毕业设计（论文）-基于PLC的全自动洗衣机控制系统的设计

兑明书基于PLC全自动洗衣机控制系统的设计中北大学2015届毕业设计说明书1基于PLC全自动洗衣机控制系统的设计摘要随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，洗衣机越趋平民化，早已走进家家户户。近些年来，电器的自动化是一种趋势使然，而作为几大常用电气之一的洗衣机在全自动道路上逐步成熟完善。市场上全自动洗衣机品牌和款式繁多，功能都大同小异，价格和性能是消费者的重要参考指标。本文主要介绍围绕三菱FX1N系列的PLC基础上设计的全自动洗衣机系统，综合了软件和硬件，更直观展示了该设计的可实行此次设计是围绕PLC来设计全自动洗衣机的控制系统，用PLC做控制不仅寿命长、可靠性高、自动化程度高、运行速度快，而且书写程序方便，在设计上也有很高的灵活性。外接电路也清晰明朗，测试简单，方便维护。该设计利用三菱FX1N系列的40MT-001PLC的特点，通过I/0接口，对外接电路中的电气元件实现精细控制。再利用PLC内置的计数器、定时器和各类中间继电器，实现对电路的完美掌控。在三菱编上多次调试和仿真后，确保程序的准确性，并设计了与其I/0接口对应的电路模拟盘，形象生动地展现该系统，实现了全自动洗衣机的预约、洗涤、脱水、暂停、童锁等实用功能。关键词：PLC;自动控制；定时；软件中北大学2015届毕业设计说明书2Withthedevelopmentofsocialeconomyandtheimprovementofscienceandtechnology,washingmachinemorecivilians,hadwalkedintoeachandeveryfamily.Inrecentyears,theautomationofelectricalappliancesisatrend,andasoneofthemajorelectricwashingmachineinautomaticroadgraduallymatureandperfect.Themarketfullyautomaticwashingmachinebrandandstylesanddifferent,thefunctionsaresimilar,thepriceandperformanceisconsumerisoneoftheimportantindexes.ThispapermainlyintroducesthewholeautomaticwashingmachinesystemdesignedaroundtheFX1NofMITSUBISHIPLCseries,anditintegratessoftwareandhardware,andshowstheimplementationofthedesign.AroundthePLCtobuildthesystemdesignoftheautomaticwashingmachine,notonlyhastheadvantagesoflongservicelife,highreliability,highdegreeofautomation,speedfast,andthewritenprocedurestofacilitate,inthedesignalsohasveryhighflexibility.Theexternalcircuitisalsoclearandclear,thetestissimple,convenientmaintenance.ThedesignoftheSANLINGFXPLCduetothecharacteristicsoftheNseries,throughtheI/Ointerface,theelectricalcomponentsoftheexternalcircuittoachievefinecontrol.PLCuseofthebuilt-incounters,timersandallkindsofintermediaterelays,theperfectcontrolofthecircuit.InMitsubishiprogrammingsofwareGX-WORKS2repeatedlydebuggingandsimulationandprocedurestoensuretheaccuracy,andthedesignofthesimulationofthecorrespondingI/Ointerfaceexternalcircuit,imagevividlyshowthesystem,realizethefullautomaticwashingmachine'sappointment,washing,dewatering,pause,childlockandpracticalfunctionKeyword:PLC;automaticcontrol;timing;software中北大学2015届毕业设计说明书I1绪论 11.1课题的研究背景 11.2洗衣机发展概况和现状 21.3课题研究的目的与意义 21.4本课题研究的主要内容 32概述 42.1PLC的控制特点 42.2控制系统框图 42.3控制系统对应设备及功能 52.4控制系统原理 53外接电路的设计 7 73.1.1I/0点数统计 73.1.2I/0储存器容量的估算 83.1.3CPU功能与结构的选择 83.2PLC硬件系统器材计算和选择 93.3PLC硬件系统接线图之操作页面 3.4PLC硬件系统接线图之模拟页面 3.5PLC硬件系统接线图之电机与进、排水电磁阀 3.6PLC硬件系统接线图之汇总图 4软件的设计 4.1I/0分配表 4.1.1输入地址分配表 4.1.2内部元件地址分配表 4.2系统流程图 4.2.1全步骤运行流程图 4.2.2漂洗运行流程图 4.2.3脱水运行流程图 5系统仿真和程序运行分析 5.1系统仿真 5.1.1仿真软件简介 5.1.2仿真操作简介 5.2程序运行分析 245.2.1控制板程序分析 5.2.2暂停功能程序分析 5.2.3童锁功能程序分析 6模拟硬件连接 7总结与展望 7.1总结 中北大学2015届毕业设计说明书I7.2全自动洗衣机的展望 附录 参考文献 致谢 从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动世界上第一台洗衣机最早出现在西方国家，时间是18世纪80年代，根据机械原理，手动操作机械设备进行洗衣动作，模仿人手洗衣的过程。1955年日本研制出新一代1.3课题研究的目的与意义(1)PLC至今已有了40多年的发展和实践，其功能和性能已经有了很大的提高。已经形成了适用于各种大、中、小规模的系统设计之用的系列产品。抗干扰技术，具有很高的可靠性口。中北大学2015届毕业设计说明书(1)深入了解洗衣机的发展以及各项基础功能细节，熟练掌握三菱PLC对应的编程软件GX-WORKERS2。输入接口输输入接口输出接口是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易5]。典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图1所示：存储器正通讯接口图2-1PLC控制系统的硬件组成框图中北大学2015届毕业设计说明书PLC的控制系统框图如下图26]。三菱FX1N进排水电磁阀报警装置图2-2控制系统框图表2-3对应输入/输出设备对应的输入设备对应的输出设备电源按扭启动/暂停按扭水位选择开关预约时间选择洗涤过程选择模式选择水位传感器盖板感应器指示灯进水电磁阀排水电磁阀电机正转继电器电机反转继电器2.4控制系统原理排水时，排水电磁阀打开，将水排出洗衣桶。,洗涤时，电动机启动，通过正反转对中北大学2015届毕业设计说明书3硬件系统的设计3.1.1I/O点数统计I/0接口是PLC与用户外部设备连接的接口。输入部分接收各种控制信号，如按开关量信号。输出部分通常有开关量(继电器接点)输出、脉冲输出和模拟量输出三系列的PLC,故围绕该PLC展开设计。三菱FX1N系列PLC有24个输入，16个输出，初期设计的输出口需求稍大于16,只能通过筛减和合并来满足设计需求，由于无过多输出口作为备用，也是此次设计的一个缺陷。本次设计共用到11个数字输入点16个数字输出点，具体的输入输出见表3-1。表3-1I/0点数统计表输入点输出点电源按扭启动/暂停按扭水位选择开关模式选择开关过程选择开关预约选择开关高水位模拟开关中水位模拟开关低水位模拟开关少水位模拟开关盖板模拟开关电源指示灯水位指示灯(少、中)水位指示灯(低、高)预约指示灯(1、3小时)预约指示灯(2、4小时)过程指示灯(洗涤)过程指示灯(漂洗)过程指示灯(脱水)模式指示灯(标准)模式指示灯(快速)模式指示灯(羊手、进水指示灯出水指示灯正转继电器反转继电器蜂鸣器3.1.2I/0储存器容量的估算在程序撰写完成之前只能根据相关参考因素对程序进行简单地估计。根据三菱PLC输入端元器件：5—25B/点输出端元器件：10—20B/点计数器：2B/个定时器：2B/个该程序中有11个数字输入点16个数字输出点，需内存11x10+16x10=270B,有定时器24个，计数器22个，需内存(24+22)x2=92B,考虑到留25%的存储空间备用，所以估算得需要内存大约为560B。3.1.3CPU功能与结构的选择此次设备需要11个输入和16个输出，以及需要个24V的输出电源作为外接电(无需电源),内置时钟功能，可D8030、D8031)。内置24V、400mA直流电源用于外接设备，如传感器等元件。3.2PLC硬件器材计算和选择板(一个备用)、7个带锁按键开关(2个备用)、8个复位按键开关(2个备用)、2个小电机(1个备用)、5个五脚继电器(1个备用)、2个蜂鸣器(1个备用)、2对色发光二极管的导通的电流都是10mA。三种发光二极管的压降都不相同，具体压降红色发光二极管的压降为2.0-2.2V,分压电阻为(24-2)V/0.01A=2200欧黄色发光二极管的压降为1.8-2.0V,分压电阻为(24-2)V/0.01A=2200欧绿色发光二极管的压降为3.0-3.2V,分压电阻为(24-3)V/0.01A=2100欧以及上面的元器件，给每个输出回路都配置一个保险丝，额定电流为0.5A,已是保着其工作电压的1-5V,所以很难给其配电阻分压。之前有设计一个降压电路，但是蜂鸣器的额定电压是1-30V,无进一步详细参数，确保对于PLC的保护，所以给16个输出，加一个24V输出和9个COM口输出，所以输出端选择的排线是26线。3.3PLC外部实物接线图之操作页面参考性。由于本PLC的输出口有限，只有16个，所以为了不影响整个设计系统的完准、快速、羊毛、夜间),由于不能模式，只是电机的正反转以及暂停时间不同，所以去掉了夜间功能；原本设计4个过程(浸泡、洗涤、漂洗、脱水),所谓“浸泡”,水位标准洗涤快速漂洗羊毛脱水模式过程中少高低预约图3-3洗衣机操作页面图盖板高水位传感器中水位传感器低水位传感器少水位传感器图3-4洗衣机传感器页面图3.5PLC外部实物接线图之电机与进、排水电磁阀机是玩具车上的小马发，其额定电压不得超过5V,但三菱PLC上能提供的是24V直接电源，不易配得需求的5V电源，故选用3节小电池为小电机供能。利用4个五脚图3-5五脚继电器控制电机正反转示意图根据上述全自动洗衣机的控制要求，对程序系统控制的I/O点数进行了统计和下图3。由于现有器材中只有三菱FX1N系列的PLC,故选择其做设计用的PLC。外接电路有11个输入，16个输出，大致如下图所示。其中一表示相应的指示灯，中北大学2015届毕业设计说明书电源启动水位预约模式少水低水中水高水盖板X000X002X004X005X006X010COMY000Y002Y004Y005Y006Y007COM4Y012COM5Y015COM电源指示灯D+少、中水位指示灯低、高水位指示灯预约1、3h指示灯预约2、4h指示灯脱水指示灯漂洗指示灯洗涤指示灯标准模式指示灯快速模式指示灯羊毛模式指示灯+进水指示灯+排水指示灯电机正转电机反转蜂鸣器中北大学2015届毕业设计说明书4软件的设计4.1I/O分配表输入地址分配见表4-1。表4-1输入地址分配表输入地址对应的外部设备电源按钮启动/暂停按钮水位选择开关预约时间选择开关过程选择开关模式选择开关少水位感应器低水位传感器中水位传感器高水位传感器盖板三菱FX1N系类的PLC共有16个输出口，见表4-2。表4-2输出地址分配表输出地址对应的输出设备Y000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y010电源指示灯水位指示灯(少、中)水位指示灯(低、高)预约时间指示灯(1、3小时)预约时间指示灯(2、4小时)过程指示灯(脱水)过程指示灯(漂洗)过程指示灯(洗涤)模式指示灯(标准)中北大学2015届毕业设计说明书续表4-2输出地址分配表Y011Y012Y013Y014Y015Y016Y017模式指示灯(快速)模式指示灯(羊毛)进水指示灯出水指示灯电机正转电机反转蜂鸣器内部位元件地址分配以及如表4-3、4-4、4-5所示。计数器对应的作用少水位选择低水位选择中水位选择高水位选择水位计数器复位预约时间1小时选择预约时间2小时选择预约时间3小时选择预约时间4小时选择预约时间选择复位过程洗涤选择过程漂洗选择过程脱水选择过程选择复位模式标准选择模式快速选择模式羊毛选择模式选择复位标准模式洗涤循环快速模式洗涤循环羊毛模式洗涤循环漂洗模式循环蜂鸣器报警时间循环中北大学2015届毕业设计说明书表4-4内部定时器地址分配表定时器对应的作用预约时间1小时预约时间2小时预约时间3小时预约时间4小时标准模式下洗涤电机正转标准模式下洗涤电机暂停标准模式下洗涤电机反转标准模式下洗涤电机暂停快速模式下洗涤电机正转快速模式下洗涤电机暂停快速模式下洗涤电机反转快速模式下洗涤电机暂停羊毛模式下洗涤电机正转羊毛模式下洗涤电机暂停羊毛模式下洗涤电机反转羊毛模式下洗涤电机暂停洗涤过程结束后排水时间漂洗过程中电机正转漂洗过程中电机暂停漂洗过程中电机反转漂洗过程中电机暂停蜂鸣器报警时间暂停按钮启作用时间组合按钮铜锁功能启动时间表4-5内部中间继电器地址分配表中间继电器对应作用M10M11电源复位水位选择复位触发预约时间选择复位触发启动转换中间继电器过程选择复位触发模式选择复位触发水位传感器动作后启动标准模式洗涤电机正转转换标准模式洗涤电机反转转换快速模式洗涤电机正转转换快速模式洗涤电机反转转换羊毛模式洗涤电机正转转换中北大学2015届毕业设计说明书续表4-5内部中间继电器地址分配表M12M13M14M15M16M17M18M35M36M50M51M52M8013羊毛模式洗涤电机反转转换漂洗过程电机正转转换漂洗过程电机反转转换脱水过程电机正转转换/排水中间继电器进水转换中间继电器进水转换中间继电器排水转换中间继电器暂停作用中间继电器铜锁功能中间继电器开始运行洗涤开始运行漂洗开始运行脱水洗涤/漂洗/脱水运行时提供闪烁脉冲全自动洗衣机全步骤(洗涤、漂洗、脱水)运行时即洗衣机按照程序设定依次完成洗衣过程，从水位选择、预约时间选择(也可跳过此步骤，即无需预约，当按启动按钮时，直接进入进水环节，当水位到达预设位置，系统开始进入洗涤环节)、过程选择(脱水、漂洗、洗涤)、模式选择，按下启动按扭，开始进水直到预设的水位时始排水，排水10秒，之后开始进入漂洗环节，洗涤指示灯停止闪烁，漂洗指示灯开始闪烁，漂洗开始时，电机正转3s,停3s,然后反转3s,停3s,同时进水、排水电磁阀均打开，直至漂洗循环结束，然后电机停止，进水电磁阀也停止工作，过2s进方向转动(即正转40s),当中排水电磁阀一直工作。当脱水完成后，蜂鸣器响10s提醒运行完成，之后电源自动断开。工作流程图如下图(图5)所示。中北大学2015届毕业设计说明书洗涤开始循环完选择洗涤循环完图4-6洗涤、漂洗、脱水工作流程图快速、羊毛)。不同的模式，电机运行状态不同，因涉及到变频器，只能用外接电路中北大学2015届毕业设计说明书图4-7模式选择梯形图如上图梯形图所示，当电源启动时，通过按复位开关X006来选择模式。当按一下X6时，C14~C17均得到一次脉冲，只有K值设为1的C14得电，235条的梯形图中常开C14也闭合，Y010开始得电(即标准)。当再按一下X006时，C14~C17均再得到一次脉冲，C15~C17的K值下记均变为2,C15得电，235条梯形图中的常闭C15断开，Y010(即标准)Y012(即羊毛)得电。当再按一下X006时，C17闭合，即{ZRSTC14C17得电，即重置了计数器C14~C17,脉冲累计清零，可以新一轮模式选择。图4-8模式选择示意图进水电进水电磁阀电机反转电机正转排水电磁阀表4-9电机不同模式转动对应表电机转动标准快速羊毛正转时间暂停时间反转时间暂停时间全自动洗衣机漂洗运行(即漂洗+脱水)时按照程序设定，一次完成流程。按下图4-10漂洗过程动作输出中北大学2015届毕业设计说明书电源断开选择漂洗选择过程启动循环完图4-11漂洗运行流程图4.2.3脱水运行流程图中北大学2015届毕业设计说明书选择脱水选择过程启动选择脱水选择过程启动电源断开图4-12脱水工作流程图中北大学2015届毕业设计说明书5系统仿真和程序运行分析5.1系统仿真5.1.1仿真软件简介(1)GXWORKS2是三菱电机推出的三菱综合PLC编程软件，集合了PLC的设计、仿真、调试、维护于一体，是一款非常人性化且优秀的编程软件，虽对日本不多好感，但熟悉了三菱PLC以及相关的两款软件(GX-WORKS2、GX-DEVELOPER)之后，再综合之前略有涉猎的西门子PLC编程和施耐德PLC编程，不得不感慨开发这系列产品的日本人的了不起。GX-WORKS2与传统的GXDEVELOPER软件相比，在程序书写上基本无变化，但提高了功能及操作性能，且无需再下载第三方仿真软件，便可在此软件上直接仿真模拟，变得更加容易使用。(2)编写好全自动洗衣机控制系统的程序之后，便可在该软件上进行调试和仿真，只有经过不断调试和修改之后，才能得到完美的程序。部分仿真结果如下图所示。图5-1执行GX-WORKS2模拟仿真后窗口图5.1.2仿真操作简介(1)打开GX-WORKS2,在上列表菜单中“工程”下选择“新建工程”,选择工程类型为“简单工程”,PLC系列为“FXCPU”,PLC类型为“FX1N/FX1NC”,程序语言为“梯形图”,然后在该操作框中书写梯形图，完成梯形图输入后，按F4(2)执行如上图中所示的调试，选择其下的“模拟开始/结束”,边可进入模拟(3)仿真后，蓝色的元件表示得电，白色的元件表示不得电。右击所设置的输5.2程序运行分析Y000得电，外接电路对应的电源灯亮(再按电源按键该电源灯熄灭，整个系统也停止，如此循环，实现单个复位开关控制系统电源)。同时，如第11条指令所示，LDFX000是上升沿常闭，每次按下X000,都会复位整个程序中的所有计数器，当然，当中加了一个常开的中间继电器M37,即表示在童锁状态下，即便误按X000,也不会清图5-2电源启动仿真图中北大学2015届毕业设计说明书电源启动后，可选择水位，按下标有“水位”的按键开关，每按一下，对应的输入X002得到一次信号，对应的LED发光二极管上升一个，按一次表示“少水位”、按两次表示“低水位”。按三次表示“中水位”、按四次表示“高水位”,按五下全部复位。由于该外接电路只设计了2个LED发光二极管来表示4个水位状态，按5下水位开关后又开始循环，周而复始。图5-3水位选择仿真图电源启动后，也可选择预约时间，按下标有“预约时间”的按键开关，每按一下，对应的输入X003得到一次信号，对应的LED发光二极管上升一个，按一下表示“预约1小时”、按两下表示“预约2小时”、按三下表示“预约3小时”,按四下表示“预约4小时”,按五下全部复位。由于该外接电路只设计了2个LED发光二极管来表示4个水位状态，按5下水位开关后又开始循环，周而复始。中北大学2015届毕业设计说明书图5-4预约时间选择仿真图按两下表示“漂洗”(脱水指示灯不会灭)、按三下表示“洗涤”(脱水、漂洗指示灯依然亮)、按四下全部复位。该外接电路的设计了3个LED发光二极管，分别对应过程中的洗涤、漂洗、脱水，按4下过程又开始循环选择，周而复始。模式选择原理及其操作同过程选择，也是外接电路3个LED发光二极管对应“标准模式、快速模式、羊毛模式”按下X001时，蜂鸣器会响，松开时，蜂鸣器停止响，由于启降沿常开触点，同时整个系统开始启动。启动后，按都不会改变。由于CJ指令只是跳过程序，区间的输出口扔保持状态，所以在指令触发，系统回到之前的暂停状态。从而实现该全自动洗衣机控制系统的启动/暂中北大学2015届毕业设计说明书停功能。具体梯形图如下图5-1所示。图5-5启动/暂停功能梯形图5.2.3童锁功能程序分析近年来，随着洗衣机的升级和普及，但是屡屡有儿童溺死于洗衣机见诸报端，每每有小生命的去世，都令人惋惜，所以洗衣机的儿童功能是必须的。本系统采用了组合键的模式实现铜锁功能，当同时按住X002和X004按键开关2秒以上，即触发童锁功能。在梯形图上的表现是X002和X0O4两秒以上，MO37得电，所以第一条梯形图中的常闭MO37触点断开，即便小孩误操作按到X000电源键也不会让系统断电，童锁后操作页面上的所有单按键无效。若童锁状态下孩子打开盖板，蜂鸣器便会响起，起到提醒家长作用，同时电机停止转动，排水电磁阀也开始工作，尽管小孩掉下去也不会溺亡。如果盖板一直打开，排水若干时间后会整个系统停止。如果在童锁状态下只是误操作而打开盖板，只需再次盖上盖板，系统便会继续之前的工作。起到提醒家长作用。再长按组合键X002和X004达2秒以上，组合键便会解锁，所有操作回复正常。具体梯形图如下5-2所示。设计之初的童锁功能时在启动后，直接令盖板不能掀开，从根源上杜绝