《全自动清理衣物机的PLC控制系统设计与仿真实现》7800字（论文）

摘要：家用电器的自动控制化和智能化已经慢慢地成为了我们当今社会的科技发展潮流。这种全新的科技技术的出现，非常大的程度化地方便了我们每天的生活，帮我们节约了不少时间，还提高我们的生活水平。与此同时，随着我国的科研技术不断地加强，这项技术变得越来越稳定，功能也变得越来越完善。本次课题主要内容是依照全自动清理衣物机的工作原理，根据实际情况并且考虑到成本等各方面因素，去选择一个最合适的PLC来完成我们的课题，并且关于如何运用可编程控制器PLC完成控制是我重点叙述的对象。本次控制系统的核心部分选用了日本三菱公司的FX3U系列的PLC来实现清理衣物机过程的自动化。关键词：PLCFX3U编程自动化控制1本课题研究意义以前清理衣服都是手动清理，很费力气而且也很消耗时间，但随着自动化技术的不断发展以及我国的生产力的不断提高，人们开始对生活的便利性有了更深的重视，为了解放人们的双手，节约人们的时间，于是自动化清理衣物机就诞生了。本课题就是基于这样一个社会现象，为人们设计了一个自动化控制的智能清理衣物机。而清理衣物机控制系统是整个电梯最核心的部分，它的作用是让衣物清理机知道自己在什么阶段的时候干什么事，本此课题的程序大致分为了以下几个环节：复位环节，放水环节，清理环节，排水环节，脱水环节。通过步进的形式将程序一一分为几个板块，然后让PLC多次执行或按顺序执行我们所需要的程序。这样做的好处是，不仅能让程序结构清晰，维护方便，又可以让衣物清理机充分的发挥自己所有的功能。同时我们用尽量少的设备去完成尽量多的功能，从而节约机器的成本，这样做也为国家的生产带来了利润和效率。针对个人而言，本此课题也让我能深入理解PLC并将其运用，培养自己实践，创新的能力。

2自动清理衣物机系统的基本情况2.1清理衣物机的结构全自动清理衣物机一般上有两种桶：一种桶是用来盛水用的，我们把它叫做外桶；而另一种是用来脱水用的，它主要功能是旋转，我们把它叫做内桶。同时我们在内桶上设计一些排水用的间隙，这样当我们需要清理衣服的时候，将外桶锁死，水就停驻在清理衣物机里，就可以开始清理衣服了；当我们需要脱水的时候，我们只需要将外桶的锁打开，使废水排出，这样启用内桶的旋转功能，废水就可以顺着间隙流入外桶，然后再通过外桶排到清理衣物机以外。图1全自动洗衣机结构图2.2清理衣物机的控制过程这整个过程都是在PLC的帮助下完成的，以达到自动注水，自动清理衣服，自动排除污水，自动脱水的效果。整个过程的描述具体为下：当打开清理衣物机的开关，同时激活PLC的开关，于是打开进水阀，开始让水龙头排入干净水。随着时间的推移，水位也开始在逐渐的上升，慢慢地水位到达高水位，接触到高水位传感器，通过PLC的处理，启动洗衣粉清理程序，立马关闭进水阀，并且开始启动清理电动机，使得内桶得以旋转，从而获得外力的作用以完成清理的过程。电动机在设定好的时间内做正传反转的规律运动，利用离心力使得衣物在内桶的内部边缘不断摩擦以擦除衣物上的污物，再利用电机提供的动力使得衣物和水在桶内翻转搅拌。在清理了一段时间之后，PLC又让清理衣物机的过程进入排水的环节，自动打开排水口，从而使污水缓缓流出洗衣机。当水位第一次降到低水位传感器以下时，PLC会返回最开始的程序，打开进水阀，让水龙头放水，再次让水位慢慢上升。当逐渐到达高水位感应器的时候，PLC又立马封闭进水阀，截止灌水，随后启动旋转电动机，重复刚才的过程，但这次过程的意义是清理衣物上面的洗衣粉以及化学残留物。在清洗了一段时间之后，PLC再次进入排水环节，自动打开排水口，让废水排出到衣物清理机外。当水位第二次下降到低水位一下，触发低水位传感器，此时启动脱水程序，保持排水阀的开启并启动电动机，使得电动机做正转，用离心力甩去衣物上的水，从而实现甩干的效果。当脱水动作在一段时间以后完成，也就是完成了一次洗涤工作。再拿走衣物之后，PLC再次让所有的输入输出设备复位，准备好下一次工作。2.3清理衣物机的控制要求（1）按下清理衣物机的启动开关之后，进水阀门开始打开，水龙头开始放水，等到水位慢慢到达高水位后，立马关闭水龙头。（2）先让清理衣物机的电机正向转动，让其持续10秒的清理过程之后暂停。（3）暂停5秒后，电动机开始反向转动并持续10秒之后又不转。（4）暂停5秒后，完成了一次清理的循环。（5）如此循环5次，然后开始排水。（6）待清理完成之后，系统自动复位。3全自动清理衣物机的硬件选择3.1PLC的选型3.1.1PLC的特点与优势1.PLC它体积比较小，所以它比较好维护，当设备出现故障时，比较好拆卸。其次是它能耗低，能够节约经济成本，对设备的损耗也比较小。

2.PLC的编程预先相对于C语言，JAVA以及汇编语言要简单很多，所有过程都可以通过简单的指令来实现。梯形图的语言更加直观，尤其是在错误诊断的时候能够快速找到问题所在。3.1.2PLC的主要功能PLC由于上述特点，所以广泛地被应用在各行各业，比如说石油公司，房地产公司，自动化控制公司，以及交通运输等各方各面，这里以PLC的功能具体做了一下几种阐述。1、基本功能PLC的具有开关量的逻辑运算、定时、计数、数据传输比较、位处理、数据处理和高速处理等作用和功能。PLC可以在其拓展口接其他拓展模块，输入输出端口不受自身所有单元限制，这就是其基本功能得到增强。PLC的基本功能运用广，其中有电梯、机床、汽车等重要产业。2、特殊功能PLC的特殊功能有两种。一种是过程控制，主要应用于在要求对物理量进行控制的场合，在模拟量控制中需要能把电路信号与数字信号彼此代替的模块。PLC的定位控制也被称为位置控制或者定点控制，是指当PLC发出控制指令是目标物体按照程序设定的速度、方向与位置完成位移。如果引入PLC作为定位控制器，编写相应控制程序，使PLC内置的计数器对其输入脉冲进行计数，根据计数输入的当前值发出相关指令完成相应动作，可实现精确控制。在机床工作、电梯移动、传送带、机械手臂等行业，定位控制的应用相当广泛。3、通信功能PLC的通信包含其内部单位通讯和其他智能系统进行通信，例如与计算机之间进行通讯。PLC的通信功能就是将PLC单元与其它智能系统进行互联，通过共同的协议和方式，完成数据的交换、传输、和处理。不同PLC生产厂家的通信系统也不同。3.1.3PLC的硬件结构PLC的本质就是为适应需求越来越大的工业生产而被创造出来的微型工控计算机。所以它的硬件结构与普通的计算机有许多的相似之处，一般的PLC硬件是由输入输出端口、CPU、通信接口、拓展接口、存储器等组成。3.1.4PLC编程语言不同的公司的PLC，如三菱、西门子、欧姆龙等大型PLC制造商，他们所创造的PLC编程语言也不同，一般有梯形图语言，指令表语言，顺序功能流程图语言等，这些语言也可以相互转化。3.1.5PLC的选择因为本次课题要用到，启动按钮，高水位传感器，低水位传感器等，来作为输入设备，所以我们要选择至少配备有3个输入端口的PLC。然后输出设备有进水电磁阀，电机正转接触器，电机反转接触器，排水电磁阀，以及外桶锁水器，所以我们还要至少有5个输出端口的PLC。综合端口的裕度问题，以及设备的成本问题，最终决定这次课题的核心控制元件用日本三菱的FX3U-16MR，它配备有8个输入端口以及8个输出端口，所以端口是足够的，并且这个PLC是小型的，所以成本也比较低，比较符合市面上自动清理衣物机的价格定位。图2控制系统的硬件连接图3.2电动机的选型以及原理图本课题的电机采用流异步电动机，其构成部分是定子和转子。一对空间互差90度的主副绕组的绕组被称为定子绕组，绕组通常串一个电容器是为了去产生旋转磁场，作用是使副绕组中产生一个相位上超前主绕组90度的电容性电流。制作时主、副绕组匝数、线径完全一样。通常将主、副绕组对调是为了控制方便，即两个绕组轮流充当主

副绕组，实现电机的正反转。这里简单阐述一下：当需要电动机正转的话，PLC会让正转接触器线圈KM1接触点接通，并且让反转接触线圈KM2接触点断开，这个时候绕组I就充当主绕组直接接在电机的电源两端，而绕组II跟启动电容串联之后，作为副绕组，这个时候电机会产生正旋转磁场，使得电机正转，让清理衣物机开始清理衣物。当想让电机停下来，PLC就断开正转接触器线圈KM1，以及反转接触器的线圈KM2，这个时候，电动机的两边没有电源，也就不会产生磁场，使得电机停止了旋转。当需要电动机反转的时候，PLC会让正转接触器线圈KM1接触点断开，并且让反转接触线圈KM2接通，这个时候绕组II就充当主绕组直接接在了电机的电源两端，而绕组I跟启动电容串联之后，作为副绕组，这个时候电机产生反转磁场，使得电机反转。

图3电机正反转原理图4I/O口地址分配本课题的输入设备有，启动按钮，高水位感应器，低水位感应器三个输入设备，而输出设备有进水电磁阀，正转接触器，反转接触器，排除电磁阀，外桶锁水器等五个输出设备，所以全自动清理衣物机的IO口分布如表1所示。表SEQ表\*ARABIC1全自动清理衣物机的IO口分布输入设备输入地址编号输出设备输出地址编号启动按钮X1进水电磁阀Y1高水位传感器X2正转接触器Y2反转接触器Y3低水位传感器X3排水电磁阀Y45软件系统设计5.1程序框图图4程序框图5.2程序设计细节有程序流程图可以知道，本次课题的程序需要4个计时器以及2个计数器，本次程序有5个判断语句，所以在梯形图程序里，我们采用步进程序比较方便。在4个计时器里：T0为电机正转计时器，我们把它的时间设置为10S；T1为暂停计时器，我们把它的时间设置为5S，在此期间电机不做任何动作；T2为电机反转计时器，我们把它的时间设置为10S；T3是暂停计时器，时间设置为5S，它的功能和原理跟T1是一样的。C100是循环次数计数器，它是放在电机正反转控制里面的；T4是脱水计时器，它的功能是让电机持续转动，以达到脱水的目的，而它的时间要求比较长，有60S。C101是一个大循环的计数器，它的功能是确定自动清理机是负责洗涤还是负责脱水。

整个过程里边有，进水，洗涤，排污水，清理，排废水，脱水的几个环节，所以我们采用了步进的形式可以方便且清晰的写出洗衣的步骤。5.3控制系统的软件设计5.3.1复位以及进水程序设计这个环节属于我们的复位环节和进水环节，当我们想启动自动清理衣物机的时候，直接按下开关，这个时候触发PLC启动开关X0，PLC首先进行复位并处于S0步进中，在这个步进之中，触发了Y1线圈，让进水阀开始了进水的过程。并且一直在保持，直到放到高水位区的时候，触发高水位传感器的开关X2，这个时候才终止进水，并进入下一个步进。5.3.2电机正转以及状态保持这个环节属于我们的清理环节，当步进进入S21的时候，让Y2线圈得电，并且让T0计时器得电，让计时器和Y2持续得电，当T0到达15S之后，T0的常开开关置1，处于通路状态，从而执行步进跳转命令行跳入下一个步进，实现的效果就是，当水放至高水位之后，洗衣机的电机立马开始正转，开始清理衣物，并且电机转动的过程会持续15S，直到电机转动了15S，电机会自动停止，并且程序会进入下一个步进。5.3.3电机暂停步进程序设计这个环节也是清理环节，当步进程序到达了S22之后，T1计时器开始得电并开始计时，在这个程序里除了计时器没有其他线圈，所以程序相当于放空状态。当T1计时到达5S之后，会让T1触点接通，这个时候会进入跳转步进程序，从而跳转到下一个步进。这表现出来的效果是，电机因为程序的放空状态而处于暂停状态，然后因为计时器的原因，电机的暂停状态得到了保持，并且要保持5S，5S之后自动清理衣物机进入下一个过程。5.3.4电机反转以及状态保持这个环节仍然是清理环节，当程序进入S23步进之后，这使得Y3线圈得电，PLC触发反转接触器，从而可以使电机反转。并且T2计时器也得电，开始计时，同时Y3得电的状态得以保持，当T2到达了15S之后，它使得T2触点处于置位状态，从而激发步进跳转程序。而它实现的效果是清理衣物机的电机立马开始反转，开始清理衣物，这让衣物得到了充分的搅拌，利用离心作用使得衣物和内桶相接触，从而使得衣服得到洗涤。因为计时器的作用，让电机转动的时间持续了15S，并且在15S之后，电机因为程序跳入了下一个步进从而暂停。5.3.5电机暂停以及计数程序设计这个环节也是清理环节，当步进程序到达了S24之后，T3计时器开始得电并开始计时，在这个程序里除了计时器没有其他线圈，所以程序相当于放空状态。与此同时，C100计数器会加1，为下一个判断步进做准备。当T3计时到达5S之后，会让T3触点接通，这个时候会进入跳转步进程序，从而跳转到下一个步进。这表现出来的效果是，电机因为程序的放空状态而处于暂停状态，然后因为计时器的原因，电机的暂停状态得到了保持，并且要保持5S，5S之后自动清理衣物机进入下一个过程。5.3.6判断是否循环正反转这个环节属于清理环节，当步进到达S25之后，PLC开始判断，判断步进是否要循环还是继续往下面执行，如果C100计数器的次数没有记到20次，那么步进会跳转到S21步进的时候，也就是说程序会循环一次，并让计数器加1，如果计数器的次数达到了二十次，那么当步进到达S25的时候，会让C100触点置位，那么会触发步进指令，从而跳转到下一个步进程序。体现出来的效果是，如果C100计数器没有二十次，洗衣机会不停地做正反转运动，直到洗衣机正反转做了20次，洗衣机才会当下一个环节。程序之中第一次循环是带洗衣粉的清理，第二次是清理洗衣粉的清洗。5.3.7排水环节设计这个环节属于系统的排水环节，当步进程序到达S26之后，如果X3传感器没有被触发，那么Y4线圈会通电，那么清理衣物机就会排水，并且下方的C101计数器会加一，当水位到达低水位之后，X3触点处于置位状态，那么程序会进入步进的跳转程序从而跳转到下一个步进。实现的效果是自动清理衣物机会一直排水，直到水位排到了低水位触发器一下，会让程序产生一个上升沿，这个时候会让X3置位，并中断排水的动作进而准备下一个动作。5.3.8判断是否需要大清理的程序设计这个环节属于系统的清理环节，目的是洗掉衣物上的洗衣粉。在S27步进里，通过上一个程序所做过的铺垫，如果C101计数器的计数值小于2，那么程序会跳转到S0步进，实现的效果是让洗衣机开始放水，当水放到高水位的时候开始搅拌衣服，这个过程的目的是为了洗掉衣服上的洗衣粉。而如果C101计数器的计数值为2，那么程序将不会循环而是调到下一个步进。5.3.9脱水程序的设计这个环节属于系统的脱水环节，触发Y4线圈以及Y2线圈，然后程序因为T4计时器的原因可以一直持续60S，当T4计时器经过60S之后，T4处于置1状态，当T4通电之后，触发步进跳转指令。这样体现的效果是，自动清理衣物机开始脱水，并且开始启动电动机开始正转，并且这个过程持续60S，大概衣物的水快脱干了，系统会跳出这个步进达到复位状态，到达S0。

6程序仿真6.1声明本次课题使用FX-TRN-BEG-C来实现PLC控制程序的仿真以检测程序是否能够实现预计的功能。但此软件的步进指令和GXDeveloper的步进指令有一些差别：原来在GXDeveloper的步进需要写SETS0，然后再让STLS0步进指令单独占用一行，并且其指令之下的梯形图为此步进的具体程序。而FX-TRN-BEG-C不一样，STLS0步进指令不需要占用一行，并且具体的梯形图程序犹如树干的树枝一样紧跟其后。还有因为FX-TRN-BEG-C软件本身存在一些BUG，当梯形图程序过于长的时候，步进指令会进行不下去，也就是不能让步进指令置位。经过多次测试，并不是我的梯形图问题，而是这个软件本身的漏洞原因。由于这个漏洞无法修复但又需要它来仿真，所以我采取拆分步进指令的办法来进行测试。把我的7条步进指令，拆成7段，分别测试并截图，从未避免了此软件的BUG问题。6.2仿真测试细节6.2.1进水程序测试程序先是上电扫描，进入STLS0，并且让Y1置位，激活进水阀6.2.2电机正转程序测试当水位到达高水位的时候会触发X2，使其通路后，进入下一个步进SETS20。并且在STLS20步进中，让Y2置位，使得电机正转，并通过计时器使得电机旋转持续15S。6.2.3暂停程序测试当步进在STLS21状态下的时候，只放置计时器，让清理衣物机处于暂停状态，并且持续5S。6.2.4电机反转程序测试当T1计时器计时完成后，程序会跳转到STLS22状态，并接通Y3，使得电机反转，并持续15S。6.2.5判断程序测试在STLS23状态下，洗衣机进入暂停状态，并对程序做判断。如果计数器的数值不为20，那么步进会跳转到S20状态，继续搅拌衣物。如果计数器的数值等于20，那么会跳转到S24状态，进入下一个环节。6.2.5排水程序测试在S24状态下，触发Y4线圈，使得洗衣机排水。当水位第一次到达低水位的时候，程序会跳转到S0状态，但当水位第二次到达低水位的时候，程序会跳转到S25状态，进入下一个环节。判断水位是否是第一次到达低水位是通过计数器来实现的。6.2.6脱水程序测试当程序到达S25状态之后，使得电机一直正转，并且持续60S。等待60S之后，程序复位，以用于下一次循环。

7结束语通过这次的PLC控制的课题，我更加深刻地理解到了全自动清理衣物机的工作原理，有PLC的优点和选型，研究洗衣机的工作过程，还有电动机如何实现正反转，这些内容不但让我巩固了关于本科所学的专业课的内容和科目，而且让我对这些知识有了更深入的理解，还培养了我的实践能力。从这个课题之中，我还领悟到了一个人生哲理，我们学东西不应该只停留于怎么去用，怎么去做题，而是通过现象发现它的本质，对待任何东西都要多问一个为什么。比如洗衣机为什么能正反转，通过实践操作仔细探究，结合自己以前学过的电路以及电机拖动的知识后发现，这是因为PLC会让正转接触器线圈KM1接触点接通，并且让