plc课程设计报告全自动洗衣机的PLC控制.docx
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plc课程设计报告全自动洗衣机的PLC控制
一、设计题目
全自动洗衣机的PLC控制
二、主要内容
本洗衣机具有两种洗涤方式：
标准洗和轻柔洗。
标准洗可以选择全程洗（洗涤、清漂、脱水全过程）、清漂洗（清漂和脱水过程）、脱水中任意一种；轻柔洗只能为全程洗。
每种洗涤方式有高、中、低三种水位供选择，洗涤过程中只能改变水位，而不能改变已选择的洗涤程序。
三、具体要求
1.按下电源按钮，系统默认标准全程洗涤洗、中水位。
2.根据所需要求进行水位选择、洗涤程序选择和洗涤方式选择。
3.按下启动按钮，洗衣机按照所选择的方式进行洗涤。
4.水位选择要求按动水位按钮一次，进行一次水位选择，按照高、中、低循环式选择，某个水位被选择时，对应水位指示灯点亮。
5.洗涤程序选择要求按动一次程序选择按钮，进行一次选择，按照全程洗、清漂洗、脱水循环式选择，对应的指示灯点亮。
6.洗涤方式序选择要求按动一次程序选择按钮，进行一次选择，按照标准洗、轻柔洗循环式选择，对应的指示灯点亮。
7.如清漂过程中，清漂指示灯断续点亮，显示系统处于清漂过程中。
清漂过程结束，清漂指示灯熄灭。
洗涤过程、脱水过程与此相同。
8.洗衣过程中，按下启动/暂停按钮，暂停洗衣，再按启动/暂停按钮，系统从暂停点处开始运行。
洗衣过程中按下电源开/关按钮，系统复位并断开电源。
在上述具体的要求下，完成硬件电路的制作和接线，PLC控制程序的设计及联机调试，直至满足要求。
四、进度安排
1.理解课程设计内容及设计要求，查阅资料（第一周的星期一）。
2.PLC外围硬件电路的制作和接线，构思设计方案（第一周的星期二至星期三）。
3.PLC控制程序设计、程序调试及系统的总体调试，撰写课程设计报告（第一周的星期四至第二周星期四）。
4.课程设计答辩、批改设计报告，登载成绩（第二周星期五）。
五、完成后应上交的材料
PLC外围硬件连接电路、程序清单及课程设计总结报告。
六、总评成绩
指导教师签名日期年月日
系主任审核日期年月日
摘要
本课程设计将PLC应用到了全自动洗衣机的控制程序中，实现了电器的自动化控制。
洗衣机程序由电源开关、洗涤程序和方式的选择，高中低水位的选择，启停、进水、洗涤、清漂、排水、脱水、报警到自动停止的循环过程。
在PLC梯形图程序中，用到步进指令、比较指令和其他一些简单的指令，用到定时器和计数器，结合相应的硬件系统，按钮开关和LED,并通过三菱FX2N系列PLC仿真系统模拟出全自动洗衣机的运行过程。
关键词：
全自动洗衣机；PLC;FX2N系列；梯形图
一、概述
1、洗衣机的工作原理
本洗衣机具有三种不同形式的功能选择，即水位选择、洗涤程序（洗衣过程）选择和洗涤方式选择。
三种不同形式选择的功能如下：
水位选择：
分别有高、中、低三种水位，洗衣机水桶水位到达所选择的水位时，相应的水位开关闭合，反之水位开关断开。
洗涤程序选择：
分为全程洗（洗涤、清漂、脱水全过程）、清漂洗（清漂和脱水过程）、脱水三种。
洗涤方式选择：
分标准洗和轻柔洗两种，标准洗和轻柔洗的不同在于，一是在洗涤、清漂、脱水各过程中所需时间不同；二是标准洗可以选择全程洗、清漂洗、脱水中任意一种，轻柔洗为只能为全程洗。
2、全自动洗衣机
全自动洗衣机是通过水位开关与电磁进水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断：
从而实现自动控制的。
电磁进水阀起着通、断水源的作用。
当电磁线圈断电时，移动铁芯在重力和弹簧力的作用下，紧紧顶在橡胶膜片上，并将膜片的中心小孔堵塞，这样阀门关闭，水流不通。
当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内。
由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。
水位开关实际上是一个压力开关。
，气室的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。
当水注入洗衣桶后，贮气室口很快被封闭，随水位上升，贮气室的水位也上升，被封闭的空气压强亦增大，水位开关中的波纹膜片受压而胀起，推动顶杆运动而使触点改变，从而实现自动通断。
3、洗衣机的智能化
1.按下电源按钮，系统默认标准全程洗涤洗、中水位。
2.根据所需要求进行水位选择、洗涤程序选择和洗涤方式选择。
3.按下启动按钮，洗衣机按照所选择的方式进行洗涤，如选择了标准全程洗涤、高水位，按下启动按钮，进入洗涤过程，首先进水，到达高水位停止进水并正转洗涤，正转洗涤8s后暂停2s反转洗涤，反转洗涤8s后暂停2s；如此反复10min后开始排水，水位降至低位后延时5s开始脱水，30s后停止脱水进入清漂过程。
清漂过程与洗涤过程相似，只是电动机正反转的时间不同，清漂总时间不同。
经过进水→清漂→排水→脱水→第二次进水→第二次清漂→第二次排水，完成清漂过程进行最后脱水，2min后停止脱水，报警蜂鸣器间断接通10次，以示洗衣全过程结束，关断电源。
4.水位选择要求按动水位按钮一次，进行一次水位选择，按照高、中、低循环式选择，某个水位被选择时，对应水位指示灯点亮。
在洗衣过程中，按水位按钮都有效，除排水和脱水状态外，洗衣桶的水位低于现选择的水位时将进水。
5.洗涤程序选择要求按动一次程序选择按钮，进行一次选择，按照全程洗、清漂洗、脱水循环式选择，对应的指示灯点亮。
洗衣机工作后，按此按钮无效。
6.洗涤方式序选择要求按动一次程序选择按钮，进行一次选择，按照标准洗、轻柔洗循环式选择，对应的指示灯点亮。
洗衣机工作后，按此按钮无效。
7.如清漂过程中，清漂指示灯断续点亮，显示系统处于清漂过程中。
清漂过程结束，清漂指示灯熄灭。
洗涤过程、脱水过程与此相同。
二、设计总述
1、工艺要求及动作流程
本洗衣机具有三种不同形式的功能选择，即水位选择、洗涤程序（洗衣过程）选择和洗涤方式选择。
三种不同形式选择的功能如下：
水位选择：
分别有高、中、低三种水位，洗衣机水桶水位到达所选择的水位时，相应的水位开关闭合，反之水位开关断开。
洗涤程序选择：
分为全程洗（洗涤、清漂、脱水全过程）、清漂洗（清漂和脱水过程）、脱水三种。
洗涤方式选择：
分标准洗和轻柔洗两种，标准洗和轻柔洗的不同在于，一是在洗涤、清漂、脱水各过程中所需时间不同；二是标准洗可以选择全程洗、清漂洗、脱水中任意一种，轻柔洗为只能为全程洗。
三、PLC控制系统方案设计
1、PLC控制系统设计的基本原则
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，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
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。
这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。
同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
（2）保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。
例如：
应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
（3）力求简单、经济及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。
因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
（4）适应发展的需要
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
2、PLC的选型
2.1控制功能
2.1.1逻辑控制功能
逻辑控制功能是PLC最基本功能之一,是PLC最基本的应用领域，可取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。
在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。
2.1.2定时控制功能
定时控制功能是PLC的最基本功能之一。
PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。
定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运动过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。
同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确实时控制。
2.1.3计数控制功能
计数控制功能是PLC的最基本功能之一。
PLC为用户提供许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号（计数值到），利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。
计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。
2.2I/O模块及点数
输入/输出接口通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。
PLC输入接口---用户设备需输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进入机内）等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理单元能够接收和处理的信号，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据。
PLC输出接口---路将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。
2.2.1I/O接口的作用：
电平转换功能：
由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。
2.2.2I/O接口的类型：
开关量输入/输出接口
模拟量输入/输出接口
2.2.3输入/输出（I/O）点数：
PLC的I/O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。
本次设计的全自动洗衣机需要8个输入点，11个输出点。
2.3PLC输出类型选择
PLC的输出类型有继电器和晶体管两种类型，两者的工作参数差别较大，
2.3.1继电器和晶体管输出工作原理
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中。
电磁式继电器是一种机电元件，通过机械动作来实现触点的通断，是有触点元件。
晶体管是一种电子元件，它是通过基极电流来控制集电极与发射极的导通。
它是无触点元件。
2.3.2继电器与晶体管输出的主要差别
由于继电器与晶体管工作原理的不同，导致了两者的工作参数存在了较大的差异。
（1）驱动负载不同
继电器型可接交流220V或直流24V负载，没有极性要求；晶体管型只能接直流24V负载，有极性要求。
继电器的负载电流比较大可以达到2A，晶体管负载电流为0.2-0.3A。
同时与负载类型有关。
（2）响应时间不同
继电器响应时间比较慢（约10ms-20ms），晶体管响应时间比较快，约0.2ms-0.5ms，Y0、Y1甚至可以达到10 us。
（3）使用寿命不同
继电器由于是机械元件受到动作次数的寿命限制，且与负载容量有关，随着负载容量的增加，触点寿命几乎按级数减少。
晶体管是电子原件只有老化，没有使用寿命限制。
2.3.3继电器与晶体管输出选型原则
继电器型输出驱动电流大，响应慢，有机械寿命，适用于驱动中间继电器、接触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。
晶体管输出驱动电流小，频率高，寿命长，适用于控制伺服控制器、固态继电器等要求频率高、寿命长的应用场合。
在高频应用场合，如果同时需要驱动大负载，可以加其他设备（如中间继电器，固态继电器等）方式驱动。
综上所述：
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，故选择PLC的型号为FX2N-32MR001，如图2所示。
图2-1FX2N-32MR001实物图
3、指示/显示方式选择
LED发光二极管优点：
寿命长、耗能低，价格低廉，应用非常灵活，控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光，不同光色的组合变化多端。
LCD是一种液晶显示器，其有微功耗，显示丰富，质量高，接口简单，超薄轻巧等优点。
CTR的优点是显示面积大，效率高。
综上所述：
使用LED比较合适，因为洗衣机上的显示不需要太复杂，LED使用起来简单方便又便宜，而LCD的显示亮度不够，CTR比较占空间使用不方便。
4、保护措施
过载保护：
就是当电源停电或者由于某种原因电源电压降低过多（欠压）时，保护装置能使电动机自动从电源上切除。
因为当失压或欠压时，接触器线圈电流将消失或减小，失去电磁力或电磁力不足以吸住动铁心，因而能断开主触头，切断电源。
热继电器是比较理想的自我保护的设备，在工业应用中一般，都用热继电器来过载保护。
失压保护：
就是当电源停电或者由于某种原因电源电压降低过多（欠压）时，保护装置能使电动机自动从电源上切除。
因为当失压或欠压时，接触器线圈电流将消失或减小，失去电磁力或电磁力不足以吸住动铁心，因而能断开主触头，切断电源。
过流保护：
很多电子设备都有个额定电流，不允许超过额定电流，不然会烧坏设备。
所以有些设备就做了电流保护模块。
当电流超过设定电流时候，设备自动断电，以保护设备。
1、电路与系统设计
1、主电路设计
控制电机主电路
全自动洗衣机的PLC控制系统主接线路图如图3所示。
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，可以强制止自动程序的运行，掏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。
全自动洗衣机的电机容量较小，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。
全自动洗衣机在长时间工作下，为了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。
图3-1主接线路图
2、PLC控制电路设计
2.1I/O口分配表：
类别
元件
端子符号
功能作用
输入
SB0
X0
电源开/关按钮
SB1
X1
启动/暂停按钮
SB2
X2
水位设置按钮
SB3
X3
程序选择按钮
SB4
X4
洗涤方式选择按钮
SB5
X5
高水位开关SQ1
SB6
X6
中水位开关SQ2
SB7
X7
低水位开关SQ2
输出
KM1
Y0
电动机正转接触器
KM2
Y1
电动机反转接触器
YV1
Y2
进水电磁阀
YV2
Y3
排水电磁阀
YV3
Y4
脱水电磁阀
HA
Y5
报警蜂鸣器
HL1
Y6
高水位指示灯
HL2
Y7
中水位指示灯
HL3
Y10
低水位指示灯
HL4
Y11
洗涤指示灯
HL5
Y12
清漂指示灯
HL6
Y13
脱水指示灯
HL7
Y14
标准洗指示灯
HL8
Y15
轻柔洗指示灯
表3-1I/O口分配表
2.2定时器、计数器说明：
表3-2定时器、计数器说明
类别
器件号
设定值
功能作用
定时器
T0
8s
标准正转洗涤
T1
3s
轻柔正转洗涤
T11
5s
排水后延时
T12
3s
高位选择延时
T13
2s
中位选择延时
T14
5s
低水位开关延时
T15
30s
清漂过程脱水
T16
1s
蜂鸣器延时
T21
1s
洗涤程序延时
T22
1s
脱水程序延时
T23
1s
清飘程序延时
T246
2s
电机停止
T247
8s
标准反转洗涤
T248
3s
轻柔反转洗涤
T250
2s
电机停止
T251
5s
排水阀开关延时
T252
10s
进水阀开关延时
T253
5s
标准洗涤总时间定时
T254
3s
轻柔洗涤总时间定时
T255
2s
脱水总时间定时
计数器
C0
3
水位选择
C3
1
标准洗指示灯计数
C4
2
轻柔洗指示灯计数
C5
1
洗涤程序选择
C6
2
清漂程序选择
C7
3
脱水程序选择
C8
2
标准洗涤方式选择
C9
4
轻柔洗涤方式选择
C10
2
排水电磁阀计数
C11
4
进水电磁阀计数
C12
2
脱水电磁阀计数
C13
5
蜂鸣器报警计数
2.3PLC控制电路连接线路图如图3-2所示
图3-2PLC硬件连接线路图
四、洗衣机的工作流程图
1、洗衣全过程流程图
图4-1洗衣全过程流程图
2、洗涤过程流程图
图4-2洗涤过程流程图
3、清漂过程流程图
图4-3清漂过程流程图
五、全自动洗衣机控制系统程序设计调试
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GXDeveloper8.86版本。
适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能,结构化程序的编写（分部程序设计），可制作成标准化程序,在其它同类系统中使用。
本软件包适用于三菱（MITSUBISHIFA）FX0N/1N/1S/2N/2NC、AnS/AnA、MELSEC-全系列工控PLC系统的程序编制。
2、程序步骤说明
（1）启动并选择洗涤方式、程序和水位程序段
图5-1启动并选择洗涤方式、程序和水位程序段
当按下电源按钮X0时，M2脉冲得电，没有选择其他方式时，按下启动按钮X1，程序按默认的中水位，标准全程洗涤方式进行。
（2）洗涤过程程序段
图5-2洗涤过程程序
当水位选择中间继电器M3得电后，定时器T0，T1其中一个得电，洗衣机程序按照标准洗涤8s或者轻柔3s的工作方式使电机正转运行。
（3）清漂过程程序段
图5-3清漂过程程序
当水位选择中间继电器M3得电后，定时器T11，T12其中一个得电，洗衣机按照清漂正转5秒然后轻柔3秒，停机2秒，然后反转5秒轻柔3秒的工作方式循环进行规定的次数
（4）直接脱水过程程序段
图5-4直接脱水过程程序
当水位选择中间继电器M3得电后，开启脱水开关，定时器T16得电，计时器计数5次，则脱水5秒。
（5）工作完成并报警程序段
图5-5工作完成并报警程序
Y005为报警T16为10S报警时间，10S报警结束后，复位C13、Y020，整个洗涤过程结束。
六、心得体会
通过这次设计实践。
我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。
能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
通过合作，我们的合作意识得到加强。
合作能力得到提高。
上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。
在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。
能过比较选出最好的方案。
在这过程也提高了我们的表过能力
参考文献
[1]蒋金周.全自动洗衣机的PC智能控制.机电一体化.
[2]谢克明夏路易.可编程控制器原理与程序设计.电子工业出版社.
[3]吴存宏.浅谈PLC在全自动洗衣机中运用.家用电器科技，2000.
[4]廖常初.可编程序控制器应用技术（第四版）.重庆大学出版社，2002.
[5]自动化网论坛.全自动洗衣机PLC控制.
附录一梯形图清单
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