1、PLC 全自动洗衣机控制系统第 1 页 共 25 页摘 要该毕业设计介绍了可编程序控制器（PLC）和PLC控制系统的基本知识，包括PLC的定义、特点、分类、技术指标、基本结构、工作原理、硬件知识及PLC控制系统等相关知识。由于PLC 的性能优越，兼具计算机的功能完备，灵活性强，通用性好和继电接触器控制简单易懂，维修方便等双重优点，形成以微电脑为核心的电子控制设备，可编程序控制器是近年来一种极为迅速，应用极为广泛的工业控制装置。采用三菱公司的FX2N系列的PLC，设计了一个简单的全自动洗衣机控制系统。全自动洗衣机通过了可编程序控制器来实现洗涤过程，省时省力。但这篇设计介绍的PLC仅仅用做教育范例
2、，正常家用洗衣机由于成本有限，性价比要求高，PLC作用于家用电器产品还没有普及。关键词：PLC ；洗衣机；全自动PLC 全自动洗衣机控制系统第 2 页 共 25 页第 1 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，计算机控制已应用于各个领域。现代社会要求制造业对市场的需求迅速反应，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 Con
3、troller）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
4、1.2.1 PLC 简介可编程序控制器是 20 世纪 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。在自动化领域与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
5、，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，还能进行数字运算、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台单板机，其外围配置了相应的接口电路，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。 A. CPUCPU 即微处理器，实际是一台单片机，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：a. 对系统进行管理。PLC 全自动洗衣机控制系统第 3 页 共 25 页b. 进行程序解释，根据用户程序执行输入、输出操作等。B. 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
6、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。C. 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。D. 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A. 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：a. 系统配置登记及初始
7、化。b. 系统自诊断。c. 命令识别与处理。d. 用户程序编译。e. 模块化子程序及调用管理。B. 用户程序用户程序又称应用程序，由用户根据控制需要用 PLC 的编程语言编制而成。C. 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、用户元件分配区、用户程序存储区、用户参数、文件存储区等。D. PLC 的内部等效电路PLC 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A. 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，将外部信号的状态读入并存储在映像寄存器中。输入继电器的状态取决于外部输入信号的
8、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。B. 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触点和常闭触点都可以使用多次。C. 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。PLC 全自动洗衣机控制系统第 4 页 共 25 页D. 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，一个当前值存储器，和一个用来存储其触点
9、状态的映像寄存器，这三个存储单元使用同一个元件号。E. 内部计数器内部计数器（C）用来对 PLC 的内部映像寄存器（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A. 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。B. 功能强，性价比高一台小型 PLC 内有成千上百个可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。C. 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
10、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。D. 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现场，已经被认为是最可靠的工业控制设备之一。E. 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，使控制柜的设计、安装、调试工作量大大减少。F. 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。G. 体积小，能耗低小型 PLC 的体积相当于几
11、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A. 机型选择FX1 2 3 4 5图 1-1PLC 全自动洗衣机控制系统第 5 页 共 25 页表 1-1 FX 系列 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 DC30V AC85242V DC530V电阻负载 2A/1 点，8A/COM 0.3A/1 点，0.8A/COM 0.5A/1 点，0.8A/COM感性负载 AC80VA，120/240V AC36VA/240V D
12、C12W/24V最大负载白炽灯负载 100W 30W DC1.5W/24V最小负载 DC 电压 5V 时2mA AC2.3VA/240V -OFF ON 100ms 1ms 0.2ms响应时间ONOFF 10ms 10ms 0.2ms开路漏电流 - AC2.4mV/240V DC0.1mA/30V电路隔离 继电器隔离 光电晶闸管隔离 光耦合器隔离a. 子系列名称，例如 1S、1N、2N 等。b. 输入、输出的总点数。c. 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 为输出专用扩展模块。PLC 全自动洗衣机控制系统第 6 页 共 25 页d.
13、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。e. 电源和输入输出类型等特点：无标记为 DC 输入，AC 电源；D 为 DC 输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 系列程序控制器的最大输入输出点数为 256 点。三菱小型 FX 2（N）系列程序控制器
14、的输入输出点最大不超过 256 点。每台主机可连模拟输入、模拟输出、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：输入输出点数在 30 点以內可使用 FX1S 系列，输入输出点数在 128 个点以内可使用 FX1N 系列，输入输出点数在 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
15、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
16、，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( 积算定时器 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，堆栈指针 (P)：128 点，中断指针 (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。PLC 全自动洗衣机控制系统第 7 页 共 25 页第 2 章 PLC 对全自动洗衣机的控制2.1
17、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 2-1 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
18、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
19、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） 。PLC 全自动洗衣机控制系统第 8 页 共 25 页、 、 、图 2-1 全自动洗衣机示意图由控制要求可知，全自动洗衣机示
20、意图（如图 2-1 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。PLC 全自动洗衣机控制系统第 9 页 共 25 页第 3 章 全自
21、动洗衣机控制系统的 PLC 方案设计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/输出地址表。表 3-1 输入/输出地址表输入 输出功能 元件 PLC 地址 功能 元件 PLC 地址电源按扭 SB1 X0 进水电磁阀 YV1 Y0启动按扭 SB2 X1 排水电磁阀 YV2 Y1停止按扭 SB3 X2 洗涤电动机正转接触器 KM1 Y2排水按扭 SB4 X3 洗涤电动机反转接触器 KM2 Y3高水位 SB5 X4 脱水电磁离 合器 YC Y4中水
22、位 SB6 X5 报警蜂鸣器 HA Y5水位选择 按扭低水位 SB7 X6 电源指示 HL1 Y6SQ1 X7 HL2 Y7SQ2 X10 HL3 Y10水位开关SQ3 X11水位指示HL4 Y11PLC 全自动洗衣机控制系统第 10 页 共 25 页3.1.2 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3.2 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。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 M5
