PLC课程设计全——自动洗衣机梯形图

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：机电工程学院

专业班级：09机械电子工程

学生姓名：

学号：

指导教师：xx

设计地点：xxx

设计时间：xxxx

目录

1 引言 0

1.1 系统背景描述 0

1.2 系统控制要求 (1)

2. 系统设计方案 (2)

2.1 系统功能描述 (2)

2.2 方案的论证 (3)

2.3确定控制方案 (4)

3 硬件电路设计 (5)

3.1 PLC选型 (5)

3.2 水位传感器的选择 (5)

3.3 接触器的选择 (6)

3.4 继电器的选择 (6)

3.5 进水阀的选择 (7)

3.6 排水阀的选择 (8)

3.7 电动机的选择 (8)

3.8 I/O点分配 (9)

3.9 I/O接线图 (10)

4软件设计 (11)

4.1 控制方案 (11)

4.2 全自动洗衣机控制程序流程图 (12)

4.3全自动洗衣机步进梯形图 (13)

4.4 中间变量的记录 (14)

4.5 系统调试 (15)

设计心得 (16)

参考文献 (17)

附录指令表视图 (18)

1 引言

1.1 系统背景描述

从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打……这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。

1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战——有人发明了木制手摇洗衣机。发明者是美国人比尔·布莱克斯。布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。

1880年，美国又出现了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。

之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。到1911年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。

电动洗衣机几经完善，在1922年迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌式”。搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。不过10年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！直至今日，滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。

随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。

20世纪60年代以后，洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列，家庭普及率迅速上升。此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，让人耳目一新。到80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚……进入90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。

现在，全自动洗衣机已经进入了千家万户之中，极大的方便了人们的日常生活，提高了人们的生活质量，使人们从那繁重的体力劳动中解脱出来。

所谓全自动洗衣机，就是将洗衣的全过程(泡浸-洗涤-漂洗-脱水)预先设定好N个程序,洗衣时选择其中一个程序,打开水龙头和启动洗衣机开关后洗衣的全过程就会自动完成,洗衣完成时由扬声器发出响声。

本文是基于三菱FX2N系列PLC的全自动洗衣机梯形图系统的设计，设计完善的全自动洗衣机控制系统，以满足控制要求，实现洗衣自动化的控制。

1.2 系统控制要求

（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x 2 手动排水x 12 进水阀y2

高水位x 3 手动脱水x 13 正转y3

中水位x 4 反转y4

低水位x 5 排水y5

排空检测x 6 脱水y6

高水位检测x7 报警y7

中水位检测x 10

2. 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（轻柔洗过程自定）

3. I/O编址

4.编程并调试

2. 系统设计方案

2.1 系统功能描述

全自动洗衣机的由内外桶、进水口、启动和停止按钮、控制器、进水按钮、水位开关、排水口和洗条电机组成。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（甩干）用。内桶的四周有很多小孔，使内、外桶的水流相通。系统结构框图如下：

全自动洗衣机的进水和排水分别有进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时，通过电控系统把进水阀打开，经进水管将水注人外桶，排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水又外桶排到机外。洗衣机正转，反转由洗涤电机驱动波轮正反来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电机带动内桶正转进行甩干；高低水位开关分别用来测高低水位；启动按钮用来启动洗衣机

进水口

启动按扭排水按扭停止按扭

高水位按扭中水位按扭低水位按扭显示器高水位开关中水位开关低水位开关洗涤电机

电磁离合器拨盘外桶内桶

排水口工作；停止按钮用来实现紧急工况下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。

图2-1 全自动洗衣机示意图 由控制要求可知，全自动洗衣机的工作流程图如图2-1所示。首先接通电源，用户根据衣物的多少及大小进行水位的选择。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。

2.2 方案的论证

（1）工业PC 对于一个任务不算小的系统设计来说，工业PC 是首选。它是专门考虑了生产现场环境条件差及各种干扰大而设计的，可以长期可靠运行，可靠性和可维护性都可达到要求。另外，除了有多种模块的主机系统板外看，还配备有多种接口板，如多路模拟量输入/输出板、开关量输入输出板、图形板，以及扩展用的RS-232C 、RS-422、RS-485、总线接口板和EPROM 编程板等。总之，可扩充性不成问题。此外，模拟量输入输出、开关量输入输出的接口很多，并有大量的软件支持，如汇编、高级语言和中文等。

（2）单片机现今的单片机正向着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，并且控制功能越来越丰富。在CPU芯片上，除嵌入RAM、ROM、和IO外，还有A/D、D/A、PWM、DMA、看门狗、串行接口和定时器/计数器等，另外还有显示驱动、键盘控制、比较器和函数发生器等，能构成功能强大的应用系统。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。

（3）PLC PLC是一种能够适应多种工业环境的控制装置，其稳定的性能受到广大工业生产者的好评。这种控制系统具有极高的可靠性和灵活性，而且编程简单，易用，应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC 已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC 在其他领域也得到了迅速的发展。在性能价格比不断提高的同时，它所带来的成果越来越明显。在工业控制系统中广泛应用的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。

2.3确定控制方案

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可编程序控制器来作为主要组成部分，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，并通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。其输入接口电路通常有干接触，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。

应用PLC进行控制，具有以下几个优点：

1．可靠性高，抗干扰能力强。

2．编程简单，易于实现。

3．功能完善，灵活方便，

4．体积小，质量轻，功耗低。

3 硬件电路设计

3.1 PLC选型

PLC是一种用作数字控制的专用电子计算机，它根据用户给的指令，通过输入接口现场采样信息执行逻辑或数值运算，再通过输出接口去控制各种执行机构动作。它主要由CPU、存储器、I/O接口模板三部分。它是整体模块形式，由它作为洗衣机控制系统，在硬件设计上就相对简单点。通过对结构图的分析，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，可以完全满足其要求，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。

3.2 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。而压力的测量仍然用弹性元件，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。

在该系统中，选择海尔洗衣机水位开关,淘宝价为15元。

压力式开关型号：XQB50-L

DC 6V 10mA

图3-1 洗衣机水位开关

3.3 接触器的选择

接触器是一种能频繁地接通和断开远距离用电设备主回路及其他大容量用电回路的自动控制电器。它分为直流和交流两类。，它的控制对象主要是电动机，电炉，电灯，电焊机，电容器等。选用接触器时，交流负载选用交流接触器，直流负载选择直流接触器。如果控制系统中主要是交流电动机，而直流电动机或直流负载的容量比较小时，也可选用交流接触器进行控制，但触头的额定电流应选大些。接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压。接触器主触头的额定电流应等于或稍大于实际负载电流。一般从人身和设备安全角度考虑，接触器吸引线圈的电压可以选择低一些，但当控制电路比较简单，用电不多时，为节省变压器，则选用220V，380V。

本系统中选用额定电压为220V50Hz额定电流为10A的交流接触器。型号为LS 低压接触器（GMC-9）

3.4 继电器的选择

继电器是一类通过监测各种电量或非电量信号，接通或断开小电流控制电路的电器。本系统中选用线圈电压为24V的中间继电器来控制220V交流点。参数：额定电压为220V，额定电流选择3A。线圈电压为24V

3.5 进水阀的选择

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通用进水电磁阀（FCD-270B），

品牌：星光

产品型号：FCD-270B

适用范围：洗衣机用等家用电器

产品别名：通用水阀

连接形式：螺纹

公称通径：G3／4C16（mm）

适用介质：水、气、油

压力范围：0.02-1.0（Mpa）

适用温度：0-100（℃）图3-2通用进水电磁阀

主体材料：塑胶

价格：15元一只

特点：性能稳定、坚固耐用、安全可靠、灵敏度高、质量保证、外形美观。

主要技术指标：

1、使用环境海拔高度不超过2500米；

2、工作介质温度0℃～＋60℃（丁腈橡胶）；0℃～＋100℃（硅橡胶）；

3、适用介质：水、气、油。

进水电磁阀（单通）的名称意义如：FCD-270B

（1）其中F是表示阀门的汉语拼音缩写的意义

（2）C表示进出水口的相对角度（进出水的相对角度只有两种：即垂直用

C表示、平行用P表示）

（3）D表示出水口的数量（出水口的数量只有三种表示即单通用D表示、双通用S表示、多于两个出水口的用数字表示3、4等）

（4）270表示进水口与引出端子的相对角度（进水口与引出端的相对角度只有四个角度0、90、180、270度）

（5）B是生产工厂的内部编号

3.6 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 3.7 电动机的选择

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，单相电容异步电动机（单速）的绕组是由两个在空间上相差九0度电角度的主相绕组和副相绕组组成，转子是鼠笼绕组，由电容分相运行。优点是结构简单、成本低且具有较好的启动和运行性能、控制简单，缺点是效率低、调速性差、无法适应高档洗衣机的需要。

洗衣机用单相电容运转异步电机按功能分为：专用于洗涤的洗涤电机、单用于脱水的脱水电机和用于全自动洗衣机的洗涤-脱水电机。由于不同的用途，还分为双向运行及单向运行电机。洗涤衣物时为提高洗涤效果及防止衣物缠绕，要求波轮双向运转工作，故而用于洗涤的洗涤电机和洗涤-脱水电机都是双向运转电机，其主、副绕组是一样的（也有为特别要求而作微调的）。而脱水电机是单向运行电机，因主、副绕组为取得运行时的圆形磁场而不一致，也就不能双向工作。

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，能防止灰砂及其它飞扬杂物侵入电机内部。电动机冷却方式为IC0141（即全封闭电机，机壳有冷却筋，带有外风扇冷却）。定子机座及端盖的结构材料为铸铁。电动机均有接线盒，设在电机右侧（从轴伸端看）。起动装置为离心开关。

本系列电动机全部采用E级绝缘材料，具有良好的绝缘性能和机械强度。

电动机的结构及安装形式可制成下列四种基本形式：

B3型——机座有底脚，端盖上无凸缘；

B34型——机座有底脚，端盖上有凸缘，轴伸在凸缘端；（小法兰型式）

B14、B5型——机座无底脚，端盖上有凸缘，轴伸在凸缘端。（B14型为小法兰型式；B5型为大法兰型式。）

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cos? : 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

3.8 I/O点分配

表3-1 I/O地址分配表

3.9 I/O接线图

AC 220V

图3-3 I/O外部接线图

说明：

启动按钮：SB1 高水位检测开关：SQ2 脱水电磁阀：YC

停车按钮：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：Y1

低水位档：K3 进水电磁阀：YV1

手动排水：K4 排水电磁阀：YV2

手动脱水：K5 电动机正转：KM1

排空检测开关：SQ1 电动机反转：KM2

4软件设计

4.1 控制方案

在工业控制领域，许多的控制过程都可用顺序控制的方式来实现，使用步进指令实现顺序控制既方便又便于阅读修改，所以在全自动洗衣机的梯形图控制中，采用步进顺序指令来实现控制。利用状态寄存器S0-S499中的一部分来编写步进梯形图进行控制。PLC顺序控制编程的主要依据是状态流程图，运用STL和RET步进指令进行编程。利用SET置位指令将某状态的状态继电器元件置位后，该状态的步进点闭合，这时顺序控制进入该状态。当转移至下一状态的条件满足时，利用SET 置位指令又将下一状态的状态寄存器置位，这时顺序控制进入下一个状态，而上一个状态寄存器自动复位。

顺序控制的编程步骤如下：

1. 列出PLC输入输出点分配表。

1.根据系统控制要求画出顺序控制的状态流程图。

2.根据状态流程图编写出相应的梯形图。

3.写出对应的指令语序表。

5. 调试程序。

4.2 全自动洗衣机控制程序流程图

图4-1 全自动洗衣机控制流程图4.3全自动洗衣机步进梯形图

4.4 中间变量的记录

程序中共用到7个计时器，2个计数器。T0为关闭进水时暂停2s计时器，T1为正转30s计时器，T2为正转30后暂停2s计时器，T3为反转30s计时器，T4反转后暂停2a计时器，T5为脱水30s计时器，T6为报警3a计时器。C0为正反洗涤5次计数器，共320s，C1为反复进水脱水3次计数器。

程序运行时，PLC由STOP状态变为RUN状态，M8002有信号，从而置位S0，

复位计数器C1。闭合启动按钮，置位S20，复位C0，并且系统控制进水阀开始进水，进水完毕后，计时器T0开始计时，从0递增到20，之后正转计时器T1开始计时，由0递增到300。正转30s后，T2计时器工作，从0到20，暂停2s。接着反转计时器T3工作，也是从0到300，之后T4计时器启动，从0到20变化。T4计时完毕，计数器C0开始计数一次，此后回到S22，T1计时器重新开始计时，依次到T4,当C0计数5次到时，排水。排空后，T5计时器计时，从0到300，开始脱水30s。脱水完毕，C1开始计数一次，之后程序返回到S20状态寄存器。重新开始进水—洗涤—排水过程，直到反复三次后，即C1计数三次时，T6计时器启动，从0到30，报警3s。

4.5 系统调试

连接好PLC，打开软件，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X1，置位状态寄存器S20，控制进水阀开始进水。由外部跟定液位信号，比如选定高水位洗涤，则闭合X3,过一会儿再闭合X7，相当于已达到高水位，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，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，即反复洗涤三次后，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X2，各状态寄存器均无信号，通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X0作为轻柔洗档位，把X1设为标准洗档位，轻柔洗的过程可以通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，不仅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。

一开始在编程的时候，不知道怎么输入STL S0类似的指令，看到课本上的例子，自以为和常开点一样，只不过是把X0 写成S0。在纸上编号后，去二号楼211PLC 实验室进行调试，变换后能运行，但是，计时器只计时一次，而且前面状态寄存器也不自动复位，这一点很不正常，后来在四楼417碰到同学，才知道STL S0指令的输入是在中括号中输入，也知道了有些东西不能胡乱猜测，自己不清楚时要及时向身边老师和同学请教，也只有这样，才能不断进步。

从实验室回来后开始修改程序，当辛辛苦苦编完后却发现不能转换，错误也检查不出来，当时很是郁闷，又不得不耐着心再重新编写一遍，这一次每编一行，我就转换一次，直到编完，这样很容易找出错误，也便于修改，最后终于能转换了，很开心。