基于PLC全自动洗衣机控制系统设计 精品.docx
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基于PLC全自动洗衣机控制系统设计精品
毕业论文
题 目：
基于PLC在全自动洗衣机上的控制系统设计
作 者：
XXX 学 号：
09000000
院 、系：
机电工程学院
专业班级：
港口物流设备与自动化控制
指导教师：
XXX（校内）XXX（校外）
2012年5月30日
PLC在自动洗衣机上的设计
摘要
实现全自动洗衣机控制系统的方法有很多种。
有早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路，还有近代的单片机控制、PLC控制。
本文主要介绍了单片机控制和PLC控制，通过比较单片机和PLC，最后将采用日本三菱公司生产的FX2N系PLC作为控制核心对全自动洗衣机控制系统进行设计。
并且设计出了系统结构图、梯形图以及输入输出端子的分配方案。
同时根据全自动洗衣机控制系统总体要求和特点，确定PLC的输入输出分配，并进行现场调试。
关键词：
PLC单片机比较控制系统
ABSTRACT
Realizefull-automaticwashingmachinecontrolsystemavarietyofways.Earlyanalogcircuits,digitalcircuitormodulehybridcircuit,andmodernsingle-chipmicrocomputercontrol,PLCcontrol.ThisarticlemainlyintroducedthesinglechipmicrocomputerandPLCcontrol,bycomparingsingle-chipmicrocomputerandPLC,finallywilladoptmitsubishiJapanproductionofPLCascontrolcoreFX2Nofautomaticwashingmachinecontrolsystemdesign.Anddesignedasystemstructure,ladderdiagramandtheschemeoftheinputandoutputterminals.
Keywords：
PLCSCMCOMPARISONControlSystem
引言
在洗衣机出现以前，对于许多人而言，洗衣服是一件十分辛苦的差事，人们可以做的只是一些简单的重复劳动，这些单调枯燥的劳动让人们感到厌烦。
但是，当第一台洗衣机出现之后，人们的双手被解放出来，洗衣也成为一项快乐的劳动。
在此让我们回顾一下中国洗衣机的发展史。
第一台全自动洗衣机，无锡小天鹅股份有限公司前身始建于1958年，中国第一台全自动洗衣机于1978年在小天鹅诞生，这台全自动洗衣机的问世，彻底改变了人们的洗衣方式。
单缸洗衣机的问世，1979年3月，我国第一台单缸洗衣机在北京洗衣机厂（现并入北京白菊电器集团）问世，命名为白兰牌，型号为白兰Ⅰ型13。
增加了甩干功能的双缸洗衣机，1995年以后，洗衣机市场一直是单缸全自动洗衣机称霸天下。
然而在洗衣机的功能、品牌都不断发展的今天，仍有一部分人对双缸洗衣机情有独钟。
作为第二代改良洗衣机，双缸洗衣机尽管增加了甩干功能，仍然不能节省人力——洗涤结束后，必须手动甩干功能，而且甩干常常不彻底、甩干机常出故障等等。
此外，双缸洗衣机的洗衣桶空间有限，像秋冬穿着的厚重衣物不好洗涤。
全自动波轮洗衣机的发明，与前两种洗衣机相比，全自动洗衣机的发明是洗衣机技术的一个重大革命，设计人员设计的洗衣程序使这款洗衣机更加智能化。
它不仅大大节省了人力，而且还进一步扩大了机洗衣物的范围。
羽绒服、羽绒被、面料结实的棉服等等都可省去手洗的麻烦和送到洗衣店干洗的费用。
使用全自动洗衣机洗衣时可以根据衣物的质地、体积，在微电脑控制板上选择水流的强弱、时间的长短以及水量的多少。
所以从问世至今，全自动波轮洗衣机一直都受到消费者的偏爱。
随着先进科学技术发展.应用于洗衣机上的技术越来越成熟，洗衣机的发展也越来越快，将来的洗衣机主要主要朝以下几个方面发展：
（1）高度智能化；
（2）健康化；
（3）节水节能；
（4）大容量和微型化；
本次设计主要采用PLC控制技术来设计全自动洗衣机控制系统，跟传统的洗衣机相比更具有智能，实时监控，人性化的功能。
本系统最大的优点集中体现在：
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。
具有可靠性高、安全性好、开发价值高等一系列优点。
为了适应时代在发展，谁掌握了技术，谁就能够在这激烈在经济竞争中赢得胜利，就能够为人类文明创造更多的财富和价值。
由于时间仓促，限于水平的有限，在资料的收集、取舍、分析、和归纳方面存在着不足，我恳切老师们指正和提出宝贵的意见，以利于我以后的修改和补充。
第一章概述
1.1课题来源和背景
机械洗衣最早见于1851年。
那时，一位加利福尼亚淘金者兼木匠开了一间可以称得上是第一间洗衣房的洗衣场。
但那时的洗衣机械根本就无法与今天可以洗几百磅的由电脑控制的洗衣机械相提并论。
那间洗衣房的洗衣机可以洗12件衬衣，由12头毛驴作动力。
1858年，第一个洗衣机专利发给了匹兹堡的汉密尔顿•斯密斯。
汉密尔顿发明的手动洗衣装置通过转动曲柄带动插在桶中的一根竖轴上的桨叶来洗衣。
当著名的商人威廉•布菜克斯顿于1874年为他妻子设计了一个特别的生日礼物——洗衣机时，人类向前迈了一大步。
之后，布菜克斯顿开始建造并销售他设计的这种洗衣机，每台2.5美元。
到1875年，共发出2000多项洗衣机专利，虽然其中有许多并不管用。
有的发明每次只能洗1件衣服。
在1900年之前，大多数洗衣机由人力或畜力牵引。
洗衣桶逐渐由木结构变成金属结构。
然而，正是内燃机和电机的发明改变了洗衣的发展历史。
1910年，第一台电动洗衣机由阿尔华•费诗设计并由芝加哥赫利机器公司制造。
这种洗衣机由一个木滚筒构成。
把衣服放入滚筒并滚于净。
滚筒先向一个方向转8圈，然后再反转。
在过去的150年里，洗衣设备取得了巨大进步――从在小溪里的石头上敲打洗衣到隧道洗衣机。
虽然发生了很多的变化，有些东西却没变。
二十一世纪初期随着先进科学技术发展.应用于洗衣机上的技术越来越成熟，洗衣机的发展也越来越快，越来越趋于高度智能化、健康化、节水节能、大容量和微型化，为我们节约很多时间和人力，让我们用更多的时间去做更多的事情，大大的提高了工作效率。
今天，正如和昨天一样，我们不断努力改善更好地去污、脱水和烘干而更少地对织物造成损坏。
才能让社会更加进步。
1.2该课题的目的和意义
在数字技术风行的今天，大多数的家用电器实现了数字化控制。
作为一个价廉物美的微处理器，PLC被广泛应用在各种数字系统中。
基于PLC的全自动洗衣机控制系统是PLC应用的一个典型例子。
洗衣机是现代人必备的日常生活家电，它的发明和应用使人们的洗衣工作变得省时又省力，很好地缓解了人们在家务劳动方面的压力。
而在家电市场竞争日益激烈和利润下降的今天，各大家电生产厂商均致力于开发出能满足用户各种要求的智能家电产品，并努力降低生产成本以增强竞争力。
作为家电市场中的重要成员，全自动洗衣机的市场竞争更是趋于白炽化。
对基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计进行深入研究，可使我们掌握全自动洗衣机这种重要家电的工作原理和控制系统，进一步了解PLC在不同领域的应用方法，学会维修全自动洗衣机的基本技术，同时也为将来从事电子信息行业打下一定基础，所以本题课具有重大的意义。
自19世纪中叶，美国人史密斯研制出世界上首台洗衣机至今，洗衣机的发展已经历了一个多世纪。
1910年世界上第一台电动洗衣机问世，标志着人类家务劳动自动化的开始。
1922年世界上第一台搅拌式洗衣机在美国诞生。
1937年世界上第一台全自动滚筒式洗衣机投放市场。
1957年三洋公司推出世界上第一台涡流式波轮洗衣机。
从此，确立了搅拌式、滚筒式和波轮式三种工作方式洗衣机三足鼎立天下的局面。
20世纪60年代以后，洗衣机在一些发达国家的普及率迅速上升。
70年代，日本生产出波轮式套桶全自动洗衣机。
70年代后期，日本又生产出微电脑控制型波轮式套桶全自动洗衣机。
80年代后，“模糊控制”开始应用于洗衣机，生产出智能型模糊控制洗衣机，使洗衣机的功能更加完善，其洗衣程序更随人意，其使用操作更简单化。
PLC控制全自动洗衣机的编程语言容易掌握，是电控人员熟悉的梯形语言，使用术语依然是“继电器”一类术语，大部分与继电器触头的连接相对应，使电控人员一目了然。
PLC控制使用简单，他的I/O已经做好，输入输出信号可直接连接，非常方便，而输出口具有一定驱动能力，PLC是专门应用手工业现场自动控制装置，再系统软硬件上采用抗干扰措施．当工作程序需要改变时，只需改变PLC的内部，惊醒重新编程而无需对外围进行重新改动。
1.3方案选择
方案一PLC系统特点
1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。
对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。
2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。
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统一掌握，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。
4）便于维修，由于PLC多采用了模块化的结构形式，所以发生故障时只需更换所坏的模块就可以让系统继续工作，大大减少了维修时间，能让系统快速进入工作。
方案二单片机系统特点
1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。
2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机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。
3）功能单一只具有使用中所需要的功能。
但是，它结构简单，处理速度快。
4）不便于维修，单片机如果发生故障是也难维修的，由于其十分精密所以维修十分不便。
比较总结：
通过以上的比较，我们不难发现PLC与单片机相比较PLC有着绝对的优势，无论是编程环节还是售后服务环节PLC都是十分方便。
虽然目前在价格上单片机与PLC不可同日而语，但是随着科技的发展，我相信PLC会逐渐取代单片机，成为主流的自动洗衣机的控制系统核心的。
所以本文将采用三菱PLC做为控制核心。
1.4系统简述
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。
在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由单片机为中心控制系统工作的。
首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相对复杂；其次，在设计控制系统硬件时．要有多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等这样增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率无形地增加了维修成本费用，在各种控制系统中广泛运用的PLC能克服单片机的缺点。
它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和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，提高控制系统的可靠性。
另外它的编程语言也相对简单。
1.5全自动洗衣机实物图及动作、工作流程介绍
全自动洗衣机的实物示意图如下图1-1所示
图1-1自动洗衣机示意图
1.5.1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4个过程组成。
在半自动洗衣机中，这4个过程分别用相应的按钮开关来控制。
全自动洗衣机中，这4个过程可做到全自动依次进行，直至洗衣结束。
自动洗衣机的进水，洗衣，排水和脱水是通过水位传感器，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。
水位传感器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。
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。
1.5.2设备功能和工作流程介绍
该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、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。
脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。
高、低水位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、脱水及报警。
排水按钮用来实现手动排水。
PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。
按下启动按扭及水位选择开关，开始进水，水满（至高低水位）时停止进水,2S后开始洗涤。
洗涤时正转30S后暂停，暂停2S后开始反转洗涤，反转洗涤30S后暂停，暂停2S。
循环5次，总共180S后开始排水，排空后（水降到低位）开始脱水并继续排水。
脱水30S即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。
若完成了5次大循环，则进行洗报警3S结束全部过程，自动停机。
此外按排水按钮可实现手动排水。
第二章系统硬件设计
2.1控制系统图
控制系统如图2-1所示。
图2-1全自动洗衣机控制系统图
2.2PLC选型
2.1.1PLC简介
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
a、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
b.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC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；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
c、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
d、输入输出接口电路
1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
e、功能模块
如计数、定位等功能模块。
f、通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。
但是PLC也有它自己的特点，PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。
①输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。
②程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
③输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
2.1.2PLC的选型
目前，自动售货机的核心是单片机，可是一但输出电压不稳定，单片机就容易发热造成爆裂，可靠性低等缺点，而PLC不但可以实现类似的控制功能，还具有性能可靠、电压使用范围广、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，并且提高了自动售货机系统的稳定性，能够保证自动售货机能够长期稳定运行；因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。
所以，本文选择PLC来控制自动售货机。
相对于西门子PLC，西门子的功能比三菱的强大，但三菱PLC更适合用于小型机，更稳定更易上手。
大型的设备趋向于西门子，价格昂贵，三菱的较便宜，小型化。
其主要特点如下：
1）体积小
FX1S、FX1N和FX2N系列的PLC的高度为90mm，深度为75mm（FX1S和FX1N系列）和87mm（FX2N和FX2NC系列），体积小的微型PLC适合在机电一体化产品中使用。
其内置的24VDC电源可做输入回路的电源和传感器的电源。
2）先进美观的外部结构
三菱的FX系列PLC吸收了整体式和模块式PLC的优点，它的基本单元、扩展单元和合扩展模块的高度和深度相同，宽度不同。
它们之间用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。
3）灵活多变得系统配置
FX系列PLC系统配置灵活，用户除了可选不同的子系列外，还可以选用多种基本单元，扩展单元和扩展模块，组成不同I/O点和不同功能的控制系统，各种配置都可以得到很高的性能价格比。
FX系列的配置就像模块式PLC那样灵活，因为它的基本单元采用整体式结构，友具有比模块式PLC更高的性能价格比。
4）功能强，使用方便
FX系列的体积虽小，却具有很强的功能。
其内置告诉计数器，有输入输出刷新、中断、输入滤波时间调整、恒定扫描时间等功能，有高速计数器的专用比较指令。
其基本单元和扩展单元一般采用插接式的接线端子排，更换单元方便快捷。
通过对各输入输出信号的分析可知，全自动洗衣机系统共有5个数字量输入和6个数字量输出，需11个I/O点。
三菱PLC具有结构灵活、传输质量高、速度快、使用范围广、低成本等优点，考虑到留有余量的原则，可选择三菱系列的FX2N-16MR的PLC作为主机。
2.2I/O地址分配与接线图
根据洗衣机操作的工艺过程及对控制系统的要求，首先归纳本系统中所有输入信号和输出信号；然后根据PLC的输入点和输出点进行I/O地址分配，使每个输入信号对应PLC内部的输入继电器，每个输出信号对应PLC内部的输出继电器。
PLC洗衣机控制的I/O地址分配如表2-1所示。
表2-1I/O分配表
I/O口
说明
I/O口
说明
X0
启动按钮
Y0
进水指示灯
X1
停止按钮
Y1
排水指示灯
X2
上限按钮
Y2
正搅拌指示灯
X3
下限按钮
Y3
反搅拌指示灯
X4
手动排水按钮
Y4
甩干桶指示灯
Y5
蜂鸣器指示灯
牢记此分配表，将模块上的I/O口按照下图接线图连接好，检查无误后，将软件程序下载到模块中去，开启电源，手动操作按照设计要求演示好洗衣机的各个功能，修改程序直到将其能完善处理设计要求的各个功能。
2.3电动机的选择
由于家庭提供的电源限制故选单相电容运转式异步电动机。
以3.6公斤全自动洗衣机为例，由于全自动洗衣机的脱水桶直径较大，这一偏心不能不考虑，所以计算时应以洗涤物可能产生前最大偏心为计算依据。
脱水时电机功率比洗涤时要大，在确定电机功率时应以脱水时消耗的功率为依据，也就是说脱水时电机功率就是该洗衣机所确定的电机额定功率。
由于在计算时一些因素如电机转子的转动惯量等没考虑，造成一些偏差，所以3.6公斤全自动洗衣机电机额定功率选为180瓦。
符合全自动洗衣机的功率范围120W～250W。
故选择YY104-180型号单相电容运转式电动机，功率180瓦,额定电压220V，转速1350r/min，电流1.7A。
第三章系统软件设计
全自动洗衣机工作原理：
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。
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。
该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，通过电动控制系统，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、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。
脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。
高、低水位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、脱水及报警。
排水按钮用来实现手动排水。
3.1全自动洗衣机的控制要求
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；
3）水满（上限位）时停止进水并开始洗涤正转；
4）正转30s后暂停；
5）暂停2s后开始洗涤反转；
6）反转30s后暂停；
7）暂停2s后，若正、反转未满5次时，返回从正洗开始的动作；
8）暂停5s后，若正、反洗涤满5次时则开始排水；
9）水位下降到低水位时开始脱水井继续排水；
10）脱水30s即完成一次从进水到排水的大循环过程；
11）若完成2次大循环，洗完报警3s后自动停机；
12）可以按“停止”按钮实现手动停止进水、排水、脱水及报警；
13）可以按“排水”按钮实现手动排水
3.2洗衣机工作流程图
图3-1洗衣机工作流程图
3.2可编程控制器的基本指令
（1）自锁电路
图3-2自锁电路梯形图
1、编程：
用编程器或编程软件输入程序，并检验。
2、将X0钮子开关合上，Y0指示应亮。
3、将X0开关断开，Y0指示灯扔保持亮。
4、将X1开关接通，Y0指示灯灭。
图3-3自锁电路时序图
（2）S/R置位复位指令
图3-4S/R置位复位指令应用梯形图
1、编程：
用编程器或编程软件输入程序、并检验。
2、合上X1号开关，观察Y0指示灯。
3、断开X1号开关，观察Y0指示灯。
4、合上X2号开关，观察Y0指示灯。
5、断开X2号开关，观察Y0指示灯。
图3-5S/R置位复位指令应用时序图
（3）PLS脉冲指令
图3-6PLS脉冲指令应用梯形图
1、编程：
用编程器或编程软件输入程序，并检查。
2、运用程序。
3、合上X0开关，观察Y0指示灯。
4、断开X0开关，观察Y0指示灯。
5、合上X1开关，观察Y0指示灯。
6、断开X1开关，观察Y0指示灯。
图3-7PLS脉冲指令应用时序图
（4）定时器指令与应用
图3-8定时器指令应用梯形图
1、编程：
用编程器或编程软件输入程序，并检验。
2、合上X0开关，观察Y0、Y1输出的变化。
图3-9定时器指令应用时序图
（5）振荡器
图3-10振荡器梯形图
1、输入程序并检验，然后运行程序。
2、观察Y0的变化。
3、闭合X0开关，观察Y0的变化，并监控T0、T1的工作情况。
图3-11振荡器时序图
（6）计数器指令与应用
图3-12计数器指令应用梯形图
1、编程输入程序并检验，然后运行程序。
2、当X0开关断/通一次，计数器现
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