三菱FX2N PLC在全自动洗衣机控制中的应用.docx
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三菱FX2NPLC在全自动洗衣机控制中的应用
第1章绪论
1.1课题背景
随着社会的发展工业化的加速，出现了洗衣机，再就是自动化洗衣机。
无论是波轮式洗衣机也好，还是滚筒式洗衣机也好，都朝着智能化、水流方式多样化、洗衣方式创新化、设计更趋人性化四大特征方向发展。
传统的电气控制已经不能满足现状的要求了。
使智能化的控制取代了传统的工业控制，洗衣机的工作原理：
全自洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一心安放的，内桶可以旋转，作为脱水用。
内桶的周围有许多小孔，使内桶和外桶的水流相通，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。
进水时通过控制系统将进水电磁阀打开，经进水管将水注入到外桶。
排水时，通过控制系统将排水电磁阀打开，将水由外桶排到机外。
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，控制系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。
高、低水位控制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。
随着先进科学技术发展.应用于洗衣机上的技术越来越成熟，洗衣机的发展也越来越快，将来的洗衣机主要主要朝以下几个方面发展：
（1）高度智能化；
（2）健康化（3）节水节能；（4）大容量和微型化；本次设计主要采用PLC控制技术来设计全自动洗衣机控制系统，跟传统的洗衣机相比更具有智能，实时监控，人性化的功能。
本系统最大的优点集中体现在：
实现功能齐全、外围电路简单、时间计算精确以及可维护方便等。
具有可靠性高、安全性好、开发价值高等一系列优点。
1.2ＰＬＣ控制全自动洗衣机的研究意义
ＰＬＣ控制全自动洗衣机的编程语言容易掌握，是电控人员熟悉的梯形语言，使用术语依然是＂继电器＂一类术语，大部分与继电器触头的连接相对应，使电控人员一目了然。
ＰＬＣ控制使用简单，他的Ｉ／Ｏ已经做好，输入输出信号可直接连接，非常方便，而输出口具有一定驱动能力，其输出触头容易达２２０Ｖ．２Ａ。
ＰＬＣ是专门应用手工业现场自动控制装置，再系统软硬件上采用抗干扰措施。
当工作程序需要改变时，只需改变ＰＬＣ的内部，惊醒重新编程而无需对外围进行重新改动。
从这些方面突出了使用ＰＬＣ控制全自动洗衣机的优越性。
1.3本文的主要工作
第一章，回顾全自动洗衣机的历史，随着社会经济的发展，采用可编程程序控制器来代替中间继电器和过程控制的微型机，设计开发全自动洗衣机系统，才会满足稳定可靠的洗衣机控制系统需求。
第二章，叙述了可编程程序控制器的产生、发展、应用的历程，通过论述可编程程序控制器的各种优点、卓越性能、结构、原理，有一个感性的总体认识。
第三章，结合全自动洗衣机控制系统的要求，进行硬件、程序设计，从主要部件的选择、流程的分析、程序思路的产生来完成本次设计任务。
第四章，通过对系统的调试和检测，再进行系统性梳理，将隐藏的不足之处加以修正和完善，确保系统能顺利运行。
第2章可编程序控制器（PLC）
2.1PLC概述
可编程序控制器（ProgrammabieLogicController,缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。
可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种。
小批量生产的需要，生产.发展起来的一种新型的工业控制装置。
PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能。
简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。
有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。
可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。
随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。
2.1.1PLC的发展历程
在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。
但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。
于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。
从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）。
随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。
PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
PLC的发展过程大致可以分为如下几个阶段：
1970—1980年：
PLC的结构定型阶段。
在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。
最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展推广。
PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。
1980—1990年：
PLC的普及阶段。
在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。
各PLC生产厂家产品的价格、品种开始系列化，并且形成了固定I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。
PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。
比如三菱公司本阶段的主要产品有F.F1.F2小型PLC系列产品,K/A系列中、大型PLC产品等。
1990—2000年，PLC的高性能与小型化阶段。
在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。
此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。
三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列产品等。
2000年至今：
PLC的高性能与网络化阶段。
在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。
一方面，PLC在继续提高CPU运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。
与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。
三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品（包括最新的FX3u系列产品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列产品等。
2.1.2PLC的发展趋势
从当前产品技术性能来看，PLC发展趋势仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两大方面。
①体积小型化。
电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果。
现代PLC无论从内部元件组成还是硬件、软件结构都已经与早期的PLC有了很大的不同，PLC体积被大幅度缩小。
②性能的提高。
PLC的性能主要包括CPU性能与I/O性能两大方面。
可编程序控制器在我国的发展状况如下：
（1）我国可编程序控制器的发展与国际上的发展有所不同，国际上可编程序控制器的发展是从研制、开发、生产到应用，而我国则是从成套设备引进、可编程序控制器引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。
大致可划分为下述三个阶段：
①可编程序控制器的初级认识阶段（70年代后期到80年代初期）国际上可编程序控制器的发展，首先引起了国内工程技术界的极大兴趣，所以我国对可编程序控制器的认识始于70年代后期到80年代初期的成套设备引进中，当时的上海宝钢一期工程中有多项工程引进了十几种机型约200多台可编程序控制器。
这些可编程序控制器用于原料码头到高炉、轧钢、钢管等整个钢铁冶炼以及加工生产线上，取代了传统的继电器逻辑系统，并部分取代了模拟量控制和小型DDC系统。
继宝钢一期工程后，国内许多厂家陆续引进的设备和生产线大都配备了可编程序控制器，其应用范围包括电站、石油化工、汽车制造、港口和码头等各领域。
正是在成套设备引进过程中，我们打开了眼界，了解认识了可编程序控制器，这也促进了可编程序控制器在我国的发展。
②可编程序控制器的引进应用和消化移植阶段（80年代初期到90年代初期）80年代初期开始，随着我国改革开放的不断深入，在成套设备引进的同时，国外原装的可编程序控制器开始涌入国内市场。
许多部门和单位相继引进可编程序控制器并自己设计组成控制系统，其应用范围也扩大到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制药、造纸、橡胶和精细化工等工业领域。
③可编程序控制器的广泛发展阶段（90年代初期到现在）进入90年代，我国的可编程序控制器进入了广泛发展阶段。
主要表现在：
可编程序控制器的发展得到了政府的高度重视，在当时机械电子工业部的领导下，于1991年成立了可编程序控制器行业协会。
可编程序控制器行业协会在政府和企事业之间起到了桥梁作用，沟通了情况，为做出决策提供了依据。
同时可编程序控制器的标准化工作也受到了有关部门的重视，于1993年成立了可编程序控制器标准化技术委员会，为我国可编程序控制器的进一步发展打下了基础。
2.1.3PLC的应用
1PLC的应用领域
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。
但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：
一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。
目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。
PLC的应用范围通常可分成以下5种类型：
（1）顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。
它用来取代传统的继电器顺序控制。
PLC应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。
例如：
注塑机械、印刷机械、、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
（2）运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数据到目标位置。
每个轴移动时，位置控制模块保持适当的位置和加速度，确保运动平滑。
（3）过程控制PLC还能控制大量的过程参数，例如：
温度、流量、压力、液位和速度。
PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定植上。
（4）数据处理在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。
（5）通信网络PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。
PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
2PLC在我国的应用
虽然我国在PLC生产方面比较弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业也很广。
在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：
微型：
32I/O
小型：
256I/O
中型：
1024I/O
大型：
4096I/O
巨型：
8192I/O
在我国应用的PLC系统中，I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。
2.2PLC的硬件结构
PLC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从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
其结构如图2-1所示。
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，它按照PLC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PLC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。
图
图2-1PLC的结构图
2.3PLC的工作原理
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触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，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
3输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
PLC的扫描工作过程如图2-2、图2-3所示
图2-2PLC的扫描工作过程图
图2-3PLC的扫描周期图
2.4本章小结
本章介绍的是PLC的产生、发展及应用，通过这些基础知识，更好地理解PLC的控制，基于PLC在全自动洗衣机控制系统上应用这一范畴，使下一步PLC的程序设计开发和实际需要有机地融合在一起。
第3章系统设计
3.1程序控制要求
１．水位控制：
高水位 ２５Ｓ
低水位 １０Ｓ
２.程序选择：
常速洗衣程序
快速洗衣程序
（1）常速程序过程：
启动选择：
投放洗衣粉-进水（高水位）-浸泡（5M）
洗涤（正转常速10S，反转常速10S，停2S，100次）
－排水（２０Ｓ）－进水（高水位）—清洗：
正转慢速15S，反转慢速15S，停2S，50次
排水（5M）—脱水－停止
（2）快速程序过程：
启动选择：
投放洗衣粉-进水（高水位）-浸泡（5M）
洗涤（正转快速5S，反转快速5S，停2S，100次）
－排水（２０Ｓ）－进水（高水位）—清洗：
正转慢速15S，反转慢速15S，停2S，50次
排水（5M）—脱水－停止
3.2硬件设计
3.2.1PLC控制全自动洗衣机的输入/输出分配表
表3-1输入输出分配表
输入
输出
功能
元件
PLC地址
功能
元件
PLC地址
启动按钮
SB1
X0
投放洗衣液
YA4
Y0
停止按钮
SB4
X4
进水电磁阀
YA1
Y1
常速选择按钮
SB2
X1
排水电磁阀
YA2
Y6
快速选择按钮
SB3
X2
洗涤电动机正转常速接触器
KM1
Y2
高水位
SH
X3
洗涤电动机反转常速接触器
KM2
Y3
低水位
SL
X5
洗涤电动机正转快速接触器
KM3
Y4
洗涤电动机反转快速接触器
KM4
Y5
洗涤电动机正转慢速接触器
KM5
Y7
洗涤电动机反转慢速接触器
KM6
Y10
脱水电磁离合器
YA3
Y11
报警蜂鸣器
HY
Y12
3.2.2PLC的外部接线形式
图3-2PLC控制接线图
3.3系统程序设计
3.3.1系统的梯形图
按下X0启动洗衣机，洗衣机开始运行。
按下选择模式键（X1为常速洗衣,X2为快速洗衣），洗衣机进水，水位达到高水位X3浸泡5分钟。
常速洗衣模式：
常速正转10S，停2S，常速反转10S，停2S，循环100次。
快速模式：
快速正转5S，停2S，快速反转5S,停2S，循环100次。
洗衣模式结束，排水，达到低水位，进水，进行清洗。
清洗模式：
慢速正转15S，停2S，快速正转15S，停2S，循环50次。
清洗完毕，排水，水位达到低水位，开始脱水，报警结束。
3.4小结
本章介绍FX2N-48MR系列PLC全自动洗衣机控制系统的应用设计,关键是系统总体设计,核心则是控制程序设计。
重点要掌握PLC系统设计的基本原则和设计的一般流程,要有一个整体的概念。
在满足控制要求、环境要求和性价比等条件下，合理选择PLC的机型和硬件配置，正确地进行估算，合理选择输入/输出模块，完成PLC的硬件与软件的设计。
通过这次可编程控制器的课程设计，终于发现脑海里有了工程的思想。
以前单方面的学习了电子硬件知识和软件知识。
有人说只懂硬件，那是一个技术员，只懂软件的，那是程序员。
系统结合，要软硬兼施，才能具备一个工程师综合素质。
第4章系统调试
4.1检测与调试
大体思路流程如下：
1、硬件调试：
硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障。
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的错误。
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再进行调试，如此反复直到调试成功。
由于客观条件的不允许，我主要对系统的软件程序编辑与调试。
4.2本章小结
系统的检测与调试是一个很枯燥无味的过程，要求一步一脚印地严谨细致进行，才能将想当然而引致错误的地方找出来并改正。
结论
全自动洗衣机控制系统的设计,我觉得这个课题是很容易的。
当真正做起来的时候，还是觉得有点困难的，有些东西以前学了，但现在用起来可能又有点疑问。
就如画电气原理图，整体的构造脑海里都有一个整体的概念。
而你要画出来的话，你可能会遇到细节上的问题，比如说按钮开关的方向是怎样，以及怎么划分区域等。
遇到这些问题的时候都能让你主动去翻书，复习这些陌生的知识。
我认为这是一种最好的学习方法——通过实践去检验自己的知识。
这个只有你自己投入进去你才能发现自己知识点的欠缺。
做为一名电气自动化专业的学生对电器原理图的了解更应该有深刻的认识，知道它的重要性。
要能看的懂，给你一张电气原理图，你要能够写出梯形图。
查找资料也是一件繁琐的事情，虽说网上有资料但要找到一些真正有用的资料也不是一件容易的事，需要耐心查找。
在程序设计过程中，我对以前的编程方法做了归纳，之前我习惯用功能流程写程序，遇到难点的时候习惯翻书，对照例子提取点精华。
现在能灵活运用经验设计法、电气原理图设计法、顺序控制设计法。
特别多顺序控制设计有了一定的了解。
这里面最经典我认为是单序列的编程方法、选择序列的编程方法和并行序列的编程方法这个三个是很值得研究的，也是一种格式。
只要你能熟悉掌握，灵活应用的话，那么编程对你来说将变的非常容易。
一个流程图无论多么复杂，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法编程了。
当然对于简单的流程也可以用顺序设计。
这种方法也是一种固定的格式，只要按照它的格式就可以写出正确的程序，它的优点可以说易懂，条理清晰。
但结构多。
对于活动步多的设计我想用这个设计比较烦琐。
更加体会到PLC的可靠性高，抗干扰能力强，.通用性强，控制程序可变，使用方便等优点。
更加熟悉了西门子编程软件使用方法与各种基本指令。
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，让我受益非浅，对我以后工作中遇到问题或者继续学习将会产生巨大的帮助和影响。
致谢
本论文是在周江涛老师细心地指导下完成的。
周老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，方案可行的确定和论文纲领细节的修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我细心的指导。
每一个阶段，我收获都很多。
老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。
本论文从选题到完成，每一步都是在老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。
在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
参考文献
陈立定，苏开才《电气控制与可编程控制器》.广州：
华南理工大学出版社,2001
李乃夫《可编程控制器原理、应用、实验》（第二版）.北京：
中国轻工业出版社,2000
廖常初《PLC编程及应用》.北京：
机械工业出版社,20
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