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南京铁道职业技术学院毕业论文设计 南京铁道职业技术学院 毕业设计 题目：基于 PLC 的全自动洗衣机控制系统设计 作者：杭猛学号：441108106 系：自动控制系 专业：电气自动化技术 班级：08 电气自动化 301 班 指导者：曹翊工程师 (姓 名)(专业技术职务) 评阅者： (姓 名)(专业技术职务) 2011 年6 月 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 2 目录 摘要. 3 第一章 绪论5 11 课题研究的意义5 12 本课题的主要研究工作5 13 本章小结5 第二章 全自动洗衣机的原理6 2.1 全自动洗衣机的系统与结构. .6 2.2 本章小结 11 第三章 PLC 的基本知识 12 3.1 PLC 的定义.12 3.2 PLC 的特点 12 3.3 PLC 的构成 13 3.4 三菱 FX2N 硬件知识 .14 3.5 本章小结18 第四章 PLC 全自动洗衣机的系统设计19 4.1 实物示意图及动作流程 19 4.2 PLC 全自动洗衣机的设计方案 20 4.3 全自动洗衣机控制系统的控制要求 .23 4.4 全自动洗衣机控制系统的 PLC 选型和资源配置 24 4.5 全自动洗衣机控制系统程序设计和调试 .26 4.6 全自动洗衣机控制系统 PLC 程序 28 4.7 本章小结 33 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 3 第五章GX 与 GT 软件简介与结合仿真34 5.1 GT 软件介绍 34 5.2 仿真结果34 总结与展望 38 致谢 39 参考文献 40 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 4 摘摘 要要 中文摘要： 该毕业设计介绍了可编程序控制器（PLC）和 PLC 控制系统的基本知识， 包括 PLC 的定义、特点、分类、技术指标、基本结构、工作原理、硬件知识及 PLC 控制系统等相关知识。采用三菱公司的 FX2N 系列的 PLC，设计了一个简 单的全自动洗衣机控制系统。在现代的社会，全自动洗衣机进入各个家庭，本文 介绍了 PLC 用于全自动洗衣机的控制系统，其可改进现有技术的不足，简化结 构，有利于降低成本和提高可靠性。全自动洗衣机控制器来实现洗涤过程，省时 省力。 关键词 PLC 控制 全自动洗衣机 可编程控制器 简化结构 降低成本 Abstract The graduation design introduces the programmable logic controller( PLC) and PLC to control the basic knowledge of the system，include PLC definition ， characteristics，arrange ， the technique target，basic structure，the work principle， the hardware knowledge and control of PLC the system related knowledge. The design adopt the PLC of the series of FX2N of the San Ling company， design an in brief control system of full-automatic washing machine . The full-automatic washing machine passes the programmable logic controller to carry out the wash process， save time labor-saving. In the modern time，the Full-automatic washer is entering every family. The article introduces a new decelerating clutch， which is used in fully-auto washing machine， it can improve the current technology，simplify structure， it is also helpful to reduce cost and increases reliability. Keywords:PLCcontrolFully-autoWashingMachineProgrammable Controller Simplify Structure Decline Low Cost 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 5 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究的意义课题研究的意义 目前自动洗衣机已成为每个家庭所必需的电器， 随着它的畅销出现了各种各 样的全自动洗衣机，该设计实现了洗衣机由进水，洗涤，排水，脱水，报警到自 动停机的循环过程设计了相应的系统软件。 以往以单片机为中心控制系统工作的全自动洗衣机中， 存在着一些本身不能 克服的缺点。 首先，由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序也相对复杂； 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，这样不但增加了硬件的复杂性，而且隐 含较高的故障率，还无形地增加了维修成本费用，如果在全自动洗衣机的控制系 统中采用 PLC 来控制将能克服单片机的这些缺点。 因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功 能。所以，在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维 修方便，更可以提高控制系统的设计的灵活性及控制系统的可靠性。 在工业系统控制中广泛应用的 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连网功能，因此在运用中，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很简单，因此在该设 计中采用了 PLC 来实现全自动洗衣机的工作过程。 该系统由可编控制器，变频器和触摸屏等控制元件的组成，可编控制器完成 整个系统逻辑控制，各运行相关参数传送与读写，设备运行状态显示功能。全自 动洗衣机利用可编程控制器， 变频器与人机界面等自动化产品的有机结合来实现 对工业洗涤设备的自动控制，其主要控制思路是对洗涤设备的进水/出水，洗涤 模式，洗涤时间，脱水频率的设定，可编控制器通讯功能的运用，变频器简易 PLC 功能的运用进行有机的组合与设计。 该设计为全自动洗衣机的 PLC 控制，主要介绍了全自动洗衣机的工作原理， 控制系统的 PLC 的选型和资源的配置， 控制系统程序设计与调试， 控制系统 PLC 程序。 12 本课题主要的研究工作本课题主要的研究工作 1、根据洗衣机的工作要求设计出 PLC 洗衣机控制系统； 2、根据洗衣机控制系统的梯形图编写指令程序，然后将其输入 PLC 中； 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 6 3、检查调试运行洗衣机的控制指令程序。 13 本章小结本章小结 本章节是绪论部分，简单介绍了课题的研究意义，以及接下来要做的研究工 作，明确了课题的研究方向。 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 7 第二章第二章全自动洗衣机的原理全自动洗衣机的原理 2.1 全自动洗衣机的系统与结构全自动洗衣机的系统与结构: 2.1.1 全自动洗衣机控制原理与结构分析 全自动洗衣机综合运用了大量力学、电学、光学等知识洗衣机的洗涤过程主 要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢 拉入水中来实现洗净的目的。 首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿 桶壁上升。在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附 近。这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。衣物在涡流的作用下， 作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。又由于波轮中心是 低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同人工揉搓衣物， 污垢被迫脱离衣物。 其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之 间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水 流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。 再次由于洗衣涌形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向 都发生了改变，形成湍流。在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤 维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣 物的洗净的均匀性。 全自动洗衣机是通过水位开关与电磁水阀配合来控制进水、 排水以及电机的 通断：从而实现自动控制的。电磁进水阀起着通、断水源的作用。当电磁线圈断 电时，移动铁芯在重力和弹簧力的作用下，紧紧顶在橡胶膜片上，并将膜片的中 心小孔堵塞，这样阀门关闭，水流不通。当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作 用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小 孔流入洗衣桶内。由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片 上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。 水位开关实际上是一个压力开关。气室的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。 当水注入洗衣桶后，贮气室口很快被封闭，随水位上升，贮气室的水位也上升， 被封闭的空气压强亦增大，水位开关中的波纹膜片受压而胀起，推动顶杆运动而 使触点改变，从而实现自动通断。智能型模糊控制的全自动洗衣机还可以自动判 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 8 断水温、水位、衣质衣量、衣物的脏污情况，决定投放适量的洗涤剂和最佳的洗 涤程序。 其方法是：在洗衣桶内注入一定量水后使电机低速运转，平稳后快速断电， 洗衣桶在惯性作用下带动电机继续转动。此时，电机绕组产生反电动势，对其半 波整流并放大整形后获得一矩形脉冲系列。通过分析脉冲个数和脉冲宽度。就能 得到衣质衣量情况。衣物的脏污程度是通过水的透明度来判断的。在洗衣桶的排 水口处加一红外光电传感器，使红外光通过水而进入另一侧的接收管。若水的透 明度低，接收管获得的光能小，说明衣物较脏。脱水时采用压电传感器。当脱水 桶高度旋转时， 从脱水桶喷射出来的水作用于压电传感器上， 根据这个压力变化， 自动停止脱水运转。 2.1.2 全自动洗衣机控制面板及控制系统 全自动洗衣机控制面板由工作指示区、编程选择键、增键、减键、和启动键 组成。 全自动洗衣机一般采用轻触式开关， 在按下开关后， 字符旁边的指示灯会亮。 当指示灯亮起表示程序选中，指示灯闪烁表示正在执行此程序，指示灯熄灭表示 程序未选择或执行完毕。 全自动洗衣机电气控制系统包括微处理器、排水电磁铁、电容器、门开关、 按键开关、指示灯、中间继电器，水位压力开关、蜂鸣器及进水电磁阀等部件组 成。通过微处理器，能自动完成进水，洗涤（漂洗）、排水、脱水、报警等全部 程序，只需设计软件就可以来达到预想控制的目的。 2.1.3 洗涤与脱水系统 全自动洗衣机主要是通过波轮对衣物的翻滚达到洗涤目的。 波轮安装在洗涤 桶的正中，托盘连接着盛水桶。套桶式全自动洗衣机的脱水桶（甩干篮）既要保 证能离心脱水，又要能容纳洗涤的衣物，全自动洗衣机的洗涤桶其上部略大，下 部略小，呈圆锥形。为了保证洗涤效果，洗涤桶的内壁上必需设计成凸形来增大 摩擦力，达到满意的洗涤效果，当衣物与洗涤桶接触时，桶壁就产生像搓板那样 的洗涤作用，而且能增强涡旋作用，提高洗涤率。 洗涤系统的传动部分由风叶、皮带、皮带轮、和洗衣轴体组成。脱水系统由 脱水桶、脱水定时器、安全开关、电动机、制动机构等组成。洗衣机具有盖的带 锁装置，该锁定装置，包括洗衣机盖板、洗衣机箱体，还包括控制开关，与控制 脱水的开关联动；电磁铁，与控制开关连接；洗衣机盖板翻口端内面在对应洗衣 机箱体内壁处设有凹缘，凹缘上设有锁孔，洗衣机箱体上端设有所述电磁铁，电 磁铁衔铁的伸缩口位于洗衣机箱体内壁， 而且电磁铁通电后其衔铁伸出端正好位 于盖好的洗衣机盖板凹缘的锁孔内。 由于电磁铁的控制开关与洗衣机控制脱水的 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 9 开关联动，使洗衣机在脱水时电磁铁的衔铁能伸出，而且正好锁住洗衣机盖板凹 缘的锁孔，使用户在脱水时不能打开洗衣机盖板，从而确保了洗衣机脱水时的操 作安全。 2.1.4 进水和排水系统 全自动洗衣机的进水系统采用水位压力开关和进水阀，由程序控制器调节。 设有溢水口，其位置在盛水桶上口部。漂洗时，它能让洗涤液中的泡沫和污水溢 出，有利于漂清。 全自动洗衣机水位开关一般有三档水位控制，并都有 低水位、中水位、高 水位、再注水等功能当进水阀注水，内桶水位增高到预选水位时，导通橡皮气膜 受到内部空气的压缩而被顶出，中触片上跳，与上触片闭合。此时主电机导通， 进水阀断开（原来中触片与下闭合），并开始洗衣。当旋钮旋至低水位时，凸轮 转动，但曲率半径较小。通过一定的机构，橡皮气膜压簧被压缩而产生压力 P1， 压迫气膜。当桶内水量达到 30L 时，软管内的空气被压缩，产生空气压力 F1， 当 F1P1 时，中触片上跳，与上触片闭合，主电动机动作，进水阀关闭。 全自动洗衣机的排水系统由程序来控制排水电磁阀，牵引排水阀。排水阀主 要同阀盖、阀芯弹簧、阀芯拉簧，橡皮阀和阀体组成。 排水电磁铁主要用来控制自动型洗衣机排水阀的开闭， 在套桶式自动型洗衣 机中同起到改变减速离合大的洗涤、脱水状态、排水电磁铁主要由线圈、磁轭、 静铁芯、衔铁和短路铜环等组成。 2.1.5 传动系统、箱体与支承系统 全自动洗衣机的传动系统设在洗衣机脱水桶的底部，主要由波轮、脱水桶、 离合器、传动带、电动机、电磁阀及单相电容式电动机组成。离合器是内外轴复 合为一体的结构。离合器的内轴（洗涤轴），一端固定波轮，另一端固定离合套， 离合套上固定大带轮，离合器外轴（离心轴）的一端固定离心桶（脱水桶），另 一端通过抱簧与离合套连接。内外桶的联动或分动（即实现脱水或洗洗涤），是 由拨叉控制抱簧和刹车盘来实现的。 离合器轴包括脱水轴合洗涤轴。洗涤或漂洗时，牵引电机处在断电状态，制 动杆将制动带收紧，对脱水轴制动。棘爪将棘轮拔动一定角度使方丝离合簧被拔 松， 所以电机做正转或反转转矩都不能传递给脱水轴，而只是经过行星减速器再 输出给波轮，实现洗涤运转。 脱水时，牵引电机是通电状态，拉动制动杆使得制动带松开，棘轮和方丝离 合器处于自由状态，大皮带轮顺时针旋转将方丝离合簧旋紧，使输入转矩有效地 传递给脱水轴，实现高速脱水运转。如果大皮带轮逆时针转动，则方丝离合簧被 拨松而不能传递转矩给脱水轴，所以脱水只能顺时针单向转动。 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 10 洗衣机外箱体是洗衣机的盔甲， 很多洗衣机采用高分子聚合塑钢材料作为 外箱体，不怕水，不腐烂，永不生锈，耐碰撞，防漏电，机身轻便，易于搬动。 特意添加的抗老化剂，令外箱体历久弥新。有的采用刚柔相济的不锈钢做内桶刚 性，在于不锈钢材质表面分子结构致密，空隙小，故可抗击细菌等物质的侵入和 腐蚀，以达到抗菌，抑菌，耐腐蚀的作用。柔性，超级镜面不锈钢材料光滑柔细， 即便是最娇柔的面料也不会受到损伤。 很多洗衣机内桶完全采用世界一流的不锈 钢材料制成，拥有顶级的品质保证。 洗衣机的分类方法主要有三种：按自动化程度分类，按洗涤方式分类，按结 构方式分类。 1、按自动化程度分类，洗衣机可分为普通型、半自动型、全自动型三大类。 目前大多是全自动型洗衣机，它是指洗涤、漂洗、脱水各个功能之间的转换全部 不用手工操作而能自动进行的洗衣机。 这种洗衣机在选定的工作程序内由机电式 程序控制器或微电脑程序控制器适时发出各种指令， 自动完成各个执行机构的动 作，使整个洗衣过程自动化。 2、按结构方式分类，洗衣机可分为单桶、双桶、套桶三大类。 （1） 单桶洗衣机。单桶洗衣机自动化程度较低，多为简易型和普通型，少 量的为半自动型。其主要特点是占地面积小，价格便宜。 （2） 双桶洗衣机。双桶洗衣机实际上就是单桶洗衣机和脱水机的组合。它 的洗衣部分和甩干部分有各自的电动机和定时器。双桶洗衣机功能齐全，使用方 便，操作简单，省水，省电，价格适宜，品种多样。目前，我国双桶波轮式洗衣 机占主导地位。 双桶洗衣机。脱水桶壁上设有许多小孔，甩干电动机高速运转，在强大的离 心力作用下，衣物水分被甩出，并顺着排水管排出。 （3） 套桶洗衣机。该洗衣机的特点是内、外两个立式容器套装在同一个轴 心上。波轮式套桶洗衣机多为全自动型。因其离心桶的外径小于盛水桶的内径， 故将外桶和内桶套装在同一个轴心上，减少了占地面积。其外桶作为盛水容器， 内桶作为洗涤、漂洗、离心脱水用。常见的波轮式套桶洗衣机是单电机的，洗涤 及脱水工作由离合器控制。洗涤时波轮转动而脱水桶不转，脱水是波轮与脱水桶 一齐旋转。 3、 按洗涤方式分类，洗衣机可分为波轮式、滚筒式等 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 11 波轮式滚筒式 图 2-1 （1）波轮式洗衣机。波轮式洗衣机是将洗涤衣物浸泡在水中，靠波轮正、 反方向的交替转动或连续单方向的转动使衣物在水中不断翻滚， 而达到洗净衣物 的目的。主要特点是：洗涤能力强、洗涤时间短、结构简单、可调节水位、成本 低、易维修、易操作。 （2）滚筒式洗衣机。滚筒式洗衣机自动化程度高，洗涤性能好，容量大， 质量高。 2.1.6 进水电磁阀 进水电磁阀简称进水阀、注水阀。在全自动洗衣机上，以内功用进水阀来实 现自动注水和停止进水。它和水位开关互相配合，对洗衣桶的水位高低进行自动 控制。 进水阀是一种电磁阀， 阀中心是铁心， 铁心外为电磁线圈， 线圈不通电时， 在小弹簧的作用下铁心被压下，封住了橡胶阀上所装的塑料盘中间的泄压孔，这 时书从加压针孔进入控制腔，使进水腔和控制腔的水压相等。由于橡胶阀上部的 受压面积大于下部的受压面积，所以橡胶阀被压紧在阀座上起到了封闭作用。其 封闭的可靠性是由铁心所受的压力决定的，铁心的下端与泄压孔接触，铁心的上 端受压面积大于下端的受压面积，显然水的压力越大，铁心对泄压孔的封闭压力 越大，封闭越可靠。 当线圈通电时，电磁力克服下弹簧的弹力将铁心吸上，泄压孔打开，由于泄 压孔大于加压针孔，控制腔内的水将很快流出，压力降低，进水腔为自来水压， 橡胶阀的下部压力大于上部压力，即被下部的水压推开，阀即开启注水。 2.1.7 排水电磁阀 排水电磁阀是全自动洗衣机特有的电器部件。它是一个受程控器控制的自动 排水开关。除了排水功能外，还控制着离合器的状态（洗涤或脱水）。排水电磁 阀由电磁铁和排水阀两部分组成，它们是相互独立的部件，两者用排水阀连接起 来， 在连接板的右端以开口销与电磁铁动铁心连接，而左端钩在排水阀的内弹簧 上。当电磁铁通电时，将动铁心往右拉，排水阀就呈打开状态。此时盛水桶内的 洗涤液便能通过水道和阀门，从排水口流出机外。在连接板上还用螺栓固定着一 个位置可调的定位套，在动铁心吸合的过程中，该定位套向右运动，拨动了离合 器上的制动杆，为脱水做准备。当电磁铁失电时，排水阀在自身弹簧作用下将铁 心拉出，排水阀关闭，洗衣机停止排水。同时，离合器上制动杆靠制动弹簧的作 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 12 用恢复原位，为洗涤漂洗过程中波轮转动做好准备。 2.1.8 水位开关 水位开关也叫压力开关，是一种气压式电触点开关。它是利用洗衣桶内水位 高低不同所产生的不同压力，来控制进水阀的开启和关闭。此外，它还负责进水 与洗涤之间的转换。 水位开关由三部分组成： （1）压力传感部分由橡皮膜下部的气室组成； （2） 电气开关部分由中间的一组触点、簧片及开关小压簧组成；（3）压力控制部分 包括上部的顶心、压力弹簧以及调整压力的凸轮、杠杆等。水位开关的气室经过 软管与洗衣机外桶连接起来。平时，橡皮膜处于平衡状态，当水注进外桶后，水 首先将贮气室封闭起来，一部分的空气来不及跑出而被封闭在贮气室里。由于贮 气室与水位开关的气室间用压力软管相连通， 贮气室的压力也就与水位开关气室 的压力相同，随着外桶中水位的上升，贮气室、压力软管和水位开关气室间的空 气不断的被压缩，随之压强也成比例地上升，这样就把外桶中的水压转换成了空 气压力，并作用在橡皮膜上。当注水到了预定的水位时，气室内的压力也升高到 一定值。当它足以克服压力弹簧通过顶心作用加在动簧片上的力时，就推动动簧 片向上移动。当动簧片移动到预定位置后，开关下压簧将推动动簧片弯到另一个 方向，从而使动簧片上的公共触点与常闭触点分离，而与常开触点接触，这样就 向程控器发出了“水位已到”的信号，由程控器来控制进水电磁阀关闭，随即进入 洗涤程序。当完成个洗衣程序后，程控器向排水电磁铁发出信号，排水阀开启并 排水。随着水位的下降，气室内的压力也逐渐减小，在压力弹簧的作用下，顶心 和橡皮膜逐渐下移，到了某有程度时动簧片又弯向上方，常开与常闭触点都恢复 原位，等待下一个进水程序，此时水位开关虽然复位，但并不影响洗衣机继续排 水。旋转凸轮使杠杆上下移动，从而改变压力弹簧的压缩程度。如果压力弹簧的 压缩长度大，则压力大气室内的压力要高一些才能将动簧片推到预定位置，以次 达到控制水位的目的。 2.1.9 离合器 减速离合器就是全自动洗衣机中完成降速并传递扭矩的部件。 目前大多数洗 衣机采用减速离合器。它有 4 根轴：（1）洗涤输入轴；（2）下半轴；（3）中 半轴；（4）洗涤输出轴。 全自动洗衣机在洗涤、排水和脱水之间是自动转换的，这些转换由排水电磁 阀和制动杆来控制。当排水电磁铁吸合时，定位套就向上运动一段距离，使得制 动杆克服制动弹簧的作用力被推向上方，制动弹簧的中心轴做逆时针方向转动， 连接在制动杆另一端的刹车带被迫向下移动，与脱水轴上的刹车盘产生间隙，脱 水轴因此失去控制，也就可以顺利的进行脱水转动了。同时，制动杆将棘爪拨叉 上的调节螺钉顶向上方，也就使拨叉克服弹簧的压力，饶弹簧的中心轴做顺时针 方向转动，于是棘爪抬起，放松了对棘轮的限制，这样被棘轮扭转一个小角度的 方丝离合簧杂自身弹力的作用下恢复原来的位置，抱紧离合套。当大皮带在电动 机的带动下顺时针旋转时， 可以产生巨大的摩擦力， 使离合套和下半轴 （脱水轴） 联为一体，脱水工作就可以顺利进行了。 2.2 本章小结本章小结 本章主要介绍了全自动洗衣机的控制原理与结构， 其中重点对结构系统进行 了逐一分析，从而使我们对自动洗衣机的各个部件的运作有了大致的了解，使我 们从整体上对系统有了解，方便对系统进行设计。 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 13 第三章第三章 PLC 的基本知识的基本知识 3.1 PLC 的定义的定义 PLC 自问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准 化，国际电工委员会（IEC）先后颁布了 PLC 标准的草案第一、二、三稿，并在 1987 年作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为 在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程控制器，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。可编程控制器及基有关外 部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充基其功能的原则设 计的。”总之，可编程控制器是一台专为工业环境而设计的计算机，它是将传统 的计算机技术、继电器技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装 置。在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体的工业应用，因此它的 硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。 3.2 PLC 的特点：的特点： PLC 是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以要工业控制方 面，它具有继电器或通用计算机所无法比拟的特点。 3.2.1 高可靠性 PLC 的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面： 1、在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对选用的器件进行严 格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此 PLC 具有很强硬 的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继 电器系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；所有的输入/输出接口都采用 光电隔离措施，使外部电路和 PLC 内部电路能有效的进行隔离；PLC 模块式的 结构， 可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这 样就能尽量的缩短系统的维修时间。 2、在软件方面，PLC 的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运行处 理器的延迟， 保证在程序出现错误和程序调试时， 避免因程序错误而出现死循环； 当 CPU、电池、I/O 口、通信等出现异常时，PLC 的自诊断功能可以检测到这些 错误， 并采取相应的措施， 以防止故障扩大； 停电时， 后电池和正常工作时一样， 进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失。 3.2.2 应用灵活、使用方便 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 14 模块化的 PLC 设计，使用户能根据自己系统的大小、工艺流程和控制要求 等来选择自己所需要的 PLC 模块并进行资源配置和 PLC 编程。这样，控制系统 就不需要大量的硬件装置，用户只需根据控制需要设计 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接线即可。 3.2.3 面向控制过程的编程语言，容易掌握 PLC 的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。虽然 PLC 是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户有很强的程序设计能 力，只在用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。 3.3 PLC 的构成的构成 从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的 整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架， 这些模块可以按照一定规则组合配置。 图 3-1 PLC 基本结构图 3.3.1CPU 的构成 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据， 用扫描的方式采集由现 场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮 器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥 有关的控制电路。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度，IO 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 15 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 3.3.2 I/O 模块 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集 成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存 器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出 （AO）等模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大 数受 CPU 所能管理的基本配置的能力， 即受最大的底板或机架槽数限制。 图 3-2 所示是可编程控制器内部输入继电器与外部端子之间的联系。 Y0 COM X0X0 COM1 Y0 X0X1 Y0 Y0 Y0 X0 X0 常常开开触触点点 常常闭闭触触点点输输入入信信号号 输输入入端端子子 梯梯形形图图 电电源源 公公共共端端 输输入入继继电电器器 输输出出继继电电器器 公公共共端端 输输出出端端子子 输输出出负负载载 Y0 COM X0X0 COM1 Y0 X0X1 Y0 Y0 Y0 X0 X0 常常开开触触点点 常常闭闭触触点点输输入入信信号号 输输入入端端子子 梯梯形形图图 电电源源 公公共共端端 输输入入继继电电器器 输输出出继继电电器器 公公共共端端 输输出出端端子子 输输出出负负载载 图 3-2 可编程控制器内部输入继电器与外部端子之间的联系 3.3.3 电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输 入电路提供 24V 的工作电源。 电源输入类型有： 交流电源 （220VAC 或 110VAC） ， 直流电源（常用的为 24VDC） 。 3.3.4 底板或机架 大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的 联系，使 CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各 模块构成一个整体。 3.3.5 PLC 系统的其它设备 编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件， 用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但 它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由 计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式 的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 16 非常普及。 3.3.6 PLC 的通信联网 PLC 具有通信联网的功能， 它使 PLC 与 PLC 之间、 PLC 与上位计算机以及 其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多 数 PLC 具有 RS-232 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC 的通 信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进 行联网。 3.4 三菱三菱 FX2N系列系列 PLC 简介简介 由于本次毕业设计应用的是三菱系统（FX2N-48-MR-001） ，因此，具体介绍 三菱 FX2N的相关知识。三菱生产 FX 系列的 PLC 有许多种，如图 3-3 所示。 图 3-3 三菱 PLC 系列 下面介绍 FX2N系列 PLC 的型号： FX2N系列 PLC 的型号含义及型号规格如图 3-4 所示： 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 17 图 3-4FX2N系列 PLC 的型号 FX2N是模块化的 PLC，它主要由 CPU 模块、特殊适配器、扩展 I/O 模块和 特殊功能扩展模块构成。 1、CPU 模块 CPU模块是 PLC控制系统的核心， 它控制着整个PLC 控制系统的有序运行。 PLC 控制系统中， PLC 程序的输入和执行、 PLC 之间或 PLC 与上机之间的通信、 接收现场设备的状态和数据都离不开该模块。CPU 模块还可以进行自我诊断， 即当电源、存储器、输入/输出端子、通信等出故障时，它可以给出相应的指示 或做出相应的动作。 三菱 FX2N包括多种型号的 CPU，它们的主要性能指标除了在外形尺寸和本 机自带 I/O 点数有些不同外，其它性能基本相同，如表 3-1 所示。 表 3-1 三菱 FX2NCPU 主要性能指标 项目性能指标 程序存储器容量8000 步内置，使用附加存储器盒可扩展到 16000 步 I/O 点数256 点 内部继电器3072 点 定时器256 点 一般计数器235 点 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 18 指令数目基本顺序指令：27 种 步进梯形指令：2 种 应用指令：28 种 指令处理速度基本指令：0.08us/指令 应用指令：1.52 至几百 us/指令 2、特殊适配器 特殊适配器用来将 FX 系列的扩展设备连接到 FX2N 系列上的 PLC 上。 3、扩展模块 由于 CPU 模块本身的 I/O 点非常有限、而且先模拟量 I/O 点，所以有时需 要数字量 I/O 模块、模拟量 I/O 模块等一些特殊功能模块。 FX2N PLC 不需要专用的基架，可以直接安装在导轨上。模块之间通过专用 的扩展电缆进行连接。硬件系统配置方式如图 3-5 所示。 图 3-5FX2N硬件系统配置图 4、FX2N所具有优越性能 （1）基本性能： 可靠性高，抗干扰能力强 配套齐全，功能完善，适用性强 （2）集成业界领先的功能： 晶体管输出型的基本单元内置了 3 轴独立的定位功能， 并且增加了新的定位指 令：带 DOG 搜索的原点回归（DSZR） ，中断单速定位（DVIT）和表格设定定位 （TBL） ，从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。FX2N PLC 还可以采 用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高 50kHz 的高速脉冲。 （3）强大的扩展性 增强了通信的功能，其内置的编程口可以达到 115.2kbps 的高速通信，而且最 多可以同时使用 3 个通信口（包括编程口在内） 。 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 19 3.5 本章小结本章小结 本章主要介绍了 PLC 的定义、特点、构成、基本指令以及 PLC 的硬件知识， 在硬件知识方面重点对三菱 FX2N的 PLC 进行了介绍。 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 20 第四章第四章 PLC 全自动洗衣机的系统设计全自动洗衣机的系统设计 4.1 实物示意图及动作介绍实物示意图及动作介绍 4.1.1 全自动洗衣机的实物示意图全自动洗衣机的实物示意图 全自动洗衣机的实物示意图如下图 4-1 所示。 图 4-1自动洗衣机示意图 4.1.2动作介绍 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。 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 21 4.2PLC 全自动洗衣机的设计方案全自动洗衣机的设计方案 4.2.1 电动机的选择 1、 直流电动机的调速优点 直流电动机的突出优点是能在很大的范围内具有平滑，平稳的调速性能。转 速调节的主要技术指标是：调速范围 D 和负载变化时对转速的影响即静差率， 以及调速时的允许负载性质等。 调速范围是根据生产机械工艺要求提出的，例如龙门刨床主拖动要求 D=1030；螺纹磨床要求 D=2060。 静差率就是表示在负载变化时拖动装置转速降落的程度。静差率越小，表示 转速稳定性越好，对生产机械，如机床加工的零件，其加工的精度及表面光洁度 就于高。 调速指标中，静差率的值要求在规定的范围内，即在最高转速与最低转速之 间的任何转速都要满足。显然这就限制了某一调速方法的范围。反过来说，即只 有满足静差率的调速范围还是有效的。 通常生产机械的负载与转速之间有一定的关系，如起重机械，机床的进给机 构及某些精加工机床的主传动等，都可看成是恒转矩负载，也就是说这些机构在 不同的速度下运行时，其负载转矩基本上保持不变。而车床主轴传动等则往往要 求在负载功率不变的情况下调整转速，即在低速下切削量往往较大，负载力矩较 大，因而要保持负载功率基本不变，在电动机调速时，最好能符合这些不同的负 载特性，而直流电动机却正好具有恒功率和恒转矩的调速方式，故可根据生产机 械的要求选择不同的调速方法。 2、 直流电动机的调速方法 调节直流电动机转速的方法有三种： （1） 电枢回路串电阻； （2） 改变励磁电流； （3） 改变电枢回路的电源电压； 4.2.2 控制方案 1.实时性 （1）由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速 度快。 （2）基于信号处理和程序运行的速度，PLC 经常用于处理工业控制装置的 安全联锁保护。 （3）更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。 2.高可靠性 （1）所有的 I/O 输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控 制器内部电路之间电气上隔离。 （2）各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms。 （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。 （4）采用性能优良的开关电源。 （5）对采用的元器件进行严格的筛选。 （6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU 立 即采取有效措施，以防止故障扩大。大型控制器还可以采用由双 CPU 构成冗余 系统或有三 CPU 构成表决系统，以及实现电源模块冗余、IO 模块冗余，使可靠 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 22 性更进一步提高。 4.2.3 系统配置简单灵活 （1）控制器 产品种类繁多，规模可分大、中、小等。 （2）I/O 卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的 配置。 （3）满足控制工程需要前提下，I/O 卡件可灵活组合。 4.2.4 丰富的 I/O 卡件 控制器针对不同的工业自控工程的现场信号，如：交流或直流；开关量或 模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等，有相应的 I/O 模块与工 业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电 磁线圈、控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能， 它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业 局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 4.2.5 控制系统采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型控制器以外，绝大多数控 制器均采用模块化结构。控制器的各个部件，包括 CPU，电源，I/O 等均采用 模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户 的需要自行组合。 4.2.6 价格优势 质优价廉，性价比高。 4.2.7 安装简单，维修方便 可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置， 便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方 法，使系统迅速恢复运行。 4.2.8控制器实现的功能 逻辑控制.定时控制 计数控制.顺序控制 PID 控制.数据计算 通讯和联网 其它：还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制 模块，CRT 模块 4.2.9保护措施 1、过载保护 电气线路中允许连续通过而不至于使电线过热的电流量， 称为安全载流量或 安全电流。如导线流过的电流超过了安全载流量，就叫导线过载。一般导线最高 允许工作温度为 65C。过载时，温度超过该温度，会使绝缘迅速老化甚至于线 路燃烧。 发生过载的主要原因有导线截面选择不当， 实际负载已超过了导线的安全电 流；在线路中接入了过多的大功率设备，超过了配电线路的负载能力。 热继电器是比较理想的自动过载保护的设备，在工业应用中一般，都用热继 电器来做过载保护。 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 23 2、失压保护 失压保护是指电动机在供电电源中断后，能自动切断总控制电路，以防止电 源恢复供电后，电动机在无人操作的情况下自动起动而造成事故。 3、过流保护 用保护器的常闭触点动作实行保护 这就是要求保护器在主回路不工作和正 常工作时执行继电器不动作，而在电机起动和工作中发生故障时动作。这样的保 护器适宜于与计算机输出和逻辑群控电路、 多速及正反转电机以及与各种主开关 接口，使用无局限性。 4.2.10指示 1发光二极管 LED 长处有三点：一是寿命长、耗能低之，应用非常灵活，可以做成点、 线、面各种形式的轻薄短小产品；二是控制极为方便，只要调整电流，就可以随 意调光，不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动 态变化效果；三是价格低廉。 LCD 优点：液晶显示器以其微功耗、显示形式丰富，显示质量高，接口简 单，体积小、显示内容丰富、超薄轻巧。 CTR 优点：CTR 最大的优点是显示的面积大，显示的效率也比较高， 2显示方案的选择 综上所述利用 LED 显示比较合适， 因为在洗衣机上显示利用不同的颜色可以 区分不同的工作进程而且效果比较理想，LCD 显示亮度不够，使用 CTR 显示占 用的空间较大而且功耗大不适合在小型电器上使用。 4.3 全自动洗衣机控制系统的控制要求全自动洗衣机控制系统的控制要求 4.3.1 全自动洗衣机的工作原理 普通洗衣机的工作流程示意图如图 4-2 所示 开始 进水 洗衣 排水 脱水 结束 图 4-2 普通洗衣机工作流程图 南京铁道职业技术学院毕业论文设计 24 洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水和脱水 4 个过程组成。在半自动洗衣 机中，着四个过程分别用相应的按钮开关来控制。全自动洗衣机中，这 4 个过程 可做到全自动依次运行，直至洗衣结束。 自动洗衣机的进水、洗衣、排水和脱水是通过水位开关、电磁进水阀和电磁 排水阀配合进行控制，从而实现自动控制的。水位开关用来控制进水到洗衣机内 高、中、低水位；电磁进水阀起着通/断水源的作用。进水时，电磁进水阀打开， 将水注入；排水时，电磁排水阀打开，将水排出；洗衣时，洗涤电动机启动；脱 水时，脱水桶启动。 4.3.2 设备控制要求 全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“强制停止”两种控制 方式。 1.正常运行“正常运行”方式具体控制要求如下： （1）将水位通过水位选择开关设在合适的位置（高、中、低） ，按下“启动” 按扭，开始进水，达到设定的水位（高、中、低）后，停止进水； （2）进水停止 2s 后开始洗衣； （3）洗衣时，正转 20s，停 2s，然后反转 20s，停 2s； （4）如此循环共 5 次，总共 220s 后开始排水，排空后脱水 30s； （5）然后再进水，重复（1）（4）步，如此循环共三次；