全自动洗衣机的PLC控制系统设计.docx
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全自动洗衣机的PLC控制系统设计
摘要
Abstract
插图清单
图2-1PLC的扫描工作过程图…………………………………………………5
图2-2PLC的扫描周期图………………………………………………………6
图2-3FX2n系列PLC型号………………………………………………………7
图3-1全自动洗衣机实物图……………………………………………………8
图3-2全自动洗衣机流程示意图……………………………………………9
图3-3洗衣机工作流程图……………………………………………………11
图3-4全自动洗衣机控制系统图………………………………………………12
图3-5全自动洗衣机主线路接线图……………………………………………12
图3-6I/O接线图………………………………………………………………14
图4-1图4-1SWOPC-WIN-C的编辑窗口………………………………………………16
图4-1全自动洗衣机的状态转移图…………………………………………17
图4-2梯形图1…………………………………………………………………18
图4-3梯形图2………………………………………………………………19
图4-4梯形图3…………………………………………………………………20
表格清单
表3-1I/O地址分配表……………………………………………………………13
全自动洗衣机的PLC控制
摘要
可编程控制器是被广泛应用在工业生产中的一种智能控制装置。
它是结合计算机技术、智能控制技术和通讯技术等发展演变的，被普遍应用在工业生产的各个领域。
过去人们在工业生产中往往使用继电器控制相应的电路，随着技术的发展，人们发明了可编程控制器，简称PLC，它具有许多继电器无法达到的优点，且更加安全可靠，效率更高，故被广泛应用在工业生产。
本文主要介绍全自动洗衣机的控制系统设计，它是用三菱FX2n系列的PLC。
本文简要的讲述可编程控制器（PLC）和其一些基本知识，包括PLC的概述，简要发展历程、定义、特点、基本结构、性能指标以及PLC控制系统基本知识。
本文所全自动洗衣机的控制系统PLC选用得是三菱FX2N系列，建造了方便可靠全自动洗衣机电气控制系统。
如今，每个家庭几乎都有全自动洗衣机。
采用可编程器控制控制的控制系统，不仅省时省力而且更安全，进而使得全自动洗衣机的效率更高。
关键词：
软件设计；硬件设计；电气化；PLC
PLCcontrolofautomaticwashingmachine
Abstract
Programmablecontrolleriswidelyusedinindustrialproductionofanintelligentcontroldevice.Itiscombinedwithcomputertechnology,intelligentcontroltechnologyandcommunicationtechnologydevelopment,iswidelyusedinvariousfieldsofindustrialproduction.
Inthepast,peopleoftenuserelaycontrolinindustrialproductionofthecorrespondingcircuit,withthedevelopmentoftechnology,peopleinventedtheprogrammablecontroller,hereinafterreferredtoasPLC,itpossessestheadvantagesofmanyrelaycan'treach,andmorereliable,moreefficient,soitiswidelyappliedinindustrialproduction.
Thispapermainlyintroducestheautomaticwashingmachinecontrolsystemdesign,itiswithmitsubishiFX2nseriesPLC.Thispapertellsoftheprogrammablecontroller（PLC）andsomeofitsbasicknowledge,includingtheoverviewofPLC,thebriefdevelopmenthistory,definition,characteristics,basicstructure,performanceindexandPLCcontrolsystemofbasicknowledge.Inthispaper,theautomaticwashingmachinecontrolsystemofPLCofmitsubishiFX2Nseries,builttheconvenientandreliableautomaticwashingmachineelectricalcontrolsystem.Today,almosteveryfamilyhasafullyautomaticwashingmachine.Controlsystemcontrolledbyprogrammablecontrol,notonlysavetimeandeffortandsafer,enablingthefull-automaticwashingmachineismoreefficient.
Keywords:
Softwaredesign;Hardwaredesign;Electrification;PLC
第1章绪论
1.1洗衣机发展概况和现状
世界上第一台洗衣机出世1858，但洗衣机洗涤容易损坏衣物，费力，应用不广。
1874年，美国人发明了木制手摇洗衣机。
1880年，美国人发明了蒸汽洗衣机，这标志着人们可以从手里劳动中解放出来，自此题后，水力洗衣机，内燃洗衣机也相继诞生。
1910年，美国发明了电动洗衣机，这意味着人们洗衣电气化的开始。
1922年，美国人重新改革了洗衣机的洗洗刷结构，把洗衣形式由拖动式革新为搅拌式。
1932年，美国发明了第一台前装式滚筒洗衣机。
1955年，日本发明了基于英国喷气式洗衣机的波轮式洗衣机，广泛应用，一直持续到今天。
70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机的出现让人耳目一新。
在90年代，由于电动机技术的改进，它可以大幅调整的洗衣机的转速，从而诞生了许多的新型洗衣机。
全自动洗衣机具有自动洗衣，漂洗和脱水功能，这类洗衣机大都是套筒式结构，其进水与排水都是通过电磁阀有相应的程序来控制，整个过程不需要人为操作。
1.2课题背景
全自动洗衣机如今已成为每一个家庭所的必不可少的电器，由于它的热销从而生产呈现了更多的林林总总的全自动洗衣机，该设计完成了洗衣机由进水到洗涤到排水到脱水再到报警自动停止循环而设计的相应的系统软件。
原先洗衣机控制系统的大都是采用单片机，虽然具有价格便宜，易于操作等优点，但是它也有很大弊端。
第一，由于单片机的指令系统相对复杂，故编写相应的程序也相对复杂；
第二，在控制系统设计硬件中，需要考虑各种电路保护装置，如在硬件复杂度也相应增加，但也隐含较高的故障率，而用PLC控制系统的全自动洗衣机可以克服以上弊端。
第三，利用单片机控制的全自动洗衣机主要是由继电器控制，继电器控制系统大多是由固定布线来实现逻辑控制，当生产任务或过程的变化，我们必须修改相应的结构。
就比较费时费力，耗费时间和金钱。
而PLC只要修改相应的程序即可，省时省力。
第四，继电器控制系统所采用的继电器是机械触点，工作频率较低，在频繁动作的情况下工作寿命较短，易造成系统故障，系统可靠性差，而由PLC控制系统是通过脉冲电平来发出相应的信号进而来控制各种相应的电器元件工作，从而平稳可靠。
选用PLC控制具有研发的周期短，耗资低，能够直接用在工业生产现场控制的好处。
PLC控制具备及时性、信号处理周期短、速率快，维护方便，编程语言也相对简单，易于上手，使控制系统具有灵活设计和改造以及安全可靠的优点。
本文为全自动洗衣机的PLC控制系统设计，着重讲述了PLC的硬件设计和软件设计。
1.3设计的任务和本文的主要工作
全自动洗衣机的洗衣筒和脱水筒是以同一圆心安放的，洗衣、清洗、脱水完全自动完成。
要求自行设计全自动洗衣机的大体结构（具有进水、排水、脱水、洗涤正转和反转的功能）画出结构图；控制结构与控制流程，可编程控制器选用三菱FX2N的PLC,实现对洗衣机的智能控制。
毕业设计论文提交包括完整的控制流图，编写PLC程序，绘制PLC接线图。
本文主要内容
第一章，回顾洗衣机的发展历史，并且随着科学技术的发展，继电器控制系统已经远满足不了控制要求，应该选用可编程控制器，研发新的控制系统，方能满足新时代要求的洗衣机控制系统的稳定性和可靠性。
第二章，介绍了PLC产生，发展与应用，讲述了其优点，结构，和工作原理，以及本设计所需得三菱FX2N系列可编程控制器系统粗略简介。
第三章，本章详细得介绍控制系统的硬件设计，是采用三菱FX2N系列的PLC，合理得满足控制要求，环境要求和价格条件，根据所选模型和PLC硬件配置，I/O接线图，正确得判断，选择适当的系列PLC，确定合适的硬件，实现控制系统的硬件设计。
第四章，讲述全自动洗衣机软件设计，设计所用软件fwopc-win-c,全自动洗衣机的软件设计，包括梯形图，指令表等。
第五章，总结。
第2章可编程程序控制器（PLC）
2.1PLC的发展史和特点
2.1.1PLC的发展历程
1965年，美国生产了第一台可编程控制器，当初的PLC只具备逻辑控制、定时、技术等功能。
随着PLC技术的不断发展，PLC的结构和性能有了很大的提高。
总的来讲，PLC的发展过程通过了以下三个时期：
1.早期的PLC
在第二十世纪60年代到70年代中期，可编程控制器的出现使工业控制由原来的继电器控制方式改为由硬件和软件共同实现的控制方式。
2.中期的PLC
自二十世70年代到80年代的后期，PLC的性能有了很大的提高。
这些主要是由于70年代微处理器（即将组成计算机的运算器、控制器、寄存器集成在一个芯片中的器件）出现的原因，该器件具有功能强、体积小、价格便宜等优点，很快被应用于PLC。
3.现代的PLC
从80年代至今，随着电子工业的发展，集成电路技术的发展微处理器的性能和等级不断提高，制造商还开发了种种特殊的微处理器，使得PLC在软硬件上有了很大的改变，目前，PLC被广泛应用在各个工业部门。
2.1.2PLC的特点
1.可靠性强，抗干扰能力强
由于PLC是为了克服继和继电器的电气控制系统中的应用设计的缺点，因此具有良好的抗干扰性能和可靠性。
2.通用性强，使用方便
PLC产品已系列化和模块化，用户在设计控制系统时，仅要根据控制要求进行模块的配置既可满足相应的设计要求。
3.选用模块化构造，使系统组装灵活方便
由于被广泛应用，故PLC相应的内部部件大都以模块化，相互之间采用相应的设置进行连接。
该系统的功能与规模可根据用户实际需要组装，性能和价格体系更为合理。
4.编程语言简单、易学，便于掌握
为了便于人们学习PLC的相关知识，相应的开发商们纷纷选择了与继电器原理近似的相应编程方法和语言。
5.系统设计周期短
由于系统硬件的设计就是任务根据控制要求配置相应的模块，但不具体涉及具体的接口电路，大大降低了设计成本，加快了整个项目的进度。
6.生产工艺改变适应性强
如果生产工艺改变，不需要大幅度修改硬件设备，只需修改PLC程序相应内容即可，这对当今社会日新月异生产是十分有益的。
7.安装容易、维护简单
软件设计和PLC控制系统的安装与PLC的I/O，PLC的各种现场设备的安装，在实验室中进行，仿真调试，在现场的PLC控制系统的安装，在线调试，它节省时间和方便。
2.2PLC的分类
1.根据PLC的控制程度进行以下区分，可划为
和微型。
2.按照构造进行划分，可分为整体式、模块式以及分散式。
3.按照用途进行分类，可分为顺序控制的PLC、闭环控制的PLC、多级分布式或集散控制系统的PLC。
2.3PLC组成部分
1.中央处理单元（CPU）
CPU作为PLC的控制核心，PLC在CPU的控制下有条不稳地稳定工作，从而达成控制现场的各个电器设备正常工作。
2.存储器
根据其功能的PLC内存可以分为系统存储器和用户存储器。
系统存储器是
。
3.输入/输出模块
PLC的输入模块是一个中间缓存器，以便用来传输在电气系统工作时产生的中间参数，如启动、停止和输入等。
其输出模块是把处理过的信息再传送到电器元件上，从而驱动负载，也就相当于一个缓存器，只不贵哦是用来驱动外部负载的。
具有。
4.I/O接口
I/O接口是用来将用户的输入或输出设备与PLC连接的接口，相当于桥梁作用，它把输入信号转换为PLC内部所用的工作标准电平以供PLC做相应的处理，进而再驱动负载。
5.通信接口
通信接口是指在PLC的主CPU模块上或专用的通信模块上设置的，与其它PLC或PC，远程I/O设备，显示器，外等部设备编程接口的数据交换。
6.扩展接口
扩展接口是指连接PLC各模块之间的接口。
当PLC主CPU模块的I/O点数不能满足要求，需要扩展I/O接口或需要增加通信接口、扩充CPU模块时（多CPU模式），可以通过扩展接口连接。
2.4PLC的基本工作原理
PLC是通过运行用户程序来实现控制功能的，在工作环境下，它首先从用户第一条程序进行扫描并开始工作，在运行稳定的情况下，即不发生跳转和中断，它就执行用户程序即根据内存地址的数目增加的方向顺序，直到最后结束指令。
执行完又重新开始，然后周而复始，除非由运行状态切换到停止状态或者停机。
PLC工作方式可分为三个阶段：
首先是输入采样、输入采样完成以后进行程序执行，程序执行后再进行输出刷新。
1.输入采样
由PLC接口电路可知，CPU在执行程序使用到某输入信号的状态时，CPU直接到与CPU进行信息交换的映像寄存器中读取，这就成为输入采样。
2.程序执行
当输入采样信号逐条由PLC采样后，按顺序逐地址增加的方向进行开始扫描，即从0000号地址开始扫描执行。
其次从输入映像寄存器、输出映像寄存器和辅助继电器中获取相应的的数据进行运算处理。
3.输出刷新
当执行完所有用户程序时，即执行到END指令时，PLC将相应的寄存器中的内容输送到相应的锁存器中，然后再从锁存器中输出相应的电气信号到电器元件，进而驱动用户设备。
图2-1PLC的扫描工作过程图
图2-2PLC的扫描周期图
2.5PLC的性能指标
如果PLC厂家不同，其性能指标也各有差异，在选择PLC时，为了了解其性能的好坏，可以参考厂家提供的性能指标，其主要有以下基本的性能指标。
2.5.1输入输出点数
输入输出点数是PLC最基本的性能指标，它从某种意义上反映了PLC的控制规模，所以工程技术人员往往根据控制系统的点数选择合适的PLC输入输出点数。
2.5.2内存容量
PLC是工业控制计算机，其内部的CPU通过执行指令完成各部分的操作，过程变量或大量的程序均是存在内存单元中，因此内存容量的大小决定了可以存储的数据量、程序量，选择了PLC时，要充分考虑内存容量的大小。
2.5.3指令系统
PLC指令系统，类型的指令来反映PLC系统功能的强弱，指令和更丰富的用户编程更方便，更容易实现复杂的功能。
因此PLC的指令系统通常也是评价PLC性能的指标之一。
2.5.4扫描速度
PLC的扫描速度反映的是PLC中CPU执行指令的速度，CPU执行一遍程序所用的时间成为一个扫描周期，通常扫描周期越短则说明CPU执行速度越快，PLC的响应速度越快。
2.5.5特殊功能及模块
除了PLC一些最基本的功能外，评价PLC技术水平的还有一些PLC的特殊功能，这些功能一般是通过特殊功能模块实现的，如高速计数模块，位置控制模块，温度处理模块，闭环控制模块等，用户在选择PLC时，要根据系统的功能要求充分考虑其特殊功能。
2.6三菱FX2n系列PLC简介
本次毕业设计所采用的是三菱系统，所以，具体介绍三菱FX2N的相关知识。
三菱FX2n系列型号的名称的含义
FX2n系列可编程控制器的基本格式如下：
FX2NM
系列序号特殊品种的区别
I/O总点数
基本单元输出形式：
R-继电器输出
S-双向晶闸管输出
T-晶体管输出
图2-3FX2n系列PLC型号
FX2n是FX系列中功效最强、运算速度最高的FX2n系列微型可编程序控制器。
其基本单元如表3.2.1所示。
用户存储容量可扩展到16K步。
I/O点最大可扩展到256点。
它有27个基本指令，他的基本指令执行速度比许多大型PLC都快。
同时它包括多种特殊功能模块，如位置控制模块、模拟量输入/输出模块、高速计数模块、脉冲输出模块。
有多种RS-232C/RS-485串行通信模块或功能扩展板。
扩展板的特殊功能功能模块和功能的使用，可实现模拟量控制，位置控制和网络通信等功能。
FX2n有3000多点辅助继电器、1000点状态及电器、200多点定时器、200点16位加计数器，35点32位加/减计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跳步指针、15点中断指针。
这位应用程序的设计提供了丰富的资源。
第3章全自动洗衣机的PLC的硬件设计
3.1实物示意图及工作流程
3.1.1全自动洗衣机实物图
图3-1全自动洗衣机实物图
如图所示，全自动洗衣机的主要结构如图所3-1所示，一个开始的按钮，停止按钮，主框架的可见部分指示灯，一个控制按钮，和进水口。
洗衣机主箱体包括内筒，外筒，筒底存放波盘，在洗衣机主箱体内部装有高水位探测器、低水位探测器，以供检测水位，在主箱体底部有排水口，以供排水，洗涤电机放置在最下位置，以控制波盘的正转或者反转，从而控制洗衣机的正反转。
3.1.2全自动洗衣机工作流程
全自动洗衣机外筒与内筒同心布置，外桶用来洗衣，内桶用来脱水，拨盘用来驱动洗衣机的正反转，内筒内壁的四周有很多小孔，用来脱水时的水分排出。
进水电磁阀和排水电磁阀分别控制着洗衣机的进水和排水，当进行洗衣时，电磁进水阀打开，水通过相应管道进入洗衣机外桶，进行洗衣。
波盘控制洗衣机的正反转，此时，洗衣机内桶并不运转。
当脱水时，排水电磁阀打开，此时，水从洗衣机的内桶上的小孔排出，进行甩干。
水位的的高低通过高低水位开关用来检测并控制。
启动按钮控制洗衣机工作，停止按钮停止洗衣机的控制，包括进水，脱水，洗涤停止报警，排水按钮为手动按钮，即通过手动来实现排水。
3.2全自动洗衣机控制系统要求
3.2.1全自动洗衣机工作原理
普通洗衣机工作流程示意图
图3-2全自动洗衣机工作流程示意图
3.2.2全自动洗衣机过程分析
全自动洗衣机可分为进水、洗衣、脱水、排水四个过程，当启动洗衣机时，先选择水位的高低，即高水位、中水位、低水位，然后洗衣机开始充满水，当水位达到预先设定的水位时，洗衣机停止进水，然后洗衣机开始是正转，当达到正转设定的时间后，洗衣机暂停，然后开始反转，反转到达相应的时间后停止，然后继续正转。
如此重复到达设定的次数，然后洗衣机开始脱水，脱水完毕后重新开始进水，重复进行正转停止反转停止动作，相当于洗涤作用，当重复次数达到预设的次数后洗衣机开始排水，然后脱水，脱水完毕后开始报警，报警持续一段时间后到达设定的时间后洗衣机停止，全部过程结束。
在以往的洗衣机中，这些过程分别是通过相应的按钮控制，也就是按钮在控制继电器来达到相应的动作来实现的，而全自动洗衣机分别是通过内部的程序来控制的，逐个执行，直至结束。
电控系统水位开关控制着全自动洗衣机的进水与否，当选择设定的水位时，电磁进水阀打开从而实现进水，当洗衣时，由电控系统控制波盘的正反转从而实现洗衣动作，脱水时由电控系统控制洗衣机内桶即脱水桶运动，从而进行脱干，排水时由电控系统控制电磁排水阀打开，进而实现排水。
水位开关也是由电控系统来进行控制进入洗衣机内的水位的高低，可以提供三种选择供人们洗衣。
就是由以上这些电器元件相互配合来实现全自动洗衣机的工作，整个过程不需要人为看管，只需在开始作出相应的选择后，全自动洗衣机即可完成剩下的工作，而且人们可以通过按钮选择急停，以避免突发事件。
3.2.3全自动洗衣机设备控制要求
全自动洗衣机的设备控制要求是能实现“正常工作”和“紧急急停”两种方式。
1.正常工作
正常工作方式要求如下：
（1）通过水位开关来确定水位的高低，按下启动按钮，就开始向洗衣机内注水，当前到达合适的水位后，即就是水位开关的所设定的高中低三个档次时，就停止注水。
（2）当进水停止2s后，开始进行洗衣，洗衣机外筒首先正转
（3）正转20s后暂停
（4）暂停2s后开始反转
（5）反转20s后开始暂停
（6）暂停2s后开始进行正转，累积共6次
（7）若未达到6次，则重新继续从正转的动作再次循环
（8）达到6次后，开始进行排水
（9）排水结束后开始脱水，脱水30s
（10）脱水结束后从复
（1）~（6）步，重复3次，即3次大循环
（11）如果没有完成3次大循环则返回重进水开始，直至完成3次大循环，如果完成了3次大循环，则报警。
（12）报警10s后，所有过程结束，全自动洗衣机自动停机。
图3-3洗衣机工作流程图
3.3全自动洗衣机的电路设计
全自动洗衣机的动作过程可划分为启动、进水、洗涤、脱水、排水四个工序。
经控制中心采集和处理各信号，再将驱动信号发送到各个执行部件。
由PLC全自动洗衣机控制系统如图
图3-4全自动洗衣机控制系统图
全自动洗衣机的主接线图如图所示，接触器KM1，KM2的分别控制控制洗衣机的正反转，同时接触器的继电器的通断由PLC控制，从而通过PLC就可以控制洗衣机的正反转。
整个过程可以通过停止按钮X002达到人为停止目的。
图3-5全自动洗衣机主线路接线图
熔断器安装在主线路图中，以防止在工作过程中出现短路，进而损坏电动机和各种电气设备。
既当电路中出现短路时，短路保护器可以随时地迅速地断开，从而实现保护电路目的。
为了避免电动机在洗衣机长时间的工作状态下温度持续升高进而损坏，也需要用热继电器保护电器元件，热继电器与熔断器的配合使用，可以大大的保证了系统的安全可靠性，可以避免一些意想不到的意外造成的损失。
3.4I/O点分配
按照洗衣机工艺系统及控制要求，分析输入信号、输出信号，然后依照PLC的输入点和输出点进行I/O分配，使每个输入信号和输出信号分别对应PLC内部相应的输入继电器和输出及电器，其详细情况见表3-1。
表3-1I/O地址分配表
I/O地址表
信号名称
功能说明
备注
X001
启动按钮
开启洗衣机运行
常开
X002
停止按钮
关闭洗衣机运行
常开
X003
高水位开关
选择高水位
常开
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