毕业设计(论文)-基于plc全自动洗衣机控制系统的设计与研究

目录摘要IABSTRACTII1绪论111引言22全自动洗衣机控制系统总体方案论证321全自动洗衣机控制系统的控制功能322总体控制方案论证33控制系统硬件设计831硬件电路总体设计84控制系统软件设计1241控制系统软件设计1242系统的顺序功能图设计1343系统的梯形图设计13参考文献16致谢17附录18摘要可编程控制器PLC是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置,它的功能性强,可靠性高,编程简单,使用方便,体积小巧,近年来在工业生产中得到广泛的应用,被誉为当代工业自动化主要支柱之一。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。关键词全自动洗衣机可编程控制器简化结构降低成本1绪论11引言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贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计1。典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图11所示模拟量输入模块采样设备开关量输出模块执行装置计算机可编程终端和设备电源模块编程器模拟量输出模块图11PLC控制系统的硬件组成框图PLC控制系统的硬件是由PLC、输入/输出（I/O）电路及外围设备等组成。系统的规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。开发应用PLC的设计任务分为硬件和软件设计两部分。硬件设计主要包括1确定安排PLC的输入、输出点2设计外围电路,包括主电路开关量输入模块系统总线其他模块检测装置被控对象主控模块（CPU、存储器、通行接口等）3选购PLC并进行现场安装接线等内容。软件设计,大多数用梯形图和指令程序,主要包括1设计控制流程,根据工艺要求先画出工作循环,如有必要再画详细的状态流程图2根据工作循环图,画出虚拟的电路图继电器梯形图3按梯形图编写指令程序表4系统调试根据设计要求,对程序进行调试和修改,必要时还可对硬件进行修改,直到符合要求为止。本系统用PLC设计洗衣机的工作过程。2全自动洗衣机控制系统总体方案论证21全自动洗衣机控制系统的控制功能全自动洗衣机控制系统具有以下功能1电源开关功能当洗衣机电源处于断开状态时，按下电源开关按钮应能接通洗衣机电源；反之，当洗衣机电源处于接通状态时，按下电源开关按钮应能断开洗衣机电源。2启动暂停功能在洗衣机电源接通的情况下，当洗衣机处于暂停状态时，按下启动暂停按钮应能使洗衣机启动运行，当洗衣机处于运行状态时，按下启动暂停按钮应能使洗衣机暂时停止运行。3过程选择功能洗衣过程分为浸泡、洗涤、漂洗和脱水等4个阶段。用户可根据洗衣的进展情况，用过程选择按钮选择洗衣的起始阶段。4水位选择功能洗衣的水位分为110档，用户可根据衣物的多少，用水位选择开关选择合适的水位档次洗衣。5预约功洗衣的预能约起始时刻分为020档，这020档依次为自按下启动停止按钮起，经过0小时、1小时、2小时20小时后才开始洗衣。在洗衣机尚未启动之前，用户可根据自己的日程安排，用预约按钮预约洗衣的起始时刻。22总体控制方案论证221控制系统的比较洗衣机是一种在家庭中不可缺少的家用电器，发展非常快，全自动式洗衣机因使用方便得到大家的青睐，全自动即进水、浸泡、洗涤、漂洗、排水、甩干等一系列过程自动完成，控制器通常设有几种洗涤程序，对不同的衣物可供用户选择。全自动洗衣机控制系统可选择多种控制方案，如PLC、单片机、DSP、工业PC机等均能完成。目前国内市场上出售的全自动洗衣机的控制系统可大致分为两类一类是机械式控制系统，另一类是单片机式控制系统。机械式控制系统的全自动洗衣机具有工作可靠，抗干扰能力强，成本低、奉命长、价格低等优点，但其系统的结构较为复杂，机械部件容易损坏，要实现复杂的控制要求比较困难4。随着构成PLC的元器件性能的提高，PLC的可靠性也在相应地提高。一般PLC的平均无故障时间可达几万小时以上。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产的PLC不再标明可靠性这一指标，因为对PLC来讲这一指标已毫无意义了。经过大量实践人们发现PLC系统在使用中发生的故障大多是由于PLC的外部开关、传感器、执行机构引起的，而不是PLC本身发生的。图21洗衣机的简单工作过程222洗衣机的PLC控制系统概述如果利用PLC控制系统作全自动洗衣机的控制系统，就能克服以上两者的缺点。PLC自身具有的完善的功能，模块化的结构，开发容易、操作方便、性能稳定、可靠性高的特点和较高的性价比，且不需要印制印刷电路板，只需把设计调试好的程序输入到PLC里面，就可以直接安装到洗衣机里面使用，在一定程度上节省了时间和人力。现代社会是一个讲节能讲效率的社会，谁的产品更节能，谁的工作效率更高，那么那个产品，那个工厂就更有生命力，更有发展前途。下面以PLC作为洗衣机的控制系统做个简单的概述。图21为洗衣机工作流程示意图洗衣机起动后,进水控制器开关打开进水,水位到位后开始洗涤,洗涤电动机有正反转控制,当洗涤10次后,依次是排水10S,脱水10S,之后停机整个工作过程要求自动运行下面对本例的控制要求,系统的硬件结构及程序设计3个方面加以分析。控制要求及其分析明确系统的控制要求及对控制要求的分析理解是PLC系统硬件和软件设计的基础本例的控制要求可归纳为1下达起动指令后,进水控制器打开进水2水满,进水器开关关闭,停止进水,洗涤电动机正转起动3洗涤电动机正转10S后,反转运行10S4洗涤10次后洗涤电动机停转,排水控制器开关打开进行排水510S后,脱水电动机起动进行脱水610S后,停机通过对上述控制要求的分析,本例为一个以条件和时间为主要转换特征的顺序控制系统系统的硬件配置根据控制要求可考虑PLC系统的硬件设计,硬件设计的主要内容是分析系统所需的输入输出信息,确定PLC输入输出接点的类型、数量和PLC的配置,设绘系统的PLC输入输出接点的配置图为了满足上述控制要求,系统应输入以下开关信息1系统起动信号起动按钮X02系统停止信号停止按钮X13水位状态信号X2系统输出信息及连接器件如下1系统工作指示Y02水位控制器Y13洗涤工作状态信号Y24洗涤电动机正、反转接触器Y3、Y45排水控制器Y56脱水电动机接触器Y67脱水工作状态信号Y7根据上述对系统输出开关信息的分析,若采用FX2N系列PLC则系统的输入输出接点配置图如图22所示图22简单洗衣机的I/O接线图3系统的梯形图如图23图23简单洗衣机的梯形图根据系统的控制要求,PLC除需输入上述一些开关信息外,尚需使用PLC一些内部辅助继电器和定时器内部辅助继电器M0为中间继电器内部定时器为T0洗涤时间计时100S、T1正转洗涤时间计时10S、T2反转洗涤时间计时10S、T3排水时间计时10S、T4脱水时间计时10S根据输入输出接点配置和内部定时器的设定,按控制要求及其所确定的逻辑条件,便可设计图23所示的梯形图程序图中1为系统起停控制当输入起动的指令时X01,输出继电器Y0、Y1被激励,给出系统运行指示Y01并且进水器开关打开Y11图中2为洗涤控制当水位到位X21,辅助继电器M0被激励M01,输出洗涤指示信号Y21,T0计时100S同时洗涤电动机正转起动运行Y31T1计时10S,10S时间到位后T11洗涤电动机正转停止,反转起动运行Y41T2计时10S,10S时间到位后T21反转运行结束,正转起动运行,洗涤10次即T0计时200S时间到位T01洗涤结束图中3为排水控制当洗涤结束T01排水控制器被激励Y51且定时器T3开始10S计时,10S时间到位后T31,排水控制结束图中4为脱水控制排水结束后T31脱水电动机起动并运行,输出脱水指示信号Y21,并且T4计时10S,10S时间到位后T41脱水电动机停止运行,整个洗涤工作过程结束根据梯形图编制PLC指令程序时,可按照从左到右,自上而下的顺序,依次列出与梯形图具有对应逻辑关系的指令表23表23指令表1LDX02LDY13ANDX24ORB5ANDX16ANIT47OUTY08OUTY19LDX210ANDT011OUTM012LDM013OUTY214LDM015OUTT016K100017LDM018ANIT119OUTY320LDM021ANIT222OUTT123K10024LDT125LDT126OUTY427LDT128OUTT229K10030LDT031ORY532ANIT333ANIY334ANIY435OUTY536LDY537OUTT338K10039LDT340ORY641ANIT442OUTY643OUTY744LDY645OUTT446K10047END将上述程序通过编程器输入PLC并进行调试,按调试结果修改并确定最后的程序,以完成PLC系统的设计PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点,广泛应用于各行各业,实现工业生产过程的自动控制PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的随着PLC产品的发展,其应用范围越来越广。综上所述，故本课题决定采用PLC控制系统作为全自动洗衣机的控制方案。本课题采用三菱FX2N系列的PLC作全自动洗衣机的控制系统。3控制系统硬件设计31硬件电路总体设计311主电路设计如图31所示为三相异步电动机正反转控制的主电路图，其中FU为熔断器，KM1、KM2分别是控制正转和反转的交流接触器。图中用KM1和KM2的主触点改变电动机三相电源的相序，即可改变电动机的旋转方向。图中FR为热继电器，在电动机过载时，它的常闭触点断开，电动机停转。FUFR3MAC220/380VN去PLCI/O接线图L1L2L3图31全自动洗衣机电动机主电路图KM1KM2图31全自动洗衣机电动机主电路图312主电路电气元件选择电器元件以及所使用的型号和功能作用如表31所示。表31电器元件的型号和功能313系统PLC硬件接线设计当按下电源开关SA1时，洗衣机处于接状态，当再次按下电源开关，洗衣断电并停止。在洗衣处于接通时，如果启动按钮按下时，洗衣机进行启动进水。此系统设计有10个水位档次，用户可根据自己的要求选择合适的水位进行洗衣，比如，当用户选择1档水位进洗衣时，则进行1档水位检测并指示灯亮，当水位达到要求时，自行关水。可进行下一步洗衣。默认情况下为1档水位洗衣。时间预约还设置有0小时，1小时20小时，也就当用户按下预约按钮起经过0小时，1小时20后洗衣进行自动洗衣程序。各个时间还设有指示灯显示。默认情况下为0小时间预约。每按下一次，开关就会自行加1,比如按一次SQL,进行1档水位检测并洗衣，再按一次进行2档水位检测并洗衣，当10档水位洗衣时，再按下SQL时则又回到1档水位。如此循环。洗衣机的洗衣过程分别浸泡、洗涤、漂洗、排水和脱水等几个过程。PLC硬件接线图如图34所示。序代号名称数量规格型号备注1FR电机热继电器1JR020/3D用于电机过载保护2KM控制电机M的接触器3CJ1010交流接触器3FU熔断器3RL115主电路保护4PLC可编程序控制器1FX2N64MR三菱FX2N系列COM0Y0Y1Y2Y3Y4COM1Y5Y6Y7COM2Y10Y11Y12Y13COM3Y14Y15Y16Y17COM4Y20Y21Y22Y23COM5Y24Y25Y26Y27COM6Y30Y31Y32Y33LNCOMX0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14X15X16X17预约功能选择启动/暂停过程选择波盘正转波盘反转内桶旋转进水排水报警AC220VABCDEFGABCDLEABCDEFGABCDLEDC24VABCDEFGABCDEFG位位位位位位位位位位位位位位位位位位1档2档3档4档5档6档7档8档9档10档SA1AC220VRUNSA2SB1SB2SB3SB4SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7SQ8SQ9SQ10SQLFR水位选择PLC电源开关电源PLC运行开关1档水位检测开关2档水位检测开关3档水位检测开关4档水位检测开关6档水位检测开关5档水位检测开关7档水位检测开关8档水位检测开关9档水位检测开关10档水位检测开关电源过载保护KM1KM2KM1KM2YV1YV2YV3BECD4513CD4513LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9LED10电源指示LED11LNFX2N48MRFRLN0档水位检测开关预约功能选择启动暂停过程选择波盘正转波盘反转内桶旋转进水排水报警档档档档档档档档档档水位选择电源开关电源运行开关档水位检测开关档水位检测开关档水位检测开关档水位检测开关档水位检测开关档水位检测开关档水位检测开关档水位检测开关档水位检测开关档水位检测开关电源过载保护电源指示档水位检测开关0112233445566779810911A312A213A114A01574LS42图34全自动洗衣机控制系统PLCI/O接线图4控制系统软件设计41PLC程序的总体结构图为了适应全自动洗衣机控制系统的调试、检查和操作方便的需要，应使全自动洗衣机控制系统具备手动和自动两种工作方式。据此，基于PLC的全自动洗衣机控制系统的软件部分应由公用程序、手动程序、自动程序、信号显示和故障报警程序等五个部分组成。公用程序用于自动程序和手动程序相互切换的处理，开始执行自动程序时，要求洗衣机波盘与控制系统都处于初始状态。如果开机时洗衣机波盘与控制系统没有处于初始状态，则应进入手动工作方式，用手动操作使二者都进入初始状态后再切换到自动工作方式。自动程序是软件中最重要的部分，它用来实现全自动洗衣机在功能按钮的控制下自动地执行各项洗衣的各项步骤。自动程序可大大提高洗衣效率，节省人力和时间。信号显示及故障报警程序用来显示全自动洗衣机的工作状态，和洗衣完成后的报警提示。全自动洗衣机控制系统PLC程序的总体结构图如图41所示X0是自动/手动切换开关，当X0为OFF时将跳过自动程序，执行手动程序，当X0为ON时将跳过手动程序执行自动程序。图41PLC程序总体结构图42系统的顺序功能图设计本系统要求全自动洗衣机具有如下功能1电源开关功能当洗衣机电源处于断开状态时，按下电源开关按钮应能接通洗衣机电源；反之，当洗衣机电源处于接通状态时，按下电源开关按钮应能断开洗衣机电源。2启动暂停功能在洗衣机电源接通的情况下，当洗衣机处于暂停状态时，按下启动暂停按钮应能使洗衣机启动运行，当洗衣机处于运行状态时，按下启动暂停按钮应能使洗衣机暂时停止运行。3过程选择功能洗衣过程分为浸泡、洗涤、漂洗和脱水等4个阶段。用户可根据洗衣的进展情况，用过程选择按钮选择洗衣的起始阶段。4水位选择功能洗衣的水位分为110档，用户可根据衣物的多少，用水位选择开关选择合适的水位档次洗衣。5预约功能洗衣的预约起始时刻分为020档，这020档依次为自按下启动停止按钮起，经过0小时、1小时、2小时20小时后才开始洗衣。在洗衣机尚未启动之前，用户可根据自己的日程安排，用预约按钮预约洗衣的起始时刻。根据功能要求，设计出控制系统的顺序图如图42所示。43系统的梯形图设计全自动洗衣机控制系统梯形图的设计见附录1。本基于PLC的全自动洗衣机控制系统能使全自动洗衣机具有全自动洗衣的功能，打开电源，只需根据需要设定好洗衣的时间和洗衣的起始步骤，按下启动按钮，洗衣机就能自动完成进水浸泡洗涤漂洗排水脱水的洗衣过程。PLC是专门为工业环境设计的控制装置，一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境使用。但是，如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证系统的正常安全运行。干扰可能是PLC接受到错误的信号，造成误动作，或使PLC内部的数据丢失，严重是甚至会使系统失去控制。在系统设计时，应采取相应的可靠性措施，以消除或减少干扰的影响，保证系统的正常运行。图42系统的顺序功能图M0M1M2M3M4M5M6M7M8M9M10M11M12M13M8002X0M122X0M122TOCOCOK600D0Y3M123M100T1K12000M101M102M103SETM200Y0T3K90T4K20T1T3T4T2T5T2T5Y1T5K90Y4RSTM200X4Y0Y2Y4Y6C1K3K1800T6C1M103M14Y5T11RSTC1Y3SETM201Y0T8K90T9K20Y1T10K90T6C1M103M123T11K40预约时间