PLC洗衣机设计

1、第1章 绪论1.1设计背景洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。在工业生产中的应用也十分广泛，本课题在于工业用洗衣机的研究，工业洗衣机适用于洗涤棉、毛、化纤、丝绸等衣物织品。水磨洗涤机可用于服装厂水洗牛仔服及丝绸等衣物。工业用洗衣机适用于宾馆、饭店、医院、学校、工厂等领域，满足大容量的洗衣要求。传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了。洗衣机需要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。而随着PLC技术的发展，用PLC作为控制器，就能很好地满足全自动洗衣机对自动化的要求，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应

2、用而有所不同。自动化技术的飞速发展使得洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机，又正在向智能化洗衣机方向发展。 1.2洗衣机的发展和现状从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，在洗衣机出现以前，这项劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是辛苦劳累。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

3、，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。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。全自动洗衣机的特点是能自动完成洗涤

4、，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。从控制方式的发展阶段上分，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

5、台。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、日立好用。1.3

6、设计的内容及意义本设计是基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计，采用西门子公司的S7-200系列的PLC作为核心控制部件，利用其特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入/输出点进行控制，实现洗衣机洗衣过程的自动化。首先需要对全自动洗衣机的控制系统进行分析，进行流程图和梯形图的设计，并进行仿真测试。为了能更直观的显示出整个自动控制过程，本设计运用组态王软件建立一个全自动洗衣机的监控系统画面。本文的课题源于市场上的洗衣机产品。传统的洗衣机采用继电器控制，而大多数继电器的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强，但其容易损坏，产生噪音，耗能大。也有采用单片机控制的洗衣机，单片机系统的特点是结构简单，

7、处理速度快，但其对环境的适应能力较低，可靠性差，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，而且功能单一，只具有使用中所需要的功能，硬件较为复杂。PLC系统的优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快。为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，为了避免传统控制和单片机控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。 PLC具有以下优点：（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

8、，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）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容易掌握，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连接，深受工程技术人员欢迎。（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而

9、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。全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路、保护电路以及通讯联网功能。因此在运用中硬件也相对简单，大大提高了控制系统的可靠性。另外它的编程语言也相对简单。其次，它能实现脱机手动工作，联机自动就地工作，上机控制的单周期运行方式，自动启动、自动停机控制方式。第2章 系统总体分析2.1 PLC工作特点PLC的高可靠性和强抗干扰性，平均无故障时间一般可达35万小时，而且PLC的环境适应 性

10、也很能强，这是PLC得到广泛应用的重要原因之一。编程简单，PLC最常用的编程语言是梯形图语言。梯形图与继电器原理图类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便灵活。在大型PLC中还有高级编程语言以满足各种不同控制对象和不同使用人员的需要。通用性强，各个PLC的生产厂家都有其各种系列化的产品、各种模块供用户选择。用户可根据控制对象的规模及控制要求，选择合适的PLC产品，组成所需要的控制系统。在进行应用设计时，一般不再需要用户制作其它任何附加装置，从而使设计工作简化。体积小、结构紧凑、安装维修方便，PL

11、C体积小，重量轻，便于安装。一般PLC都具有自诊断、故障报等、故障种类显示等功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易通过更换模块插件来迅速排除故障。它与被控制对象的硬件连接方式简单、接线少，便于维护。归纳起来，PLC的特点有：(1)可靠性高、抗干扰能力强，而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。(2)编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。(3)设计安装容易，维护工作量少。(4)适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀等场合。(5)与外部设备连接方便，采用统

12、一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同端子功能适合于多种电气规格。PLC是按继电接触线路原理设计的。其等效的内部电器及线路与继电接触线路相同。由PLC定义可知，它与一般计算机的结构相似，也有中央处理单元（CPU）、存储器（MEMORY）、输入/输出（INTUT/OUTPUT）接口、电源部件及外部设备接口等。但是由于PLC是专为在工业环境下应用而设计的，为便于接线、便于扩充功能、便于操作及维护，它的结构及组成又与一般计算机有所区别。根据全自动洗衣机的工作原理,洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水和脱水四个过程组成。在半自动洗衣机中，这四个过程分别用相应的按扭开关来控制。利用可编程控制器PLC实现

13、控制,用于说明PLC控制的原理方法、特点及工作特色。此次全自动洗衣机控制系统设计需要利用西门子S7-200系列PLC的特点,对按鈕、电磁阀、开关等其他一些输入/输出点进行控制,实现洗衣机洗衣过程的自动化。2.2工作原理 按下启动按钮后先进水，等达到高水位后，启动洗衣马达4分钟，如在洗衣过程中发现水位低于高水位，则停止洗衣马达转动并报警，并在水位达到高水位后，在启动洗衣马达，洗衣结束后启排水动排水开关，带水位达到高水位后，则启动脱水马达转动两分钟，如此重复三次，要求在每一次动作之间有2秒间隔，高水位由传感器检测，再次用两个开关模拟水位传感器，当水位高于高水位，或低于低水位时，两个开关的状态分别为

14、0。第3章 硬件设计3.1硬件电路设计硬件设计的整体思路就是通过PLC输出的数字信号控制继电器组，达到控制电路的目的。控制电路的组成主要包括：可编程控制器、继电器组和连接电路（变频器）。其中，继电器为主要执行模块，PLC所发出的数字指令控制继电器线圈，而继电器的开合直接控制电源电路，实现对电动机的控制。另外，变频器在电路中控制洗涤时的电机转速，不作为必要装置。在此控制系统中，PLC是控制核心，外部多种输入信号如启动按钮、高中低水位检测等信号采样进来，经过PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，提供多种输出信号来控制进水阀、出水阀动作，和控制电机驱动装置进而控制正反转和脱水运行。PLC用定时器记录正

15、反转时间，脱水时间和报警时间，用计数器记录正反转次数和脱水次数，可以很容易地通过更改PLC定时器和计数器的参数，来满足不同的洗涤条件和要求。根据以上要求，基于PLC的全自动洗衣机控制系统框图如图3-1所示。图3-1 全自动洗衣机控制系统框图PLC在系统中处于中心位置，启动、停止信号和水位开关是PLC的输入信号，进水阀，排水阀，电动机和脱水桶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，电动机的工作状态也由控制中心PLC给定信号来决定，而电动机的正反转状态直接决定洗衣机的洗涤状态和脱水状态。系统的硬件电路图如图3-2所示。图3-2 硬件电路图 3.2 I/O储存

16、器容量的估算PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于12KB之间。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略地估算。PLC内存容量为开关量I/O点数、模拟量I/O点数和程序编写的质量所增加的内存容量综合。根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下：开关量输入元件：1020B/点开关量输出元件：510B/点定时器/计数器：2B/个模拟量：100150B/个通信接口：一个接口一般需要300B以上根据上面算出的总字节数再考虑增加25%左右的备用量

17、，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。该系统有11个数字输入点6个数字输出点，需内存280B，有定时器7个，计数器2个，需内存18B，考虑余量后需要内存370B。3.3 CPU的选型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。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。该控制系统CPU模块可采用CPU-224（AC/D

18、C/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S7-200系列整体式PLC，CPU模块为CPU-224（AC/DC/继电器）模块。PLC的框架配置图如3-4所示。图3-3 PLC框架配置图3.4 PLC的外围接线图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的外部接线进行设计。PLC的外围接线图如图3-5所

19、示。在图3-4中，PLC的各个I/O地址分别与全自动洗衣机控制系统所有的输入信号和输出信号连接起来，注意电源和接地的连接。图3-4 PLC外部接线图3.5 系统资源分配1. 输入地址分配根据不同的PLC配置情况确定I/O地址是PLC编程的前提与基础，程序中的地址必须与实际物理连接点一一对应，才能确保动作的正确执行。这个控制系统的输入有启动按钮、停止按钮、高水位选择开关、中水位选择开关、低水位选择开关、手动排水开关、自动排水开关、高水位传感器、中水位传感器、低水位传感器、水排空传感器共11个输入点。现在根据全自动洗衣机的实际工作状态对PLC控制系统的输入地址进行分配。具体的输入地址分配如表3-1

20、所示。表3-1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2. 输出地址分配这个控制系统需要控制的外部设备有进水电磁阀、排水电磁阀、洗涤电动机、脱水桶、报警器共5个设备。但是由于洗涤电动机有正转和反转两个状态，分别为正转继电器和反转继电器，所以输出点应该有6个。具体的输出分配如表3-2所示。表3-2 输出地址分配表输出地址对应的外部设备Q0.0进水电磁阀Q0.1排

21、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脱水桶Q0.5报警器3. 内部元件地址分配全自动洗衣机的工作过程中，需要用到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元件地址进行分配。内部地址分配表归纳如表3-3所示。表3-3 内部地址分配表定时器/计时器对应的功能T37进水暂停计时T38 正洗计时T39正洗暂停计时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大循环计数第4章 软件设计4.1 编程软件编程软件采用西门子公司设计的编程软件STEP-Micro/Win32。当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作

22、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，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 在输入采样阶段，可编程逻辑控制器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映象区中的相应的单元内。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。 在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依

23、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。4.2 程序流程图设计PLC 投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。按下启动按钮时开始进水，水满(即水位到达高水位)时停止进水，2s后开始正转洗涤。正转洗涤30s后暂停，暂停2s后开始反转洗涤。反转洗涤30s 后暂停，暂停2s 后，若正、反洗涤未满5次，则返回从正转洗

24、涤开始的动作; 若正、反洗涤满5 次时，则开始排水,同时浑浊度传感器检测衣物洗净程度。排水水位若下降到低水位时，开始脱水并继续排水，同时，衣质传感器对衣质进行检测。脱水30s即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。若未完成5次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行自动停机。若按下停止按钮，可以手动排水和手动脱水。全自动洗衣机正常运行流程图如图4-1所示。图4-1 正常运行流程图强制停止流程图如图4-2所示。图4-2 强制停止流程图4.3 PLC控制顺序功能图设计顺序功能图，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，它是一种通用的技术语言。顺

25、序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分 配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。这种顺序功能图适合用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。全自动洗衣机控制系统PLC控制状态流程图如图4-3所示。 图4-3 PLC控制顺序功能图第5章 系统仿真5.1 S7-200 V4.0的仿真软件该仿真软件可以仿真大量的S7-200指令（支持常

26、用的位触点指令、定时器指令、计数器指令、比较指令、逻辑运算指令和大部分的数学运算指令等，但部分指令如顺序控制指令、循环指令、高速计数器指令和通讯指令等尚无法支持。仿真程序提供了数字信号输入开关、两个模拟电位器和LED输出显示，仿真程序同时还支持对TD-200文本显示器的仿真，在实验条件尚不具备的情况下，完全可以作为学习S7-200的一个辅助工具。另外，仿真软件还有读取CPU和扩展模块的信息、设置PLC实时时钟、控制循环扫描次数等功能。软件的主界面如图5-1所示。 图5-1 S7-200仿真软件主界面图中灰色部分为是CPU 224类型的PLC面板可显示CPU运行状态和I/O点的状态，灯亮为1，灯

27、灭为0。CPU224的右边空白方框是扩展模块的位置，双击空白方框即可进行模块配置选择，根据需要可选择各种数字量和模拟量的扩展模块。CPU模块的下方是用于输入数字量信号的小开关面板，具有和CPU224对应的14个输入点，单击面板中的开关按钮可使其0，1状态切换，在CPU面板上的模拟LED灯对应灭，亮。开关面板下方的SMB28,SMB29是两个直线电位器，分别是CPU224的两个8位模拟量输入电位器对应的特殊存储器字节，可左右拖动滑块来设置它的值，范围在0-255之间。5.2 仿真测试（1）CPU选型执行图中菜单命令“configuration”“CPU Type”，在CPU型号对话框中选择自己对

28、应的CPU型号，CPU224。如图5-2所示。图5-2 CPU选型框（2）程序的下载仿真软件不能直接接收S7-200程序代码，在STEP7-Micro/WIN中将程序编译并导出成ASCII文本文件（扩展名为awl），文件名为：全自动洗衣机.awl。然后在S7-200仿真软件中使用工具栏的下载按钮即可将导出的文件下载到仿真软件当中进行仿真测试。加载成功后，在仿真软件中的AWL和KOP观察窗口中就可以分别观察到加载的语句表程序和梯形图程序。下载框如图5-3所示。图5-3 文件下载框（3）仿真测试在仿真软件中点击工具栏上的按钮，启动运行，使仿真PLC切换到RUN模式开始仿真测试。仿真结果图如图5-4所示。图5-4 仿真结果图5.3仿真结果分析由图5-4 仿真结果图可以得知：单击面板中的开关按钮0、2使其状态切换到到1，CPU面板上的模拟LED灯1对应亮，再单击面板上的开关按钮7（高水位传感器）使其状态切换到1，CPU面板上的模拟LED灯1灭，模拟LED灯2对应亮。在实际操作中相当于按下启动按钮、高水位选择开关后，进水阀打开，开始进水。进水完成后，高水