河南理工大学毕业设计（论文）说明书
3硬件设计
3.1硬件电路设计
硬件设计的整体思路就是通过PLC输出的数字信号控制继电器组，达到控制电路的目的。
控制电路的组成主要包括：可编程控制器、继电器组和连接电路（变频器）。其中，继电器为主要执行模块，PLC所发出的数字指令控制继电器线圈，而继电器的开合直接控制电源电路，实现对电动机的控制。另外，变频器在电路中控制洗涤时的电机转速，不作为必要装置。
在此控制系统中，PLC是控制核心，外部多种输入信号如启动按钮、高中低水位检测等信号采样进来，经过PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，提供多种输出信号来控制进水阀、出水阀动作，和控制电机驱动装置进而控制正反转和脱水运行。
PLC用定时器记录正反转时间，脱水时间和报警时间，用计数器记录正反转次数和脱水次数，可以很容易地通过更改PLC定时器和计数器的参数，来满足不同的洗涤条件和要求。
根据以上要求，基于PLC的全自动洗衣机控制系统框图如图3-1所示。
启动按钮电磁进水阀停止按钮电磁排水阀手动排水开关手动脱水开关PLC洗涤电动机水位选择开关脱水桶
图3-1 全自动洗衣机控制系统框图
PLC在系统中处于中心位置，启动、停止信号和水位开关是PLC的输入信号，进水阀，排水阀，电动机和脱水桶是洗衣机各种动作的执行机构。其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态，电动机的工作状态也由控制中心PLC给定信号来决定，而电动机的正反转状态直接决定洗衣机的洗涤状态和脱水状态。
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系统的硬件电路图如图3-2所示。
图3-2 硬件电路图
3.2可编程控制器
⑴ 可编程控制器的基本概念
国际电工委员会对PLC作了如下定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
⑵ 可编程控制器的基本结构
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本与微型计算机相同，PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源部分、通信端口、编程器和特殊功能单元组成。
典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图3-3所示。 ① 中央处理器（CPU）
中央处理器(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它通过系统总线与用户存储器、输入/输出(I/O)、通信端口等单元相连。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能
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接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以
输入接口 输 入 设 备输入单元 总线电源输出单元输出接口输出设备CPU 编程器 写入器 打印机 人机界面上位计算机 PLC通信端口CPU扩展接口扩展单元 图3-3 PLC控制系统的硬件组成框图
扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
② 存储器
根据存储器存储内容的不同，存储器可以分为系统程序存储器、用户存储器和数据存储器。
③ 输入/输出（I/O）单元
输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接受现场设备箱PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备。
④ 电源部分
PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源。内部使用的电源是整体的供给中心，大部
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分PLC采用开关式稳压电源供电。
⑤ 通信端口
PLC的CPU模块上至少有一个通信端口。通过这个通信端口，PLC可以直接和编程器或上位机相连。
⑥ 编程器
编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监控用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序。一般用于小型机或用于现场调试和维护。
使用编程软件可以在计算机上直接生成梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后通过PC/PPI电缆可以下载到PLC中去，也可以将PLC当中的程序上传到计算机当中来。
⑦ 特殊功能单元
PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务，如定时、计数等。 （3）可编程控制器的基本特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点：
① 编程方法简单易学、功能强大、性价比高、硬件配套齐全，系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；
② 也能进行连续过程的PID回路控制；
③ 并能与上位机构成复杂的控制系统用户使用方便、适应性强、可靠性强、抗干扰能力强；
④ 系统的设计、安装、调试工作量少、维护工作量小、维护方便、体积小、能耗低等特点。
（4）PLC的工作原理
PLC的工作原理可以简单的表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。但是，在时间上，PLC执行的任务是按串行方式进行的，其具体的运行方式与继电器--接触器控制系统及计算机控制系统都有着一定的差异与不同。
PLC的基本工作原理：PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。 ① 每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新；
② 输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入；
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③ 一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新； ④ 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的；
⑤ 扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的；
⑥ 由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
（5）S7-200系列PLC
西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型PLC，可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。
S7-200的可靠性非常高，可以用语句表、梯形图和功能块图编程。它的指令丰富，简单易学，内置有高速计数器、高速脉冲输出和PID控制器等特殊功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间。
S7-200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从RS-485通信/编程接口通讯到自由口模式通讯，从PPI协议通讯到MPI协议通讯，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过Profibus-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。在网络需求已日益成为必要的今天，强大的通讯无疑会使S7-200为更多用户服务。
本设计采用PLC S7-200为控制核心，实现自动控制和手动控制，硬件接线简单，软件开发周期短，具有工作可靠性高，操作方便，体积小、功耗低等特点，达到良好的经济效果。
3.3 继电器
（1） 继电器简介
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电
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