本科毕业设计论文fx2n系列plc在全自动洗衣机控制系统中的应用.docx
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本科毕业设计论文fx2n系列plc在全自动洗衣机控制系统中的应用
目录
摘要1
前言3
第1章可编程逻辑控制器（PLC）4
1.1PLC的概述4
1.1.1PLC的发展历程4
1.1.2PLC的发展趋势5
1.1.3PLC系统的特点6
1.2PLC的硬件结构6
1.3PLC的工作原理7
1.4PLC的应用8
第2章全自动洗衣机的系统结构和基本工作原理9
2.1系统结构9
2.2基本工作原理10
2.3全自动洗衣机的系统分析10
第3章PLC机型的选择和控制要求11
3.1机型的选择12
3.2I/O分布表12
3.3全自动洗衣机的PLC控制系统的要求13
第4章PLC控制系统的软件设计13
4.1FXGP/WIN编程软件的介绍14
4.2硬件接线图15
4.3设计分析15
4.4程序说明16
结论19
参考文献20
致谢21
附录22
摘要
随着科学技术不断进步和社会飞速发展，洗衣机成为人民日常生活息息相关的家用电器产品。
而从全自动洗衣机诞生以来，洗衣机的全自动化、多功能化、智能化是其发展方向。
其内部的电路控制系统就不断的被改进。
设计方法也开始多种多样，从而使全自动洗衣机显得更加智能化。
基于全自动洗衣机的应用日益广泛，本次设计利用三菱公司生产的PLC控制全自动洗衣机，与传统的继电器逻辑控制系统相比较，可编程控制器（PLC）以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活，而且结构简单，抗干扰能力强。
PLC控制不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少，与此同时系统维修简单、维修时间缩短。
三菱FX2N系列可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合全自动洗衣机控制系统的要求与特点。
本文选择三菱FX2N-32MR为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现了全自动洗衣机控制系统的自动化【1】。
关键词：
PLC；电气控制；自动化；全自动洗衣机
Abstract
Withthecontinuousprogressofscienceandtechnologyandtherapiddevelopmentofsociety,washingintopeople'severydaylife,householdproducts.Sincethebirthfromtheautomaticwashingmachine,fullyautomaticwashingmachines,multi-functionalandintelligentdirectionofitsdevelopment.Itsinternalcircuitcontrolsystemisconstantlybeingimproved.Designbegantodiversity,sothatevenmoreintelligentautomaticwashingmachines.
Basedontheincreasinglywidespreadapplicationofautomaticwashingmachine,thisdesignproducedbyMitsubishiPLCcontrolledautomaticwashingmachines,andtraditionalrelaylogiccontrolsystemcomparedtoprogrammablelogiccontroller（PLC）microprocessorcore,commonlyusedrelaycontactorcontrolsystembasedonelectricalladderdiagramcompiledprogramminglanguage,programmingiseasy,convenientextensions,modifyflexibleandsimplestructure,anti-interferenceability.PLCcontroldoesnotrequirealotofmovingpartsandelectroniccomponents,itswiringarealsogreatlyreduced,whilesystemmaintenanceissimple,reducedmaintenancetime.MitsubishiFX2NSeriesPLCinstructionrich,youcantakeavarietyofoutput,inputextensiondevice,hasawealthofspecialextensionequipment,includinganaloginputdevicesandcommunicationsequipmentisfullyautomaticwashingmachinecontrolsystemsmeettherequirementsandcharacteristics.
MitsubishiFX2N-32MRthischoiceasthecorecomponent,focusingonthehardwareinterfacedesign,theuseoftheladderandtheStatementListprogramming,toachieveafullyautomaticwashingmachinecontrolsystemautomation.
Keywords:
PLC；electricalcontrol；automation；
前言
可编程序逻辑控制器（PLC）是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。
它既可以取代传统的继电接触器控制系统，也可以进行复杂的过程控制，构成分布式自动化控制系统。
它具有可靠性高、功能强、编程简单、通用性好、使用方便、体积小、重量轻以及易于扩展等一系列优点。
PLC控制全自动洗衣机的编程语言容易掌握，是电控人员所熟悉的梯形语言，实用术语依然是“继电器”一类术语，大部分与继电器触头的链接相对应，使电控人员一目了然。
PLC控制使用起来简单，它内部的I/O已经做好，输入和输出信号可直接链接，非常方便，而输出口具有一定的驱动能力，起输出出头容易达到220V、2A。
PLC是专门应用于工业现场的自动控制装置，在系统硬件上采用了抗干扰措施。
当工作程序需要改变时，只需改变PLC的内部，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。
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。
目前市场上出售的全自动洗衣机大体分为三类：
发明最早的是前置式侧开门滚筒式洗衣机，这种洗衣机是欧洲发明的。
在洗涤时保证衣物不受损害，而且有良好的加温措施。
但是这种洗衣机洗涤时间长、洗净度差、用水用电量大，是其它洗衣机的几倍，尤其是采用了不锈钢内筒，产生的噪音较大。
另外一种是美洲人发明的“搅拌式”洗衣机。
这种洗衣机洗净度非常高，是波轮式洗衣机的十几倍，但由于洗净度和磨损率成正比，所以很损伤衣物。
发明最晚的洗衣机是亚洲人发明的波轮上开门洗衣机。
这种洗衣机的特点是洗涤时间短，用水量小，洗净度高，是滚筒式的很多倍，由于内筒是塑料材料制成，噪音小，而且上开盖，能使洗涤液反复利用，价格也比较经济。
第1章可编程逻辑控制器（PLC）
1.1PLC的概述
在PLC问世之前，传统的生产机械采用的是继电器控制系统。
继电器控制系统存在着体积大、耗电多、在复杂的系统中可靠性低、维修和改变控制逻辑困难等缺点，越来越不适合现代工业发展的需要，迫切需要一种新型的自动控制装置代替传统的继电器控制系统来实现工业自动控制。
而计算机具有完备而通用的功能，灵活多变的系统结构和控制程序。
美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司首先提出是否可以将继电器控制系统和计算机的简单易学、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并将计算机编程方法和程序输入方法加以简化，形成简单易学的编程方法、灵活方便的操作方法和尽量低廉的价格，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。
所以，可编程序逻辑控制器（ProgrammabieLogicController,缩写PLC）是在继电器控制技术和计算机控制技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，综合计算机、通信、联网以及自动控制等相关技术而开发的新一代工业控制装置【2】。
PLC自问世以来，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。
1.1.1PLC的发展历程
在可编程控制器出现之前，继电器控制应用广泛，在工业电气控制领域中占据着主导地位。
但继电器控制系统存在的体积大、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。
令其无法满足控制的要求和现代化大生产管理的需要。
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，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。
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四个阶段：
第一阶段（1969—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，得以迅速发展和推广。
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。
第二阶段（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。
第三阶段（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。
第四阶段（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的运算速度和位数的同时，开发了适用于过程控制和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【2】。
1.1.2PLC的发展趋势
目前，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。
大趋势是功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强。
特别是网络，因为联网是一个大潮流。
1.产品规模向大、小两个方向发展。
大：
I/O点数达14336点；32位为微处理器；多CPU并行工作；大容量存储器；扫描速度高速化。
小：
由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。
2.PLC在闭环过程控制中应用日益广泛。
3.不断加强通讯功能。
4.新器件和模块不断推出。
高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。
5.编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化。
有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。
6.发展容错技术。
采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
7.追求软硬件的标准化【3】。
1.1.3PLC系统的特点
1．可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。
对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。
2．使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量、形式、驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。
3．编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表、梯形图、逻辑功能图、顺序功能图等，程序简洁明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易【3】。
1.2PLC的硬件结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，从结构上区分：
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1-1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将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【4】。
编程器
输
入
电
路
输
出
电
路
中央处理单元
（CPU）
电源
系统程序储存器
系统程序储存器
1-1PLC的结构图
1.3PLC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1-2、图1-3所示【5】。
图1-2PLC的扫描工作过程图
图1-3PLC的扫描周期图
1.4PLC的应用
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【6】。
第2章全自动洗衣机的系统结构和基本工作原理
2.1系统结构
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：
图2-1全自动套筒洗衣机内部结构图
2.2基本工作原理
洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。
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。
2.3全自动洗衣机的系统分析
全自动洗衣机的过程包括启动、进水、洗涤、排水和脱水等功能。
在实现控制过程中，各种采样信息都是通过控制中心进行各种判断、比较和选择，再经信息线路反馈给洗衣机各控制执行机构，决定洗衣机的工作状态。
如图3-1所示，由PLC控制洗衣机各种动作典型控制图。
排水
程序开始
N
进水
到低水位
Y
N
脱水10s
到高水位
Y
N
到大循环次数3次
正转洗15s
Y
报警10s
暂停3s
停机
反转洗15s
暂停3s
结束
到小循环次数3次
N
Y
图3-1控制流程图
由上图可知，PLC在系统中是处中心位置，水位开关是PLC的输入信号控制开关，进水阀、排水阀和电机是洗衣机各种动作的执行机构。
其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态;电机的工作状态也由控制中心PLC给定信号来决定的，而电机的正反转状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。
另外由于洗衣机工作过程是顺序过程，所以利用PLC机的控制系统是可行的。
第3章PLC机型的选择和控制要求
3.1机型的选择
FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。
控制规模：
16～256点（基本单元：
16/32/48/64/80/128点）。
主要特点：
（1）集成型高性能。
CPU、电源、输入输出三位一体。
对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。
（2）高速运算。
基本指令：
0.08μs/指令。
应用指令:
1.52μs～数100μs/指令。
（3）宽裕的存储器。
内置8000步RAM存贮器，安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。
（4）丰富的软元件。
辅助继电器：
3072点。
定时器：
256点。
计数器：
235点。
数据寄存器：
8000点。
（5）除了具有输入输出16～256点的一般用途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。
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，选择三菱FX2N系列FX2N—32MR，可以完全满足其要求【6】。
3.2I/O分布表
I/O分布表
PLC输入端
所接外部输入器件
PLC输出入端
所接外部输出入器件
X0
启动按钮SB0
Y0
进水电磁阀YA1
X1
停止按钮S
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