plc课程设计洗衣机

课程设计说明书

全自动洗衣机PLC控制

系部：电气与信息工程

学生姓名：邢增辉

指导教师：

专业：

班级：

完成时间：2012年10月31日

目录

第一章绪论.......................................................................................................... - 1 -

1.1概述 .......................................................................................................... - 1 -

1.2设计要求 .................................................................................................. - 1 -第二章控制系统硬件的设计 ......................................................................... - 2 -

2.1主电路的设计 .......................................................................................... - 2 -

2.2控制电路的设计 ...................................................................................... - 5 -第三章控制系统软件的设计 ......................................................................... - 9 -

3.1程序流程图 .............................................................................................. - 9 -

3.2程序说明 ................................................................................................- 10 -第四章仿真调试...............................................................................................- 13 -

4.1仿真软件介绍 ........................................................................................- 13 -

4.2程序仿真 ................................................................................................- 14 -设计总结........................................................................................................- 17 -参考文献...............................................................................................................- 18 -附录 ........................................................................................................................- 19 -

第一章绪论

1.1概述

全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤，漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水，排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动作，整个洗衣过程自动完成。所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。从控制方式的发展阶段上分：

全自动洗衣机可分为两大类：

第一类：电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。

第二类：是电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。

全自动洗衣机从结构上分有波轮式、搅拌式、滚筒式。目前国内市场上销售的大多是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。波轮式洗衣机的特点是洗净率高，但对衣物的磨损很大，随着人们生活水平不断的提高，丝绸，毛料，羊毛等大量走进普通家庭，厂商又适时地推出了滚筒式洗衣机，它最大的优点是磨损率小，但洗净率比波轮式低，价格高。

1.2设计要求

PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。

（1）按下启动按扭及水位选择开关，开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水。

（2）2秒后开始洗涤。

（3）洗涤时，正转15秒后暂停，暂停3秒后开始反转洗涤，反转洗涤15秒后暂停，暂停3秒。

（4）如此循环3次后开始排水，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水10秒即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。

（5）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。

（6）报警10秒结束全部过程，自动停机。

（7）此外按排水按钮可实现手动排水；按停车按扭可停止进水、排水、脱水及报警。

第二章控制系统硬件的设计

2.1主电路的设计

2.1.1洗涤脱水系统

它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。盛水桶固定在钢制底板上，通过4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm左右）新水流两类。

2.1.2排水和进水系统

波轮式全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。为了对桶内的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。波轮式全自动套桶洗衣机使用最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关3部分组成，用来监视水位的高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。自动打开香蕉阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。

2.1.3控制系统结构

波轮式全自动洗衣机的电气控制系统由于洗衣机型号的不同而不尽相同，但电气控制系统主要有程序控制器，电动机，进水电磁阀，排水电磁阀，水位开关，安全开关及各种功能选择开关等组成的，控制的基本原理也都一样。全自动洗衣机能实现洗衣的自动化，整个洗衣过程都是在程序控制器的“指挥”下进行的。如把离合器比作全自动套桶洗衣机的心脏，则程序控制器就是全自动洗衣机的“大脑”。如图2-1所示以程序控制器为核心的波轮式全自动套桶洗衣机控制系统的基本原理方框图。

图2-1 全自动套桶洗衣机控制系统的基本原理方框图

2.1.4传感器的选择

水位传感器的选择：

对于PLC控制的洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,谐振式水位传感器是利用电磁谐振电路LC 作为传感器的敏感元件,将被测物体的变化转变为LC 参

数的变化,最终以频率参数输出。其工作原理是将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力,驱动内腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁

芯在某线圈内移动,从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。故常采用谐振式水位传感器。

2.1.5电动机的选择

在全自动洗衣机中，配有小型单相交流感应电动机。交流感应电动机因应用类别的差异，一般可分为分相式电动机、电容启动式电动机、永久分相式电容电动机、罩极式电动机、永磁直流电动机及交直流电动机等类型。

单相交流感应电动机，只能产生极性和强度交替变化的磁场，不能产生旋转磁场，因此单相交流电动机必须另外设计使它产生旋转磁场，转子才能转动，所以常见单相交流电机有分相启动式、罩极式、电容启动式等种类。

（1）分相启动式电动机

分相式电动机广泛应用于电冰箱、洗衣机、空调等家用电器中。该电机有一个鼠笼式转子和主、副两个定子绕组。两个绕组相差一个很大的相位角，使副绕组中的电流和磁通达到最大值的时间比主绕组早一些，因而能产生一个环绕定子旋转的磁通。这个旋转磁通切割转子上的导体，使转子导体感应一个较大的电流，电流所产生的磁通与定子磁通相互作用，转子便产生启动转矩。当电机一旦启动，转速上升至额定转速70％时，离心开关脱开副绕组即断电，电机即可正常运转。（2）罩极式电动机

罩极式单相交流电动机，它的结构简单，其电气性能略差于其他单相电机，但由于制作成本低，运行噪声较小，对电器设备干扰小，所以被广泛应用在电风扇、电吹风、吸尘器等小型家用电器中。罩极式电动机只有主绕组，没有副绕组（启动绕组），它在电机定子的两极处各设有一副短路环，也称为电极罩极圈。当电动机通电后，主磁极部分的磁场产生的脉动磁场感应短路而产生二次电流，从而使磁极上被罩部分的磁场，比未罩住部分的磁场滞后些，因而磁极构成旋转磁场，电动机转子便旋转启动工作。罩极式单相电动机还有一个特点，即可以很方便地转换成二极或四极转速，以适应不同转速电器配套使用。

（3）电容式启动电动机

该类电动机可分为电容分相启动电机和永久分相电容电机。这种电机结构简单、启动快速、转速稳定，被广泛应用在电风扇、排风扇、抽油烟机等家用电器中。电容分相式电动机在定子绕组上设有主绕组和副绕组（启动绕组），并在启动绕组中串联大容量启动电容器，使通电后主、副绕组的电相角成90°，从而能产生较大的启动转矩，使转子启动运转。

对于永久分相电容电动机来说，其串接的电容器，当电机在通电启动或者正常运行时，均与启动绕组串接。由于永久分相电机其启动的转矩较小，因此很适于排风机、抽风机等要求启动力矩低的电器设备中应用。电容式启动电动机，由于其运行绕组分正、反相绕制设定，所以只要切换运行绕组和启动绕组的串接方向，即可方便实现电机逆、顺方向运转。

（4）交、直流两用电动机

一般常用单相交流电动机，在交流50Hz电源中运行时，电动机转速较高的也只能达每分钟3000转。而交直流两用电动机在交流或直流供电下，其电机转速可高达20000转，同时其电机的输出启动力矩也大，所以尽管电机体积小，但由于转速高输出功率大，因此交直流两用电动机在洗衣机、吸尘器、排风扇等家用电器中得以应用。

交、直流两用电动机的内在结构与单纯直流电机无大差异，均由电机电刷经换向器将电流输入电枢绕组，其磁场绕组与电枢绕组构成串联形式。为了充分减少转子高速运行时电刷与换向器间产生的电火花干扰，而将电机的磁场线圈制成左右两只，分别串联在电枢两侧。两用电机的转向切换很方便，只要切换开关将磁场线圈反接，即能实现电机转子的逆转或顺转。

由于家庭提供的电源限制故洗衣机的电动机采用单相电容运转式异步电动机，方便实用，价格便宜。单相异步电动机有两个绕组：主绕组和辅助绕组。主绕组能够产生脉振磁场，但不能产生起动转矩。辅助绕组与主绕组一起使用时共同产生起动转矩。由于电机需要正反转，但又不能用两台电动机。所以需要用

PLC来控制电动机的转向。而单相异步电动机的转向只要改变辅助绕组的接线方式就可以转向。电机的启动方式用电容分相形式。

2.1.6全自动洗衣机主电路图

全自动洗衣机主电路图如图2-2所示。

KM2

图2-2 全自动洗衣机主电路图

2.2控制电路的设计

2.2.1P LC的概述

可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

PLC的主要功能和应用如下：

①开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。

②模拟控制在工业生产过程中，由许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。

③定时控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器。其定时时间间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对于频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数器。

④数据处理新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算，数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。．

⑤信号连锁系统信号连锁是安全生产所需的。在信号连锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和连锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。

⑥通信把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。

2.2.2P LC型号选择

（1）产品类型选择

按产品类型可分为三菱PLC和西门子PLC，具体介绍如下。

①三菱PLC有很多种如FX1S，FXS1N,FXS2等系列。

FX1S系列PLC是一种卡片大小的PLC，适合在小型环境中进行控制。FX1N

系列PLC是一种普遍选择方案，最多可达128点控制。由于FX1N系列PLC具有对于输入/输出、逻辑控制以及通讯/链接功能的可扩展性，因此它对普遍的解决方案有广泛的适用范围。FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。

②西门子PLC

西门子PLC 也有很多类型，其中S7-200系列PLC在实际中运用的比较多：S7-200系列是SIEMENS公司推出的一种小型PLC，它结构紧凑，扩展性良好，指令功能强大，价格低廉；成为当代各种小型控制工程的理想控制器。

（2）结构形式选择

按结构形式可分为整体式和模块式，具体介绍如下。

①整体式：整体式结构的PLC是将中央处理机、电源部件、输入和输出部件集中配置在一起，结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、小型PLC常采用这种结构，使用于工业生产中的单机控制。

②模块式：机架模块式PLC，是将各部分单独的模块分开，如中央处理机模块、电源模块、输入模块等。使用时可将这些模块分别插入机架底板的插座上，配置灵活、方便、便于扩展。可根据生产实际的控制要求配置各种不同的模块，构成不同的控制系统，一般大、中型PLC采用这种结构。

（3）I/O点数选择

按I/O点数和功能分类可分为：大，中，小三个等级，具体介绍如下。

①小型PLC的I/O点数在120点以下，用户程序存储器容量为2K（1K=1024，存一个“0”或“1”的二进制码称为“位”，一个字为16位）以下，具有逻辑运算、定时、计数等功能，它适合开关量的场合，可用它实现条件控制，定位、计数控制、顺序控制等。也有些小型PLC增加了模拟量处理、算术运算功能，其应用面更广。

②中型PLC的I/O点数在120~512点以上，用户程序存储器容量达2~8K字，具有逻辑运算，算术运算，数据传达，数据通信，模拟量输入输出等功能，可完成既有开关量又有模拟量较为复杂的控制。

③大型PLC的I/O点数在512点以上，用户程序存储器达到8K字或8K字以上。具有数据运算，模拟调节，网络通信，监视，记录，打印等功能。能进行中断控制，远程控制。在用于大规模的过程控制中，可构成分布式控制系统，或整个工厂的自动化网络。

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同把由PLC的各种类型相比较，三菱PLC及西门子PLC都为不错的选择，但因为我们总体学的都是三菱的FX系列PLC，对三菱的FX系列PLC比较，且对三菱的FX系列也有他的优越性，本次设计共需要7个输入口和6个输出口，而且要考虑到留有空余的分配口，综合以上各种因素在PLC的选择上我选的是三菱的PLC，型号为FX2N-48MR。

2.2.3P LC的I/O分配

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，在通过输出接口去控制各种执行机构动作。它和单片机一样，主要有CPU、存储器、I/O接口模板三部分。它是整体模块形式，因此由它作为洗衣机控制系统，在硬件设计上就相对简单点。通过对系统结构图的分析，可知全自动洗衣机的I/O点不多，选择三菱FX系列可以完全满足要求，如表2-1。

表2-1 PLC的I/O分配表2.2.4P LC的I/O接线图

图2-3 PLC的I/O分配图

第三章控制系统软件的设计

3.1程序流程图

全自动洗衣机控制系统的详细工作过程如下：

1)按下启动按钮，洗衣机开始电源导通开始工作，进入洗衣状态；

2)用户选择水位高低，默认状态为低水位洗涤；

3)进入洗衣程序开始洗涤衣物；

4)洗涤过程完成，开始排水；

5)排水完成，开始脱水，脱水完成后报警，且报警持续10秒；

6)完成洗涤过程。

根据上述对全自动洗衣机工作过程的描述，可以设计全自动洗衣机的控制系统的PLC部分的流程图如图3-1所示。

图3-1 全自动洗衣机工作流程图

3.2程序说明

用基本逻辑指令设计的梯形图如下所示：

X000为启动按钮，用以启动洗衣机自动洗涤，X001为水位选择开关，默认关状态为选择低水位，X006为停止按钮，X005为排水按钮。

Y000为进水电磁阀控制输出端，当Y000导通时表示开始进水。

X003和X004为水位传感器，当水位达到预定位置时，准备进入洗衣状态。

当进水达到预定位置时，2S后开始洗涤衣物，Y001用于控制电动机的正转，T1为正转计时，T2为正转完成后的3S的停顿的计时器。

当正转完成且停止3S钟后,电动机开始反转进行洗涤,上图中T3用于反转的计时,T4用于反转完成后的停止3S的计时。

因为洗涤的次数为3次，所以将C0用于对洗涤次数的计数，当洗涤次数达到3次时将进行后续的程序，而未达到3次时，如中途人为的排水，重新开始后将继续未完成的洗涤任务知道完成3次洗涤。

当洗涤完成时M6将使排水电磁阀打开开始排水，当桶中液位低于底部液位传感器X002时，程序驱动使内桶和电机的离合，即使Y003闭合并驱动Y1动作完成10S钟的脱水任务。

当完成所设计的全部任务后，系统将驱动Y005报警，时间为T6所预设的10S,当完成10S的报警后，将复位M4、C0、M6在运作过程中所用到的存贮单元，至此完成所有的程序设定任务。

第四章仿真调试

4.1仿真软件介绍

GX Developer是三菱通用性较强的编程软件，它能够完成Q系列、QnA系列、A系列（包括运动控制CPU）、FX系列PLC梯形图、指令表、SFC等的编辑。

GX Developer编程软件还具有以下特点：

（1）操作简便

①标号编程：用标号编程制作程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。

②功能块：功能块是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易，此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序使得顺序输入错误。

③宏：只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令，就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。

（2）能够用各种方法和可编程控制器CPU连接：

①经由串行通信口与可编程控制器CPU连接；

②经由USB接口与可编程控制器CPU连接；

③经由MELSEC NET/10（H）与可编程控制器CPU连接；

④经由MELSEC NET（II）与可编程控制器CPU连接；

⑤经由CC-Link与可编程控制器CPU连接；

⑥经由Ethernet与可编程控制器CPU连接；

⑦经由计算机接口与可编程控制器CPU连接。

（3）丰富的调试功能

①由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。通过该软件可进行模拟在线调试，不需要与可编程控制器连接。

②在帮助菜单中有CPU出错信息、特殊继电器/特殊寄存器的说明等内容，所以对于在线调试过程中发生错误，或者是程序编辑中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下，通过帮助菜单可非常简便的查询到相关信息。

③程序编辑过程中发生错误时，软件会提示错误信息或错误原因，所以能大幅度缩短程序编辑的时间。

④安装GX-Simalutor能够完成同在实体机上相同的调试及其仿真工作，能方便快捷的找出程序中存在的问题，便于工程调试。

考虑到上述的原因以及实际制作该全自动洗衣机所要花费的成本，因此采用在GX-Simalutor上进行仿真的方式来验证该程序的正确性。

4.2程序仿真

按下启动按钮以及在选择水位之后运行状态图，从图中可以看出用于选择低水位的软器件处于导通状态，等待水位达到低液位传感器所在的位置以进行下一步的动作。

进水电磁阀打开使水进入洗衣机外桶。

达到低液位后，置位M4为ON状态，进入准备洗衣状态。

完成2S的准备。

完成2S的准备后即进入正常的洗衣程序，此段为电动机带动底部波轮进行15S的正转。

正转完成后，电动机停顿3S，为反转做准备。

停顿3S后，由于正转所产生的动能基本消耗完，电动机开始反转15S。

当前面的正转15S，停顿3S，反转15S，停顿3S完成3个大循环之后，C0的计数值为3，此时程序进入下一步的动作状态，即排水与脱水。

排水电磁阀打开，试洗衣桶内的水排出桶外。

当桶中的水位低于X002所在的传感器是，X002的常闭开关将闭合试洗衣机内桶与电动机连通进行脱水动作，即如上图所示的Y003闭合，同时使M5置位，使电动机正转10S进行脱水。

当前面的洗涤过程完成后，T5定时器导通是Y005开始报警，报警10S后，T6动作，使报警结束。

当洗涤过程全部完成后，T6使前面用过的各个软器件复位，完成洗涤工作为下一次洗涤做准备。

设计总结

实践是检验所学知识的最好的方法，许多在平时学习中所忽视的问题在实践中能很突出的表现出来。课程设计便是检查平时所学的知识的最好的实践方法，在此次PLC的课程设计中，遇到了很多平时学习时所没有遇到的问题，通过对一些问题的不断研究，寻找各种解决的方法，继而在各个方法中选择出最好的一种。在此过程中，通过在网上及其其他书籍上查询资料，大大开阔了设计思路，同时对他人的思路有了一定的认识，对比自己学想到的方法，找到自己方法中的不足，同时认真分析他人的方法的优点，将他人的知识变成自己的知识。

另外，一些理论性的东西应用到实践中去时，往往会出现平时没有考虑到的不确定因素，而这些在实际应用中必须想到，尽可能得减少外部因素对整个系统的稳定的影响。如平时所说的接地，在实际制造时必须将控制器的地线与机器外壳的地线分开接，避免交流电流对控制器稳定性的影响。

安全第一一直是平时生产过程中所强调的，而在一个电器的元器件布局上应该充分考虑一个器件摆放的位置是否会造成意外事故，元器件之间的摆放位置是否对彼此有干扰，比如发热过大的元器件应该尽可能远的分开摆设以免高温造成元器件的过早老化等。

能够顺利地完成这次课程设计也是由于老师平时的耐心指导以及同学的帮助，在此对所有帮助我完成此次设计的老师和同学表示由衷的感谢！

参考文献

[1] 史国生，电气控制与可编程控制器技术[M].北京：化学工业出版社，2010

[2] 陈海霞、柴瑞娟、任庆海、孙承志，西门子S7-300/400PLC编程技术及其工

程应用[M].北京：机械工业出版社，2011

[3] Chailes Kingsley,Electric Machinery[M].北京：电子工业出版社，2004