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4、短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目，可靠性高，丰富的i/o卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，plc控制能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能，所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统设计的灵活性及控制系统的可靠性。本设计以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。1.2洗衣机发展概况世界上第一台洗衣机于1858年诞生，但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。1874年,“手
5、洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人发明了木制手摇洗衣机。1880年，美国发明了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。1910年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，美国改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。1932年，美国研制成功第一台前装式滚筒洗衣机。1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。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都是波
6、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,但对衣服的磨损很大,随着人们生活水平不断地提高，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。洗衣机产品可以分三类：普通型、半自动型和全自动型。普通型和半自动型洗衣机，都需要人为参与操作，才能完成洗衣、甩干、排水全过程；而全自动洗衣机在整个洗涤、甩干、排水过程中，无需人为操作和监控。国内外洗衣机品牌有海尔、小天鹅、荣事达、松下、惠而浦水仙、lg、熊猫、西门子、日立。1.3洗衣机的分类及工作原理1.3.1洗衣机的分类（1）按结构形式分：单桶、双桶、多
7、桶型。（2）按洗涤方式结构原理分：.滚筒式洗衣机：衣物半浸没于水中，滚筒作有规律的间歇的正反转动，滚筒内凸筋把衣物带至高处再跌下，起揉搓作用，进行洗涤。类型：前装式滚筒洗衣机。顶装式滚筒洗衣机。波轮式（涡卷式）洗衣机（也称日本式洗衣机）：优点：结构简单，体积小，重量轻，操作方便，耗电量少，洗净率高。缺点：漂洗衣物不均匀，损衣率高。搅拌式或摆动（叶）式洗衣机：洗衣机有一根主柱，由电动机带动摆动叶绕定轴作周期往复运动，每次转动角度小于360度。其他：喷流式、喷射式、振动式等，市场上比较少见。（3）按自动化程度分：普通型洗衣机：搅拌动作为电动机带动正转、反转及停止定时器控
9、下的属于家用洗衣机：家用洗衣机主要由箱体、洗涤脱水桶（有的洗涤和脱水桶分开）、传动和控制系统等组成，有的还装有加热装置。洗衣机一般专指使用水作为主要的清洗液体，有别于使用特制清洁溶液，及通常由专人负责的干洗。普通型波轮洗衣机：结构：由洗衣桶、电动机、定时器、传动部件、箱体、箱盖及控制面板等组成。工作原理：依靠装在洗衣桶底部的波轮正、反旋转，带动衣物上、下、左、右不停地翻转，使衣物之间、衣物与桶壁之间，在水中进行柔和地摩擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。波轮式洗衣机：波轮式洗衣机中产生机械作用的主要部件是波轮。它设置在洗涤捅底，在电机的驱功下重复作“正转-停-反转-停-正转”运动。波轮旋转时
10、对洗涤液的作用力p可以分解为与转轴平行方向的轴向分力po及在波轮平面内的切向分力pt和径向分力pn。轴向分力可以减少衣物与波轮的摩擦；切向分力使洗涤液产生水平方向的涡流；径向分力将洗涤液甩向桶壁。使之沿捅壁上升，造成波轮中心区的负压。因压力差，四周的液体迅速向下流动，以弥补波轮四周的液体。这样就形成了洗涤捅内上下翻滚的流场。机械全自动洗衣机：结构：由电动程控器、水位开关、安全开关（盖开关）、排水选择开关、不排水停机开关、贮水开关、漂洗选择开关、洗涤选择开关等组成。工作原理：通过各种开关组成控制电路，来控制电动机、进水阀、排水电磁铁及蜂鸣器的电压输出，使洗衣机实现程序运转。特点：（1）、波轮
12、真正的全面洗涤性能。可以利用加热激活洗衣粉中的活性酶，充分发挥出洗衣粉的去污效能。由于用水量较小，可以在桶内形成高浓度洗衣液，在节水的情况下带来理想的洗衣效果。这种发源于欧洲的洗衣机是模仿棒锤击打衣物原理设计，利用电动机的机械做功使滚筒旋转，衣物在滚筒中不断地被提升摔下，再提升再摔下，做重复运动，加上洗衣粉和水的共同作用使衣物洗涤干净。滚筒洗衣机的发展最为成熟，多年来在结构上没有多少变化，基本是不锈钢内桶，机械程序控制器，经过磷化、电泳、喷涂三重保护的外壳，和两块笨重的水泥块用于平衡滚筒旋转时产生的巨大离心力，由于用料比波轮洗衣机好，所以寿命一般在15-20年，而以塑料件为主的波轮寿命一般只有
15、大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。（4）系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造，plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.5本课题研究的主要内容本课题需研制出可靠性高、易于操作的全自动洗衣机控制方法，该
16、系统采用plc控制，主要包括电动机正反转控制、离合器控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和联锁。研究的具体内容包括：（1）深入了解洗衣机的发展、结构及控制要求。（2）控制系统设计。包括硬件设计，plc的选择，各硬件模块的介绍，软件设计，编程方法。2系统硬件设计2.1系统简介2.1.1全自动洗衣机的工作原理以日常生活中最常见的波轮式全自动洗衣机为例，洗衣机的洗衣桶（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（甩水）用。内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。该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，通过电控系统使进水阀打
17、开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、低水位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。波轮式全自动洗衣机的实物示意图如图2-1所示。图2-1洗衣机示意图2.1.2系统的控制要求plc投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。（1）按下启动按钮后，进水电磁阀打开并开始进水。达到高水位时停止进水，进入洗涤状态。（2）洗涤
19、态软件设计两部分部分。而软件设计是核心内容。一般来说，plc控制系统有以下三种类型。（1）plc构成的单机系统这种系统的被控对象是单一的机器生产或生产流水线，其控制器是由单台plc构成，一般不需要与其他plc或计算机进行通信。但是，设计者还要考虑将来是否有联网的需要，如果有的话，应当选用具有通信功能的plc。如图2-2所示。图2-2plc单机控制图（2）plc构成的集中控制系统这种系统的被控对象通常是数台机器或数台流水线构成，该系统的控制单元由单台plc构成，每个被控对象与plc指定的i/o相连。由于采用一台plc控制，因此，各被控对象之间的数据、状态不需要另外的通信线路。但是，这种系
20、统也有一个缺点，一但plc出现故障，整个系统将停止工作。对于大型的集中系统，通常采取冗余系统克服上述缺点。如图2-3所示。图2-3plc集中控制图（3）plc构成的分布式控制系统这类系统的被控对象通常比较多，分布在一个较大的区域内，相互之间比较远，而且，被控对象之间经常的交换数据和信息。这种系统的控制器采用若干个相互之间具有通信能力的plc构成，系统地上位机可以采用plc，也可以采用工控机。如图2-4所示。图2-4plc分布式控制图由于本次设计的系统只有1台被控电机以及数量不是很多的其他被控对象，采用plc集中控制方法，单台plc进行多个对象的控制，只要适当的选用plc，完全能够完成
21、任务。2.3系统控制主电路洗衣机plc控制主电路图如图2-5所示。图2-5主电路图在主电路中我们主要是考虑如何控制交流电机运转和怎么实现电路保护。主电路的三相电源经隔离开关qs、主电路熔断器fu1、交流接触器km1、km2的主触头、热继电器fr的加热元件到三相异步电动机m构成主电路。通过接触器线圈得电控制其主触点的接通，能实现电动机正反转。该主电路既实现短路或过载保护。2.4plc控制系统设计2.4.1plc的发展概况和发展方向（1）plc的发展概况plc自1969年问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现
22、、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。世界上plc产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的plc技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的plc产品有明显的差异性。而日本的plc技术是由美国引进的，对美国的plc产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型plc上。美国和欧洲以大中型plc而闻名，而日本则以小型plc著称。目前，世界上有200多个厂家生产plc，较有名的：美国：通用电气、莫迪康公司；日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国：西门子公司；法国：施耐德公司；韩国：三星、lg公司等。（2）plc
23、的发展方向目前，国外plc制造商不断推出新产品。西门子最初推出s5系列，然后推出s7系列；三菱开始是f系列，fx系列，现在是a系列（a1、a2、a2x）。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。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。plc在闭环过程控制中应用日益广泛。不断加强通讯功能。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ra
24、m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。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。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。追求软硬件的标准化。2.4.2plc的选型（1）输入输出(i/o)点数的估算i/o点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展。（2）存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器
25、容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量i/o点数的10-15倍，加上模拟i/o点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。（3）控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。运算功能简单plc的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通plc的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复
26、杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型plc中还有模拟量的pid运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在plc中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和pid运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。控制功能控制功能包括pid控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。plc主要用于顺序逻辑控
27、制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高plc的处理速度和节省存储器容量。例如采用pid控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、asc码转换单元等。通信功能大中型plc系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如tcp/ip），需要时应能与工厂管理网（tcp/ip）相连接。通信协议应符合iso/ieee通信标准，应是开放的通信网络。plc系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（rs232c/422a/423/485）、rio通信口、工业以太网、常用dcs接口等；大中型plc通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗
28、余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。plc系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1mbps，通信负荷不大于60%。plc系统的通信网络主要形式有下列几种形式：pc为主站，多台同型号plc为从站，组成简易plc网络；1台plc为主站，其他同型号plc为从站，构成主从式plc网络；plc网络通过特定网络接口连接到大型dcs中作为dcs的子网；专用plc网络（各厂商的专用plc通信网络）。为减轻cpu通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。编程功能离线编程方式：plc和编程器共用一个cpu，编程器在编
29、程模式时，cpu只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，cpu对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：cpu和编程器有各自的cpu，主机cpu负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型plc中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（sfc）、梯形图（ld）、功能模块图（fbd）三种图形化语言和语句表（il）、结构文本（st）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标
32、c一般采用这种整体式结构。整体式plc由不同i/o点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有cpu、i/o接口、与i/o扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或eprom写入器相连的接口等。扩展单元内只有i/o和电源等，没有cpu。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式plc一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。模块式plc是将plc各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如cpu模块、i/o模块、电源模块（有的含在cpu模块中）以及各种功能模块。模块式plc由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式plc的特点是配置
33、灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型plc一般采用模块式结构。还有一些plc将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式plc。叠装式plc其cpu、电源、i/o接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。按功能分类。根据plc所具有的功能不同，可将plc分为低档、中档、高档三类。低档plc具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
34、中档plc除具有低档plc的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程i/o、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、pid控制等功能，适用于复杂控制系统。高档plc除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档plc机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。按i/o点数分类。根据plc的i/o点数的多少，可将plc分为小型、中型和大型三类。小型plc的i/o点数在256点以内；单cpu、8位或16位处理器、用户存储器容量
35、4k字以下。如：ge-i型美国通用电气（ge）公司ti100美国德洲仪器公司f、f1、f2日本三菱电气公司c20c40日本立石公司（欧姆龙）s7-200德国西门子公司ex20ex40日本东芝公司sr-20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司中型plc的i/o点数256-2048点；双cpu，用户存储器容量2-8k。如：s7-300德国西门子公司sr-400中外合资无锡华光电子工业有限公司su-5、su-6德国西门子公司c-500日本立石公司ge-ge公司大型plc的i/o点数在2048点以内；多cpu，16位、32位处理器，用户存储器容量8-16k。
36、如：s7-400德国西门子公司ge-ge公司c-2000立石公司k3三菱公司按输出形式分类。r-继电器输出(有触点，可带交直流负载)；s-双向晶闸管输出（无触点，带交流负载）；t-晶体管输出（无触点，带直流负载）。经济性的考虑。选择plc时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对cpu选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选
37、用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。由于三菱fx2n系列的plc在小型控制系统中比较占有优势和市场，本次设计也是小型的控制系统，并且我们学习的也是三菱fx2n系列的plc，所以我们采用我们熟悉的三菱fx2n系列的plc来控制该系统。2.4.3fx2n功能介绍fx2n系列:是三菱plc的fx家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。控制规模：16-256点（基本单元：16/32/48/64/80/128点）。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
38、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：0.08s/指令；应用指令:1.52s-100s/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。2.4.4fx2n规格型号fx2n系列plc的技术指标包括一般技术指标、电源技术指标、输入技术指标、输出技术指标和性能技术指标。如表2-1给出了性能技术指标。表2-1
39、fx2n性能技术指标运算控制方式存储程序反复运算方法（专用lsi），中断命令输入输出控制方式批处理方式（在执行end指令时），但有输入输出刷新指令运算处理速度基本指令0.08s/指令应用指令（1.52s-数百s）/指令程序语言继电器符号+步进梯形图方式（可用sfc表示）程序容量存储器形式内附8k步ram，最大为16k步（可选ram，epromeeprom存储卡盒）指令数基本、步进指令基本（顺控）指令27个，步进指令2个应用指令128种298个输入继电器x000-x267（8进制编号）184点合计256点输出继电器x000-x267（8进制编号）184点辅助继电器一般用m000-m4995
40、00点锁存用m500-m1023524点，m1024-m30712048点合计2572点特殊用m8000-m8255256点状态寄存器初始化用s0-s910点一般用s10-s499490点锁存用s500-s899400点报警用s900-s999100点定时器100mst0-t199（0.1-3276.7s）200点10mst200-t245（0.01-327.67s）46点1ms（积算型）t246-t249（0.001-32.767s）4点100ms（积算型）t250-t255（0.1-32.767s）6点模拟定时器（内附）l点计数器增计数一般用c0-c99（0-327
41、67）（16位）100点锁存用c100-c199（0-32767）（16位）100点增/减一般用c220-c234（32位）20点计数用锁存用c220-c234（32位）15点高速用c235-c255中有：1相60khz2点，10khz4点或2相30khzl点，5khzl点数据寄存器通用数据一般用d0-d199（16位）200点寄存器锁存用d200-d511（16位）312点，d512-d7999（16位）7488点特殊用d8000-d8195（16位）106点变址用v0-v7，z0-z7（16位）16点文件寄存器通用寄存器的d1000以后可每500点为单位设定
42、文件寄存器（max7000点）指针跳转、调用p0-p127128点输人中断、计时中断i0口-i8口9点计数中断i010-i0606点嵌套（主控）n0-n78点常数十进制k16位：-32768+32767；32位：-2147483648+2147483647十六进制h16位，0-ffff（h）；32位：0-ffffffff（h）2.4.5i/o分配洗衣机i/o分配表如表2-2所示。表2-2i/o分配表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x1启动按钮sb0y0正转接触器km1x2停止按钮sb1y1反转接触器km2x3高水位限位开关sq0y2进水电磁阀ya1x4低水位限位开关sq1y3排水电磁阀ya2x5手动排水按钮sb2y4电磁离合器ya3（脱水）y5报警蜂鸣器ha2.4.6plc接线图plc接线图如图2-6所示，图2-6中的1、2标号与主电路的交流220v