基于三菱PLC的投币式洗衣机系统.docx
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基于三菱PLC的投币式洗衣机系统
南京化工职业技术学院
毕业论文设计
题目：
基于三菱PLC的投币式洗衣机系统
姓名：
所在系部：
班级名称：
学号：
指导老师：
2012年12月
目录
摘要III
第一章绪论1
1.1设计选题背景1
1.2选题的目的与意义1
1.3论文的主要内容2
第二章可编程控制器3
2.1PLC的产生3
2.2PLC的基本结构3
2.2.1PLC的硬件结构3
2.2.2PLC软件系统5
2.3PLC的分类5
2.4PLC的工作原理6
2.5PLC的特点及应用6
2.5.1PLC特点6
2.5.2PLC应用7
2.6PLC的基本指令9
2.7PLC的设计内容及原则10
2.7.1PLC控制系统设计的基本内容10
2.7.2在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则10
第三章系统硬件设计11
3.1PLC的选择11
3.1.1FX2N系列的PLC11
3.1.2FX2N-48MR介绍11
3.2投币式全自动洗衣机的工作原理12
3.2.1投币式全自动洗衣机的工作流程图见下图3.2所示12
3.2.2投币式全自动洗衣机的构成13
3.3主要器件的选择13
3.4系统主接线图14
第四章控制程序设计15
4.1控制要求15
4.2I/O分配表15
4.3计时器、计数器说明16
4.4PLC接线图17
4.5梯形图18
4.6梯形图控制说明22
第五章系统调试26
5.1硬件调试26
5.1.1静态调试26
5.1.2动态调试26
5.2软件调试27
5.3对本系统的调试27
结论28
参考文献29
致谢30
附件指令表31
摘要
洗衣机的问世大大减轻了人们的负担，节省了宝贵的时间和精力。
并且随着科技的发展,洗衣机也在不断改进和创新。
而今投币式全自动洗衣机已经出现。
由于现在社会生活节奏的加快,24小时不间断营业无人值守的自助经营模式因其自主、自助、便利的特性,正被越来越多的人所接受。
因此它被越来越多的广大消费者所接受。
尤其在校园、军营、工厂等洗涤条件有限、人口集中居住场所,投币式全自动洗衣机具有非常广阔的应用前景。
为了满足公共场合自助洗衣需要，全自动洗衣机又有投币式、感应式、IC卡式等；从控制系统分，有集成电路控制、单片机控制和PLC控制、模糊控制等。
单片机以其控制功能强、环境适应性好、开发方便、体积小、价格适中等优点在家用电器上得到日益广泛的应用。
但是它也有不少的缺点：
指令系统复杂，编程难度大且控制系统的硬件要求多种电路保护装置；而基于PLC控制的全自动洗衣机具有编程简单、实现功能齐全、外围电路简单、时间计算精确以及可维护方便等一系列优点。
只是它的价格比单片机昂贵的多，比较适合温度过高、震动和冲击过强等工业环境，在家用电器控制中应用并不广泛。
目前市场上的全自动洗衣机也多采用单片机控制。
本文选用PLC来控制是从探究、学习的角度出发的，对PLC在工业洗衣机中的应用也具有重要参考价值。
该毕业设计将利用三菱公司的FX2N系列的PLC，设计了一个简单的投币式全自动洗衣机控制系统。
并对可编程序控制器（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、基本结构、工作原理、硬件知识及PLC控制系统等相关知识进行介绍。
关键词:
PLC；洗衣机；自助投币
第一章绪论
1.1设计选题背景
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，引起严重的后果。
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，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。
这种电路接线多，只适用于小型的控制电路。
随着科学技术不断进步和社会飞速发展，洗衣机成为人民日常生活息息相关的家用电器产品。
传统洗衣机基于电器的控制，已经不能满足人们对其自动化程度的要求了。
洗衣机要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。
自动化技术的飞速发展，使得洗衣机由最初的半自动式发展到现在的全自动式，并正在向智能化洗衣机方向发展。
本论文主要着重于投币式全自动洗衣机的控制，要求洗衣机能在投入一元后能实现进水、洗涤、排水、脱水、报警，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。
1.2选题的目的与意义
（1）掌握三菱FX2N系列PLC的原理、性能、使用特点和方法，提高运用PLC梯形图对系统进行编程的能力。
（2）本课题的研究可以使本人更好地掌握基于PLC控制系统的分析与设计方法，培养创新意识和理论联系实际的学风，提高自动化家电产品研发素质，增强针对实际应用进行控制系统设计的能力。
（3）采用PLC控制开发的周期短，开发成本低，可以直接用于工业现场控制。
PLC控制具有实时性、信号处理时间短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目，可靠性高，丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，PLC控制能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。
1.3论文的主要内容
（1）概要阐述课题来源、研究现状及研究意义。
（2）简要论述PLC的产生和发展，介绍PLC的工作原理及控制系统的设计方法、原则。
（3）对基于PLC投币式洗衣机的控制系统进行设计，主要包括控制要求、PLC选型、硬件接线、控制程序设计。
第二章可编程控制器
2.1PLC的产生
1969年美国数字设备公司（DEC），研制出了世界上第一台可编程控制（ProgrammableLogicController,简称PLC），在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意效果，可编程控制器由此诞生。
早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，只具有逻辑运算功能。
20世纪70年代中期，微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件，是其具有自我诊断功能，可靠性、性价比有很大突破。
到20世纪80年代，可编程控制器采用微处理器（CPU）、只读存储器、随机存储器或是单片机作为其核心，处理速度大大提高，功能更强体积又小。
90年代末，PLC几乎完全计算机化，各种智能模块不断开发出来，使其不断扩展着它在各类工业控制过程中的作用。
PLC一直在飞速发展中，因此一直没有比较明确的定义。
1987年，国际电工委员会（IEC）对PLC做出的定义如下：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种机械和生产过程。
而有关的外围设备，都应按照易于与工业系统联成一体，易于扩充其功能的原则设计。
”定义强调了PLC直接应用于工业环境；是“数字运算操作的电子系统”，即计算机；是用软件方式来实现“可编程”的。
2.2PLC的基本结构
PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机。
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种，这里介绍一般PLC的结构。
2.2.1PLC的硬件结构
通用型PLC的硬件基本结构主要由中央处理单元CPU、存储器、输入/输出（I/O）模块、电源及编程器组成。
（1）中央处理单元CPU
PLC的CPU与通用微机的CPU一样，是PLC的核心部分，它按PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态或数据，并存入输入过程状态寄存器或数据寄存器中；诊断电源及PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等；在PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路；分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容实现输出控制、制表打印、数据通信等功能。
以上这些都是在CPU的控制下完成的。
PLC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。
（2）存储器
存储器（简称内存），用来存储数据或程序。
它包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。
PLC配有系统程序存储器和用户程序存储器，分别用以存储系统程序和用户程序。
系统程序存储器用来存储监控程序、模块化应用功能子程序和各种系统参数等，一般使用ROM；用户程序存储器用作存放用户编制的梯形图等程序，一般使用RAM，若程序不经常修改，也可写入到EPROM中；存储器的容量以字节为单位。
系统程序存储器的内容不能由用户直接存取。
因此一般在产品样本中所列的存储器型号和容量，均是指用户程序存储器。
（3）输入/输出（I/O）模块
I/O模块是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。
PLC提供了各种操作电平和输出驱动能力的I/O模块供用户选用。
I/O模块要求具有抗干扰性能，并与外界绝缘。
因此，多数都采用光电隔离回路、消抖动回路、多级滤波等措施。
I/O模块可以制成各种标准模块，根据输入、输出点数来增减和组合。
I/O模块还配有各种发光二极管来指示各种运行状态。
（4）电源
PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来对PLC的内部电路供电。
（5）编程器
编程器分简易型和智能型两种。
简易型编程器只能在线编程，它通过一个专用接口与PLC连接。
智能型编程器即可在线编程又可离线编程，还以远离PLC插到现场控制站的相应接口进行编程。
智能型编程器有许多不同的应用程序软件包，功能齐全，适应的编程语言和方法也较多。
2.2.2PLC软件系统
PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合。
它包括系统程序和用户程序。
（1）系统程序
系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序等。
监控程序又称为管理程序，主要用于管理全机。
编译程序用来把程序语言翻译成机器语言。
诊断程序用来诊断机器故障。
系统程序由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接存取，故也不需要用户干预。
（2）用户程序
用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC的程序语言编制的应用程序，用以实现各种控制要求。
PLC的编程语言有梯形图、指令表和顺序功能流程图三种。
2.3PLC的分类
（1）小型PLC
连接开关量I/O模块、模拟量I/O模块以及其它各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数输入/输出点数在128点以下的PLC称为小型PLC。
其特点是体积小、结构紧凑，它可以据处理和传送、通信联网以及各种应用指令。
（2）中型PLC
输入/输出点数在128-512点之间的PLC称为中型PLC。
它除了具有小型机所能实现在功能外，还具有强在的网络通信功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。
（3）大型PLC
输入/输出点数大于512的PLC称为大型PLC。
它具有强大的软件硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。
另外大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。
2.4PLC的工作原理
PLC是按照上电处理、扫描过程、出错处理这个顺序来运行的。
当PLC处于正常运行时，它将不断重复图扫描过程，不断循环地工作下去。
如果对远程I/O特殊模块和其他通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷行”三个阶段了。
（1）输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。
此时，输入映像寄存器被刷新。
接着，进入程序执行阶段，在程序执行阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。
所以一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，否则很可能造成信号的丢失。
（2）程序执行阶段
根据PLC梯形图程序扫描原则，一般来说，PLC按先左后右、先上后下的步序逐句扫描。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态。
然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。
对元件映像寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行过程而变化。
（3）输出刷新阶段
在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，最后经过输出端子驱动外部负载。
2.5PLC的特点及应用
2.5.1PLC特点
（1）编程简单，使用方便
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其符号与继电器电路原理图相似。
有继电器电路基础的电气技术人员只要很短的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序，梯形图语言形象直观，易学易懂，。
（2）控制灵活，程序可变，具有很好的柔性
可编程序控制器产品采用模块化形式，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件，方便快速地适应工艺条件的变化，具有很好的柔性。
（3）功能强，扩充方便，性能价格比高
可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的逻辑判断、数据处理、PID调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能。
如果元件不够，只要加上需要的扩展单元即可，扩充非常方便。
与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。
（4）控制系统设计及施工的工作量少，维修方便
可编程序控制器的配线与其它控制系统的配线比较少得多，故可以省下大量的配线，减少大量的安装接线时间，开关柜体积缩小，节省大量的费用。
可编程序控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
一般可用接线端子连接外部接线。
可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能，便于迅速地排除故障。
（5）可靠性高，抗干扰能力强
可编程序控制器是为现场工作设计的，采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，硬件措施如屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、后备电池等，例如，西门子公司S7-200系列PLC内部EEPROM中，储存用户原程序和预设值在一个较长时间段（190小时），所有中间数据可以通过一个超级电容器保持，如果选配电池模块，可以确保停电后中间数据能保存200天。
软件措施如故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟，加强对程序的检测和校验。
从而提高了系统抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
2.5.2PLC应用
目前，可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门。
随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：
（1）逻辑控制
可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制，定时控制与顺序逻辑控制。
数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域最为普及，包括微电子、家电行业也有广泛的应用。
（2）运动控制
可编程序控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。
随着变频器、电动机起动器的普遍使用，可编程序控制器可以与变频器结合，运动控制功能更为强大，并广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。
（3）过程控制
可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/0模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换和D/A转换，并对被控模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。
现代的大中型可编程序控制器一般都有PID闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。
（4）数据处理
可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。
这些数据可以是运算的中间参考值，也可以通过通信功能传送到别的智能装置，或者将它们保存、打印。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（5）构建网络控制
可编程序控制器的通信包括主机与远程I/0之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备（如计算机、变频器）之间的通信。
可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
当然，并非所有的可编程序控制器都具有上述功能，用户应根据系统的需要选择可编程序控制器，这样既能完成控制任务，又可节省资金。
2.6PLC的基本指令
（1）LD/LDI指令：
LD和LDI指令是连接在母线连接的触点，表示操作开始，LD是常开触点，LDI是常闭触点。
（2）AND/ANI指令：
AND和ANI指令是串联连接的触点，AND是常开触点，ANI是常闭触点。
（3）OR/ORI指令：
OR和ORI指令是并联连接的触点，执行逻辑“或”的功能，OR是常开触点，ORI是常闭触点。
（4）OUT指令：
OUT指令执行逻辑输出的功能，条件成立时为ON，条件不成立时为OFF。
（5）ANB/ORB指令：
ANB完成支路间的串联的功能，用于执行支路之间“于”操作；ORB完成支路间的并联的功能，用于执行支路之间“或”操作。
（6）比较指令：
CMP（Compare）的功能指令编号为FNC10，16位运算占7个程序步，32位运算占13个程序步。
（7）传送指令：
MOV的功能号为FNC12，它是将源操作数的内容传送目标操作数。
（8）四则逻辑运算指令
①二进制加法指令ADD
ADD的功能号为FNC20，它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相加，然后运算结果传送到指定的目标操作数中。
②二进制减指令SUB
SUB的功能号为FNC21，它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相减,然后运算结果传送到指定的目标操作数中。
③二进制乘法指令MUL
MUL的功能号为FNC22，它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相乘，然后运算结果传送到指定的目标操作数为首地址的软元件中。
④二进制除法指令DIV
DIV的功能号为FNC22，它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相除,然后运算结果传送到指定的目标操作数D中，余数传送到D+1中。
2.7PLC的设计内容及原则
2.7.1PLC控制系统设计的基本内容
（1）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。
这些设备属于一般的电器元件，其选择的方法在其他有关书籍中已有介绍。
（2）PLC的选择。
PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。
选择PLC，应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。
（3）分配I/O点，绘制I/O连接图。
（4）设计控制程序。
包括设计梯形图、指令表（即程序清单）或控制系统流程图。
控制程序是控制整个系统工作的条件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。
控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。
（5）编制控制系统的技术文件。
包括说明书、电器固件及电器元件明细表等。
2.7.2在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电器控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
（2）保证控制系统的安全、可靠。
（3）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择容量时，应适当留有裕量。
第三章系统硬件设计
3.1PLC的选择
本论文将选择型号为三菱FX2N-48MR的PLC。
见下图3.1所示
图3.1FX2N-48MR
3.1.1FX2N系列的PLC
FX2N系列的PLC是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列PLC中最高档次的超小形程序装置。
除输入出16--25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
系统配置既固定又灵活：
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16--256点的灵活输入输出组合。
备有可自由选择，丰富的品种可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式，自由选择。
令人放心的高性能程序容量：
内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。
3.1.2FX2N-48MR介绍
（1）灵活的配置
除了具有满足特殊需求的大量特殊模块外,6个基本单元中的每个单元可扩展至256I/O。
（2）高速运算
基本指令:
0.08us/指令,应用指令:
1.52至几百us/指令。
（3）突出的寄存器容量
FX2N系列包括8K步内置RAM寄存器,用一个寄存器盒可扩展到16RAM或EEPROM。
（4）丰富的元件资源
3072点辅助继电器,256点计时器,235点计数器,8000数据储存器。
3.2投币式全自动洗衣机的工作原理
3.2.1投币式全自动洗衣机的工作流程图见下图3.2所示
开始
进水
洗衣
排水
脱水
结束
图3.2全自动洗衣机工作流程图
洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水和脱水4个过程组成。
全自动洗衣机中，这4个过程可做到全自动依次运行，直至洗衣结束。
全自动洗衣机的进水、洗衣、排水和脱水是通过水位开关、电磁进水阀和电磁排水阀配合进行控制，从而实现自动控制的。
水位开关用来控制进水到洗衣机内高、低水位；电磁进水阀起着通/断水源的作用。
进水时，电磁进水阀打开，将水注入；排水时，电磁排水阀打开，将水排出；洗衣时，洗涤电动机启动；脱水时，脱水桶启动。
3.2.2投币式全自动洗衣机的构成
以波轮式洗衣机为例：
波轮式全自动洗衣机主要由机械系统、控制系统、给排水系统和支撑吊杆系统等组成，以一个电动机完成洗涤和脱水。
波轮式投币洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的。
外桶固定，作盛水用。
内桶可以旋转，作脱水（甩水）用。
内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。
外桶下部壁上装有储气管，与水位传感器连接，控制水位高低。
桶壁上部开有溢水孔，用于排出溢水和漂洗时洗涤液泡迅速排出。
洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。
进水时，通过电控系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。
排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。
洗涤正转、
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