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基于三菱FX3U系列PLC的全自动洗衣机控制系统设计

本文主要介绍了基于三菱FX3U系列PLC的全自动洗衣机控制系统,包括总体设计思想、原理分析、工作流程设计、硬件控制电路的设计、梯形图程序的设计等内容,全面地阐述了设计方案。

本文主要介绍了基于三菱FX3U系列PLC的全自动洗衣机控制系统,包括总体设计思想、原理分析、工作流程设计、硬件控制电路的设计、梯形图程序的设计等内容,全面地阐述了设计方案。实现全自动洗衣机的控制系统有多种,可以采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路。近年来随着科技的飞速发展,单片机、PLC的应用也越来越广泛。

前言

选题的背景意义

从古至今,洗衣服都是一项难以逃避的家务运动。随着时代的进步,手摇洗衣机、蒸汽洗衣机、内燃机洗衣机相继出现,到了20世纪末,电动洗衣机已经走进千家万户,解放了人们的双手。随着科技的迅速发展,微电脑控制的全自动洗衣机的出现引领了新的发展方向,使洗衣更加智能化。 全自动洗衣机的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。这类洗衣机都采用套筒式结构,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。

PLC的简介

PLC的概念

PLC,英文名称为Programmable Logic Controller,中文名称为可编程控制器,是一种工业控制装置,是在电器控制技术和计算机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,将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。 国际电工委员会(IEC)对PLC作出了以下定义:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备,都应按易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

PLC的结构组成

微处理器(CPU)

CPU模块相当于人的大脑,它不断地采集输入信号,执行用户程序,刷新系统的输出,接收并存储用户程序和数据,诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误,接收输入信号,送入数据寄存器并保存,运行时读取、解释、执行用户程序,完成用户程序的各种操作,将用户程序的执行结果送至输出端。

存储器

具有记忆功能的半导体电路,分为系统程序存储器和用户存储器。 系统程序存储器用以存放系统程序,包括管理程序,监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器组成。厂家使用的,内容不可更改,断电不消失。 用户存储器:分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器(RAM)组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源,寿命一般为3~5年。

输入输出模块

输入和输出模块简称为IO模块,它们是系统的五肢,是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯等输出设备,模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器的执行装置。

接口电路

PLC接口电路分为IO扩展接口电路和外设通信接口电路两类。 IO扩展接口电路连接IO扩展单元,可以用来扩充开关量IO点数和增加模拟量的IO端子。采用并行接口和串行接口两种电路形式。根据被控制对象对PLC控制系统的技术和要求,确定用户所需的输入、输出设备,以此确定PLC的IO点数。 通信接口电路用于连接手持编程器或其他编程器、文本显示器并能组成PLC的控制网络。PLC通过PCPPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接,可以实现编程、监控、联网等功能。

电源

PLC内部配有一个专用于开关式稳压电源,将交流直流供电电源转化为PLC内部电源需要的工作电源(5V直流)。当输入端子为非干接点结构时,外部输入元件提供24V直流电源。

PLC的特点

PLC具有以下特点:

  • 无触点免配线,可靠性高,PLC作为一种通用的工业控制器,对工作的环境要求较低,抗干扰能力强,平均无故障时间长。

  • **通用性强,控制程序可变,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的各种模块增多,可以满足不同的控制要求,使PLC的使用更加灵活多变。

  • **功能强,性价比高。**一台小型可编程控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件,有很强的功能,可以实现非常复杂的控制要求。与相同功能的继电器系统相比,具有很高的性价比。

  • **编程简单,容易掌握。**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容易掌握。

  • **维修工作量小,维护方便。**可编程控制器的故障率很低,而且有完善的自诊断和显示功能。可编程控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据可编程控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障原因,迅速地排除故障。

全自动洗衣机的工作原理和控制要求

工作原理

波轮式洗衣机的工作原理,是由电机通过皮带减速驱动波轮旋转,定时器或电脑控制波轮正反转搅动水、洗涤剂和衣物,被洗涤的衣物,在洗涤桶中在波轮旋转的机械作用、洗涤剂水溶液的化学作用下,通过正反转往复搅动揉搓衣物达到去除污渍洗净衣物的目的。波轮式洗衣机的特点是,洗净比比较高,相应磨损率比滚筒式洗衣机高。适用于洗涤一般的棉、麻、化纤等织物。

工作流程

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,在电动机的驱功下重复作“正转——停——反转——停——正转……”运动,在水流的带动下将衣服洗净。

全自动洗衣机的硬件设计

元器件的选择

PLC的选择

本设计所用PLC采用日本三菱公司生产的FX3U系列机型中的FX3U-32MR,此PLC含有16个输入点,16个输出点,共计32个输入输出点,输出形式是继电器型。FX3U系列是三菱FX系列PLC家族中最先进的系列,由于FX3U系列具备如下特点:最大范围的包容了标准特点,程序执行更快,全面补充了通信功能,适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块,拥有强大的灵活性和控制能力。

电动机的选择

本洗衣机的电动机选用了家用电器常用的单相电容运转式异步电动机。选择YY104-180型单相电容运转式异步电动机,额定功率360W,额定电压220V,额定转速1350r/min,额定电流1.7A。

电路设计

主电路设计

控制电路设计

在主电路和控制电路中,FU为熔断器,其作用是过载保护和短路保护; QS为空气开关,作用是控制洗衣机电源通断; KM1和KM2是交流接触器,其线圈分别控制电动机M的正反转; FR为热继电器,其作用是起电路的过载保护; YA1和YA2分别是进水电磁阀和排水电磁阀,分别控制洗衣机的进水和排水; SQ1、SQ2、SQ3和SQ4分别是低水位感应开关、中水位感应开关、高水位感应开关和零液位传感器,作用是检测当前的水位; BZ是蜂鸣器,用于洗衣结束报警。

PLC I/O分配表

元件 PLC地址 作用
SB1 X0 电源开关按钮
SB2 X1 启动按钮
SB3 X2 低水位按钮
SB4 X3 中水位按钮
SB5 X4 高水位按钮
SQ1 X5 低水位感应开关
SQ2 X6 中水位感应开关
SQ3 X7 高水位感应开关
SQ4 X10 零液位传感器
L1 Y0 电源指示灯
L2 Y1 低水位指示灯
L3 Y2 中水位指示灯
L4 Y3 高水位指示灯
KM1 Y4 电机正转接触器
KM2 Y5 电机反转接触器
YA1 Y6 进水电磁阀
YA2 Y7 排水电磁阀
BZ Y10 蜂鸣器

全自动洗衣机的软件设计

程序流程图

graph TB;
	on((开始))-->selectWater(选择水位)-->start[开始洗涤]-->openWater[打开进水电磁阀]-->isWaterOK{水位是否到达设定位置}
	isWaterOK-->|是|closeWater[关闭进水电磁阀]
	isWaterOK-->|否|openWater
	closeWater[关闭进水电磁阀]-->wait3s[等待3秒]-->wash_motorForward3s
	subgraph 洗涤
		wash_motorForward3s[电机正转3秒]-->wash_wait1s_1[等待1秒]-->wash_motorReverse3s[电机反转3秒]-->wash_wait1s_2[等待1秒]-->wash_loop+1[循环次数加1]
		wash_loop+1-->iswashLoop10times{循环次数达到10次}
	end
	iswashLoop10times-->|否|wash_motorForward3s
	iswashLoop10times-->|是|drainopen[打开排水电磁阀]
	subgraph 脱水;
		drainopen-->isWaterdrained{水是否排干}
		isWaterdrained-->|否|drainopen
		isWaterdrained-->|是|drain_motorForward30s[电机正转30秒]
		drain_motorForward30s-->drain_wait3s[等待3秒]-->drainoff[关闭排水电磁阀]
	end
	drainoff-->warn10s[报警10秒]-->off((结束))

该程序主要包括以下步骤:

  1. 按下开关,选择(高、中、低)水位,按下开始按钮开始放水。
  2. 水位到设定的位置时,等待3秒,开始洗涤。
  3. 电机正转3秒后停止,等待1秒,电机反转3秒后停止,等待1秒,如此循环10次。
  4. 开始排水,水位到达下限位时开始脱水。
  5. 电机正转30秒后停止。
  6. 报警10秒,自动停止。

梯形图程序设计

  • 开机,按下电源按钮,电源指示灯亮起。

  • 选择水位,按下低、中、高水位按钮选择水位,对应水位指示灯亮起。

  • 开始运行,按下开始按钮,洗衣机开始工作。

  • 放水,洗衣机打开进水电磁阀,开始放水,当到达设定水位时关闭进水电磁阀,停止放水。

  • 洗涤,到达设定水位后,3秒后开始洗涤,电机正转3秒,停1秒,电机反转3秒,停1秒为一个循环,如此循环10次后停止。

  • 排水,洗涤完之后,打开排水电磁阀,开始排水。

  • 脱水报警,当水位下降到零液位传感器时,开始脱水,电机正转30秒,脱水完成,洗衣机报警10秒后,洗衣机停止运行。

结论

综上全文所述,本文对PLC的工作原理、基本结构等作出了介绍,根据洗涤的要求采用三菱FX3U系列PLC中的FX3U-32MR设计出了全自动洗衣机系统。在设计过程中,阅读了相关的资料和文献,学习到了很多的知识,在流程图的设计,梯形图的绘制,以及功能的扩展等方面都有了进步,弥补了之前学习时在这方面的短缺。在实际设计过程中出现了不少问题,随着深入的研究和资料的查阅慢慢的掌握了设计的原理和经验。 总之,经过这次的设计,我在理论课程的应用、电路的设计、程序的设计等许多方面都得到了一定的经验。

参考文献:

[1]王阿根主编.PLC控制程序精编108例.北京.电子工业出版社.2009年

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