基于PLC全自动洗衣机控制系统的设计与研究

1、目目 录录 摘要.I Abstract. II 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 2 2 全自动洗衣机控制系统总体方案论证.3 2.1 全自动洗衣机控制系统的控制功能3 2.2 总体控制方案论证 3 3 控制系统硬件设计.8 3.1 硬件电路总体设计8 4 控制系统软件设计.12 4.1 控制系统软件设计12 4.2 系统的顺序功能图设计13 4.3 系统的梯形图设计13 参考文献.16 致谢17 附录18 摘要摘要 可编程控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置,它的功能性强, 可靠性高,编程简单,使用方便,体积小巧,近年来在工业生产中得到广泛的应用,被誉为 当代工业自动化

2、主要支柱之一。 在现代的社会，全自动洗衣机进入各个家庭，本文介绍了 PLC 用于全自动洗衣机 的控制系统，其可改进现有技术的不足，简化结构，有利于降低成本和提高可靠性。 关键词关键词: 全自动洗衣机 ; 可编程控制器 ; 简化结构 ; 降低成本 ABSTRACT PLC is takes core to control devised the calculator technique as the in general use automation control equip to computer skills. Its function is strong, the credibility

3、 is high, the plait distance is simple, the usage is convenient, the physical volume is cleverly made, in these years, PLC is the extensive application, and drive for contemporary the industrial automation mainly pays one of the pillars. In the modern time, the Full-automatic washer is entering ever

4、y family. The article introduces a new decelerating clutch, which is used in fully-auto washing machine, it can improve the current technology, simplify structure, it is also helpful to reduce cost and increases reliability. Key words: Fully-auto Washing Machine; Programmable Controller；Simplify Str

5、ucture；Decline Low Cost 1 绪论 1.1 引言 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统, 专为在工业环境下应用而设计. 它 采用可编程序的存贮器, 用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算 术运算等操作的指令, 并通过数字的、模拟的输入和输出, 控制各种类型的机械或生产 过程. 可编程序控制器及其有关设备, 都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩 充其功能的原则设计1。 典型的 PLC 控制系统的硬件组成框图如图 1.1 所示 模拟量 输入模 块 采样 设备 开关量 输出模 块 执行 装置 计算 机可 编程 终端 和设 备 电源 模块 编程器 模拟

6、量 输出模 块 图 1.1 PLC 控制系统的硬件组成框图 PLC 控制系统的硬件是由 PLC、输入/输出（I/O）电路及外围设备等组成。系统的 规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。 开发应用 PLC 的设计任务分为硬件和软件设计两部分。 硬件设计主要包括: (1) 确定安排 PLC 的输入、输出点; (2) 设计外围电路, 包括主电路; 开关量 输入模 块 系统总线 其他模 块 检测 装置 被控对象 主控模 块 （CPU 、存储 器、通 行接口 等） (3) 选购 PLC 并进行现场安装接线等内容。 软件设计, 大多数用梯形图和指令程序, 主要包括: (1) 设计控制流程, 根据工艺要求

7、先画出工作循环,如有必要再画详细的状态流程 图; (2) 根据工作循环图, 画出虚拟的电路图继电器梯形图; (3) 按梯形图编写指令程序表; (4) 系统调试: 根据设计要求, 对程序进行调试和修改, 必要时还可对硬件进行 修改, 直到符合要求为止。 本系统用PLC设计洗衣机的工作过程。 2 全自动洗衣机控制系统总体方案论证 2.1 全自动洗衣机控制系统的控制功能 全自动洗衣机控制系统具有以下功能： (1)电源开关功能：当洗衣机电源处于断开状态时，按下电源开关按钮应能接 通洗衣机电源；反之，当洗衣机电源处于接通状态时，按下电源开关按钮应能断开 洗衣机电源。 (2)启动暂停功能：在洗衣机电源接通

8、的情况下，当洗衣机处于暂停状态时，按 下启动暂停按钮应能使洗衣机启动运行，当洗衣机处于运行状态时，按下启动暂 停按钮应能使洗衣机暂时停止运行。 (3)过程选择功能：洗衣过程分为浸泡、洗涤、漂洗和脱水等 4 个阶段。用户可根 据洗衣的进展情况，用过程选择按钮选择洗衣的起始阶段。 (4)水位选择功能：洗衣的水位分为 110 档，用户可根据衣物的多少，用水位选 择开关选择合适的水位档次洗衣。 (5)预约功能：洗衣的预约起始时刻分为 020 档，这 020 档依次为自按下启动 停止按钮起，经过 0 小时、1 小时、2 小时20 小时后才开始洗衣。在洗衣机尚未 启动之前，用户可根据自己的日程安排，用预约

9、按钮预约洗衣的起始时刻。 2.2 总体控制方案论证 2.2.1 控制系统的比较 洗衣机是一种在家庭中不可缺少的家用电器，发展非常快，全自动式洗衣机因使 用方便得到大家的青睐，全自动即进水、浸泡、洗涤、漂洗、排水、甩干等一系列过 程自动完成，控制器通常设有几种洗涤程序，对不同的衣物可供用户选择。全自动洗 衣机控制系统可选择多种控制方案，如 PLC、单片机、DSP、工业 PC 机等均能完成。 目前国内市场上出售的全自动洗衣机的控制系统可大致分为两类：一类是机械式 控制系统，另一类是单片机式控制系统。 机械式控制系统的全自动洗衣机具有工作可靠，抗干扰能力强，成本低、奉命长、 价格低等优点，但其系统的

10、结构较为复杂，机械部件容易损坏，要实现复杂的控制要 求比较困难4。 随着构成 PLC 的元器件性能的提高，PLC 的可靠性也在相应地提高。一般 PLC 的平 均无故障时间可达几万小时以上。某些 PLC 的生产厂家甚至宣布，今后生产的 PLC 不 再标明可靠性这一指标，因为对 PLC 来讲这一指标已毫无意义了。经过大量实践人们 发现 PLC 系统在使用中发生的故障大多是由于 PLC 的外部开关、传感器、执行机构引 起的，而不是 PLC 本身发生的。 图 2.1 洗衣机的简单工作过程 2.2.2 洗衣机的 PLC 控制系统概述 如果利用 PLC 控制系统作全自动洗衣机的控制系统，就能克服以上两者的

11、缺点。 PLC 自身具有的完善的功能，模块化的结构，开发容易、操作方便、性能稳定、可靠性 高的特点和较高的性价比，且不需要印制印刷电路板，只需把设计调试好的程序输入 到 PLC 里面，就可以直接安装到洗衣机里面使用，在一定程度上节省了时间和人力。 现代社会是一个讲节能讲效率的社会，谁的产品更节能，谁的工作效率更高，那么那 个产品，那个工厂就更有生命力，更有发展前途。 下面以 PLC 作为洗衣机的控制系统做个简单的概述。 图2.1 为洗衣机工作流程示意图. 洗衣机起动后, 进水控制器开关打开进水, 水 位到位后开始洗涤, 洗涤电动机有正反转控制, 当洗涤10 次后, 依次是排水10s , 脱 水

12、10s , 之后停机. 整个工作过程要求自动运行. 下面对本例的控制要求, 系统的硬 件结构及程序设计3 个方面加以分析。 控制要求及其分析 明确系统的控制要求及对控制要求的分析理解是PLC系统硬件和软件设计的基础. 本例的控制要求可归纳为:(1) 下达起动指令后, 进水控制器打开进水.(2) 水满, 进 水器开关关闭, 停止进水, 洗涤电动机正转起动.(3) 洗涤电动机正转10s 后, 反转运 行10s.(4) 洗涤10 次后洗涤电动机停转, 排水控制器开关打开进行排水.(5) 10s 后, 脱水电动机起动进行脱水.(6) 10s 后, 停机.通过对上述控制要求的分析, 本例为一 个以条件和

13、时间为主要转换特征的顺序控制系统. 系统的硬件配置 根据控制要求可考虑PLC 系统的硬件设计, 硬件设计的主要内容是分析系统所需 的输入输出信息, 确定PLC 输入输出接点的类型、数量和PLC 的配置, 设绘系统的PLC 输入输出接点的配置图. 为了满足上述控制要求, 系统应输入以下开关信息: (1) 系统起动信号(起动按钮) X0 (2) 系统停止信号(停止按钮) X1 (3) 水位状态信号X2 系统输出信息及连接器件如下: (1) 系统工作指示Y0 (2) 水位控制器Y1 (3) 洗涤工作状态信号Y2 (4) 洗涤电动机正、反转接触器Y3 、Y4 (5) 排水控制器Y5 (6) 脱水电动机

14、接触器Y6 (7) 脱水工作状态信号Y7 根据上述对系统输出开关信息的分析, 若采用FX2N系列PLC. 则系统的输入输出接 点配置图如图2.2 所示. 图2.2 简单洗衣机的I/O接线图 3系统的梯形图如图2.3 图2.3 简单洗衣机的梯形图 根据系统的控制要求, PLC 除需输入上述一些开关信息外, 尚需使用PLC 一些内 部辅助继电器和定时器: 内部辅助继电器M0 为中间继电器; 内部定时器为T0 (洗涤时 间计时100s) 、T1 (正转洗涤时间计时10s) 、T2 (反转洗涤时间计时10s) 、T3 (排 水时间计时10s) 、T4 (脱水时间计时10s) .根据输入输出接点配置和内

15、部定时器的设 定, 按控制要求及其所确定的逻辑条件, 便可设计图2.3 所示的梯形图程序.图中(1) 为系统起停控制. 当输入起动的指令时(X0 =1) ,输出继电器Y0 、Y1 被激励,给出系 统运行指示(Y0 = 1) 并且进水器开关打开(Y1 = 1) .图中(2) 为洗涤控制. 当水位到 位(X2 = 1) , 辅助继电器M0 被激励(M0 = 1) , 输出洗涤指示信号( Y2 = 1) ,T0 计 时100s ; 同时洗涤电动机正转起动运行( Y3 = 1) T1计时10s , 10s 时间到位后(T1 = 1) 洗涤电动机正转停止,反转起动运行(Y4 = 1 ) T2 计时10s

16、 , 10s 时间到位后 (T2= 1) 反转运行结束, 正转起动运行, 洗涤10 次即T0 计时200s 时间到位(T0 = 1) 洗涤结束.图中(3) 为排水控制. 当洗涤结束(T0 = 1) 排水控制器被激励(Y5 = 1) 且 定时器T3 开始10s 计时,10s 时间到位后(T3 = 1) ,排水控制结束.图中(4) 为脱水控 制. 排水结束后(T3 = 1) 脱水电动机起动并运行,输出脱水指示信号(Y2 = 1) ,并且 T4 计时10s ,10s 时间到位后(T4 = 1) 脱水电动机停止运行,整个洗涤工作过程结束. 根据梯形图编制PLC 指令程序时, 可按照从左到右,自上而下的

17、顺序, 依次列出与梯形 图具有对应逻辑关系的指令.表2.3 表 2.3 指令表 1 LD X0 2 LD Y1 3 AND X2 4 ORB 5 AND X1 6 ANI T4 7 OUT Y0 8 OUT Y1 9 LD X2 10 AND T0 11 OUT M0 12 LD M0 13 OUT Y2 14 LD M0 15 OUT T0 16 K 1000 17 LD M0 18 ANI T1 19 OUT Y3 20 LD M0 21 ANI T2 22 OUT T1 23 K 100 24 LD T1 25 LD T1 26 OUT Y4 27 LD T1 28 OUT T2 29

18、K 100 30 LD T0 31 OR Y5 32 ANI T3 33 ANI Y3 34 ANI Y4 35 OUT Y5 36 LD Y5 37 OUT T3 38 K 100 39 LD T3 40 OR Y6 41 ANI T4 42 OUT Y6 43 OUT Y7 44 LD Y6 45 OUT T4 46 K 100 47 END 将上述程序通过编程器输入PLC 并进行调试, 按调试结果修改并确定最后的程序, 以完成PLC 系统的设计.PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰 能力强、编程简单等特点, 广泛应用于各行各业, 实现工业生产过程的自动控制. PLC

19、在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位, 在可预见的将来, 是无法取代的. 随着 PLC 产品的发展, 其应用范围越来越广。 综上所述，故本课题决定采用 PLC 控制系统作为全自动洗衣机的控制方案。本课 题采用三菱 FX2N 系列的 PLC 作全自动洗衣机的控制系统。 3 控制系统硬件设计 3.1硬件电路总体设计 3.1.1主电路设计 如图 3.1 所示为三相异步电动机正反转控制的主电路图，其中 FU 为熔断器， KM1、KM2 分别是控制正转和反转的交流接触器。图中用 KM1 和 KM2 的主触点改变电动 机三相电源的相序，即可改变电动机的旋转方向。图中 FR 为热继电器，在电动机过载 时，

20、它的常闭触点断开，电动机停转。 FU FR 3M AC220/380V N 去PLC I/O接线图 L1L2L3 图3.1 全自动洗衣机电动机主电路图 KM1 KM2 图 3.1 全自动洗衣机电动机主电路图 3.1.2 主电路电气元件选择 电器元件以及所使用的型号和功能作用如表 3.1 所示。 表 3.1 电器元件的型号和功能 3.1.3 系统 PLC 硬件接线设计 当按下电源开关 SA1 时，洗衣机处于接状态，当再次按下电源开关，洗衣断电并 停止。在洗衣处于接通时，如果启动按钮按下时，洗衣机进行启动进水。此系统设计 有 10 个水位档次，用户可根据自己的要求选择合适的水位进行洗衣，比如，当用

21、户选 择 1 档水位进洗衣时，则进行 1 档水位检测并指示灯亮，当水位达到要求时，自行关 水。可进行下一步洗衣。默认情况下为 1 档水位洗衣。时间预约还设置有 0 小时，1 小 时20 小时，也就当用户按下预约按钮起经过 0 小时，1 小时20 后洗衣进行自 动洗衣程序。各个时间还设有指示灯显示。默认情况下为 0 小时间预约。每按下一次， 开关就会自行加 1,比如按一次 SQL,进行 1 档水位检测并洗衣，再按一次进行 2 档水位 检测并洗衣，当 10 档水位洗衣时，再按下 SQL 时则又回到 1 档水位。如此循环。洗衣 机的洗衣过程分别浸泡、洗涤、漂洗、排水和脱水等几个过程。PLC 硬件接线

22、图如图 3.4 所示。 序代号名 称数量规 格 型 号备 注 1FR电机热继电器1JR0-20/3D用于电机过载保护 2KM控制电机 M 的接触器3 CJ10-10 交流接触器 3FU熔断器3 RL1-15 主电路保护 4PLC可编程序控制器1FX2n64MR三菱 FX2N 系列 CO M0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 CO M1 Y5 Y6 Y7 CO M2 Y10 Y11 Y12 Y13 CO M3 Y14 Y15 Y16 Y17 CO M4 Y20 Y21 Y22 Y23 CO M5 Y24 Y25 Y26 Y27 CO M6 Y30 Y31 Y32 Y33 L N CO M X0 X

23、1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 预约功能选择 启动/暂停 过程选择 波盘正转 波盘反转 内桶旋转 进水 排水 报警 AC220V a b c d e f g A B C D LE a b c d e f g A B C D LE + DC24V a b c d e f g a b c d e f g 位位 位位 位位 位位 位位 位位 位 位 位 位 位 位 1档 2档 3档 4档 5档 6档 7档 8档 9档 10档 SA 1 AC220V RUN SA2 SB1 SB2 SB3 SB4 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4

24、SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 SQ9 SQ10 SQL FR 水位选择 PLC电源开关 电源 PLC运行开关 1档水位检测开关 2档水位检测开关 3档水位检测开关 4档水位检测开关 6档水位检测开关 5档水位检测开关 7档水位检测开关 8档水位检测开关 9档水位检测开关 10档水位检测开关 电源过载保护 KM1 KM2KM1 KM2 YV1 YV2 YV3 BE CD4513 CD4513 LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 LED9 LED10 电源指示 LED11 LN - FX2N48MR FR L N 0档水位检测开关 CO M0 Y0 Y

25、1 Y2 Y3 Y4 CO M1 Y5 Y6 Y7 CO M2 Y10 Y11 Y12 Y13 CO M3 Y14 Y15 Y16 Y17 CO M4 Y20 Y21 Y22 Y23 CO M5 Y24 Y25 Y26 Y27 CO M6 Y30 Y31 Y32 Y33 L N CO M X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 预约功能选择 启动/暂停 过程选择 波盘正转 波盘反转 内桶旋转 进水 排水 报警 AC220V a b c d e f g A B C D LE a b c d e f g A B C D LE

26、+ DC24V a b c d e f g a b c d e f g 位位 位位 位位 位位 位位 位位 位 位 位 位 位 位 1档 2档 3档 4档 5档 6档 7档 8档 9档 10档 SA 1 AC220V RUN SA2 SB1 SB2 SB3 SB4 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 SQ9 SQ10 SQL FR 水位选择 PLC电源开关 电源 PLC运行开关 1档水位检测开关 2档水位检测开关 3档水位检测开关 4档水位检测开关 6档水位检测开关 5档水位检测开关 7档水位检测开关 8档水位检测开关 9档水位检测开关 10档水位检测开关 电源过载

27、保护 KM1 KM2KM1 KM2 YV1 YV2 YV3 BE CD4513 CD4513 LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 LED9 LED10 电源指示 LED11 LN - FX2N48MR FR L N 0档水位检测开关 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 9 8 10 9 11 A3 12 A2 13 A1 14 A0 15 74LS42 图 3.4全自动洗衣机控制系统 PLC I/O 接线图 4 控制系统软件设计控制系统软件设计 4.1 PLC 程序的总体结构图 为了适应全自动洗衣机控制系统的调试、检查和操作方

28、便的需要，应使全自动洗 衣机控制系统具备手动和自动两种工作方式。 据此，基于 PLC 的全自动洗衣机控制系统的软件部分应由公用程序、手动程序、 自动程序、信号显示和故障报警程序等五个部分组成。 公用程序用于自动程序和手动程序相互切换的处理，开始执行自动程序时，要求 洗衣机波盘与控制系统都处于初始状态。如果开机时洗衣机波盘与控制系统没有处于 初始状态，则应进入手动工作方式，用手动操作使二者都进入初始状态后再切换到自 动工作方式。 自动程序是软件中最重要的部分，它用来实现全自动洗衣机在功能按钮的控制下 自动地执行各项洗衣的各项步骤。自动程序可大大提高洗衣效率，节省人力和时间。 信号显示及故障报警程

29、序用来显示全自动洗衣机的工作状态，和洗衣完成后的报 警提示。 全自动洗衣机控制系统 PLC 程序的总体结构图如图 4.1 所示：X0 是自动/手动切换 开关，当 X0 为 OFF 时将跳过自动程序，执行手动程序，当 X0 为 ON 时将跳过手动程序 执行自动程序。 图 4.1 PLC 程序总体结构图 4.2 系统的顺序功能图设计 本系统要求全自动洗衣机具有如下功能： 1 电源开关功能：当洗衣机电源处于断开状态时，按下电源开关按钮应能接 通洗衣机电源；反之，当洗衣机电源处于接通状态时，按下电源开关按钮应能断开 洗衣机电源。 (2) 启动暂停功能：在洗衣机电源接通的情况下，当洗衣机处于暂停状态时，

30、 按下启动暂停按钮应能使洗衣机启动运行，当洗衣机处于运行状态时，按下启动 暂停按钮应能使洗衣机暂时停止运行。 (3) 过程选择功能：洗衣过程分为浸泡、洗涤、漂洗和脱水等 4 个阶段。用户可 根据洗衣的进展情况，用过程选择按钮选择洗衣的起始阶段。 (4) 水位选择功能：洗衣的水位分为 110 档，用户可根据衣物的多少，用水位 选择开关选择合适的水位档次洗衣。 (5) 预约功能：洗衣的预约起始时刻分为 020 档，这 020 档依次为自按下启 动停止按钮起，经过 0 小时、1 小时、2 小时20 小时后才开始洗衣。在洗衣机尚 未启动之前，用户可根据自己的日程安排，用预约按钮预约洗衣的起始时刻。 根

31、据功能要求，设计出控制系统的顺序图如图 4.2 所示。 4.3 系统的梯形图设计 全自动洗衣机控制系统梯形图的设计见附录 1。 本基于 PLC 的全自动洗衣机控制系统能使全自动洗衣机具有全自动洗衣的功能， 打开电源，只需根据需要设定好洗衣的时间和洗衣的起始步骤，按下启动按钮，洗衣 机就能自动完成进水浸泡洗涤漂洗排水脱水的洗衣过程。 PLC 是专门为工业环境设计的控制装置，一般不需要采取什么特殊措施，就可以直 接在工业环境使用。但是，如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当， 都不能保证系统的正常安全运行。干扰可能是 PLC 接受到错误的信号，造成误动作， 或使 PLC 内部的数据丢失

32、，严重是甚至会使系统失去控制。在系统设计时，应采取相 应的可靠性措施，以消除或减少干扰的影响，保证系统的正常运行。 图 4.2系统的顺序功能图 M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M8002 X0M122 X0M122 TO CO CO K600 D0 Y3 M123 M100 T1K12000 M101M102M103 SET M200 Y0 T3K90 T4 K20 T1 T3 T4 T2T5 T2T5 Y1T5K90 Y4 RST M200 X4 Y0 Y2Y4Y6 C1K3 K1800 T6C1M103 M14Y5T11 RST

33、C1 Y3 SETM201 Y0T8K90 T9K20 Y1T10K90 T6(C1+M103) M123 T11 K40 预约时间阶段 进水 空步 浸泡 洗涤正转 暂停 洗涤反转 排水 脱水 报警 进水 漂洗正转 漂洗反转 T7T10 T7T10 暂停 T8 T9 致谢 感谢我的导师谢袁飞副教授的悉心指导。论文从选题到完成的整个过程中，都得 到了谢老师的热情帮助和精心点拨。谢老师严谨的治学态度、渊博的专业知识、敏锐 的学术眼光、精益求精的精神给我留下了深刻的印象，并对我以后的学习和工作产生 极大的促进作用。 感谢辅导员陈湘云老师等所有老师，在大学四年的学习生活中，他们对本篇论文 的顺利完成发

34、挥了巨大的作用。感谢所有老师的精心授业和辛勤工作。 感谢我的室友，从遥远的家来到这个陌生的郴州，是你们和我共同维系着彼此之 间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们 没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后 大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。 感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康 快乐是我最大的心愿。 参考文献 1 徐世许.可编程序控制器原理M.合肥：中国科学技术大学出版社，2002. 2 宋伯生.可编程控制器配置M.北京：中国劳动出版社，1998. 3 王兆义.可编程控制器教程M.北京：机械工业出版社，1999. 4 陈立定.电气控制与可编程控制器M.广州：华南理工大学出版社，2001. 5 宫淑贞.可编程控制器原理及应用M.北京：人民邮电出版社，2002. 6 钟肇新.可编程控制器原理与应用M.广州：华南理工大学出版社，1995. 7 张万忠.可编程序控制器入门与应用实例M.北京：中国电力出版社，2002. 8 廖常初.可编程序控制器应用技术（第四版） M.重庆：重庆大学出版社，2