1、全自动洗衣机一 XXXXX学院课 程 设 计 说 明 书设计题目: 全自动洗衣机控制系统设计（一）学生姓名： XXXXX 学 号： XXXXX 专业班级： XXXXX 指导教师： XXXXX 2012年12月12日 内容摘要 根据全自动洗衣机的工作原理,利用可编程控制器PLC实现控制,说明了PLC控制的原理方法,特点及控制洗衣机的特色。全自动洗衣机控制系统利用了西门子S7-200系列PLC的特点,对按钮,电磁阀,开关等其他一些输入/输出点进行控制,实现了洗衣机洗衣过程的自动化。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时间。可以把上面设定的程序时间定
2、下来,作为固定程序使用,也可以根据衣物的质地,数量及油污的程度来编程。只要稍作改变,就可以设计出诸如要多洗多甩的牛仔类衣物,充分表现现代家电品的实用性。 在洗衣机控制方面，在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器占主导地位。但继电器控制领域有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，PLC控制系统产生了。继1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期，从此，可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起
3、来了。在许多领域都有广泛的应用。PLC的 优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等，为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。 关键词：PLC; 全自动; 控制目 录第1章 引言 1第2章 概述 2 2.1选题背景 22.2全自动洗衣机发展概况 22.3控制系统的选择 3第3章 全自动洗衣机控制系统设计 53.1 系统描述53.2 主电路设计53.3 制定控制方案53.4 系统配置73.5 PLC外部接线图83.6 控制流程图 9第4章 全自动洗衣机控制系统设计 11 4.1各个模块的调试 11 4.2程序的整体
4、调试 11结论 16设计总结 17致谢18参考文献 19附录A20附录B25第1章 引言本课题主要着重于全自动洗衣机的控制，要求洗衣机能实现进水、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。控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期，且要降低成本。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
5、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。我设计的这个课题的控制要求：全自动洗衣机通过十一个输入信号的控制对全自动洗衣机进行控制，这十一个信号分别是：启动信号 停止信号 低水位设定信号 中水位设定信号 高水位设定信号 低水位检测信号 中水位监测信号 高水位监测信号 手动脱水信号 排空检测信号。当设定档位选择开关之后，通过相应档位检测开关将水添加到相应的水位。接下来将自动按照要求进行清洗过程：正转30秒，停两秒，然后反转30秒，停两秒；这要重复此过程5次之后，接下来排水，脱水
6、，在排水脱水的同时可以通过相应的手动开关进行控制。至此，是清洗的一个过程，如此循环两次之后，清洗就结束了。报警3秒之后，将自动停机。具体的工作过程，参见工作流程图。动作要求如下：1.按下启动按钮及水位选择开关，开始进水直到高（中、低）水位，关水；2.2秒后开始洗涤；3.洗涤时，正转30秒，停2秒，然后反转30秒 ，停2秒；4.如此循环5次，总共320秒后开始排水，排水后脱水30秒；5.开始清洗，重复1-4，清洗两遍；6.清洗完成，报警3秒并自动停机；7.若按下停车按钮，手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）。第2章 概述2.1选题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
7、缺少的家用电器。在工业生产中应用也十分广泛。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来作为控制器，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。2.2全自动洗衣机发展概况全自动洗衣机是一种除放、取衣物和开动洗衣机这三道手续外，其余洗衣各程序全部自动完成的设备。1874年美国的比尔布莱克斯通发明了木制手摇洗
8、衣机，这是世界上第一台人工搅动洗衣机。1911年美国人又研制了世界上第一台电动洗衣机。1920年美国的玛依塔格公司又把洗衣机的木制桶改为铝制桶体，第二年又把铝制桶体改为外层铸铝、内层为铜板的双层结构。1936年，他们又将搪瓷用于洗衣机桶体。与此同时，世界各地也相继出现了洗衣机。欧洲国家研究成功了喷流式洗衣机和滚筒式洗衣机。1932年后，美国一家公司研制成功了第一台前装式滚筒全自动洗衣机，洗涤、漂洗和脱水都在同一个滚筒内自动完成，使洗衣机的发展跃上了一个新台阶。这种滚筒洗衣机，目前在欧洲、美洲等地得到了广泛的应用。第二次世界大战结束后，洗衣机得到了迅速的发展，研制出具有独特风格的波轮式洗衣机。这
9、种洗衣机由于其波轮安装在洗衣桶底，又称涡卷式洗衣机。近几十年，在工业发达国家，全自动洗衣机制造技术又得到迅速发展，其年总产量及社会普及率均以达到相当高得水平。目前世界洗衣机年总产量近5000万台，而全自动洗衣机的产量呈增长趋势，在技术性能上正向着节水、节能、高效、结构更趋合理的方向发展。微电脑控制功能、新型的洗涤方式、高速脱水以及低噪音等方面都有了很大提高。近几年，我国的洗衣机制造技术得到迅速发展，从生产单桶波轮式、双桶波轮式洗衣机逐步向套桶波轮式全自动洗衣机和滚筒式全自动洗衣机方向发展，其中全自动洗衣机的年产量已占洗衣机总产量的10%左右。生产规模不断扩大，技术工艺日趋完善，产品质量稳步提高
10、，已生产出技术性能优良的多种牌号的全自动洗衣机供应市场。2.3控制系统的选择从满足全自动洗衣机控制系统的安全性、扩展性和可靠性方面考虑，目前常见的全自动洗衣机自动控制系统，主要有单片机控制、PLC控制、工业控制计算机集中控制等类型。随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8位单片机的普及，单片机全自动洗衣机系统由单片计算机及其外围芯片构成控制系统。虽然单片机本身小巧、功耗低，实时控制功能强，但是其软、硬件的开发必须借助于开发工具，系统调试困难，不具有自开发能力，且编写洗涤、脱水等程序相对复杂；在设计控制系统硬件时，要有多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等。这样
11、增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率，无形地增加了维修成本费用。 工业控制计算机全自动洗衣机控制系统是利用通用计算机的扩展槽或扩展区，设计应用系统硬件模板，如通讯板、I/O扩展板等测控功能板，与通用计算机构成一个用于完成预定测控功能的控制系统。其特点是系统有较强的软、硬件支持。利用通用计算机的软、硬件资源来支持控制系统进行工作，具有自开发能力，有较强的可视能力和数据处理能力，更适合于计算机集中控制系统应用。 PLC是一种新型的具有极高可靠性的通用自动化控制装置。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。其特点如下： 抗干扰能力强，可靠性极高。PLC是专为工业
12、控制设计的，采取了精选元器件及多层次抗干扰等措施，能适应工业现场的恶劣环境。 编程方便。PLC采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。 使用方便。PLC的结构不仅具有先进的通讯和输入、输出能力，而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力，使用户可以灵活组成各种规模和不同要求的控制系统。维护方便。PLC模块化的系统结构，使操作人员在维修时只需要更换插入式模板或其它易损部件即可完成，既方便又减少了影响系统运行的时间。设计、施工、调试周期短。用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行，缩短了周期。易于实现机电一体化。PLC的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高
13、，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。PLC控制洗衣机洗衣程序有独特之处。首先，它是一个顺序控制系统程序；其次，洗涤、漂洗、排水、脱水时间是由PLC内的计数器和定时器中参数控制的，只要改变它的参数太小就可改变整个程序时间长短；第三通过改变PLC的型号，可以根据衣物的质地、数量及脏污程度来实现标准洗洗、柔和洗的多功能；第四，通过修改洗衣程序可实现进水、洗涤、漂洗、排水 脱水的顺序控制，也可实现或洗涤、或漂洗、或脱水等单体控制；第五，在设计过程中，可以方便地加入相应的配套装置，如指示灯、蜂鸣器。通过以上分析、说明可知全自动洗衣机的控制系统是有多样性的，虽然各种控
14、制系统均可运用，但是必须考虑它的结构和成本。鉴于PLC的诸多优势，结合全自动洗衣机自动控制系统的需要，选择德国西门子公司生产的具有高性能价格比的S7-200系列可编程序控制器。第3章 全自动洗衣机控制系统设计3.1系统描述本文描述的是一种全自动洗衣机，它可以自动地完成洗衣的全过程。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，作脱水（甩干）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
15、排到机外。洗涤正转、反转由洗涤电机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水同并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电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。3.2 主电路设计家用洗衣机电相为单相电机，常采用电容启动，单相电机改变转向的原理是：副绕组的电流超前或者滞后于主绕组便可以正传或者反转。根据这个原理你可以调换主绕组或者副绕组的接线端即可。图3.1 单相电机正反转接线图3.3制定控制方案通常地，人们采用洗衣机来洗衣服需要经历洗涤、漂洗、排水、脱水等4个环节，而在全自动洗衣机中，这样的一个过
16、程全由PLC来完成。并且，全自动洗衣机需要其控制系统足够可靠，以避免洗衣机轻易出现故障。全自动洗衣机的简单工作过程如附图所示。其中，洗衣中的水位选择（高水位洗衣、低水位洗衣等）等方面需要在人们将衣服放入洗衣机洗衣服之后手动来选择。并且是必须选择的洗衣参数。当选择了一种洗衣参数后，按下启动按钮，洗衣机就会自动完成洗衣服的整个过程。全自动洗衣机系统中，PLC主要完成一下功能：1. 检测功能（1）检测洗衣时的水位：高水位或者是低水位的选择。（2）检测进水是否到了需要的水位，即进水是否完成。（3）检测排水是否已经完成。 2. 控制功能（1）控制进水、洗涤、排水、漂洗、脱水等洗衣机的动作。（2）控制洗涤
17、、漂洗、脱水等的时间长短。（3）控制洗涤、漂洗等的次数。（4）控制在洗衣机完成一个动作后到下一个动作的准确转换。（5）控制完成洗衣时的信号提示。3. 按钮功能（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。此全自动洗衣机系统中总共有8个数字量输入，6个数字量输出，共需14点I/O,根据I/O点数及程序容量，选择了CPU222作为其主机。（2） 启动/停止开关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
18、后，按下启动/停止开关，全自动洗衣机开始/停止洗衣。（3） 运行/暂停开关用来控制运行中的全自动洗衣机运行工作与否。在洗衣服的过程中，用户需要运行/暂停洗衣机，就可以直接按下运行/暂停开关，洗衣机即会运行/暂停工作。（4） 高水位/低水位开关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两个水位中的相对高一点的水位。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，是相对于高水位来说的，在洗衣机系统的初始设计中，设计了两种水位，这个是相对比较低的一个水位，但是同样可以完成洗衣过程。需要注意的是，用户在使用中，只能选择一种
19、水位高水位或者低水位，但是，但是在实际生活中，很有可能用户不小心同时按下了高水位按钮和低水位按钮，因此，在设计中必须要考虑到水位的互锁。（5） 高/低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。 (6)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。(7)电机正转接触器电机正转接触器用于PLC
20、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。(8) 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。（9) 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。（10） 脱水离合器洗衣机
21、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，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。（11） 蜂鸣器蜂鸣器用来指示洗衣机洗衣过程中的一些声音提示。采用工业用直流供电的蜂鸣器，这样就可以直接用PLC主机的数字量输出端口来控制蜂鸣器。3.4系统配置全自动洗衣机控制系统的输入有启动/停止转换开关、高/中/低水位设定开关、高/中/低水位检测开关、手动排水/脱水开关、排空检测开关共11个输入点。全自动洗衣机控制系统的外部设备有进水电磁阀、电机正转接触器、电机反转接触器、
22、排水离合器、脱水离合器、蜂鸣器共六个输出点。由于点数不多，考虑20%30%的余量，选用小型PLC便可实现，结合培训站的现有教学实验条件， 本次设计选择西门子S7-200系列的CPU224型的PLC，可以满足使用需求。输入、输出编程元件地址分配表分别如表3.1:表3.1 全自动洗衣机中PLC主机的I/O资源分配信号名称元件符号地址编码说明输入信号启动SB1I0.0启动停止SB2I0.1暂停高水位开关SB3I0.2高水位选择中水位开关SB3I0.3中水位选择低水位开关SB3I0.4低水位选择排空检测开关SQ1I0.5感应排空高水位检测开关SQ2I0.6感应高水位线中水位检测开关SQ3I0.7感应中
23、水位线低水位检测开关SQ4I1.0感应低水位线手动排水开关SB4I1.1手动控制排水选择手动脱水开关SB5I1.2手动脱水控制选择输出信号进水电磁阀YA1Q0.1进水控制电机正转接触器KM2Q0.2电机正转控制电机反转接触器KM3Q0.3电机反转控制排水电磁阀YA2Q0.4排水控制脱水离合器YA3Q0.5脱水控制报警器PB6Q0.6声音提示3.5 PLC外部接线图根据PLC主机的I/O资源分配以及PLC主机的硬件框图，则PLC主机的硬件接线图如图3.2。图3.2接线图3.6 控制系统流程图 全自动洗衣机控制系统的详细工作过程如下：洗衣机的进水、排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀执行。洗涤正转、反
24、转由洗涤电动机驱动波盘的正、反转来实现。脱水时，由脱水电磁离合器合上、排水电磁阀吸合，洗涤电动机正转进行甩干。洗涤完成由蜂鸣器报警。 洗衣机按下启动按扭和水位选择开关，开始进水，进水到规定高度，使水位开关接通，停止进水，2S后实现洗涤正转；洗涤正转30S后，停止洗涤，2S后开始洗涤反转；洗涤反转30S后，2S后计数器加1，累计洗涤次数；若未满5次则重复进行洗涤，直至洗涤达到5次（共320 s），开始排水。由于排水水位降低，启动排空检测，当水位低于规定下限水位时，低水位开关接通，开始脱水，脱水30S后，计数器加1，脱水停止。然后再返回到进水动作重复上述过程2次，报警30S并停机。根据上述对全自动
25、洗衣机工作过程的描述，可以设计全自动洗衣机控制系统的PLC部分的主流程图，如图3.3所示。图3.3程序流程图第4章 性能测试与分析4.1 各个模块的调试 为了提高程序调试的效率，将全自动洗衣机实现功能分别编写为不同的小程序，分别调试这些小程序，即可完成对各个功能模块的调试。 首先调试主程序框架，确认主程序能够根据不同的条件选择调用不同的子程序，调试时可以在不同的子程序中操作不同的继电器线圈来区分相应的子程序。 然后调试洗涤功能模块，观测高、低水位探测器工作是否正常；排水离合器工作是否正常。发现问题并进行相应的调试。对于漂洗功能模块，调试过程同洗涤功能模块。主要是看看电机正反转工作是否正常，如有
26、问题进行及时的检修或更换。4.2 程序的整体调试 完成了各个功能模块的调试后，就在主程序框架的基础上，将各个模块依次加入，每加入一个模块需要进行一次调试，以便于及时发现问题。此系统在整体调试的过程中，在主程序的框架上依次按顺序加入了洗涤子过程、漂洗子过程，使程序调理清晰。整体调试的过程比较烦琐，如果在各个模块的调试过程中完成得比较细致的话，那么整体调试的过程会相对顺利很多。调试步骤：（1） 运用FXGP-WIN-C编程软件将PLC控制程序进行转换，检查所编程程序是否正确；（2） 将程序输入PLC；（3） 设定变频器程序运行参数；、在运行模式选择参数Pr.79=1时，设定如下参数：上限频率 Pr
27、.1=50Hz下限频率 Pr.2=0Hz基底频率 Pr.3=50Hz加速时间 Pr.7=5s减速时间 Pr.8=3s、在Pr.79=5时，设定如下参数：程序运行分/秒 Pr.200=2，时间单位是分/秒，监视显示为基准时间。第一组参数Pr.201=1，50，0.0Pr.202=0，50，0.10Pr.203=2，50，0.13Pr.204=1，50，0.0第二组参数Pr.211=1，50，0.0Pr.212=0，50，0.15（4）按图1.4接线；（5）调试运行，并对运行状态进行监控；a. 开始,如图4.1所示。图4.1b. 进水，如图4.2所示。图4.2c.进水结束暂停2秒，如图4.3所示。
28、图4.3d.正转30秒，如图4.4所示。图4.4e.暂停2秒，如图4.5所示。e 图4.5f.反转30秒，如图4.6所示。图4.6结论经过几周的奋战，我的论文总算是圆满完成。结业论文不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立思考的能力，树立了对自己工作能力的信心，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。虽然这个设计做的不是很完美，但是在设计过程中所学到的知识是这次结业论文设计的最大收获和财富，会使我终身受益。通过这次结业论文的设计，使我明白学习是一个不断积累的过程。还得出一
29、个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！ 在此结业论文的设计过程中，老师尽全力地为我和同学们创造条件，并对我们在设计过程中遇到的难题进行细致耐心的指导，使我们学习了很多实际工业生产中的问题和解决方法，提高了对应用S7-200 PLC的技术水平以及分析问题和解决问题的能力，才得以设计的全自动洗衣机控制系统具有实际应用水平的可靠性和稳定性。我在此衷心地感谢王老师！设计总结下面是我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。第一，接到任务以后进行选题。选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目.第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做毕业设计的前期准备工作，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。 第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。 第四，有了研究方向，就要动手实现。
