全自动洗衣机梯形图控制系统设计

1、电气控制与电气控制与 PLC 课程设计课程设计 题题 目目: 全自动洗衣机梯形图控制系统设计全自动洗衣机梯形图控制系统设计 院系名称：院系名称： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动自动 F0703 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 设计地点：设计地点： 中中 2-421 设计时间：设计时间： 2010-6-202010-6-25 成绩： 指导老师签名： 日期： I 摘 要 本次课程设计介绍了由可编程控制器、传感器在工业洗衣机控制系统中的 应用。以及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

2、、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。全自动洗衣机通过了可编程 序控制器来实现进水、洗涤、脱水、 排水的过程，省时省力。为人们提供 了一个方便的工具。 关键词： 可编程控制器 传感器 电机 洗衣机 II 目目 录录 1.1. 引言引言.1 1 1.11.1 系统描述及控制要求系统描述及控制要求 .1 2.2. 设计方案设计方案.3 3 2.12.1 选定控制器选定控制器 .3 2.22.2 系统组成框图及工作原理系统组成框图及工作原理 .4 2.32.3 硬件电路设计硬件电路设计 .4 2

3、.42.4 电气控制线路的原理草图电气控制线路的原理草图 .6 3 3 软件设计软件设计.7 7 3.13.1 系统运行主要流程图系统运行主要流程图 .7 3.23.2 I/OI/O 分配表分配表.10 3.33.3 系统对应外部接线图系统对应外部接线图 .10 3.43.4 系统总系统总 T T 形图形图 .11 4.4.系统监测与调试系统监测与调试.1313 5.5.设计心得设计心得.1414 参考文献参考文献.1515 0 1. 引言引言 可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、可靠 性极强、编程简单、使用方便、体积小。现已广泛应用于工业控制的各个领域， 它以微处理器

4、为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等， 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。 该设计采用三菱公司的 FX 系列可编程控制器。我们在这里有必要详细介 绍三菱的 FX 系列可编程控制器的性能指标，硬件组成和指令。 PLC 的学习比一般编程学习困难在于，要完成一个控制系统不仅需要掌握 一定的编程技术，更为重要的是要知道如何针对实际应用的需要选择合适的 PLC 型号，然后进行资源配置，设计控制系统。 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

5、。 1.1 系统描述及控制要求系统描述及控制要求 系统描述： 在现在各种控制系统中广泛应用 PLC，因为其能克服当今各种控制器的缺 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联网功能。 在应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相对 简单。因此次全自动洗衣机采用 PLC 控制系统将大大提高工作效率，和适应工 作环境的能力。 PLC 控制器控制端口输出，控制电机接触器线圈输出，以达到控制电机的 工作或停止。两个电机，一个电机应用于洗涤另一个电机用与抽水进水装置。 四个传感器分别用来检测排空检测、高水位检测、中水位检测、低水位检测。 检测信号输入到 PLC

6、中相应的开关作为工作输入信号。多路转换开关有人们操 作制定工作模式，多个按钮来控制电源接通或断开。 1 控制要求： （1）按下启动按钮及水位选择开关，注水直到高（中、 低）水位，关水 （2）2s 后开始洗涤 （3）洗涤时，正转 30s，停 2s，然后反转 30s，停 2s （4）如此循环 5 次，总共 320s 后开始排水，排空后脱水 30s （5）开始清洗，重复（2）（5） ，清洗两遍 （6）清洗完成，报警 3s 并自动停机 （7）若按下停车按扭，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数） 输入点： 输出点： 启动 x1 低水位检测 x11 启动洗衣机 y1 停止 x2 手动排水 x12 进水

7、阀 y2 高水位 x3 手动脱水 x13 正转 y3 中水位 x4 反转 y4 低水位 x5 排水 y5 排空检测 x6 脱水 y6 高水位检测 x7 报警 y7 中水位检测 x10 2. 设计方案设计方案 2.1 选定控制器选定控制器 PLC 有以下优点： 可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控 制装置；它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量 进行逻辑运算、定时、计算和算术运算等处理后，以开关量的形式输出，控制 各种机械或生产过程。 可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下 2 特点。 （1）可靠性高、抗干扰能力强

8、用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因 继电器触头接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全； 面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适用于各种恶劣 的环境，远远超过了传统的继电器控制系统和一般的控制系统。 （2）编程简单、易于掌握 PLC 采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑 的设计相似，具有直观、简单、易于掌握的优点。 （3）功能完善、灵活方便 随着 PLC 的发展，其功能更加完善，不仅具有开 关量逻辑控制功能和步进、计数功能而且还具有模拟量处理、温度控制、位置 控制、网络通信等功能。 （4）体积小、质量轻、功耗低 单片机系统的特点： （1）要求环境，单

9、片机对环境的适应能力较低，可靠性差。 （2）编程和 PLC 相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是 C 语言， 这些高级语言和 PLC 语言相比，难以学习。 （3）功能单一只具有使用中所需要的功能，但是，它结构简单，处理速度快。 通过论证，PLC 作为洗衣机控制器比较好。 2.2 系统组成框图及工作原理系统组成框图及工作原理 系统图如图 2.1 所示。它有以下几部分组成。 （1）压力传感器分别检测排 空检测、高水位检测、中水位检测、低水位检测。 （2）开关 由人们控制按通， 分别有高水位按钮、低水位按钮、中水位按钮，分别对应不同的洗衣模式。 （3）PLC 控制器，用来接收外部开关控制信号

10、和传感器控制信号，进行逻辑运 算、计数等处理后，以开关量输出，控制电机运转或停止。 （4）交流电机 分用 于进水和洗涤工作两种电机。 （5）各种指示灯 用来指示洗衣机运行状态。 3 各各种种水水位位 检检测测传传感感 器器 P PL LC C 各各种种开开 关关量量 电电机机进进水水 或或洗洗涤涤工工 作作 指指示示灯灯 2.1 系统组成框图 工作原理：由开关设置洗衣机洗衣模式，经传感器检测水位信号输入 PLC，经 PLC 计算、延时等判断是否满足开关量输出，满足则控制电机相应的工作，进 行进水或洗涤。同时指示灯亮指示相应洗衣机运行状态。 2.3 硬件电路设计硬件电路设计 （1）压力传感器 本

11、实验采用 HM21 利用流体静力学原理测量水位或液位，是压力传感器的 一种重要应用。用微机械加工技术制作的高灵敏度的硅压阻力敏元件是液位传 感器的心脏，辅之以带通气导管的专用电缆及专门的水密封技术，既保证了浸 入式传感器的水密封，又使得参考压力腔与环境气压相通，从而获得准确的测 量结果与优良。HM21 的主特性参数如下： 工作电压：2136VDC 性能参数 测量范围(FS)00.5m200mH2O 或 05KPa2MPa 允许过压2 倍满量程压力 测量介质 与 316 不锈钢兼容液体(特殊可选防腐型) 综合精度0.25%FS0.5%FS1%FS 长期稳定性典型：0.1%FS/年最大：0.2%F

12、S/年 使用温度范围一体式：-2070 分体式（插入式）：-2080 补偿温度范围一体式：-1055 分体式（插入式）：-1070 4 零点温度漂移典型：0.02%FS/最大：0.05%FS/ 满度温度漂移典型：0.02%FS/最大：0.05%FS/ 供电范围1236VDC（一般 24VDC） 信号输出420mA/15VDC/ 05VDC 负载电阻(U-10)/0.02 外壳：不锈钢 1Cr18Ni9Ni 膜片：不锈钢 316L 结构材料 密封：氟橡胶电缆:7.2mm 聚氯乙烯专用电缆 绝缘电阻100M,50VDC 防护等级外壳防护等级 IP68 安全防爆 Ex ia CT5 响应时间2 ms

13、 重 量约 250 克 分辨率无限小（理论），1/100000（通常） （2）三菱 FX2N 系列 PLC 本次设计主要采用 FX2N 系列 PLC，它主要由 中央处理器（CPU） 、存储 器、输入输出（I/O）接口电路、电源、扩展单元、外围设备等部分构成。 可编程控制器的主要性能指标： 1）输入输出（I/O 点数） I/O 点数是指可编程控制器外部输入、输出端子 数的总和。 2）存储容量 存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储器 容量，一般以步为单位，二进制 16 位即一个字为一步。 3）扫描速度 一般以执行 1000 步指令所需时间来衡量，也有以执行一步指 令所需时间来计算。

14、4）功能扩展能力 可编程控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩 展模块，以适应各种需要，如 A/D 模块、D/A 模块。 5）指令系统 指令控制系统是指一台可编程控制器指令总和。 （3）电机的选择 5 由于家庭提供的电源限制故选单相电容式转式异步电动机。以 3.6 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 功率就是洗衣机所确定的电机的额定功率。所以 3.6 公斤全自动洗衣机电机额 定功率选为 180 瓦。符合全自动洗

15、衣机的功率范围 120W-250W. 故选择 YY104-180 型号单相电容式转式电动机，功率 180 瓦，额定电压 220V，转速 1350r/min，电流 1.7A。 （4）发光二极管 用于指示洗衣机工作状态。连接在控制回路中，几十毫安就可以使二极管 发光指示作用。用它成本低、功耗小、性能稳定、适应家庭电器应用。 2.4 电气控制线路的原理草图电气控制线路的原理草图 QS 断路开关家用可采用 HZ10 系列组合开关，主要用于电源的引入。FU 熔断器是简单有效的保护电器，可选用半封闭插入式熔断器。KW 接触器选用 CJ12T-250 系列交流接触器，额定电流 250A。FR 热继电器是一种

16、保护电器， 专门用来对过载及电源断相进行保护，以防止电动机因上述故障导致过热而损 坏。常用 JR16、JR20、JRS1 系列热继电器，本次设计采用 JR16,额定电压 380V，额定电流 150A。M1、M2 分别为进水电机和洗涤电机。 X3、X4、X5、SB0 为四触头两档万能开关。SB1 是手动脱水开关。 X7、X10、X11 分别为高、中、低位水位检测压力传感器输入信号控制开关。 T0、T1、T2、T3 分别为时间继电器，采用空气式时间继电器，其具有结构简 单、调整方便、价格较低等优点。本次设计我们采用 JS23 系列空气时间继电器， 线圈额定工作电压直流 220V，延时范围 0.2-

17、0.3/s。 如图 2.2 所示为系统电气控制原理图： 6 M M1 1 K KW W1 1 M M2 2 K KW W2 2 K KW W3 3 F FR R Q QS S F FU U F FR RS SB B0 0 X X3 3X X4 4 X X5 5 X X7 7 X X1 10 0 X X1 11 1 K KW W1 1 T T0 0 K K2 20 0 K KW W2 2 T T1 1 K K3 30 00 0 T T2 2 K K2 20 0 K KW W3 3 T T3 3 K K3 30 00 0 X X3 3X X4 4 X X5 5 X X7 7 X X1 10 0 X

18、 X1 11 1 K KW W3 3 K KW W2 2 T T1 1 T T2 2 T T0 0 K KW W2 2T T1 1 S SB B1 1 T T1 1 T T2 2 T T1 1 T T2 2 K KW W3 3 T T3 3 进进水水电电机机 洗洗涤涤电电机机 2.2 系统电气原理控制原理图 3 软件设计软件设计 3.1 系统运行主要流程图系统运行主要流程图 系统流程图主要显示了，洗衣机系统从打开开关、进水、洗涤、脱水、排 水到洗衣机系统停止主要运行过程。洗衣机启动先初始化内部处理 PLC 输入扫 描、通信信号传输线路处理，PLC 通过输入得到各开关量及传感器信息，通过 运算、

19、计时等运行程序 T 形图，在经过输出扫描，输出相应的开关量信号控制 接触器输出，接通相应电机运行洗衣机的相应功能，进水、洗涤、脱水、排水 等操作。 如图 3.1 所示为系统流程图。 7 开开始始 初初始始化化状状态态 注注水水 洗洗涤涤正正转转 3 30 0秒秒 暂暂停停 暂暂停停2 2秒秒 洗洗涤涤反反转转 3 30 0秒秒 排排水水 暂暂停停2 2秒秒 正正反反转转洗洗满满5 5 次次？ 脱脱水水3 30 0秒秒后后 排排水水 洗洗涤涤两两边边 否否？ 报报警警3 3秒秒 停停机机 N N Y Y N N Y Y 排排空空否否？ Y Y N N 3.1 系统运行流程图 8 3.2 I/O

20、分配表分配表 PLC 输入输出对应点数，对应输入输出点数作用，应用 3.2 表如下： 输入点地址号信号名称输出点地址号信号名称 X2停止Y1启动洗衣机 X3高水位Y2进水阀 X4中水位Y3正转 X5低水位Y4反转 X6排空检测Y5排水 X7高水位监测Y6脱水 X10中水位监测Y7报警 X11低水位监测 X12手动排水 X13手动脱水 3.2 I/O 分配表 3.3 系统对应外部接线图系统对应外部接线图 应用 PLC 控制洗衣机的外部接线图，如图 3.3 所示洗衣机各部件相应开关、 传感器、外接执行器件的接口与 PLC 连接接口对应连接。 9 启动 液位 选择 开关 高液位检测 中液位检测 低液

21、位检测 手动排水 X3 X4 X5 X7 X10 X11 X12 C0M 排空检测 X6 X0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 COM 3.3 系统外部接线图 3.4 系统总系统总 T 形图形图 PLC 工作软件指令，梯形图是 PLC 编程语言之一。PLC 执行梯形图总是按 先上后下、先左后右的顺序对由节点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据 逻辑运算的结果，刷新输出映像寄存器或系统 RAM 区对应位的状态。在程序 执行阶段，只有输入运算寄存器区存放的输入采样值不会发生改变。其他各种 元素在输出映像寄存器或其他系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能随着 程序的执行随时发生改变。扫描是从

22、上到下顺序执行的，前面执行的结果可能 被后面程序所用到，从而影响后面程序执行的结果。 程序的执行就是 PLC 对输入的开关量信息的相应的运算、计时等，按照人 们的意愿完成，相应的输入开关量，在由设定的执行器进行动作。完成人们设 计系统要完成的功能。 10 11 4.系统监测与调试系统监测与调试 大体思路如下： 1.硬件调试：硬件调试是利用开发系统、基本检测仪表检查用户系统硬件 中存在的故障。硬件调试可以分为静态调试与动态调试两步进行。 （1）静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。 第一步：目测。检查外部的各种元件或者电路是否有断点。 第二步：用万用表检测。先先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检 测各种电源线与地线之间是否有短路现象。 第三步：加电检测。给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符 合要求的值。 第四步：联机检测。因为只有用可编程控制器开发系统才能完成对用户系 统的调试。 （2）动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的期 间内部故障、期间连接逻辑错误等的一