全自动洗衣机PLC控制系统设计 (2).doc

摘 要随着人们生活水平的不断提高，洗衣机已经作为一件必备实用的家用电器进入了千家万户。人们对洗衣机依赖性的加强也必然要求着洗衣机的各相性能得到同步加强，要求着洗衣机适应各种不同使用环境的能力得到进一步提升。近年来，可编程控制器在我国的迅速发展，它所具有的功能性强、可靠性高、配制方法灵活等特点是其它控制器所无法匹敌的，因此，它被越来越广泛的应用于各类工业控制领域并加快了向民众生活进军的步伐。本文利用SIMATIC S7-200可编程控制器实现了洗衣机的全自动控制，说明了PLC控制的原理方法,特点及控制洗衣机的特色,实现进水、洗衣、清水、脱水、排水的全自动控制。在介绍洗衣机结构的同时，对洗衣机的控制系统的总体功能进行了阐述，并提出了洗衣机硬件的各组成模块及详细的硬件模块设计方案。由于每遍的洗涤，排水，脱水的时间由PLC内计数器控制，所以只要改变计数器参数就可以改变洗涤时间。关键词：洗衣机；全自动；可编程逻辑控制器；控制Abstract With the continuous improvement of living standards, the washing machine as an essential and practical household appliances into thousands of households. The dependence of the strengthening of the washing machine is also an inevitable requirement for the performance of the washing machine to be synchronous to strengthen, for washing machine ability to adapt to different environment to further enhance. In recent years, the programmable controller in Chinas rapid development, it has strong function, high reliability, preparation method flexibly is unmatched by other controller, therefore, it is more and more widely used in various types of industrial control field and to speed up the life of the people marching pace. In this paper, using SIMATIC S7-200 programmable controller to realize the automatic control of washing machine, explains the principle and method of PLC control, characteristics and control characteristics of the washing machine, water washing, dehydration, water, drainage, automatic control. In the structure of the washing machine at the same time, the overall function of the control system for washing machine is discussed, and the washing machines hardware modules and the detailed design of hardware modules. Because each time washing, drainage, dewatering time by PLC in counter control, so long as the counter parameters can change the washing time.Key words: Washing machine ; Automatic ; Programmable logic controller ; control目 录第1章 绪论11.1 洗衣机的发展概况11.2 全自动洗衣机的分类及特点11.3 全自动洗衣机的应用现状31.4 设计全自动洗衣机的意义4第2章 全自动洗衣机总体方案设计6 2.1全自动洗衣机工作系统简介6 2.1.1洗涤脱水系统6 2.1.2 排水和进水系统6 2.1.3电动机及传动系统6 2.1.4 检测系统8 2.2 全自动洗衣机的工作方式8 2.3 全自动洗衣机设计的主要内容8 2.4全自动洗衣机设计的具体要求8 2.4.1正常运行8 2.4.2 强制停止8第3章 硬件电路设计9 3.1 PLC简介及控制特点9 3.1.1 PLC简介9 3.1.2 PLC控制的特点93.2 控制器I/O点数统计123.3 PLC的选择133.3.1 PLC模块型号的选择133.3.2 CPU功能与结构的选择133.4 各种状态下部分输出器动作关系143.5 PLC硬件接线设计14第4章 软件系统设计164.1 I/O端口分配164.1.1 输入地址分配164.1.2 输出地址分配164.1.3 内部元件地址分配16 4.2 全自动洗衣机的动作流程174.2.1 正常运转流程174.2.2 强制停止流程19 4.3系统程序设计及运行过程分析19 4.3.1 PLC控制顺序功能19 4.3.2 系统程序设计21结论与展望28参考文献29致谢30附录31V第1章 绪论1.1 洗衣机的发展概况从古到今，洗衣服都被人们视为较为劳累的家务活之一。在洗衣机出现以前，人们洗衣服常常都是用手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。这些简单重复的体力劳动，留给人的感受却是辛苦劳累。直至1858年，世界上第一台洗衣机诞生，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，“手洗时代”受到了前所未有的挑战美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。1880年，美国又出现了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。之后，水力洗衣机，内燃机洗衣机也相继出现。1911年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，电动洗衣机迎来一种崭新的洗衣方式搅拌式。搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。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。70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人耳目一新。90年代，由于电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。1.2 全自动洗衣机的分类及特点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。所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。全自动洗衣机从结构上分可分为：波轮式，搅拌式，滚筒式。目前，国内市场上销售的大都是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。滚筒式洗衣机具有如下性能：1、更好的软化衣物纤维，减小洗涤过程中衣物的损伤和变形，并且还可以使洗后的衣物柔软而蓬松。2、提高温度来洗涤可充分溶解洗衣粉，加快洗衣粉中弱酸性物质与污物的化学反应速度，提高洗衣粉中酶的活性，同时有利于溶解汗渍，血渍，降低灰尘，油污的粘附作用，从而可在同样的洗净比下大幅度降低洗涤过程对机械力的需求。3、温度高有利于污物在水中的扩散。4、高温能有效的杀死一些细菌。没有加温洗涤的波轮式洗衣机无论怎样的水流，要达到一定的洗净比，都必须有足够的机械力，而机械力对衣物是由损伤的，这就决定了波轮式洗衣机的磨损率大大高于滚筒式洗衣机。各种新水流基本原理是一样的，就是尽量以紊乱的水流减小衣物的缠绕，增大水流的冲刷力以用于洗涤，与以前依靠衣物与桶壁和衣物相互之间的摩擦方式相比，水流冲刷对衣物的损伤较小。滚筒式洗衣机有如下特点：1、磨损低，没有缠绕，机械传动部分简单可靠，寿命长于波轮式洗衣机。2、自动化程度高，可以自动投放洗衣粉，漂白粉等，为不同质地的棉制品，化纤制品，羊毛制品设计了不同的洗涤程序和洗涤温度，使洗涤更为科学。设有防皱浸泡功能，可将洗好的衣物浸泡在清水里，到晾晒前再甩干，避免衣物甩干后不能及时取出晾晒而起皱。3、省水，省洗衣粉。滚筒式洗衣机不需要水位高过衣物，从而可节约用水，并可减少洗衣粉的投放量。4、高温洗涤有一定的灭菌作用。5、洗涤过程噪声小，滚筒式洗衣机属封闭式洗涤，可以有效屏蔽内桶转动声和水流声；而波轮式洗涤的水流声，脱水内桶转动声是不可避免的且刹车装置和电磁阀动作声音也很大。由于滚筒式洗衣机的价格大大高于波轮式洗衣机，所以波轮式洗衣机仍然受到普遍欢迎。波轮式洗衣机的特点：1、水流方面。现在波轮式全自动洗衣机出现了一种新水流的形式。如LG的拳击棒，松下的双瀑布，荣事达的网络水流等都采用了这种水流。2、程序控制器。新推出的波轮式全自动洗衣机均采用单片机程序控制器，原来的机械式程序控制器基本上已被淘汰。各厂家生产的各种型号的波轮式全自动洗衣机的控制程序有所不同。如在模糊控制的洗衣机中，单片机通过采集水位传感器，布量传感器，光传感器的信号以及电动机的转速，判断出衣物的质地，多少，赃物程度，从而自动调整对衣物进行合理的洗涤。3、不锈钢内桶。波轮式洗衣机采用了不锈钢内桶，减小衣物和内桶壁摩擦力，从而减轻衣物的磨损。4、同心洗。同心洗是直接把电动机轴与洗衣桶主轴同心安装，直接驱动。使洗涤和脱水时洗衣桶振动减小，噪声降低。5、变频波轮式洗衣机可以对不同质地的衣物自动选择不同的电动机转速，从而给不同质地的衣物以恰当的洗涤强度，在保证洗得干净的同时，也最大限度地降低衣物的磨损。同时还可以在脱水甩干时，由慢到快地启动，使衣物在桶内分布均匀，脱水效果好，同时由于衣物均匀分布在洗衣桶的四周，洗衣桶的重心落在轴心上，可以减小振动，降低噪声，但是价格较贵。波轮式全自动洗衣机通常都采用将洗涤（脱水）桶套装在盛水桶内的同轴套桶式结构，虽然它们各自牌号和型号都不同，但其结构都是由洗涤，脱水系统，进，排水系统，电动机和传动系统，电器控制系统以及支撑机构5大部分组成的。支撑机构主要有箱体，吊杆及控制台组成，它除了安装和连接洗衣机的各种零件外，还具有减振及防护，装饰的作用。从控制方式上分，全自动洗衣机可分为两大类：第一类：电动控制洗衣机。它的程序控制器由电动元件组成。第二类：电脑控制洗衣机。它的程序控制器由微型计算机组成。电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。随着计算机的及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。1.3 全自动洗衣机的应用现状目前，洗衣机是一种耳熟能详的家用电器，随着科技的进步，经过十几年的平稳发展，国产洗衣机无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同步。纵观国内洗衣机市场，高效节能、省水、省电、环保型洗衣机一直在市场上占主导地位。 洗衣机无论在质量、技术、功能还是在外观上面，谁更能接近于为人们的生活服务这一主题，谁就能得到长足的进步和发展。今后一段时间，以下几种洗衣机将是市场和消费者的最爱：高度自动化：从最初的单桶洗衣机到双桶、套桶洗衣机、全自动洗衣机，再到智能全模糊控制洗衣机。总之，每一次技术的进步都极大地推动了洗衣机自动化程度的提高。 品种多样化：波轮式、滚筒式和仿生搓洗式洗衣机满足了不同偏好的消费者的需求。 节能和健康化：现在的消费者在节能方面对家电提出了更高的要求，对于健康型洗衣机更是人们趋之若骛的首选。 大容量和微型化：大容量洗衣机满足了人们洗大件衣物的需求。同时，微型化洗衣机也备受青睐，如市场上出现的15公斤、25公斤不等的海尔小小神童洗衣机，可以满足少量衣物即时洗的需要。 在今后一个时期内，家用电动洗衣机的产品性能质量将是企业竞争的焦点，开发新型的产品是竞争获胜的主要手段。今后，家用电动洗衣机将朝着多功能、节电、节水方向发展。多功能主要表现在以下几个方面：1、去污能力的多样化。如去除蛋白质、皮脂、血渍、奶渍、咖啡、果汁的能力。2、洗涤容量的多样化。洗涤容量可以从05kg到13kg。3、控制方式的多样化。如机械定时器、电动程控器、电子程控器、模糊电脑控制。4、外观造型多样化。为适应不同消费层次的需求，洗衣机的外观形状及颜色将是各种各样的。 节电、节水是今后我国家用全自动动洗衣机发展的主流。目前，我国正在修订的国标GB4288已将用电量、用水量指标列入了其考核的主要指标。另外，为了引导消费和指导洗衣机制造企业的设计和制造，新国标GB4288将洗净比、用电量、用水量、噪声、含水率、寿命这6个主要性能指标进行分等级考核，即以上6个指标分别分为A、B、C、D4个级别。消费者可根据自己的需要选择不同级别的产品。而且全自动洗衣机的生产技术在不断创新，不断成熟，价格也在不断下降，随着人们的购买能力不断增强，全自动洗衣机将会越来越多的走进千家万户，所以目前市场上有很大的发展空间。1.4 设计全自动洗衣机的意义 传统的洗衣机采用继电器控制的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强。但是，这也是随之带来的一些问题，如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏，而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。这种电路接线多，只适用于小型的控制电路。而利用PLC控制的全自动洗衣机的好处有很多：1、可靠性高，抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。2、配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、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。PLC控制的全自动洗衣机以其固有的优点赢得了很多的消费者的信赖，它将是现在到未来的热门产品，所以有必要开发和改善现有的全自动洗衣机。我们应用最先进的科技技术，投入最少的资金对其进行研发改进。目前随着PLC价格下降，PLC的应用不断普及，而且PLC本身又具有：可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、体积小、功耗低、便于维护等特点，使得PLC成为工控领域的首选控制器，所以可以应用PLC进行全自动洗衣机的研发，从而达到洗衣机自动化控制，必将赢得更多消费者的青睐。第2章 全自动洗衣机总体方案设计2.1 全自动洗衣机工作系统简介2.1.1洗涤脱水系统主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。盛水桶固定在钢制底板上，通过4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm左右）新水流两类。2.1.2排水和进水系统波轮式全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。为了对桶内的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。波轮式全自动套桶洗衣机使用最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关3部分组成，用来监视水位的高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。自动打开香蕉阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。2.1.3电动机及传动系统波轮式全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，离合器又有普通离合器和减速离合器两种。其中普通离合器用在采用小波轮的套桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同，目前各种大波轮新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤，漂洗时波轮的转速较慢，而脱水时离心桶的转速较快。电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源，普遍采用主，副绕组完全对称的电容式电动机。由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电动机的功率较大。2.1.4 检测系统排空检测:排空检测是用来检测洗衣机排水系统是否排空水。2.2 全自动洗衣机的工作方式普通洗衣机的工作流程示意图如图2-1所示:开始进水洗衣排水脱水结束图2-1 普通洗衣机的工作流程洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水和脱水4个过程组成。在半自动洗衣机中，这4个过程分别用相应的按钮开关来控制。全自动洗衣机中，这4个过程可做到全自动依次运行，直至洗衣结束。全自动洗衣机的洗衣桶（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，用于脱水。内桶的周围有很多小孔，使内外桶的水流相通。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，通过电控系统使进水阀打开，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，将水由外桶排除到机外。洗涤的正转、反转由洗涤电动机拖动波轮正、反转来实现，洗涤和清漂时，脱水桶不旋转。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、中、低水位开关分别检测洗衣桶内的高、中、低水位。按所需要功能悬着洗涤方式、洗涤过程和水位后，按启动按钮，洗衣机按所选择的要求进行洗涤，过程完成后声响报警停止工作。2.3 全自动洗衣机设计的主要内容本设计主要着重于全自动洗衣机的控制，要求洗衣机能实现全自动进水、洗涤、排水、脱水、报警，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。该系统采用西门子S7-2OO 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。2.4 全自动洗衣机设计的具体要求全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“强制停止”两种控制方式。2.4.1 正常运行全自动洗衣机控制系统正常运行控制方式如下：1、按下电源按钮，系统默认标准循环洗、高水位。2、根据所需要求进行水位选择。水位选择要求按动水位按钮一次，进行一次水位选择，按照高、中、低循环式选择，某个水位被选择时，对应水位指示灯点亮。3、按下启动按扭，洗衣机开始进水，水位直到选中水位时停止进水开始进行洗涤。4、洗衣机洗涤时，正转30秒，停两秒，然后反转30秒，停2秒，如此循环5次，总共320秒开始排水。5、水位下降到低水位时开始脱水并继续排水，脱水30秒，开始清洗，重复过程（2）-（4），清洗两遍，清洗完成，报警3秒并自动停机。2.4.2 强制停止全自动洗衣机控制系统强制停止控制方式如下：1、洗衣过程中，按下启动/暂停按钮，暂停洗衣，即洗涤电机和脱水桶停转，进水电磁阀和排水电磁阀全部闭合。2、再按启动/暂停按钮，系统从暂停点处开始运行。或用手动排水开关和手动脱水开关排水和脱水。第3章 硬件设计3.1 PLC 简介及控制特点3.1.1 PLC简介可编程序控制器，英文称Programmable Logic Controller，简称PLC。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。传统的继电器控制系统主要存在以下两个缺点，一是可靠性差，排除故障困难，因为它是接触控制，所以当触点发生磨损和断裂等损坏情况时很难做出相应处理；二是灵活性差，总体成本较高。继电器本身并不贵，但是控制柜内部的安装，接线工作量极大，工艺发生变化时相应的改动更是复杂。因此当市场需要适应新的变化时，PLC就应运而生了。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于1982年、1985年和1987年发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿，并在1987年2月对PLC作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。3.1.2 PLC控制的特点a. 可靠性高，抗干扰能力强工业生产一般对控制设备要求很高，应具有很强的抗干扰能力和高的可靠性，能在恶劣的环境中可靠地工作，平均故障间隔时间长，故障修复时间短。这是PLC控制优于微机控制的一大特点。例如日本的三菱公司F1、F2系列平均故障间隔时间长达30万h，而A系列的可靠性比F1、F2系列更高。在PLC设计中，可以从硬件和软件两方面采取措施，防止以上故障的发生，以提高其可靠性。主要措施有：硬件措施有：屏蔽:对电源变压器、CPU编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。滤波:对供电系统及输入/输出线路采用多种形式的滤波，如LC式型滤波网络，以消除高频干扰和削弱各种模块之间的相互影响。电源的调整与保护:对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压影响。隔离:在微处理器与输入/输出电路之间，采用光电隔离，有效地隔离输入/输出间电的联系，减少故障和误动作的可能。联锁:所有输出模块都受开门信号控制，而这个信号只在规定的各种条件都满足时才有效，这样就有效地防止了产生不正常输出的可能性。采用模块式结构:这种结构有助于故障情况下短时修复。设置环境检测和诊断电路:这种分电路与软件配合，可以实现灵活保护与故障指示等功能。软件措施有：故障检测:软件定期地检测外界环境，对诸如掉电、强干扰信号等情况能及时进行处理。信息保护和恢复:对偶发性故障只要故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息，一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的工作。设置了警戒时钟WDT:如果程序每循环执行时间超过了WDT规定时间，预示了程序进入死循环，立即报警。加强对程序的检查和检验:一旦程序有错，立即报警并停止执行。对程序及动态数据进行电池后备:停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会因此而丢失。这样，PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高。例如美国通用电气公司制成的PC控制模块平均无故障率可达1千万小时之多，组成系统后的平均无故障率可达4至5千万小时。b. 编程简单，使用方便这是PLC优于微机的另一个特点。目前大多数PLC采用继电控制形式的“梯形图编程方式”，即有传统控制线路的清晰直观，又适合电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，易于接受，与常用的汇编语言相比，更受欢迎。这了进一步简化编程，当今的PLC还针对具体问题设计了诸如步进梯形指令、功能指令等。PLC是为车间操作人员而设计的，一般只要很短时间的训练即能学会使用。而微电脑控制系统则要求具有一定知识的人员操作。当然，PLC的功能开发，需要有软件专家的帮助。c. 控制程序可变，具有很好的柔性在生产工艺流程改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只要改变程序就可以满足要求。所以PLC取代继电器控制，而且具有继电器所不具备的无可比拟的优点。因此PLC除应用于单机控制外，在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS），以至工厂自动化（FA）中也被大量采用。d. 功能完善现代PLC具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录和显示功能，使用设备水平大提高。 e. 扩充方便，组合灵活PLC产品具有各种扩充单元，可以方便地适应不同工业控制需要的不同输入输出点及不同输入输出方式的系统。为了适应各种工业控制需要，除了一些小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各个模块连接起来，系统的模块和功能可根据用户的需要自行组合。f. 减少了控制系统设计及施工的工作量由于PLC采用软件编程来达到控制功能，而不同于继电器控制采用接线来达到控制功能，同时PLC又能率先进行模拟调试，并且操作化功能和监视化功能很强，这些都减少了许多的工作量。g. 丰富的I/O接口模块为了实现与工业生产过程控制中的各种工业现场设备的相互连接，PLC除具有普通计算机的基本部分（如CPU，存储器等）外，还有丰富的I/O接口模块。对不同的工业现场信号（交流或直流，开关量或模拟量，电压或电流，脉冲或电位，强电或弱电），设计有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。由于PLC是工业控制的专用计算机，其结构紧密、坚固、体积小巧，并由于具备很强的抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现“机电一体化”较理想的控制设备。由于PLC具备了以上特点，它把微计算机技术与继电器控制技术很好地融合在一起，最新发展的PLC产品，还把直接数字控制（DDC）技术加进去，并具有监控计算机联网的功能。因而它的应用几乎覆盖了所有的工业企业，既能改造传统机械产品成为机电一体化的新一代产品，又适用于生产过程控制，实现工业生产的优质、高产、节能与降低成本。单片机系统的特点：（1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。（2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。（3）功能单一只具有使用中所需要的功能。但是，它结构简单，处理速度快。典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图3-1所示:PLC电 源输出接口输入接口CPU存储器通讯接口外部输入 外部输出内部设备 图3-1 PLC控制系统的硬件组成框图3.2 控制器I/O点数统计I/O点数是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上20%30%的备用量。该系统有11个数字输入点6个数字输出点，具体的输入输出见表3-1。表3-1 I/O点数统计表输入点输出点启动按扭进水电磁阀停止按扭排水电磁阀水位选择开关（高水位）洗涤电动机正转继电器水位选择开关（中水位）洗涤电动机反转继电器水位选择开关（低水位）脱水桶手动排水开关报警器手动脱水开关高水位传感器中水位传感器低水位传感器水排空传感器3.3 PLC的选择3.3.1 PLC模块型号的选择PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求、PLC结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。按PLC的输入输出点数可分为小型，中型，大型。全自动洗衣机控制所要求的控制功能简单，小型PLC就能满足要求了。3.3.2 CPU功能与结构的选择本次设计采用的是西门子S7-200系列小型可编程序控制器。S7-2OO可编程序控制器发展至今大致经历了两代：第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216。第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有4种不同结构配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224，CPU 226。除CPU 221以外，其他都可以扩展模块。SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机及I/O特性如表3-2所示：表3-2 22X系列PLC主机及I/O特性表型号主机输出类型主机输入点数主机输出点数可扩展模块数CPU 221DC/继电器64无CPU 222DC/继电器862CPU 224DC/继电器14107CPU 226DC/继电器24167该控制系统CPU模块可采用CPU-224（AC/DC/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带14个数字量输入点和10个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块。综上所述此次设计选用西门子S7-224型PLC。3.4 各种状态下部分输出器动作关系表3-3 各种状态下部分输出器动作关系进水电磁阀排水电磁阀脱水电磁阀电动机正转接触器电动机反转接触器报警蜂鸣器进水ONOFFOFFOFFOFFOFF洗涤正转OFFOFFOFFONOFFOFF洗涤反转OFFOFFOFFOFFONOFF清漂正转OFFOFFOFFONOFFOFF清漂反转OFFOFFOFFOFFONOFF排水OFFONOFFOFFOFFOFF脱水OFFOFFONONOFFOFF报警结束OFFOFFOFFOFFOFFON3.5 PLC硬件接线设计根据全自动洗衣机的控制要求，对系统控制的I/O点数进行了统计和PLC型号进行了选择，现根据以上的统计和选择对控制系统PLC的外部接线设计如图3-2所示。表3-4输入地址与对应的开关和传感器输入地址对应开关和传感器I0.0SB1I0.1SB2I0.2ST1I0.3ST2I0.4ST3I0.5SB3I0.6SB4I0.7ST4I1.0ST5I1.1ST6I1.2ST7结合图3-2与表3-4所示，ST4为高水位传感器，ST5为中水位传感器，ST6为低水位传感器，ST7位水排尽传感器，当选择好水位后，YV1打开开始进水，当水位到达相应水位时，相应的传感器送出ON信号否则为OFF,只有当水上升到与选择水位相开关一致时，YV1关闭停止进水，开始洗衣。 图3-2 PLC外部接线图第4章 软件系统设计4.1 I/O端口分配4.1.1 输入地址分配全自动洗衣机的输入分配表，见表4-1。表4-1 输入地址分配表输入地址对应的外部设备I0.0启动按扭I0.1停止按扭I0.2水位选择开关（高水位）I0.3水位选择开关（中水位）I0.4水位选择开关（低水位）I0.5手动排水开关I0.6手动脱水开关I0.7高水位传感器I1.0中水位传感器I1.1低水位传感器I1.2水排空传感器4.1.2 输出地址分配全自动洗衣机的输出分配表，见表4-2。表4-2 输出地址分配表输出地址对应的输出设备Q0.0进水电磁阀Q0.1排水电磁阀Q0.2洗涤电动机正转继电器Q0.3洗涤电动机反转继电器Q0.4脱水Q0.5报警器4.1.3 内部元件地址分配全制动洗衣机控制时，需用到PLC内部的计时器和计数器对其进行过程控制，现对控制中要用到的内部位元件地址分配表归纳如表4-3所示：表4-3 内部地址分配表定时器/计时器对应的作用T37 进水暂停计时T38正洗计时T39正洗暂停计时定时器/计时器对应的作用T40反转计时T41反转暂停计时T42脱水计时T43报警计时C50正反洗循环计数C51大循环计数4.2 全自动洗衣机的动作流程 4.2.1 正常运行流程全自动洗衣机正常运行时即洗衣机按照程序设定依次完成依次洗衣过程，从选择水位，按下启动按扭，开始进水直到水满（即水位达到高水位）时停止进水开始洗涤正转，洗涤时，正转20秒，停2秒，然后反转20秒，停2秒，如此循环5次，总共220秒开始排水，水位下降到低水位时开始脱水并继续排水，脱水30秒，开始清洗，重复以上过程，清洗两遍，清洗完成，报警3秒并自动停机。按照以上的工作流程，做出全自动洗衣机的正常运行工作流程图，见图4-1。开始脱水 计时30s选择水位按启动键洗衣2次进水洗衣报警水位到位计时3s 否否停止进水结束计时2s 否正转洗衣计时20s 否停止洗衣反转洗衣计时2s计时20s 否停止洗衣洗衣5次否否否 排水计时2s 是否排完 否图4-1 洗衣机正常工作流程图4.2.2 强制停止流程开始正常运行按动停止按钮洗涤电机和脱水桶停止转动，进水和排水电磁阀闭合打开手动排水阀排水打开手动脱水阀脱水结束图4-2 洗衣机强制停止流程图如图4-2所示，洗衣过程中，按下启动/暂停按钮，暂停洗衣，即洗涤电机和脱水桶停转，进水电磁阀和排水电磁阀全部闭合。再按启动/暂停按钮，系统从暂停点处开始运行。或用手动排水开关和手动脱水开关排水和脱水。4.3程序设计及运行过程分析4.3.1 PLC控制顺序功能顺序功能图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，他是一种通用的技术语言。全自动洗衣机控制系统PLC控制状态流程图见图4-3。M0.0 SM0.1 I0.0 I0.4 I0.2 I0.3Q0.0M0.1 进水 I0.4I0.2I0.2I1.1I1.7I1.0T37M0.2M0.3T38Q0.2M0.4T39M0.5T40Q0.3M0.6T41C50M0.7 进水完停2秒T37正转20秒T38正转完停2秒T39 C51C50反转20秒 T43T40反转完停2秒T41计数5次M1.0Q0.1M1.1T42Q0.4Q0.1M1.2C51M1.3T43Q0.5C50排水I1.2脱水30秒T42计数3次C51报警3秒图4-3 PLC控制状态流程图4.3.2 系统程序设计a. 梯形图的特点梯形图是PLC模拟继电器控制系统的编程方法。它由触点、线圈或功能方框等构成，梯形图左、右的垂直线称为左、右母线。画梯形图时，从左母线开始，经过触点和线圈（或功能方框），终止于右母线。在梯形图中，可以把左母线看作是提供能量的母线。触点闭合可以使能量流过，直到下一个元件；触点断开将阻止能量流过。这种能量流，我们称之为“能流”。实际上，梯形图是CPU仿真继电器控制电路图，使来自“电源”的“电流”通过一系列的逻辑控制条件，根据运算结果决定逻辑输出的模拟过程。梯形图中的基本编程元素有触点、线圈和方框。触点：代表逻辑控制条件。触点闭合时表示能量可以流过。触点分常开触点和常闭