基于PLC的全自动洗衣机控制系统的设计.docx
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基于PLC的全自动洗衣机控制系统的设计
基于PLC的全自动洗衣机控制系统的设计
【内容摘要】本设计是以三菱FX-2N-32APLC为控制核心，以MCGS组态软件为上位机监控，实现全自动洗衣机控制系统。
洗衣机的各项功能是PLC控制实现的，控制功能灵活，因此，设计出基于PLC全自动洗衣机控制电路系统具有很强的实用性。
同时还加入了手动排水和手动脱水功能。
为确保洗衣机及使用者人身安全,还添加设计了蜂鸣报警电路。
进水阀,排水阀的控制等，非常的自动和人性化。
用PLC作为控制器，就能很好地满足全自动洗衣机对自动化的要求，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。
【关键词】三菱PLC；FX-2N-32A；MCGS组态软件；全自动洗衣机
1绪论
1.1洗衣机发展的概述
1.1.1洗衣机发展的背景
从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，在洗衣机出现以前，这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是辛苦劳累。
1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战——美国人比尔•布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。
1880年，美国又出现了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。
之后，水力洗衣机，内燃机洗衣机也相继出现。
1911年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，标志着人类家务劳动自动化的开端。
1922年，电动洗衣机迎来一种崭新的洗衣方式——搅拌式。
搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。
70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人喜悦不已。
90年代，由于电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。
全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤，漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。
这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水，排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动作，整个洗衣过程自动完成。
此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。
之后，随着科技的进一步发展，滚筒洗衣机已经成了大家耳濡目染的产品。
伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式。
1.1.2洗衣机的发展前景
洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。
在工业生产中的应用也十分广泛，本课题在于工业用洗衣机的研究，工业洗衣机适用于洗涤棉、毛、化纤、丝绸等衣物织品。
水磨洗涤机可用于服装厂水洗牛仔服及丝绸等衣物。
工业用洗衣机适用于宾馆、饭店、医院、学校、工厂等领域，满足大容量的洗衣要求。
但是传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了。
洗衣机需要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。
而随着PLC技术的发展，用PLC作为控制器，就能很好地满足全自动洗衣机对自动化的要求，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。
自动化技术的飞速发展使得洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机，又正在向智能化洗衣机方向发展。
1.2洗衣机的分类
1.2.1按结构的分类
洗衣机按结构形式分为：
单桶、双桶、多桶型。
1.2.2按洗涤方式与结构原理划分
按洗涤方式和结构原理分类，可以分为如下几种：
（1）滚筒式洗衣机：
衣物半浸没于水中，滚筒作有规律的间歇的正反转动，靠滚筒内凸起把衣物带至高处再跌下，起揉搓作用，然后进行洗涤。
其类型有：
a、前装式滚筒洗衣机；b、顶装式滚筒洗衣机。
（2）波轮式（涡卷式）洗衣机也称日本式洗衣机：
优点：
结构简单，体积小，重量轻，操作方便，耗电量少，洗净率高。
缺点：
漂洗衣物不均匀，损衣率高。
（3）搅拌式或摆动式洗衣机：
洗衣机有一根主柱，由电动机带动摆动叶绕定轴作周期往复运动，每次转动角度小于360度，通过旋转的力度来达到洗涤衣物的效果其他形式有：
喷流式、喷射式、振动式等，市场上比较少见。
1.2.3按自动化程度分为
按自动化程度分为如下几种：
（1）普通型洗衣机：
搅拌动作为电动机带动正转、反转及停靠定时器控制，而进水、排水、脱水等完全手动。
（2）半自动型洗衣机：
a半自动单筒型：
洗涤、漂洗、进出水均自动按设定程序与时间进行，没有脱水机。
b半自动双筒型：
由洗涤、脱水两部分组成。
先自动完成洗涤、漂洗。
再由人工把洗净的衣物放入甩干桶中脱水。
（3）全自动型洗衣机：
可按选定的工作程序自动完成洗涤、漂洗、脱水、甩干、进水、排水等动作，无看管。
其类型有：
a机械全自动型：
由电动程控器控制。
b电脑全自动型：
由电脑程控器控制。
如下图：
图1-1全自动洗衣机
2可编程控制器的介绍
2.1PLC的定义、特点
2.1.1PLC的定义
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，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命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。
2.1.2PLC的特点
PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。
（1）可靠性高，抗干扰能力强
（2）通用性强，使用方便
（3）采用模块化结构，使系统组合灵活方便
（4）编程语言简单、易学，便于掌握
（5）系统设计周期短
（6）对生产工艺改变适应性强
（7）安装简单、调试方便、维护工作量小
2.2PLC的硬件基本组成
PLC的硬件主要是一下几个部分组成：
中央处理器（CPU）、输入单元、输出单元、扩展接口、通信接口、存储器、电源。
其中，CPU是PLC的中央核心；输入单元是CPU与现场输入设备之间的接口电路，输出单元是CPU与输出设备之间的接口电路的。
而通信接口就连接上位计算机、编程器等外部设备，以下就是硬件构成图，PLC硬件结构图如图2-1所示:
图2-1PLC硬件结构图
主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。
根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成不同的PLC控制系统。
2.3PLC的应用
PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点，因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中有着广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。
2.4PLC的编程语言
PLC的控制功能是由编程语言实现的。
目前PLC常用的编程语言有：
梯形图语言、助记符（指令表）语言、功能图语言、顺序功能图语言、高级编程语言等。
下面介绍下本论文的两种编程语言：
（1）梯形图程序简介
①、梯形图程序按行从上至下，每一行从左到右顺序编写。
PLC程序执行顺序与梯形图的编写一致。
②.梯形图左边垂直线称左母线，右边称为右母线。
左母线右侧放置输入接点和内部继电器触点。
梯形图触点有两种，即常开触点和常闭触点。
③梯形最右侧必须放置输出器件。
PLC的输出器件用圆圈表示，圆圈可以表示内部继电器线圈，输出继电器线圈或定时/计数器的逻辑运算结果。
其逻辑动作只有在线圈接通后，对应的触点才动作。
输出线圈直接与右母线相连，输出线圈与右母线之间不能连有触点。
④.梯形图程序中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联不能串联。
⑤.输出线圈只对应输出映像区的相应位，不能直接驱动现场设备。
⑥.梯形图中每个编程元件应按一定的规则加标字母数字串。
（2）指令表语言简介
PLC的指令表语言是PLC的命令语句表达式，它与计算机汇编语言相类似。
用户可以直观地根据梯形图，写出助记符语言程序，并通过编程器送到PLC中去。
2.5PLC的工作原理
其实PLC的工作原理类似于计算机的工作原理，PLC一起有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。
整个环节中，运行状态时，PLC通过执行用户程序来实现控制功能，为了能适应PLC在输出能随时的响应可能变化的输入信号，要求用户程序要反复的、不断的重复执行，一直到PLC停机或者切换到STOP的工作状态，除此之外，PLC在每次执行循环的过程中，PLC要完成内部处理、通信处理等一系列的工作。
各阶段处理任务如图2.2所示
图2-2各阶段处理任务
2.6MCGS组态软件概述
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它包括组态环境和运行环境两部分。
通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制盒报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在工业控制领域有着广泛的应用。
在20世纪80年代末，由于个人计算机的普及，PC机开始走上工业监控的历史舞台，与此同时开始出现基于PC总线的各种数据I/O板卡，加上软件工业的迅速发展，开始有人研究和开发通用的PC监控软件——组态软件。
世界上第一个把组态软件作为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国的Wonderware公司，它于80年代末率先推出了第一个商品化监控组态软件，此后组态软件得到了迅猛的发展。
组态软件最突出的特点就是实时多任务。
数据的输入输出。
数据的处理、显示、存储及管理等多个任务需在同一个系统中同步快速地运行。
组态软件的目的就是让用户迅速开发出适合自己需要的可靠的应用系统。
因此其一般有以下特点：
（1）概念简单，易于理解和使用。
经过短时间的培训就能正确掌握、迅速完成多数简单工程项目的监控程序和运行操作。
可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题。
按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。
（2）功能齐全，便于方案设计。
MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业需要进行选择设计即可。
（3）实时性与并行处理。
MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。
工程作业中，大量的数据和信息需要即时收集，即时处理，在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务，如数据采集、设备驱动和异常处理等。
另外许多工作则是非实时性的。
（4）建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。
MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略构成，在系统运行过程中，各部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。
供自动化应用系统所需的通用监控软件的组件。
（5）设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。
（6）“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。
使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。
（7）利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动画画面。
（8）引入“运行策略”的概念。
复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。
用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。
MCGS开辟了“策略窗口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程，按照设定的条件和顺序，操作外部控制窗口。
（9）MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。
不同的构件有着不同的功能，且各自独立。
三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。
（10）支持OLEAutomation技术。
MCGS允许用户在VisualBasic中操作MCGS中的对象，提供了一套开发的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。
（11）MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。
组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。
利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。
（12）设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题。
（13）当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
如图2-3所示：
图2-3PLC工作过程
（14）一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
如图2-4所示
图2-4PLC扫描周期
3全自动洗衣机的控制系统的设计
3.1全自动洗衣机的基本结构
全自动洗衣机的洗衣桶（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（甩干）用。
内桶的周围有很多小孔，使内桶和外桶的水流相通。
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，通过控制系统将进水阀打开，经进水管将水注入外桶。
排水时，通过控制系统将排水阀打开，将水由外桶排到机外。
洗涤正转、反转由洗涤电机驱动波盘的正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。
脱水时，控制系统将离合器合上，由洗涤电机带动内桶正转进行甩干。
高、低水位控制开关分别用来检测高、低水位。
启动按钮用来启动洗衣机工作，停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及警报。
排水按钮用来实现手动排水。
3.1.1洗衣机控制系统的运作要求
该全自动洗衣机的控制要求可以用所示的流程图来表示。
1、PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。
2、启动时开始进水。
水满（即水位到达高水位）时停止进水并开始洗涤正转。
正洗5S后暂停。
暂停1S后开始洗涤反转。
反转5S后暂停。
暂停1S后，若正反转未满3次，则返回从正洗开始的动作；若正反满三次时，则开始排水。
3、水位下降到低水位时开始脱水并继续排水。
脱水10S即完成一次从进水到脱水的大循环过程。
若未完成三次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了3次，则进行洗完警报。
报警10S后结束整个过程。
4、除了以上一般洗衣过程外，本次设计还添加了手动排水和手动脱水功能。
程序的整个洗衣过程，包括脱水、排水的流程如下流程图所示：
图3-1全自动洗衣机流程图
3.1.2I/O地址分配
表3-1I/O地址分配口
输入设备
输入点编号
输出设备
输出点编号
启动
X0
进水
Y12
停止
X1
电机正转
Y5
排水
X2
电机反转
Y6
高水位
M12
排水
Y7
低水位
M13
脱水
Y10
脱水
X6
报警
Y11
3.1.3硬件接线图如下图所示
图3-2全自动洗衣机硬件接线图
3.1.4各个定时器的设定
TO——正转洗涤计时
T1——正转暂停计时
T2——反正洗涤计时
T3——反转暂停计时
T4——脱水计时
T5——报警计时
T6——启动时10秒功能选择计时
3.1.5计数器的设定
C6——正反洗涤三次计数
C7——大循环计数
3.2压力变送器与A/D转换模块
压力变送器是一种接受压力变量,经传感转换后,将压力变化量按一定比例转换为标准输出信号的仪表。
变送器的输出信号传输到中控室进行压力指示、记录或控制。
压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、放大电路和支持结构件三类组成。
它能将测压元件传感器测量到的气体、液体等物理压力参数变化转换成电信号（如4~20mA等），以提供指示报警仪、调理器等二次仪表进行显示、指示和调整。
压差变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后转换为成4～20mA信号输出。
实际水位的计算方法如下：
水位H=（D200-50）/0.4
D200为变送器实际测量值通过A/D转换模块存储在D200数据寄存器中的值。
常见压力变送器模型如下图：
图3-3压力变送器实物图
3.3梯形图的设计
启动功能x0
进入功能选择后，倒计时10S，若在10S内选择了脱水则跳至脱水步骤，否则在10S结束之后开始正常洗涤。
10S后洗涤开始，Y12打开，开始进水，当水位到达高水位时Y5on开始正转洗涤。
洗涤5S暂停1S。
正转中还包括脱水排水时（Y7），电机的正转启动。
正转暂停结束后开始反转洗涤，洗涤5S，暂停1秒。
当正反转洗涤次数到达3次后开始排水（至低水位）、脱水（10S）。
完成上述步骤后为一个循环（手动排水脱水不计），C7计数，当计满3次后报警10S，洗衣结束。
M11、M12、M13为设定水位值，M11为报警水位（防止加水过急，特设报警水位），M12为高水位，M13低水位。
由于水流流动造成的波动及不稳定性，在对水位进行监测时，返回数据寄存器D200的值也不是稳定的，会有1——2的误差范围，会直接导致继电器供电时出现断电现象而无法正常工作，因此我在设计过程中设定当水位一旦到达规定的高低水位时便停止测量。
程序的正反转计数器以及循环计数器清零设置
MCGS组态相关数据之间的转换
3.4MCGS组态软件的设置
此次设计采用的是MCGS组态实现对全自动洗衣机系统的实时监控。
3.4.1实时数据库参数的设置
对MCGS组态进行设置，它的实时数据库组态设置如下图所示：
图3-4实时数据库参数图
3.4.2用户窗口设置
图3-5MCGS用户窗口设置
3.4.3PLC与MCGS组态软件之间的通信设置
对组态的通讯参数进行设置后，打开通用串口父设备0和三菱FX系列串口，在MCGS工作台上单击[设备窗口]，再单击[设备组态]按钮进入[设备组态：
设备窗口]。
打开[设备管理]窗口选择三菱下的FX232，再对FX232系列编程口进行设置，在各个参数确保无误后，确定通信标志为0，单击确定，就可以实现了PLC与MCGS组态软件之间的通信了。
设备窗口设置如下：
图3-6三菱FX232通道属性设置
要在通用串口设备属性窗口里将采集周期改为200ms，数据位数位改为0-7位，数据检验方式改为2-偶校验。
设备参数如下图
图3-7通用串口设备属性
4.设计总结
综合全文所述，这次设计对PLC及MCGS组态技术的工作原理、适用领域等做出了较为详细的介绍，在论文中对全自动洗衣机的发展背景历程和洗衣机发展的前景作了一些介绍，根据洗涤的要求采用PLC设计出了全自动洗衣机系统，并使用组态监控技术对整个洗涤过程的实时监控，其具有较高的实用性合可设计性。
用组态技术实现对洗涤系统的监控，更直观的展现出全自动洗衣机的洗涤过程，很好的解决了实验室设备的局限性。
这个也是和工厂相接轨的地方。
例如，在做设计时所用的水箱以及压力变送器，由于压力变送器所在的位置位于水箱的中部，相当于压力变送器之下的水位时无法检测到的了，导致实际的水位是没办法测到0值的。
所以在这一方面我只能是通过假定一个水位为标准0值而进行的设计测量。
而通过MCGS组态动画的设计可以很直观的展现出洗衣机在洗涤过程中的每一个环节，生动形象，具有非常客观性。
在设计过程中，阅读了相关的资料和文献，学习到了很多的知识，在流程图的设计，梯形图的绘制，以及功能的拓展，软件的实用等方面都有了很大的进步。
弥补了之前学习时在这方面的短缺。
在实际设计过程中出现了不少问题，并不是理论上的那么理想，各种参数问题得考虑实际的情况。
比如电机正转洗涤和脱水时电机正转出现了矛盾，两个过程为同一个输出变量，而我在绘制梯形图将两个相同的输出变量分别用一条程序表达，导致程序在执行时无法识别出究竟哪一条才是应该执行的指令。
又比如，在水位的监测环节，就平时的生活而言，我们家用的洗衣机在往内桶注水时探测到的值往往也不是一个固定值，这个值会随着水的冲击产生波动，我在调试程序的过程中遇到了因这种波动而导致继电器失电、电机无法正常运作的现象。
最后在老师的指点下，想出了当液位一旦到达我所需求的高度时便停止探测，而此时传回的数据量相对来说是比较稳定的，继电器也没有再出现断电的现象。
很好地保护了电路，而且让设计变得更有实际性。
致谢
由于我之前较少接触PLC的内容，只是在大二的时候选修过一个学期，基础不够扎实，但课题来说相对来说不是很难，在整个设计的过程中，指导老师和同学给了我很大的帮助。
特别感谢我的指导老师XX老师以及实验室指导老师XX老师，细心为我指导，当我遇到问题的时候，耐心为我讲解，给了我许多宝贵的意见和指导，使得我能够顺利完成毕业设计。
还要感谢和我一起做毕设的和帮助过我的同学。
本设计的完成是在我们的导师XX老师的细心指导下进行的。
在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。
从设计的选题到最后设计的缺陷修改的整个过程中，花费了XX老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！
导师专业的知识，严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！
还要感谢和我同一实验室做毕设的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，同时也提出了许多宝贵建议。
使我能及时的发现问题及时改正把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。
感谢在百忙中抽出时间审阅论文的老师们，没有你们的帮助我是不能顺利完成毕业设计的。
衷心地感谢所有在这次毕业设计中帮过我的老师，和给过我帮助的同学。
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