全自动洗衣机PLC课程设计论文Word文件下载.docx
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2.1.2控制设备要求
全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“手动停止”两种控制方式。
1.正常运行
“正常运行”方式具体控制要求如下：
（1）将水位通过水位选择开关设在合适的位置（高、中、低），按下“启动”按钮，开始进水，达到设定的水位（高、中、低）后，停止进水。
（2）进水停止后开始洗衣。
（3）洗衣时，正转15s，停3s，然后反转15s，停3s。
（4）如此循环共30次，总共1080s后开始排水并继续脱水
（5）然后再进水，重复
（1）
（4）步，如此循环共3次。
（6）洗衣过程完成，报警10s并自动停机。
2.强制停止
“强制停止”方式具体控制要求如下:
（1）若按下“停止”按钮，洗衣过程停止，即洗涤电机和脱水桶停止转动、进水电磁阀和排水电磁阀全部闭合。
（2）可用手动脱水开关进行手动脱水。
【注】“正常运行”和“强制停止”两种模式的运行是一样的。
2.2全自动洗衣机控制系统的PLC选型和资源配置
2.2.1控制系统构成图
1.控制系统图
控制系统图如图2.2所示
图2.2全自动洗衣机控制系统图
2.PLC的选型
全自动洗衣机控制采用三菱公司的FX2N系列整体式PLC。
根据设计要求，全自动洗衣机共有12个输入点，6个输出点，故选择PLC的型号为FX2N-32MR001，如下图2.3所示。
图2.3FX2N-32MR001
3.I/O模块的选择和I/O地址分配
开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。
选择时主要应考虑以下几个方面：
1）输入信号的类型及电压等级
2）输入接线方式
3）注意同时接通的输入点数量
4）输入门槛电平
开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。
1）输出方式
2）输出接线方式
3）驱动能力
4）注意同时接通的输出点数量
5）输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关
由于CPU模块有16点数字量输入，有16点数字量的输出，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X000
X017，输出端子对应的输出地址是Y000
Y017。
2.2.2模块功能概述
FX2N系列PLC硬件组成与其他类型PLC基本相同，主体由三部分组成，主要包括中央处理器CPU、存储系统和输入、输出接口。
PLC的基本结构如图1-1所示。
系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。
PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。
外部的开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信息和数据；
经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；
输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。
PLC的各部分协调一致地实现对现场设备的控制。
（1）中央处理器CPU
CPU的主要作用是解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其它功能，控制整个系统协调一致地工作。
常用的CPU主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。
（2）存储器模块
随机存取存储器RAM用于存储PLC内部的输入、输出信息，并存储内部继电器（软继电器）、移位寄存器、数据寄存器、定时器／计数器以及累加器等的工作状态，还可存储用户正在调试和修改的程序以及各种暂存的数据、中间变量等。
只读存储器ROM用于存储系统程序。
可擦除可编程序的只读存储器EPROM主要用来存放PLC的操作系统和监控程序，如果用户程序已完全调试好，也可将程序固化在EPROM中。
（3）输入输出模块
可编程序控制器是一种工业控制计算机系统，它的控制对象是工业生产过程，与DCS相似，它与工业生产过程的联系也是通过输入输出接口模块（I/O）实现的。
I/O模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。
PLC连接的过程变量按信号类型划分可分为开关量（即数字量）、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。
（4）编程器
编程器是PLC必不可少的重要外部设备。
编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。
编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机对话的界面。
随着PLC的功能不断增强，编程语言多样化，编程已经可以在计算机上完成。
CPU模块采用三菱的FX2N32MR001（AC/DC/继电器）模块，它控制着整个系统按照控制要求有条不紊地进行。
同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带16个数字量输入点和16个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量输入和输出模块。
2.3全自动洗衣机控制系统的电气控制
全自动洗衣机在工作过程中，需要靠电动机完成洗衣、清洗、脱水，在此过程中，还需要实现正反转，电气部分要在PLC程序控制下自动完成。
电气控制部分主要由电动机驱动波盘来实现正反转，电动机在快速转换过程中，电势能能够快速转换，但是电机内部磁场和电势不是同步转换的，因此再设计过程中需要考虑电机有一个暂停的过程，以便电机可靠地转换电势方向下，否则直接影响洗衣机的洗涤和脱水程序。
电机在正反转自动切换时要能保证高效、安全。
全自动洗衣机通过排空检测开关（SQ1）、高水位检测开关（SQ2）、中水位检测开关（SQ3）、低水位检测开关（SQ4）来检测水位高度的位置（检测开关遇水就通：
ON，离水就断：
OFF）。
水位选择有一个选择按钮来完成，水位浮球开关用来采样水位信息，由于水位浮球开关是机械式的，通过通断信号输入PLC，由PLC来控制进水阀和排水阀动作。
第三章、电气设计部分
如下图3.1为全自动洗衣机的PLC控制系统电路图。
通过PLC来实现电动机的正反转，并且实现洗衣机按预先设置的程序自动执行，完成洗衣。
当需要手动排水与脱水时，可强制止自动程序的运行，跳出自动切换到手动操作。
为防止全自动洗衣机在工作过程中，电路发生短路，损坏电动机和电路中的各种电气设备，因此在主电路中安装了熔断器，当电路出现短路故障时，能迅速、可靠的断开电源。
全自动洗衣的电机容量较小，主电路中的熔断器可同时作为控制电路的短路保护，所以在主电路中使用熔断器就足够了。
PLC部分和开关电源那的熔断器也是为了防止电路过电流，保护电路和电路中的电器元件。
全自动洗衣机在无人问津的情况下可能长时间运行，为防止电机绕组的温升超过额定值而损坏，采用热继电器作为保护元件，与熔断器搭配使用，可靠地保护电动机。
人机接口部分的按钮等都选择低压电器元件，保护操作者的安全。
3.1洗衣机的PLC控制电路
3.1电器元件的选择
1.电机的选择
根据本次设计要求和实际生活情况，选择如下表3.1中所示规格电动机：
图3.2科圣牌电动机
表3.1电动机规格
品牌
型号
电压（V）
频率（Hz）
功率（W）
转速（r/min）
启动转矩（N.m）
额定转矩（N.m）
科圣
YS104-180
380
50
180
1350
28
12.74
2.接触器的选择
交流接触器的选择主要考虑主触点的额度电流、额定电压、线圈电压等。
主触点的额定电流In可根据下面的经验公式进行选择：
式中
为接触器主触点额定电流；
K为比例系数，一般取1
1.4；
为被控电动机额定功率；
为被控电动机额定线电压。
并且，交流接触器主触点额定电压一般按高于电路额定电压来确定。
所以，取K=1
故选择施奈德的LC1-D0610M5C型交流接触器。
其外形图如图3.3所示
图3.3交流接触器
其主要技术参数为：
额定绝缘电压220V；
额定发热电流6A。
3.热继电器的选择
根据电动机频繁换向启动的工作情况，按下式选取：
所以，
故选取施奈德的LR2-D1306C型热继电器。
外形图如下图3.4所示
图3.4热继电器
脱扣等级10A；
整定电流范围1-1.6A；
配合施奈德D06~D38的交流继电器使用。
4.开关电源的选择
根据全自动洗衣机的设计要求，为保证安全，外部电器（包括电磁阀、蜂鸣器等）使用低电压直流电，为此选择了如下表3.2所示规格的开关电源，将交流电转换为要求的直流电。
图3.5开关电源
表3.2开关电源规格
输出电压（V）
输出电流（A）
效率
哈克特
HTSP-320F-24
24
0-13
87%
5.压力开关的选择
根据设计要求，全自动洗衣机需要对超重与否进行检测，为此选择如图3.6所示的压力开关，具体规格如下表3.3所示，用于检测超重与否。
图3.6压力开关
表3.3压力开关的规格
设定压力范围（KG）
最大允许压力（KG）
最大允许电流（A）
最大允许电压（V）
美国CCS压力开关604G3
2.07-24.48
15
250
根据设计要求，将压力设为20Kg。
6.水位浮球开关的选择
根据设计要求，选择Daehansensor品牌的DP-100S水位浮球开关。
图3.7水位浮球开关
主要技术参数：
供电电压:
DC12~30V
适用范围:
0.1-2
压力范围：
0-5bar
适用温度：
0-50℃
水位浮球开关安装示意图如下图3.8所示
图3.8水位浮球开关安装示意图
7.电磁阀的选择
根据设计要求，选择如下图所示的电磁阀，规格如下表所示。
图3.9电磁阀图3.10示意图
表3.4电磁阀规格
流量（
）
压力范围（bar）
供电电压
德国CO-AX
MK10
2.5
0-40
24VDC
8.蜂鸣器的选择
根据设计要求，选择如下图3.11所示的蜂鸣器，表3.5所示规格的压电式蜂鸣器。
图3.11蜂鸣器
表3.5压电式蜂鸣器的规格
类型
额定电压Ue（V）
响度dB/10cm
光亮度cd/
额定电流（mA）
压电式蜂鸣器
NFM1-22/LC
AC/DC12
70
85
20
【注】AC、DC电压的极限范围为0.85Ue
1.1Ue
9.熔断器的选择
根据单台异步电动机频繁变换转向，运用：
其中
所以
故选用CHOKUN品牌的RT16-20型号熔断器。
图3.12熔断器
表3.6熔断器主要技术参数
额定电压（V）
额定电流（A）
额定分段能力（KA）
熔断体额定耗散功率（W）
底座
熔断体
500V
690V
COS
RT16-00
500
160
2
120
0.1-0.2
12
【注】由于电机部分、PLC部分、开关电源部分的额定电流都小于2A，所以都选择额定电流为2A的熔断体。
10.按钮的选择
全自动洗衣机的人机接口中有按钮，方便操作时也要保证安全，为此选择了施奈德品牌的低压凸头按钮，并且带有指示灯LED，供电电压为直流电24V。
根据设计要求选择如下表3.6所示的开关和相应的数量。
表3.7按钮规格
按钮类别
完整型号
模块型号（按钮头+触点基座）
备注
启动按钮
XB2-BW13B1C
ZB2BW13C+ZB2BWB31C
绿灯、常开
停止按钮
XB2-BW14B2C
ZB2BW14C+ZB2BWB42C
红灯、常闭
高水位按钮
XB2-BW14B1C
ZB2BW14C+ZB2BWB41C
红灯、常开
中水位按钮
XB2-BW16B1C
ZB2BW16C+ZB2BWB61C
蓝灯、常开
低水位按钮
XB2-BW15B1C
ZB2BW15C+ZB2BWB51C
黄灯、常开
手动排水
手动脱水
第四章、PLC设计及调试部分
4.1全自动洗衣机控制系统程序设计调试
4.1.1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GXDeveloper。
4.1.2程序的流程图、构成和相关设置
1.流程图
（1）正常运行流程图
正常运行流程图如图4.1所示。
图4.1正常运行流程图
（2）强制运行流程图
强制运行流程图如图4.2所示。
图4.2强制运行流程图
2.程序的构成
这个程序有自动方式和手动方式两种。
在自动方式下，PLC将运行已经设置好的程序和参数（适用于机械一切都正常工作的情况下）。
在手动方式下是在紧急停止情况下，可以手动排水和脱水。
3.程序的下载、安装和调试
将各个输入输出端子和实际控制系统中的按钮。
所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。
全自动洗衣机程序是由GXDeveloper软件的指令完成，正常工作是程序存放在存储卡中，若要修改程序，先将PLC设定在STOP状态下，运行GXDeveloper编程软件，打开全自动洗衣机程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试。
4.2全自动洗衣机控制系统PLC程序
4.2.1系统资源分配
1.数字量输入部分
这个控制系统的输入有启动按钮、停止按钮、水位选择开关（高水位、中水位、低水位）、手动排水、自动排水开关、高水位浮球开关、中水位浮球开关，低水位浮球开关、水排空浮球开关、压力开关共12个。
具体的输入地址分配如表4.1所示。
表4.1输入地址分配
输入地址
对应的元器件
对应的外部设备
X001
SB1
X002
SB2
X003
SB3
高水位选择开关
X004
SB4
中水位选择开关
X005
SB5
低水位选择开关
X006
SQ1
水排空检测开关
X007
SQ2
高水位检测开关
X010
SQ3
中水位检测开关
X011
SQ4
低水位检测开关
X012
SB6
X013
SB7
X014
SP1
压力开关
2.数字量输出部分
这个控制系统需要控制的外部设备有进水电磁阀、排水电磁阀、洗涤电动机、脱水桶、报警器共五个设备。
但是由于洗涤电动机有正转和反转两个状态，分别都应正转继电器和反转继电器，所以输出点有六个。
具体的输出地址分配如表4.2所示。
表4.2输出地址分配
输出地址
Y001
YA1
启动洗衣机
Y002
YA2
进水电磁阀
Y003
KM1
洗涤电动机正转继电器及脱水
Y004
KM2
洗涤电动机反转继电器
Y005
YA3
排水电磁阀
Y006
YH
报警器
3.定时器和计数器
全自动洗衣机的控制系统中的工作时间和循环次数需要定时器和计数器来控制。
具体定时器和计数器分配如表4.3所示。
表4.3定时器和计数器分配
类别
元器件号
设定值
作用
定
时
器
T0
0s
进水后暂停时间
T1
15s
正转洗涤计时
T2
3s
正转暂停计时
T3
反转洗涤计时
T4
反转暂停计时
T5
30s
脱水计时
T6
10s
洗完报警计时
计数器
C0
5次
正反洗循环计数
C1
3次
大循环计数
4.PLCI/0硬件接线图
根据全自动洗衣机控制系统的输入、输出地址分配和定时器、计时器分配以及所选PLC型号，PLCI/O硬件接线图如下图4.1所示。
图4.1I/O硬件接线图
4.3源程序
1.辅助继电器
在本程序中，M0是按下启动按钮的辅助继电器；
M1是判断洗衣机水位是否和设定水位不一致的辅助继电器；
M2是判断洗衣机是否和设定水位一致的辅助继电器；
M3是停止自动洗衣机的辅助继电器，它的助记符如下。
//
//按下启动按钮，开始洗衣//洗衣机水位与设定水位不一致辅助继电器
////
LDX001LDX003
ORM0ANIX007
ANIX002LDX004
OUTM0ANIX010
//ORB
//洗衣机水位与设定水位设定LDX005
水位相一致辅助继电器ANIX011
LDX003OUTM1
ANDX007//
LDX004//停止自动洗衣辅助继电器
ANDX010//
ORBLDX002
LDX005ORM3
ANDX011ANIX001
ORBOUTM3
OUTM2
2.进水
在正常情况下，按下启动按钮或者脱水完毕，而且洗衣大循环未到三次时，开始进水，当水位达到设定水位后停止进水，并进入洗衣程序。
在强制停止情况下，当停止按钮按下时立即停止进水。
它的助记符程序为：
//进水到设定的水位，超重后报警，进水阀关闭，自动洗衣终止
//OUTY006
LDM0LDY006
LDT5RSTM0
ANIC1//
ORB
ORY002
ANDM1
ANIX002
ANIX014
OUTY002
LDX014
2.洗衣
进水到设定水位后，开始洗衣，先正转15s，暂停3s然后再反转15s，暂停3s这样循环30次后进入排水过程。
//
//洗涤电动机正转15s//洗涤电动机暂停3s
LDT0LDT1
LDIC0OUTT2K30
ANDT4//
ORY001
ANIT1
OUTY001
OUTT1K150
//洗涤电动机反转15s
LDT2
ORY004
ANIT2
OUTY004
OUTT3K150
//洗涤电动机暂停3s
LDT3
OUTT4K30
3.排水
洗衣过程完毕后，进入排水过程。
水排空后停止排水。
//洗衣小循环30次
LDY004
OUTC0K30
LDC0
OUTY005
//排水，直至水排空
ORY005
ANIX006
LDM3
ANDX012
4.脱水
水排空后，开始脱水，脱水30s后停止脱水。
因为判断水排空是否在排水完毕后，所以要用到水排完毕辅助继电器。
它的助记符程序如下：
//排水完毕辅助继电器
LDY005
ORM4
ANIY003
OUTM4
//脱水30s
LDX006
ANDM4
ORY003
ANIT3
ORX013
OUTY003
OUTT5K300
5.洗完报警
洗衣大循环3次后，开始洗完报警过程，10s后停止报警，这样整个洗衣过程结束。
//洗衣大循环3次
LDY003
OUTC1K3
LDC1
OUTY006
//报警10s
LDY006
ANIT6
OUTT6K100
END
4.4程序梯形图
第五章、总结
该系统采用PLC为控制核心结构合理、测试方法可靠，它具有较强的灵活性，提高了设备运行的可靠性，缩短产品开发周期，保证新产品各项技术开发的同步性，提高了劳动效率，达到了良好的经
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