全自动洗衣机控制系统的设计本科学位论文.docx
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全自动洗衣机控制系统的设计本科学位论文
第一章概述
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。
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,轻洗轻甩的羊毛类衣物以及通用的标准洗涤程序,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。
第二章课题任务分析
2.1整体功能介绍
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。
全自动洗衣机中,,这四个过程可做到全自动依次运行,直至洗衣结束。
2.2设备控制要求
全自动洗衣机控制要求是能实现”正常运行“和”强制停止“两种控制要求。
⑴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
⑵洗涤时,正转30秒,停两秒,然后反转30秒,停2秒
⑶如此循环5次,总共320秒开始排水
⑷水位下降到低水位时开始脱水并继续排水,脱水30秒
⑸开始清洗,重复
(1)到(4),清洗两遍
⑹清洗完成,报警3秒并自动停机
⑺若按下排水按扭可以实现手动排水
⑻若按下停车按扭,可实现手动停止进水,排水脱水及报警
第三章控制系统的设计
3.1控制系统框图
图1系统框图
3.2控制系统对应设备及实现功能
对应的外部设备
启动按扭
停止按扭
水位选择开关(高水位)
水位选择开关(中水位)
水位选择开关(低水位)
手动排水开关
手动脱水开关
高水位浮球开关
中水位浮球开关
低水位浮球开关
水排空浮球开关
对应的输出设备
进水电磁阀
排水电磁阀
洗涤电动机正转继电器
洗涤电动机反转继电器
脱水桶
报警器
3.3控制系统原理
自动洗衣机的进水,洗衣,排水,脱水是通过水位开关,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,将水注入,排水时,电磁排水阀打开,将水排出,洗衣时,洗涤电动机启动,脱水时,脱水桶启动。
第四章硬件电路的设计
4.1系统的选型
(1)IO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,考虑余量后需要14个数字输入点10个输出点。
统计得输入:
启动按扭
停止按扭
水位选择开关(高水位)
水位选择开关(中水位)
水位选择开关(低水位)
手动排水开关
手动脱水开关
高水位浮球开关
中水位浮球开关
低水位浮球开关
水排空浮球开关
统计得输出:
进水电磁阀
排水电磁阀
洗涤电动机正转继电器
洗涤电动机反转继电器
脱水桶
报警器
(2)用户存储器容量的估算
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1—2KB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。
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:
10—20B/点
开关量输出元件:
5—10B/点
定时器/计数器:
2B/个
模拟量:
100—150B/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,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6个,计时器2个,需内存16B,考虑余量后需要内存370B。
(3)CPU功能与结构的选择
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。
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。
综上所述,结合下表分析
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
程序存储器
2048字
4096字
用户数据存储器
1024字
2560字
用户存储器类型
EEPROM
数据后备典型时间
50h
190h
本机IO
6入/4出
8入/6出
14入/10出
24入/16出
扩展模块数量
无
2个
7个
数字量IO印象区大小
256(128入/128出)
模拟量IO印象区大小
无
16入/16出
32入/32出
33Hz布尔指令执行速度
0.37/微妙/指令
内部继电器
256
计数器/定时器
256/256
顺序控制继电器
256
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。
综上所述选用西门子S7-200型PLC
4.2CPU单元设计
集成的24V负载电源,可直接连接到传感器和变送器(执行器),CPU221,222具有180mA输出,CPU224,CPU224XP,CPU226分别输出280mA,400mA。
可用负载电源。
本设计中所用CPU为CPU224。
本机数字量输入/输出点
CPU224有14DI/10DO
本机模拟最输入/输出点
CPU224XP有2个AI/1AO。
4.3硬件接线图
4.4通讯方式
内部集成的PPI接口为用户提供强大的通讯功能。
PPI接口为RS485,可在三种方式下工作:
1.PPI方式:
PPI通讯协议是西门子专门为S7-200系列PLC开发的通讯协议。
通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。
波特率为9.6kbit/s,19.2kbit/s和187.5kbit/s。
CPU上集成的编程口同时就是PPI通讯联网接口。
2.MPI方式:
通过内置接口连接到MPI网络上。
波特率为19.2kbit/s,187.5kbit/s。
S7-200可与S7-300/400通讯,S7-200CPU在MPI网络中作为从站,彼此间不能通讯。
3.自由通讯口方式:
是一个很有特色的功能。
S7-200PLC可以与任何通讯协议公开的其他设备进行通讯。
即可以由用户自行定义通讯协议。
波特率最高38.4kbit/s。
4.PROFIBUS-DP网络:
CPU222、224XP、226可以通过增加EM277的方法支持PROFIBUSDP网络协议。
最高传输速率为12Mbit/s。
4.5EEPROM存储器模块(选件)
可作为修改与拷贝程序的快速工具(无需编程器),并可进行辅助软件归档工作。
4.6电池模块
用于长时间数据后备。
用户数据(如标志位状态,数据块,定时器,计数器)可通过内部的超级电容存贮大约5天。
选用电池模块能延长存贮时间到200天(10年寿命)。
电池模块插在存储器模块的卡槽中。
4.7通讯模块
品牌:
SIEMENS-西门子
名称:
通讯模块SINAUTTIM4R-IE
型号:
SINAUTTIM4R-IE
有四个接口用于单一和冗余的传输:
2个组合的RS232/RS485接口用于连接经典的WAN,如专线、无线或拨号网络
RJ45接口用于连接到基于IP的网络(WAN或LAN),如FOC、DSL、GPRS等
紧凑的部件用于多种用途:
作为独立部件(独立运行无需S7-300 CPU),TIM可以承担SINAUT通讯用于一个或多个S7-400 PLC或控制中心PC (SINAUT ST7cc或ST7sc);此时连接是通过TIM的Ethernet口之一进行
在S7-300 PLC中作为通讯处理器(CP)
S7-400 CPU或控制中心PC因此能够执行SINAUT通讯:
经两个任意的SINAUT WAN网络与SINAUT ST7搭档
经两个基于IP的网络与SINAUT ST7用户
所有四个接口可以同时用于SINAUT通讯。
四个传输路径可互不相同并且每个路径可独立运行,或工作于冗余组合。
方便地建立冗余传输路径经两个经典WAN、两个基于IP的网络或WAN + 基于IP的网络的组合。
如果作为CP置于S7-300 PLC中,可使用附加的通讯:
与CPU通讯
经此CPU的MPI接口与其它连接到MPI总线的CPU和控制中心PC(ST7cc, ST7sc)
与机架中其它的TIM
消息存储器高达56 000数据消息帧
SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列出色表现在以下几个方面:
∙极高的可靠性
∙极丰富的指令集
∙易于掌握
∙便捷的操作
∙丰富的内置集成功能
∙实时特性
∙强劲的通讯能力
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如:
冲压机床,磨床,印刷机械,橡胶化工机械,中央空调,电梯控制,运动系统。
第五章软件的设计
5.1I/O分配
数字量输入地址分配表
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
高水位浮球开关
I1.0
中水位浮球开关
I1.1
低水位浮球开关
I1.2
水排空浮球开关
数字量输出地址分配表
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
脱水桶
Q0.5
报警器
内部位元件地址分配表
定时器/计时器
对应的作用
T37
进水暂停计时
T38
正洗计时
T42
正洗暂停计时
T39
反转计时
T43
反转暂停计时
T40
脱水计时
T41
报警计时
C50
正反洗循环计数
C51
大循环计数
5.
第六章PLC和单片机控制的对比
6.1简述PLC和单片机
PLC的全称是ProgrammableLogicController(可编过程控制器)PLC是一种产品,但这种产品有点特别,在没有下载控制程序之前,它不具备任何控制功能,也就是说,没有应用程序的PLC是毫无用处的。
PLC实际上是专为工业环境使用的通用控制平台,它必须进行二次开发才能完成最终控制目的,因此,它还需程序编辑/调试软件的配合。
按计算机专家的原始定义,计算机系统由五大部分--即控制单元(CU)、算术运算单元(ALU)、存储器(Memory)、输入设备(Input)、输出设备(Output)组成。
早期计算机(晶体管的或集成电路的,不包括电子管的)的CU或ALU由一块甚至多块电路板组成,CU和ALU是分离的,随着集成度的提高,CU和ALU合在一块就组成了中央处理单元(CPU),接着将CPU集成到单块集成电路中就产生MPU或MCU,出现了如Intel4004、8008、8080,8085、8086、8088、Z80等MPU。
此后,MPU的发展产生了两条分支,一支往高性能、高速度、大容量方向发展,典型芯片如:
Intel80186、286、386、486、586、P2、P3、P4等,速度从4.7MHz到现在的3.2GHz。
另一支则往多功能方向发展,将存储器(ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FLASHROM、SRAM等)、输入/出接口(Timer/Counter、PWM、ADC/DAC、UART、IIC、SPI、RTC、PCA、FPGA等)全部集成在一块集成电路中而成为SOC(SystemOnaChip)。
依愚之见,这就是当今广泛应用的单片计算机,简称单片机。
单片机的优点是:
体积小、重量轻、易于维护、控制电压要求低、价格低。
6.2用单片机和PLC分别做系统的比较
所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机CPU及其它外围芯片,根据不同系统设计电路板,最终设计成一台简易的计算机系统,并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能。
这种形式在80年代国内很流行,但由于受到本身可靠性及其它方面的限制,目前除了仪表上仍然采用外,在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。
单片机的可靠性:
由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐,很大一部分还是国外筛选出来的次等品,加上其它外围元件(如电阻、电容等)的参数离散性也很大,批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理,因此这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠
性,因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定。
另外,单片机的所有器件均不是工业级的,抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱,而国内的电源一般都很差,加上压片机的变频调速对电源的干扰很大,因此,更可能引起单片机系统的不稳定。
单片机的可扩展性:
由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的,所以要增加一个功能就要重新设计线路,而且对应的程序都要重新设计。
这样对于增加功能的开发成本和周期都会增加。
单片机的可维护性:
一旦单片机系统出现故障,很难诊断出故障元件,最简单的方法是更换整个系统,这样维修成本增加了。
操作:
现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘,设定数据用拨码开关,显示用LED,整个面板显得繁锁,而且为了减少操作键,设计时往往一键多用,操作人员很难脱开说明书操作。
特别是故障显示只能显示故障代码,一旦发生故障,操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在,最终按说明书指示排除故障,这样排除故障的时间相对较长。
总之,这样的人机对话不够友善。
特点:
不可靠,价格便宜。
可编程控制器(PLC):
所谓PLC系统就是采用目前市场上各大工业控制厂家生产的可编程控制器,根据要求选用不同的模块,在此基础上设计程序以达到所设计的功能。
这种形式目前在工业现场应用最为广泛。
我公司生产的GZPK100系列高速旋转式压片机就采用PLC的控制方式。
PLC的可靠性:
进口PLC采用的CPU都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器,其余各元件也是直接向生产厂家购买的,经过严格挑选的工业级元件,另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的,抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高,即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。
PLC的可扩展性:
要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序,而PLC的编程相对比较简单,这样对于开发周期会缩短。
PLC的可维护性:
PLC本身有很强的自诊断功能,一旦系统出现故障,根据自诊断很容易诊断出故障元件,即使非专业人员也能维修,如果故障由于程序设计不合理引起,由于它提供完善的调试工具,要找出故障也较为简单。
操作:
PLC的操作采用触摸式操作终端,人机界面,全屏显示,上面设计了很详尽的操作指南,即使第一次使用,也能根据提示顺利操作,这就降低了对操作人员的要求,一般工人也能很快掌握。
另外,一旦系统发生故障,画面自动切换到故障提示画面,提示故障原因和排除方法。
甚至可以显示故障在机器上的位置,维修人员可以根据提示很快排除故障。
特点:
价格与前二种控制器相比略贵,可靠性好,操作简单。
综合以上的分析和比较,最终决定采用PLC。
6.3用PLC做系统的洗衣机的特性
洗衣机是国内家电业唯一不打价格战的行业,经过几年的平稳发展,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。
纵观省会的洗衣机市场,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。
市场需要什么样的洗衣机
洗衣机无论在质量、技术、功能还是在外观上面,谁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1.5公斤、2.5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。
组合化 荣事达集团最近推出的子母分洗式洗衣机,正好迎合了这部分消费者的需求,它的大桶容量为5.5公斤,小桶容量为2.5公升,两桶并列,缩小了较大一部分空间,而且具有人工智能模糊控制功能。
满足了不同衣物分开洗、大量衣物同时洗、小件衣物即时洗的需求,开创了健康洗涤新概念,深受消费者的喜爱,组合化的另一个体现就是把洗涤、漂洗、脱水和烘干功能集于一身。
全自动洗衣机:
大品牌当霸主
近年来,根据对全自动洗衣机销售的品牌监测情况看,两大主导品牌占据主要市场地位。
海尔进军家用全自动洗衣机市场后,凭借品牌优势,迅速打开市场。
小天鹅作为国内最早出现的家用全自动洗衣机品牌,牢牢地占据一定的市场份额。
两大品牌高居前10位品牌之先,市场综合占有率分别为27.44%和23.57%。
国外品牌的实力不可忽视。
虽然目前国外品牌市场综合占有率还不很高,但在前10位品牌中已占据了5位,他们分别是三洋、松下、LG、惠而浦和三星,其中三洋和松下位居前5之列。
一些国外品牌根据中国市场的情况改变了价格策略,在定价上充分参考了国产品牌的价格,有些甚至比国产品牌还要低,而在功能上又比较先进,因此吸引了一部分消费者的目光。
洗衣机:
个性最时髦
我国家用电动洗衣机产品的发展已进入成熟期,全国家用电动洗衣机年产量超过10万台的企业超过100家。
就品种而言,波轮式、搅拌式、滚筒式洗衣机满足了不同消费者的需求。
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0.5kg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电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。
第七章结束语
通过本系统的设计,对全自动洗衣机的控制系统有了深入的理解。
全自动洗衣机控制系统利用了西门子PLC的特点,对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入输出点设备进行控制,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,轻洗轻甩的羊毛类衣物以及通用的标准洗涤程序,充分表其实用性。
通过这次设计,对自动控制原理及应用有了进一步认识,设计中,我们遇到不懂或不明白的地方。
除了查阅相关资料,俞老师也给了我们很多的指导。
总之,这次设计为我们打开了以后面向实际应用的大门,为我们以后做各项工作和进一步学习奠定了基础。
它好比一个灯塔,为我们指明了远行的航向;好比一颗启明星,为我们指明了前进的道路。
第八章毕业设计总结
时间匆匆流逝,转眼间到了毕业答辩的时间,此时的心情既紧张又兴奋,兴奋的是几个月的辛苦终于到了验收的时候了。
紧张的是不知道毕业答辩会是什么样子,到目前为止,我依旧没有太多的把握,只能全力以赴;对答辩充满好奇的同时,我又有那么一点点的兴奋,又有那么点退缩;回想几个月的设计过程还真怀念啊!
虽说是苦了一点,但苦中有甜啊,其中查阅了大量的资料,充实了自己的知识,弥补了自己不足。
平时总觉得自己已经懂得很多了,一旦设计起来,才发现自己其实还差的远,实践才是最好的证明。
在一个多月的设计过程中学到了许多东西,不仅仅是毕业设计中的。
也学到了不少其它的东西。
设计中,我们遇到不懂或不明白的地方。
除了查阅相关资料,俞老师也给了我们很多的指导,在老师的指导下改进设计方案,为了一个问题苦苦思索,为一个问题的圆满解决而高兴,其中的困惑、苦恼、兴奋激动只有自己知道。
或许开始的时候还有一些胆怯,但当一切将要结束时又有一丝怀念。
我明白了不去试过,怎知道路的艰辛快乐。
“朋友”,我对自己说,“加油啊!
黑暗将被黎明所冲破。
我们已经到了冲刺的时候了。
”加油,加油,再加油!
为了我们这三年的成果,为了我们这一个月来的设计,再加一把劲,将胜利的果实尽最大可能全部收获。
时钟一天天的过去,答辩的日子一天天的来临,想着自己即
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