基于三菱PLC的全自动洗衣机系统设计.doc

目 录【内容摘要】11概述21.1 洗衣机的分类21.1.1 按结构形式划分21.1.2按洗涤方式与结构原理划分21.1.3按自动化程度分为21.2 全自动洗衣机的实物示意图31.3 PLC及MCGS的简单介绍31.3.1 PLC 概述31.3.2MCGS概述52全自动洗衣机控制系统分析及设计82.1系统概述82.2控制系统设计82.2.1控制要求82.2.2 I/O地址分配102.2.3 硬件接线图如下图所示112.2.4 定时器设定112.2.5 计数器选择122.2.6 压力变送器122.3 梯形图122.4 组态软件设计172.4.1实时数据库组态172.4.2用户窗口182.4.3 PLC与组态软件之间的通信183总结19【致谢】20参考文献21【Abstract】22【Keywords】22基于三菱PLC及MCGS的全自动洗衣机系统的设计专业 姓名 学号 指导老师姓名【内容摘要】本设计以三菱FX-2N-32A PLC为控制核心，以MCGS为上位机监控软件，设计实现全自动洗衣机系统。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。为保证洗衣机及人身安全,设计了蜂鸣报警电路。进水阀,排水阀的控制。【关键词】全自动洗衣机；三菱PLC；MCGS软件1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 全自动洗衣机的实物示意图 图1-11.3 PLC及MCGS的简单介绍1.3.1 PLC 概述PLC(Programmable Logic Controller)是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和网络通信技术而发展起来的一种新型工业自动控制装置。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）对PLC做了如下定义：“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、计数和算术等操作，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1。本设计运用的是三菱FX-2N-32A PLC可编程序控制器。其硬件系统的基本结构框图如图12所示：中央处理单元（CPU）输入电路电源系统程序处理器用户程序处理器输出电路编程器图1-2 PLC硬件系统的基本结构框图 PLC及其有关的外围设备都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”PLC是面向用户的专用工业控制计算机，跟传统的继电器控制系统相比具有许多明显的特点，具体如下：（1）可靠性高、抗干扰能力强为了限制故障的发生火灾在发生故障时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强大的自诊能力、能及时给出出错信息、停止运行等待修复等功能外，还具有很强的抗干扰能力。（2）通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在确定硬件后在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，可不必改变PLC的硬件设备，只需改编程序就可以满足要求。（3）功能强，适应面广现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可以控制一台生产机械、一条生产线，又可以控制一个生产过程。（4）编程简单，容易掌握大多数PLC都采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。（5）减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软元件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，也减少了现场的调试工作量。自诊断和监控功能又减少了维护工作量。（6）体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑、坚固、体积小、重量轻、功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化控制的理想控制设备2。1.3.2MCGS概述MCGS（Monitor and Control Generated System，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它包括组态环境和运行环境两部分。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制盒报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在工业控制领域有着广泛的应用。在20世纪80年代末，由于个人计算机的普及，PC机开始走上工业监控的历史舞台，与此同时开始出现基于PC总线的各种数据I/O板卡，加上软件工业的迅速发展，开始有人研究和开发通用的PC监控软件组态软件。世界上第一个把组态软件作为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国的Wonderware公司，它于80年代末率先推出了第一个商品化监控组态软件，此后组态软件得到了迅猛的发展。组态软件最突出的特点就是实时多任务。数据的输入输出。数据的处理、显示、存储及管理等多个任务需在同一个系统中同步快速地运行。组态软件的目的就是让用户迅速开发出适合自己需要的可靠的应用系统。因此其一般有以下特点：(1)概念简单，易于理解和使用。普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、迅速完成多数简单工程项目的监控程序和运行操作。用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题。按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。(2)功能齐全，便于方案设计。MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业需要进行选择设计即可。(3)实时性与并行处理。MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。工程作业中，大量的数据和信息需要即时收集，即时处理，在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务，如数据采集、设备驱动和异常处理等。另外许多工作则是非实时性的。(4)建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略构成，在系统运行过程中，各部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。供自动化应用系统所需的通用监控软件的组件。(5)设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。(6)“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。(7)利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动画画面。(8)引入“运行策略”的概念。复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。MCGS开辟了“策略窗口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程，按照设定的条件和顺序，操作外部控制窗口。(9)MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。不同的构件有着不同的功能，且各自独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。(10)支持OLE Automation技术。MCGS允许用户在Visual Basic中操作MCGS中的对象，提供了一套开发的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。(11)MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。(12)设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题3。(13)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。如图1-3所示： 图1-3 PLC扫描周期图(14)一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。如图1-4所示 图1-4 PLC扫描周期示意图2全自动洗衣机控制系统分析及设计2.1系统概述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，做脱水（甩干）用。内桶的四周有很多小孔，使内、外桶的水流想通。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，通过电控系统使用排水阀打开，将水由外桶排到机外。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，由洗涤电动机带动电机内桶正转进行甩干。高、低水位开关分别来检测高、低水位。起动按钮用来起动洗衣机工作。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。4在本次设计中水位的采集信号是通过压力变送器采集的水位信号与PLC进行A/D转换后通过D200采集而来。2.2控制系统设计2.2.1控制要求 该全自动洗衣机的控制要求可以用图3所示的流程图来表示。 PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。 启动时开始进水。水满（即水位到达高水位）时停止进水并开始洗涤正转。正洗5S后暂停。暂停1S后开始洗涤反转。反转5S后暂停。暂停1S后，若正反转未满3次，则返回从正洗开始的动作；若正反满三次时，则开始排水。 水位下降到低水位时开始脱水并继续排水。脱水10S即完成一次从进水到脱水的大循环过程。若未完成三次大循环，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，则进行洗完警报。报警10S后结束整个过程。 除了以上一般洗衣过程外，本次设计还添加了手动排水和手动脱水功能。程序的整个洗衣过程，包括脱水、排水的流程如下图2-1所示。图2-1 流程图气缸YV2复位2.2.2 I/O地址分配输入设备输入点编号输出设备输出点编号启动X0进水Y4停止X1电机正转Y5排水X2电机反转Y6高水位M12排水Y7低水位M13脱水Y10脱水X6报警Y112.2.3 硬件接线图如下图所示图 2-2 2.2.4 定时器设定TO正转洗涤计时 T1正转暂停计时T2反正洗涤计时T3反转暂停计时T4脱水计时T5报警计时T6启动时功能选择计时2.2.5 计数器选择C6 正反洗涤三次计数 C7大循环计数2.2.6 压力变送器压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、放大电路和支持结构件三类组成。它能将测压元件传感器测量到的气体、液体等物理压力参数变化转换成电信号(如420mA等)， 以提供指示报警仪、调理器等二次仪表进行显示、指示和调整。压差变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后转换为成420mA信号输出。实际水位的计算方法如下：水位H=（D200-50）/0.4D200为变送器实际测量的值通过A/D转换模块存储在D200数据寄存器中的值。如下图2-3所示为常见的压力变送器实物图图2-32.3 梯形图启动x0进入功能选择，倒计时10S，若在10S内选择了脱水则跳至脱水步骤，否则在10S结束后开始正常洗涤。10S后洗涤开始，Y4打开，开始进水，当水位到达高水位时Y5 on 开始正转洗涤。洗涤5S暂停1S。正转中还包括脱水排水时（Y7），电机的正转启动。正转暂停结束后开始反转洗涤，洗涤5S，暂停1秒。当正反转洗涤次数到达3次后开始排水（至低水位）、脱水（10S）。完成上述步骤后为一个循环（手动排水脱水不计），C7计数，当计满3次后报警10S，洗衣结束。设定水位值，M11为报警水位，M12为高水位，M13低水位。由于水流流动造成的不稳定性，在对水位进行监测时，返回数据寄存器D200的值也不是稳定的，会有12的误差范围，会直接导致继电器供电时出现断电现象而无法正常工作，因此我在设计过程中设定当水位一到达规定高水位低水位时便停止测量。正反转计数器以及循环计数器清零设置组态相关数据转换2.4 组态软件设计此次设计采用的是MCGS组态实现对全自动洗衣机系统的实时监控。2.4.1实时数据库组态根据设计要求，对MCGS组态进行设置，其实时数据库组态设置如图23所示：图2-3实时数据库窗口设置图2.4.2用户窗口图2-14材料自动分拣装置的MCGS组态监控用户窗口图2.4.3 PLC与组态软件之间的通信对组态的通讯参数进行设置后，打开通用串口父设备和232系列编程口，在MCGS工作台上单击设备窗口，再单击设备组态按钮进入设备组态：设备窗口。打开设备管理窗口再对232系列编程口进行设置，在各个参数确保无误后单击确定，就可以实现了PLC与MCGS组态软件之间的通信了。3总结综上全文所述，本文对PLC及MCGS组态技术的工作原理、适用领域等作出了较为详细的介绍，根据洗涤的要求采用PLC设计出了全自动洗衣机系统，并使用组态监控技术对整个洗涤过程的实时监控，其具有较高的实用性。用组态技术实现对洗涤系统的监控，更直观的展现出全自动洗衣机的洗涤过程，很好的解决了实验室设备的局限性。比如说，我在做课题时所用的水箱以及压力变送器，由于压力变送器所在的位置位于水箱的中部，导致实际的水位是没办法测到0值的，所以在这一方面我只能是通过假定一个水位为0值而进行有效的设计测量。而通过MCGS组态动画的设计可以很只管的展现出洗衣机在洗涤过程中的每一个环节。在设计过程中，阅读了相关的资料和文献，学习到了很多的知识，在流程图的设计，梯形图的绘制，以及功能的拓展，软件的实用等方面都有了很大的进步。弥补了之前学习时在这方面的短缺。在实际设计过程中出现了不少问题，比如电机正转洗涤和脱水时电机正转出现了矛盾，两个过程为同一个输出变量，而我在绘制梯形图将两个相同的输出变量分别用一条程序表达，导致程序在执行时无法识别出究竟哪一条才是应该执行的指令。又比如，在水位的监测环节，就平时的生活而言，我们家用的洗衣机在往内桶注水时探测到的值往往也不是一个固定值，这个值会随着水的冲击产生波动，我在调试程序的过程中遇到了因这种波动而导致继电器失电、电机无法正常运作的现象。最后在老师的指点下，想出了当液位一到达我所需求的高度时便停止探测，而此时传回的数据量相对来说是比较稳定的，继电器也没有再出现断电的现象。【致谢】由于是临时改的题目，时间上讲比较仓促，但课题来说相对比较简单，在整个系统开发的过程中，老师和同学给了我很大的帮助。特别感谢我的指导老师xx老师以及实验室指导老师xx老师，细心为我指导，给了我许多宝贵的意见，使得我能够顺利完成课题。还要感谢周围的指导我的同学。本设计的完成是在我们的导师xx老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了xx老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！ 还要感谢和我同一实验室的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。 感谢在百忙中抽出时间审阅论文的老师们，没有你们的帮助我是不能顺利完成学业的。忠心的感谢所有在这次毕业设计中帮过我的人。参考文献1周美兰，周封，王岳宇.PLC电气控制与组态设计. 第1版 北京：科学出版社. 2003年2 程子华，刘小明. PLC原理与编程实例分析. 第2版 北京：国防工业出版社.2010年3 吕卫阳，徐昌荣.PLC工程应用实例解析.北京.中国电力出