行操作。
使用顺序控制设计法是首先根据系统的工艺过程,画出顺序功能图,然后根据顺序功能图设计出梯形图。
有的PLC为用户提供了顺序功能图语言,在编程软件中生成顺序功能图后便完成了编程工作。
这是一种先进的设计方法,很容易被初学者接受,对于有经验的工程师也会提高设计的效率,程序的调试、修改和阅读也很方便。
顺序功能图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形,也是设计PLC顺序控制系统的有力工具。
顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作组成。
步与动作
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