机电一体化毕业设计（论文）-基于PLC的全自动洗衣机控制系统.doc

武夷学院成人高等教育武夷学院成人高等教育 毕业论文（设计）毕业论文（设计） 题 目基于 plc 的全自动洗衣机控制系统. 姓 名 学 号 57 号 系（教学点） 电子工程系 年级、专业 09 机电一体化 层次、形式 指导教师、职称： - 2 - 目录 摘要.1 绪论.2 第一章 plc 的结构和工作原理 3 1.1 plc 的基本结构 .3 1.1.1 整体式结构的 plc3 1.1.2 模块式结构的 plc3 1.2plc 的工作原理 .3 1.3 plc 各组成部分介绍 4 1.4 基本指令 4 1.5 循环扫描技术 5 1.5.1 输入阶段 .6 1.5.2 执行程序阶段 .6 1.5.3 输出阶段 .6 第二章 全自动洗衣机简介.7 2.1 洗衣机简介7 2.1.1 洗衣机类型: .7 2.2 全自动洗衣机水位开关及新技术7 2.3 plc 在全自动洗衣机中的应用 7 2.4 洗衣机洗净衣物的原理8 第三章 全自动洗衣机的系统结构和基本工作原理.9 3.1 系统结构9 3.2 基本工作原理9 3.3 全自动洗衣机系統硬件分析9 3.4 plc 机型选择和控制要求 .10 3.5 机型的选择.10 3.6 i/o 分布表 .10 3.7 全自动洗衣机的 plc 控制系统的要求.11 3.8 硬件结构接线图.11 3.9 梯形图.12 总结14 致谢15 参考文献16 - 3 - 摘摘 要要 自从全自动洗衣机诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样， 从而使全自动洗衣机显得更加智能化。 可编程控制器(plc)以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形 图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活,而且结构简单，抗干扰能力强。三菱可编 程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备 和通信设备更是符合全自动洗衣机控制系统的要求与特点。 本文选择三菱可编程控制器 fx- 32mr 为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表 进行编程，实现了全自动洗衣机控制系统的自动化。 关键词：关键词： plcplc 控制系统 自动化 - 4 - 绪论 在洗衣机控制方面，在 plc 问世之前，工业控制领域中是继电器占主导地位。但继电器控制领域有 着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发 生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，plc 控制 系统产生了。1plc 的优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等，为了进一步 提高全自动洗衣机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了用 plc 来控制全自动洗衣机这 个课题。 plc 的全称是 programmable logic controller（可编过程控制器）plc 是一种产品，但这种产品 有点特别，在没有下载控制程序之前，它不具备任何控制功能，也就是说，没有应用程序的 plc 是毫 无用处的。plc 实际上是专为工业环境使用的通用控制平台，它必须进行二次开发才能完成最终控制 目的，因此，它还需程序编辑/调试软件的配合，此次设计的关键就在程序的编辑和调试。 - 5 - 第第一一章章 p pl lc c 的的结结构构和和工工作作原原理理 1 1. .1 1 p pl lc c的的基基本本结结构构 plc实质是一种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。根据结构形式的不同，plc 的基本结构分为整体式和模块式结构两类。 1 1. .1 1. .1 1整整体体式式结结构构的的p pl lc c 整体式结构的plc由中央处理器（ cpu） 、存储器、 i/o单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装 在一起。基本结构框图如图 2-1所示。 图2-1 整体式结构 1 1. .1 1. .2 2模模块块式式结结构构的的p pl lc c 模块式结构的plc是将中央处理器（ cpu） 、存储器、输入 /输出单元、电源电路和通信端口等分别做成相 应的模块，应用时将这些模块根据要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线想到联系。 1.2plc1.2plc 的工作原理的工作原理 plc的工作原理与继电器构成的控制装置一样，但是工作方式不太一样。继电器控制是并行运行方式， 即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作。而plc则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电 或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作。也可以说继电器控制装置是根据输入和 - 6 - 逻辑控制结构就可以直接得到输出，而 plc控制则需要输入传送、执行程序指令、输出 3个阶段才能完成控制 过 程2。 1 1. .3 3 p pl lc c各各组组成成部部分分介介绍绍 （1）中央处理器 中央处理器（ cpu）是plc的核心部分，相当于 plc的“大脑” 。它通过系统总线与用户存储器、输入/输出 （i/o） 、通信端口等单元相连。通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。其主要功 能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、检验用户程序、从存储器上读取和执行程序，还可以进行plc内部 故障的诊断等。 （2）存储器 根据存储器存储内容的不同，我们把存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。 系统程序存储器：用来存入软件的存储器。系统程序相当于计算机操作系统，是plc厂家根据选用的cpu 的指令系统编写的，并固化到 rom里，用户不能修改其内容。 用户程序存储器：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的plc，其存储容量也不一样。 数据存储器：用以存放 plc运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必 须可读写。 （3）输入/输出单元 输入/输出单元是plc与外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向plc提供的开关量信号，经过处 理后，变成cpu能够识别的信号。输出单元将 cpu的信号经处理后来控制外部设备的。 （4）电源部分 不同型号的plc有不同的供电方式，所以 plc电源的输入电压既有 12v和24v直流，又有110v和220v交 流。 （5）编程器 几乎每个plc厂家都有自己的编程器，用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的 控制程序输入到plc。它还可以在线检测程序的运行情况。在出现故障时，通过编程器可能很方便的找出错误。 （6）特殊功能单元 主要包括模拟量输入 /输出单元、远程i/o模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和pid调解模块 等。随着plc的进一步发展，特殊功能单元的应用也越来越多。 1 1. .4 4基基本本指指令令 - 7 - ld/ldi指令：ld和ldi指令是连接在母线连接的触点 .表示操作开始 .ld是常开触点 ,ldi是常闭触点 . and/ani指令：and和ani指令是串联连接的触点 ,and是常开触点 , ani是常闭触点 . or/ori指令：or和ori指令是并联连接的触点 ,执行逻辑 “或” 的功能.or是常开触点 ,ori是常闭触点 . out指令：out指令执行逻辑输出的功能 ,条件成立时为on,条件不成立时为off. anb/orb指令：anb完成支路间的串联的功能 ,用于执行支路之间 “于”操作；orb完成支路间的并联的功 能,用于执行支路之间 “或”操作. 比较指令： cmp（compare）的功能指令编号为 fnc10，16位运算占7个程序步， 32位运算占13个程序步 . 传送指令： mov的功能号为fnc12,它是将源操作数的内容传送目标操作数. 四则逻辑运算指令 (1)二进制加法指令add add的功能号为fnc20,它是将源操作数s1和s2中的16位二进制数相加 ,然后运算结果传送到指定的目标 操作数中 . (2) 二进制减指令sub sub的功能号为fnc21.它是将源操作数s1和s2中的16位二进制数相减 ,然后运算结果传送到指定的目标 操作数中 . (3) 二进制乘法指令mul mul的功能号为fnc22.它是将源操作数s1和s2中的16位二进制数相乘 ,然后运算结果传送到指定的目标 操作数为首地址的软元件中 . (4) 二进制除法指令div div的功能号为fnc22.它是将源操作数s1和s2中的16位二进制数相除 ,然后运算结果传送到指定的目标 操作数d中,余数传送到d+1中. 1 1. .5 5循循环环扫扫描描技技术术 plc采用循环扫描技术可以分为 3个阶段，输入阶段（将外部输入信号的状态传送到plc） 、执行程序阶段 和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。扫描过程如下图 2-3所示。 - 8 - 图2-3 循环扫描 1 1. .5 5. .1 1输输入入阶阶段段 在这个阶段中， plc读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。 1 1. .5 5. .2 2执执行行程程序序阶阶段段 在这个阶段中， plc按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入信号的状态和 数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据存储器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果， 并将这些结果存入相应的输出存储器单元。这一阶段执行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入 信号的状态和数据保持不变。 1 1. .5 5. .3 3输输出出阶阶段段 在这个阶段中， plc将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备 传送输出信号，开始控制外部设备。 - 9 - 第二章第二章 全自动洗衣机简介全自动洗衣机简介 2.12.1 洗衣机简介洗衣机简介 2.1.12.1.1 洗衣机类型洗衣机类型: : （1）波轮式洗衣机 洗衣特点：微电脑控制洗衣及甩干功能、省时省力。 缺点：耗电、耗水、衣物易缠绕、清洁性不佳， 适合洗涤衣物：除需要特别洗涤之外的所有衣物。 轮式洗衣机流行于日本、中国、东南亚等地。 （2）滚筒式洗衣机 洗衣特点：微电脑控制所有功能 衣物无缠绕。最不会损耗衣物的方式 缺点：耗时，时间是普通的几倍,而且一旦关上门，洗衣过程中无法打开,洁净力不强. 适合洗涤衣物：羊毛、羊绒以及丝绸、纯毛类织物。 流行于欧洲、南美等主要穿毛、绵为主的地区,几乎 100的家庭使用的都是滚筒洗衣机。 （3）搅拌式洗衣机 洗衣特点:衣物洁净力最强,省洗衣粉 缺点:喜欢缠绕 相比前两种方式损坏性加大,噪音最大 适合洗涤衣物：除需要特别洗涤之外的所有衣物。 北美普遍用洗衣机发展趋势现在的洗衣机真的是多种多样，在上海这样的大城市，双缸洗衣机购买的人 已经是越来越少了，滚筒洗衣机和波轮洗衣机将成为市场的主流，使用洗衣机就是图个方便省力，现在的全 自动洗衣机都符合人们的要求。那么洗衣机还会怎样进步或发展呢？归纳起来，有如下几个趋势：（1）高 度自动化（2）健康化（3）节能（4）品种多样化 2.22.2 全自动洗衣机水位开关及新技术全自动洗衣机水位开关及新技术 夜位开关种类很多，考虑到各种因素，洗衣机中一般采用压力式水位开关，它装在洗涤缸的上部，它有 一根下端开口的气管通到缸底，进水时管里的空气被封闭在里面出不来，就形成比外界稍高的压力。水位越 高压力越高，这样根据压力就可间接测知水位。而压力的测量仍然用弹性元件，靠元件的变形带动触点完成 通断动作。这种测液位的方法叫做“静压法” ，在工业中用的不少。 2.32.3 plcplc 在全自动洗衣机中的应用在全自动洗衣机中的应用 全自动洗衣机控制系统利用了欧姆龙 plc 的特点，对按钮、电磁阀、开关等其它一些输入/输出点进行 控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。 充分表现现代家电用品的个性，在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、 脱水程序是由以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 热保护以及欠压保护等等。这样增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率，无形的增加了维修成本费用。在 工业控制系统中广泛应用的 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 - 10 - 简单。因此在该设计中采用了 plc 来实现全自动洗衣机的工作过程 2.42.4 洗衣机洗净衣物的原理洗衣机洗净衣物的原理 洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉 入水中来实现洗净的目的。首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁 上升。在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附近。这样，在波轮附近形成了以 波轮轴线为中心的涡流。衣物，在涡流的作用下，作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩 擦。又由于波轮中心是低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同人工揉搓衣物，污垢 被迫脱离衣物。其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之间存在着速度差， 使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。再次由于 洗衣桶形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向都发生了改变，形成湍流。在湍流的作用 下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面 积，提高衣物的洗净的均匀性 - 11 - 第三章第三章 全自动洗衣机的系统结构和基本工作原理全自动洗衣机的系统结构和基本工作原理 3.13.1 系统结构系统结构 全自动洗衣机的由内外桶、进水口、启动和停止按钮、控制器、进水按钮、水位开关、排水口和洗条电 机组成。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（甩干）用。内桶的四周有很多小孔，使内、外桶的水流相通。系统结构框图如下： 3.23.2 基本工作原理基本工作原理 全自动洗衣机的进水和排水分别有进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时，通过电控系统把进水阀 打开，经进水管将水注人外桶，排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水又外桶排到机外。洗衣机正转， 反转由洗涤电机驱动波轮正反来实现，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 电机带动内桶正转进行甩干；高低水位开关分别用来测高低水位；启动按钮用来启动洗衣机工作；停止按钮 用来实现紧急工况下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。 3.33.3 全自动洗衣机系統硬件分析全自动洗衣机系統硬件分析 全自动洗衣机的过程包括启动、进水、洗涤、排水和脱水等功能。在实现控制过程中，各种采样信息都 是通过控制中心进行各种判断、比较和选择，再经信息线路反馈给洗衣机各控制执行机构，决定洗衣机的工 作状态。如图 1 所示，由 plc 控制洗衣机各种动作典型控制图 由上图可知，plc 在系统中是处中心位置，水位开关是 plc 的输入信号控制开关，进水阀、排水阀和电 机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;电机的工作状态 - 12 - 也由控制中心 plc 给定信号来决定的，而电机的正反转状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。另外 由于洗衣机工作过程是顺序过程，所以利用 plc 机的控制系统是可行的。 3.43.4 plcplc 机型选择和控制要求机型选择和控制要求 plc 是一种用作数字控制的专用电子计算机，它根据用户给的指令，通过输入接口现场采样信息执行逻 辑或数值运算，再通过输出接口去控制各种执行机构动作。它和单片机一样，主要有 cpu、存储器、i/o 接 口模板三部分。s7200 在 cpu 单元上设有硬件电路处理高速数字量 i/o 口，它是整体模块形式，因此由它 作为洗衣机控制系统，在硬件设计上就相对简单点。通过对结构图的分析，可知全自动洗衣机的 i/o 点不多， 选择 s7200，可以完全满足其要求。 3.53.5 机型的选择机型的选择 plc 是一种用作数字控制的专用电子计算机，它根据用户给的指令，通过输入接口现场采样信息执行逻 辑或数值运算，再通过输出接口去控制各种执行机构动作。它和单片机一样，主要有 cpu、存储器、i/o 接 口模板三部分。它是整体模块形式，因此由它作为洗衣机控制系统，在硬件设计上就相对简单点。通过对喜 用结构图的分析，可知全自动洗衣机的 i/o 点不多，选择抵挡的三菱 fx 系列 f1-20mr，可以完全满足其 要求，f1-20mr 有 20 个 i/o，根据输入，输出口的总点数，考虑留有适当余量，采用三菱 f1-20mr 型 plc，可满足设计要求。 3.63.6 i/oi/o 分布表分布表 输入继电器输出继电器 功能作用输入点功能作用输出点 启动 x1 启动洗衣机 y1 停水 x2 进水阀 y2 高水位 x3 正转 y3 中水位 x4 反转 y4 低水位 x5 排水 y5 排空检测 x6 脱水 y6 高水位检测 x7 报警 y7 中水位检测 x10 低水位检测 x11 手动排水 x12 手动脱水 x13 - 13 - 3.73.7 全自动洗衣机的全自动洗衣机的 plcplc 控制系统的要求控制系统的要求 1、按下启动按钮及水位选择开关，开始进水直到高（中、低）水位 2、关水 2 秒后开始洗涤 3、洗涤时，正转 30 秒，停 2 秒，然后反转 30 秒，停 2 秒 4、 如此循环 5 次，总共 320 秒后开始排水，排空后脱水 30 秒 5、 开始清洗，重复（1）（5） ，清洗两遍 6、 清洗完成，报警 3 秒并自动停机 3.83.8 硬件结构接线图硬件结构接线图 - 14 - 3.93.9 梯形图梯形图 - 15 - - 16 - 总总 结结 选题的时候选了，全自动洗衣机控制系统的设计,刚开始我觉得这个课题是很容易的。当真正做起来的 时候，还是觉得有点困难的，有些东西以前学了，但现在用起来可能又有点疑问。就如画电气原理图，整体 的构造脑海里都有一个整体的概念。而你要画出来的话，你可能会遇到细节上的问题，比如说按钮开关的方 向是怎样，以及怎么划分区域等。遇到这些问题的时候都能让你主动去翻书，复习这些陌生的知识。我认为 这是一种最好的学习方法通过实践去检验自己的知识。这个只有你自己投入进去你才能发现自己知识点 的欠缺。做为一名电气专业的学生对电气原理图的了解更应该有深刻的认识，知道它的重要性。要能看的懂， 给你一张电气原理图，你要能够写出梯形图。 查找资料也是一件繁琐的事情，虽说网上有资料但要找到一些真正有用的资料也不是一件容易的事， 需要耐心查找。 在程序设计过程中，能灵活运用经验设计法、电气原理图设计法、顺序控制设计法。特别多顺序控制 设计有了一定的了解。只要能熟悉掌握，灵活应用的话，那么编程将变的非常容易。一个流程图无论多么复 杂，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法编程了。当然对于简单的流程也可以用顺序设计。 这种方法也是一种固定的格式，只要按照它的格式就可以写出正确的程序，它的优点可以说易懂，条理清晰。 但结构多，对于活动步多的设计我想用这个设计比较烦琐。 更加体会到 plc 的可靠性高，抗干扰能力强，.通用性强，控制程序可变，使用方便等优点。更加熟悉 了西门子编程软件使用方法与各种基本指令。 这次的课程设计使我把可编程控制器的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得 理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性，让我受益非浅， 对以后工作中遇到问题或者继续学习将 会产生巨大的帮助和影响。 - 17 - 致致 谢谢 本论文从 6 月份开题以来，到目前为止已经有近两个月的时间了，这次毕业设计中，虽然没太多的经 验，但是在老