畢業(yè)設計基于PLC全自動洗衣機控制系統(tǒng)的設計與研究

1、目目 錄錄摘要.iabstract. ii1 緒論 . 11.1 引言 . 22 全自動洗衣機控制系統(tǒng)總體方案論證.32.1 全自動洗衣機控制系統(tǒng)的控制功能32.2 總體控制方案論證 33 控制系統(tǒng)硬件設計.83.1 硬件電路總體設計84 控制系統(tǒng)軟件設計.124.1 控制系統(tǒng)軟件設計124.2 系統(tǒng)的順序功能圖設計134.3 系統(tǒng)的梯形圖設計13參考文獻.16致謝17附錄18摘要摘要可編程控制器(plc)是以計算機技術為核心的通用自動化控制裝置,它的功能性強,可靠性高,編程簡單,使用方便,體積小巧,近年來在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應用,被譽為當代工業(yè)自動化主要支柱之一。在現(xiàn)代的社會，全自動洗衣機

2、進入各個家庭，本文介紹了 plc 用于全自動洗衣機的控制系統(tǒng)，其可改進現(xiàn)有技術的不足，簡化結構，有利于降低成本和提高可靠性。關鍵詞關鍵詞: 全自動洗衣機 ; 可編程控制器 ; 簡化結構 ; 降低成本1 緒論1.1 引言可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng), 專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計. 它采用可編程序的存貯器, 用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令, 并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出, 控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程. 可編程序控制器及其有關設備, 都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體,易于擴充其功能的原則設計1。 典型的 plc 控制系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖

3、 1.1 所示模擬量輸入模塊采樣設備開關量輸出模塊執(zhí)行裝置計算機可編程終端和設備電源模塊編程器模擬量輸出模塊圖 1.1 plc 控制系統(tǒng)的硬件組成框圖plc 控制系統(tǒng)的硬件是由 plc、輸入/輸出（i/o）電路及外圍設備等組成。系統(tǒng)的規(guī)?？筛鶕?jù)實際應用的需要而定，可大可小。開發(fā)應用 plc 的設計任務分為硬件和軟件設計兩部分。硬件設計主要包括:(1) 確定安排 plc 的輸入、輸出點;(2) 設計外圍電路, 包括主電路;開關量輸入模塊系統(tǒng)總線其他模塊檢測裝置被控對象主控模塊（cpu、存儲器、通行接口等）(3) 選購 plc 并進行現(xiàn)場安裝接線等內(nèi)容。軟件設計, 大多數(shù)用梯形圖和指令程序, 主要

4、包括:(1) 設計控制流程, 根據(jù)工藝要求先畫出工作循環(huán),如有必要再畫詳細的狀態(tài)流程圖;(2) 根據(jù)工作循環(huán)圖, 畫出虛擬的電路圖繼電器梯形圖;(3) 按梯形圖編寫指令程序表;(4) 系統(tǒng)調(diào)試: 根據(jù)設計要求, 對程序進行調(diào)試和修改, 必要時還可對硬件進行修改, 直到符合要求為止。本系統(tǒng)用plc設計洗衣機的工作過程。2 全自動洗衣機控制系統(tǒng)總體方案論證2.1 全自動洗衣機控制系統(tǒng)的控制功能全自動洗衣機控制系統(tǒng)具有以下功能：(1)電源開關功能：當洗衣機電源處于斷開狀態(tài)時，按下電源開關按鈕應能接通洗衣機電源；反之，當洗衣機電源處于接通狀態(tài)時，按下電源開關按鈕應能斷開洗衣機電源。 (2)啟動暫停功能

5、：在洗衣機電源接通的情況下，當洗衣機處于暫停狀態(tài)時，按下啟動暫停按鈕應能使洗衣機啟動運行，當洗衣機處于運行狀態(tài)時，按下啟動暫停按鈕應能使洗衣機暫時停止運行。 (3)過程選擇功能：洗衣過程分為浸泡、洗滌、漂洗和脫水等 4 個階段。用戶可根據(jù)洗衣的進展情況，用過程選擇按鈕選擇洗衣的起始階段。 (4)水位選擇功能：洗衣的水位分為 110 檔，用戶可根據(jù)衣物的多少，用水位選擇開關選擇合適的水位檔次洗衣。 (5)預約功：洗衣的預能約起始時刻分為 020 檔，這 020 檔依次為自按下啟動停止按鈕起，經(jīng)過 0 小時、1 小時、2 小時20 小時后才開始洗衣。在洗衣機尚未啟動之前，用戶可根據(jù)自己的日程安排，

6、用預約按鈕預約洗衣的起始時刻。2.2 總體控制方案論證2.2.1 控制系統(tǒng)的比較洗衣機是一種在家庭中不可缺少的家用電器，發(fā)展非?？?，全自動式洗衣機因使用方便得到大家的青睞，全自動即進水、浸泡、洗滌、漂洗、排水、甩干等一系列過程自動完成，控制器通常設有幾種洗滌程序，對不同的衣物可供用戶選擇。全自動洗衣機控制系統(tǒng)可選擇多種控制方案，如 plc、單片機、dsp、工業(yè) pc 機等均能完成。目前國內(nèi)市場上出售的全自動洗衣機的控制系統(tǒng)可大致分為兩類：一類是機械式控制系統(tǒng)，另一類是單片機式控制系統(tǒng)。機械式控制系統(tǒng)的全自動洗衣機具有工作可靠，抗干擾能力強，成本低、奉命長、價格低等優(yōu)點，但其系統(tǒng)的結構較為復雜，

7、機械部件容易損壞，要實現(xiàn)復雜的控制要求比較困難4。 隨著構成 plc 的元器件性能的提高，plc 的可靠性也在相應地提高。一般 plc 的平均無故障時間可達幾萬小時以上。某些 plc 的生產(chǎn)廠家甚至宣布，今后生產(chǎn)的 plc 不再標明可靠性這一指標，因為對 plc 來講這一指標已毫無意義了。經(jīng)過大量實踐人們發(fā)現(xiàn) plc 系統(tǒng)在使用中發(fā)生的故障大多是由于 plc 的外部開關、傳感器、執(zhí)行機構引起的，而不是 plc 本身發(fā)生的。圖 2.1 洗衣機的簡單工作過程2.2.2 洗衣機的 plc 控制系統(tǒng)概述如果利用 plc 控制系統(tǒng)作全自動洗衣機的控制系統(tǒng)，就能克服以上兩者的缺點。plc 自身具有的完善的

8、功能，模塊化的結構，開發(fā)容易、操作方便、性能穩(wěn)定、可靠性高的特點和較高的性價比，且不需要印制印刷電路板，只需把設計調(diào)試好的程序輸入到 plc 里面，就可以直接安裝到洗衣機里面使用，在一定程度上節(jié)省了時間和人力?，F(xiàn)代社會是一個講節(jié)能講效率的社會，誰的產(chǎn)品更節(jié)能，誰的工作效率更高，那么那個產(chǎn)品，那個工廠就更有生命力，更有發(fā)展前途。下面以 plc 作為洗衣機的控制系統(tǒng)做個簡單的概述。圖2.1 為洗衣機工作流程示意圖. 洗衣機起動后, 進水控制器開關打開進水, 水位到位后開始洗滌, 洗滌電動機有正反轉(zhuǎn)控制, 當洗滌10 次后, 依次是排水10s , 脫水10s , 之后停機. 整個工作過程要求自動運行

9、. 下面對本例的控制要求, 系統(tǒng)的硬件結構及程序設計3 個方面加以分析?？刂埔蠹捌浞治雒鞔_系統(tǒng)的控制要求及對控制要求的分析理解是plc系統(tǒng)硬件和軟件設計的基礎. 本例的控制要求可歸納為:(1) 下達起動指令后, 進水控制器打開進水.(2) 水滿, 進水器開關關閉, 停止進水, 洗滌電動機正轉(zhuǎn)起動.(3) 洗滌電動機正轉(zhuǎn)10s 后, 反轉(zhuǎn)運行10s.(4) 洗滌10 次后洗滌電動機停轉(zhuǎn), 排水控制器開關打開進行排水.(5) 10s 后, 脫水電動機起動進行脫水.(6) 10s 后, 停機.通過對上述控制要求的分析, 本例為一個以條件和時間為主要轉(zhuǎn)換特征的順序控制系統(tǒng).系統(tǒng)的硬件配置根據(jù)控制要求

10、可考慮plc 系統(tǒng)的硬件設計, 硬件設計的主要內(nèi)容是分析系統(tǒng)所需的輸入輸出信息, 確定plc 輸入輸出接點的類型、數(shù)量和plc 的配置, 設繪系統(tǒng)的plc輸入輸出接點的配置圖. 為了滿足上述控制要求, 系統(tǒng)應輸入以下開關信息:(1) 系統(tǒng)起動信號(起動按鈕) x0(2) 系統(tǒng)停止信號(停止按鈕) x1(3) 水位狀態(tài)信號x2系統(tǒng)輸出信息及連接器件如下:(1) 系統(tǒng)工作指示y0(2) 水位控制器y1(3) 洗滌工作狀態(tài)信號y2(4) 洗滌電動機正、反轉(zhuǎn)接觸器y3 、y4(5) 排水控制器y5(6) 脫水電動機接觸器y6(7) 脫水工作狀態(tài)信號y7根據(jù)上述對系統(tǒng)輸出開關信息的分析, 若采用fx2n

11、系列plc. 則系統(tǒng)的輸入輸出接點配置圖如圖2.2 所示. 圖2.2 簡單洗衣機的i/o接線圖3系統(tǒng)的梯形圖如圖2.3 圖2.3 簡單洗衣機的梯形圖根據(jù)系統(tǒng)的控制要求, plc 除需輸入上述一些開關信息外, 尚需使用plc 一些內(nèi)部輔助繼電器和定時器: 內(nèi)部輔助繼電器m0 為中間繼電器; 內(nèi)部定時器為t0 (洗滌時間計時100s) 、t1 (正轉(zhuǎn)洗滌時間計時10s) 、t2 (反轉(zhuǎn)洗滌時間計時10s) 、t3 (排水時間計時10s) 、t4 (脫水時間計時10s) .根據(jù)輸入輸出接點配置和內(nèi)部定時器的設定, 按控制要求及其所確定的邏輯條件, 便可設計圖2.3 所示的梯形圖程序.圖中(1) 為系

12、統(tǒng)起?？刂? 當輸入起動的指令時(x0 =1) ,輸出繼電器y0 、y1 被激勵,給出系統(tǒng)運行指示(y0 = 1) 并且進水器開關打開(y1 = 1) .圖中(2) 為洗滌控制. 當水位到位(x2 = 1) , 輔助繼電器m0 被激勵(m0 = 1) , 輸出洗滌指示信號( y2 = 1) ,t0 計時100s ; 同時洗滌電動機正轉(zhuǎn)起動運行( y3 = 1) t1計時10s , 10s 時間到位后(t1 = 1) 洗滌電動機正轉(zhuǎn)停止,反轉(zhuǎn)起動運行(y4 = 1 ) t2 計時10s , 10s 時間到位后(t2= 1) 反轉(zhuǎn)運行結束, 正轉(zhuǎn)起動運行, 洗滌10 次即t0 計時200s 時間到

13、位(t0 = 1) 洗滌結束.圖中(3) 為排水控制. 當洗滌結束(t0 = 1) 排水控制器被激勵(y5 = 1) 且定時器t3 開始10s 計時,10s 時間到位后(t3 = 1) ,排水控制結束.圖中(4) 為脫水控制. 排水結束后(t3 = 1) 脫水電動機起動并運行,輸出脫水指示信號(y2 = 1) ,并且t4 計時10s ,10s 時間到位后(t4 = 1) 脫水電動機停止運行,整個洗滌工作過程結束.根據(jù)梯形圖編制plc 指令程序時, 可按照從左到右,自上而下的順序, 依次列出與梯形圖具有對應邏輯關系的指令.表2.3表 2.3 指令表1 ld x02 ld y13 and x24

14、orb5 and x16 ani t47 out y08 out y19 ld x210 and t011 out m012 ld m013 out y214 ld m015 out t016 k 100017 ld m018 ani t119 out y320 ld m021 ani t222 out t123 k 10024 ld t125 ld t126 out y427 ld t128 out t229 k 10030 ld t031 or y532 ani t333 ani y334 ani y435 out y536 ld y537 out t338 k 10039 ld t340

15、 or y641 ani t442 out y643 out y744 ld y645 out t446 k 10047 end將上述程序通過編程器輸入plc 并進行調(diào)試, 按調(diào)試結果修改并確定最后的程序, 以完成plc 系統(tǒng)的設計.plc具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點, 廣泛應用于各行各業(yè), 實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制. plc 在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位, 在可預見的將來, 是無法取代的. 隨著plc 產(chǎn)品的發(fā)展, 其應用范圍越來越廣。綜上所述，故本課題決定采用 plc 控制系統(tǒng)作為全自動洗衣機的控制方案。本課題采用三菱 fx2n 系列

16、的 plc 作全自動洗衣機的控制系統(tǒng)。3 控制系統(tǒng)硬件設計3.1硬件電路總體設計3.1.1主電路設計如圖 3.1 所示為三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制的主電路圖，其中 fu 為熔斷器，km1、km2 分別是控制正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的交流接觸器。圖中用 km1 和 km2 的主觸點改變電動機三相電源的相序，即可改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向。圖中 fr 為熱繼電器，在電動機過載時，它的常閉觸點斷開，電動機停轉(zhuǎn)。fufr3m ac220/380vn去plc i/o接線圖l1l2l3圖3.1 全自動洗衣機電動機主電路圖km1km2圖 3.1 全自動洗衣機電動機主電路圖3.1.2 主電路電氣元件選擇電器元件以及所使用的型號和功

17、能作用如表 3.1 所示。表 3.1 電器元件的型號和功能3.1.3 系統(tǒng) plc 硬件接線設計當按下電源開關 sa1 時，洗衣機處于接狀態(tài)，當再次按下電源開關，洗衣斷電并停止。在洗衣處于接通時，如果啟動按鈕按下時，洗衣機進行啟動進水。此系統(tǒng)設計有 10 個水位檔次，用戶可根據(jù)自己的要求選擇合適的水位進行洗衣，比如，當用戶選擇 1 檔水位進洗衣時，則進行 1 檔水位檢測并指示燈亮，當水位達到要求時，自行關水?？蛇M行下一步洗衣。默認情況下為 1 檔水位洗衣。時間預約還設置有 0 小時，1 小時20 小時，也就當用戶按下預約按鈕起經(jīng)過 0 小時，1 小時20 后洗衣進行自動洗衣程序。各個時間還設有

18、指示燈顯示。默認情況下為 0 小時間預約。每按下一次，開關就會自行加 1,比如按一次 sql,進行 1 檔水位檢測并洗衣，再按一次進行 2 檔水位檢測并洗衣，當 10 檔水位洗衣時，再按下 sql 時則又回到 1 檔水位。如此循環(huán)。洗衣機的洗衣過程分別浸泡、洗滌、漂洗、排水和脫水等幾個過程。plc 硬件接線圖如圖 3.4所示。序代號名 稱數(shù)量規(guī) 格 型 號備 注1fr電機熱繼電器1jr0-20/3d用于電機過載保護2km控制電機 m 的接觸器3cj10-10交流接觸器3fu熔斷器3rl1-15主電路保護4plc可編程序控制器1fx2n64mr三菱 fx2n 系列co m0y0y1y2y3y4c

19、o m1y5y6y7co m2y10y11y12y13co m3y14y15y16y17co m4y20y21y22y23co m5y24y25y26y27co m6y30y31y32y33lnco mx0x1x2x3x4x5x6x7x10x11x12x13x14x15x16x17預約功能選擇啟動/暫停過程選擇波盤正轉(zhuǎn)波盤反轉(zhuǎn)內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)進水排水報警ac220vabcdefgabcdleabcdefgabcdle+dc24vabcdefgabcdefg位位位位位位位位位位位位位位位位位位1檔2檔3檔4檔5檔6檔7檔8檔9檔10檔sa 1ac220vrunsa2sb1sb2sb3sb4sq1sq2s

20、q3sq4sq5sq6sq7sq8sq9sq10sqlfr水位選擇plc電源開關電源plc運行開關1檔水位檢測開關2檔水位檢測開關3檔水位檢測開關4檔水位檢測開關6檔水位檢測開關5檔水位檢測開關7檔水位檢測開關8檔水位檢測開關9檔水位檢測開關10檔水位檢測開關電源過載保護km1km2km1km2yv1yv2yv3becd4513cd4513led1led2led3led4led5led6led7led8led9led10電源指示led11ln-fx2n48mrfrln0檔水位檢測開關co m0y0y1y2y3y4co m1y5y6y7co m2y10y11y12y13co m3y14y15y1

21、6y17co m4y20y21y22y23co m5y24y25y26y27co m6y30y31y32y33lnco mx0x1x2x3x4x5x6x7x10x11x12x13x14x15x16x17預約功能選擇啟動/暫停過程選擇波盤正轉(zhuǎn)波盤反轉(zhuǎn)內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)進水排水報警ac220vabcdefgabcdleabcdefgabcdle+dc24vabcdefgabcdefg位位位位位位位位位位位位位位位位位位1檔2檔3檔4檔5檔6檔7檔8檔9檔10檔sa 1ac220vrunsa2sb1sb2sb3sb4sq1sq2sq3sq4sq5sq6sq7sq8sq9sq10sqlfr水位選擇plc電源開關

22、電源plc運行開關1檔水位檢測開關2檔水位檢測開關3檔水位檢測開關4檔水位檢測開關6檔水位檢測開關5檔水位檢測開關7檔水位檢測開關8檔水位檢測開關9檔水位檢測開關10檔水位檢測開關電源過載保護km1km2km1km2yv1yv2yv3becd4513cd4513led1led2led3led4led5led6led7led8led9led10電源指示led11ln-fx2n48mrfrln0檔水位檢測開關0112233445566779810911a312a213a114a01574ls42圖 3.4全自動洗衣機控制系統(tǒng) plc i/o 接線圖4 控制系統(tǒng)軟件設計控制系統(tǒng)軟件設計4.1 plc

23、 程序的總體結構圖為了適應全自動洗衣機控制系統(tǒng)的調(diào)試、檢查和操作方便的需要，應使全自動洗衣機控制系統(tǒng)具備手動和自動兩種工作方式。據(jù)此，基于 plc 的全自動洗衣機控制系統(tǒng)的軟件部分應由公用程序、手動程序、自動程序、信號顯示和故障報警程序等五個部分組成。公用程序用于自動程序和手動程序相互切換的處理，開始執(zhí)行自動程序時，要求洗衣機波盤與控制系統(tǒng)都處于初始狀態(tài)。如果開機時洗衣機波盤與控制系統(tǒng)沒有處于初始狀態(tài)，則應進入手動工作方式，用手動操作使二者都進入初始狀態(tài)后再切換到自動工作方式。自動程序是軟件中最重要的部分，它用來實現(xiàn)全自動洗衣機在功能按鈕的控制下自動地執(zhí)行各項洗衣的各項步驟。自動程序可大大提高

24、洗衣效率，節(jié)省人力和時間。信號顯示及故障報警程序用來顯示全自動洗衣機的工作狀態(tài)，和洗衣完成后的報警提示。全自動洗衣機控制系統(tǒng) plc 程序的總體結構圖如圖 4.1 所示：x0 是自動/手動切換開關，當 x0 為 off 時將跳過自動程序，執(zhí)行手動程序，當 x0 為 on 時將跳過手動程序執(zhí)行自動程序。 圖 4.1 plc 程序總體結構圖 4.2 系統(tǒng)的順序功能圖設計 本系統(tǒng)要求全自動洗衣機具有如下功能：1 電源開關功能：當洗衣機電源處于斷開狀態(tài)時，按下電源開關按鈕應能接通洗衣機電源；反之，當洗衣機電源處于接通狀態(tài)時，按下電源開關按鈕應能斷開洗衣機電源。 (2) 啟動暫停功能：在洗衣機電源接通的

25、情況下，當洗衣機處于暫停狀態(tài)時，按下啟動暫停按鈕應能使洗衣機啟動運行，當洗衣機處于運行狀態(tài)時，按下啟動暫停按鈕應能使洗衣機暫時停止運行。 (3) 過程選擇功能：洗衣過程分為浸泡、洗滌、漂洗和脫水等 4 個階段。用戶可根據(jù)洗衣的進展情況，用過程選擇按鈕選擇洗衣的起始階段。 (4) 水位選擇功能：洗衣的水位分為 110 檔，用戶可根據(jù)衣物的多少，用水位選擇開關選擇合適的水位檔次洗衣。 (5) 預約功能：洗衣的預約起始時刻分為 020 檔，這 020 檔依次為自按下啟動停止按鈕起，經(jīng)過 0 小時、1 小時、2 小時20 小時后才開始洗衣。在洗衣機尚未啟動之前，用戶可根據(jù)自己的日程安排，用預約按鈕預約

26、洗衣的起始時刻。 根據(jù)功能要求，設計出控制系統(tǒng)的順序圖如圖 4.2 所示。4.3 系統(tǒng)的梯形圖設計 全自動洗衣機控制系統(tǒng)梯形圖的設計見附錄 1。本基于 plc 的全自動洗衣機控制系統(tǒng)能使全自動洗衣機具有全自動洗衣的功能，打開電源，只需根據(jù)需要設定好洗衣的時間和洗衣的起始步驟，按下啟動按鈕，洗衣機就能自動完成進水浸泡洗滌漂洗排水脫水的洗衣過程。plc 是專門為工業(yè)環(huán)境設計的控制裝置，一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境使用。但是，如果環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，都不能保證系統(tǒng)的正常安全運行。干擾可能是 plc 接受到錯誤的信號，造成誤動作，或使 plc 內(nèi)部的數(shù)據(jù)丟失，嚴重是甚至會使系統(tǒng)失去控制。在系統(tǒng)設計時，應采取相應的可靠性措施，以消除或減少干擾的影響，保證系統(tǒng)的正常運行。圖 4.2系統(tǒng)的順序功能圖m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m8002x0m122x0m122tococok600d0y3m123m100t1k12000m101m102m103set m200y0t3k90t4k20t1t3t4t2t5t2t5y1t5k90y4rst m200x4y0y2y4y6c1k3k1800t