PLC课程设计全自动洗衣机控制系统设计.doc

PLC课程设计全自动洗衣机控制系统设计

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2020年4月19日
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电气控制与PLC
课程设计

题 目: 全自动洗衣机控制系统设计
院系名称： 电气工程学院
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目 录

1 系统描述即设计要求 1
1.1 自动洗衣机的介绍 1
1.2自动洗衣机的设计要求 1
2 方案论证 2
2.1 采用PLC系统： 2
2.2 采用单片机系统： 2
2.3 方案的选择 2
3硬件设计 3
3.1系统的原理方框图 3
3.2 主电路 3
3.3 I/O分配 4
3.4 I/O接线图 4
3.5 元器件选型 5
4 软件设计 9
4.1主流程 9
4.2梯形图 10
5 系统调试 13
设计心得 15
参 考 文 献 16

1 系统描述即设计要求
1.1 自动洗衣机的介绍
随着科学技术不断进步和社会飞速发展，洗衣机成为人民日常生活息息相关的家用电器产品。洗衣机的全自动化、多功能化、智能化是其发展方向。基于全自动洗衣机的应用日益广泛，本次设计利用三菱公司生产的PLC控制全自动洗衣机，与传统的继电器逻辑控制系统相比较，洗衣机可靠性、节能性得到了提高。PLC控制不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少，与此同时系统维修简单、维修时间缩短。
全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由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地增加了维修成本费用，在各种控制系统中广泛运用的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简单。
1.2自动洗衣机的设计要求
经过PLC实现的设计要求为：
（1）按下启动按钮及水位选择开关，注水直到高（中、 低）水位，关水；
（2）2s后开始洗涤；
（3）洗涤时，正转30s，停2s，然后反转30s，停2s；
（4）如此循环5次，总共320s后开始排水，排空后脱水30s；
（5）开始清洗，重复（2）～（5），清洗两遍；
（6）清洗完成，报警3s并自动停机；
（7）若按下停车按扭，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）；
若要求启动开关分为标准洗和轻柔洗，试改变有关输入点，并在程序中加入轻柔洗功能

2 方案论证
2.1 采用PLC系统：
1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。
2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都能够根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时能够随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些能够满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。
3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别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。
2.2 采用单片机系统：
单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。现今的单片机正在向提高工业环境下控制系统的可靠性和灵活方便地构成应用系统界面的方向发展，而且控制功能越来越丰富。单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。特别是它体积小，集成度高。性能稳定，可靠性高，有较高的性价比。但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。
2.3 方案的选择
根据上述方案的论证，本次设计的全自动洗衣机梯形图控制系统将由PLC可编程序控制器作为主要组成部分，从而实现对全自动洗衣机的工作过程控制。
PLC 即 Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并经过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC在硬件上又基本单元（包含中央处理器单元，存储器，输入输出接口，内部电源）,I/O口扩展单元，及外部设备组成。其输入接口电路一般有干接触，直流输入，交流输入三种形式。输出形式有：继电器输出，晶体管输出和晶闸管输出。PLC采用循环扫描的的工作方式，其工作时的扫描过程包括5个阶段：内部处理，通信处理，输入扫描，程序执行，输出处理。其中程序执行过程又分为输入采样，程序执行和输出刷新三个主要阶段。
3硬件设计
3.1系统的原理方框图
系统的原理方框图如图1所示

启动按钮
停止按钮
水位选择开关
手动排水开关
手动脱水开关

电磁进水阀线圈
电磁排水阀线圈
接触器线圈

PLC

电磁进水阀
电磁排水阀
洗涤电动机
蜂鸣器

水位传感器

图 1 系统原理方框图
3.2 主电路
系统的电机主电路如图2所示

图2 电机主电路图
3.3 I/O分配
系统的I/O分配如表1所示
表1 控制器I/O口分配表
输入
输出
停止 X000
启动洗衣机Y000
启动 X001
进水阀Y001
高水位 X003
电机正转Y002
中水位 X004
电机反转Y003
低水位 X005
排水阀Y004
排空检测 X006
脱水电磁离合器Y005
高水位检测 X007
报警Y006
中水位检测 X010

低水位检测 X011

手动排水X012

手动脱水X013

3.4 I/O接线图
系统的I/O接线图如图3所示
I/O接线说明：
停车按钮：SB1 高水位检测开关：SQ2 脱水电磁阀：Y5
启动按钮：SB2 中水位检测开关：SQ3 报警扬声器：SPK
高水位档：K1 低水位检测开关：SQ4
中水位档：K2 启动洗衣机：Y0
低水位档：K3 进水电磁阀：Y1
手动排水：K4 电动机正转：KM1
手动脱水：K5 电动机反转：KM2
排空检测开关：SQ1 排水电磁阀：Y4

图3 系统I/O接线图
3.5 元器件选型

3.5.1 PLC的选型
经过对结构图的分析，可知全自动洗衣机的I/O点不多，选择抵挡的三菱FX2N系列FX2N---32MR，能够完全满足其要求，FX2N---32MR有32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FX2N-32MR型PLC，可满足设计要求。如下图4所示。

图4 FX2N-32MR001
3.5．2 电机的选择
在全自动洗衣机中，应用比较广泛的是单相电容运转异步电机。 在本系统中选用YC系列微型单相电容起动异步电动机，YC系列微型单相电容起动异步电动机广泛用作空气压缩机、水泵、冰箱、洗衣机、医疗器械等机械的驱动设备。本系列按照YC系列国家标准并吸取国际上同类产品的优点进行派生设计制造，具有结构简单、运行安全可靠、维修方便及技术经济指标优异等特点。
YC系列微型单相电容起动异步电动机为全封闭型结构，全部采用E级绝缘材料，具有良好好的绝缘性能和机械强度。电机如图5所示。
型 号： YC632-2 效率% :60
功率W： 180 转速r/min： 2800
电流A： 1.95 功率因数cosø : 0.7
电压V： 220 起动电流A: 12
频率Hz：50 起动转距/额定转距 :2.8 图5 YC632-2型电机
3.5.3 接触器的选择
交流接触器的选择主要考虑主触点的额度电流、额定电压、线圈电压等。主触点的额定电流In可根据下面的经验公式进行选择：

式中为接触器主触点额定电流；K为比例系数；为被控电动机额定功率；为被控电动机额定线电压。而且，交流接触器主触点额定电压一般按高于电路额定电压来确定。
因此，取K=1
故选择施奈德的LC1-D0610M5C型交流接触器。其外形图如图6所示
其主要技术参数为：额定绝缘电压220V；
额定发热电流6A。 图6 交流接触器

3.5.4 热继电器的选择
根据电动机频繁换向启动的工作情况，按式IR=（1.15~1.5）IN选取，因此， 故选取施奈德的LR2-D1306C型热继电器。外形图如下图7所示
其主要技术参数为：脱扣等级10A；
整定电流范围1-1.6A； 图7 LR2-D1306C
3.5.5 开关电源的选择
根据全自动洗衣机的设计要求，为保证安全，外部电器（包括电磁阀、蜂鸣器等）使用低电压直流电，为此选择了哈克特HTSP-320F-24型开关电源，外型如图8所示，将交流电转换为要求的直流电。
其主要技术参数：输出电压：24V
输出电流：0-13A
效 率 ：87% 图8 开关电源
3.5.6 水位传感器的选择
水位传感器就相当于压力开关，当你设定好一个压力值以后，注水后产生水压，达到压力值后就自动通电，起到了开关的作用。水位开关的种类很多，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，从而控制阀门。而压力的测量依然用弹性元件，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。外型如图9所示。
在该系统中，选择海尔洗衣机水位开关。
压力式开关型号：XQB50-L
DC 6V 10mA 图9 洗衣机水位开关
3.5.7 进水电磁阀的选择
进水阀用来控制进水，进水时先选择水位档位，到达设定水位，相应的水位开关闭合，由程序控制进水阀闭合，从而开始洗衣工作过程。从经济角度考虑选用星光的进水电磁阀（FCD-270B），外型如图10所示。
公称通径：G3／4　C16（mm）
　　适用介质：水、气、油
　　压力范围：0.02-1.0（Mpa）
　　适用温度：0-100（℃）
图10 通用进水电磁阀
3.5.8 排水阀的选择
排水阀用来控制排水，洗衣机按工作顺序洗完衣服后，由程序自动启动排水阀开始排水，当排空后，排空检测开关闭合，启动脱水电磁离合器，开始脱水，脱水过程中，保持排水。本系统选择海尔全自动洗衣机排水阀，型号为 XQB50-L 外型如图11所示。

图11 XQB50-L型排水阀
3.5.9 蜂鸣器的选择
根据设计要求，选择压电式蜂鸣器，型号：NFM1-22/LC，外型如图12所示。

图12 蜂鸣器
压电式蜂鸣器的参数：额定电压：AC/DC 12 V 响 度：70dB/10cm
光 亮 度：85 （cd/ ） 额定电流： 20（mA）

4 软件设计
4.1主流程
系统主流程如图13所示.

图13 全自动洗衣机程序流程图
4.2梯形图

说明：特殊辅助继电器M8002为初始化脉冲，仅在运行开始瞬间接通。

此段梯形图完成的功能为：在停车开关按下后根据X012、X013状态分别实现手动排水与脱水。

此段梯形图完成的功能为：启动开关按下，激活状态S20。

此段梯形图功能为：清零计数器C0，打开进水阀，开始进水，同时根据设定的水位，检测水位是否到达设定水位，如果到达则激活状态S21。

此段梯形图功能为：关闭进水阀后延时2s。延时时间到后激活状态S22。

此段梯形图功能为：启动洗衣机滚桶，正转30s，时间到达后，激活状态S23。

此段梯形图功能为：滚筒正转30s完成后停止转动2s。

此段梯形图功能为：滚筒反转30s，时间到后，激活状态S25。

此段梯形图功能为：滚筒停转2s，同时判断洗涤过程是否已经进行了5次循环了，如果没有，激活状态S22，继续循环执行从状态S20到状态S25的程序，如果洗涤已经完成了5次循环过程了，激活状态S26。

此段梯形图功能为：完成5次洗涤之后，自动排水，排完水后激活状态S27。

此段梯形图功能为：排完水后对衣物进行脱水30s，同时判断是否对衣物已经清洗了两遍，如果未达到两遍，则再次激活状态S20，重复状态S20到S27的程序，如果清洗次数达到两遍后，激活状态S28。

此段梯形图功能为：在完成上述所有洗涤过程后自动报警3s，然后回到初始状态。
以上所有状态工作的条件都是在停止开关未接通的情况下。只要停止开关一接通，则结束自动控制过程，进入手动控制阶段，手动控制主要包括可手动排水（不脱水）和手动脱水，根据手动输入信号决定所完成的控制功能。
5 系统调试
由于没有模块原件，因此选择编程软件GX .Developer连接Simulator仿真软件进行仿真调试。首先编写好PLC程序，然后再把编好的程序读入Simulator仿真软件，进入调试模式，接通启动按钮X1，置位状态寄存器S20，手动选择水位控制进水阀开始进水，并接通相应水位传感器，从而置位S21，S20自动复位，关闭进水，同时启动T0计时器暂停2s。计时完毕，T0常开点闭合，置位S22，洗衣机开始正转，并开启T1计时器计时30s。计时完毕，T1常开点闭合，置位S23，开启暂停2s的T2计时器。计时完毕，T2常开点闭合，置位S24，控制电动机反转，同时开启T3计时器计时30s。计时完毕，T3常开点闭合，从而置位S25，开启暂停2s计时器T4。计时到时，并启动计时器C0，计数一次，同时返回S22，直到计数器计到5次时，即正反转320s后，置位S26，开始排水.当排空后，X11有信号，利用软件手动闭合X11，从而置位S27,启动脱水，并保持排水，同时开启T5计时器计时30s。计时到时，T5常开点闭合，C1计数一次，同时返回S20，直到C1计时3次时，即重复洗涤三次后，C1常开点闭合，置位S28，开启报警电路，扬声器发出响声提示洗衣完成，同时启动T6计时器，控制报警声3s后停止，之后返回到S0,程序停止。在每一步顺序运行时，上一步的状态寄存器均自动复位。
在程序运行中，闭合X0，各状态寄存器均无信号，经过选择手动排水和手动脱水档位，可实现手动排水和手动脱水功能。若要实现轻柔洗功能，需添加X2作为轻柔洗档位，把X1设为标准洗档位，轻柔洗的过程能够经过一些计时器把正反转的时间设定的小一些。编程和上述基本类似。

设计心得
经过将近一周的全自动洗衣机PLC课程设计，让我收获颇丰，不但熟悉了全自动洗衣机的工作过程，还学会了使用步进指令。步进指令简单，直观，易于阅读，使用它来控制洗衣机的工作过程，真的很是方便，更是让我加深了对PLC的认识和理解，也知道了PLC应用于工业控制的优点所在，更重要的是让我看到了自己知识的匮乏，也坚定了以后要不断的学习，不断的向身边的人虚心请教，同时要借助于图书馆和网络来扩充自己的知识面的决心。也只有这样，在以后的社会竞争中，自己才能有立足之地，才能有所作为。
经过这次课程设计我也学到了很多，不光是知识本身还有思维过程的锻炼。比如，在这次设计中我就发现自己的想法太片面，缺乏开放性，在电器匹配上存在不匹配。我明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

参 考 文 献

[1] 谢文辉,张志芳. PLC应用技术易读通. 北京：中国电力出版社，
[2] 常晓玲. 电气控制系统与可编程控制器. 北京：机械工业出版社， .2
[3] 贺哲荣,石帅军. 流行PLC实用程序及设计（三菱FX2系列）. 西安：西安电子科技大学出版社， .3
[4] 夏路易,石宗义. 电路原理图与电路板设计教程.北京：北京希望电子出版社， .6
[5]廖常初.PLC基础及应用.第2版. 北京.机械工业出版社.
[6]王兆晶.维修电工（高级）.北京.机械工业出版社.
[7]熊幸明.工厂电气控制技术.北京.清华大学出版社.
[8]黄净.电气控制与可编程序控制器.北京.机械工业出版社.
[9]三菱电机.FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC编程手册.