全自动洗衣机梯形图控制系统设计.docx

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全自动洗衣机梯形图控制系统设计

电气控制与PLC

课程设计

题目:

全自动洗衣机梯形图控制系统设计

院系名称：

电气工程学院

专业班级：

自动F0703

学生姓名：

学号：

指导教师：

设计地点：

中2-421

设计时间：

2010-6-20——2010-6-25

成绩：

指导老师签名：

日期：

摘要

本次课程设计介绍了由可编程控制器、传感器在工业洗衣机控制系统中的应用。

以及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。

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进水、洗涤、脱水、排水的过程，省时省力。

为人们提供了一个方便的工具。

关键词：

可编程控制器传感器电机洗衣机

目录

1.引言1

1.1系统描述及控制要求1

2.设计方案3

2.1选定控制器3

2.2系统组成框图及工作原理4

2.3硬件电路设计4

2.4电气控制线路的原理草图6

3软件设计7

3.1系统运行主要流程图7

3.2I/O分配表10

3.3系统对应外部接线图10

3.4系统总T形图11

4.系统监测与调试13

5.设计心得14

参考文献15

1.引言

可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。

现已广泛应用于工业控制的各个领域，它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

该设计采用三菱公司的FX系列可编程控制器。

我们在这里有必要详细介绍三菱的FX系列可编程控制器的性能指标，硬件组成和指令。

 PLC的学习比一般编程学习困难在于，要完成一个控制系统不仅需要掌握一定的编程技术，更为重要的是要知道如何针对实际应用的需要选择合适的PLC型号，然后进行资源配置，设计控制系统。

该设计为全自动洗衣机的PLC控制，主要介绍了全自动洗衣机的工作原理，控制系统的PLC的选型和资源的配置，控制系统程序设计与调试，控制系统PLC程序。

1.1系统描述及控制要求

系统描述：

在现在各种控制系统中广泛应用PLC，因为其能克服当今各种控制器的缺点，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。

在应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。

因此次全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。

PLC控制器控制端口输出，控制电机接触器线圈输出，以达到控制电机的工作或停止。

两个电机，一个电机应用于洗涤另一个电机用与抽水进水装置。

四个传感器分别用来检测排空检测、高水位检测、中水位检测、低水位检测。

检测信号输入到PLC中相应的开关作为工作输入信号。

多路转换开关有人们操作制定工作模式，多个按钮来控制电源接通或断开。

控制要求：

（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）

输入点：

输出点：

启动x1低水位检测x11启动洗衣机y1

停止x2手动排水x12进水阀y2

高水位x3手动脱水x13正转y3

中水位x4反转y4

低水位x5排水y5

排空检测x6脱水y6

高水位检测x7报警y7

中水位检测x10

2.设计方案

2.1选定控制器

PLC有以下优点：

可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置；它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量进行逻辑运算、定时、计算和算术运算等处理后，以开关量的形式输出，控制各种机械或生产过程。

可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点。

（1）可靠性高、抗干扰能力强用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触头接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适用于各种恶劣的环境，远远超过了传统的继电器控制系统和一般的控制系统。

（2）编程简单、易于掌握PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、易于掌握的优点。

（3）功能完善、灵活方便随着PLC的发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计数功能而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。

（4）体积小、质量轻、功耗低

单片机系统的特点：

（1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。

（2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。

（3）功能单一只具有使用中所需要的功能，但是，它结构简单，处理速度快。

通过论证，PLC作为洗衣机控制器比较好。

2.2系统组成框图及工作原理

系统图如图2.1所示。

它有以下几部分组成。

（1）压力传感器分别检测排空检测、高水位检测、中水位检测、低水位检测。

（2）开关由人们控制按通，分别有高水位按钮、低水位按钮、中水位按钮，分别对应不同的洗衣模式。

（3）PLC控制器，用来接收外部开关控制信号和传感器控制信号，进行逻辑运算、计数等处理后，以开关量输出，控制电机运转或停止。

（4）交流电机分用于进水和洗涤工作两种电机。

（5）各种指示灯用来指示洗衣机运行状态。

2.1系统组成框图

工作原理：

由开关设置洗衣机洗衣模式，经传感器检测水位信号输入PLC，经PLC计算、延时等判断是否满足开关量输出，满足则控制电机相应的工作，进行进水或洗涤。

同时指示灯亮指示相应洗衣机运行状态。

2.3硬件电路设计

（1）压力传感器

本实验采用HM21利用流体静力学原理测量水位或液位，是压力传感器的一种重要应用。

用微机械加工技术制作的高灵敏度的硅压阻力敏元件是液位传感器的心脏，辅之以带通气导管的专用电缆及专门的水密封技术，既保证了浸入式传感器的水密封，又使得参考压力腔与环境气压相通，从而获得准确的测量结果与优良。

HM21的主特性参数如下：

工作电压：

21~36VDC性能参数

测量范围（FS）

0~0.5m…200mH2O或0~5KPa…2MPa

允许过压

2倍满量程压力

测量介质

 与316不锈钢兼容液体（特殊可选防腐型）

综合精度

±0.25%FS

±0.5%FS

±1%FS

长期稳定性

典型：

±0.1%FS/年

最大：

±0.2%FS/年

使用温度范围

一体式：

-20℃~70℃

分体式（插入式）：

-20℃~80℃

补偿温度范围

一体式：

-10℃~55℃

分体式（插入式）：

-10℃~70℃

零点温度漂移

典型：

±0.02%FS/℃

最大：

±0.05%FS/℃

满度温度漂移

典型：

±0.02%FS/℃

最大：

±0.05%FS/℃

供电范围

12~36VDC（一般24VDC）

信号输出

4~20mA/1~5VDC/0~5VDC

负载电阻

≤（U-10）/0.02Ω

结构材料

外壳：

不锈钢1Cr18Ni9Ni    

膜片：

不锈钢316L

密封：

氟橡胶

电缆:

Φ7.2mm聚氯乙烯专用电缆

绝缘电阻

100MΩ,50VDC

防护等级

外壳防护等级IP68

安全防爆

ExiaⅡCT5

响应时间

≤2ms

重量

约250克

分辨率

无限小（理论），1/100000（通常）

（2）三菱FX2N系列PLC

本次设计主要采用FX2N系列PLC，它主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入输出（I/O）接口电路、电源、扩展单元、外围设备等部分构成。

可编程控制器的主要性能指标：

1）输入输出（I/O点数）I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。

2）存储容量存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。

3）扫描速度一般以执行1000步指令所需时间来衡量，也有以执行一步指令所需时间来计算。

4）功能扩展能力可编程控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种需要，如A/D模块、D/A模块。

5）指令系统指令控制系统是指一台可编程控制器指令总和。

（3）电机的选择

由于家庭提供的电源限制故选单相电容式转式异步电动机。

以3.6公斤全自动洗衣机为例，由于全自动洗衣机的脱水桶直径较大，这偏心不能不考虑，所以计算时应以洗涤物可能产生前最大偏心为计算依据。

脱水时电机功率比洗涤时要大，在确定电机时应以脱水时消耗的功率为依据，也就是说脱水时电机功率就是洗衣机所确定的电机的额定功率。

所以3.6公斤全自动洗衣机电机额定功率选为180瓦。

符合全自动洗衣机的功率范围120W-250W.

故选择YY104-180型号单相电容式转式电动机，功率180瓦，额定电压220V，转速1350r/min，电流1.7A。

（4）发光二极管

用于指示洗衣机工作状态。

连接在控制回路中，几十毫安就可以使二极管发光指示作用。

用它成本低、功耗小、性能稳定、适应家庭电器应用。

2.4电气控制线路的原理草图

QS断路开关家用可采用HZ10系列组合开关，主要用于电源的引入。

FU熔断器是简单有效的保护电器，可选用半封闭插入式熔断器。

KW接触器选用CJ12T-250系列交流接触器，额定电流250A。

FR热继电器是一种保护电器，专门用来对过载及电源断相进行保护，以防止电动机因上述故障导致过热而损坏。

常用JR16、JR20、JRS1系列热继电器，本次设计采用JR16,额定电压380V，额定电流150A。

M1、M2分别为进水电机和洗涤电机。

X3、X4、X5、SB0为四触头两档万能开关。

SB1是手动脱水开关。

X7、X10、X11分别为高、中、低位水位检测压力传感器输入信号控制开关。

T0、T1、T2、T3分别为时间继电器，采用空气式时间继电器，其具有结构简单、调整方便、价格较低等优点。

本次设计我们采用JS23系列空气时间继电器，线圈额定工作电压直流220V，延时范围0.2-0.3/s。

如图2.2所示为系统电气控制原理图：

2.2系统电气原理控制原理图

3软件设计

3.1系统运行主要流程图

系统流程图主要显示了，洗衣机系统从打开开关、进水、洗涤、脱水、排水到洗衣机系统停止主要运行过程。

洗衣机启动先初始化内部处理PLC输入扫描、通信信号传输线路处理，PLC通过输入得到各开关量及传感器信息，通过运算、计时等运行程序T形图，在经过输出扫描，输出相应的开关量信号控制接触器输出，接通相应电机运行洗衣机的相应功能，进水、洗涤、脱水、排水等操作。

如图3.1所示为系统流程图。

3.1系统运行流程图

3.2I/O分配表

PLC输入输出对应点数，对应输入输出点数作用，应用3.2表如下：

输入点地址号

信号名称

输出点地址号

信号名称

X2

停止

Y1

启动洗衣机

X3

高水位

Y2

进水阀

X4

中水位

Y3

正转

X5

低水位

Y4

反转

X6

排空检测

Y5

排水

X7

高水位监测

Y6

脱水

X10

中水位监测

Y7

报警

X11

低水位监测

X12

手动排水

X13

手动脱水

3.2I/O分配表

3.3系统对应外部接线图

应用PLC控制洗衣机的外部接线图，如图3.3所示洗衣机各部件相应开关、传感器、外接执行器件的接口与PLC连接接口对应连接。

3.3系统外部接线图

3.4系统总T形图

PLC工作软件指令，梯形图是PLC编程语言之一。

PLC执行梯形图总是按先上后下、先左后右的顺序对由节点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新输出映像寄存器或系统RAM区对应位的状态。

在程序执行阶段，只有输入运算寄存器区存放的输入采样值不会发生改变。

其他各种元素在输出映像寄存器或其他系统RAM存储区内的状态和数据都有可能随着程序的执行随时发生改变。

扫描是从上到下顺序执行的，前面执行的结果可能被后面程序所用到，从而影响后面程序执行的结果。

程序的执行就是PLC对输入的开关量信息的相应的运算、计时等，按照人们的意愿完成，相应的输入开关量，在由设定的执行器进行动作。

完成人们设计系统要完成的功能。

4.系统监测与调试

大体思路如下：

1.硬件调试：

硬件调试是利用开发系统、基本检测仪表检查用户系统硬件中存在的故障。

硬件调试可以分为静态调试与动态调试两步进行。

（1）静态调试

静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。

第一步：

目测。

检查外部的各种元件或者电路是否有断点。

第二步：

用万用表检测。

先先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象。

第三步：

加电检测。

给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值。

第四步：

联机检测。

因为只有用可编程控制器开发系统才能完成对用户系统的调试。

（2）动态调试

动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的期间内部故障、期间连接逻辑错误等的一种硬件检测。

动态调试的一般方法是由近及远、有分到合。

2.软件调试：

软件调试是通过对拥护程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。

程序后，编辑，查看程序是否有逻辑错误。

如果出现故障，应返回编程环境，检查梯形图的错误并修改程序在进行调试，如此反复直至调试成功。

5.设计心得

利用可编程控制器（PLC）、传感器等自动化产品的有机结合来实现对工业洗涤设备的自动控制，其主要控制思路是对洗涤设备的进水、洗涤模式、洗涤时间、脱水时间的设定、可编程控制器控制功能的应用、传感器简易PLC功能的应用进行有机的组合与设计。

此方案应用三菱FX2N系列可编程控制器、艾默生EV1000变频器、深圳人机触摸屏组成自动控制系统，结合艾默生可编程控制器、变频器与人机界面的控制优点，实现了可编程控制器与变频器的通讯功能；可编程控制器与人机界面的实时数据交换功能。

从根本上解决设备控制线路繁锁、故障点多、操作复杂等一系列问题；有效的提高设备生产效率与设备性能。

经调试与运行测试后能达到客户的设计要求并已投入生产。

通过本次设计我更加体会到了PLC的可靠性，抗干扰能力强，通用性强，控制程序可变，使用方便等优点。

更加熟悉了三菱编程软件使用方法与各种基本指令。

参考文献

[1]常晓玲电气控制系统与可编程控制器机械工业出版社2008.02

[2]华罗庚，王元.论一致分布与近似分析[J].中国科学，1973

图书类例如：

[3]傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础[M].北京：

科学出版社，1985，

[4]方程远工厂电气控制系统北京：

机械工业出版社2002

[5]田瑞庭可编程控制器应用技术北京机械工业出版社1994