【电气工程及其自动化】基于plc的全自动洗衣机控制程序的设计

本科生毕业设计（论文）基于PLC的全自动洗衣机控制程序的设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月10日目录A基础理论B应用研究C调查报告D其他1前言12洗衣机介绍121洗衣机的分类122PLC的发展历史23控制系统设计231控制任务描述232设计原理34控制电路设计541PLC选型和资源配置542I/O分配表543PLC接线图744输入输出对应的真值表95软件设计951编程软件952仿真软件953程序设计和调试12531控制系统工作过程12532程序流程图13533控制系统PLC程序梯形图166结论31参考文献32致谢基于PLC的全自动洗衣机控制程序的设计摘要本设计根据全自动洗衣机的控制要求，按照洗衣机的工作流程，采用了三菱公司FX2N系列可编程逻辑控制器作为洗衣机的控制器并编写梯形图程序，实现其功能。利用PLC对全自动洗衣机控制系统进行设计，实现了控制系统的灵活性、高稳定性和可靠性，便于输入、调试和修改控制程序。通过分析全自动洗衣机的控制系统，了解控制系统的运作要求，并根据洗衣机的工作原理，对程序进行了设计,实现了对洗衣机的全自动控制。关键词洗衣机；全自动；PLC控制；程序设计DESIGNOFTHEFULLAUTOMATICWASHINGMACHINECONTROLPROGRAMBASEDONPLCABSTRACTTHISDESIGNUSEDTHEMITSUBISHICOFX2NSERIESPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERASTHECONTROLLEROFTHEWASHINGMACHINEANDWRITEDTHELADDERDIAGRAMPROCEDURETOACHIEVEITSFUNCTIONWHICHACCORDINGTOTHECONTROLREQUIREMENTSANDTHEWORKINGPROCESSOFFULLAUTOMATICWASHINGMACHINEDESIGNTHEFULLAUTOMATICWASHINGMACHINECONTROLSYSTEMWITHPLCMADETHECONTROLSYSTEMMOREFLEXIBLE,STABLEANDRELIABLEANDITSEASYFORINPUT,DEBUGANDMODIFYTHECONTROLPROGRAMTHROUGHANALYSETHEWORKINGPRINCIPLEANDTHECONTROLSYSTEMOFFULLAUTOMATICWASHINGMACHINEANDUNDERSTANDTHEOPERATIONALREQUIREMENTSOFIT，THEPROGRAMHASBEENDESIGNED,WHICHREALIZEDTHEFULLAUTOMATICCONTROLOFTHEWASHINGMACHINEKEYWORDWASHINGMACHINEFULLAUTOMATIONPLCCONTROLPROGRAMDESIGN1前言传统的洗衣机采用继电器控制的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强。但是，这也是随之带来的一些问题，如绝大多数控制继电器都是在长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏，而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重后果。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，若有简单的改动，也需花费大量时间及人力、物力去改制、安装和调试。这种电路接线多，只适用于小型的控制电路。随着PLC技术的快速发展，相比于继电器控制，采用PLC控制具有如下几点优势1、可靠性高，抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。2、配套齐全，功能完善，适用性强。3、易学易用，深受工程技术人员欢迎。4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。5、体积小，重量轻，耗能低，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。本设计就怎样基于PLC来实现全自动洗衣机控制进行了研究，对其中软、硬件设计等问题进行了分析和研究，实现了全自动洗衣机的基本功能。2洗衣机介绍21洗衣机的分类洗衣机产品可以分为三类普通型、半自动型和全自动型。普通型和半自动型都需要人为参与操作才能完成洗衣、甩干、排水全过程。随着生活水平的日益提高，人们已经不在满足半自动洗衣机的洗涤方式，改为全自动洗衣机，而全自动洗衣机是集洗涤，脱水于一体，并且能自动完成戏衣全过程的洗衣机，在整个洗涤、甩干、排水过程中无需人为操作和监控。全自动洗衣机从结构上分有波轮式、搅拌式、滚筒式。目前，市场上销售的大都是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。波轮式洗衣机的特点是洗净率高，但对衣服的磨损很大，随着人们生活水平不断提高，丝绸，毛料，羊毛等大量走进普通家庭，厂商又适时地推出了滚筒式洗衣机，它的最大优点是磨损率小，但洗净率比波轮式低，价格低。从控制方式的发展阶段上分，全自动洗衣机可分为两大类第一类电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。第二类电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。随着计算机及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。因此，电动控制洗衣剂将逐步退出家电舞台。22PLC的发展历史1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969年，美国数字设备公司研制出第一台可编程控制器PDP14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化手段应用于电气控制。这是第一代可编程控制器，称PROGRAMMABLE，是世界上公认的第一台PLC。20世纪70年代初出现了微处理器，人们将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特性的工业控制装置。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程控制器定名为PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER（PLC）。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前主流的PLC主要有小型的主流是OMRON（欧姆龙）的CP1系列，西门子的S7200系列，三菱的FN系列等；中大型的鉴于行业不同，有不同的使用品牌习惯和影响力。如西门子，罗克韦尔AB，施耐德，ABB,GE都属于高端产品；现在还有很多后起新秀，EH等等。3控制系统设计31控制任务描述1、实现进水、加热、浸泡、洗涤、漂洗、排水、脱水及报警的自动控制；2、系统有自动/手动两种工作方式；3、在控制系统中，根据需要可改变设定值。洗涤衣物时，将水位、水温、浸泡、洗涤、漂洗、脱水选择开关选在合适的档位，浸泡、洗涤、漂洗、脱水按钮选项则可由数码管显示调整。按下启动按钮后，开始进水，进水达到水位要求时停止进水，进行加热，到达要求的水温后开始浸泡。浸泡时，滚筒正转1S后暂停5S，接着滚筒再反转1S，暂停5S，然后再正转。浸泡到达要求时间后，进入洗涤，滚筒正转4S后暂停1S，接着滚筒再反转4S，暂停1S，然后再正转，如此,循环直到到达要求时间。洗涤后开始排水，排水完成后开始漂洗，先进水滚筒正转3S后暂停2S，接着滚筒再反转3S，暂停2S，然后再正转。到达要求的漂洗次数后，滚筒脱水并继续排水，脱水到达要求的时间后，则进行洗完报警，报警10S后洗衣过程结束，自动停机。此外，按排水按钮可实现手动排水，按停止按钮可停止进水、加热、浸泡、洗涤、漂洗、排水、脱水及报警。32设计原理滚筒洗衣机对洗涤物的磨损率仅是波轮洗衣机的几分之一，在波轮洗衣机里能洗涤的织物在滚筒洗衣机里就更能洗涤，一般不必考虑损伤问题。设计原理是分别用各种按钮，各高度水位开关，各温度温度传感器开关，各种定时器，计数器的常开、常闭触点来实现程序的转移和循环操作，以至于达到全自动、智能化洗衣的要求。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，将污垢与衣服分离来实现洗干净的目的的。就洗衣粉中酶的特性而言，洗涤剂中活性酶随着温度变化而变化，40左右的洗涤温度能最大程度激活酶活性，充分溶解和利用洗涤剂，去污效率越高，合适的水温可以提高洗涤效果，因为高温可使油污软化，为此，洗衣机程序增加了一类水温程序，提供了不同的水温可供选择。例如羊毛洗涤只能将水温加热至30度，这个温度下洗衣粉中酶更具有活力，而且不会伤及衣物，即使在洗涤强度不太大的情况下仍可达到较好的去污效果。各高度水位开关分别用来检测各档位的水位高低，各温度温度传感器开关分别用来检测各档位的水温高低。洗衣机的进水和排水分别由电磁阀控制，进水时，通过电控系统打开进水阀，经进水管注入到桶内，洗衣机排水通过排水电磁铁的吸合来牵引排水阀门打开而使洗涤桶内的水流向桶外。洗涤正转、反转由电动机驱动波盘正、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，带动脱水桶旋转进行甩干。另外还带有脱水开盖安全保护功能，为防止高速运行的洗衣机脱水内桶在转动过程中，手伸入时遭到碰伤和衣物甩出桶外，洗衣机在脱水过程中一旦盖板打开，转动的滚筒必须停止。因此，脱水时若意外将盖打开，脱水会马上停止，并同时报警提醒用户。电源开关按钮用来控制电源，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、加热、浸泡、洗涤、漂洗、排水、脱水及报警，排水按钮用来实现手动排水。全自动洗衣机的组成示意图如图1所示，控制面板图如图2所示。图1全自动洗衣机组成示意图图2控制面板图4控制电路设计41PLC选型和资源配置PLC的品种繁多，合理的选择PLC对于提高PLC控制系统技术经济指标有重要意义。本设计中对全自动洗衣机系统的控制采用我们熟悉的三菱FX2N系列的PLC来控制该系统。三菱FX2N80MR，基本单元，继电器输出，有40个输入点，40个输出点，需要的对应的数字量输入地址为X0X22，需要的输出端子对应的输出地址是Y0Y36。考虑留有适当裕量，用于日后的程序改进，采用三菱FX2N80MR型PLC可满足设计要求。42I/O分配表I/O口分配表如表1所示。表1I/O分配表输入端子输入设备输出端子输出设备X000电源开SW0Y00050L水位指示灯L0X001电源关SW1Y00140L水位指示灯L1X002水位按钮SB0Y00230L水位指示灯L2X003水温按钮SB1Y00320L水位指示灯L3X004浸泡按钮SB2Y00460水温指示灯L4X005洗涤按钮SB3Y00540水温指示灯L5X006漂洗按钮SB4Y00630水温指示灯L6X007脱水按钮SB5Y007冷水水温指示灯L7X010启动按钮SW2Y010Y017数码管D0X011停止按钮SW3Y020Y027数码管D1X01220L水位监测开关SQ0Y030进水电磁阀YA0X01330L水位监测开关SQ1Y031加热器KM0X01440L水位监测开关SQ2Y032滚筒正传KM2X01550L水位监测开关SQ3Y033滚筒反转KM3X016水温30控制开关SQ4Y034排水电磁阀YA1X017水温40控制开关SQ5Y035脱水离合器KM4X020水温60控制开关SQ6Y036蜂蜜器FMX021手动排水按钮SB6X022盖板检测开关SQ7定时器、计数器功能说明如表2所示。表2定时器、计数器功能说明类别器件号设定值作用T11S浸泡电机正转计时T25S浸泡电机暂停计时T31S浸泡电机反转计时T415MIN浸泡计时T535MIN浸泡计时T660MIN浸泡计时定时器T710MIN洗涤计时T820MIN洗涤计时T930MIN洗涤计时T1050MIN洗涤计时T114S洗涤电机正转计时T121S洗涤电机暂停计时T134S洗涤电机反转计时T143S漂洗电机正转计时T152S漂洗电机暂停计时T163S漂洗电机反转计时T171MIN脱水计时T183MIN脱水计时T196MIN脱水计时T209MIN脱水计时T2110S报警计时T221S洗涤暂停计时T235S浸泡暂停计时T242S漂洗暂停计时T2510S漂洗排水计时C02次漂洗循环计数C13次漂洗循环计数C24次漂洗循环计数计数器C31次漂洗循环计数43PLC接线图PLC控制电路接线如图3所示。图3PLC接线图44输入输出对应的真值表用于数码管显示的输入输出真值表如表3所示。表3输入输出真值表DPGFEDCBA输入Y17/Y27Y16/Y26Y15/Y25Y14/Y24Y13/Y23Y12/Y22Y11/Y21Y10/Y20输出（H）0001111113F100000110062010110115B3010011114F401100110665011011016D6011111017D700000111078011111117F9011011116F5软件设计51编程软件编程软件采用三菱公司为其生产的PLC而设计的编程软件MELSOFT系列GXDEVELOPER8版本，适用于三菱FX2N工业控制PLC系统的程序编制，可用于Q、QNU、QS、QNA、ANS、ANA、FX等全系列可编程控制器，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、LABEL语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。52仿真软件仿真软件采用GXSIMULATOR6C仿真软件，适用于FX2N等三菱PLC对设计程序的仿真。运行简介一、仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，如果没有编好的程序，是无法进行仿真的。所以，在安装仿真软件GXSIMULATOR6C之前，必须先安装编程软件GXDEVELOPER，并且版本要互相兼容。二、安装好编程软件和仿真软件后，在桌面或者开始菜单中并没有仿真软件的图标。因为仿真软件被集成到编程软件GXDEVELOPER中了，其实这个仿真软件相当于编程软件的一个插件。三、启动方法是点击菜单栏“工具，梯形图逻辑测试”，“在线，调试，软元件测试”。根据GXSIMULATOR6C仿真软件的仿真操作图如图4所示，仿真界面图如图5所示。图4仿真操作图图5仿真界面图53程序设计和调试531控制系统工作过程（1）按下电源开按钮，洗衣机电源导通；（2）用户设定水位高低（20L、30L、40L、50L水位选择）；（3）用户设定水温高低（冷水、30、40、60水温选择）；（4）用户设定浸泡时间长短（0、15MIN、35MIN、45MIN浸泡时间选择）；（5）用户设定洗涤时间长短（10MIN、20MIN、30MIN、50MIN洗涤时间选择）；（6）用户设定漂洗次数（1次、2次、3次、4次漂洗次数选择）；（7）用户设定脱水时间长短（1MIN、3MIN、6MIN、9MIN脱水时间选择）；（8）按下启动按钮，准备进入洗衣状态；（9）洗衣机打开进水电磁阀，开始从外界输入水；（10）水位探测器检测到水已到位，停止进水；（11）加热器开始加热，温度探测器检测到达设定的温度后，停止加热；（12）根据设定的时长浸泡，期间为了洗衣粉能充分与水混合，将启动电机正反转进行搅拌；（13）电动机正转与反转按照设定的洗涤时间进行轮流工作（电动机先正转4S，停止1S，电动机再反转4S）；（14）洗涤时间到达设定时间后，洗衣机打开排水电磁阀开始排水，直到水位下降到20L水位处停止排水，同时也可进行手动排水；（15）进入漂洗阶段，先按设定的水位进水，后进行电机正反转（电动机先正转3S，停止2S，电动机再反转3S）；（16）达到设定的漂洗次数后，洗衣机打开排水电磁阀开始排水，排水10S后停止排水；（17）洗衣机控制脱水电磁离合器进行脱水，同时打开排水电磁阀排水，使得脱水过程可以及时排除洗衣机机桶内的脏水。若脱水过程中打开了盖板，将停止脱水，同时发出警报提醒用户关好盖板，起到安全提示作用；（18）到达设定的脱水时间后，启动报警10秒；（19）报警结束后，停止洗衣状态，完成洗衣。532程序流程图根据功能设计程序的流程图如图6所示。图6程序流程图533控制系统PLC程序梯形图在编写程序过程中，对于使用按钮进行条件选择，起初的设想是利用ROL/ROR左右循环移位指令，但是在仿真过程中无法进行仿真，原来ROL/ROR指令更适用于16或32位，即K4、K8的情况，于是改用移位指令SFTL/SFTR，并最终成功解决了仿真与按钮条件选择问题。程序中，因为在按钮条件选择方面，需要多个继电器工作，因此为了减少输出继电器Y端口数目，节约成本，使用了多个辅助继电器M来实现。在面板显示部分，为了使控制面板简化美观，使用了两个7段数码管，实际使用的是八段，因为使用的传送指令MOV只能够以4位、8位等传送，用PLC的输出端相应地与数码管的输出端相接，控制PLC输出端口来调整数码管的数字显示。在使用按钮进行停止操作中采用了区间复位指令ZRST，从而达到停止所有工步的效果。根据功能及流程图设计的程序梯形图如图7所示。工步介绍S0开电源；S1启动；S20水位选择；S21水温选择；S22浸泡；S23洗涤；S24洗衣机排水；S25漂洗；S26洗衣机脱水；S27报警。图7程序梯形图6结论由于采用PLC进行控制的控制系统相比于传统的控制系统有着无可比拟的优越性，因此，PLC在工业乃至生活中的应用越来越广，加上PLC技术是一门实践性很强的专业课，因此，学会怎样把课本理论知识运动到实际中去，如何利用好这种实现工业自动