PLC-全自动洗衣机

《电气控制与PLC应用》课程设计说明书

题 目：

学生姓名： 赵金

专 业： 机械电子工程

班 级： 1301

学 号： 1310740106

指导教师： 张峰 职称 教师

完成时间： 2016-5-25

目录

一、绪论...................................................................................................................................... - 1 -

1.1、全自动洗衣机的应用现状 ......................................................................................... - 1 -

1.2、设计全自动洗衣机的意义 ......................................................................................... - 1 -

1.3、全自动洗衣机主要实现功能 ..................................................................................... - 1 -

二、硬件电路的实现.................................................................................................................. - 2 -

2.1 主控电路设计 ............................................................................................................... - 2 -

2.1.1 PLC简介 ......................................................................................................... - 2 -

2.1.2 控制器I/O口分配表 ........................................................................................ - 4 -

2.1.3 全自动洗衣机PLC控制的硬件图 ................................................................... - 5 -

2.2 单相异步电动机驱动控制电路设计 ........................................................................... - 5 -

2.3 报警电路设计 ............................................................................................................... - 7 -

2.4 进排水控制电路设计 ................................................................................................... - 8 -

2.4.1 进水阀阀门简介 ................................................................................................ - 8 -

2.4.2 进水阀门控制电路设计 .................................................................................. - 10 -

2.4.3 排水阀门简介 .................................................................................................. - 11 -

2.4.4 排水阀门控制电路设计 .................................................................................. - 12 -

2.5 水位检测电路设计 ..................................................................................................... - 13 -

三、软件程序实现.................................................................................................................... - 14 -

3.1 软件开发环境简介 ..................................................................................................... - 14 -

3.2 全自动洗衣机程序流程图 ......................................................................................... - 15 -

3.3全自动洗衣机功能梯形图编程实现 .......................................................................... - 17 -

3.4 系统调试 ..................................................................................................................... - 21 -

结束语 ............................................................................................................................................ 23

参考文献......................................................................................................................................... 24

附录 ................................................................................................................................................ 25

指令表清单： ......................................................................................................................... 25

一、绪论

1.1、全自动洗衣机的应用现状

目前洗衣机是一种耳熟能详的家用电器，随着科技的进步和人们生活质量的提高，以及人们对精神文明的高度追求，那么全自动洗衣机也揭开了面纱，现在做的比较好的，国内有小天鹅、海尔、荣事达等等，国外有西门子，博世等等。这些厂家所生产的全自动洗衣机还是比较好的，但所谓物以稀为贵，所以相对来说价格还存在很大的异议。而人们追求的高质量生活，也就对这些不是很过问了，只要买来好用就可以了，所以目前市场上还是有很大的发展空间。

1.2、设计全自动洗衣机的意义

全自动洗衣机以其固有的优点还是赢得了很多的消费者的信赖，应用而生，它将是现在到未来的星星产品，所以有必要开发和改善现有的全自动洗衣机，应用最先进的科技技术 ，投入最少的资金。而目前随着PLC价格下降，PLC的应用不断普及，同时，PLC本身所具有的：可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、体积小、功耗低、便于维护等特点使得PLC成为工控领域的首选控制器，所以可以应用该产品进行研发，从而达到洗衣机自动化控制，更多的赢得消费者的青睐。

1.3、全自动洗衣机主要实现功能

本篇论文所设计的全自动洗衣机的功能主要包括：自动洗涤，自动漂洗，自动脱水三个主要阶段，同时可手控洗涤衣物。

通过PLC具体实现过程为：（1）按下启动按钮及水位选择开关，注水直到水位开关设定的水位，关闭进水阀。（2）关闭进水阀后延时2s，然后开始洗涤。（3）洗涤时，洗衣机滚筒首先正转30s，停止2s，然后再反转30s，停止2s（4）如此循环5次，总共320s后开始排水，水排空以后开始脱水，脱水时间为30s（5）第一次脱水完成后开始自动漂洗，重复（2）～（5）的步骤，一共清洗两遍（6）清洗完成后，洗衣机报警3s提示洗衣完成并且自动停机（7）在自动控制的过程中若按下停车按扭，可进入手动控制过程，可手动排水（不脱水）和手动脱水。

二、硬件电路的实现

本篇论文所设计的全自动洗衣机所包含的硬件电路主要有：主控电路设计、单相异步电动机驱动控制电路设计、报警电路设计、进排水控制电路设计、水位检测控制电路设计等。

2.1 主控电路设计

2.1.1 PLC简介

本文设计的全自动洗衣机所采用的控制器为三菱公司FX2n系列PLC——FX2n-48MR-D。

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），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。

可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成有：

⑴、电源

可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个

良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去

⑵、中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

⑶、存储器

存储器主要包括：系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 ⑷、输入输出接口电路

①．输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。

②．输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

⑸、功能模块

如计数、定时等功能模块。

⑹、通信模块

主要用于PLC与其她控制器之间的通信，如SCI通信等。 可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点：

⑴、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，实现生产过程的综合自动化。 ⑵、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

⑶、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其她各种机型。

正是由于以上特点PLC被广泛应用于个工程控制领域。 FX2n-48MR-D型PLC属于FX2n系列，具有48个I/O点数（输入24点，输出24点）的基本单元，继电器输出型，使用24V电源。

2.1.2 控制器I/O口分配表

表2.1 控制器I/O口分配表

2.1.3 全自动洗衣机PLC控制的硬件图

图2.1全自动洗衣机PLC控制的硬件图

如图2.1所示，按键S1-S11分别为不同信号信号输入，COM口为公共接地端，Y000-Y006分别为不同控制信号输出端，输出控制信号控制执行电路的工作状态。

2.2 单相异步电动机驱动控制电路设计

单相异步电动机主要用于为洗衣机滚筒的转动提供动力，电机驱动控制电路用于控制电机的启停，正反转等，保证全自动洗衣机的各项功能正常运行。

根据全自动洗衣机的功能设计出的单相异步电动机驱动控制电路如下：

图2.2 单相异步电动机驱动电路图

如图2.2所示，KQ为刀开关，相当于洗衣机的插头，FU1为熔断器，可以保护电机不至于因工作异常导致电流过大而使电机烧毁。KM1、KM2分别为继电器的动合触点，分别控制电机的正反转。

电路的工作原理为：当KM1接通时，电容器串联在启动绕组绕组上，则电流I相位约90°，设此时电动机正转，当KM1断开，KM2接通时，电容器从启动绕组切断到工作绕组中，则电流I工作绕组超前启动绕组相位约90°，从而实现了电动机的反转，在该电路中实质上是主、副绕组相互交换来实现正反转的，因此这种单相异步电动机的工作绕组和启动绕组必须是可以互换的。所以它的工作绕组、启动绕组的线圈匝数线径，所占槽位数都是应该完全相同的。

图2.3 单相异步电动机控制电路

如图2.3所示，控制电路工作电压与PLC电源相同，其中R4为限流电阻，NPN型三极管PE8050在电路中用作开关管的功能，PE8050其耐压值为30V，额定电流为1.5A，所以可在此电路中安全使用。此控制电路的工作必须在启动信号为1的条件下，当正转控制信号为1，反转控制信号为0时，继电器KM1线圈得电，驱动电路中继电器KM1常开触点KM1闭合，电机正转。当正转控制信号为0，反转控制信号为1时，KM1线圈失电，动合触点KM1断开，继电器KM2线圈得电，驱动电路中，继电器KM2的常开触点闭合，电机反转。启动信号为0时，整个控制电路失电，继电器KM1、KM2线圈失电，动合触点断开，电机停止，洗衣机停止工作。

2.3 报警电路设计

报警电路工作于洗衣机完成洗衣后，自动报警3s，告知洗衣完成。然后自动停机。

图2.4 报警电路电路图

如图2.4所示，当报警控制信号为1时，蜂鸣器发声报警。

2.4 进排水控制电路设计

2.4.1 进水阀阀门简介

本文所选择的进水电磁阀为海鹰FCD3-4型单头进水电磁阀。其控制简单，使用方便，体积小，价格低，性能优良。

图2.5 单头进水电磁阀

由图2.5可知，该电磁阀的额定工作电压为220V，额定工作电流26mA。

图2.6 海鹰FCD3-4型单头进水电磁阀内部结构图

进水阀的结构图如图2.6所示，未通电时，电磁线圈13无电流通过，动铁芯7的橡胶堵头6在复位弹簧8作用下，将阀门接盘5的中心孔D封闭。此时注入水经过滤网16流入进水腔B内，再经由阀门接盘5的平面孔A流八平衡腔E内，平衡腔E内的注入水不能外泄。由于注入的自来水有一定的水压，而橡胶皮阀门4平衡腔E侧的受压面积大于其进水腔B的受压面积，使作用于橡胶阀门4的E侧压大于B侧压力。因此橡胶阀门4在E侧压力的作用下紧紧地压在阀体3出水通道C右端的阀座上，将出水通道C封闭，注入水不能流入C内，进水阀呈关闭状态。

接通电源后，电磁线圈13有交流电流流过，产生的磁力吸引铁芯7和橡胶堵头6向右移动，阀门接盘5的中心孔D被打开，平衡腔内的注入水从中心孔D流出。中心孔D的面积大于平衡孔A的面积．E腔内的注入水从中心孔D流出的流量远大于平衡孔A流入的流量，使E腔内水的压力很快下降，橡胶阀门4在B侧压力大于E侧压力的作用下向右鼓起，进水阀呈开启状态，注入水从进水阀过滤网，经进水腔B和出水通道C流入盛水桶内，实现对洗衣机进水。到达设定水位后，水位监测元件向微处理器输入水位监测信号，程控器对进水阀停止供电。进水阀闭合，停止进水，与此同时，电动机得到指令运行而进入洗涤程序。

2.4.2 进水阀门控制电路设计

图2.7 进水阀门控制电路

如图2.7所示，当进水阀控制信号为1时，继电器KM4线圈得电，继电器动合触点闭合，进水电磁阀工作，当进水电磁阀控制信号为0时，继电器线圈失电，动合触点断开，进水阀自动关闭，停止进水。

2.4.3 排水阀门简介

本文设计所使用的排水阀为外排水式排水阀，外排水式即将排水阀设在洗衣桶之外。外排水式排水阀主要由牵引机构与阀门两部分构成。

图2.8 排水阀牵引机构

洗涤时，电磁阀不得电，衔铁处在被拉出位置，排水阀关闭（不流水），当有放水或兼有甩干程序时，电磁阀端子上得电，瞬间产生巨大的磁力，使衔铁能很快被吸入，并将排水阀门打开，开始排水。

图2.9 排水阀门机械结构

外排水阀安装于排水管的阀座上，排水管接在洗衣桶出水口上。排水阀的开启和关闭由排水拉带控制。在排水拉带放松时，橡胶阀在排水阀弹簧力的作用下压紧在阀座上，依靠橡胶阀口的弹性变形起到封闭作用。当排水拉带被拉起时，排水拉带克服弹簧力，将橡胶阀拉起，水即从橡胶阀与阀座间的开口流出。橡胶阀另一端由排水阀盖压紧在阀座上而不能漏水。

2.4.4 排水阀门控制电路设计

图2.10 排水阀门控制电路

排水阀控制电路工作原理与图2.7进水阀门控制电路原理相同，在此不再赘述。

2.5 水位检测电路设计

图2.11水位检测电路设计

如图2.11所示，水位检测电路的工作原理是通过桶内三个水位感应电极感应水位，当水位到达低水位感应电极时，低水位所接开关管导通，低水位输出信号端输出低电平，PLC捕捉电平后执行相关程序，高水位与低水位工作原理相同。 通过各模块电路的组合调试，由PLC控制的全制动洗衣机的硬件电路设计基本完成。

三、软件程序实现

根据全自动洗衣机的功能要求，软件设计主要完成以下功能：

（1）按下启动按钮及水位选择开关后，洗衣机启动，并且开始注水，直到水位上升到开关设定的水位，关闭进水阀。

（2）关闭进水阀后延时2s，然后自动开始洗涤。

（3）洗涤时，洗衣机滚筒首先正转30s，停止2s，然后再反转30s，停止2s。

（4）如此循环5次，总共320s后开始排水，水排空以后开始脱水，脱水时间为30s。

（5）第一次脱水完成后开始自动漂洗，重复（2）～（5）的步骤，一共清洗两遍。

（6）清洗完成后，洗衣机报警3s提示洗衣完成并且自动停机。

（7）在自动控制的过程中若按下停车按扭，可进入手动控制过程，手动控制主要包括可手动排水（不脱水）和手动脱水。

3.1 软件开发环境简介

本设计所使用的编程环境为三菱公司开发的PLC编程软件GX Developer8.52。该软件适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。使用简单，操作方便，是PLC编程人员比较亲赖的开发环境之一。

图3.1 GX Developer8.52启动画面

图3.2 GX Developer8.52工作界面

3.2 全自动洗衣机程序流程图

图3.3全自动洗衣机程序流程图

3.3全自动洗衣机功能梯形图编程实现

本设计所采用的编程方法主要为采用步进梯形指令构成步进梯形图。步进梯形指令简称步进指令。三菱FX系列PLC有两条步进指令：STL和RET，STL是步进开始指令，RET是步进结束之令。利用这两条指令就可以很方便地对顺序控制系统的功能图进行编程。

下面根据全自动洗衣机所需要实现的功能对梯形图进行分析。

特殊辅助继电器M8002为初始化脉冲，仅在运行开始瞬间接通。此条指令作用为在系统开始运行时激活初始状态S0。

X002为停止开关信号输入端子，X012与X013分别为手动排水与手动脱水控制开关信号输入端子，Y005、Y006分别表示排水与脱水控制信号输出端子。此段梯形图完成的功能为：在停车开关按下后根据X012、X013状态分别实现手动排水与脱水。

X001为启动信号输入端子，此段梯形图完成状态S0对应功能，即：在无停止信号的前提下，清零计数器C1（计数器C1功能将在后面程序中具体说明），同时如果启动开关按下，激活状态S20。

此段梯形图为状态S20所对应的功能，X003、X004、X005分别为高、低、中三个水位选择开关信号输入端子，X007、X010、X011分别为高、中、低三种水位检测状态的信号输入端子，Y002为进水控制信号输出端子。此段梯形图功能为：清零计数器C0(计数器C0功能将在后面程序中具体说明)，打开进水阀，开始进水，同时根据设定的水位，检测水位是否到达设定水位，如果到达则激活状态S21。

此段梯形图为状态S21所对应的功能，主要完成关闭进水阀后延时2s的功能。延时时间到后激活状态S22。定时器T0定时时间为2s。

此段梯形图为状态S22所对应的功能，状态S22主要完成启动洗衣机滚桶，正转30s，时间到达后，激活状态S23。Y001为启动信号输出端子，Y003为洗衣机滚筒正转控制信号输出端子，定时器T1定时时间为30s。

此段梯形图为状态S23所对应的功能，主要完成洗衣机洗涤时，滚筒正转30s完成后的停止转动2s的功能。定时器T2定时时间为2s。

此段梯形图为状态S24所对应的功能，状态S24主要完成洗衣机滚筒反转30s，时间到后，激活状态S25的功能。Y004为洗衣机滚筒反转控制信号输出端子，定时器T3定时时间为30s。

此段梯形图为状态S25所对应的功能，完成的主要功能为：洗衣机滚筒停转2s，同时判断洗涤过程是否已经进行了5次循环了，如果没有，激活状态S22，继续循环执行从状态S20到状态S25的程序，如果洗涤已经完成了5次循环过程了，激活状态S26。定时器T4定时时间为2s，C0计数器用于记录洗涤循环次数，每完成一次洗涤过程计数器C0加1，设定值为5。

此段梯形图为状态S26所对应的功能，该主要功能为：在完成5次洗涤之后，自动排水，排完水后激活状态S27。Y005为排水控制信号输出端子，X006为检测排空信号输入端子。

此段梯形图为状态S27所对应的功能，状态S27主要完成排完水后对衣物进行脱水30s，同时判断是否对衣物已经清洗了两遍，如果未达到两遍，则再次激活状态S20，重复状态S20到S27的程序，如果清洗次数达到两遍后，激活状态S28。Y006为脱水控制信号输出端子，定时器T5的定时时间为脱水时间30s。计数器C1记录清洗次数，设定值为3，因为第一次计数器加1并不是清洗过程，所以要完成两次清洗，计数器C1的设定值应设为3。

此段梯形图为状态S28所对应的功能，此状态对应的功能为：在完成上述所有洗涤过程后自动报警3s，然后回到初始状态。Y007为报警控制信号输出端子，定时器T6定时时间为报警时间3s。

以上所有状态工作的条件都是在停止开关未接通的情况下。只要停止开关一接通，则结束自动控制过程，进入手动控制阶段，手动控制主要包括可手动排水（不脱水）和手动脱水，根据手动输入信号决定所完成的控制功能。

3.4 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X001，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X003,过一会儿再闭合X007，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，X011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，即反复洗涤两次后，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X000作为轻柔洗档位，把X001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。

结束语

经过将近一周的全自动洗衣机PLC课程设计，让我们收获颇丰，不仅熟悉了全自动洗衣机的工作过程，同时了解到了其内部硬件电路的构成、每部分电路的设计等，还学会了PLC软件开发环境的使用、各种编程指令的应用等。此次软件编程使用的主要为步进指令。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，很是方便。

通过此次课程设计的锻炼，让我们加深了对PLC的认识和理解，也知道了PLC应用于工业控制的优点所在，更重要的是让我们看到了自己知识的匮乏，也坚定了以后要不断的学习，不断的向身边的人虚心请教，同时要借助于图书馆和网络来扩充自己的知识面的决心。也只有这样，在以后的社会竞争中，自己才能有立足之地，才能有所作为。

参考文献

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[5] 夏路易,石宗义. 电路原理图与电路板设计教程.北京：北京希望电子出版社，2002.6

[6]廖常初.PLC基础及应用.第2版. 北京.机械工业出版社.2007 [7]王兆晶.维修电工（高级）.北京.机械工业出版社.2007 [8]熊幸明.工厂电气控制技术.北京.清华大学出版社.2005

[9]黄净.电气控制与可编程序控制器.北京.机械工业出版社.2004 [10]三菱电机.FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC编程手册.2005

附录：

指令表清单：

0 LD M8002 1 SET S0 3 LD X002 4 MPS 5 AND X012 6 OUT Y005 7 MPP 8 AND X013 9 OUT Y006 10 STL S0 11 LDI X002 12 RST C1 14 AND X001 15 SET S20 17 STL S20 18 LDI X002 19 RST C0 21 OUT Y002 22 MPS 23 AND X003 24 AND X007 25 SET S21 27 MRD 28 AND X004 29 AND X010

30 SET S21 32 MPP 33 AND X005 34 AND X011 35 SET S21 37 STL S21 38 LDI X002 39 OUT T0 K20 42 AND T0 43 SET S22 45 STL S22 46 LDI X002 47 OUT Y001 48 OUT Y003 49 OUT T1 K300 52 AND T1 53 SET S23 55 STL S23 56 LDI X002 57 OUT T2 K20 60 AND T2 61 SET S24 63 STL S24 64 LDI X002 65 OUT Y001

66 OUT Y004 67 OUT T3 K300 70 AND T3 71 SET S25 73 STL S25 74 LDI X002 75 OUT T4 K20 78 AND T4 79 OUT C0 K5 82 MPS 83 AND C0 84 SET S26 86 MPP 87 ANI C0 88 SET S22 90 STL S26 91 LDI X002 92 OUT Y005 93 AND X006 94 SET S27 96 STL S27 97 LDI X002 98 OUT Y001 99 OUT Y006 100 OUT T5 K300 103 AND T5 104 OUT C1 K3 107 MPS 108 AND C1

109 SET S28 111 MPP 112 ANI C1 113 SET S20 115 STL S28 116 LDI X002 117 OUT Y007 118 OUT T6 K30 121 AND T6 122 SET S0 124 END