基于PLC的全自动洗衣机智能控制毕业设计.docx
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基于PLC的全自动洗衣机智能控制毕业设计
基于PLC的全自动洗衣机智能控制毕业设计
第一章绪论
1.1选题背景-------------------------------------------------------------------6
1.2洗衣机的发展概况和现状---------------------------------------------------6
1.3毕业设计的研究内容及意义-------------------------------------------------7
第二章系统总体分析
2.1全自动洗衣机的工作原理-------------------------------------------------9
2.2全自动洗衣机的设备控制要求--------------------------------------------10
第三章PLC控制系统硬件设计
3.1硬件设计------------------------------------------------------------------11
3.2PLC的发展概况和发展方向------------------------------------------------13
3.3PLC的选型---------------------------------------------------------------15
3.4FX2N功能介绍------------------------------------------------------------17
3.5FX2N规格型号------------------------------------------------------------19
3.6外围接线图设计----------------------------------------------------------20
3.7输入地址分配-----------------------------------------------------------21
3.8输出地址分配------------------------------------------------------------22
3.9内部元件地址分配--------------------------------------------------------22
第四章PLC控制系统软件设计
4.1程序流程图设计------------------------------------------------------------23
4.2PLC控制顺序功能图设计---------------------------------------------------26
第五章系统仿真（Smart700触摸屏）
5.1硬件特点-------------------------------------------------------------------28
5.2软件设计------------------------------------------------------------------29
第六章总结与展望
6.1总结---------------------------------------------------------------------32
6.2展望---------------------------------------------------------------------33
致谢--------------------------------------------------------------------------34
参考文献-----------------------------------------------------------------------35
附录一--------------------------------------------------------------------------38
第1章绪论
1.1选题背景
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。
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洗衣机的发展概况和现状
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，这项劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。
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。
世界上第一台洗衣机于1858年诞生，但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。
1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人发明了木制手摇洗衣机。
1880年，美国发明了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。
蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。
1910年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。
1922年，美国改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。
1932年，美国研制成功第一台前装式滚筒洗衣机。
1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。
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，让人耳目一新。
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。
全自动洗衣机的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，所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。
从控制方式的发展阶段上分，全自动洗衣机可分为两大类：
第一类：
电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。
第二类：
电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。
电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。
随着计算机及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。
因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。
全自动洗衣机从结构上分有波轮式、搅拌式、滚筒式。
目前,国内市场上销售的大都是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。
波轮式洗衣机的特点是洗净率高,但对衣服的磨损很大,随着人们生活水平不断地提高，丝绸,毛料,羊毛等大量走进普通家庭,厂商又适时地推出了滚筒洗衣机,它最大的优点是磨损率小,但洗净率比波轮式低,价格高。
洗衣机产品可以分三类：
普通型、半自动型和全自动型。
普通型和半自动型洗衣机，都需要人为参与操作，才能完成洗衣、甩干、排水全过程；而全自动洗衣机在整个洗涤、甩干、排水过程中，无需人为操作和监控。
国内外洗衣机品牌有海尔、小天鹅、荣事达、松下、惠而浦水仙、LG熊猫、西门子、日立好用。
1.3毕业设计的研究内容及意义
本设计是基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计，采用三菱FX2N系列的PLC作为核心控制部件，利用其特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入/输出点进行控制，实现洗衣机洗衣过程的自动化。
首先需要对全自动洗衣机的控制系统进行分析，进行流程图和梯形图的设计，并进行仿真测试。
为了能更直观的显示出整个自动控制过程，本设计运用组态王软件建立一个全自动洗衣机的监控系统画面。
本文的课题源于市场上的洗衣机产品。
传统的洗衣机采用继电器控制，而大多数继电器的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强，但其容易损坏，产生噪音，耗能大。
也有采用单片机控制的洗衣机，单片机系统的特点是结构简单，处理速度快，但其对环境的适应能力较低，可靠性差，采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比难以学习，而且功能单一，只具有使用中所需要的功能，硬件较为复杂。
PLC系统的优点是：
可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快。
为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，为了避免传统控制和单片机控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。
PLC具有以下优点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强。
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
（3）编程简单。
PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁、明了，适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很容易掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易连接，深受工程技术人员欢迎。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。
它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路、保护电路以及通讯联网功能。
因此在运用中硬件也相对简单，大大提高了控制系统的可靠性。
另外它的编程语言也相对简单。
其次，它能实现脱机手动工作，联机自动就地工作，上机控制的单周期运行方式，自动启动、自动停机控制方式。
第2章系统总体分析
2.1全自动洗衣机的工作原理
全自动洗衣机的工作原理：
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，内桶可以旋转，作为脱水用。
内桶的周围有许多小孔，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，经进水管将水注入到外桶。
排水时，通过控制系统将排水电磁阀打开，将水由外桶排到机外。
洗涤正传反转由洗涤电动机驱动拨盘的正反转来实现，此时脱水桶并不旋转。
脱水时，控制系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正传进行甩干。
高、中、低水位控制开关分别用来检测高、中、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、洗衣、排水、脱水及报警。
全自动洗衣机的进水，洗衣，排水，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中低水位，电磁进水阀起着通断水源的作用。
如图2-1
图2-1
2.2全自动洗衣机的设备控制要求
全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“强制停止”两种控制方式。
"正常运行"方式的具体控制要求如下：
（1）将水位能够通过水位开关设在合适的位置（高、中、低），按下“启动”按钮，开始进水，到达设定的水位（高、中、低）后，停止进水。
（2）进水停止2秒后开始洗衣。
（3）洗衣时，正转20秒，停2秒，然后反转20秒，停2秒。
（4）如此循环共5次，总共220秒后开始排水，排空后脱水30秒。
（5）然后再进水，重复以上过程，如此循环共3次。
（6）洗衣过程完成，报警3秒并自动停机。
“强制停止”方式的具体控制要求如下：
（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）可用手动排水开关和手动脱水开关进行手动排水和脱水。
根据全自动洗衣机的工作原理,洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水和脱水四个过程组成。
在半自动洗衣机中，这四个过程分别用相应的按扭开关来控制。
利用可编程控制器PLC实现控制,用于说明PLC控制的原理方法、特点及工作特色。
此次全自动洗衣机控制系统设计需要利用三菱FX2N系列的PLC的特点,对按鈕、电磁阀、开关等其他一些输入/输出点进行控制,实现洗衣机洗衣过程的自动化。
第3章PLC控制系统硬件设计
3.1硬件设计
硬件设计的整体思路就是通过PLC输出的数字信号控制继电器组，达到控制电路的目的。
控制电路的组成主要包括：
可编程控制器、继电器组和连接电路（变频器）。
其中，继电器为主要执行模块，PLC所发出的数字指令控制继电器线圈，而继电器的开合直接控制电源电路，实现对电动机的控制。
另外，变频器在电路中控制洗涤时的电机转速，不作为必要装置。
在此控制系统中，PLC是控制核心，外部多种输入信号如启动按钮、高中低水位检测等信号采样进来，经过PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，提供多种输出信号来控制进水阀、出水阀动作，和控制电机驱动装置进而控制正反转和脱水运行。
PLC用定时器记录正反转时间，脱水时间和报警时间，用计数器记录正反转次数和脱水次数，可以很容易地通过更改PLC定时器和计数器的参数，来满足不同的洗涤条件和要求。
根据以上要求，得出了PLC的全自动洗衣机控制系统框图，如图3-1
图3-1全自动洗衣机控制系统框图
PLC在系统中处于中心位置，启动、停止信号和水位开关是PLC的输入信号，进水阀，排水阀，电动机和脱水桶是洗衣机各种动作的执行机构。
其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态，电动机的工作状态也由控制中心PLC给定信号来决定，而电动机的正反转状态直接决定洗衣机的洗涤状态和脱水状态。
如图3-2
图3-2
3.2PLC的发展概况和发展方向
可编程序控制是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实是一种工业控制用的专用计算机。
国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。
其主要原因是因为PLC具有以下优点：
1）灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。
如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。
而可编程控制器是通过存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。
而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。
2）可靠性高、抗干扰能力强
对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件（如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等）下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。
现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触电的继电器所无法比拟的。
为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。
3）操作方便、维修容易
PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。
对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。
工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。
4）功能强
现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。
因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。
5）体积小、重量轻和易于实现机电一体化
由于PLC采用了半导体集成电路。
因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。
且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。
同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。
（1）PLC的发展概况
PLC自1969年问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。
世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。
产量产值大幅度上升而价格则不断下降。
世界上PLC产品可按地域分成三大流派：
一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。
美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。
而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。
美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称[5]。
目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的：
美国：
通用电气、莫迪康公司；
日本：
三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；
德国：
西门子公司；
法国：
施耐德公司；
韩国：
三星、LG公司等。
（2）PLC的发展方向
目前，国外PLC制造商不断推出新产品。
西门子最初推出S5系列，然后推出S7系列；三菱开始是F系列，FX系列，现在是A系列（A1、A2、A2X）。
大趋势是功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强。
特别是网络，因为联网是一个大潮流。
①产品规模向大、小两个方向发展。
大：
I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。
小：
由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。
②PLC在闭环过程控制中应用日益广泛。
③不断加强通讯功能。
④新器件和模块不断推出。
高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。
⑤编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化。
有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。
⑥发展容错技术。
采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
⑦追求软硬件的标准化。
3.3PLC的选型
（1）输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展。
（2）存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
（3）控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
①运算功能
简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。
随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。
设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。
大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。
要显示数据时需要译码和编码等运算。
②控制功能
控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。
③通信功能
大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。
通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。
PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：
1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。
PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。
PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：
PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。
为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。
④编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。
在线编程方式：
CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。
这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守其标准，同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
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