第一篇：基于PLC煤矿井上胶带机集控系统的设计
摘要
随着计算机和控制技术的飞速发展，厂矿采用上位机和PLC集中监控已越来越普遍，技术也越来越先进。本文以河北单侯煤矿井上胶带机集控系统为例，研究开发了一种基于PLC的煤矿井上胶带机监控系统，适合于当前工业企业对自动化的需要，目前实际投入运行，取得了很好的效果。
由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会(NEMA)经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC(Programmable Controller)，但为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，常将可编程序控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的 自动化控制装置。
1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC)颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第2稿，并在1987年的第3稿中对PLC作了如下的定义：“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、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。
上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。
关键字：胶带机、矿山设备、应用。
目 录
目录……………………………………………………………………………………..2 第一章 前言……………………………………………………………………………3 1.1系统设计 …………………………………………………………………………3 1.2储煤及装车系统 …………………………………………………………………3 第二章………………………………………………………………………………….4 2.1 plc的功能特性…………………………………………………………………..4 2.2 变频调速技术在矿井提升机中的应用………………………………………….6 2.3 plc产品的选用…………………………………………………………………..7 第三章 …………………………………………………………………...……………8 3.1系统概况…………………………………………………………………………..8 3.2系统硬件部分……………………………………………………………………..9 3.3 系统软件部分„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 第四章„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 4.1系统有关通信程序的设计……………………………………………………….12 4.2 DP 网络的配置…………………………………………………………………..13 4.3 现场设备的闭锁控制…………………………………………………………….15 心得体会………………………………………………………………………………16 致谢……………………………………………………………………………………17 参考文献………………………………………………………………………………18
第一章 前言
随着计算机和控制技术的飞速发展，厂矿采用上位机和PLC集中监控已越来越普遍，技术也越来越先进。本文以河北单侯煤矿井上胶带机集控系统为例，研究开发了一种基于PLC的煤矿井上胶带机监控系统，适合于当前工业企业对自动化的需要，目前实际投入运行，取得了很好的效果。
1.1系统设计
单候矿井隶属于河北开滦矿业集团，位于河北省张家口市蔚县涌泉庄乡境内北方城村附近，是张市矿区中心地带，矿井地质储量313.74Mt，矿井可采储量177.08Mt，设计能力150万吨/年，矿井服务年限81.4，于2006年10月正式投产。
单候煤矿井上胶带机集控系统（见图1）可分为两部分：1，筛分车间系统； 1.2储煤及装车系统。
其中，筛分车间系统包括图示的主井至筛分车间胶带输送机、矸石转载胶带输送机、矸石输送胶带机以及筛分车间内部所包含的六条拣矸胶带输送机、三条刮板机等设备；其余胶带输送机均属于储煤及装车系统。
在设计上，要求该系统能够实现就地控制与集中控制两种控制模式，集中控制可以分为连锁控制和单机控制等多种控制模式，可以供操作者根据现场实际情况灵活选用，确保在系
基金项目：国家自然科学基金 《煤矿生产重大瓦斯事故的形成机理及其管理方法研究》70533050
统正常运行时操作灵活、易于维护，在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保皮
带设备的正常运行，提高了系统的稳定性。
第二章
2.1 PLC的功能特性
一、PLC优越性：
(1)灵活性和通用性强
(2)抗干扰能力强，可靠性高
(3)编程语言简单易学
(4)PLC与外部设备的连接简单，使用方便
(5)功能强、功能的扩展能力强
(6)控制系统的设计、调试周期短
(7)体积小、重量轻，易于实现机电一体化
二、PLC的功能
PLC是在传统的继电接触控制的基础上通过融入计算机技术发展起来的一种新型工业控制器，其功能已在上面的定义中作了概括，这里再详细说明一下目前PLC具有的功能。1.逻辑控制
PLC具有逻辑运算功能，它有与、或、非、异或等逻辑指令，能够表达多个继电器触点间的串联、并联、串并联、并串联等各种形式的连接，从而可以代替实际继电器及其间的电气连线。2.顺序控制
所谓顺序控制，就是按照预定的先后顺序，逐个完成各种操作。PLC程序本身就是顺序执行的。此外，PLC中还设有移位寄存器，有的还专门配有步进顺控指令，可以方便地实现顺序控制。
三、变频器在电铲设备中的应用
电铲用于装载矿岩，其工作条件非常恶劣，特别是在爆破不好的情况下挖根底作业，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，电铲对电气传动系统就有较高的要 求:要求电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率;要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快;要求系统制动性能好，并能回收能量;要求系统运行可靠，维修方便等。由于电铲对电气传动系统的这些特殊要求，所以，我国电铲目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统。例如:WK-4M、WK10、WD-1200和195-B等型号的电铲都是采用直流发电机-直流电动机系统(简称机组系统);从美国Harnischfeger公司引进制造的P&H-2300XP和P&H-2800XP型电铲则是采用晶闸管变流器-直流电动机系统(简称晶闸管直流系统)。虽然后者比前者技术先进，效率也有所提高，但这两种系统都还存在直流电机的固有的缺点，即维修工作量大、效率较低等。
自上世纪90年代后期，我国有个别矿山从美国B-E公司引进了变频器-鼠笼型电动机系统(简称交流变频调速系统)，这是全交流化的电铲电气传动系统。例如:385-B、295-BⅡ、290-BⅢ型电铲就是全交流化电铲，变频调速由德国SIEMENS公司开发、提供的电压型变频器。现以395-B电铲为例作一简要说明:高压交流电由电缆经集电环引入电铲，由1600kVA主变压器将6kV变为575V，由1950A的整流器将交流变为直流，经滤波后送入公共直流母线。在直流母线上有4台容量为750kVA的逆变器，其中2台并联供电给1台容量为1066kW的提升电动机;第三台逆变器供电两台容量各为243kW的回转电动机;第四台逆变器供电给容量为294kW推压电动机。当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其它工作机构使用，使能量得到充分利用。使用不完的制动能量，可以通过制动电阻消耗掉。
实践证明，交流变频调速电铲和前两种直流调速电铲相比，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高(0.95以上)等优点，是公认的电铲电气传动系统的发展方向。
矿井通风机是地下矿山生产的主要用电设备之一，其节能运行在矿山节电中占有重要的地位。矿井通风机一般采用异步电机或同步电机拖动，恒速运转，一般容量大，电机供电电压高(6kV或10kV)。
矿山建设的特点是:巷道逐年加深，产量逐年增加，所需的通风量逐年上升。但矿井通风机在设计选型时，往往是按最大开采量时所需的风量为依据的，一般都留有 余量，因此矿井在投产后几年甚至十几年内，矿井通风机都是处在低负载下运行。此外，通常矿山井下作业不均衡，一般夜班工作人员少，所需风量也小，在节假日时，可能只有泵房等固定的井下场所的值班人员工作。尽管井下人员少，但也得照常向井下送风，矿井通风机一般不调节风量，若要调节风量时，传统的方法是调节档板。这种办法虽然简单，但从节能的观点看，是很不经济的。几种调节风量的方法节电比较。可见，变频调速法在各种风量调节方法中是最理想、最有效、最节能的调节方法。有关变频调速技术在矿井通风机中的应用，仍以凡口铅锌矿为例说明。
该矿的矿井通风机都采用高压电机传动，有高压同步电机和高压异步电机两大类。由于矿井通风机是矿山的耗电大户，节电潜力很大，但它又是高压电机传动，实现变频调速有一定困难。于是，长沙矿山研究院与凡口铅锌矿、冶金自动化研究院等单位合作，以老南风井的6kV，800kW同步电机传动的矿井通风机为对象，研制开发了同步电机直接高压变频器。1997年8月投入运行，并于1998年4月28日通过了中国有色金属工业总公司的技术鉴定，获得了部级科技进步二等奖。这是国内第一台同步电机直接高压变频器，节电效果十分显著。
矿井提升机是地下矿山运输的主要设备。它是用一定的装备沿井筒运出矿石、废石、升降人员及材料、设备等运输环节。矿井提升设备按井筒倾角可分为竖井提升设备和斜井提升设备;按提升容器可分为罐笼提升机和箕斗提升机等;按提用途可分为主提升机(专们或主性提升矿石，一般称为主井提升机)，副井提升机(提升废石、升降人员、运送材料和设备等，一般称为副井提升机)和辅助提升机(如天井电梯、检修提升等)。
2.2 变频调速技术在矿井提升机中的应用
矿井提升是地下矿山生产的咽喉，所以，无论哪种提升机，对电气传动的要求都很高，因为电气传动系统性能的优劣，可靠性的高低，都直接关系到矿山生产的效率和矿山生产的正常进行。对矿井提升机电气传动系统的要求是:有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。
目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有:对于大型矿井提升机，主 要采用直流传动系统，有采用直流电动机-直流发电机系统和晶闸管变流器-直流电动机系统;这两种系统都存在着直流电动机固有的缺点，如效率不高，维修工作量较大等。对于中、小型提升机，则多采用交流电气传动系统，如采用交流绕线式电动机，使用电机转子切换电阻调速，这种电气传动系统虽然设备简单，但它是有级调速，调速性能差，效率低，大量的电能消耗在电动机转子电阻上，而且可靠性也差。
将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。我国已有几台大型矿井提升机采用交-交变频调速系统，取得了很好的效果，但其缺点是功率因数不高，谐波大，需加谐波和功率因数补偿装置。随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。例如国外已有矿山将有源前端三电平变频器应用于矿井提升机上，据介绍，采用这种变频调速的交流提升机可以克服直流调速系统和交-交变频调速系统的缺点，是提升机电气传动的发展方向。对于小型交流提升机已有成功应用变频器的实例，如山东风光电子有限公司和东营市东催科技有限公司合作开发的变频器，成功地应用于山东宁阳县华宁煤矿的380V,180kw 的交流提升机上。
2.3 PLC产品的选用
PLC在很多国家和领域都发挥着重要的作用，因此，也就有很多不同的产品已适用于不同的领域。在很多国家也都生产PLC的产品，例如美国、日本、德国，在此我们采用的是日本的OMRON的PLC。简单介绍一下：
日本的小型PLC很有特色，在小型机领域种颇具盛名。某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，用日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多PLC制造商，如欧姆龙、三菱、富士、日立、东芝等。在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。在中国，OMRON产品的销量居首位。
OMRON的PLC之所以受用户欢迎，是由于它们具有以下几个特点：指令系统功能强大，处理复杂控制的功能强；编程语言是梯形图和语句表并重，编程简单，易掌握；特殊功能模块和智能模块品种多，使用方便；PLC的网络配置简单，实用、造价低； 具有明显的价格优势及良好的售后服务系统。
OMRON公司的小型PLC产品:P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列以及CPM2C、CQM1、CQM1H等都属于小型机。前些年，P型机以高性价比的优势在我国的销量相当好，现在已被其升级产品、性价比更高的CPM1A系列所取代。H型机内部配置RS-232C接口，其指令系统也远高于P型机，但价格较P型机高。CPM2C、CQM1都是模块式结构。CQM1机内配置RS-232C通信接口，有6种CPU模块，各具不同功能可选择，而且各种I/O单元自由组合，它们都是高功能的小型机。CQMIH又是CQM1的升级产品。
由于OMRON公司的PLC指令系统功能强大；编程语言是梯形图，编程简单；特殊功能模块和智能模块品种多，使用方便；PLC的网络配置简单，实用、造价低；具有明显的价格优势，所以本方案采用日本欧姆龙公司的小型PLC系列。
第三章
3.1 系统概况
单候矿井隶属于河北开滦矿业集团，位于河北省张家口市蔚县涌泉庄乡境内北方城村附近，是张市矿区中心地带，矿井地质储量313.74Mt，矿井可采储量177.08Mt，设计能力150万吨/年，矿井服务年限81.4，于2006年10月正式投产。
单候煤矿井上胶带机集控系统（见图1）可分为两部分：1，筛分车间系统;2，储煤及装车系统。
其中，筛分车间系统包括图示的主井至筛分车间胶带输送机、矸石转载胶带输送机、矸石输送胶带机以及筛分车间内部所包含的六条拣矸胶带输送机、三条刮板机等设备;其余胶带输送机均属于储煤及装车系统。
在设计上，要求该系统能够实现就地控制与集中控制两种控制模式，集中控制可以分为连锁控制和单机控制等多种控制模式，可以供操作者根据现场实际情况灵活选用，确保在系统正常运行时操作灵活、易于维护，在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保皮带设备的正常运行，提高了系统的稳定性。3.2 系统硬件部分
整个系统从上往下可以分为两层：集中控制管理层和就地控制管理层。集中控制管理层由两台上位机和一台交换机组成。在系统运行中，两台上位机互为冗余，并通过交换机直接与现场设备互联，从而实现对现场设备的监控。
图1系统结构图
就地控制管理层由PLC，交换机和胶带保护装置组成。PLC是整个控制系统的核心，在本系统中，采用了西门子公司的S7-300。由于在实际中，储煤子系统和筛分子系统有相互的闭锁关系，因此，可将筛分子系统和储煤子系统构建一个DP网络（系统的通信原理图见图2）。所以，本系统PLC均采用CPU315-2DP，在组网时，筛分子系统作为master站，储煤子系统作为slave站，并在筛分子系统PLC柜中增加以太网模块CP341，使得上位机通过交换机可以与现场级设备互连，从而实现集 中控制。此外，胶带运输机沿线安装了跑偏、堆煤、拉线开关等多种保护装置，以便胶带运输机运行出现故障时，系统可以快速地做出反应。
图2 系统通信原理图
3.3 系统软件部分
本系统的软件部分主要由两部分组成：上位机的组态监控软件和现场PLC的编程软件。图3系统软件运行界面图
上位机的编程软件选用了Intellution的IFIX3.5，它具有以下特点:
a.实时库显示：实时显示系统内所有实时点;b.实时遥控：选中画面上的控制开关，实时下发遥控命令;c.实时和历史曲线：可设定显示系统内所有记录的遥测点;d.实时和历史报警：报警分为重报警，中报警，轻报警;e.事件和报警记录查询：可按天查询事件和报警日志;f.事件和报警实时打印：有报警事件发生时，事件打印机实时打印。
上位机监控软件采用OPC方式与现场的PLC进行通信，可以方便灵活地获取现场机电设备及其保护设备的遥测遥信信息，实现远程控制。上位机的组态软件界面见图3。
现场PLC的编程软件采用西门子公司的Step7，当PLC处于“RUN”工作模式下时，除上电初始化外，其它程序都采取周而复始的循环扫描方式，称之为“PLC的扫描工作方式”，其执行流程如图4所示。
第四章
系统关键技术
4.1 系统有关通信程序的设计
本系统主PLC控制柜（筛分子系统PLC控制柜）安装在现场的低压配电室内，由于与调度中心相距较远，而现场电磁干扰又比较严重，为此，特采用以太网与光纤传输技术实现SIMATIC s7—300 PLC与上位机人机界面的通信。在主PLC柜中配备了以太网模块CP341以及以太网转光纤的交换机。
为了正确地传送和接收信息，必须有一套关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等的约定，这一套约定称为规约或协议。本系统在进行通信程序设计时，采用模块化编程的设计思想，把程序分成若干程序块，各程序块分别含有一些设备和任务的程序指令，每个功能区被分成不同的块进行编程，有利于多人同时编程，也有利于程序调试和故障的查找。系统中PLC需处理多种通信协议，单独编制每种协议的处理程序，分别放在不同的功能模块（FC）中。在PLC的主程序块OB1中，通过调用语句，可依次执行这些协议的处理程序，实现与这些综保装置或智能仪表进行通信的目的。
4.2 DP网络的配置
基于筛分子系统和储煤子系统之间存在着闭锁关系，因此可将筛分子系统和储煤子系统组态成为一个DP网络。这样使得系统的逻辑关系更加清晰，同时系统具有了很好的扩展性，也在经济上节约了成本。
图4 系统流程图
关于DP网络的配置，可参考西门子公司的有关手册。尤其应该注意以下几点:
a.进行主从站配置时，应该首先配置从站，然后再配置主站;b.在组态Hardware时，主站和从站的Consistency均需要设置为All;c.编程时，主站的OB1中必须有OB1、OB82、OB86、OB100、OB121;d.由于在系统运行时，上位机会对PLC进行读和写操作，因此在主站和从站的程序块中还都要添加SFC14和SFC15功能块。
4.3 现场设备的闭锁控制
为了弥补现场设备防误功能的缺陷，保障安全生产，应该对现场所有设备进行闭锁控制。
本系统既有机械闭锁，又有逻辑闭锁，达到了“逆煤流依次启动设备，顺煤流依次停止设备”的要求。具体做法：机械闭锁：将逻辑上先启动设备的运行返回信号的常闭点串入后启动设备的二次控制回路中;逻辑闭锁：如流程图所示，将设备的运行返回信号作为执行下一条程序的先决条件。系统结构 煤矿胶带机运输系统的安全可靠与否直接影响矿井的经济效益胶带机集控系统可实现对整个胶带机运输系统的遥测、遥信、遥控，提高生产效率、降低事故率，减少故障处理时间、减少现场操作人员、提高经济效益。
我们研发的胶带机集控系统采用先进的并行处理技术；操作方便、灵活，可靠性高，抗干扰能力更强。采用分布式控制结构，保护能力齐全。具有胶带跑偏保护，速度检测，打滑和超速保护，急停闭锁，堆煤检测，温度检测，烟雾检测，自动洒水灭火和胶带纵向撕裂保护等完善的检测和保护功能。现场可编程功能及组网功能强，采用开放的编程软件和开放式的数据通信协议，可与综合自动化信息化系统实现汇接。
系统采用全分布式控制结构。主要由井下控制分站、控制主站和综合操作台构成综合操作台位于地面中央控制室，控制主站与控制分站之间采用工业以太网络或工业总线结构连接，控制分站与传感器之间采用矩阵结构连接。控制分站负责现场设备的数据采集和控制，通过监控，可对整个系统的设备进行监视和集中控制。
控制分站采用KJD21本安型PLC作为主控设备，具有防潮、抗干扰能力强、现场易编程、易扩展等特点，基本免维护，并能够实现软件化控制、自动检测系统故障等功能系统支持多台PLC组成控制网络，达到不同的规模控制，可完成多条皮带的集中控制和监测。
1.系统特点：选用先进的控制器，系统的实时性好，可靠性高，数据处理速度快；采用全分布式控制结构，系统具有较高的安全性。当地面部分出现控制故障时，井下部分仍可实现集控运行；通讯网络速度快，距离远，可靠性高。当网络由于发生断线、干扰等传输问题时，网络会自动侦测到，并发出警报；界面直观友好，操作简便，功能齐全。人机界面不仅具有形象逼真的动态画面和全中文显示，还具有实时报警监视、安全确
（1）通过利用大中型PLC（如西门子S7-300）可以与多种智能电子设备进行通信，方便地实现了现场设备的监控。
（2）该系统自2006年10月运行以来，维护量大大降低，大部分故障能够在电脑显示器上直接显示，减少了故障查找环节。系统操作简单，维护方便，提高系统安全性，降低运行费用，大大减少故障时间，提高经济效益。
2.本文作者创新点：
(1)本文系统地阐述了以PLC为控制核心，构建一个集控系统的方法，基于该方案的控制系统与原系统相比在性能和自动化程度上都得到大幅度提升，对相近系统有重要的参考价值。
（2）对于集控系统中子系统的处理，通常做法是给各个子系统均配置以太网通信模块，然后将每个子系统作为节点，组成环形网络。在本系统中，将逻辑上有闭锁关系的多个子系统视作网络中的一个节点，减少了以太网通信模块，节约了成本。对于同一节点下的多个子系统则采用级联的方式配置成DP网络，大大减轻了网络的负担。
（3）本文给出了配置DP网络的详细方法和注意事项。在PLC程序设计中，本系统采用功能块化的方法，有利于系统的维护和升级。
心得体会
经过这次毕业设计，使我觉得不论从理论知识还是从实际操纵中都学到了不少知识，我想归纳起来，主要有以下四个方面：
1.经过这次毕业设计，它让我接触更多平时没有接触过的科学仪器设备、元器件以及获得相关的仪器调试经验，同时我也发现自己在这方面很多不足之处。体会到理论知识对实践有很大的指导作用，她让我知道，只有在正确的理论指引下，才能设计出合乎实际需要的硬件电路。
2.学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料。我发现，在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想，各种参数都需要自己去调整。偶尔还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更加注重实践环节。3.在毕业设计中，我们应当注意重点与细节的关系。4.失败不可怕，只要不趴下，昂首向前走，希望总会有。
5.同组同学相互包容，彼此合作，取长补短，才能铸就最后的成功。可以这样说毕业设计是对大学三年所学知识的一次运用和检阅，同时对自学能力提出很高的要求，所以平时的学习离开思考，就是严重的错误，我们学习不应该有偏科现象，各方面的知识都应该要接触，这样做才能为毕业设计打下基石。
致谢词
经过这段时间的努力我终于顺利完成了本次的毕业设计。通过本次的设计，使我加深了对专业知识的了解，提高了分析问题和解决问题的能力，完成了理论知识与现代控制技术的紧密结合。
在设计过程中，在指导老师的精心指导下，我完成了从课题的选择、设计构思、资料的搜集一直到最终设计的完成。在此我要借此机会感谢在大学期间每一位传授我知识的授课老师，感谢一直以来为我们热情服务的辅导员，还要特别感谢我的指导老师罗老师，是他在这次的设计中指导我完成了本次的毕业设计，并在设计过程中教会了我很多实际的东西，这些对我日后的工作将有很大的帮助。在今后的工作中，我会以实际行动报答各位老师的精心教导。
参考文献：
[1]耿文学.可编程控制器原理、使用及应用实例[M].北京：电子工业出版社，1990 [2]刘敏.可编程控制器技术[M].北京：机械工业出版社.1999 [3] 刘宗仁.可编程控制器应用系统设计及通讯网络技术[M].北京:人民邮电出版社，2003 [4] 陈在平，赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计[M].北京:机械工业出版社.2002 [5] 吴振纲，陈虎.PLC的人机接口与编程[J].微计算机信息，2005
第二篇：游泳池水处理系统的PLC设计
辽宁科技大学本科生毕业设计
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游泳池水处理系统的PLC设计
摘 要
在工业不断发展的今天，人们更加追求自动化的同时可编程序控制器映入了我们的眼帘，可编程序控制器在各行各业的应用不断增加，让我们看到他的应用之广泛，此次设计是在游泳池水处理自动控制方面的一个具体体现，正文介绍了可编程序控制器（PLC）、西门子S7-300 CPU313及温度传感器在游泳池水处理系统中的应用及PID调节。本设计在详细了解了S7-300 PLC的结构、用法，以及游泳池水处理系统的工艺流程的前提下，运用PLC对水处理各环节进行精确的控制。引入PLC后，比传统的游泳池更加安全、可靠，更加节省人力资源，操作简单，节省硬件等诸多优点，随着市场的开放与不断扩大许多国外的品牌不断涌入我国，我们可以选用更适合要求的产品。选用合适的PLC有利于系统的完美发挥，无论是从抗干扰能力或是其他方面PLC控制的系统都是当前最具实力的产品。
关键词：可编程序控制器；S7-300；PID温控
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PLC designing of natatorium water processing system
Abstract With the development and advancement of industry, the Programmable Logic Controller that has been widely applied in a lot fields has become focus nowadays.This designing is a material and concrete exhibition in the aspect of natatorium water processing system.This article mainly illustrates PID regulation and the application of Programmable Logic Controller---PLC, Siemens S7-300 CPU313 and temperature sensor in the natatorium water processing system.The article has detailed introduced the S7-300 PLC structure and usage.Furthermore, it has completely complained the process of circulation water processing system and temperature regulation, as well as the concrete operation process.Comparing to the traditional one, the PLC controlling system has made the natatorium more safe and credible.Moreover, it not only can be operated easily, but also can save a lot of human resource and hardware for us too.As people have known, Programmable Logic Controller has become the developing trend of industrial automation.Due to the open and distensible market, a lot of foreign products of PLC that provide more choices for us have entered.As people have known, a good choice of PLC will make the system more perfect.Keywords：Programmable Logic Controller ；S7-300；PID temperature control
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目 录
摘 要.........................................................................................................................................I ABSTRACT...........................................................................................................................II 1 绪 论....................................................................................................................................1 1.1 引言..................................................................................................................................1 1.2 国内外游泳池水处理方式..............................................................................................1 1.3 本课题研究主要内容......................................................................................................2 1.4 课题研究的意义..............................................................................................................2 系统概述.............................................................................................................................4
2.1 设计要求..........................................................................................................................4 2.2 控制系统简介..................................................................................................................4 2.3 控制系统要求..................................................................................................................5 2.3.1 水循环及过滤部分...................................................................................................6 2.3.2 水质检测及加投药部分...........................................................................................7 2.3.3 恒温加热系统控制...................................................................................................7 PID温度控制...................................................................................................................11
3.1 基本概念........................................................................................................................11 3.1.1 比例调节（P调节）..............................................................................................11 3.1.2 积分调节（I调节）...............................................................................................11 3.1.3 微分调节（D调节）.............................................................................................12 3.2 PLC中的PID控制实现方法........................................................................................12 西门子S7-300及硬件设计........................................................................................15
4.1 PLC的简介....................................................................................................................15 4.1.1 PLC的特点..............................................................................................................15
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4.1.2 PLC的分类..............................................................................................................16 4.2 PLC的基本组成............................................................................................................16 4.2.1 主机.........................................................................................................................16 4.2.2 编辑器.....................................................................................................................18 4.2.3 I/O扩展和其他外围设备........................................................................................18 4.3 PLC的基本工作原理和工作方式................................................................................18 4.4 硬件介绍........................................................................................................................19 4.4.1 数字量模块.............................................................................................................19 4.4.2 模拟量模块.............................................................................................................20 操作与软件部分.............................................................................................................22
5.1 水循环控制过程............................................................................................................22 5.2 恒温加热部分控制........................................................................................................23
结 论......................................................................................................................................24 致 谢......................................................................................................................................25 参考文献...............................................................................................................................26 附 录......................................................................................................................................27
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第 1 页 绪 论
1.1 引言
随着社会的不断发展人民的生活水平也在不断提高，人民对物质、精神生活不断提出新的要求，健身、游泳、等娱乐活动不断增加，游泳逐步成为一项群众性的休闲娱乐活动。在炎炎夏日，游泳场馆更是变成了人们消暑纳凉的消费场所。特别是在暑期，热浪滚滚，酷热难耐，许多家长带着放假的孩子，兴致勃勃地嬉戏畅游在游泳池之“蓝天碧水”间。而在最热的时候，游泳场馆更是天天爆满，随之而来对这些活动的客观要求也不断提出了新的标准与要求，对游泳的环境和各方面的要求也逐步提高。近几年来，集娱乐、休闲与健身为一体的游泳场馆的需求与建设可谓方兴未艾，国家级大型游泳馆、各种公共游泳馆、家用游泳池、星级宾馆的室内游泳池等遍及全国城镇。游泳池、水上乐园像雨后春笋般涌现，其中许多游泳池已跳开古板的传统模式，摹仿国外的先进经验，设计更新颖，融健身性、娱乐性于一体，更具吸引力及生命力。
1.2 国内外游泳池水处理方式
为了节约用水，保护水资源保证水质及卫生指标，绝大多数游泳池采用循环净化给水方式。但由于我国游泳场馆的发展相对较晚(二十世纪九十年代中后期才真正开始大规模发展)，所以在运行管理方面和给排水的设计方面积累总结的经验较少，缺乏系统的分析与交流，且游泳池的实际运行与规范下的设计存在着较大的差异。就水处理系统来说，目前规范基本上是按市政给水处理厂的要求来制定的，在设计中均是按照规范中的专业比赛用连续处理运行来设计的，而在实际运行过程中，无论是水质还是投药管理等，均不同于设计与规范，造成了水处理场地及设备的极大浪费，无形中增大了建设投资费用。另外大多数游泳场馆未配制专业技术人员参与运行管理，因此，在实际运行过程中，因各种原因发生了较大的水耗、热耗及电耗，并造成了不必要的水质超标甚至恶化，给经营带来较大的负担与影响。鉴此通过对现有设备下的游泳池的研究，对于进一步节水、节能，降低运行成本有着重要的经济意义，并由此总结实践经验，进行理论分析，从而提出游泳池水处理的优化设计。
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1.3 本课题研究主要内容
现代游泳池主要分三大部分：一是循环及过滤部分，二是水质检测及加投药部分，三是恒温及加热部分。水处理循环系统是整个系统最为关键的地方，主要由两台循环水泵互为备用，循环水泵是为提供循环动力及循环处理水量而设置。循环水泵的自动过程由两台泵互为备用(1 # 泵和2 # 泵)，且8小时自动切换和非正常停泵自动起动备用泵(如加热继电器动作等)。起动过程由两台泵轮值起动，即在程序中设定一个起动泵号N(N = 1、2)，当第一次进入水循环主程序时，首先读取泵号N(并令N 加1)，决定首先开启哪一号泵，若无故障运行后，且在一个周期内要求停泵，当再次进入水循环主程序时，则起动当前泵。以此，来减小某一台泵因连续工作而引起的损耗。实际证明此方法可行且有效。当某一台泵出现故障需停机时，需等待该泵完全停止后，方可开启另一台泵，否则会出现局部回流现象，极易损坏水泵，因此，在起动另一台水泵时，有一个10s 的延时。为了补充因各种原因所造成的池水热损失及加热补充水需设置换热设备。目前，国内采用的是快速式换热器和新型板式换热器。恒温加热部分由PLC可编程序控制器来控制，恒温及加热控制主要采用PID调节，输出控制信号由PQW288输出控制伺服控制器来控制蒸汽调节阀的开启度，定量地给汽水管道混合器通以蒸汽，使池水按要求保持恒温。水池温度的检测通过两个途径获得：一是水池温度；二是蒸汽调节阀进水池布水口的温度。检测蒸汽进水池的温度目的是为了与水池温度相比较，不致两者温差过大，以免造成人员短时间内不适应或受伤。I2.3控制条件为紧急停止信号，由值班人员发出。水质检测都是通过检测仪器送来的模拟量检测信息，输入到模拟量模块进行处理，处理后根据水质标准确定控制量，分别控制各药剂精确计量泵，加投水处理药剂。各模拟量输入的处理及控制都基本相同。絮凝剂加投的前提是循环水泵开启，若循环水泵未开启，絮凝剂加投后，也只是在局部起作用，不仅浪费资源，更使水质变差。
1.4 课题研究的意义
本设计主要着重介绍各环节的控制和操作过程及原理，选用的控制设备也比传统的设备更为先进，目前可编程序控制器在整个电气控制领域已经占领主导地位，发展的也是非常迅速，它的控制方式采用可编程序控制器进行控制。PC或PLC，它是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有的功能强、可靠
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高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外以广泛应用于自动化控制的各个领域，并成为实现工业自动化的支柱产品。近年来，国内在PC技术与产品开发应用方面的发展也很快。除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多的采用PC控制系统取代的继电器、接触器控制系统。国产化的小型PC性能也基本达到同类国外产品的技术指标。目前PLC已广泛用于冶金、化工、轻工、电力、建筑、交通、运输等各个行业[1]。
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第 4 页 系统概述
2.1 设计要求
1．循环水泵的自动过程由两台泵互为备用，8h自动切换和非正常停泵自动起备用泵。
2．温度控制精度1°C。3．采用可编程序控制器设计。4．画出原理图，编制程序。
2.2 控制系统简介
布水口游泳池布水口温度仪Ⅱ进池口水管热力蒸汽热交换伺服控制器温度仪ⅠPH仪余氯仪浊度仪出池口水管循环水泵1号过滤沙缸N过滤沙缸2号定时器絮凝剂加投消毒剂加投稀盐酸加投硫酸铜加投
图2.1 游泳池水处理工艺流程图
现代游泳观的池水处理系统类似与自来水厂的水处理系统，通过循环水泵将池水置
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换出来检测水质，再通过化学和物理的方法调整水质，然后将达到一定水质标准的“净水”回灌进游泳池。本设计的游泳池水处理工艺流程如图2.1所示。通过循环水泵将池水置换出来检测水质，再通过化学和物理方法调整水质，然后将达到一定水质标准的“净水” 回灌进游泳池。一般检测项有浊度、过氧化物、尿素含量、菌去群含量、余氯值、臭氧值和pH值等。以pH值调节为例，当pH值过高，超过控制时，则通过精确计量泵加投稀盐酸以调低pH值，这就是化学的方法。再如当浊度达到一定值时，亦通过精确计量泵将絮凝剂（需搅拌）加投到循环泵前，絮凝剂可将水中悬浮物凝结成块，通过过滤沙缸把“浊水”过滤成“净水”回灌到泳池[2]。另外，沙缸还有反冲洗过程，就是当系统运行一定时间后，沙缸的沙层表面会积蓄很多的污物，使沙缸对水的阻力增大，流速减缓，过滤效果下降。因此，必须定期进行清除。清除的办法就是使水流反方向流动，如图2.2所示。温度仪I、II进行温度检测。检测的结果经模拟量输入模块送到PLC，由PLC处理后一方面送控制屏进行温度显示，另一方面由PLC的PID指令控制。经PID调节后，输出的信号通过模拟量输出模块控制伺服蒸汽调节阀，定量的给汽水管道混合器通以蒸汽，使池水按要求保持恒温[3]。
进水F1F3F5F2废水F4沙缸
图2.2 沙缸反冲洗工作示意图
2.3 控制系统要求
该系统按只检测浊度、余氯、pH值和温度等几项来配置，PLC按输入/输出点数、通信接口数等技术要求选定，检测仪、泵、伺服控制器及操作系统根据工艺流程选定或按甲方要求选定。
具体硬件配置如下：西门子S7-300 CPU313一块，SM321、SM322的数字量模块各一块，SM331S、M332模拟量模块各一块；德国普罗明特温度传感器——变送器两支，辽宁科技大学本科生毕业设计
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浊度仪、pH仪、余氯仪各一台；高温电动伺服阀一台；精确计量泵四台；循环水泵两台；大厅显示屏（自制）一台；5.7in台达触摸屏一台；控制柜（定制）一台。2.3.1 水循环及过滤部分
水循环主程序开始启动准备N手动自动？Y启动1号泵Y故障？NNNY停泵？停泵延时10s计时8小时？停泵延时10sY启动2号泵Y故障？NN计时8小时？停泵？NYY总停水循环主程序结束
图2.3 水处理主程序流程图
水循环及过滤部分主程序流程图如图2.3所示。循环水泵的自动过程由两台泵互为备用，8h自动切换和非正常停泵自动启动备用泵（如热继电器动作等）。循环水泵的手
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动过程，只是配合自动过程的辅助手段，手动状态除操作两台泵的起/停以外，还担当过滤缸反冲洗过程的操作。
正常情况下，水流的方向是F1入F4出，其他阀门关闭。反冲洗时，水流从F2入F3出，其他阀门关闭。污物被反向的水流带走而排入污水管道。反冲洗持续时间需根据实际情况现场调整。从反冲洗结束到正常过滤状态中间有一个过渡状态，这段时间水流不应流入泳池，因为此时水流不稳且有残余杂质存在。因此这个过程的阀门状态是F1入F5出，其他阀门关闭。这个过程持续时间很短，通常在 1min 之内，需现场调整，最后，F5关闭，F4打开，反冲洗过程结束。反冲洗过程的触发条件一般有3个：压差反冲洗、定时反冲洗和手动反冲洗。这两个过程基本是物理的过程[4]。2.3.2 水质检测及加投药部分
水质检测都是通过各检测项目的检测仪器送来的模拟量检测信息，输入到模拟量模块进行处理，处理后根据水质标准确定的控制量，分别控制各药剂精确计量加投泵加投水处理药剂。各模拟量输入的处理及控制都基本相同，这里仅以浊度—絮凝剂为例说明模拟量输入及控制的基本方法[5]。浊度—絮凝剂流程图如图2.4所示。
从图2.5所示浊度控制曲线看出，要求浊度控制值在2~4NTU，5NTU为浊度报值，即当大于等于4NTU时开计量泵加投絮凝剂，当小于等于2NTU时关计量泵，大于等于5NTU报警。如果在编程时将控制值转换为程序刻度值，由于浊度仪输出范围是4~20mA。因此需分两步换算，如图2.6第一步，将2和4NTU对应的电流值求出来。第二步，由电流值计算出对应的转换值。即：
x2
4(204)2(204)410.4,x247.2（2.1）
1010
y12.3.3 恒温加热系统控制
10.4276487.22764814377,y299
53（2.2）
2020在环境温度和水温较低时，还需对池水进行加温控制。池水加温在泳池水处理中，也占有重要的地位。它是通过温度仪I、II进行温度检测。检测的结果经模拟量输入模
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块送
浊度—絮凝剂主程序开始子程序7开始调用子程序7初始化预置采样计数器和清0调用子程序8计算平均值子程序7结束N循环水泵开？Y浊度 ≥ 4？N子程序8开始Y启动絮凝剂搅拌器从模拟量输入PIW4中取个值加到采样值中，采样计数器加1，直到最大采样数用移位求采样平均值3S后启动絮凝剂剂量泵N浊度 ≤ 2？子程序8结束Y关泵及搅拌器浊度—絮凝剂主程序结束
图2.4 浊度—絮凝剂流程图
图2.5 浊度刻度控制曲线
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10量程/NTU27648刻度值4204y2y10x1x2I/mA(a)204x1x2I/mA(b)20
图2.6 浊度刻度值换算比例图
到PLC，由PLC处理后一方面送控制屏进行温度显示，另一方面由PLC的PID指令控制。经PID调节后，输出的信号通过模拟量输出模块控制伺服蒸汽调节阀，定量的给汽水管道混合器通以蒸汽，使池水按要求保持恒温。该流程图仅介绍自动部分，如图2.7所示，该部分主要介绍池水（冬天）恒温PID调节，温度值向大厅显示屏传送的有关内容。标准PID控制允许将闭环控制器、脉冲控制器以及步骤控制器集成到用户程序中。带集成控制器设置的参数分配工具允许设置控制器，可在极短时间内优化使用。如果简单PID控制器不足以解决自动化任务，可使用模块化PID控制。可以互连所包含的标准功能块，创建几乎任何一种控制器结构。
恒温及加热系统主程序、子程序及中断部分梯形图恒温及加热系统主程序、子程序梯形图见附录。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的[6,7]。
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恒温 加热主程序开始Y模块有错？N调用温度控制模块？Y调用FB41 启动PID调节水温由PQW288输出N由I1.3启动伺服电动蒸气阀驱动电源恒温 加热主程序结束
图2.7恒温加热系统控制流程图
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第 11 页 PID温度控制
3.1 基本概念
PID控制是比例积分微分控制的简称。PID控制是一种负反馈控制，在反馈控制系统中，自动调节器和被控对象构成一个闭合回路。在连接成闭合回路时，可能出现两种情况：正反馈和负反馈。正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，从而导致控制系统不稳定；负反馈作用则是缓解对象中的不平衡，这样才能正确地达到自动控制的目的。
PID控制具有以下优点 1．原理简单，使用方便。2．适应性强。
3．鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感 3.1.1 比例调节（P调节）
在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即：
uKCe
（3.1）式中KC称为比例增益。
比例调节的显著特点就是有差调节。采用比例调节，则在符合扰动下的调节过程结束后，被调节量不可能与设定值准确相等，他们之间一定有残差。比例调节的残差随着比例带的加大而加大。3.1.2 积分调节（I调节）
在I调节中，调节器的输出信号的变化速度du/dt偏差信号e成正比，即
duS0e
（3.2）dtt0或
uS0ed t
（3.3）式中S0称为积分速度，可视情况取正值或负值。
调节器的输出与偏差信号的积分成正比。积分调节器的特点是无差调节与P调节的
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有差调节形成鲜明对比，只有当被调节量偏差e为零时I调节器的输出才会保持不变。然而与此同时调节器的输出却可以停留在任何数值上。这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有残差，而调节阀则可以停止在新的负荷所要求的开度上。I调节的另一特点是它的稳定作用比P调节差。
采用I调节时口制系统的开环增益与积分速度S0成正比。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。3.1.3 微分调节（D调节）
调节器能够根据被调节量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调节量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性这种调节称为微分调节。此时调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比。
即
uS2de
（3.4）dt单纯按上述规律运作的调节器是不能工作的。这是因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象流入流出量只相差很少以至被调量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节器并不会运作。但是经过相当长的时间以后，被调节量偏差去可以积累到相当大的数字而得不到校正，这种情况是不能容许的。
3.2 PLC中的PID控制实现方法
典型的基于数字PID的闭环控制系统。PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。在连续系统中，典型的PID控制器的输入输出关系如下：
1M(t)Kce(t)TIT0e(t)dt1de(t) M0
（3.5）dtTD式中:M(t)为控制器的输出量，M0为输出的初始值，e(t)为给定值与被控变量的误差信号，Kc为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。
将上式离散化，第n次采样时控制器的输出为：
MnKC(spnpvn)KCTST(spnpvn)KCD(pvn1pvn)
（3.6）
TITS
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标准PID控制允许将闭环控制器、脉冲控制器以及步骤控制器集成到用户程序中。带集成控制器设置的参数分配工具允许设置控制器，可在极短时间内优化使用。如果简单PID控制器不足以解决自动化任务，可使用模块化PID控制。可以互连所包含的标准功能块，创建几乎任何一种控制器结构[8]。
FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，与FB42的差别在于后者是离散型的，用于控制开关量，其他二者的使用方法和许多参数都相同或相似。PID的初始化可以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST置位，当然也可在别的地方初始化它，关键的是要控制COM-RST；PID的调用可以在OB35中完成，一般设置时间为200MS，原理上，PID的调节节奏应该与其采样周期一致，这是数学模型应与物理过程一致的要求。这也就是FB41要在OB35中周期调用且OB35的周期要与FB41采样周期一致的原因。
当然，在OB1或其他FC、FB中调用FB41也是可以的，此时最好将OB1参数区中扫描周期作为FB41的采样周期。FB41参数的设置很灵活，可根据自己的习惯或应用的方便选择。
PVPER_ON ：是PID输入输出参数“PERIPHERAL化”的使能位，即将参数看成0~27648之间的整数。换个说法，就是PID的反馈值直接取自相应AIW通道，而PID输出则直接给出到AQW通道。参数整定由FB41完成。本设计用调节装置的启动标志来触发本位。
CYCLE ：采样周期。根据物理量变化快慢定，一般要求与FB41执行的周期一致，选择200ms。
SP_INT：PID的设定值。注意设定值与反馈值的单位一致。为了避免错误，建议将SP_INT转换为-100.0~100.0%之间无量纲的百分数，输入到FB41时，注意只取百分号之前的数即可，输入设定值38.8即23.5 ℃。
PV_PER：PID过程的反馈值，直接取自反馈量的PIW通道的A/D码。GAIN：比例系数。设定1。TI：积分时间。设定10min。
LMN_PER：PID的调节输出，直接对应调节输出AQW通道。
P_SEL： BOOL：比例选择位：该位ON时，选择P（比例）控制有效；选择有效。I_SEL： BOOL：积分选择位；该位ON时，选择I（积分）控制有效；选择有效。
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D_SEL ： BOOL：微分选择位，该位ON时，选择D（微分）控制有效；一般的控制系统不用。
LMN_HLM：REAL：PID上极限，一般是100%。LMN_LLM：REAL：PID下极限；一般为0%。
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第 15 页 西门子S7-300及硬件设计
4.1 PLC的简介
可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC或PLC。它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在PC技术与产品开发应用方面的发展也很快，除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越快地采用PC控制系统取代传统的继电器控制系统。国产化的小型PC性能也基本达到国外同类产品的技术指标。4.1.1 PLC的特点
1．可靠性高，抗干扰能力强
为了确保PLC在恶劣的工作环境下能可靠的工作。在设计中强化了PLC 的抗干扰能力，使之能抗诸如点噪声，电源波动，振动，电磁干扰等干扰，能在高温高湿以及空气中存在有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作。PLC能承受电网电压的变化，可直接由交流市点供电，直接取自电控箱电源，即使在电源瞬间断电的情况下仍可以正常工作[9]。
电源电压： AC220 ±15% 抗振强度： 10Hz~55Hz 0.5mm 3轴方向各2h 抗冲击强度：10g 3轴方向各3次
抗干扰强度：1000Vp-p、脉宽1us、30~100Hz噪声 工作温度：0℃~55℃ 存放温度：-20℃~+70℃ 湿度：
35%~90%（不结雾）
耐压：
AC1500V 1min（各端子与接地端之间）2．编程简单，易于掌握
PLC在基本控制方面采用“梯形图”语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简练，直观性强，广大电气工程人员容易接受，还可以采用系统流程
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图和语句表方式编程，三种语言可有条件地相互转化，PLC这是PC优于微机的另一个特点。
3．模块化结构
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计有机架和电缆将各模块连接起来。系统的功能模块可根据用户的实际需求自行配置，从而实现最家性能价格比。由于配置灵活，使扩展，维护方便。4．安装简便，调试方便
PLC安装简便，只要把现场的I/O设备与PLC相应的I/O端子相连就能完成了全部的接线任务，缩短了安装时间。5．网络通信
PLC提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信 6．体积小，重量轻，功耗低。4.1.2 PLC的分类
1．按结构型式分类：整体式和模块式。
（1）整体式PLC是将电源，CPU，I/O不见都集中在一个机箱内。（2）模块式PLC是将PLC各部分分成若干个单独的模块。（3）叠装式PLC是将整体式和模块式结合起来。2．按PLC控制规模分类
（1）小型PC I/O点数在256以下，存储器容量2K步。
（2）中型PC I/O点数在256~2048点之间，存储容量是2K~8K步。（3）大型PC I/O点数在2048点以上，存储容量达8K步以上。
4.2 PLC的基本组成
从广义上说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的借口和更直接的适用与控制要求的编程语言。所以PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器，存储器，输入/输出接口，电源等[10]。4.2.1 主机
既PC本机，它就是以CPU（中央处理单元）为核心的一台专用计算机。
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1．CPU CPU在PLC控制系统中的作用类似与人体的神经中枢。是运算与控制中心。用来实现逻辑运算、算术运算，并对全机进行控制。它按照PLC中系统程序所赋予的功能，完成以下任务：
（1）接收并存储从编程器键入的用户程序和数据
（2）用扫描的方法接受现场输入设备的状态或数据，并存入输入状态表或数据积存器中。
（3）诊断电源，PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等。
（4）在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读出用户的程序，经指令解释后，按指令规定的任务产生相应的信号，去启动有关控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换动作，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。（5）根据运算结果，更新有关标志位数据寄存器和输出寄存器的内容，再由输出寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等外部功能。（6）PLC的CPU包括三种：单片机、通用微型处理芯片、双极性位片处理芯片。2．存储器
（1）系统程序存储区
用以固化PLC生产厂家编写的系统工作程度，相当于单片机的监控程序或个人计算机的操作系统。在很大程度上它决定该种PLC的性能和质量用户无法更改或调用。（2）用户程序存储区
包括用户程序存储器（程序区）和数据存储区（数据区）两种。前者用于存放用户程序，后者用于存放用户在执行过程中使用的有关状态量或数值量以生成用户数据区。3．输入、输出单元（I/O单元）
I/O单元又称I/O接口电路，PLC程序执行过程中需调用的各种开关量（状态量）数字量或模拟量等各种外部或设定值，都是通过输入电路进入PC。而程序执行结果又是通过输出电路送到现场实现外部控制功能[11]。（1）输入接口电路
各种PC输入电路结构大都相同，其输入方式有三种： 接口输入12V或24V 交流输入100V~200V或200V~240V
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交直流输入 交直流12V或24V（2）输出接口电路
为适应不同的负载需要，各类PLC有三种输出方式： 继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出（3）电源单元
PLC对供电电源要求不高，可直接采用普通单相交流电。允许电源电压额定值在+10%~-15%范围内波动。4.2.2 编辑器
编辑器用作用户程序编制、编辑、调试和监视，还可以通过键盘去调用和显示PC的一些内部状态和系统参数。它接口与CPU联系，完成人机对话连接。它可分为简易型和智能型两种。前者只能用于联机编程，后者既可联机又可脱机编程。4.2.3 I/O扩展和其他外围设备
1．I/O扩展机用来扩展输入、输出点数
当用户所需的输入、输出点数超过主机输入、输出点数时，就要加I/O扩展机来扩展。
2．其他外围设备
根据系统控制的需要，PLC还可以通过自身的专用通信接口连接一些其他外围设备。[12]
4.3 PLC的基本工作原理和工作方式
PLC是采用周期性循环扫描，集中输入和集中输出的工作方式。这种工作方式的显著特点：可靠性高、抗干扰能力强，但响应滞后、速度慢，也就是说PLC以降低速度求得高可靠性。PLC处于（停止）工作状态，只进行内部处理和通信服务等内容，一旦进入（运行）状态，就采用周期性循环扫描方式执行用户程序。在正常情况下，一个用户程序扫描周期分为三个阶段组成。1．输入采样阶段
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PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。所以一般来说，输入信号的宽度要大于一个少秒周期，否则很可能造成信号的丢失。2．程序执行阶段
根据PLC梯形图程序扫描原则，一般来说，PLC按从左到右，从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应的元件的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件的状态会随着程序而变化。3．输出处理阶段
在所有程序指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，最后经过输出端子驱动外部负载。
4.4 硬件介绍
具体硬件配置如下：西门子S7-300 CPU313一块，SM321、SM322的数字量模块各一台，SM331S、M332模拟量模块各一块；德国普罗明特温度传感器——变送器两支，浊度仪、pH仪、余氯仪各一台；高温电动伺服阀一台；精确计量泵四台；循环水泵两台；控制柜（定制）一台。
CPU313最大数字量I/O点128个，最大模拟量I/O点32个，可连接8块模板。内置20KBRAM最大可扩展512KB FLASHEPROM存储卡，64个计数器128个定时器。具有PID控制器。具有MPI通讯协议和自由方式通讯能力。4.4.1 数字量模块
S7-300有多种型号的数字量I/O模块可供选择 1．SM321数字量输入模块
SM321数值量输入模块主要有4种模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流8点输入、交流16点输入模块。另外，还提供了直流16点输入带过程诊断和
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中断的模块、直流8点输入带源输入模板，交流32点输入模板。2．SM322数字量输出模块
SM322数值量输出模块经过电平转换，信号可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机，灯和电动机启动器等。按负载回路使用电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交支流两用输出模块。按输出开关的种类不同又可分为：晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器触电输出方式。
SM322数字量输出模块有7种型号输出模板可供选择，即16点晶体管输出.、32点晶体管输出、16点晶闸管输出、8点晶闸管输出、8点继电器输出和16点继电器输出模块。选择模块时，因每个模块的端子共地情况不同，应根据模块输出类型和现场输出信号负载回路的供电情况选择。3．SM323数字量I/O模块
此模块有两种类型，一种是8个共地输入端和8个共地端，另一种上一带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种模块特性相同。I/O额定负载电压DC24V，输入电压“1”信号电平为11V~30V，“0”信号电平为-3V~+5V。I/O通过光耦合器与背板总线隔离。输出具有短路保护。4.4.2 模拟量模块
1．SM331模拟量输入模块
SM331模拟量输入模块目前有三种规格型号：既8AI×12位模块、8AI×16位模块和2AI×12位模块。其中具有12位的输入模块除通道数不一样外，其工作原理、性能、参数设置等个方面都完全一样。
SM331输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路恒流源、光电隔离部件、逻辑电路组成。实际应用时可使用STEP7组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道。
SM331的每两个听到构成一个通道输入组，可以按通道输入组任意选择测量方法和测量范围。模块上需要接DC24V的负载电压L+，有反接性保护功能；对于变送器或热电偶的输入具有短路保护功能。2．模拟量输出模块
SM322模拟量输出模块目前有三种规格型号：既4AO×12位模块、2AO×12位模块、4AO×16位模块。其中具有12位的输出模块除通道数不一样外，其工作原理、性能、参
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数、设置等各方面都完全一样。
这里4AO×12位模拟量输出模块为代表介绍SM332。SM332，4×12位模拟量输出模块，上有4个通道，每个通道都可以单独编程为电压输出或电流输出，输出精度为12位，模块对CPU背板和负载电压都有光隔离。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。3．模拟量I/O模块
模拟量输入/输出模块有两种规格：一种是4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为8位：另一种也是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为12位。输入范围为0V~10V或0mA~20mA。
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第 22 页 操作与软件部分
5.1 水循环控制过程
当按下按钮SB0时，系统开始启动，按下SB1水循环自动控制系统启动，首先1号泵得电运转，当1号泵运转时，PLC内部计时器开始计时，当计时8小时后将自动切换到2号泵，当其中某一个泵运转的期间有故障非正常停泵，PLC内部设有监控装置，比如当1号泵非正常停转，PLC回在10秒钟后自动启动2号泵，当2号泵非正常停泵时，其内部指令也会在10秒钟后自动启动1好泵，两台泵互为备用。
总停开关SB2，当想停止运转整个系统时，可以通过此按钮停止所有动作，当按下此键后PLC内部有个切断两台水泵的中间继电器，当其得电时，两台水泵将失去供电而停止运转。
手动加反冲洗部分，当按钮SB3按下后2号泵会开始运转，当下按钮SB5时，可以停止2号泵，当按下按钮SB4后1号泵开始运转，如果想停止运转可按按钮SB6，则1号泵也会停止下来。按下SB8可以进行反冲洗过程，按下SB7结束反冲洗过程。
整个水循环控制过程：水循环主程序开始，启动准备，当无异常发生将进行自动控制，自动控制过程中可以切换到手动部分，由于手动操作直接简单就不在这里阐述了，当自动控制开始后首先启动1号泵，1号泵检测如果没有故障则开始进行计时当计时8小时后1号泵停转，自动切换到2号泵，2号泵也将进行检测如果没有故障也将进行计时，当8小时后自动切回1号泵，如果1号泵发生故障系统将决定是否停泵，如果停泵，经过10秒钟后切换到另一台泵继续工作，如果不需要停泵，系统将跳回启动泵的位置，重新进行检测，当整个水循环过程不需要时可以停止系统，则水循环主程序结束。
根据第二章水循环主程序流程图（2.1），写出控制梯形图程序（自动程序段），见附录。
其中T37为定时器PT为80s，1号泵和2号泵8小时长延时计时器，前8小时计时器由T37和C20组成： 80×360/3600=8h，Q0.2输出到1号泵接触器，M0.2为1号泵自动中继，M2.0为反冲洗中继，M2.2为1号泵手动中继。Q0.3输出到2号泵接触器，M0.3为2号泵自动中继，M2.0为反冲洗中继，M2.3为2号泵手动中继。
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5.2 恒温加热部分控制
当水循环过程开始运转后，可对水温进行调节与控制，当按下按钮SB9后，他通过设置在PLC内部的子程序来完成对温度的监控与显示，当发现水温发生过高或者过低时，可通过按钮SB10，系统将自动进行调节，可设置标准温度，当两个按钮都按下后，系统将很快很稳定的把温度调节在规定范围以内，由于他是不间断监控，所以调节速度会很快，SB10按钮是通过控制PLC内部的一个继电器来控制伺服蒸汽阀的，省略了人为调节过程，也避免了人为造作的超调量过高。其中SB9、SB10必须在水循环系统开始以后才可以进行调节的。
当池水温度过高或者过低时，通过出池口水温的测量，系统将根据设定标准是否报警，此系统的标准温度为23.5度，最低为20度，最高45度，如果超过45度或者低于20度，系统将发出响铃报警。
恒温及加热系统主程序、子程序及中断部分梯形图见附录。
其中I2.3由控制按钮操作，M22.3由按钮操作，开机运行中调用子程序。温度设定值=0.388对应温度值为23.5度，当PIW308≤11520时，其输出转换成温度值为20度，当PIW308≥17920时，其输出转换成温度值为45度，将这些数值编入程序，使伺服控制器定量控制蒸汽流量，使进水管与出水管温差不会过大。
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结 论
本设计通过对水处理工艺流程的研究，做出了水处理系统各环节的PLC控制程序和引入PID温度控制对恒温及加热系统进行调节，而且完成了对各环节控制程序的调试工作。PLC技术的应用使游泳池水处理的全自动可视化控制成为可能，使水处理系统的自动化水平及控制系统的可靠性、智能性和安全性都得到提高，很好地满足了人们对现代化游泳场馆的需要。同时也降低了能耗，减轻了工人的劳动强度，提高了管理效率。本系统采用 S7-300可编程控制器，很好地完成了预定的控制任务，取得了明显的经济效益和社会效益，具有非常好的推广价值和应用前景。
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致 谢
经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里要感谢我的导师李福云老师。李老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是李老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩李老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下自动化专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。最后感谢电信学院和我的母校—辽宁科技大学四年来对我的大力栽培。
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参考文献
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附 录
OB1 游泳池水处理主程序
NETWORK 1 I0.0I0.1I0.4I0.7M0.0M0.0
NETWORK 2 M0.0ENFC100ENOFC101ENENO
NETWORK 3 I1.3M0.2I1.4M0.0M21.4M5.0M5.0M0.3
NETWORK 4 M5.0M5.1Q1.1
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FC100 水循环系统程序 NETWORK 1 M0.1I0.3M1.0I0.4I0.5M0.3M2.0M0.2M0.2M1.6T40I0.6M1.1I0.7I0.1M0.2M2.0M0.3M0.3M1.5T38
NETWORK 2
Q0.2I0.4M0.1T39M0.4M0.4
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NETWORK 3
T38M0.4Q0.2S_ODTSSQM4.0S5T#10STVBIT39RBCD
NETWORK 4
T39T38S_ODTSSQM4.1S5T#1STVBIT39RBCD
NETWORK 5 T38M1.1M1.5M1.5
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NETWORK 6 Q0.3I0.7M0.1T40M0.5M0.5
NETWORK 7 M0.5Q0.2ST40M4.2S_ODTSQS5T#10STVBIT41RBCD
NETWORK 8
T41T40S_ODTSSQM4.3S5T#1STVBIT41RBCD
NET WORK 9 T40M1.0M1.6M1.6
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NETWORK 10
T37M0.1T37S_ODTSSQM4.4S5T#1H20MTVBIT37RBCD
NETWORK 11
C20T37C21S_CDCDQM4.5M0.1SCVC#360C21PVCV_BCDRI0.0
NETWORK 12 T37C20CDC21S_CDQM4.6M0.1SCVC#360C21PVCV_BCDRI0.0
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NETWORK 13 M0.1C20M1.0C21M1.1
NETWORK 14 M0.1I0.1I1.1I0.4M2.2M0.2I0.2I1.2I0.7M2.3M0.3I1.3I1.4I0.4I0.5M2.0M2.0
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NETWORK 15 M0.2Q0.2M2.0M2.2
NETWORK 16 M0.3Q0.3M2.0M2.3FC101水质检测及投药控制系统主程序 NETWORK 1 FC102ENENO
NETWORK 2 M9.0M9.1FC103ENENO
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NETWORK 3 M0.3CMP ≤ IM5.2M0.2MW420IN1
9953IN2CMP ≤ IM5.4MW420IN114377IN2M5.4M5.2M5.5M5.5T44M5.5S_ODTSSQS5T#3STVBIT44RBCDT44M5.6
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NETWORK 4 M5.5Q0.5M8.0
NETWORK 5 M5.6Q0.4M8.1
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FC101 浊度平均值计算初始化
设置采样次数 NETWORK 1 I0.0M0.0PENMOVEENO0INOUTMW400ENMOVEENO256INOUTMW402ENMOVEENO0INOUTMW410ENMOVEENO0INOUTMW414ENMOVEENO0INOUTMW418
FC103 计算浊度采样平均值 NETWORK 1
M0.0ENPIW304INMOVEENOOUTMW412
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NETWORK 2 CMP ≥ IENMW4120IN1IN20INMOVEENOOUTMW410
NETWORK 3 M0.0ENADD_DIENOOUTMD414MD410IN1MD414IN2ADD_DIENENOOUTMW400MW400IN11IN2
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NETWORK 4
CMP ≥ IMW400IN1MW402IN2
I_DIENENOMW402INOUTMD402MOVEENENOMD414INOUTMD418DIV_DIENENOMD408IN1OUTMD418MD402IN2MOVEENENO0INOUTMD414MOVEENENO0INOUTMW400
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OB35 PID温度控制 NETWORK 1 M5.0ENCOM_RESTMAN_ONM0.0M0.0M0.0PVPER_ONP_SELI_SELINT_HOLDI_ITL_OND_SELT#200MS3.880000e+001CYCLESP_INTPV_INPIW306PV_PERMAN1.000000e+000T#10MGAINTITDTM_LAGDEADB_W1.000000e+0020.000000e+000LMN_HLMLMN_LLMPV_FACPV_OFFLMN_FACLMN_OFFI_ITLVALDISVENOLMNLMN_PERQLMN_HLMQLMN_LLMLMN_PLMN_ILMN_DPVERPQW2889.700000e+0013.000000e+000
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第三篇：自动售货机的PLC系统设计
常工院毕业设计论文
自动售货机的PLC系统设计
摘要：本文介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为了几个程序块，然后分别对程序块进行编程。具体说明了可编程序控制在自动售货机忠的作用。程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期稳定运行。
关键字
自动售货机；可编程控制器；梯形图
Abstact: This articke introduced vending machine‟s basic principle as well as the work flow, then take a transaction process as examples, divides into several blocks the transaction process, the carries on the programming separately to the block.Explained the programmable controller‟s in vending machine function specifically.The procedure involved the vending machine work major part process.Enhanced system‟s stability using the PLC control‟s vending machine, the guarantee vending machine has been able the long-term stability movement.Key word vending machine;programmable controller;trapezoidal chart
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目录
·摘要…………………………………………………………………………………1 ·前言…………………………………………………………………………………3 ·第一章 自动售货机的介绍………………………………………………………...4 ·1.1自动售货机功能分析…………………………………………………………..4 ·1.1.1自动售货机的基本功能……………………………………………………...4 ·1.2 PLC的选型原理………………………………………………………………..5 ·1.3 PLC的概论……………………………………………………………………..6 ·1.3.1 PLC的产生…………………………………………………………………...6 ·1.3.2 PLC的定义…………………………………………………………………...6 ·1.3.3 PLC的发展趋势……………………………………………………………...7 ·1.3.4 PLC的特点…………………………………………………………………...8 ·1.3.5 PLC的基本功能……………………………………………………………...9 ·1.4 PLC的基本结构和原理………………………………………………………10 ·1.4.1 PLC的系统结构…………………………………………………………….10 ·1.4.2 PLC各部分的作用………………………………………………………….10 ·1.5 松下电工可编程序控制器产品—FP1-C24介绍……………………………12 ·1.5.1 FP1-C24的组成各部分……………………………………………………..13 ·1.5.2 技术性能……………………………………………………………………14 ·第二章
PLC系统设计………………………………………………………….14 ·2.1 可编程序控制系统设计的基本原则………………………………………...14 ·2.1.1 控制系统设计原则…………………………………………………………14 ·2.1.2 控制系统设计的基本内容…………………………………………………14 ·2.1.3 控制系统设计的一般步骤…………………………………………………15 ·2.1.4 编写梯形图的注意事项……………………………………………………15 ·2.1.5 程序设计的步骤……………………………………………………………15 ·第三章
自动售货机PLC程序设计……………………………………………16 ·3.1 仿真实验中的售货机的分析………………………………………………...16 ·3.2 设计任务的确定……………………………………………………………...18 ·3.3 程序设计部分………………………………………………………………...18 ·3.3.1 程序设计说明………………………………………………………………19 ·3.3.2 PLC 程序设计………………………………………………………………19 ·3.4 仿真界面与PLC……………………………………………………………...28 ·3.5 数据连接……………………………………………………………………...32 ·3.5.1 定义I/O设备……………………………………………………………….32 ·3.5.2 设计…………………………………………………………………………34 ·3.5.3 运行…………………………………………………………………………37 ·4 结束语…………………………………………………………………………38 ·致谢………………………………………………………………………………..39 ·参考文献…………………………………………………………………………..39
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前言
从自动售货机的发展趋势来看，它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新的流通渠道；而相对的超市、百货购物中心等新的流通渠道的产生，人工费用也不断上升；再加上场地的局限性以及购物的便利性等因素的制约，无人自动售货机作为一种必须的机器便应运而生了。
从广义来讲投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械，从狭义来讲就是自动销售商品的机械。从供给的条件看，自动售货机可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本小、面积小，有吸引人们购物的好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。
据说世界上最早的自动售货机出现在公元前3世纪，那是埃及神殿里的投币式圣水出售机。17世纪，英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。在自动售货机历史的长河里，日本开发出实用型的自动售货机，那是在进入本世纪后的事。日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动售货机“，它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。自动售货机的真正普及是在第二次世界大战以后。50年代，”喷水型果汁自动售货机“大手欢迎，果汁杯注入在纸杯里出售。后来，由于美国的饮料大公司进入日本市场，1962年，出现了以自动售货机主体的流通领域的革命。1967年，100日元单位以下的货币全改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。现在，自动售货机产业正走向信息化并进一步实现合理化。例如实行联机方式，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送到各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状态下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节省10—15%的电力。进入21世纪时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。因经济复苏缓慢，社会对扩大就业与工作场所所提供的茶点饮料的福利事业更为关注。自动售货机不仅保障了惬意的工作时间，也是最廉价、提高职工工作效率最有效的手段。特别是在24小时无休工作状态中的办公场所，使用独具魅力的迷你型饮料冲饮机解决了不间断提供咖啡饮料服务的问题，这种服务加速了自动售货机与咖啡饮品服务的融合。1999年的全美自动售货机协会和全美咖啡服务协会的合并使人们更直观地看到了这种融合的现象。
日本是自动售货机的天堂。出了鸡蛋、米饭之外，报纸、杂志、一次性相机、干电池、磁带、刮胡刀、袜子、花及宠物食品等各种商品都通过自动售货机进行销售。连熟知自动售货机的美国游客在日本看到10台自动售货机排成一列的景象后，也是连声称奇。
韩国大约有78万台自动售货机，是除了日本、美国、英国之外自动售货机使用数量最多的国家。从不同的种类来看，咖咖啡茶的自动售货机约占全部售货机的40%以上；另外，还有冰饮料自动售货机、听装饮料自动售货机、成人用品自动售货机、生活用品自动售货机、烟、方便面自动售货机等多种。主要的设置场所包括学校、楼房、公共机关、地铁、公共汽车站、公园、体育场、展示场、工厂等。运营自动售货机产业的公司全国大约有800余个，而销售自动售货机原料、商品流通、机械销售的公司大约达到了1150个。
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第一章 自动售货机的介绍
1.1自动售货机功能分析
这部分阐述了自动售货机的各种动作功能和控制要求，给出了完整的自动售货机操作规章，并介绍了自动售货机运行系统所包括的人工操作步骤。
1.1.1自动售货机的基本功能
在进行上、下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定自动售货机本身所具备的功能及在进行某种操作后具有的状态。
在实际生活照，我们见到的售货机可以销售一些简单的日用品，如饮料、常用药品和小的生活保健用品等。售货机的基本功能就是投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够买某种商品，并做出相应的反应。举一个简单的例子来说明，列如：售货机中有8种商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为2.60元，02号商品为3.50元，其余类推。现投入1个1元银币，当投入的货币超过01商品的价格时，01商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，其他商品同比。当按下选择01商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去01商品的价格同时启动相应的电机，提取01号商品到出货口。此时售货机继续进行等待外部命令。如继续交易，则同上。如果此时不在购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的 出发运算，这是它内部功能。还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的收获、退币功能。自动售货机的工作流程图如图1所示。
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1.2 PLC的选型原则
当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC，另一方面是选择哪个的PLC及外设。
对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或者是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之间既有交流220V的接触器、电磁阀、又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出端数有可能呢大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组公用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流220V的负载负载使用，则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。这样有可能造成输出点浪费，成本增加。所以要尽可能所则相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。
对于第二问题，则有以下几个方面的考虑:(1)功能方面
所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求‘或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。
(2)价格方面
不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因素。
(3)PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。
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1.3 PLC的 概述
1.3.1 PLC的产生
20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系联系起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制机系统。由于它结构简单，容易掌握，价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在空也控制领域中一直占主导地位。但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。
20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更换，它必要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置，为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求。1968年美国通用汽车公司向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：
（1）编程方便，可现场修改程序（2）维修方便，采用插件式结构（3）可靠性高于继电接触器控制系统（4）体积小于继电器控制盘
（5）数据可直接送人管理计算机（6）成本可与继电器控制盘竞争（7）输入可以是交流150V以上
（8）输出为交流115V容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等（9）扩展时原系统改变最小
（10）用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装备过程的需要）
十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。
1.3.2 PLC的定义
美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出以下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或者生产过程。可编程序控制器及其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原理而设计。
定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是去呗与一般微机控制系统的一个重要特征。定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机，它是“专门在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算
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等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。
1.3.3 PLC的发展趋势
PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下方面：
（1）向小型化、专业化、低成本方向发展
随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使PLC结构更为紧凑，相当于一本精装书本的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。（2）向大容量、高速度方向发展
大型PLC多采用微处理器系统，有的采用32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外，存储容量大大增加。
（3）智能型I/O模块的发展
智能型I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。（4）基于PC的编程软件取代编程器 随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于计算机上的编程软件。编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上的模块的型号、模块的参数、各串行通用接口的参数等。（5）PLC编程语言的标准化
与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用。PLC的编程语言和指令系统的功能和表达式也不一致，因此各厂家的可编程序控制器互不兼容。为了解决这一问题，IEC制定了可编程序控制器标准。标准中共有5种编程语言，允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程能够选择不同的语言来适应特殊的工作。
（6）PLC通信的易用化
PLC的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信号，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制。（7）组态软件与PLC的软件化
个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。
（8）PLC与现场总线相结合
现场总线I/O与PLC可以组成功能强大的、廉价的DCS系统。（9）开发新型特殊功能模块
I/O组件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大处理能力。（10）CPU的处理速度进一步加快
目前，PLC的处理速度与计算机相比还比较慢，其中高的CPU也不过80486，将来会全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU进行处理、分时处理或者分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使PLC的处理速度达到纳秒级。
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1.3.4 PLC的特点
（1）抗干扰能力强，可靠性好 PLC在电子线路、机械结构以及软件上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。具体措施主要有以下几个方面：
1）隔热：这是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，是外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。
2）滤波：这是抗干扰的另一个主要措施。在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。
3）对内部电源采用了屏蔽、稳压等保护措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、WATCHDOG（看门狗）等电路，一旦发现故障或程序循环执时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。
5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。
6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或者信息部丢失。
7）采用密封、防尘、防震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。8）以集成电路为基础元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。（2）控制系统结构简单，通用性强 PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。
（3）编程方便，易于使用
PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编程，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可以在短时间内学会。（4）功能完善
PLC的I/O功能完善，性能可靠，能适应于任何形式和性质的开关量和模拟量的I/O。在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及位移寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟预算、显示、监控、扫描以及报表生成等功能。
（5）设计、施工、调试的周期短
用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分方便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且以商品化，故
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仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。（6）体积小，维护操作方便
PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的I/O系统能够直接的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态。（7）易于实现网络化
PLC可连成功能很强的网络系统。（8）可实现三电一体化 PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活的组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。
1.3.5 PLC的主要功能
（1）条件控制功能
条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联及其他各种逻辑连接，进行开关控制。（2）定时/记数控制功能
定时/记数控制功能是指用PLC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。（3）数据处理功能
数据处理功能是指PLC能进行数据传输、比较、位移、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。（4）步进控制功能
步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序的操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。
（5）A/D与D/A转换功能
A/D与D/A转化功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。
（6）运动控制功能
运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或者多轴运动控制。
（7）过程控制功能
过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。（8）拓展功能
拓展功能是指通过连接输入输出拓展单元（即I/O拓展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能。（9）远程I/O功能
远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输出、输入设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。（10）通信联网功能
通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程
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I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。（11）监控功能
监控功能是指PLC能监视系统各部分地进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。
1.4 PLC的基本结构及原理
1.4.1 PLC的系统结构
目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所有其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O拓展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构进行数据和指令的传输。
如同2所示，PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输出量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构由控制部分输入和输出组成。
1.4.2 PLC各部分的作用
（1）中央处理器
CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取出指令和执行指令。他的重要功能如下：
① 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编程中的语法错误。
② 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。③ 按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。④ 将存于寄存器中的处理结果送至输出端。⑤ 应各种外部设备的工作请求。
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（2）存储器
PLC的存储器分为两大部分： 一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。（3）输入输出接口电路 PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。（4）电源
PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。
（5）输入输出I/O拓展接口、若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O拓展单元与主机单元相连接。（6）PLC的基本工作原理
PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序直至遇到结束信号后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描全过程如图3所示。
① 输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。② 程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。③ 输出刷新阶段
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当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实现输出。
显然扫描周期的长短取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地繁盛变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统相应较慢往往要几个扫描周期菜响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较为严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。
1.5 松下电工可编程序控制器产品—FR1-C24介绍
经过从功能和价格两个方面的考虑，发现松下电工可编程序控制器产品—FR1-C24比较适合自动售货机。因为它是一种功能很强的小型机，在设计的过程中采用先进的方法及组件使其通常只有在大型PLC中才具有的功
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能，且具有其他控制器所不具备的功能。虽然是小型机，但是其功能较完善，性能价格比高，较适合自动售货机。
现在就对FR1-C24的组成各部分和技能做一个简单介绍。在松下电工公司生产的FR系列产品中，FR1属于小型的PLC产品，其中C24是具有高级处理功能的型号。从型号可以看出FR1-C24可编程序控制器的输入输出点数（即I/O）之和为24.1.5.1 FR1-C24的组成各部分
（1）RS232 该端口能于PC机通信编程，也可连接其他外围设备。（2）运行监视指示灯
① 当运行程序时，“RUN”指示灯亮； ② 当控制单元终止执行程序时，“PROG”指示灯亮； ③ 当发生自诊断错误时，“ERR”指示灯亮；
④ 当检测到异常的情况时或出现“Watchdog”时，“ALARM”指示灯亮。（3）工作方式选择开关
①“RUN”工作方式
当开关扳到这个档位时，控制单元运行程序。②“REMOTE”工作方式
在这个工作方式下，可以使用编程工具改变可编程序控制器的工作方式为“RUN”或“PROG”工作方式。③“PROG”工作方式
在此方式下可以编辑程序。若在“RUN”工作方式下编辑程序，则按出错对待。可编程控制器鸣响报警，提示编程者将方式选择开关切换至“PROG”工作方式。④输出端子
C24型的输出端子有8点。该端子板为两头带螺钉可拆卸的板。⑤直流电源输出端子
在FP1系统主机内部均配有一个供输入端使用的24V直流电源。⑥输入端子
C24型的输入端子有16点。输入电压范围为直流12~24V。该端子板为两头带螺钉可拆卸的板。⑦编程工具连接插座（RS422口）
可用此插座经专用外设电缆连接编程工具。⑧波特率选择开关
有19 200bp和9 600sbps两档，当可编程控制器与外部设备进行通信时，应根据不同的外设选定波特率。⑨电位器（V0、V1）
电位器（V0、V1）这两个电位器可用螺丝刀进行手动调节，实现外部设定。当调节该点位器时，PLC内部对应的特殊数据寄存器DT9040和DT9041的内容在0~255之间变化，相当于输入外部可调的模拟量。C24有两个（V0、V1）。
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⑩ I/O点状态指示灯和拓展单元接口插座
用来指示输入/输出的通断状态，当某个输入触点闭合时，对应于这份触点编号的输入指示发光二极管点亮（下一排）；当某个输出继电器接通时，对应这个输出继电器编号的输出只是发光二极管点亮（上一排）。拓展单元接口插座用以连接FP1拓展元件及A/D、D/A转换单元、链接单元。
1.5.2 技术性能
FP1—C24的主机I/O点数为16/8；最大I/O点数为104；运行速度为1.6μs/步；容量为2720步；基本指令数为80；高级指令数为111；内部继电器为1008点；特殊内部继电器为64点；定时器/记数器为144点；数据寄存器为1660字；特殊数据寄存器为70字；索引寄存器为2字；主控指令为32点；跳转标记数为64点；步进数为128级；子程序个数为16个；中断个数为9个程序；输入滤波时间为1—128ms。
第二章 PLC系统设计
2.1 序控制系统设计的基本原则
2.1.1 控制系统设计原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足被控对象的控制对象。设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
（2）在满足控制系统要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。
（3）保证控制系统的安全、可靠。
（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。
2.1.2 控制系统设计的基本内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的，因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括：
（1）用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及有输出设备驱动的控制对象（电动机、电
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磁阀等）。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法在其他有关数据中已有介绍。
（2）PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起到重要作用。选择PLC，应包括机型选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。（3）分配I/O点，绘制I/O梯形图。
（4）设计控制程序。包括设计梯形图、语句表（即程序清单）和控制系统流程图。控制系统程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作安全、可靠的关键。因此，控制程序的设计必须经过反复调试、修改，知道满足要求为止。（5）必要时还需要设计控制台。（6）编制程序系统的技术文件。
2.1.3 控制系统设计的一半步骤
（1）根据生产的工艺过程分析控制要求。
（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，以此确定PLC的I/O点数。（3）选择PLC系统。
（4）分配PLC的I/O点，设计I/O接线图。
（5）进行PLC程序设计，同时可进行控制大的设计和现场施工。
2.1.4 编写梯形图的注意事项
（1）输入/输出继电器、内部辅助继电器、定时器。记数器等器件的触点可以多次重复使用，无需复杂的程序结构来减少触点的使用次数。
（2）梯形图每一行都是从左母线开始，线圈终止于右母线。触点不能放在线圈的右边。除步进程序外，任何线圈、定时器、记数器、高级指令等不能直接与左母线相连。如果需要任何时候都被执行的程序段，可以通过特殊内部常闭继电器或者一个没有使用过的内部继电器的常闭触点来连接。（3）在程序中，不允许同以编号的线圈两次输出。（4）不允许出现桥式电路。
程序的编写顺序应该按照自上而下、从左至右的方式编写。为了减少程序的执行步数，程序应为“左大右小，上大下小”。
2.1.5 程序设计的步骤
（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。
（2）设计梯形图。是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。（3）根据梯形图编制程序清单。（4）用编程器将程序输入到PLC的用户存储器中，并检查输入的程序是否正确。（5）对程序进行调试和修改，知道满足要求为止。
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（6）带控制台及现场施工完成后，就可以进行联机调试。若未满足要求，再从新修改程序或检查接线，知道满意为止。（7）编写技术文件。（8）交付使用。
控制系统设计步骤流程图如图4所示。
第三章
自动售货机PLC程序设计
3.1 仿真实验系统中售货机的分析
由于售货机的全部功能时在上位机上模拟的，所以售货机的部分硬件是由计算机软件来模拟
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图4 PLC 控制系统设置
替代的。如钱币识别系统可以用按压某个“仿真对象”输出一个脉冲直接给PLC发布命令而传动系统也是由计算机来直接模拟的，这些并不会影响实际程序的操作，完全能模拟现实中自动饮料售货机的运行。（1）试验状态假设
由于是在计算机上模拟运行，试验中有一些区别于实际情况的假设，本试验中假设：
① 自动饮料售货机只可售8种商品。
② 自动饮料售货机可识别10元、5元、1元、5角、1角硬币。
③ 自动饮料售货机可退币10元、5元、1元、5角、1角硬币。
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④ 自动饮料售货机有液晶显示功能
⑤ 实验中售货机忽略了各种故障以及缺货等因素。（2）一次交易过程分析
为了方便分析，我们以一次交易过程为例。
① 初始状态。由电子标签显示各种商品价格，显示屏显示友好界面，此时不能购买任何商品。
② 投币状态。按下投币按钮，显示投币框，按下所投币值显示屏显示投入、消费、余额数值，当所投币值超过商品价格时，相应价格选择按钮发生变化，提示可以购买。
③ 购买状态。按下可以购买的选择按钮，所选的商品出现在出货框中，同时显示屏上的金额数字根据消费情况相应变化。取走商品后出货框消失。
④ 退币按钮。按下退币按钮，显示退币框，同时显示出应退币值及数量。按下确认钮，则恢复初始状态。
到此为止，饮料自动售货机的一个完整工作过程结束。
3.2 设计任务的确定
在清楚饮料自动售货机运行工作过程的基础上，制定出设计方案，确定任务的目标，以设计出合理的仿真系统。
首先，应该做上位机与下位机的任务分工：上位机主要用来完成仿真界面的制作过程，而下位机则主要用来完成PLC程序的编写。其次，要分别对上位机和下位机进行资料的查找与收集。例如在进行仿真界面的设计时可以去观看一下真正售货机的外观，必要时可以借助一些宣传图片来设计饮料自动售货机的外型：在进行PLC程序的编写时需要先分配PLC的I/O点，确定上、下位机的接口。然后，对上、下位机分别进行设计工作。最后，进行上位机设计结果与下位机设计结果的配合工作，经调试后完成整个系统的设计。
另外，上位机与下位机的设计工作是紧密配合的。它们无论在通信中使用的变量，还是在仿真中控制的对象都应该是一致的。总体上讲，仿真界面是被控对象，利用PLC来控制这个仿真的饮料自动售货机，仿真的饮料自动售货机接受PLC的控制指令并完成相应的动作；另一方面，仿真界面中的仿真饮料自动售货机的运行，都是由组态界面所提供的命令语言来完成的。这是整个仿真系统内部各大部件之间的内在关系。
我主要是对饮料自动售货机中的下位机，也就是主要是对PLC在其中的程序进行设计。仿真程序只做了解，虽然只做了解，但是也将在下面有所介绍。清楚了仿真试验的整体设计思路，下面就可以开始着手设计了。
3.3 程序设计部分
这个部分内容是整个系统设计的主体部分。所要完成的任务是仿真系统的上位机与下位机的程序设计，即在上述功能分析的基础上，有针对地进行设计。
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3.3.1 程序设计说明
下位机程序的编制则是利用松下PLC专用编程软件FPWIN-GR完成的。
在设计的过程中，就像上面所叙述的那样，并非孤立的分别进行上位机和下位机的设计工作，而是互相配合的。因此在以下的详细设计过程中，并没有将上位机的设计与下位机的设计整体分开来写，而是相互交替，同时尽量清晰的叙述，在相应的设计部分中注明是上位机的设计还是下位机的设计。
3.3.2 PLC程序设计
可以把一次交易过程分为几个程序块：运行初期电子标签价格的内部传递；投币过程；价格比较过程；选择商品过程；退币过程。（1）运行初期电子标签价格的内部传递程序的设计
仿真系统运行初期，要由PLC向仿真画面相应对象传递已存储好的价格，还要给投入显示、消费显示以及余额显示存储器清零，同时也要给存储退币币值的存储器清零。程序编制过程中，要用到运行初期闭合继电器R9013、16位数据传送指令F0，同时在上位机上ForceControl中，必须定义相应的变量，来实现与PLC程序的对接。所定义的变量如表1所示。
表1初始状态变量表
根据表1编制PLC程序如图5所示。
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图5 运行初期电子标签价格的内部传递程序
在梯形图程序图5中，系统初始化时，通过运行初期闭合继电器R9031在第一次扫描时将数值传递给上位机。给WR1-WR11及SV0-SV4赋初值，赋值功能通过高级指令F0实现，至于为什么要加入WR13、WR15、WR17、WR19及WR20，在以后的程序中将介绍他们的作用。（2）投币过程
在投币过程中，每投下一枚硬币，投入显示将增加相应的币值，余额也增加同样币制。先建立变量表，在编写程序。变量表如表2所示。对应的梯形图程序如图7所示。
表2 投币过程变量表
在图中，当按下投入1角时，相当于让R200接通，之所以用一个微分指令，就是要只在接通时检测一次，不能永远加下 去。投入1角要投入显示、余额显示
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都相应增加相同数值，加法是由16位加法指令E20来实现的。投入5角、1元、10元，原理同上。（3）价格比较过程
价格的比较要贯穿实验的始终，只要余额大于某种商品价格时，就需要输出一个信号，图7 投币过程梯形图
提示可以购买。这里只要选择灯代表此信号。所建立的变量表如表3所示。
表3 价格比较过程变量表
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根据变量表和控制要求编写程序如图8所示。
在梯形图8中，为了实现数据的实时比较，用了一个特殊内部继电器R9010，在程序执行过程中，R9010始终保持闭合，F60是16位数据比较指令，用它来比较余额和商品价格，R900A是大于价格，R900B是等于标志。当余额大于等于某种商品价格时，程序使相应的指示灯闪烁表示可以购买该种商品。
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图8 价格比较过程梯形图
（4）选择商品过程
当投入的币值可以购买某种商品时，按下相应的“选择”按钮即可在出货框中出现该种商品，同时消费显示栏中显示出已经消费掉的金额，余额也将扣除已消费的币值，接着余额继续与价格相比较，判断是否能继续 购买。出现在出货口的商品在没有取走之前，一直保持显示状态，用鼠标点击该商品代表已经取走，出货口的商品隐藏。建立的变量表如表4所示。对应的梯形图程序如图9所示。
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表4 选择商品过程变量表
在梯形图9中，一是要使商品出现在出货框中，而是要实现内部的货币运算。以第一步为例，按下选择01 商品键，相当于给R205加一个信号（只接受一次脉冲，所以用DF微分指令），当Y0接通（01商品灯亮)时，则系统显示可以购买01商品，购买成功。当按下取01商品按钮时，R230断开，不能输出Y8，代表01商品被取走。内部币值的计算和是否取走商品无关，只要按下选择按钮，并且可以购买此商品就要从余额中扣除相应的金额，显示消费的币值。加法由F20指令实现，减法由F25实现。
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（5）退币过程
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在退币过程中，最主要的是完成退币的运算过程，根据结果输出相应的钱币，退币结束时还要使用到的某些寄存器重新赋零，所建立的变量如表5所示，对应的梯形图程序如图10所示。
表5 退币过程变量表
整个退币过程在按下按钮（即R20F接通时）时执行，同样也用到一个微分指令，在接收到信号时产生一次开关脉冲，进而执行一次其下面的指令。F32是除法指令，第一次将余额的币值除以1000，商存储于SV0中，作为退币10的输出值。余数则存储于特殊数据寄存器DT9015中，下次将不能被1000（10元）整除的余数除以100（5元），商且存储于SV1中，余数继续下传，直至被1角除过，由于所投币值最小是1角，并且商品价格也确定在整角，所以最终能被1角整除。在程序的初始化时曾给WR13、WR15、WR17、WR19和WR20赋零，WR13、WR15、WR17、WR19和WR20是程序的中间量，为的只是程序在使用过程中能稳定执行，避免出现退币错误。
为什么要除以1000呢？这主要是考虑到PLC的主要特点是执行过程稳定可靠，但执行速度较慢，在计算时尽量将数值作为整数计算，因为是在计算机上模拟，可以把一部分功能交由计算机来实现，这里把1角当作
10、把5角当作50、1元当作100、5元当作500、10元当作1000，可以避免把这些数据当作有小数点的实数计算，这同前面的加1角等于10（K10）是相同的道理。至于交由计算机的任务将在以后叙述。
退币过程结束后，PLC要将寄存器中的数值置回原定得初值0，完成一次交易，防止下一次交易时出错，还将中间量WR13、WR15、WR17、WR19和WR20清零。完成了以上5个过程，自动售货机的PLC控制程序基本完成，程序可以控制售货机实现各种要求的功能。
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图10 退币过程梯形图
3.4 仿真界面与PLC的配合定
在这一段中，将仔细分析仿真界面各部分是如何与PLC连接的。分析过程是按照一次交易的实际情况来进行的，即有初始状态、投币状态、购买状态、退币状态到交易结束。（1）初始状态
通过分析得知，当电子标签显示各商品的价格、显示屏显示友好界面时，不能购买任何商品。因此先让变量poiwindows=0（系统默认）。
电子标签中的字符„J.01‟（以01商品为例）对应的变量JG01.PV与PLC程序中的地址WR4相匹配，WR4中的存储器据为250，即让字符显示2.5元。对应的梯形图如
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图11所示。（2）投币状态
当投币时，按下“投币”提示字，出现投币框。如何定义“投币”呢？双击汉字“投币”来到“动画连接”画面，选择“触敏动作”框中作如下定义：按下鼠标时，poiwinJB=1,poiwinJB这个变量是控制投币框的，当poiwinJB=1时，出现钱币和提示框：poiwinJB=0时，钱币和提示框隐藏。
图11 数据初始化梯形图
下面分别定义提示框和钱币以及“确认”按钮，双击提示框，来到“动画连接”画
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面，定义poiwinJB=1时显示，各硬币也用同样的方法定义，这样就使在按下汉字“投币”时，变量poiwinJB=1，从而出现投币框，以及硬币等。我们只是定义了投币框的显示状态，用鼠标点击代替 了实际过程中的钱币投入动作，最重要的任务是钱币运算，下面介绍钱币的定义方法。
以10为例：双击10硬币，开到“动画连接”画面，选择“触敏动作”中的“左键动作”，在动作描述中如下定义：按下鼠标时，poiwinJB=1；TR$100.PV=1时给PLC发出一个接通信号，由于TR$100.PV对应的PLC地址是R204，使得204继电器导通，转而执行相应的加10元程序。同样定义其他钱币，注意其对应的PLC软继电器。最后还要定义“确认按钮”。要实现的功能是按下“确认”按钮时，所有的钱币以及提示框均消失。当投币以后，显示屏要及时反映出投币情况，同时“选择”指示也要相应变化。下面来定义显示屏和“选择”按钮。
显示屏要显示3种数据，分别为：投入显示、消费显示、余额显示。三种显示均用力控软件自带的附件—数码管来显示。现在工具箱中点击“选择子图框”，在子图框中找到仪表中的数码管，放在显示屏中，作为投入显示，再复制两个，分别作为消费显示、余额显示。双击数码管来到数码管属性设置画面，在表达式中作如下定义:poiTR001.PV/100，poiTR001.PV连接的是PLC程序中的WR1软继电器，是用来存储投入显示数据的，除以100同样是为了PLC数据计算的方便。这样就可以用数码管来显示投入中的币值。同样定义消费显示、余额显示。“选择”按钮要根据余额的数值发生闪烁和变色。定义过程如下：双击“选择”按钮，来到“动画连接”画面，在“颜色相关动作”中选择“闪烁”项，分别定义属性和频率，在变量选择中选择相应的指示灯变量。以01商品的选择指示灯为例，在变量选择中选择D01.PV=1,满足条件时指示灯变色。这样就定义好了投币状态的上位机仿真变量，配合PLC程序可以实现投币功能。（3）购买状态
定义了投币状态，就可以购买商品了。当选择指示灯以后，按下它，在出货口处出现我们要买的商品。这样定义“选择”按钮：双击“选择”按钮，来到“动画连接”画面，选择“触敏动作”中的“左键动作”，在动作描述中如下定义：按下鼠标时，XZ01.PV=1；释放鼠标时，XZ01.PV=0.XZ01.PV与PLC程序中的R205相对应，按下可以购买商品的选择键，转而执行相应的PLC程序，同时消费显示增加相应的币值，余额显示减少相应的币值，此时还要在出货口出现相应的商品，这是用“显示/隐藏”功能来定义在出货口中出现相应的商品。以01为例，双击出货口处的小商品，来到“动画连接”，选择“显示/隐藏”项，定义CX01.PV=1时显示。出货口框架的隐藏/显现是用程序来控制的。当有一种商品出现在出货口，就会显示
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框架；当全部商品均消失后框架隐藏。程序如图12所示。图中R210是控制出货口框架是否出现的继电器。（4）退币状态
当按下“退币”按钮时，PLC进行退币运算，所以按下“退币”按钮就要与PLC通信，执行退币计算。下面来定义退币按钮，出现“动画连接”画面，选择“触敏动作”中的“左键动作”，动作描述为：按下鼠标，poiwinJB=0；poiwinTB=1；Tenter.PV=1.释放鼠标，Tenter.PV=0；内部变量poiwinJB=1是让投币框消失，poiwinTB=1是让退币框出现，Tenter.PV与PLC程序中的R20F对应。退币框中要有5种硬币，还要有表示硬币个数的数字。由于计算中采用的算法使得退币时按照币值大小顺序退币，例如退5元，只退一个5元，而不是5个1元。定义表示硬币个数的变量只用一位数即可。在退币时，要退出的硬币及个数显式，而不退的硬币隐藏。
图12 出货口框架的隐藏/显现梯形图
定义钱币时（以10为例），双击10元硬币，出现“动画连接”画面，选择“显示/隐藏”项，在“可见性定义”对话框中作出的表达式为TB$100.PV=0。其他硬币定义方法同上。定义钱币个数：双击10硬币个数字符“a”，出现“动画连接”画面，选择“数值输出”中的“模拟”项，做出表达式为TB$100.PV。同时钱币个数也要定义是否隐藏，定义方法和定义钱币相同。定义“确认”键时，按下“确认”键，代表取走了所有硬币，完成此次交易，因此退币“确认”的定义很重要。双击“确认”键，出现“动画连接”画面，选择“触敏动作”中的“左键动作”，在动作描述栏中定义如下：按下鼠标
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poiwinTB=0； 功能：退币框消失
TuiBiok.PV=1； 功能：给PLC信号，闭合R0，完成数据的初始化
Poiwindows=0 功能：显示屏显示友好界面时
为了防止在未取走商品时退币，按下“确认”键又不能返回原始状态，在描述过程中加入以下一段程序，强行抛掉以购买的商品。CX01.PV=0 CX02.PV=0 CX03.PV=0 CX04.PV=0 CX05.PV=0 CX06.PV=0 CX07.PV=0 CX08.PV=0 释放鼠标时，TuiBiok.PV=0.只是一个微分信号，不能将R0永远置为1。还有一点要注意，“确认”键也要有隐藏的时候定义方法如钱币。
定义退币框架：按下“退币”按钮后就会出现退币框架。可以这样定义：双击退币框架，来到“动画连接”画面，选择“显示/隐藏”项，在“可见性定义”中定义poiwinTB=1时显现即可。
3.5 数据连接
3.5.1 定义I/O设备
数据库是从I/O驱动程序中获取过程数据的，而数据库同时可以与多个I/O驱动程序进行通信，一个I/O驱动程序也可以连接一个或多个设备。下面创建I/O设备。（1）在Draw导航器中双击“实时数据库”项使其展开，在展开项目中选择“PLC”项双击使其展开后，选择项目双击并定义。（2）单击“完成”按钮返回，在“松下电工”项目下增加一项“PLC001”，如果要对I/O设备“PLC001”的配置进行修改，双击项目“PLC001”，会再次出现PLC001的“I/O设备定义”对话框。若要删除I/O设备“PLC001”，用鼠标右键单击项目“PLC001”，在弹出的右键菜单中选择“删除”。
① 数据连接
刚刚创建了一个名为“PLC001”的I/O设备，而且它连接的正是假想的PLC设备。现在的问题是如何将已经创建的多个数据库点与PLC联系起来，以使这些点的PV参数值能与I/O设备PLC进行实时数据交换，这个过程就是建立数据连接的过程。由于数据库可以与多个I/O设备进行数据交换，所以必须指定哪些点与哪些个I/O设备建立数据链接。为方便起见，我们将数据列整理成如表
6、表7所示。
表6 数字I/O
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续表 6
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表7 模拟I/O表
3.5.2 设计
饮料自动售货机控制要求
（1）该自动售货机可以同时投入5角、1元或5元硬币，自动销售汽水、果汁和咖啡。
（2）当投入的硬币总值等于或超过1.5元时，汽水按钮指示灯亮；当投入的硬币总值等于或超过3元时，汽水按钮和果汁按钮同时亮；当投入的硬币总值等于或超过5元，汽水按钮、果汁按钮和咖啡按钮同时亮。
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（3）当汽水按钮灯亮时，按汽水按钮，则汽水排出10s后自动停止，同时汽水按钮指示灯闪烁10s。
（4）当果汁按钮灯亮时，按果汁按钮，则果汁排出10s后自动停止，同时果汁按钮指示灯闪烁10s。
（5）当咖啡按钮灯亮时，按咖啡按钮，则咖啡排出10s后自动停止，同时咖啡按钮指示灯闪烁10s。
（6）若投入的硬币总值超过所购商品的价格（汽水1.5元，果汁3元，咖啡5元），则找钱指示灯亮，同时进行找钱动作。
图13 饮料自动售货机示意图 I/O地址定义表
此控制系统可采用自动工作方式，输入信号为汽水、果汁和咖啡按钮，5角、1元或5元硬币投入识别口记数手动复位按钮；出入信号为汽水、果汁和咖啡排出电磁阀、找钱电磁阀及相应指示灯，共7个输入点，8个输出点，均为开关量。I/O地址定义如表8所示。
表8 饮料自动售货机控制系统I/O地址定义表
常工院毕业设计论文 程序设计
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3.5.3 运行
保存所有组态内容，然后关闭所有力控程序。将饮料自动售货机的PLC程序下传到PLC装置中，在切换到离线状态，然后再次启动力控工程管理器，选择本工程，并单击“进入运行”按钮启动整个运行系统。
常工院毕业设计论文 结束语
经过几个月的学习、研究以及吴老师的指导，终于按时完成了毕业设计。设计主要研究的是自动售货机有关PLC的部分。自动售货机是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。自动售货机可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本少、面积小，有吸引人们购物好奇新的自身性能，可以很好地解决人工费用的上升的问题等各项优点。所以说，自动售货机是今后饮料销售方式的一个很好的发展趋势。它的出现将极大的方便人们购买所需的饮品。
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致谢
经过几个月的努力工作，毕业设计在指导老师吴金的悉心指导下终于顺利完成了，吴老师他待人和蔼可亲，在这几个月里我们相处的非常融洽，吴老师他社会实践经验丰富，工作认真踏实，治学态度严谨，而且他深厚的理论功底及设计能力更令我感到钦佩。设计期间，吴老师对我悉心的指导，认真查阅我的草图和设计说明书，令我十分感动。总之，吴老师的人品及治学态度是我学习的楷模和榜样，在此，我要向指导老师吴金表示感谢。
在此次设计中，也需要感谢的是我的同学。大家在一起共同奋斗，互相讨论，对我的毕业设计有很大帮助，并且，我们在一起共同营造了一个融洽的学习生活环境，建立了良好的友谊。
参考文献 程周·可编程序控制器原理与应用·北京：高等教育出版社，2003年 2王永华·现代电机控制及PLC应用技术·北京：北京航空航天大学出版社，2000年 周美兰、周封、王岳宇·PLC电气控制与组态设计·北京：科学出版社，2003年 吴建强、蒋三勇·可编程控制器原理及应用·哈尔滨工业大学出版社，2000年 吴中俊、黄永红·可编程序控制器原理及应用·北京：机械工业出版社，2003年 张万忠、刘明芹·电器与PLC控制技术·北京：化学工业出版社，2003年 7 王兆义·可编程序控制器教程·北京：机械工业出版社，2001年
第四篇：基于三菱PLC的全自动洗衣机系统的设计
摘要
目前中国洗衣机市场正进入更新换代期，市场潜力巨大，人们对于洗衣机的要求也越来越高，目前的洗衣机主要有强弱洗涤功能、进排水系统故障自动诊断功能、暂停等七大功能，在许多方面还不能达到人们的需求。这就要求设计者们有更高的专业和技术水平，能够提出更多好的建议和新的课题，将人们的需要变成现实，设计出更节能、功能更全面、更人性化的全自动洗衣机。目前的洗衣机都没有实现全方面的兼容，大多洗衣的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能，洗衣机的各项功能是PLC控制实现的，控制功能灵活，因此，设计出基于PLC全自动洗衣机控制电路系统具有很强的实用性。
本设计采用物美价廉的三菱为控制核心,为保证洗衣机及人身安全,设计了蜂鸣报警电路。功率驱动电路由可控硅实施对电动机,进水阀,排水阀的控制。为方便读者更快地了解,熟悉本设计,作为基础知识,还介绍了与全自动洗衣机有关的一些常见的PLC基本功能,使全自动洗衣机能更加智能化,更加完善。关键词：PLC，洗衣机，梯形图
I
目录
摘要..........................................................................I 1 洗衣机的概述...............................................................1
1.1洗衣机的分类...........................................................1
1.1.1 按结构形式划分......................................................................................................................1 1.1.2 按洗涤方式与结构原理划分...............................................................................................1 1.1.3 按自动化程度分为.................................................................................................................1 1.2全自动洗衣机的介绍.....................................................2 2 三菱PLC洗衣机控制系统设计要求.............................................3
2.1控制要求...............................................................3 2.2解决思路...............................................................4 3 软件设计...................................................................4
3.1 洗衣机工作流程图.......................................................4 3.2可编程控制器的基本指令.................................................5 3.3 梯形图设计............................................................11 4 调试与检测................................................................14
4.1 程序传送.............................................................14 4.2 监控／测试...........................................................14 4.3 I/O地址分配与接线图..................................................14 参考文献.....................................................................16 附录 总梯形图................................................................17
II 洗衣机的概述
1.1洗衣机的分类
1.1.1 按结构形式划分
洗衣机按结构形式分为：单桶、双桶、多桶型。1.1.2 按洗涤方式与结构原理划分
按洗涤方式和结构原理分类，可以分为如下几种：
（1）滚筒式洗衣机：衣物半浸没于水中，滚筒作有规律的间歇的正反转动，靠滚筒内凸起把衣物带至高处再跌下，起揉搓作用，然后进行洗涤。其类型有：a、前装式滚筒洗衣机；b、顶装式滚筒洗衣机。
（2）波轮式（涡卷式）洗衣机也称日本式洗衣机：优点：结构简单，体积小，重量轻，操作方便，耗电量少，洗净率高。缺点：漂洗衣物不均匀，损衣率高。
（3）搅拌式或摆动式洗衣机：洗衣机有一根主柱，由电动机带动摆动叶绕定轴作周期往复运动，每次转动角度小于360度，通过旋转的力度来达到洗涤衣物的效果其他形式有：喷流式、喷射式、振动式等，市场上比较少见。1.1.3 按自动化程度分为
按自动化程度分为如下几种：
（1）普通型洗衣机：搅拌动作为电动机带动正转、反转及停靠定时器控制，而进水、排水、脱水等完全手动。
（2）半自动型洗衣机：a 半自动单筒型：洗涤、漂洗、进出水均自动按设定程序与时间进行，没有脱水机。b 半自动双筒型：由洗涤、脱水两部分组成。先自动完成洗涤、漂洗。再由人工把洗净的衣物放入甩干桶中脱水。
（3）全自动型洗衣机：可按选定的工作程序自动完成洗涤、漂洗、脱水、甩干、进水、排水等动作，无看管。其类型有：a 机械全自动型：由电动程控器控制。b 电脑全自动型：由电脑程控器控制。
1.2全自动洗衣机的介绍
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。
它能实现的功能有：首先系统处于初始状态时，按下启动按扭及水位选择开关，开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水。2秒后开始洗涤，洗涤时，正转15秒后暂停，暂停3秒后开始反转洗涤，反转洗涤15秒后暂停，暂停3秒。如此循环3次，总共180秒后开始排水，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水10秒即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。若未完成3次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了3次大循环，则进行洗完报警。报警10秒结束全部过程，自动停机。此外按排水按钮可实现手动排水；按停车按扭可停止进水、排水、脱水及报警。全自动洗衣机的实物示意图如下图1.1所示。
进水口启动按钮停止按钮排水按钮控制器高水位开关内桶外桶低水位开关排水口波盘洗涤电机
图1.1 全自动洗衣机的实物示意图
全自动洗衣机有各种洗涤程序,可供自由选择,工作时间可任意调节(洗涤0～16分钟,脱水0～5分钟)而且工作状态及洗、脱时间在面板都有显示,能自动处理脱水不平衡(具有各种故障和高低电压自动保护功能),工作结束或电源故障会自动断电,无需看管,确保安全。它还具有浸泡,手洗水流功能。它省时省力，操作简单，非常方便的适用于人们的日常生活中，给人们带来了更多的好处。三菱PLC洗衣机控制系统设计要求
本设计采用三菱PLC对洗衣机的工作流程进行控制，使其实现全自动洗衣机的功能。
2.1控制要求
（1）按下启动按钮SB1，进水电磁阀打开，进水指示灯亮（HL1点亮）；
（2）进水到达水位上限（按上限按钮），进水电磁阀关闭（HL1熄灭）。波轮电动机进行搅拌，开始洗涤，按照正转15s→停3s→反转15s→停3s的顺序反复进行30次；（3）洗涤过程结束，排水电磁阀打开（HL2点亮），开始自动排水；
（4）排水到达水位下限（按下下限按钮），排水电磁阀关闭（HL2熄灭）。排水电磁阀关闭2s后，进水电磁阀打开（HL1点亮），开始第二次洗涤，并重复（1）~（4）的步骤；
（5）洗涤过程完成3次（第三次按下限按钮）时，开始甩干（甩干电动机工作）；洗衣机在甩干的同时自动排水;（6）甩干与排水过程中共同进行10s后，同时结束，排水电磁阀关闭（HL2熄灭）。蜂鸣器HA进行蜂鸣报警（0.5s通，0.5s断），提示洗涤过程结束，直到按下停止按钮停止蜂鸣。
2.2解决思路
1.根据全自动洗衣机的控制要求，了解需要通过定时器来完成洗涤过程（正转与反转的交替）及蜂鸣器的报警的控制过程。
2.利用传感器来控制进水与排水的过程
3.利用输出所存和输出解锁存线圈更方便的来实现点动按钮的控制。软件设计
3.1 洗衣机工作流程图
脱水开始设定水位排水按下启动按钮Y水是否排完？N进水Y
水位到设定水位？Y延时10秒停止进水延时2sN
电动机反转洗衣电动机正转洗衣洗衣过程运行3次？Y洗完报警延时15秒结束暂停3秒
洗衣3次N延时15秒暂停3秒 Y图3.1洗衣机工作流程图
3.2可编程控制器的基本指令
（1）自锁电路
图3.2自锁电路梯形图
1、编程：用编程器或编程软件输入程序，并检验。
2、将X0钮子开关合上，Y0指示应亮。
3、将X0开关断开，Y0指示灯扔保持亮。
4、将X1开关接通，Y0指示灯灭。
图3.3自锁电路时序图
（2）S/R置位复位指令
图3.4 S/R置位复位指令应用梯形图
1、编程：用编程器或编程软件输入程序、并检验。
2、合上X1号开关，观察Y0指示灯。
3、断开X1号开关，观察Y0指示灯。
4、合上X2号开关，观察Y0指示灯。
5、断开X2号开关，观察Y0指示灯。
图3.5 S/R置位复位指令应用时序图
（3）PLS脉冲指令
图3.6 PLS脉冲指令应用梯形图
1、编程：用编程器或编程软件输入程序，并检查。
2、运用程序。
3、合上X0开关，观察Y0指示灯。
4、断开X0开关，观察Y0指示灯。
5、合上X1开关，观察Y0指示灯。
6、断开X1开关，观察Y0指示灯。
图3.7 PLS脉冲指令应用时序图
（4）定时器指令与应用
图3.8定时器指令应用梯形图1、2、编程：用编程器或编程软件输入程序，并检验。合上X0开关，观察Y0、Y1输出的变化。
图3.9 定时器指令应用时序图
（5）振荡器
图3.10 振荡器梯形图1、2、3、输入程序并检验，然后运行程序。观察Y0的变化。
闭合X0开关，观察Y0的变化，并监控T0、T1的工作情况。
图3.11振荡器时序图
（6）计数器指令与应用
图3.12 计数器指令应用梯形图1、2、3、4、编程输入程序并检验，然后运行程序。当X0开关断/通一次，计数器现行值加1。当X0开关断/通5次时，计数器现行值加1。当X1开关接通/断开时，C0复位，Y0灯灭。
图3.13 计数器指令应用时序图
（7）步进指令
图3.14步进指令梯形图1、2、3、编程：输入程序，并检验。
运行程序，监控S0、S1顺序接通X0-X3开关，观察Y0、Y1的发光指示。X3为关闭步进转换指令。
3.3 梯形图设计
SWOPC－FXGP／WIN－C为一个应用于FX系列可编程控制器的编程软件，可以在Windows98/ME/2000/XP操作系统下进行梯形图的编辑和指令表程序的编辑。微机与PLC的连接，可以用三菱公司的SC－08型电缆线串接SC－09型电缆线，SC－08的9针插头接微
机的RS232串行口，SC－09的圆形插头接PLC的通讯口。
运行SWOPC－FXGP／WIN－C软件。当选用语句表编程方式时，用鼠标点击语句表编辑区，其标题栏变为蓝色，成为当前工作区。用键盘输入语句表程序，覆盖工作区的“NOP”语句，回车后自动换行，当使用语句表编程时，梯形图编辑区立即将程序自动转换成梯形图，因此可以同时生成二个文件。当选用梯形图编程方式时，用鼠标点击梯形图编辑区，其标题栏变为蓝色，成为当前工作区。点击菜单栏[视图]－[功能]，将显示梯形图的绘图工具。编辑梯形图时，首先确定光标位置，在绘图工具栏内点击欲用的元件，此时出现一个对话框，输入元件号后，元件图形出现在原光标位置。按照这种方法，逐一将元件加到梯形图上。当梯形图完成后，点击工具栏的转换按钮，可以将梯形图转换成语句表程序。梯形图的单元设计如下:（1）按下启动按钮SB1时，S0初始化。按下停止按钮SB2，采用区间复位ZRST指令使洗衣机停止工作。启动和停止的梯形图如图3.15所示。
图3.15启动和停止梯形图
（2）按下启动按钮SB1，状态元件S20驱动进水电磁阀YA1输出线圈Y000，洗衣机进水，按下SB3可以实现手动排水，水到达高水位时SQ1闭合，状态元件S21驱动定时器T0延时2S，状态元件S22驱动接触器KM3闭合，驱动输出线圈Y002电动机M正转，开始洗涤。延时15S，再暂停3S后，状态元件S24驱动接触器KM4闭合，驱动输出线圈Y003电动机M反转。同样洗涤15S，在暂停3S。通过计数器C0和定时器T4的控制，如此洗涤3次。洗衣机的洗涤梯形图如图3.16所示。
图3.16洗衣机洗涤梯形图
（3）洗涤3次后，状态元件S26驱动接触器KM3闭合，驱动输出线圈Y002电动机M正转，开始脱水。低水位开关SQ2，脱水离合器YA3驱动输出线圈Y004，通过计数器C1计数3次，洗涤完成，状态元件S27驱动线圈Y005报警10S结束整个洗衣机的洗涤。脱水和报警结束梯形图如图3.17所示。
图3.17脱水和报警结束梯形图 调试与检测
4.1 程序传送
计算机RS232 C端口及PLC之间，必须用指定的电缆线及转换器连接。
读入――将PLC中的程序传送到计算机。操作方法是：执行[PLC]－[传送]－[读入]菜单命令。
写出――在PLC设置为STOP时，将计算机的程序发送到PLC中，操作方法是：执行[PLC]－[传送]－[写出]菜单命令，此时出现写出对话框，回答对话框并按确认按钮后完成。
校验――将计算机及PLC中的程序加以比较校验，操作方法是：执行[PLC]－[传送]－[校验]菜单命令。
4.2 监控／测试
PLC在运行时，可以利用“监控／测试”功能，监控元件，触点或线圈的工作情况。亦可以修改定时器与计数器的设定值。
当点击梯形图编辑区，可以完成如下监控：
首先执行[监控／测试]－[开始监控]菜单命令，监控／测试菜单出现如下几种监控命令。
元件监控（光标）――执行[监控／测试]－[元件监控]（光标）命令后，将光标选定的元件登录在元件监控窗口，可以进行监控。
改变设置值――执行[监控／测试]－[改变设置值]菜单命令后，出现改变当前值对话框。可以对定时器和计数器的设定值进行修改。
4.3 I/O地址分配与接线图
根据洗衣机操作的工艺过程及对控制系统的要求，首先归纳本系统中所有输入信号和输出信号；然后根据PLC的输入点和输出点进行I/O地址分配，使每个输入信号对应PLC内部的输入继电器，每个输出信号对应PLC内部的输出继电器。PLC洗衣机控制的I/O地址分配如表4.1所示。
表4.1 I/O分配表
牢记此分配表，将模块上的I/O口按照下图接线图连接好，检查无误后，将软件程序下载到模块中去，开启电源，手动操作按照设计要求演示好洗衣机的各个功能，修改程序直到将其能完善处理设计要求的各个功能。
图4.1模块接线图
参考文献
[1]张立科、PLC应用开发技术与工程实践、北京：人民邮电出版社、2005.1 [2]李国厚.PLC原理及应用设计.化学工业出版社,2005 [3]潘海燕.波轮式全自动洗衣机的单片控制[J].电子世界，2003（3）[4] 吴存宏.浅谈PLC在全自动洗衣机中运用[J].设计与开发,1999 [5] 王玉梅.全自动洗衣机的模糊控制系统[J].潍坊学院学报,2000 [6] 余剑生.基于模糊控制的智能洗衣机的程序控制系统[J].广东技术师范学院学报,2005 [7] 周德林.电脑的程序控制系统.家用电器,2005 [8] 荣俊昌.全自动洗衣机原理与维修.高等教育出版社,1998 [9]钱如竹.快修家用洗衣机.北京 ：人民邮电出版社,2003
附录 总梯形图
第五篇：浅析火电厂输煤PLC系统的设计
浅析火电厂输煤PLC系统的设计
摘要随着输煤系统自动化水平的不断提高，PLC系统在电厂输煤程控中得到越来越广泛的应用。本文对火电厂输煤PLC系统的设计进行了简要分析。
关键词输煤系统PLC 联锁运行模式 施耐德
一、前言
在现代集散控制系统中，PLC已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。在笔者开发的乌鲁木齐石化电厂三期输煤自控系统中，系统要求在远离输煤廊的主厂房控制室里，对两条输煤线的设备进行控制，并实时监测设备的运行状态。
鉴于电厂输煤系统的重要性，我们采用PLC实现输煤设备的联锁控制以保证其可靠性和特殊性，工业控制计算机则作为上位机与PLC互相配合，共同完成输煤系统的监控功能。本文将主要介绍PLC的控制应用。
二、PLC控制系统设计
1.PLC选型。根据输煤系统的自控要求，我们选用了法国施耐德公司的Quantum系列PLC，其具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。基本CPU单元选用的是CPU型号：67160，其性能如下：（1）采用Pentium II 266M芯片；（2）多种参数显示、诊断和设置：系统诊断、停机诊断、参数设置；（3）集成多种通讯端口：Modbus、USB、Modbus Plus、Ethernet（或光纤HSBY）；（4）可扩展内存：最大可达17M。
2.网络拓扑图。在本方案中，考虑到输煤系统的重要性，4个远程站通讯方式为冗余通讯，从而保证了不会因为通讯问题影响整个系统的稳定运行。
同时，为了保证在突然断电而不影响PLC系统的，在控制内为PLC系统配置了UPS电源，保证30分钟内PLC系统不断电，当电源恢复时系统自动运行。
三、运行模式
根据输煤过程的要求，本系统设计了两种运行模式。在一般情况下，采用并行模式，可根据需要单独选用或同时运行输煤甲线和输煤乙线。交叉模式是由输煤甲线和输煤乙线的有关设备组成的，主要由电动三通实现两条线之间的切换，可以根据现场实际情况调整运行线路。
四、设备的控制
1.皮带机的控制。无论是手动还是自动启动皮带机前，都要先响警铃20秒，通知在皮带周围的人员尽快远离，以免发生事故。皮带机是输煤系统的主要运输设备，因此对它的保护和要求也就相应的多了一些。在皮带机两侧设事故拉线开关，巡检人员发现皮带及其附近设备有异常情况时，可直接拉事故拉线，使皮带停止。
皮带重跑偏、纵向撕裂、打滑、管道堵煤等信号都直接进入了PLC，一旦其中某一个事故出现时，都要使皮带机立即停止。但是为了避免由于这些事故的假信号影响正常上煤，还设置了一些屏蔽这些信号的键，当操作人员能够确认某个信号为误动作时，就可以使用屏蔽键令这个信号不起作用，等信号处理好后，要马上恢复此信号的功能，以免造成更大的损失。2.电动三通挡板的控制。为了使上煤系统更加灵活，设置了4个电动三通挡板，并且要求其参与系统联锁，且能就地、程控操作。在自动工作状态下，当按下预启动键时，三通挡板根据选定的在其前后两条皮带的位置，自动完成通甲路或通乙路的动作（例如现在选中的是1#甲皮带和2#乙皮带，按下预启动键后，1#三通挡板就自动打在了通乙路的位置上），为下一步的程启做好准备。
但是由于种种原因，甲、乙路到位信号有可能在使用过一段时间后失灵，因此就又增加了甲路通到位和乙路通到位的假信号，在到位信号失灵后替代实际信号工作。
为了避免由于误操作而引起上煤中断，在已经运行的流程中对所有三通挡板操作无效（闭锁操作）。
3.除尘器。系统设置了15个除尘器，自动时，在预启动时启动，但在启动皮带时不判断除尘器是否运行。联锁手动时与所在带式输送机联动，在启动皮带前先输出启动除尘器信号，但不论除尘器启动与否，都继续向下启动皮带机。除尘器自身故障不连跳主设备。
4.除铁器。系统共有2个盘式除铁器和4个带式除铁器，自动时，在预启动时启动，但在启动皮带时不判断除尘器是否运行。联锁手动时与所在带式输送机联动，在启动皮带前先输出启动除铁器信号，但不论除铁器启动与否，都继续向下启动皮带机。除铁器自身故障不连跳主设备。
5.皮带秤。皮带秤输出的脉冲累加点用于计算累计上煤量。
6.震动给煤机。震动给煤机由变频器拖动，操作员根据需要，通过上位机设置频率达到合适输煤量。
7.斗轮机。斗轮机的控制是由斗轮机自带控制系统进行控制，输煤PLC系统只向其提供“允许堆煤”和“允许取煤”的信号，当斗轮机操作员收到信号后就可以对斗轮机进行相应的操作。为了防止系统误运行，对斗轮机运行信号和配煤流程程序进行了互锁。
8.滚轴筛。滚轴筛位于10#皮带和9#皮带之间，其作用是把煤炭进行筛分，筛下物直接落到9#皮带运往原煤仓，筛上物通过11#皮带和碎煤机进行破碎后送入原煤仓。当滚轴筛出现故障时，煤炭直接从9#皮带落在10#皮带上运往原煤仓，可保证原料的供应不会因为滚轴筛的故障而停止。
9.犁式卸煤器。犁式卸煤器共有八个，分布在四个煤仓上的甲乙两条皮带上面，其功能是把11#皮带上的煤炭卸到原煤仓中。
五、配煤方式
分为自动配煤、手动配煤和就地配煤3种方式。
在自动配煤方式下，当输煤系统发出“启动”操作后，配煤皮带（11号甲、乙）即先运行。当配煤皮带出现运行信号后，首先按照煤仓的顺序进行检测，从第一仓开始进行顺序配煤，将所有煤仓配至高煤位。此时如果某些仓不使用，则需要把这些仓置于停用状态，这样在轮到这个仓配煤的时候，就会把它跳过去，继续为下一个仓配煤。当所有仓都处于高煤位时，配煤就完成了。
手动配煤是由操作人员根据现场的煤位，在上位机上手动操作设备的运行/停止，完成原煤仓的配煤工作。
就地配煤是在现场由操作人员根据实际情况，操作小车的运行/停止，完成原煤仓的配煤工作。
六、结束语
这套系统目前已经运行了一年半时间，根据实际的运行情况证明：整个系统安全可靠，稳定性高，控制灵活性强。随着计算机和PLC技术的提高，输煤系统的自动化水平也在不断提高，目前已经做到了把相对分散的各个设备统一集中到一起控制的情况，几乎涵盖了全部的设备，这其中大部分设备可以自动顺序启/停，个别设备只能够上位机手动操作，表明了目前自动化水平的提高。相信随着我国电力工业的发展和计算机、PLC硬件及软件水平的不断提高，程序控制作为输煤系统的主要控制方式，在火力发电厂将得到更加广泛的应用。
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