全自動洗衣機的控制系統(tǒng)設(shè)計說明

1、 摘 要隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全自動化成為必然的發(fā)展趨勢。洗衣機也不列外，它的生產(chǎn)極大的方便了人們的生活。全自動洗衣機綜合運用了大量力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等知識。自從全自動洗衣機誕生以來，其部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進。隨著PLC技術(shù)的迅速發(fā)展與普與，在多種多樣的控制技術(shù)中，采用PLC控制系統(tǒng)的全自動洗衣機顯得更加智能化。該課程設(shè)計介紹了可編程序控制器（PLC）、三菱公司的FX2N系列的PLC、全自動洗衣機、以與PLC控制全自動洗衣機系統(tǒng)。本次課程設(shè)計僅采用三菱公司的FX2N系列的PLC，通過順序功能圖采用步進指令設(shè)計梯形圖，設(shè)計了一個簡單的全自動洗衣機控制系統(tǒng)。關(guān)鍵

2、詞：PLC；FX2N ；順序功能圖；梯形圖；目錄摘要1 可編程序控制器 1.1 PLC的概述1.2 PLC的特點和可靠性1.3 PLC的分類1.4 PLC的發(fā)展與應(yīng)用2 三菱公司的FX2N系列2.1 FX2N系列的機械硬件 2.2 FX2N系列PLC的面板2.3 FX2N系列PLC的I/O點3 全自動洗衣機3.1 全自動洗衣機基本工作原理3.2 全自動洗衣機的硬件設(shè)計4 全自動洗衣機的軟件設(shè)計 4.1 PLC的I/O分配表4.2 軟件設(shè)計順序功能圖4.3 中間繼電器的設(shè)計分析5 梯形圖和指令表5.1 梯形圖5.2 指令表6 總結(jié)參考文獻致引言 PLC是在工業(yè)自動化和辦公自動化中廣泛使用的個人計

3、算機。PLC擁有眾多控制設(shè)備難以企與的優(yōu)勢，它憑借著編程方法簡單易學(xué)、硬件配套齊全、用戶使用方便、通用性和實用性強、可靠性高以與抗干擾能力強等特點在工業(yè)部門的控制領(lǐng)域占有重要地位。 該設(shè)計采用三菱公司的FX2N系列可編程控制器。FX2N系列在國廣泛使用,故我們在這里有必要詳細介紹三菱的FX2N系列可編程控制器（PLC）。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，家庭電器全自動化成為必然的發(fā)展趨勢。洗衣機也不列外，它的生產(chǎn)極大的方便了人們的生活。全自動洗衣機綜合運用了大量力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等知識。該設(shè)計為全自動洗衣機的PLC控制，主要介紹了全自動洗衣機的工作原理，控制系統(tǒng)的PLC的選型和資源的配置，

4、控制系統(tǒng)程序設(shè)計與調(diào)試，控制系統(tǒng)PLC程序。相信通過此次設(shè)計，我們能對PLC有更加深刻的認識。1 可編程程序控制器1.1 PLC的概述可編程序控制器（Programmabie Logic Contrgicoller,縮寫PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計算機、通信、聯(lián)網(wǎng)以與自動控制技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置?？删幊绦蚩刂破魇请S著技術(shù)的進步與現(xiàn)代社會生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，為適應(yīng)多品種.小批量生產(chǎn)的需要，生產(chǎn).發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制裝置。PLC從問世以來，雖然至今還不到40年，但由于其具有通用靈活的控制性能,簡單方便的使用性能，可以適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境的可靠性，因此在工業(yè)自動化各領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)

5、用。有人將它與數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)工業(yè)機械人技術(shù)并稱為現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)的四大支柱?？删幊绦蚩刂破髟谖覈陌l(fā)展與應(yīng)用已有30多年的歷史，現(xiàn)在它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，成為提高傳統(tǒng)工業(yè)裝備水平和技術(shù)能力的重要設(shè)備和強大支柱。12 PLC的特點和可靠性PLC是傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，所以要工業(yè)控制方面，它具有繼電器或通用計算機所無法比擬的特點。（1）應(yīng)用靈活、使用方便模塊化的PLC設(shè)計，使用戶能根據(jù)自己系統(tǒng)的大小、工藝流程和控制要求等來選擇自己所需要的PLC模塊并進行資源配置和PLC編程。這樣，控制系統(tǒng)就不需要大量的硬件裝置，用戶只需根據(jù)控制需要設(shè)計PL

6、C的硬件配置和I/O的外部接線即可。（2）面向控制過程的編程語言，容易掌握PLC的編程語言采用繼電器控制電路的梯形圖語言，清晰直觀。雖然PLC 是以微處理器為核心的控制裝置，但是它不需要用戶有很強的程序設(shè)計能力，只在用戶具備一定的計算機軟、硬件知識和電器控制方面的知識即可。PLC的高可靠性主要表現(xiàn)在硬件和軟件兩個方面：（1）在硬件方面，由于采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源，并且對選用的器件進行嚴格的篩選，加上合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后加固、簡化安裝，因此PLC具有很強硬的抗振動沖擊性能；無觸點的半導(dǎo)體電路來完成大量的開關(guān)動作，就不會出現(xiàn)繼電器系統(tǒng)中的器件老化、脫焊、觸點電弧等問題；所有的輸入/輸出接口都采用光

7、電隔離措施，使外部電路和PLC部電路能有效的進行隔離；PLC模塊式的結(jié)構(gòu)，可以在其中一個模塊出現(xiàn)故障時迅速地判斷出故障的模塊并進行更換，這樣就能盡量的縮短系統(tǒng)的維修時間。（2） 在軟件方面，PLC的監(jiān)控定時器可用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運行處理器的延遲，保證在程序出現(xiàn)錯誤和程序調(diào)試時，避免因程序錯誤而出現(xiàn)死循環(huán)；當(dāng)CPU、電池、I/O口、通信等出現(xiàn)異常時，PLC的自診斷功能可以檢測到這些錯誤，并采取相應(yīng)的措施，以防止故障擴大；停電時，后電池和正常工作時一樣，進行對用戶程序與動態(tài)數(shù)據(jù)的保護，確保信息不丟失。13 PLC的分類 （1）小型PLC連接開關(guān)量I/O模塊、模擬量I/O模塊以與其它各種特殊

8、功能模塊，能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)運算等。輸入/輸出點數(shù)在128點以下的PLC稱為小型PLC。其特點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，它可以據(jù)處理和傳送、通信聯(lián)網(wǎng)以與各種應(yīng)用指令。（2）中型PLC輸入/輸出點數(shù)在128-512點之間的PLC稱為中型PLC。它除了具有小型機所能實現(xiàn)在功能外，還具有強在的網(wǎng)絡(luò)通信功能、更豐富的指令系統(tǒng)、更大的存容量和更快的掃描速度。（3）大型PLC輸入/輸出點數(shù)大于512的PLC稱為大型PLC。它具有強大的軟件硬件功能、自診斷功能、通信聯(lián)網(wǎng)功能，它可以構(gòu)成三級通信網(wǎng)，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化。另外大型PLC還可以采用三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)，使機器具有更高的可靠性。1.

9、4 PLC的發(fā)展與應(yīng)用20世紀80年代以后，16位和32位微處理器應(yīng)用于PLC中，使PLC得到迅速發(fā)展。PLC不僅控制功能增強，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使PLC真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實的多功能控制器。PLC的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其應(yīng)用受到限制。但最近十多年來，PLC的應(yīng)用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于微處理器芯片幾有關(guān)元件的價格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增強，它也能解決復(fù)雜的計算和通信問題。目前PL

10、C在國外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。PLC的應(yīng)用圍通?？煞殖梢韵?種類型：（1）順序控制 （2）運動控制 （3）過程控制（4）數(shù)據(jù)處理 （5）通信網(wǎng)絡(luò) 2 三菱公司的FX2N系列2.1 FX2N 系列的機械硬件（1）機器的外部特征 PLC按結(jié)構(gòu)形式不同，可分為整體式和模塊式兩類。整體式PLC是將電源、CPU、存儲器、輸入/輸出單元等各個功能部件集中在一個機殼，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點；模塊式PLC將各個功能部件做成獨立模塊，如電源模塊、CPU模塊、I/O模塊等，然后按需要進行組合。小型PLC的I/O點數(shù)在256點

11、以下，存儲容量在8K步以，具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位、自診斷和監(jiān)控等基本功能。FX2N系列小型PLC其外形如圖21所示。FX2N系列PLC是FX系列中最高級的模塊，它擁有極高的速度、高級的功能、邏輯選件以與定位控制等特點，能滿足從16到256路輸入輸出多種應(yīng)用的要求。一套PLC系統(tǒng)的硬件一般由基本單元（包括CPU、存儲器、輸入/輸出接口與部電源等）、I/O擴展模塊、擴展單元、轉(zhuǎn)換電纜接口、特殊適配器和特殊功能模塊等外部設(shè)備組成。 圖21 PLC外形圖2.2 FX2N系列PLC的面板FX2N系列PLC的面板由三部分組成，即外部接線端子、指示部分和接口部分，各部分的組成與功能如下。 FX2N外

12、部接線端子 外部接線端子包括PLC電源（L、N）、輸入用直流電源（24+、COM）、輸入端子（X）、輸出端子（Y）和機器接地等。它們位于機器兩側(cè)可拆卸的端子板上，每個端子均有對應(yīng)的編號，主要用于電源、輸入信號和輸出信號的連接。 FX2N指示部分 指示部分包括各輸入輸出點的狀態(tài)指示、機器電源指示（POWER）、機器運行狀態(tài)指示（RUN）、用戶程序存儲器后備電池指示（BATT.V）和程序錯誤或CPU錯誤指示（PROG-E、CPU-E）等，用于反映I/O點和機器的狀態(tài)。FX2N接口部分 主要包括編程器接口、存儲器接口、擴展接口和特殊功能模塊接口等。在機器面板上，還設(shè)置了一個PLC運行模式轉(zhuǎn)換開關(guān)SW

13、（RUNSTOP），RUN使機器處于運行狀態(tài)（RUN指示燈亮）；STOP使機器處于停止運行狀態(tài)（RUN指示燈滅）。當(dāng)機器處于STOP狀態(tài)時，可進行用戶程序的錄入、編輯和修改。接口的作用是完成基本單元同編程器、外部存儲器、擴展單元和特殊功能模塊的連接。在PLC技術(shù)應(yīng)用中會經(jīng)常用到。23 FX2N系列的 I/O點 FX2N的 I/O點端子是PLC與外部輸入、輸出設(shè)備連接的通道。輸入端子（X）位于機器的一側(cè)，而輸出端子（Y）位于機器的另一側(cè)。I/O點的數(shù)量、類別隨機器的型號不同而不同，但I/O點數(shù)量相等與編號規(guī)則完全一樣。FX2N系列PLC的I/O點編號采用8進制，即0000007、010017、0

14、20027，輸入點前面加“X”，輸出點前面加“Y”。擴展單元和I/O 擴展模塊，其I/ O點編號應(yīng)緊接基本單元的I/O編號之后，依次分配編號。圖22 輸入回路的連接I/O 點的作用是將I/O設(shè)備與PLC進行連接，使PLC與現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成控制系統(tǒng)，以便從現(xiàn)場通過輸入設(shè)備（元件）得到信息（輸入），或?qū)⒔?jīng)過處理后的控制命令通過輸出設(shè)備（元件）送到現(xiàn)場（輸出），從而實現(xiàn)自動控制的目的。輸入回路的連接如圖22所示。輸入回路的實現(xiàn)是將COM通過輸入元件（如按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、行程開關(guān)、繼電器的觸點、傳感器等）連接到對應(yīng)的輸入點上，再通過輸入點X將信息送到PLC部。一旦某個輸入元件狀態(tài)發(fā)生變化，對應(yīng)輸入繼電器X的

15、狀態(tài)也就隨之變化，PLC在輸入采樣階段即可獲取這些信息。輸出回路就是PLC的負載驅(qū)動回路，輸出回路的連接如圖3所示。通過輸出點，圖23 輸出回路的連接將負載和負載電源連接成一個回路，這樣負載就由PLC輸出點的ON/OFF進行控制，輸出點動作負載得到驅(qū)動。負載電源規(guī)格根據(jù)負載的需要和輸出點的技術(shù)規(guī)格進行選擇。在實現(xiàn)輸入/輸出回路時，應(yīng)注意的事項如下。（1）I/O點的共COM問題 一般情況下，每個I/O點應(yīng)有兩個端子，為了減少I/O端子的個數(shù)，PLC部已將其中一個I/O繼電器的端子與公共端COM 連接。輸出端子一般采用每4個點共COM連接，如圖23所示。（2）輸出點的技術(shù)規(guī)格 不同的輸出類別，有不

16、同的技術(shù)規(guī)格。應(yīng)根據(jù)負載的類別、大、負載電源的等級、響應(yīng)時間等選擇不同類別的輸出形式。（3）多種負載和不同負載電源共存的處理 在輸出共用一個公共端子的圍，必須用同一電壓類型和同一電壓等級；而不同公共點組可使用不同電壓類型和電壓等級的負載，如圖23所示。PLC控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成，硬件部分：將輸入元件通過輸入點與PLC連接，將輸出元件通過輸出點與PLC連接，構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。軟件部分：即控制思想，用PLC指令將控制思想轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC可接受的程序。為適應(yīng)控制的需要，PLC I/0具有不同的類別。其輸入分直流輸入和交流輸入兩種形式；輸出分繼電器輸出、可控硅輸出和晶體管輸出三種形

17、式。繼電器輸出和可控硅輸出適用于大電流輸出場合；晶體管輸出、可控硅輸出適用于快速、頻繁動作的場合。一樣驅(qū)動能力，繼電器輸出形式價格較低。3 全自動洗衣機3.1 全自動洗衣機的基本工作原理全自動洗衣機是通過水位開關(guān)與電磁進水閥配合來控制進水、排水以與電機的通斷，從而實現(xiàn)自動控制的。電磁進水閥起著通、斷水源的作用。當(dāng)電磁線圈斷電時，移動鐵芯在重力和彈簧力的作用下，緊緊頂在橡膠膜片上，并將膜片的中心小孔堵塞，這樣閥門關(guān)閉，水流不通。當(dāng)電磁線圈通電后，移動鐵芯在磁力作用下上移，離開膜片，并使膜片的中心小孔打開，于是膜片上方的水通過中心小孔流入洗衣桶。由于中心小孔的流通能力大于膜片兩側(cè)小孔的流通能力，膜

18、片上方壓強迅速減小，膜片將在壓力差的作用下上移，閉門開啟，水流導(dǎo)通。進水時，通過電控系統(tǒng)把進水閥打開，經(jīng)進水管將水注入機，排水時，通過電控系統(tǒng)使排水閥打開，將水又排到機外。洗衣機正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)由洗滌電機驅(qū)動波輪正反來實現(xiàn)，此時脫水桶并不旋轉(zhuǎn)。脫水時，通過電控系統(tǒng)將離合器合上，由洗滌電機帶動桶轉(zhuǎn)進行甩干；高中低水位開關(guān)分別用來測高中低水位；啟動按鈕用來啟動洗衣機工作；空水位按鈕用來測空水位；進水、洗滌、排水、脫水與報警自動完成。3.2全自動洗衣機的硬件設(shè)計KM0、KM1、KM2、KM3、KM4、KM5分別是輸出繼電器的常開按鈕，主電路中運用一臺電機完成洗衣機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、脫水工作，兩個電磁閥分別在通

19、電的情況下完成向機進水和向機外排水，另外用一個指示燈完成報警工作。PLC是一種用作數(shù)字控制的專用電子計算機，它根據(jù)用戶給的指令，通過輸入接口現(xiàn)場采樣信息執(zhí)行邏輯或數(shù)值運算，再通過輸出接口去控制各種執(zhí)行機構(gòu)動作。它主要由CPU、存儲器、I/O接口模板三部分。它是整體模塊形式，由它作為洗衣機控制系統(tǒng)，在硬件設(shè)計上就相對簡單點。通過對結(jié)構(gòu)圖的分析，可知全自動洗衣機的I/O點為14個，故選擇抵擋的三菱FX2N系列FX2N-48MR，可以完全滿足其要求，F(xiàn)X2N-48MR有20個I/O，根據(jù)輸入8個和輸出口6個，總點數(shù)為14個，考慮留有適當(dāng)余量，采用三菱FX2N-48MR型PLC，可滿足設(shè)計要求。X5X

20、4X7X6圖31 全自動洗衣機外部接線圖4 全自動洗衣機的軟件設(shè)計4.1 PLC的I/O分配表全自動洗衣機有起/停按鈕、高/中/低水位開關(guān)以與空、低、中、高四個水位傳感器，PLC需要接受這8個輸入開關(guān)信號；PLC需要驅(qū)動進/排水電磁閥、脫水電磁閥、電動機的正/反轉(zhuǎn)接觸器以與蜂鳴器，因此需要這6個輸出信號端。其I/O接點分配如下表41所示。表41 全自動洗衣機的I/O分配表輸入繼電器輸出繼電器功能作用名稱地址功能作用名稱地址啟動SB0X0正轉(zhuǎn)KM1Y0低水位SHX1反轉(zhuǎn)KM2Y1中水位SMX2進水KM3Y2高水位SLX3排水KM4Y3空水位傳感器SB1X4脫水KM5Y5低水位傳感器SB2X5報警

21、LSY4中水位傳感器SB3X6高水位傳感器SB4X74.2 軟件設(shè)計順序功能圖全自動洗衣機的過程包括啟動、進水、洗滌、排水和脫水等功能。在實現(xiàn)控制過程中，各種采樣信息都是通過控制中心進行各種判斷、比較和選擇，再經(jīng)信息線路反饋給洗衣機各控制執(zhí)行機構(gòu)，決定洗衣機的工作狀態(tài)。如下圖41所示，PLC在系統(tǒng)中是處中心位置，水位開關(guān)是PLC的輸入信號控制開關(guān)，進水閥、排水閥和電機是洗衣機各種動作的執(zhí)行機構(gòu)。其中進水閥和排水閥由PLC給定信號來決定其工作狀態(tài);電機的工作狀態(tài)也由控制中心PLC給定信號來決定的，而電機的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)直接決定了洗衣機的洗滌狀態(tài)和脫水狀態(tài)。另外由于洗衣機工作過程是順序過程，所以利用PLC機的控制系統(tǒng)是可行的。我們采用三菱公司獨有的步進指令進行梯形圖的轉(zhuǎn)換。圖41 全自動洗衣機的順序功能圖4.3 中間繼電器的設(shè)計分析根據(jù)前面的編號表盒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以與全自動洗衣機的PLC控制系統(tǒng)程序工藝流程圖可知，實現(xiàn)自動控制藥設(shè)置7個計時器和2個計數(shù)器T0暫停2s T1正轉(zhuǎn)30sT2暫停2s T3反轉(zhuǎn)30sT4暫停2s T5脫水30s T6報警3s C0正反轉(zhuǎn)洗滌5次 C1清洗2次 由于我們在實驗室沒有這些設(shè)備，故傳感器等設(shè)備是用實物來替代手動的開關(guān)，來實現(xiàn)自動控制原理，可以做到人為的設(shè)置一些手動開關(guān)來實現(xiàn)自動控制原