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1、电气控制与PLC课程设计课题： 全自动洗衣机的PLC控制 系 别： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 河南城建学院2015年 06月 19日成绩评定指导教师评语：PLC课程设计成绩评定班级: 0924122 姓名: 李 鹏 学号: 092412218 综合成绩： 指导教师签字 2015年 06 月 19 日 目录1 引言11.1 课题设计目的11.2课程设计内容及要实现的目标12 系统硬件设计22.1 系统硬件配置及组成原理22.1.1 PLC选型22.1.2 电机选择32.1.3进水电磁阀42.1.4 排水阀52.1.5 水位开关52.1.6 减速离合器5
2、2.2 系统硬件电路图53 系统软件设计73.1 系统功能分析73.2 控制程序设计思路83.3 各部分功能具体实现94 系统调试及结果分析94.1 系统调试94.2 结果分析10结束语11参考文献12附录一13附录二181 引言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。而从全自动洗衣机诞生以来，洗衣机的全自动化、多功能化、智能化是其发展方向。其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样，从而使全自动洗衣机显得更加智能化。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，可编
3、程控制器(PLC)以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活，而且结构简单，抗干扰能力强。三菱FX2N系列可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合全自动洗衣机控制系统的要求与特点。本文选择三菱FX2N-16MR为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现了全自动洗衣机控制系统的自动化，同时根据全自动洗衣机控制系统总体控制要求和特点,确定PLC 的输入输出分配。1.1 课题设计目的PLC课程设计的主要目的是运用所学的PLC理论与
4、实际工程相结合，并利用PLC技术完成实际项目。本次课程设计针对全自动洗衣机系统，利用三菱PLC来控制洗衣机实现全自动。通过课程设计使所学的PLC知识得到进一步的巩固，并检验对PLC的编程及实际应用能力，加深对PLC的认识和理解，为以后实际的工程应用奠定基础。1.2课程设计内容及要实现的目标本次课程设计的要求为：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，作盛水用。内桶可以旋转，作脱水（甩水）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打开，经进水管将水注入外桶。排水时，通过电控系
5、统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘的正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。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。停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。启动时开始进水，水满（即水位到达高水位）时停止进水并开始正洗涤。正转洗涤15s后暂停，暂停3s后开始反转洗涤。反转洗涤15s后暂停，暂停3s后若正、反洗涤未满3次，则返回从正转洗涤开始的动作；若正、反洗涤满3次时，则开始排水。排水水位若
6、下降到低位时，开始脱水并继续排水。脱水10s即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。若未完成3次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了3次大循环，则进行洗完报警。报警10s结束全部过程，自动停机。此外，还要求可以按排水按钮以实现手动排水；按停止按钮以实现手动停止进水、排水、脱水及报警。本次课程设计主要是利用PLC控制电动机正转和反转及进水电磁阀、排水电磁阀和脱水离合器的开合来实现洗衣机的全自动过程。即再按下启动按钮后，洗衣机通过PLC的控制自动实现进水，水位检测，自动洗涤，排水，脱水，根据设计要求设定洗涤次数和洗涤时间，最后完成洗涤报警提示用户。并且该控制系统能实现手动排
7、水，和手动制动。2 系统硬件设计2.1 系统硬件配置及组成原理2.1.1 PLC选型对于PLC的选型首先考虑输入输出（I/O）点数估算，I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展。其次是存储器容量的估算，存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。由于本次全自动洗衣机控制程序较为简单，输入输出信息较少，考虑留有适当余量。且本次课程设计的程序容量不大。故本次课程设计选用有8个输入点、8个输出点的三菱FX2N-16MR的PLC来实现全自动洗衣机的控制功能。根据电
8、动机与PLC的型号及个开关电器的常用型号现将用到的各硬件配置给出相应说明。如表2.1。图2.1 FX2N-16MR实物图表2.1 硬件配置表名称型号单位数量可编程序控制器FX2N-16MR台1三相电机XDT-SS100台1组合开关HZ10-25/3个1交流接触器CJ-20个2熔断器RL1-60、RL-15只各3热继电器JRS2(1-1.6A)只1行程开关YBLX-19/001只2按钮LA4-3H只6全自动洗衣机系统由主电路和控制电路组成。主电路是由三相电动机、接触器、热继电器等构成。控制电路由PLC和辅助继电器等原件组成。其中辅助继电器一部分控制洗衣机的电磁阀。2.1.2 电机选择电机是自动洗
9、衣机的心脏，是整个洗涤工作的动力来源。工业上用的电机各式各样，规格型号数不胜数，其中按使用电源可以分为交流电机和直流电机两种。交流电机又分为异步电机和同步电机。洗衣机上所用到的电机是单相电容起动运转式异步电机，使用220v交流电源。全自动洗衣机上使用的电机输出功率一般150W以上，配12F以上的电容器。这种电机的特点是启动转矩大，过载能力强，可以充分满足洗衣机负载频繁变化的使用要求。在洗衣机中使用的电机都要配接电容器。电容器的作用是加大电机的起动转矩和工作转矩，它还起确定旋转方向的作用。在洗衣机中使用的电容器一般都是纸介质或塑料介质的。电容器容量的大小一定要按照电机的要求选配，容量大了，容易使
10、电机升温过高，缩短电机寿命；容量小了，会降低电机的起动转矩和过载能力。电容器的电压也要按照电机标牌的要求选配，一般洗衣机电机对电容器的要求电压为400伏到450伏交流电。根据家用全自动洗衣说明书，现选用XDT-SS100(F)电机作为洗衣机电动机。表2.2 电机参数一电机型号XDT-SS100(F)极数4极输出功率100W绝缘等级E级额定电压220V工作制S1额定频率50Hz配套电容9F/450V，36F/250V表2.3电机参数一额定转速r/min15501550效率4040功率因数COS0.860.86堵转电流A2.54.5转矩N.m0.90.9最大转矩绕组温升N.m1.251.25K75
11、75热保护器动作温度（T.P）1251252.1.3进水电磁阀进水电磁阀是保证全自动洗衣机正常工作的关键部件，它通过接受PLC的指令和水位传感器的反馈信号控制洗衣过程中的进水动作。全自动洗衣机进水电磁阀结构主要由阀体、电磁线圈、可动铁芯、橡皮膜、过滤网灯部件组成。其工作原理为：电磁阀在未通电时，可动铁芯在其上端的弹簧力和自身重力作用下，通过橡皮膜，关闭住导流孔，这样进水腔内的水压与橡皮膜和塑料导阀之间密闭腔内的水压相等，使橡皮膜牢牢压住阀体中的水管口，切断了水流，保证了进水阀的正常关闭。当电磁阀接通电源后，由于电磁力的作用，可动铁芯被吸起，中心孔被打开，这时橡皮膜和塑料导阀间的空腔压力低于进水
12、腔内的袭来水压，橡皮膜被顶开，电磁阀开始进水工作。2.1.4 排水阀排水阀工作时，由排水电磁铁将它打开，与此同时，它还带动刹车臂转动，放开刹车带和棘轮，使的脱水轴能够自由转动。交流电磁铁由固定铁芯、线包电磁线圈和衔铁三部分组成。当它的线包接通220V交流电时，由于电磁感应的作用，定子铁芯使对衔铁产生吸引力，将衔铁吸合，同时拉动排水阀的拉杆和橡胶密封膜，打开水门防水，并带动刹车零件动作，使后面的一系列工作顺利进行。2.1.5 水位开关水位开关是波轮式全自动洗衣机控制洗涤桶中水量的电器件。洗衣机的洗涤桶中水位的高低代表着桶内水量的多少。在向桶内注水时，当水位达到一定高度后，水位开关将切断电磁进水阀
13、的电路，同时，通过PLC接通洗涤电机的电路，完成进水与洗涤电路的交换。在排水时，当水位降到脱水桶底以下时，它也将接通或断开相应的电路，完成预定的工作。2.1.6 减速离合器早期设计的小波轮全自动洗农机的离合器没有减速功能，故洗涤和脱水转速相同。新型大波轮全自动洗衣机的离合器都具有洗涤减速功能，称减速离合器，其种类很多，但主要结构和工作原理基本相同。目前应用最为广泛的有两种：单向轴承式减速离合器与带制动式减速离合器。2.2 系统硬件电路图 根据程序中输入和输出的需要，可以确定系统的输入输出点数。如表2.4。表2.4 系统的I/O分配表输入输出元件代号元件功能输入继电器输出继电器元件功能元件代号S
14、B1启动按钮X0Y0进水电磁阀KA1SB2停止按钮X1Y1电动机正转KM1SQ1排空开关X2Y2电动机反转KM2SQ2加满开关X3Y3排水电磁阀KA2SB3排水按钮X4Y4脱水离合器KA3Y5报警蜂鸣器KA4程序中用到的各辅助继电器，现将各继电器功能列出，如表2.5。表2.5 辅助继电器功能说明继电器功能继电器功能C0小循环计数C1大循环计数T0进水后定时3sT1正转定时15sT2正转后定时3sT3反转定时15sT4反转后定时3sT5脱水定时10sT6报警定时10s根据系统的I/O接线分配，可以画出系统的I/O接线图，如图2.2。图2.2 系统的I/O接线图本课程设计主电路仅画出了，电动机正转
15、和反转的主电路。除了正转和反转之外还应增加脱水主电路。在此未给出。对于该全自动洗衣机系统只用一个电机就可以实现所有要求。为节约成本选用一台主电动机。除此之外还应增设其他的电磁阀和报警装置。由于系统主电路有一台电动机构成，由PLC控制接触器来控制电机的正反转，则系统主电路如图2.3。图2.3 系统主电路图3 系统软件设计3.1 系统功能分析 本课程设计针对洗衣机实现全自动的目的而设计，主要功能是实现洗衣的全自动。当按下洗衣机的启动按钮即对应PLC的X0输入点时洗衣机开始进水，当进水满时，高水位检测开关即行程开关，对应PLC上的输入点X1。当进水满后，暂停3秒。转入洗涤状态，洗衣机先正转15s，然
16、后停3秒，再反转15秒，来回循环3次，循环次数由计数器C0计数，当C0技术满后进入排水状态，当水排完时，由低水位检测的行程开关动作，完成排水。然后进入脱水状态，脱水定时10秒，10秒后，开始进水洗衣机进入下一次大循环，大循环3次，大循环的次数由计数器C1计数，当计数时间到后转入报警，提示衣服已经洗好。然后在整个流程中能实现手动停止和排水。图3.1 全自动洗衣机系统流程图3.2 控制程序设计思路根据本次课程设计的要求，首先要确定输入输出点数，画出系统的I/O接线图，分析系统工作流程。首先，根据要求可以确定5个输入点，分别是开始输入点、高水位检测输入点、低水位检测输入点、排水输入点、停止输入点。6
17、个输出点，分别为进水电磁阀输出、电机正转输出、电机反转输出、排水输出、脱水输出和报警输出。考虑到程序流程比较多，我选用步进指令来实现全自动洗衣机的整个过程。首先，进行初始化，选用特殊功能继电器M8002，因为本次程序设计中涉及到两次计时，故先S0置位，再通过S0把计数器复位。然后再按动启动按钮时系统自动进水，需要设置启动和停止按钮。在进水水位达到设定水位时，由行程开关代替的水位检测输入动作，进水结束，然后开始正转洗涤和反转洗涤，洗涤次数通过计数器C0实现当计数满3次，开始排水，当排水到设定水位由水位检测开关动作停止排水开始脱水（脱水时排水阀应打开）。脱水完成进入下一个洗涤状态，此时计数器C1计
18、数1次，直到计数器C1计数满3次，系统转入报警，报警后，系统自动停机。3.3 各部分功能具体实现 本课程主要利用梯形图设计的程序，具体梯形图参见附录一。根据该梯形图，也给出其对应的指令表，参见附录二。主要实现功能是在启动按钮按下后，系统进水，当进水满时，高水位行程开关动作，进水停止，暂停3秒开始正转，正转15秒停3秒，再反转15秒停3秒，然后循环3次，开始排水，当水排完后，排空行程开关动作，开始脱水，脱水时电机正转，排水阀打开。排完后完成1次大循环，进行3次大循环后，报警提醒，之后自动关机。在运行期间可手动停止，停止后可手动排水。4 系统调试及结果分析4.1 系统调试 连接好PLC，打开软件，
19、选定合适的通信端口。首先用软件远程使PLC停止工作，RUN灯熄灭。然后把编好的程序写入PLC，再用软件启动PLC，发现PLC的RUN指示灯亮，程序运行时，按下启动按钮X0，置位状态寄存器S20，控制进水阀开始进水。当水位达到设定值时高水位检测X1动作，高水位检测这里用行程开关代替,从而置位S21，S20自动复位，关闭进水阀，同时启动T0计时器暂停3s。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15s。计时完毕，T1常开点闭合，S23置位，T2计时暂停3s。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15s。计时完毕，T3常开点闭合
20、，从而置位S25，开启暂停3s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3次时，即正反转99s后，置位S26，开始排水.当排空后，则低水位检测器X2动作，这里的低水位检测用行程开关代替。从而置位S27,启动脱水，并保持排水，同时开启T5计时器计时10s。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，即反复洗涤三次后，C1常开点闭合，置位S28，开启报警电路，蜂鸣器发出报警提示洗衣完成，同时启动T6计时器，控制报警声10s后停止，之后返回到S0,程序停止。根据步进指令的运行原则，在每一步顺序运行时，上一步的状态寄存器均自动复位。
21、在程序运行中，闭合X4，各状态寄存器均无信号，通过选择手动排水档位，可实现手动排水功能。调试过程中，排水键必须选成自锁，其他均选成按钮开关。排水键若选成按钮则不能连续排水。外部接线要连接正确，否则即使程序是对的，效果也不是预期效果。本次课程设计，通过GX Developer和GT Designer3共同实现。实验调试主要是通过组态软件GT Designer3设计实现。在GT Designer3中画出对应的按钮和指示灯，在GX Developer中点击仿真按钮后，再打开GT Designer3中画出对应的按钮和指示灯，点仿真即可。效果如图4.1。图4.1 GT Design仿真4.2 结果分析根
22、据设计的梯形图程序，欲实现预定的控制效果，需引入定时器、计数器和辅助继电器等软元件。将设计好的梯形图程序输入计算机，写入PLC，将PLC外部连线连接正确，开启运行。按下启动按钮，可以观察设计效果。通过观察设计效果，本次设计的梯形图达到预期目的，满足全自动洗衣机的各项功能指标。结束语在本次课程设计里，我们以PLC为控制核心，它具有结构合理、测试方法可靠、灵活性强等特点。这样可以提高设备运行的可靠性，缩短产品研发周期，保证新产品各项技术指标，提高劳动效率，可以达到良好的经济效果。此外，PLC可以重复使用，降低了测试经费。它的灵活性、操作方便性也方便开发者随时输入、调试和修改控制程序。PLC 又设有
23、串行接口，方便地与计算机进行连接，组成测控系统，给系统的维护和使用带来了很大方便。随着科学技术的飞速发展，PLC已经成为当前最为活跃的领域之一，在生产生活中可以说是无处不在。因此作为当代大学生来说，掌握PLC的开发和应用技术是十分重要的。此次课程设计，我感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在课程设计中，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，这个过程不仅可以让我们巩固以前所学过的知识，而且还可以让我们学到很多在书本上所学不到的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与具体实践相结合，才能更好的为社会服务。从而提高自己的
24、实际动手能力、独立思考和独立解决问题的能力。在课程设计的过程中所遇到问题，都令我百思不得其解。通过本次课程设计发现了自己的不足之处，主要表现在对以前所学过的知识的理解不够深刻，掌握不够牢固，通过这次课程设计之后，使我八以前所学过的知识又复习了一遍。通过本次课程设计的应用，使我更加体会到PLC可靠性高、抗干扰能力强、通用性强、控制程序可变、使用方便等优点。使我更加熟悉了三菱FX系列编程软件使用方法与各种基本指令的运用。这次的课程设计使我把可编程控制器的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性，本次课程设计让我受益非浅，对我以后的工作和学习产
25、生很大的帮助和影响。参考文献1熊幸明等.电气控制与PLCM.北京：机械工业出版社，2011.2王建，张宏.三菱PLC入门与典型应用M.北京：中国电力出版社，2009.3孙德胜，李伟.PLC操作实训（三菱）M. 北京：机械工业出版社，2007.4张桂香，张志军.PLC的选型与系统配置J.微计算机信息，2005(7):81-82.5陈宏.可编程控制器(PLC)的选型J.化工进展，2003(22):1354-1356.6胡小颖.全自动洗衣机PLC控制系统设计J.机械工程与自动化，2015(3):163-169.7王亚欣.全自动洗衣机的PLC控制J.科技广场，2008(3):212-214.8蒋金周.全自动洗衣机的PC智能控制J.机电一体化，2004(5):83-85.9刘德兵.全自动洗衣机控制系统的PLC设计D.成都:电子科技大学,2011.10吴应龙.全面了解全自动洗衣机N.电子报，2002-03-03(9).11易群.全自动洗衣机控制系统的PLC设计J.科技资讯，2011(36):31-32.12易群，刘陆平.基于组态软件的 PLC 全自动洗衣机控制系统的仿真J.科技广场，2012(5):107-109.附录一附录二
