【电气工程及其自动化】全自动洗衣机的plc控制

本科生毕业设计（论文）全自动洗衣机的PLC控制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2015年5月28日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111背景112研究意义113设计目标214技术方案22PLC介绍321PLC的基本组成322PLC的工作原理523PLC的特点624PLC执行用户程序的过程625PLC等效电路73控制电路设计及原理和构造731原理和构造732洗衣机的控制系统组成833PLC选型和资源配置1034I/O分配表1034PLC接线图114软件设计1241控制系统工作过程1242编程软件1543仿真软件1644控制系统PLC程序梯形图185结论19参考文献20附录21致谢25全自动洗衣机的PLC控制摘要本设计以全自动洗衣机为研究对象,利用了三菱FX2N系列PLC编程软件，对控制系统进行软件设计，并完成系统方案设计和硬件选型、I/O分配等内容，实现了全自动洗衣机的基本功能，包括程序选择，自动判断水位，自动脱水及必要的保护功能，最后用GXSIMULATOR6C软件对程序进行仿真。关键词PLC；全自动洗衣机；仿真DESIGNOFTHEFULLAUTOMATICWASHINGMACHINECONTROLPROGRAMBASEDONPLCABSTRACTTHISDESIGNBYFULLYAUTOMATICWASHINGMACHINEASTHERESEARCHOBJECT,USINGTHEMITSUBISHIFX2NSERIESPLCPROGRAMMINGSOFTWARE,THESOFTWAREOFCONTROLSYSTEMDESIGN,ANDCOMPLETETHESYSTEMSCHEMEDESIGNANDHARDWARESELECTION,I/ODISTRIBUTION,ETC,REALIZETHEBASICFUNCTIONOFTHEAUTOMATICWASHINGMACHINE,INCLUDINGTHEPROGRAMSELECTION,WATERLEVELAUTOMATICJUDGMENT,AUTOMATICDEHYDRATIONANDNECESSARYPROTECTIONFUNCTION,ANDFINALLYWITHGXSIMULATOR6CSOFTWAREFORTHESIMULATIONPROGRAMKEYWORDSPLCAUTOMATICWASHINGMACHINESIMULATION1绪论11背景自20世纪70年代以来，可编程控制器作为由集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备，凭着具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为现实工业生产自动化的支柱产品。它以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活,而且结构简单，抗干扰能力强，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程1。12研究意义中国洗衣机行业经过30多年的高速发展，我们可以看出中国家电业从完全挪用国外的技术和设计，转变到开始重视利用本土化的资源，进行本土化设计。不仅改变了初期国外品牌一统市场的局面，同时产品销售到国外市场，并且以过硬的质量，优秀的设计和多样化的功能，赢得良好的口碑。PLC控制弥补了继电器控制的一些缺点，如在长期磨损和疲劳工作条件下进行，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。社会的快速发展和人们生活节奏的加快使全自动洗衣机得到很快发展，PLC的出现为全自动洗衣机的自动控制提供了新的平台。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化控制技术和通信技术发展起来的一种新型控制装置，能够满足全自动洗衣机对控制系统的要求，赢得了很多企业的青睐，所以，有必要通过先进的技术和较低的成本开发和改善现有洗衣机，使其拥有更广阔的市场竞争力。而随着PLC的价格逐渐下降，我们可以应用PLC实现对洗衣机的开发，更好地为消费者服务。技术的进步要求设计人员能够不断的提出新的建议和课题，满足人们生活的需要，并设计出更加节能、功能更完善、更人性化的产品。因此，本文以PLC作为控制器设计全自动洗衣机控制系统具有很强的实用性和现实性。13设计目标全自动洗衣机要求实现以下功能（1）自动执行标准程序；（2）程序选择功能；（3）自动判定水位；（4）自动完成整个洗衣过程（进水、洗涤、漂洗、排水、脱水、完成报警）等。整个系统需要具有以下特点硬件电路简单、编程简单易读、可靠性较高、耗电量较少、运行速度快、寿命长、价格便宜等。根据使用需要，洗衣程序设计有自动方式和手动方式两种。洗衣机程序处于自动方式时，洗衣机执行标准程序，即PLC按照事先编写好的程序工作，包括自动设定水位和注水，按照各个过程所设定的时间完成注水、洗涤、排水、漂洗、排水、脱水等整个洗衣过程。当洗衣机程序处于在手动方式时，可以人为的在洗衣机洗衣过程中按下电源停止按钮，使电源断开，强制洗衣过程停止。也可以再通过启动电源按钮，继续洗衣过程。并且，可以通过手动脱水按钮进行排水和脱水，以控制水位和排水量。在整个过程中，可以根据自身需要，自行设定每个过程的时间，达到个性化洗涤的目的。14技术方案全自动洗衣机工作过程包括进水、洗涤、漂洗、排水、脱水等六部分，并且这六个过程是全自动依次执行，直到洗衣结束并报警提示洗衣过程完成。全自动洗衣机的进水、排水是通过水位开关、进水电磁阀及相应的水位浮球开关配合动作实现控制的。水位开关控制洗衣机的水位，进水电磁阀控制水的通断，排水电磁阀是在洗涤完毕或漂洗完毕后自动打开，实现自动排水。洗涤时，洗涤电动机启动，带动波轮正/反转动。漂洗时，依次循环执行自动脱水、自动进水、波轮轻微转动、自动排水。独立的脱水过程是在漂洗后，漂洗完毕洗衣机自动排水，待排水完毕后自动启动相关脱水设备开始脱水。脱水完毕后报警提示，自动断开电源4。控制电路的组成主要包括可编程序控制器、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。在全自动洗衣机控制系统中，PLC作为控制核心，能够通过输入端口设定时间等输入信号存入PLC内部寄存器，PLC内部CPU再对这些信号进行调取、处理，然后将处理后的信号通过输出端口控制洗衣机的执行机构，包括各种开关、电磁阀、电机等。洗衣机的工作情况就是由这些执行机构的运行状态决定的。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。软件设计首先确定I/O分配表，再进行系统结构分析，得到控制系统程序流程图，最后形成硬件连接图，画出梯形图。根据实际情况设置PLC各种参数，实现洗衣机自动控制。2PLC介绍21PLC的基本组成完整的PLC系统包括控制对象（机器）、执行元件（受PLC输出控制）、检测元件（连接PLC输入）、PLC、编程操作设备等。PLC虽然种类繁多，性能各异，但在硬件组成上，几乎所有PLC都由以下基本硬件组成2图1PLC硬件结构1中央处理单元CPU中央处理单元CPU是PLC的控制中枢，是直接决定PLC性能的最基本部件。它采用循环扫描方式，不断重复输入采样、执行用户程序、通信处理、内部诊断、输出刷新循环扫描。CPU主要功能有以下5个方面；（1）接收并存储编程器或其他外设输入的程序和数据；（2）诊断电源、PLC内部电路故障和编程中的语法错误；（3）接收并存储从输入接口输入的状态和数据；（4）逐条读取并执行存储器中的程序，并将运算结果存入存储器中；（5）根据运算结果，通过输出结果实现控制、通信等功能。存储器是PLC用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量及运算数据的单元。现在的PLC产品已经有多微处理器系统出现，有较大的存储能力和功能较强的输入输出接口。通过网络接口，可以实现不同类型的PLC和计算机相连接。PLC的技术已经非常成熟。2存储器PLC内部所使用的存储器按用途可分为系统存储器、用户存储器、数据存储器3类，按存储元件的种类可分RAM、ROM、EPROM、EEPROM等6，不同用途的存储内容可采用不同种类的存储器分别存储，也可以用同一种的存储器，通过内部划分不同的区域进行数据存储。系统存储器主要用于存储PLC的系统程序，系统程序包括管理程序、命令解释程序、中断控制程序等，是PLC正常工作的基本保证；用户存储器主要用于存储PLC的用户程序，通常所说的PLC存储器容量就是指用户存储器的存储容量，PLC中一步（STEP）是指一条PLC基本逻辑运算命令所占的存储容量；数据存储器用来存储PLC程序执行时的中间状态与信息，相当于计算机的内存，执行PLC的程序所需要的I/O映像、辅助继电器状态、定时器/计数器的中间状态、数据寄存器状态、程序的中间处理结果等都存储于数据存储器中。三种类型的存储器的特点分别如下3（1）RAM可以读写，PLC断电后，需要用专用电池保持RAM中的信息。（2）EPROM采用EPROM，程序需要用写入器写入。（3）EPROM和RAM一样，可以读写两用，并且PLC断电后不需要电池也可以保持存储器内的信息。表1三菱公司FX2N存储器型号容量存储器类型FXRAM8可扩展到16000步RAMFXEPROM4可扩展到4000步EEPROMFXEPROM8可扩展到8000步EEPROMFXEPROM16可扩展到16000步EEPROMFXEPROM4可扩展到16000步EPROM3输入输出接口电路（1）输入接口的主要作用是完成外部信号到PLC内部信号的转换。来自生产设备的或控制现场的各种输入信号通过输入接口电路，转换成PLC内部控制所需要的TTL电平，将模拟量信号转换成PLC处理所需要的数字量。（2）输出接口电路主要完成PLC内部信号到外部信号的转换，原理与输入接口电路一样。通过输出接口电路。可以将CPU处理完成的逻辑运算结果转换成外部执行元件所需要的各种开关量控制信号，将数字信号转换成外部控制所需要的模拟信号。4通信接口通信接口的主要作用是实现PLC与外部设备之间的数据交换。通过通信接口，PLC既可以与编程器等外部设备连接，实现PLC的数据I/O功能，也可以与计算机、远程I/O等进行连接，构成局域网等。5电源PLC的输入电源有交流输入与直流输入两种基本形式。PLC的内部电源主要提供TTL集成电路与集成运算放大器等组件的工作电源，因此需要将外部输入转换为DC5V、DC15V、DC24V等电压。22PLC的工作原理PLC内部以内存与编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需要的硬件空间。实际上PLC执行梯形图程式的运作方式是逐行将梯形图程序以扫描方式读入CPU中并最后执行控制运作。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。说明如下（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC首先扫描各输入端口的状态并将其存入对应的输入映像寄存器（例如SB1按钮闭合或断开，就将1或0写入对应继电器），一旦写入后即使输入再有变化，其值也不会有改变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入扫描时的输入端的状态值。（2）程序处理阶段PLC根据梯形图按先左后右、由上而下的顺序读入梯形图的程序，并进行逻辑运算。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。（3）输出刷新结果阶段执行完END指令后，PLC将元件映像寄存器中所有输出继电器（Y）的值转存到输出锁存器中，刷新上一阶段输出锁存器的数据，通过一定的输出方式，以驱动输出端的外接负载。23PLC的特点PLC使用方便，编程简单，采用简明的梯形图或语句表等编程语言，系统开发周期短，现场调试容易，控制方案的改变不需要拆动硬件。能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性也远高于继电接触器控制系统。24PLC执行用户程序的过程PLC执行过程分为输入采样、程序处理和输出刷新等三个阶段。输入采样阶段以扫描方式，顺序读入所有输入端的状态点（接通或断开状态），并将此状态输入寄存器中，接着转入程序执行阶段，即使输入状态变化，输入寄存器的内容也不不会改变，状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才能被读入。程序执行总是按先后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描。当遇到跳转指令时则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转4。当指令涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读取信息，并根据用户程序进行运算，运算的结果再存入输出映像寄存器中，对输出寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。25PLC等效电路PLC控制的等效电路由三部分组成5（1）输入控制部分。该部分接收操作指令（如启动按钮、停止按钮等）和被控对象的各种状态信息（如行程开关、接近开关等）。PLC的每个输入点对应一个内部输入继电器，当输入点与输入COM端接通时，输入继电器线圈通电，它的常开触点闭合、常闭触点断开；当输入点与输入COM断开时，输入继电器线圈断电，它的常开触点断开、常闭触点闭合。（2）控制部分。这一部分是用户编制的控制程序，通常用梯形图表示，控制程序放在PLC的用户程序存储器中。系统运行时，PLC依次读取用户存储器中的程序语句，对它的内容进行解释并执行，又将输出的结果送到PLC的输出端子，以控制外部负载的工作。（3）输出部分。该部分根据程序执行的结果直接驱动负载。在PLC内部有多个输出继电器，每个输出继电器对应一个硬触点，当程序执行的结果使输出继电器线圈通电时，对应的硬输出触点闭合，控制外部负载的动作。3控制电路设计及原理和构造31原理和构造设计原理采用按钮，各高度水位开关，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，一般有进水，洗涤，排水，脱水等环节。全自动洗衣机都具有以下基本功能7（1）方式选择功能（2）水位选择功能（3）自动报警功能（4）程序选择功能图2全自动洗衣机组成示意32洗衣机的控制系统组成一、供排水系统在供水时，控制器发出注水信号，控制可控硅打开进水阀，当水位到达设定的水位高度时，水位传感器发出数字信号，关闭进水阀，并停止注水。当需要排水时，控制器给出排水信号，控制排水可控硅导通，进行排水，当水位下降到水位传感器以下位置，关闭排水可控硅，停止排水。二、蜂鸣报警系统控制器根据洗衣机运行的过程或状态相应的给出蜂鸣或报警。比如，在洗衣过程结束后，自动进行蜂鸣器报警，提示用户洗衣完成。可编程序控制器是一种能够适应多种工业环境的控制装置，其稳定的性能受到广大工业生产者的好评。这种控制系统具有极高的可靠性和灵活性。应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC在其他领域也得到了迅速的发展。在性能价格比不断提高的同时，它所带来的成果越来越明显。综上所述，本次设计的洗衣机控制系统将由PLC可编程序控制器作为主要组成部分。三、洗衣机的安全开关也叫盖开关或门开关，安装在洗衣机控制盒体后部内侧的位置上，它在洗衣机工作过程中对洗衣机和操作者起安全保护作用。洗衣盖门合上时，安全开关触点是接通的，在洗衣机进行脱水等高速运转的程序时，用户如果打开洗衣机上盖或者把上盖揭开到一定高度，安全开关的触点断开，信号输入到程序控制器中，使洗衣机停止工作。洗衣机在脱水过程中，如果因转动不平衡而剧烈振动，与它相连的盛水桶将会碰撞安全杆，使安全开关的触点动作发出信号，这种信号为时断时续的信号，可以通过脉冲的个数来判断不衡状态，当脉冲个数超过一定数目时，则进行脱水不平衡修正，再自动进行脱水，若连续修正三次后，脱水桶仍然剧烈振动，洗衣机便停止工作提示报警9。四、电动机的选择由于家庭提供的电源限制故选单相电容运转式异步电动机。以36公斤全自动洗衣机为例，由于全自动洗衣机的脱水桶直径较大，这一偏心不能不考虑，所以计算时应以洗涤物可能产生前最大偏心为计算依据。脱水时电机功率比洗涤时要大，在确定电机功率时应以脱水时消耗的功率为依据，也就是说脱水时电机功率就是该洗衣机所确定的电机额定功率。由于在计算时一些因素如电机转子的转动惯量等没考虑，造成一些偏差，所以36公斤全自动洗衣机电机额定功率选为180瓦。符合全自动洗衣机的功率范围120W250W。故选择YY104180型号单相电容运转式电动机，功率180瓦,额定电压220V，转速1350R/MIN，电流17A。五、水位传感器的选择对于PLC控制的洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,谐振式水位传感器是利用电磁谐振电路LC作为传感器的敏感元件,将被测物体的变化转变为LC参数的变化,最终以频率参数输出。其工作原理是将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力,驱动内腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动,从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。故常采用谐振式水位传感器。图3控制面板图33PLC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FX2N32MR，继电器输出，有16个输入点，16个输出点，需要的对应的数字量输入地址为X0X12，需要的输出端子对应的输出地址是Y0Y5。考虑留有适当裕量，用于日后的程序改进，采用三菱FX2N36MR型PLC可满足设计要求8。34I/O分配表这个控制系统的输入有启动按扭、停止按扭、水位选择开关（高水位、中水位、低水位）、手动排水开关、自动排水开关、高水位浮球开关、低水位浮球开关、水排空浮球开关共11个输入点。由于CPU模块有16点数字量输入，有16点数字量输出，所以不再需要输入/输出模块。采用I/O分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是X0X15，输出端子对应的输出地址是Y0Y11。具体的输入分配如表所示。表2输入地址分配输入地址对应的外围设备X000电源开关SB1X001启动停止SB2X002水位设置SB3X003程序选择SB4X004安全开关SQ1X005高水位开关SQ2X006中水位开关SQ3X007低水位开关SQ4表3输出地址分配输出地址对应的外围设备Y000高水位指示灯L1Y001中水位指示灯L2Y002低水位指示灯L3Y003洗涤指示灯L4Y004清漂指示灯L5Y005脱水指示灯L6Y006标准指示灯L7Y007轻柔指示灯L8Y010报警提示指示灯L9Y014脱水离合器YA1Y015电动机正转继电器KM1Y016电动机反转继电器KM2Y012进水电磁阀继电器YA2Y013排水电磁阀继电器YA334PLC接线图PLC控制电路接线如图4所示。图4PLC外部接线图4软件设计41控制系统工作过程1按下电源按钮，系统默认是全程洗涤、中水位。2根据不同的要求进行水位的选择，洗涤程序的选择和洗涤方式的选择。3按下启动按钮。洗衣机按照随选择的方式进行洗涤如选择标准全程洗涤、高水位，按下启动按钮，进入洗涤程序，首先进水，达到高水位停止进水并正传洗涤，正转洗涤8秒后暂停2秒反转洗涤8秒后暂停2秒；如此反复10分钟后开始排水，水位降至低水位后延时5秒开始脱水，60秒后停止脱水，进入清漂过程。清漂过程与洗涤过程相似。实施电动机正反的时间不同，清漂的时间不同。经过进水清漂排水脱水第二次进水第二次清漂第二次排水，完成清漂的过程进行最后的脱水，2分钟后停止脱水，报警蜂鸣器间断接通10次，以示洗衣全过程的结束，关断电源11。4水位选择要求水位按钮一次，进行一次水位选择，按照高中、低循环的方式进行选择，某个水位被选择时，对应的指示灯亮。在洗衣的过程中，按水位按钮都有效，除了排水和脱水状态外，洗衣桶的水位低于选择的水位时将进水。5洗涤程序选择要求按动程序按钮一次，进行一次选择。按全程洗洗，清漂洗、脱水循环选择，对应的指示灯亮。洗衣机工作后按键无效。6洗涤方式选择要求按动一次程序选择按钮，进行一次选择，按照标准洗、轻柔洗循环选择，对应的指示灯亮。洗衣工作后，按此键无效。7如清漂过程中，清漂指示灯断续点亮，显示系统正在进行清漂过程中。清漂结束，轻飘指示灯熄灭。洗涤过程、脱水过程与此相同。8洗衣过程中，按下启动/暂停按钮，暂停洗衣，再按按钮，系统从暂停点开始运行。洗衣过程中按下电源开关按钮，系统复位并断开电源。洗衣机总流程图如图5所示开始选择水位设定浸泡时间选择洗涤方式轻柔浸泡是开始洗涤第一次清漂脱水（1MIN）第二次清漂脱水（1MIN）标准全程洗涤清漂、脱水否是开始洗涤洗涤结束否第一次清漂脱水（1MIN）第二次清漂脱水模式脱水（1MIN）洗衣完成指示灯亮浸泡是否洗衣机复位是图5洗衣总流程图清漂洗衣流程图如图6所示进水到达选择水位电机正转（标准8S,轻柔3S）电机停止（2S）电机反转（标准8S,轻柔3S）电机停止（2S）漂洗时间到（标准10MIN；轻柔6MIN）否是排水（时间到达低水位后再延时区5S）脱水60S图6清漂流程图42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。43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、仿真界面图如图7所示。图7PLC写入演示图图8仿真操作图强制ONX000启动按钮，程序开始运行，M0输出接通，进水电磁阀打开，当水位到设定水位后停止进水，等待2S后进入洗衣过程,开始洗衣，先正转20S，然后再反转20S，这样循环5次后进入排水过程,水排空后，开始脱水,