设计一个智能洗衣机程序控制系统.doc

1、第一章 绪论11.1 背景介绍11. 总体设计方案2第二章 三菱FX2N-64MR型PLC32.1 PLC的定义与由来32.2 PLC的特点42.3 PLC的结构52.4 PLC的应用领域6第三章 三菱FR-A540变频器的结构和原理83.1 变频器简介83.2 变频器的构成9第四章 硬件电路连接与控制程序设计104.1 硬件电路连接104.2 控制程序设计11第五章 控制系统仿真结果16结论19参考文献20第一章 绪论1.1 背景介绍今天，高科技迅猛发展，各种高精尖的最新技术已经日益普遍在老百姓的日常生活中。机器的劳动力是无限的，毫无疑问会代替一大部分人力劳动，大大减少了人们生活的压力。工业

2、洗衣机也就是在这种情况下应用而生的。世界上最早的洗衣机和我们中国最早的织布机一样，也是木制手摇的，它是美国人比尔布莱克斯在1874年发明的，它的出现引导着衣服“手洗时代”的退化。这是一台设计相当简洁的洗衣机，在木制的转筒里安装六块木板用以拨动衣服和水，使衣服和水不停地滚动，就可以把衣服洗干净了。就是这一台简单的洗衣机，引起了后来的洗衣机风暴，让那些为提高生活效率而苦思冥想的人眼前一亮，洗衣机在很短的时间内不停改进。1880年，在北美洲出现了用蒸汽机作为动力来源的新式洗衣机。这之后，用河水代替人力以及用消耗燃料的发动机牵引的洗衣机也紧接着被发明出来。到1911年，电动机的发明再一次改变了洗衣机的

3、结构，第一台电动洗衣机在美国试制成功。电动洗衣机的生产成功，减轻了相当一部分家庭妇女的劳动负担。 1922年，电动洗衣机在不断地完善后，迎来了一种崭新的“搅拌方式”的洗衣方式。翻滚式洗衣机是由美国一家的公司开发成功的。这种洗衣机的中心安一根立杆，在立杆下端装有翻滚用的拨板，拨板通过立杆得到电机的动力，能够搅拌衣服不停地翻滚，通过机械冲击来洗涤污垢。由于搅拌洗衣机具有非常合理科学的结构，因此得到了人们的普遍喜爱，在短短几年时间内红遍整个世界。1932年，更合理的洗衣机再一次出现了。美国的一家科研机构发明了世界上第一台滚筒洗衣机，所有洗衣工序都在同一个滚筒内完成。时至今日，滚筒式洗衣机已经成为家庭

4、中不可或缺的家用电器。越来越智能化、结构越来越复杂，让洗衣机的自动化程度越来越高，这就使得洗衣机内部的自动控制系统不断提高，这也是洗衣机需要研究的核心问题之一。而PLC是目前洗衣机使用最广泛的控制器，结构简单，使用方便，开发难度小。所以，PLC成为研发的主流，而我本次毕业设计的主要内容也是用PLC编出洗衣机的智能化洗衣程序。1. 总体设计方案 本课题主要要求设计一个智能洗衣机程序控制系统。要求实现洗衣机自动送水、洗涤、排水、脱水的几次循环过程；每一次循环和循环中的每一个环节都有固定的时间；能根据设定的程序自动送水、洗涤、排水、脱水；设计出控制系统。具体要求如下：PLC通电以后，系统进入初始状态

5、，准备启动。启动以后开始往里注水水，当水位达到高水位后取消注水，这时洗衣机要开始工作。整个洗涤分三次小循环和三次大循环。小循环包括：正转15s，暂停3s；倒转15s，暂停3s。三次小循环再加上排水（到低水位时停止）和10s的脱水排水过程，就算一次大循环。当三次大循环结束以后，报警10s，之后停机，整个过程全部结束。整体方案如下：PLC按钮输入变频器电动机进、排水阀报警与指示灯选用PLC作为为中央处理器，通过电脑将洗衣机的程序写入PLC的CPU，PLC根据所写入的程序和按钮送入的信号执行送水、洗涤、排水、脱水的每一个环节以及循环次数；洗涤和脱水则电动机工作，送水和排水电磁阀工作；如果在任何一个环

6、节中出现故障，则报警器鸣叫。其单元结构图如图1-1所示。图1-1 硬件单元结构图程序编好以后，通过软件仿真。第二章 三菱FX2N-64MR型PLC本次设计用到的核心器件，毫无疑问就是控制器，即三菱FX系列PLC。它负责控制策略的编写，控制行为的执行。当外部信号输入时，它就要根据信号的内容经过内部程序分析判断需要执行的步骤，然后通过继电器的动作完成控制作用，PLC实物如图2-1所示。2.1 PLC的定义与由来PLC的全称是可编程逻辑控制器，它采用某种编辑程序可编程的存储器，存储内部程序，执行顺序控制、逻辑运算、计数与算术操作、定时等便于用户学习使用的指令，并且通过数模输入和数模输出信号去控制很多

7、设备。图2-1 三菱PLC实物最早发明的PLC仅能实现顺序控制和逻辑计算。计算机技术在不断地发展，也不断地扩展和完善了PLC的功能，使其作用远远不止逻辑和顺序控制的小范围，更新了模拟量、过程控制等实用较多的作用。2.2 PLC的特点1 编程简单且容易学习。PLC用的最多的就是编程语言就是梯形图。梯形图这种语言直观形象、易懂易学，熟悉电器的电路图的技术员就可以很快学会梯形图这种语言，可以编写PLC程序。2 功能强大，性价比高。一台比较小型的PLC内就有几百到一千个能供用户选择的编程软件，可以完成很简单以至很复杂的控制策略。与功能相同的继电器控制系统相比，不仅节省成本，而且检修调制也变得轻松容易。

8、3 硬件选择比较多，用户可以根据需求进行不同的模块组合，能够满足多种多样的控制需求。现在的PLC已经达到世界标准水平，附带着大量的功能模块以供选择，可以方便灵活地实现各种系统的配置，组成功能不同、规模不同的系统。4 可靠性比较高，抗扰能力很强。传统使用的继电器控制系统使用的基本都是中间和时间继电器。因为出头的接触很容易不良，故障率比较大。而PLC中用软件取代了大量的时间、中间继电器，接线能够减少到继电器系统控制的0.010.1倍，因此故障率大大减小。5 设计方便、调试简单。PLC控制系统中的继电器、计数器很少，也使控制柜安装、设计、接线简单，容易办到。6 维修量小且方便。PLC出现故障的几率很

9、小，而且带有自诊断能力和显示的功能。PLC本身或外部其他硬件发生故障时，可以通过PLC上的光发二极管或编程机器传出的信号快速查明故障原因，更换模块可以快速地使故障排除。7 能耗低，体积小。对于比较复杂的系统，PLC可以大大减少所用元件，可以使柜子的占地减少到1/10-1/2。2.3 PLC的结构实际上的PLC包括软件和硬件两部分，这里只介绍硬件部分。1 电源模块电源占有着举足轻重、不可忽视的地位。如果电源的性能不够良好、可靠、稳定，系统就无法正常工作。因此，在PLC的设计中，电源的设计是比较严苛的一部分。一般允许交流电压在10%15%的范围内波动，可以把PLC直接接到电网上而不采取其他措施。2

10、 中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）是PLC的控制中枢，是整个控制系统地核心。它依据PLC自己的特有属性处理和分析来自于设备输入的功能代码；测试各硬件模块的实时状况，并指出程序中的问题和警告。当PLC即将开始工作时，从现场的多种装置得到的信号和指令后储藏在输入输出模块中，然后从现场工作程序的指令中读取内容，根据指令的计算规则得到结果后传送给输入输出设备保存起来。当所有的指令都经过分析以后把PLC最终得到的决策内容给到输出设备，然后继续下一轮读取，循环执行着现场工作程序。为了保证PLC控制的可靠性，在大型的PLC上采用双核CPU组成冗余系统，或采用三核CPU构成表决式系统。这样局部的故障就

11、无法波及整体的工作。3 存储器它能够记忆一些东西，里边的主要元件是半导体元件。系统本身运行的时候也需要程序的支持，保存这部分程序的半导体电路叫做系统程序存储器。这部分内容只可以看，不能改。而软件的部分则可以根据用户的需求进行更改，工作时的数据以及程序保存在随机存储器中，既可以看，也可以改。（1）输入接口现场输入接口电路由光电耦合电路和微机的输入接口电路，它的作用是PLC与现场控制接口界面的入输通道。输入接口的电路工作过程：合上开关后，二极管就发光，之后三极光经光照后导通，并且向内部的电路输入信号；当断开开关，二极管不再发光，三极管不再导通，也不向内部传输信号。也就是输入接口电路可以把外部的开关

12、信号变成能够被PLC内部接受的的数字信号。（2）输出接口PLC与执行机构之间的通道叫做输出接口，传送数据、中断信号以及现场采集到的故障和警报信息。作用是PLC通过它可以向现场执行部件去输出相对应的控制信息。工作过程：内部电路给出的数字信号为1时，有电流去流过，继电器的线圈也有电流，之后常开触点就会因而提供负载导通需要的电流、电压；内部电路给出的数字信号为0时，就没有其电流流过，继电器的线圈失电，常开触点就会断开，负载的电流和电压也会断开。这也就是输出接口能把内部电路的数字信号转化成物理动作信号。5 通信接口 Plc配有很多各种各样的相互联系的接口，并且装有处理相关数据的设备。经过这些通道，主机

13、能够与控制环中的所有相关检测仪器、传送装置以及执行机构进行相互传送信号。另外，两台主机之间和多台主机之间都能够进行通信，使其成为一个很大的控制兼监控的大网系统。还有进行远程操控也需要这种接口通道。6 智能接口模块进行智能化以后的通道是一个比较孤独的单元，具有自己的各个运行部件，包括处理器、内存以及各种通道。它是PLC的一个不可或缺的部分，通过一定的途径与主机相连，实现通信等作用，并能够单独担任一定的任务。PLC的智能接口模块种类很多，这里就不一一列举了。7 编程装置编程装置是把工业现场的控制要求和目标转化成PLC语言并输入到PLC的CPU中进行控制作用的装置，并且能够充当现场的实时监控设备，并

14、且能够在工程师和主机之间建立起沟通的桥梁，是PLC上很重要的一个组成部分。编程装置有比较独立的装置，也有装设在主机内部的。专用的编程器能够服务的品牌较少，由于是特殊设计，成本比较高。另外，PLC的发展非常快速，需要不断地更新其功能，所以过去设计的专用编程器也会很快被淘汰掉了，所以，一般人很少选用此类编程器。相反，大部分的人都愿意在自己的计算机上安装相应的计算机软件完成编程工作，这样不仅方便使用，成本较低，而且更新换代比较简单。如此一来，用户就可以花较少的钱得到性能强大的控制系统，这是目前PLC发展的主要趋势。2.4 PLC的应用领域 目前，根据PLC的不同类型，已将它的应用分为以下几类。1 开

15、关量的逻辑控制 PLC应用最广泛的领域就是开关量的逻辑控制，因为它也是PLC最基础的控制功能，可以取代继电器的控制。这样既可以控制小型规模的设备，也可以控制有很多设备组成的流水线、生产线等等大规模的现场。例如，香烟包装的生产线，采矿用的皮带输送机、装配汽车的生产线、镀电流水线、箱冰生产线、控制电梯，还有组合机床电气控制。2 慢连续量过程控制温度和流量等物理量的变化是比较平缓的，由于工业现场的要求需要采集模拟量并组成闭环控制系统。这就需要有模拟量和数据量的相互转化，即A/D和D/A转换的模块。PLC的这个功能已经被广泛应用到电力、化工、冶金、机械、轻工等行业。比如，锅炉的控制，磨厂分级的过程控制

16、、加热炉温控制、水处理的控制、酒酿的控制等等。3 快连续量的动运控制PLC还能够驱动步进电机等精度要求比较高小型设备，比如机械手臂等需要小幅度圆周运动的场合。现今，运动的控制已经成为PLC不能缺乏的功能之一，它已经被广泛使用于多种机械，比如机器手、装配机械、金属形成机械。4 通信PLC通信的类型大体为以下几种：（1）PLC和PLC之间的互相通信。两台之间可以通信，几十台或者上百台也能；同系列之间的可以，不同系列之间的也行。比如，把三菱的FX系列PLC当成三菱的A系列的就地制控站，这样就能简单地现实生产过程分散控制以及集中管理。（2）PLC和智能装置的通信。PLC可以和打印机等附加设备，另加远程

17、控制设备等非主要设备进行通信，使之形成一个网络。（3）PLC和上位计算机间的通信。计算机能进行编程，也能对PLC监控与管理。和集散控制系统类似，PLC也能实现一台计算机同时领导多台PLC进行控制。（4）PLC和PLC数据取存单元实现通信。PLC提供多种型号的数据取存单元，用这个数据取存单元能方便地对已设定的数据修改，也能对各个监控点数据和图形的变化实现监控，也能对PLC发生的故障进行判别和诊断。PLC应用的领域也越来越宽泛，差不多遍及所有的控制现场。大部分的工业领域都有PLC进行控制。跟随着PLC性价比的不断提高，它的应用围范会越来越大。第三章 三菱FR-A540变频器的结构和原理本次设计中的

18、另一个重要元件就是变频器，变频器是连接PLC与洗衣机的电动机的重要枢纽。由于PLC输出的是开关信号，没有过渡过程。而电动机的起停是一个缓慢的过程，起停太快会无法启动甚至损坏电动机。而变频器就是一个平滑调速的装置，能很好解决电动机的起停问题，本次设计采用的是三菱FR-A540型变频器。3.1 变频器简介变频器通过一定的技术，把输入其的电压的频率进行改变，由于电动机的转速与供电电源的频率有直接的关系，所以变频器能通过这种手段改变电机的转速，实现变频调速。变频器能够把直流变成交流，也能把交流变成直流，同时还能过滤掉不需要的干扰性频率。变频器经内部的IGBT开断来调整输出电源的频率和电压，从而实现节能

19、和调速的目标。变频器还设有很多保护的功能，防止电流、电压等过载引起对电动机的伤害。所以，变频器和电动机是一对孪生兄弟，基本不可分开。3.2 变频器的构成一 主电路变频器的主电路由整流器、平波电路、逆变器和制动电路组成，如图3-1所示。1 整流器图3-1 变频器电路结构把交流变成直流的过程叫做整流。用二极管和三极管以及晶闸管等元器件，利用电力电子技术经过一定的原理组合在一起就能实现这个功能。一般的整流电路经过调整也能变成逆变电路。2 平波电路 经整流器后的直流电压中，有6倍电源率频脉动电压，另加逆变流器生产的脉动流电也会让直流的电压产生波动。为了能够抑制波动的电压，用电感与电容吸收脉动的电压和电

20、流。装置的容量比较小的时候，若电源及主电路的器件有余量，则能够省略电感而直接用简洁的平波电路。3 逆变器和整流器不同，逆变器它的作用只是把直流的功率转换成要求率频的交流的功率，一句PWM的控制信息把6个开关元件间歇导通和关断，就能得到频率能变化的三相交流的输出。4 制动电路异步电机工作在再生的制动区（转差率是负的），再生的能量存储在平波回路中的电容器里，让直流电压能够升高。通常来看，由机械统系（含带电机）的惯量积攒到的能量比在电容器里储存着的能量多，需快速地制动时，能用可以逆变的变流器向电源设置或制动电路（电阻和开关）将再生的功率耗费掉，避免直流回路的电压升高。二 控制回路1 运算回路 通过控

21、制系统中的闭环测量装置把电机运行的实时数据采集回来后，通过运算回路的计算，得出相应的结果，从而根据这些数据计算变频的程度。2 电压和电流测检电路和主电路的电位进行隔离，检测电流、电压等。3 驱动回路是驱动主回路的器件的回路，能够让主回路的器件关断、导通。4 速度测检电路 以安在异步电机轴上边的速度测检器件（PLGTG）的信号作为速度的信号，送到运算电路，依据运算和指令能让电动机在指令要求的速度下运转。5 保护回路当回路的某些电力物理量超过正常工作的范围时，就变得非常危险，为了保护电动机被烧毁，需要设置一些保护性电路。保护电路主要含有：（1）逆变器的保护包含瞬时过流电、再生过压、过载、瞬间停电、

22、冷风机异常、接地过流电等保护。（2）异步电机保护包含过载、超速和超频等保护。（3）其他保护 包含防失速过流、防失速再生过压等保护。第四章 硬件电路连接与控制程序设计4.1 硬件电路连接本次设计的硬件部分主要包括PLC、变频器、电动机和各种继电器。PLC作为主控制器，根据内部的工作程序，通过按钮的输入信号进行分析计算，最后得出结果输出到变频器或控制进水、排水阀的继电器；变频器主要是对电动机的启动和停止进行平滑地调速，除了输入和输出三相电的R、S、T和U、V、W外，还有正转输入端STF、反转输入端STR，并且对变频器的参数进行设置，可以实现电动机启动和停止的调速过渡时间进行调整。本次设计的硬件连接

23、图如图4-1所示。图4-1 硬件连接图 硬件图是基础，有了正确合理的硬件连接，才能保证软件的正常运行。软件部分是核心，是整个洗衣机的大脑，以下是软件部分。4.2 控制程序设计一 变频器参数设置之所以要选用变频器作为PLC和电动机之间的桥梁，一是因为PLC的输出信号需要通过变频器传送给电动机，二是因为电动机的启动需要通过变频器改变输入频率而缓慢启动。根据本次设计的要求和需要，本次设计变频器参数设置如表4-1所示。序号内容参数1系统清零2运行模式Pr.79=5（程序）3时间设定Pr.200=0/2(分钟、秒)4程序运行组Y1正转（STF）Pr.7=3 Pr.8=3 Pr.20=30 Pr.29=0

24、Y2反转（STR）Pr.7=3 Pr.8=3 Pr.20=30 Pr.29=0Y4脱水（RH）Pr.18=130二 控制程序设计根据1.3的设计要求和设计方案，现将软件设计部分列举如下1 PLC的I/O的配置方式如表4-2所示。输入设备输入继电器输出设备输出继电器代号功能代号功能SB1启动按键X0KM0进水阀Y0SB2停止按键X1正转Y1SB3排水按键X2反转Y2SQ4高水位X3KM1排水Y3SQ5低水位X4脱水Y4HL蜂鸣器Y5表4-2 PLC的I/O配置方式2顺序功能图顺序功能图是整个程序的逻辑结构，必须保证正确、简洁，本设计的顺序功能图如图4-2所示。启动正、反转不够3次初始状态进水洗涤

25、正转暂停洗涤反转暂停排水报警脱水、排水停机大循环不够3次高水位15s3s15s3s低水位10s10s一次小循环一次大循环图4-2 顺序功能图3 程序清单图4-3 程序清单（一）图4-4 程序清单（二）图4-5 程序清单（三）第五章 控制系统仿真结果本设计仿真采用GX WORKS 2软件。 GX WORKS 2是德国三菱公司开发的PLC编程与仿真综合一体的软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真各种PLC程序你，能够清楚地看出程序的运行情况以及输入输出之间的关系。利用GX WORKS 2对本次的工业洗衣机控制程序进行仿真，以下是结果截图：1 进水当按下启动按钮后，Y000接通，进水电磁阀

26、打开，洗衣机开始进水，当水位到达高水位开关后，Y000关闭，停止进水，如图5-1所示。图5-1 进水输出示意图2 正转当高水位开关X003接通后，Y001接通，洗衣机开始正转，正转要持续15s，然后暂停3s，如图5-2所示。图5-2 正转输出示意图3 反转 正转暂停3s结束后，Y002接通，洗衣机开始反转，反转要持续15s，然后暂停3s。如图5-3所示。图5-3 反转输出示意图4 排水脱水 正转、反转以及附带的暂停循环运行三次后，Y003接通，洗衣机开始排水；当水位到达低水位后，Y004接通，洗衣机开始脱水并继续排水，脱水持续10s，如图图5-4所示。图5-4 排水脱水输出示意图5 报警 当三

27、次小循环及排水、脱水完成后,算一次大循环，三次大循环完成后，Y005接通，蜂鸣器开始报警，报警持续10s后结束，此时整个洗衣过程完成，如图 5-5所示。图5-5 报警输出示意图结论随着高科技的发展，工业生产中的自动化已经日益不可缺少，而且地位越来越重要，不仅能够保证生产过程的稳定、准确、快速，更能节约大量的人力、物力、财力，而PLC作为控制家族中非常重要的一员，地位也非常重要，PLC已成为遍及工业控制现场的大角色。在设计中，主要对电动机的控制程序进行编程，从而控制电动机的旋转方法、时间，以及进、排水阀门实现洗衣过程。它由PLC、变频器、各种继电器、报警蜂鸣器组成，当PLC的输入端口接受外部的信

28、号后，根据程序算法决定输出端的动作方法。结合变频器当中的电机调速程序，控制电机和继电器的动作。通过本次设计，使我学到的知识应用到了实践，深化了对PLC和变频器的硬件设备与软件设计的认识，使我们在设计的实践中获得新的知识。理论知识作为科研的基础，是必不可少的，认真学习课堂内容和课本知识是我们大学四年中很重要的一部分。然而“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。搞科研就像学习任何一门技艺一样，纸上谈兵永远都不会有什么成就，无论好坏拿出真把式练一练，就会有很大的进步。我们现在所做的毕业设计就是这样一件事情，虽然不可能把所学过的东西都用到，但最起码能在某一方面应用得比较到位，例如单片机、PLC、Matla

29、b等等。书到用时方很少，虽然以前学习过PLC的课程，但真正要用它做实物时，才感觉到有很多东西根本就不扎实，需要重新仔细学习。而我们以后的工作也是类似，一定要事必躬亲，把我们负责的环节搞得清清楚楚，这样工作起来就会游刃有余。毕设的结束意味着我们四年大学生活的结束，也意味着我们读书得的生涯从此结束。从八岁开始读书，整整十八年了，一路上都是像父母一样的老师们带着我们成长，从不曾离奇，在毕业之际，我想发自心底说一声“老师，谢谢您”，虽然我们从此天隔两方，可能永远不再相见，但是我会永远记得您的！参考文献1 刘宁.浅析变频器在工业洗衣机控制系统的应用.企业导报.2011,21:15-162 张令东.变频器

30、节能技术及应用展望.科技创新与应用.2012:78-793 杨弘喆.基于三电平变流器的1140V变频器的主回路设计与仿真.电子测试.2013:18-194 王小雨.基于FPGA的激光器驱动电路的设计.电子测试.2013:88-895 禹翔.城市交叉路口交通灯控制系统的设计研究.长安大学学位论文.20116 张杨.隔爆兼本安四象限变频提升机电控系统设计与研究.天津大学学位论文.20077 殷瑞锋.钢管对接TIG自动弧焊专机PLC控制系统的开发.太原科技大学学位论文.20098 高贵刚.锂锰电池生产线计算机集中监控与远程监控系统研究.天津工业大学学位论文.20089 岳庆来.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术.北京.机械工业出版社.2006:35-3610 杨后川.三菱PLC应用100例（第二版）.西安.电子工业出版社.2013:100-10311 张豪.三菱PLC应用案例解析.北京.中国电力出版社.2012:150-15112 高建设.三菱PLC编程速学与快速应用.西安.电子工业出版社.2012:356-35713 郑凤翼.三菱PLC与变频器控制电路识图自学通.西安.电子工业出版社.2013:260-26320