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基于PLC控制全自动洗衣机毕业设计论文

淄博机电高等专科学校

毕业设计论文

论文题目：

全自动洗衣机的控制设计

系部自动控制系

专业电气自动化技术

班级P13电气自动化一班

学生姓名崔康平

学号201303220035

指导教师樊晓珂

2016年05月15日

摘要

本文描述了采用可编程控制器（PLC）作为核心控制部件，并利用计算机进行模拟监控的全自动洗衣机控制系统。

文章介绍了洗衣机的结构，对全自动洗衣机的控制系统进行了分析，在此基础上提出了基于PLC的全自动洗衣机控制方案，并对方案进行了论证，根据洗衣机的工作原理，设计了流程及程序，对按钮，等其它一些输入/输出点进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。

由于洗涤，排水，脱水的时间均由PLC内计数器控制，所以只要改变定时器参数就可以改变时间。

对其中软件设计、硬件设计等问题进行了分析和研究，实现了全自动洗衣机的正常运行、简易模式及强制性停止功能。

具有智能化程度高、安全可靠、方便、灵活等特点。

关键词：

PLC自动定时器控制

Abstract

Thispaperdescribestheuseofprogrammablelogiccontroller（PLC）asthecorecontrolunit,andmonitoringtheuseofcomputersimulationcontrolsystemforautomaticwashingmachine.Thispaperintroducesthestructureofthewashingmachine,fullautomaticwashingmachinecontrolsystemisanalyzed,onthisbasiswasproposedbasedonfullyautomaticwashingmachinePLCcontrolprogram,andademonstrationprogram,accordingtothewashingmachineworkingprinciple,designaprocessandprocedures,buttons,andothersomeinput/outputcontrolpointstoachievetheautomationoftheprocessofwashinglaundry.Aswashing,drainage,dewateringofthetimebythecounterwithinthePLCcontrol,solongastheparameterscanchangethetimertime.Onwhichsoftwaredesign,hardwaredesignissuessuchasanalysisandresearch,toachievethenormaloperationoftheautomaticwashingmachine,simplepatternsandmandatorystopfunction.Withahighdegreeofintelligence,secure,reliable,convenientandflexible.

Keyword:

PLCautomaticTimercontrol

目录

第1章绪论

本章阐述了毕业论文选题的背景意义、洗衣机的发展历史以及自动化控制在工业生产和生活中所体现的应用价值，包括目前的应用范围及发展的前景。

1.1选题背景意义

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。

但是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洗衣机的发展历史

从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打……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。

1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战——有人发明了木制手摇洗衣机。

发明者是美国人比尔·布莱克斯。

布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。

这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。

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。

到1911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。

电动洗衣机几经完善，在1922年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。

这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。

搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。

不过10年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。

这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！

直至今日，滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。

随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。

首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。

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。

至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。

20世纪60年代以后，洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列，家庭普及率迅速上升。

此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。

60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。

70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。

70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，让人耳目一新。

到80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚……进入90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。

此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。

1.3控制系统的选择

现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。

PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC 在其他领域也得到了迅速的发展。

在发达的工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，在我国有越来越多的行业领域开始应用到PLC。

PLC的应用领域主要有数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等几个方面。

1.4本次毕业设计主要研究的内容

本次毕业设计是利用西门子S7-200PLC对洗衣机进行全自动控制，掌握STEP7-Micro的用法，制作整个洗衣过程监控界面，对电动机及其他设备进行实时监控。

在实现以上全部功能的前提下，再对监控界面的控制功能作进一步研究，监控界面的控制功能就是不在现场的情况下，对现场的设备进行控制。

第2章全自动洗衣机控制系统的控制要求

2.1全自动洗衣机的工作原理

2.1.1控制系统的组成

洗衣机的工作流程由进水，洗涤，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。

全自动洗衣机中，这四个过程可做到全自动运行，直至洗衣结束。

全自动洗衣机的进水、洗涤、排水和脱水是通过水位开关、洗涤电机、电磁进水阀和电磁排水阀配合进行控制，从而实现自动控制的。

水位开关用来控制进水到洗衣机内高、中、低水位；电磁进水阀起着通/断水源的作用。

进水时，电磁进水阀打开，降水注入；排水时，电磁排水阀打开，降水排出；洗衣时，洗涤电动机启动，正反转交替进行；脱水时，脱水桶启动。

其示意图如下图所示：

图2.1系统结构框图

在图2.1中可以看出，此次设计根据全自动洗衣机的工作原理,由于现实生活中的排水与脱水所用功率不同（洗涤电机功率小，脱水电机功率大）因此洗涤与脱水应选用不同的电机。

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利用了西门子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,实现了洗衣机洗衣过程的自动化。

2.2设备控制要求

这里将有两个程序供选择

I、全程序过程

[1]打开总开关，设置水位（高/中/低），选择档位（300/200/100）。

[2]按下启动按扭，开始进水直到水满（即水位达到所设置的水位）时停止进水开始洗涤。

[3]洗涤时，正转30秒，停4秒，然后反转30秒，停4秒。

[4]如此循环（300/200/100）次后，开始排水。

[5]排水30S后开始脱水，脱水20S。

[6]重复[2]到[5]三次。

[7]清洗完成，报警3秒并自动停机。

[8]若按下停车按扭，可实现手动停止进水，排水脱水及报警。

II、简易程序：

[1]打开总开关，选择档位——简易程序。

[2]按下启动按扭，开始进水直到水满（即水位达到所设置的水位）时停止进水开始洗涤。

[3]洗涤时，正转30秒，停4秒，然后反转30秒，停4秒。

[4]如此循环200次后，开始排水。

[5]排水30S后开始脱水，脱水20S。

[6]重复[2]到[5]一次。

[7]清洗完成，报警3秒并自动停机。

[8]若按下停车按扭，可实现手动停止进水，排水脱水及报警。

第3章硬件的理论与设计

本章将给出本次设计的洗衣机电路原理图和各个主要器件的具体介绍和说明。

原理图中包括了供电回路图和控制回路图。

元器件除PLC以外还包括了继电器组和变频器等。

3.1全自动洗衣机整体结构图

如3.1图为洗衣机的整体硬件结构，包括洗衣机的控制面板、进水口、水位探测器、洗涤电机等。

控制界面按钮包括：

简易模式切换、高水位按键、中水位按键、低水位按键、高中低挡按键选择（300/200/100）、手动排水、手动脱水等按键。

在洗衣机水桶的内部分别装有高、中、低水位传感器（水位探测器）当选择水位按键时，例如选择中水位探测器，则水注入到中水位传感器附近时就会自动停止注入。

图3.1全自动洗衣机示意图

3.2硬件设计

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。

如图3.2：

图3.2洗衣机的主控线路

图中“正转”、“反转”、“脱水”为控制电动机电源方向的三个继电器组，它们的线圈分别与PLC的输出端“Q0.2”“Q0.3”“Q0.4”相连，受控于PLC的输出信号。

其中正转组和反转组是通过变频器的限制后接入电动机的，因此，改变变频器参数就可以改变洗涤和漂洗时的速度。

而脱水继电器组直接与电源和电动机相连，这样，当洗衣机处于脱水状态时，电动机按额定转速工作。

所以，在演示时转速会和洗涤漂洗有所区别。

3.3继电器

3.3.1继电器在控制系统中的作用

继电器是一种基本的电气设备，它用来打开或关闭一定数量互相独立的电路。

这种操作是利用由电压控制的线圈绕组所产生的电磁场来实现的。

当输入量达到一定值时，输出量将发生跳跃式的变化的自动控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在控制系统中起着自动调节、安全保护、转换电路的作用。

通过有电流流过线圈时产生电磁感应，使触点吸合，没有电流流过线圈的时候触点断开来实现各种信号隔离和输出控制的。

一般在仪表去控制现场大功率电器设备时，由于仪表或控制系统的卡件触点承受不了很高的电流或电压，就采用继电器作为中间执行器，接收到控制系统的控制信号后去执行系统控制指令，或强电设备给弱点系统控制信号时也需要用它来隔离高压信号，输出干触点信号，反之亦然，另外由于继电器的型号很多，可以满足不同电压不同信号的需要，可以作到长期可靠的工作。

3.3.2电磁继电器的选择原则

选用电磁继电器的一般步骤：

作为选用继电器的第一步，是确定其应用分类，由此初选一种在给定条件下曾经有过成功应用的继电器类型，然后按下列步骤使所选用的继电器最适用于规定应用。

按照输入的信号确定继电器的种类，不同作用原理或结构特征的继电器，其要求输入的信号的性质是不同的。

例如热继电器是利用热效应而动作的继电器；声继电器是利用声效应而动作；而电磁继电器则是由控制电流通过线圈产生的电磁吸力而实现触点开、闭。

按使用环境条件选择继电器型号，环境适应性是继电器可靠性指标之一。

使用环境和工作条件的差异对继电器性能有很大的影响。

根据负载情况选择继电器触点的种类与参数，与被控电路直接连接的触点是继电器的接触系统。

国内外长期实践证明，约百分之七十以上的故障发生在触点上。

这除了与继电器本身结构与制造因素密切相关之外，未能正确选用和使用也是重要因素之一。

根据控制要求确定触点组合形式，如需要的是常开还是常闭触点或转换触点；根据被控回路多少确定触点的对数和组数；根据负载性质与容量大小确定触点有关参数。

3.4可编程序控制器

3.4.1可编程控制器的基本概念与基本结构

随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。

I、可编程控制器的基本概念

国际电工委员会对PLC作了如下定义：

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、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设备，都应按以于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

II、可编程控制器的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成，PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。

[1]CPU模块

CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。

在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。

[2]I/O模块

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块它们是联系系统外部设备和CPU模块的桥梁。

[3]编程器

编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监控用户程序的执行情况。

手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序。

一般用于小型机或用于现场调试和维护。

使用编程软件可以在计算机上直接生成梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。

程序被编译后通过PC/PPI电缆可以下载到PLC中去，也可以将PLC当中的程序上传到计算机当中来。

[4]电源

PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源。

内部的开关电源为各种模块提供不同电压等级的直流电源。

3.4.2可编程控制器的基本特点

可编程控制器具有编程方法简单易学、功能强大、性价比高、硬件配套齐全，用户使用方便、适应性强、可靠性强、抗干扰能力强、系统的设计、安装、调试工作量少、维护工作量小、维护方便、体积小、能耗低等特点。

3.4.3S7-200系列PLC

西门子公司的SIMATICS7-200系列属于小型PLC，可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。

由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。

S7-200的可靠性非常高，可以用语句表、梯形图和功能块图编程。

它的指令丰富，简单易学，内置有高速计数器、告诉脉冲输出和PID控制器等特殊功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间。

S7-200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从RS-485通信/编程接口通讯到自由口模式通讯，从PPI协议通讯到MPI协议通讯，从简单的S7-200

3.4.4PLC接线图

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的外部接线设计如下图：

图3.3全自动洗衣机PLC接线图

由于现实生活中的排水与脱水所用功率不同（洗涤电机功率小，脱水电机功率大）因此洗涤与脱水应选用不同的电机。

因此该图的右部的脱水处应加一个电机，正转、反转处也应加上电机。

1、PLC主机

选择西门子S7-200系列PLC作为此全自动洗衣机的控制主机。

在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等之分。

选择了CPU224作为其主机即可满足全自动洗衣机的控制要求。

2、启动按钮

启动按钮用来控制全自动洗衣机开始工作与否，一般地，在用户在洗衣机内放入衣服，且已经准备好开始洗衣服之后，按下启动按钮，全自动洗衣机开始洗衣。

3、停止按钮

停止按钮用来控制运行中的全自动洗衣机停止工作与否。

在洗衣服的过程中，用户需要停止洗衣机，就可以直接按下停止按钮，洗衣机即会停止工作。

4、高水位

高水位是指洗衣机在洗衣过程中，洗衣机筒内保持的水位高低，一旦选择了高水位，则在洗衣过程中的水位将保持系统设定下的三个水位中的高水位。

这里，在操作面板上，用一个按钮来设置高水位，按下按钮表示选择高水位。

本水位适合于洗涤大量衣服。

5、中水位

中水位是指洗衣机在洗衣过程中，洗衣机筒内保持的水位的高低，是相对于高水位和低水位来说的，在洗衣机系统的初始设计中，设计了三种水位，这个是三个水位中间的一个水位。

在操作面板上，用一个按钮来设置中水位，按下按钮表示选择中水位。

本水位适合洗涤中量的衣服。

6、低水位

低水位是指洗衣机在洗衣过程中，洗衣机筒内保持的水位的高低，是三个水位中较低的一个，是同样可以完成洗衣过程。

本水位适合于洗涤少量的衣物。

7、高强度洗涤

该强度下洗涤电机会正反转300次，全体循环3次，适用于高程度脏的衣物的洗涤。

8、中强度洗涤

该强度下洗涤电机会正反转200次，全体循环3次，适用于中等程度脏的衣物的洗涤。

9、低强度洗涤

该强度下洗涤电机会正反转100次，全体循环3次，适用于低程度脏的衣物洗涤。

10、简易按钮

当按下简易按钮时，选择了简易模式，洗衣机自动按照简易模式洗衣服。

在本模式中，洗涤电机会正反转200次，全体循环两次。

简易模式中适合一般衣物的洗涤，更方便快捷的让用户使用。

在洗衣机衣服的模式中，与水位的选择一样，用户只能同时选择一种模式，

需要说明的是，标准模式与简易模式的选择必须在用户一开始洗衣之前完成。

11、高水位探测器

高水位探测器用来检测洗衣机水位是否已经达到了高水位。

采用数字量输出式水位探测器这样就可以直接将高水位探测器的输出直接送到PLC主机的数字量输入端口上。

12、中水位探测器

中水位探测器用来检测洗衣机水位是否已经达到了低水位。

采用数字量输出式水位探测器这样就可以直接将中水位探测器的输出直接送到PLC主机的数字量输入端口上。

13、低水位探测器

低水位探测器用来检测洗衣机水位是否已经达到了低水位。

采用数字量输出式水位探测器这样就可以直接将中水位探测器的输出直接送到PLC主机的数字量输入端口上。

14、进水电磁阀

进水电磁阀用来控制洗衣机的进水。

当然洗衣机需要外界进水时，PLC主机发出控制信号，进水电磁阀会打开，水自动从外界送入洗衣机筒内，当水已经达到了设定的水位时，PLC主机发出信号自动关闭进水电池阀，同时控制洗衣机进入下一个洗衣步骤。

15、电机正转接触器

电机正转接触器用于PLC主机控制洗衣机电机的正转。

可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接电机正转接触器，在洗衣机洗衣服的过程中，电机会正转与反转同时轮流进行。

16、电机反转接触器

电机反转接触器用于PLC主机控制洗衣机电机的反转。

可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接电机反转接触器，在洗衣机洗衣服的过程中，电机会正转与反转同时轮流进行。

17、排水离合器

排水离合器用于PLC主机控制洗衣机机筒内的排放。

选用数字式离合器，可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接到排水离合器，当洗衣机在完成洗衣或者漂洗后，需要将机筒内的脏水排出机筒，此时，PLC主机发出控制命令打开排水离合器，进行排水。

18、脱水离合器

洗衣机洗衣服的最后一道工序就是对衣服进行脱水，脱水电磁离合器正是用于PLC主机控制洗衣机进行脱水，脱水需要电机带动机筒旋转，有了电磁离合器后，就可以直接使用PLC主机的数字量输出端口来控制电磁离合器，最终达到控制脱水执行电机的目的。

在脱水过程不涉及电机的调速问题，因此，用PLC主机加电磁离合器这样一种比较觉得简单的方式就可以完成控制任务。

19、报警器

报警器用来指示洗衣机洗衣过程结束的声音提示。

采用工业用直流供电的报警器，这样就可以直接用PLC主机的数字量输出端口来控制报警器。

3.5洗衣机的力控组态仿真界面

图3.4全自动洗衣机控制系统组态示意图

如图3.4所示，为全自动洗衣机的示意图包含部分控制面板，利用力控Forcecontrol6.1作出的组态示意图，在全自动洗衣机工作前先设置进水的位置（如选择高水位），按下高水位按钮，接着选择洗衣机需工作的时间（工作时需正反转循环的次数，分别为100次、200次、300次），高档位代表所需正反转循环的次数为300次，中档位代表所需正反转循环的次数为200次，低档位代表所需正反转循环的次数为100次，这样可以逐步减少洗涤的次数。

假如选择中档位，将需要清洗的衣服放入里面，然后按下启动按钮，洗衣机内部开始进水到高水位置，此时高水位传感器的灯亮，进水停止，开始洗涤。

正转30s停4s，反转30s停4s，如此循环200次开始排水30s，再脱水20s，算是一个循环，然后从进水开始再循环一次为洗衣结束。

洗衣完成脱水成功后报警3s钟洗衣机自动停止。

在操作控制界面上有一个简易模式开关，该键的作用的就是让整个洗衣的过程简单化，例如洗涤一较小的衣物，或是洗涤夏季衣物。

当按下“简易模式”时，洗衣机会自动切换到循环次数较少的程序完成洗涤。

如果中途有紧急情况下或不想利用全自动洗衣功能时，可以直接按下停止按钮，此时可实现手动停止进水、排水、