毕业设计：PIC在全自动洗衣机控制系统中的研究与应用

1、第一章 plc的简介1.1 可编程序控制器的概述 随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已领域。现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。可编程序控制器（programmable logic controller）简称plc，它具有编程方法简单易学、功能强，性能价格比高、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强、可靠性高，抗干扰能力强、系统的设计，安装，调试工作量少、维修工作量

2、小，维修方便、体积小，能耗低等特点，已经成为当代工业自动化的主要控制设备之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用，在其它领域（例如民用和家庭自动化）的应用也得到了迅速的发展。plc的推广应用在我国得到了迅猛的发展，它已经广泛应用在各种机械设备和生产过程的电气控制装置中。了解plc的工作原理，具备设计、调试和维护plc控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。 1.2 plc的简介1.2.1 plc简介可编程序控制器是20实际60年代开始发展起来的一种新型工业控制装置，用于取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制、定记数等功能。高档plc还能实现数字运算、数据

3、处理、模拟量调节，以及联网通信。它具有通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简单易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场连接安装方便等优点。广泛应用于冶金、采矿、建材、石油、化工、机械制造、汽车、电力、造纸、纺织、装卸、环保等领域，尤其在机械加工、机床控制上应用广泛。在自动化领域cad/cam、工业机器人并称为工业自动化的三大支柱。随着微处理器技术的日趋成熟，可编程序控制器的处理速度大大提高，功能不断完善，性能不断提高，不但能进行逻辑运算、处理开关量，还能进行数字运、数据处理、模拟量调节，体积缩小，实现了小型化。1.2.2 硬件介绍可编程序控制器的核心是一太单板机，其外围配置了相应的接口电路，

4、内部配置plc的硬件包括基本组成部分、i/o扩展部分和外部设备三大部分。 （1）cpucpu即微处理器，实际是一太单片机，上面除了cpu，还有存储器和并行接口、窜行接口、时钟。其作用是：对系统进行管理。进行程序解释，根据用户程序执行输入、输出操作等。（2）存储器plc的存储器有两种：一是单片机上带的存储器，主要用于存储系统监控程序及系统工作区间，生成用户环境，二是用户程序存储器，存储程序及参数，用锂电池作后备，调试起来方便。（3）输入/输出接口电路输入/输出接口电路是plc与被控对象联系的桥梁。（4）电源电源是plc整机的能源供给中心。plc系统中有两种电源：一种是内部电源，是plc主机内部电

5、路的工作电源，要求性能稳定、工作可靠，一般用开关稳压电源。另一种是外部电源，用于传输现场信息或驱动现场执行机构，通常由用户另备。1.2.3 软件介绍（1） 监控程序监控程序是由厂家编制的，用于管理、协调plc各部分工作，充分发挥系统硬件功能，方便用户使用的通用程序。具有以下功能：系统配置登记及初始化。系统自诊断。命令识别与处理。用户程序编译。模块化子程序及调用管理。（2）用户程序用户程序又称应用程序，由由用户根据控制需要用plc的编程语言编制而成。（3）用户程序用户程序是由监控程序生成的，包括用户数据结构、用户元件区分配、用户程序存储区、用户参数、文件存储区等。（4）plc的内部等效电路plc

6、是专为工业控制设计的专用计算机，包括了cpu、存储器、i/o接线口等硬件。1.2.4 元件介绍（1） 输入继电器输入继电器是plc接受外部输入的开关量信号的窗口。plc通过光耦合器，将外部信号的装态读入并存储在影响寄存器中。输入继电器的状态唯一的取决于外部输入的信号状态，不可能受用户程序的控制，因此在梯形图中绝对不能出现输入继电器。（2） 输出继电器输出继电器是plc向外部负载发送信号窗口。输出继电器用来将plc的输出信号传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。在梯形图中，每一个输出继电器的常开出点和常闭触点都可以使用多次。（3） 辅助继电器辅助继电器(m)是用软件实现的，它们不能接受外部的输入

7、信号，也不能直接驱动外部负载，是一种内部的状态标志。相当于电器控制系统中的中间继电器。（4） 定时器plc中的定时器（t）相当于继电器的时间继电器。它有一个设定值寄存器字，一个当前值存储器字，和一个用来存储其触点状态的影响寄存器位，这三个存储单元使用同一个元件号。（5） 内部计数器内部计数器（c）用来对plc的内部影响寄存器（x、y、m和s）提供的信号计数，计数脉冲为on或off的持续时间，应大于plc的扫描周期，其响应速度通常小于数十赫兹。1.2.5 plc的特点（1） 编程方法简单易学可编程序控制器采用专门的编程语言，指令少，简单易学。（2） 功能强，性价比高一太小型plc内有成千上百个可

8、供用户使用的编程元件，可以实现复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。（3） 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强plc产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。（4） 可靠性高，抗干扰能力强plc采用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产少现场，已经被认为最可靠的工业控制设备之一。（5）系统的设计、安装、调试工作量少plc用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜

9、的设计、安装、调试工作量大大减少。（6） 维修工作量小，维修方便plc的故障率很低，且有完善的自诊断功能。用更换模块的方法可以迅速地排除故障。（7）体积小，能耗低小型plc的体积相当于几个继电器的大小，因此可以将开关柜的体积缩小到原来的1/2甚至1/10，故可以省下大量的配线和附件，减少很多安装接线工时，节约大量费用。1.2.6 硬件设计介绍1、机型选择子系列名称，例如1s、1n、2n等。输入、输出的总点数。单元类型：m为基本单元，e为输入、输出混合扩展单元与扩展模块，ex为输入专用扩展模快，ey为输出专用口占模块。输出形式：r为继电器输出，t为晶体管输出，s为双向晶体管输出。表1-1 fx系

10、列plc的输出技术指标项目继电器输出晶闸管输出晶体管输出外部电源最大为ac1240v或dc30vac85242vdc530v最大负载电阻负载2a/1点，8a/com0.3a/1点,0.8a/com0.5a/1点，0.8a/com感性负载ac80va,120/240vac36va/240vdc12w/24v白炽灯负载100w30wdc1.5w/24v最小负载dc电压5v时2maac2.3va/240v-响应时间offon100ms1ms0.2msonoff10ms10ms0.2ms开路漏电流-ac2.4mv/240vdc0.1ma/30v电路隔离继电器隔离光电晶闸管隔离光耦合器隔离 电源和输入输

11、出类型等特点。无标记为dc输入，ac电源；d为dc输入，dc电源。1.3 三菱plc的简介三菱plc有如下系列:q系列, ans系列，qna系列，a系列和fx系列前四个系列的plc为模块型。可按要求配置。fx系列plc为单元型，内含cpu、电源和固定搭配的输入/输出。q4ar系列为双机热备系列，最大输入输出点数为8192点。a系列plc的最大输出点数为2048点。f系列程控器的最大输入输出点数为256点。三菱小型 fx 2（n）系列程控器的输入输出点最大不超过256点。每台主机可连模入、模出、高速记数、定位等特殊功能模块，不超过8个。 fx系列在日本三菱的姬路制作所生产。三菱姬路制作所累计已生

12、产超过三百万台 fx系列 plc。目前fx系列plc为中国内地销量最多的小型plc。fx 系列plc根据输入输出点数不同及功能分为多个不同的系列：输入出点数在30点以內可使用 fx1s系列输入出点数在128个点，fx1n系列输入出点数在256点以內可使用 fx2n系列。 fx2n 系列 plc 的特点:fx2n是fx2的持续,基本单元 (16128点) 有继电器或晶体管输出，最多可扩展到256点內置有8k步ram (最多可扩展到16k步)可选用存储卡盒,有ram，eprom和eeprom等。优点还有超高速的运算速0.08微秒比fx2的0.48微秒快六倍容量极大8k步(最大16k步)比fx2大四

13、倍机体小型化比fx2小50%兼容fx2的编程设计备有多种不同的fx2n扩展单元及特殊模块通讯功能扩展模块低成本模板化fx2n-xxxbd更多通讯/网络功能，rs232，rs422，rs485更便宜的配置兼用fx0n的扩展单元及特殊模块可增加多一个通道，如：连接一台人机界面显示单元du，另外一个连接编程器；或连接二台du丰富的软元件辅助继电器(m):3072点+256点状态继电器(s):1000点计数器(c): 235点定时器(t): 256点(積算定时器1ms 4点，10ms 6点)数据寄存器(d): 200点+7800点（按需设置)变址寄存器（v，z)：16点堆栈指針(p): 128点中断指

14、針(i):15点內附高速计数器单向计数器: 60khz 2点, 10khz 4点双向计数器: 30khz 1点,5khz 1点。第二章 plc对全自动洗衣机的控制2.1 plc对全自动洗衣机进行控制的主要内容用plc对全自动洗衣机进行控制，全自动洗衣机示意图如图1所示，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，用作盛水用。内桶可以旋转，用作脱水（甩干）用。内桶的四周有很多小孔，使内、外桶的水流相通。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门打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀门打开，将水由外桶排到

15、机外。洗涤正转、反转由洗涤电机驱动拨盘正转、反转来实现，此时脱水桶（内桶）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脱水甩干。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。2.2 plc对全自动洗衣机进行控制的主要要求plc投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。选择水位，按下启动按钮，点控系统打开进水阀，自来水经进水管注入到外桶，当水到达预设位置时，停止进水，并启动洗涤电机开始洗涤正转。正转洗涤15s后洗涤电机暂停，暂停3s后开始洗涤反转，洗涤反转15s后暂停3s，又开始洗涤

16、正转如此循环，若正、反洗涤达到3次时，开始排水，水位下降到低水位时，启动洗涤电动机带动内桶正转进行脱水并继续排水，脱水10s就完成一次从进水到脱水的大循环。然后再启动进水洗涤，如此循环3次大循环，如果完成了3次大循环，则进行洗完报警。报警10s后结束全过程，自动停机。此外，还要求可以按下排水按钮以实现手动排水，按下停止按钮以实现手动停止、排水、脱水等。2.3 plc对全自动洗衣机进行控制的主要分析plc对全自动洗衣机的控制不同与一般的简单流程控制，该过程属于带有分支流程的控制问题，具有明显的跳转、循环控制流程，因此该过程需使用一种重要的编程工具中间继电器（如m0、m1等）。图2-2 全自动洗衣

17、机示意图由控制要求可知，全自动洗衣机的工作流程图如图2-2所示。首先打开电源，用户根据衣物的多少及大小进行水位的选择，并有相应的指示灯指示。再按下启动按钮，开始进水洗涤衣物。使用plc控制时，输入设备主要有电源按钮，启动按钮，水位选择按钮（高水位选择按钮、中水位选择按钮、低水位选择按钮），水位开关（高水位开关、中水位开关、低水位开关），排水按钮及脱水按钮等。输出设备主要有电源指示灯，水位选择按钮信号灯（高水位选择信号灯、中水位选择信号灯、低水位选择信号灯），进水电磁阀，洗涤电动机正转接触器，洗涤电动机反转接触器，排水电磁阀，脱水离合器及报警蜂鸣器等。第三章 全自动洗衣机控制系统的plc方案设计

18、3.1 全自动洗衣机控制系统的plc选型和资源配置根据题目要求和题目分析，该系统需要10个输入点和10个输出点，水位开关在此使用行程开关代替。3.1.1 plc控制全自动洗衣机的输入/输出分配表。表3-1 输入/输出分配表输入输出功能元件plc地址功能元件plc地址电源按扭sb1x0进水电磁阀yv1y0启动按扭sb2x1排水电磁阀yv2y1停止按扭sb3x2洗涤电动机正转接触器km1y2排水按扭sb4x3洗涤电动机反转接触器km2y3水位选择按扭高水位sb5x4脱水电磁离合器ycy4中水位sb6x5报警蜂鸣器hay5低水位sb7x6电源指示hl1y6水位开关sq1x7水位指示hl2y7sq2x

19、10hl3y10sq3x11hl4y113.1.2 plc控制全自动洗衣机的输入/输出接线图图3-1 输入/输出外部接线图待添加的隐藏文字内容33.2 全自动洗衣机的状态转移图的设计状态转移图（流程图）的设计，是运用状态编程思想解决顺序控制问题的过程。该过程可以分为任务分解、弄清楚每个状态的功能、找出每个状态的转移条件及方向、设置初始状态共4个阶段。3.2.1 全自动洗衣机任务设计分解任务分解。根据控制要求，将洗衣机的工作过程分解为以下几个工序（状态）。表3-2 工作过程的分解电源开关m0正、反洗涤次数m6进水m1排水m7正转洗涤m2脱水m8暂停m3洗涤次数m9反转洗涤m4报警m10暂停m53

20、.2.2 弄清楚各个状态的功能。表3-3 各个状态的功能m0使电源导通y6为onm1使进水电磁阀打开进水y0为onm2正转洗涤15sy2为on,定时t0k150 延时15秒m3暂停3s定时器t1,k30m4反转洗涤15sy3为on,定时t2k150延时15秒m5暂停3s定时t3,k30m6正、反转洗涤计数计数c0,k3m7使排水电磁阀打开排水及c0复位y1为on复位c0m8使脱水电磁离合器吸合脱水及排水10sy1、y2、y4为on定时t4,k100m9洗涤次数计数计数c1,k3m10报警、蜂鸣器工作及c1复位y5为on，复位c1,定时t5,k1003.2.3 找出各个状态的转移条件和转移方向图

21、3-2 全自动洗衣机运行流程图3.3根据流程图及各个状态的功能画出梯形图图3-3 全自动洗衣机运行梯行图 3.3.1 程序设计过程中所用的网络说明（1）电源开关网络：当第一次按下sb1，x0常开触点闭合，常闭触点断开，y6输出线圈有效，电源接通，电源指示灯hl1亮。y6常开触点闭合，实现自锁，中间继电器m0得电，m0常开触点闭合，常开触点断开。y6，m0始终得电。当第二次按下sb1，x0常开触点闭合，常开触点断开，y6输出线圈有效，电源断开，指示灯hl1熄灭。y6常开断开，常闭闭合，m0也失点，常开断开，常闭闭合，恢复初始状态。所以当sb1按下奇数次时表示接通电源；当按下偶数次时表示切断电源。

22、接通电源时，y6输出线圈有效，控制电源指示灯亮。t5常闭与y6线圈串联，实现联锁，当洗涤完毕后实现自动停机。（2）水位选择网络： 水位选择包括高水位，水位和低水位选择，分别由sb5(x4),sb6(x5),sb7(x6)实现。当按下sb5，x4常开触点闭合，y7输出线圈有效，高水未指示灯hl2亮，y7的常开触点闭合，分别实现自锁和为下一步启动进水做准备，y10,y11常闭触点与y7线圈串联实现联锁。当按下sb6时，x5的常开触点闭合，y10线圈输出有效，中水位指示灯hl3亮。y10的常开触点同样分别实现自锁和为下一步启动进水做准备。y7,y10与y11线圈串联实现联锁控制。低水位选择时与高水位

23、工作模式一样。用户根据衣物的多少可设置水位的高低，选择不同的水位均有相应的指示灯发亮。（3）启动进水网络：按下sb2启动按钮，x1常开触点闭合，m1中间继电器输出线圈有效，m1常开触点闭合，分别实现自锁和导通y0，使y0输出线有效，因为上一步水位选择时y7,y10,y11中有一个是闭合的，所以当m1常开触点闭合后y0就输出有效，进水电磁阀打开，给洗衣机进水。同时由m9的常开与c1的常闭组成的串联网络与x1并联，其功能是实现洗涤三次循环，即在未达到洗涤三次时会再次进行进水洗涤的过程。m2常闭触点与m1线圈串联是实现联锁，x2常闭触点与m1线圈串联是实现手动实现停止进水。（4）正转洗涤网络：当洗衣

24、机的水位达到预设水位时，y7,y10,y11其中与之相对应的一条之路将导通，m2中间继电器输出线圈有效。m2常开触点闭合，分别实现了自锁和导通y2和t0。y2与t0输出线圈有效。洗涤电动机正转接触器闭合，同时定时器开始计时，计时时间为15s。m6的常开与c0常闭组成的串联网络与x7,x10,x11并联，目的是实现正反转三次小循环。即在未达到正反转三次的情况下会再次进行正反转洗涤过程。m3常闭触点与m2线圈串联是实现联锁。（5）暂停3s网络：当t0定时器的计时时间到达时，t0常开触点闭合。由于m2常开触点在上一网络中已经闭合。m3中间继电器输出线圈有效，m3常闭触点断开，m2输出线圈失效。m3常

25、开触点闭合实现自锁和导通定时器t1，同时为下一步反转洗涤网络做准备。t1导通后t1开始计时。m4常闭触点与m3线圈串联是实现联锁功能。当进行下一网络时自动断开此网络。（6）反转洗涤网络：当t1定时器的计时时间到达时，t1常开触点闭合，m3常开触点在上一网络中已经闭合。所以m4中间继电器输出线圈有效。m4常开触点闭合实现自锁和y3与t2。同时为下一网络执行做准备。m4常闭触点断开，使m3输出线圈失效。y3导通后其输出线圈有效，电动机正转洗涤接触器闭合，洗衣机开始反转洗涤。同时t2定时器开始计时，计时时间为3s。m5常闭触点与m4线圈串联也是实现联锁功能，即在执行下一网络是自动切断本网络。（7）暂

26、停3s网络2：当t2定时器的即使时间到达时，t2常开触点闭合，由于m4在上一网络中已经闭合，所以m5中间继电器输出线圈有效。m5常开触点闭合，实现自锁和导通t3定时器，t3定时器同时开始计时，计时时间为3s。同时为小一步计时网络做准备。m6常闭触点与m5线圈串联实现联锁功能，即在执行计数网络时断开次网络。（8）正、反洗涤循环计数网络：当t3定时器计时时间到达时，t3常开触点闭合，由于m5常开触点在上一网络中已经闭合，所以此时m6输出线圈有效。m6常闭触点断开，断开上一网络使m5线圈无效。m6常开触点闭合，实现自锁和导通c0计数器。c0导通后便开始计数，设置次数为三次。在下一网络中的m5常开触点

27、闭合，为其导通做准备。m2、m7常闭触点与m6线圈串联实现联锁功能。（9）排水网络：当c0计数器的计数达到三次时，c0常开触点闭合。由于m6常开触点在上一网络中已经闭合，此时m7输出线圈有效，则m7常闭触点断开，m6输出线圈失效；m6常开触点闭合，其一时实现自锁的目的；其二是导通y1与c0使c0复位。在下一网络的m7常开触点闭合是为下一步的正常工作做准备。x3与m6、c0并联，是为了实现手动排水。m8常闭与x2常闭线圈串联，m8是实现联锁功能。当m8输出线圈有效时，m7输出线圈断开失效。x2常闭是为了实现手动停止排水。y1导通后排水电磁阀打开，洗衣机开始排水，同时c0也被复位。（10）脱水、排

28、水10秒网络：在排水网络中，洗衣机一直进行排水的过程，当洗衣机中的水位降低到低水位时，x6常开触点闭合m7常开在上一网络中已闭合，则此时m8中间继电器输出线圈有效。此时m8常闭触点断开，使得m7线圈失效；一个m8常开触点实现自锁，另一个导通y4及t4，在正转洗涤网络和排水网络中的m8常开触点闭合，道通y1与y2。下已网络中的m8常开触点也闭合，为下一步的网络执行做准备。m9常闭与m8线圈串联实现联锁，x2串联是实现手动停止，y1线圈有效则排水电磁阀打开进行排水；y2、y4线圈有效时，洗涤电动机正转接触器闭合、脱水电磁离合器闭合实现脱水，同时t4定时器开始计时，计时时间为10s。（11）洗涤循环

29、次数计数网络：当t4定时器的计时时间到达时t4常开触点闭合。m9输出线圈有效，m9常开触点断开，m8输出线圈失效。m9常开触点闭合，一个实现自锁，还有一个实现导通c1计数器。下一网络中的m9为导通其网络做准备。c1计数器的设置值为3，达到三次后便动作。m1常闭触点和m10常闭都是实现联锁，当执行下一指令时断开此网络。（12）报警10秒、停机网络：当c1计数器计数达到设置值3时，其常开触点闭合，m10输出线圈有效。m10常闭触点断开，则m9线圈失效。m10常开触点闭合，y5输出线圈有效，报警蜂鸣器开始蜂鸣报警。t5也开始计时，计时时间为10s。同时c1计数器也被复位。m0常闭触点串联其中是实现联

30、锁，x2常闭触点是手动实现停止报警。当t5定时器的计时时间到达后，电源网络中的t5常闭触点断开，y6失电，电源断开，洗衣机自动停机，一次洗衣过程结束。3.3.2 程序设计过程中运用的定时器及计数器全自动洗衣机控制系统的plc程序设计中，为实现自动控制，需设置6个定时器和2个记书数器t0正转定时，定时预置值为150。t1正洗暂停定时，定时预置值为30。t2反转定时，定时预置值为150。t3反洗暂停定时，定时预置值为30。t4脱水定时，定时预置值为100。t5报警定时，定时预置值为100。c0正、反洗涤循环记数，记数预置值为3。c1洗涤次数记数，记数预置值为3。 第四章 调试过程4.1 过程打开f

31、xgp_win-c软件图4-1，点击菜单栏中的“文件”，打开新文件，在plc类型设置对话框中选择fx2n/fx2nc,确认。图4-1 fxgp_win-c软件图在打开的窗口中输入plc的梯形图如图4-2。图4-2 fxgp_win-c软件图窗口图程序输好后，点击工具栏中的转换，转换完成后点击“指令表视图”，出现plc的指令表，共进两百步如图4-3。图4-3 指令表视图转换完成后，连接plc的硬件接线，包括plc、线圈、接触器、电阻、指示灯、电磁阀、电磁离合器、蜂鸣器。用数据线将plc与计算机连接。plc打到“stop”状态。上述步骤完成后，点击工具栏的“plc”,选择传送“写出”如图4-4。图4-4 指令表视图在plc程序写入对话框中选择范围设置，起始步为0，终止步为200.单击确认如图4-5。图4-5 plc程序图数据传送完毕后，将plc打到“run”状态，点击工具栏的“监控/测试”进入原件控制点击“开始控制”。按照洗衣机的控制过程进行操作如图4-6。图4-6 洗衣机的控制过程进行操作图当调试结果满足控制要求时说明次程序满足设计要求。完成后点击“停止监控”。拆除接线，调试成功。4.2 原件清单表4-1 原件清