基于PLC的全自动洗衣机控制系统课设

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一、设计题目

1.1课题内容
根据设计参数和控制要求，设计一全自动洗衣机，画出其运行框图及梯形图控制程序的编制，并画出硬件接线图。

1.2设计参数
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1.3控制要求
（1）按下启动按扭及水位选择开关，开始进水直到高（中、低）水位，关水；
（2）2秒后开始洗涤；
（3）洗涤时，正转29秒，停2秒，然后反转29秒，停2秒；
（4）如此循环5次，总共250秒后开始排水，排空后脱水30秒；
（5）开始清洗，重复（1）～（4），清洗两遍；
（6）清洗完成，报警3秒并自动停机；
（7）若按下停车按扭，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）；
（8）若重量超重，报警；循环时间超过，报警。

二、设计分析

2.1全自动洗衣机控制系统的控制要求

2.1.1 全自动洗衣机的工作原理

普通洗衣机的工作流程示意图如图2.1所示。洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水、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运行，直至洗衣结束。

全自洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一心安放的，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电磁阀打开，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。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘的正、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，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。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、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。

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2.1.2控制设备要求

全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“强制运行”两种控制方式。

1.正常运行
“正常运行”方式具体控制要求如下：
（1）将水位通过水位选择开关设在合适的位置（高、中、低），按下“启动”按钮，开始进水，达到设定的水位（高、中、低）后，停止进水。
（2）进水停止2s后开始洗衣。
（3）洗衣时，正转29s，停2s，然后反转29s，停2s。
（4）如此循环共5次，总共250s后开始排水，排空后脱水30s。
（5）然后再进水，重复（1）（4）步，如此循环共2次。
（6）洗衣过程完成，报警3s并自动停机。

2.强制停止
“强制停止”方式具体控制要求如下:
（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。
【注】“正常运行”和“强制停止”两种模式的运行是一样的。

2.2全自动洗衣机控制系统的PLC选型和资源配置

2.2.1控制系统构成图

1.控制系统图
控制系统图如图2.2所示

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2.PLC的选型
全自动洗衣机控制采用三菱公司的FX2N系列整体式PLC。根据设计要求，全自动洗衣机共有12个输入点，6个输出点，故选择PLC的型号为FX2N-32MR001，如下图2.3所示。

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3.I/O模块的选择和I/O地址分配
开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：
1）输入信号的类型及电压等级
2）输入接线方式
3）注意同时接通的输入点数量
4）输入门槛电平

开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：
1）输出方式
2）输出接线方式
3）驱动能力
4）注意同时接通的输出点数量
5)输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关

由于CPU模块有16点数字量输入，有16点数字量的输出，所以不再需要输入、输出模块。采用I/O分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是X000X017，输出端子对应的输出地址是Y000Y017。

2.2.2模块功能概述
FX2N系列PLC硬件组成与其他类型PLC基本相同，主体由三部分组成，主要包括中央处理器CPU、存储系统和输入、输出接口。PLC的基本结构如图1-1所示。系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。
外部的开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信息和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各部分协调一致地实现对现场设备的控制。

（1）中央处理器CPU
CPU的主要作用是解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其它功能，控制整个系统协调一致地工作。常用的CPU主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。

（2）存储器模块
随机存取存储器RAM用于存储PLC内部的输入、输出信息，并存储内部继电器（软继电器）、移位寄存器、数据寄存器、定时器／计数器以及累加器等的工作状态，还可存储用户正在调试和修改的程序以及各种暂存的数据、中间变量等。
只读存储器ROM用于存储系统程序。可擦除可编程序的只读存储器EPROM主要用来存放PLC的操作系统和监控程序，如果用户程序已完全调试好，也可将程序固化在EPROM中。

（3）输入输出模块
可编程序控制器是一种工业控制计算机系统，它的控制对象是工业生产过程，与DCS相似，它与工业生产过程的联系也是通过输入输出接口模块(I/O)实现的。I/O模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。
PLC连接的过程变量按信号类型划分可分为开关量（即数字量）、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。

（4）编程器
编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机对话的界面。随着PLC的功能不断增强，编程语言多样化，编程已经可以在计算机上完成。
CPU模块采用三菱的FX2N32MR001（AC/DC/继电器）模块，它控制着整个系统按照控制要求有条不紊地进行。同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带16个数字量输入点和16个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量输入和输出模块。

2.3全自动洗衣机控制系统的电气控制
全自动洗衣机在工作过程中，需要靠电动机完成洗衣、清洗、脱水，在此过程中，还需要实现正反转，电气部分要在PLC程序控制下自动完成。电气控制部分主要由电动机驱动波盘来实现正反转，电动机在快速转换过程中，电势能能够快速转换，但是电机内部磁场和电势不是同步转换的，因此再设计过程中需要考虑电机有一个暂停的过程，以便电机可靠地转换电势方向下，否则直接影响洗衣机的洗涤和脱水程序。电机在正反转自动切换时要能保证高效、安全。

全自动洗衣机通过排空检测开关（SQ1）、高水位检测开关（SQ2）、中水位检测开关（SQ3）、低水位检测开关（SQ4）来检测水位高度的位置（检测开关遇水就通：ON，离水就断：OFF）。水位选择有一个选择按钮来完成，水位浮球开关用来采样水位信息，由于水位浮球开关是机械式的，通过通断信号输入PLC，由PLC 来控制进水阀和排水阀动作。

三、电气设计

如下图3.1为全自动洗衣机的PLC控制系统电路图。通过PLC来实现电动机的正反转，并且实现洗衣机按预先设置的程序自动执行，完成洗衣。当需要手动排水与脱水时，可强制止自动程序的运行，跳出自动切换到手动操作。

为防止全自动洗衣机在工作过程中，电路发生短路，损坏电动机和电路中的各种电气设备，因此在主电路中安装了熔断器，当电路出现短路故障时，能迅速、可靠的断开电源。全自动洗衣的电机容量较小，主电路中的熔断器可同时作为控制电路的短路保护，所以在主电路中使用熔断器就足够了。PLC部分和开关电源那的熔断器也是为了防止电路过电流，保护电路和电路中的电器元件。

全自动洗衣机在无人问津的情况下可能长时间运行，为防止电机绕组的温升超过额定值而损坏，采用热继电器作为保护元件，与熔断器搭配使用，可靠地保护电动机。

人机接口部分的按钮等都选择低压电器元件，保护操作者的安全。

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3.1电器元件的选择（详见完整）

四、全自动洗衣机控制系统PLC程序设计

4.1 全自动洗衣机控制系统程序设计调试

4.1.1编程软件
编程软件采用三菱公司为其生产的PLC而设计的编程软件GX Developer。

4.1.2程序的流程图、构成和相关设置
1.流程图
（1）正常运行流程图
正常运行流程图如图4.1所示。

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(2)强制运行流程图
强制运行流程图如图4.2所示。

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2.程序的构成
这个程序有自动方式和手动方式两种。在自动方式下，PLC将运行已经设置好的程序和参数（适用于机械一切都正常工作的情况下）。在手动方式下是在紧急停止情况下，可以手动排水和脱水。

3.程序的下载、安装和调试
将各个输入输出端子和实际控制系统中的按钮。所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。全自动洗衣机程序是由GX Developer软件的指令完成，正常工作是程序存放在存储卡中，若要修改程序，先将PLC设定在STOP状态下，运行GX Developer编程软件，打开全自动洗衣机程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试。

4.2全自动洗衣机控制系统PLC程序(详见完整)

4.3源程序
1.辅助继电器
在本程序中，M0是按下启动按钮的辅助继电器；M1是判断洗衣机水位是否和设定水位不一致的辅助继电器；M2是判断洗衣机是否和设定水位一致的辅助继电器；M3是停止自动洗衣机的辅助继电器，它的助记符如下。

//
//按下启动按钮，开始洗衣
//
LD     X001
OR     M0
ANI    X002
OUT    M0
//
//洗衣机水位与设定水位不一致辅助继电器
//
LD     X003
ANI    X007
LD     X004
ANI    X010
ORB
LD     X005
ANI    X011
ORB
OUT    M1
//
//洗衣机水位与设定水位相一致辅助继电器
//
LD     X003
AND    X007
LD     X004
AND    X010
ORB
LD     X005
AND    X011
ORB
OUT    M2
//
//停止自动洗衣辅助继电器
//LD     X002
OR     M3
ANI    X001
OUT    M3

对应的梯形图如图4.4所示。

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2.进水
在正常情况下，按下启动按钮或者脱水完毕，而且洗衣大循环未到三次时，开始进水，当水位达到设定水位后停止进水，等待2s后进入洗衣程序。在强制停止情况下，当停止按钮按下时立即停止进水。它的助记符程序为：

//
//进水到设定的水位，超重后报警，进水阀关闭，自动洗衣终止
//
LD     M0
LD     T5
ANI    C1
ORB
OR     Y002
AND    M1
ANI    X002
ANI    X014
OUT    Y002
LD     X014
OUT    Y006
LD     Y006
RST    M0
//
//进水到设定的水位后等待2s
//
LD     M2
ANI    Y005
ANI    Y001
ANI    Y004
OUT    T0      K20

所对应的梯形图如图4.5所示

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3.洗衣
进水到设定水位2s后，开始洗衣，先正转29s，停止2s然后再反转29s，停止2s这样循环5次后进入排水过程。

//
//洗涤电动机正转29s
//
LD     T0
LDI    C0
AND    T4
ORB
OR     Y001
ANI    T1
OUT    Y001
OUT    T1     K290
//
//洗涤电动机停2s
//
LD     T1
OUT    T2     K20
//
//洗涤电动机反转29s
//
LD     T2
OR     Y004
ANI    T2
OUT    Y004
OUT    T3     K290
//
//洗涤电动机停2s
//
LD     T3
OUT    T4     K20

所对应的梯形图如图4.6所示

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