机械毕业设计1254全自动洗衣机控制系统的设计正文.docx

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机械毕业设计1254全自动洗衣机控制系统的设计正文

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

5.2流程图

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。

（1）强制性停止流程图

（2）正常运行流程图

5.3源程序

在本程序中，M0.0是按下启动按扭的辅助继电器；M0.1是判断洗衣机水位是否和设定水位不一致的辅助继电器；M0.2是判断洗衣机水位是否和设定水位一致的辅助继电器；M0.3是停止自动洗衣的辅助继电器。

NETWORK1

按下启动按扭，开始洗衣

LDI0.0

OM0.0

ANI0.1

=M0.0

NETWORK2

洗衣机水位与设定水位不一致辅助继电器

LDI0.2

ANI0.7

LDI0.3

ANI1.0

OLD

LDI0.4

ANI1.1

OLD

=M0.1

OLD

=M0.1

NETWORK3

洗衣机水位与设定水位相一致辅助继电器

LDI0.2

AI0.7

LDI0.3

AI1.0

OLD

LDI0.4

AI1.1

OLD

=M0.2

NETWORK4

停止自动洗衣辅助继电器

LDI0.1

OM0.3

ANI0.0

=M0.3

所对应的梯形图如图所示。

5.3.1进水

在正常情况下，按下启动按钮或者脱水完毕，而且洗衣大循环未到2次时，开始进水，当水位到设定水位后停止进水，等待2分后进入洗衣过程。

在强制停止情况下，当停止按钮按下时立即停止进水。

它的助记符程序为：

NETWORK5

进水到设定的水位

LDM0.0

LDT40

ANC51

OLD

OQ0.0

AM0.1

ANI0.1

=Q0.0

NETWORK6

进水到设定的水位后等待2s

LDM0.2

AN10.1

ANQ0.2

AN10.3

TONT37，+20

所对应的梯形图如图所示。

5.3.2洗衣

进水到设定水位2s后，开始洗衣，先正转30s，停止2s然后再反转30s，停止2s这样循环5次后进入排水过程。

NETWORK7

洗涤电动机正转30s

LDT37

LDNC50

AT39

OLD

OQ0.2

ANT38

=Q0.2

TONT38，+300

NETWORK8

洗涤电动机停2s

LDT38

ONT42

OT39

TONT42，+20

NETWORK9

洗涤电动机反转300s

LDT42

ANC50

OQ0.3

ANT39

=Q0.3

TONT39，+300

NETWORK10

洗涤电动机停2s

LDT39

TONT43，+20

所对应的梯形图如图所示

5.3.3排水

洗衣过程完毕后，进入排水过程。

水排空后停止排水。

它的助记符程序为：

NETWORK10

洗衣小循环5次

LDQ0.3

LDQ0.1

CTUC50，+5

NETWORK11

排水，直至水排空

LDC50

OQ0.1

ANI0.1

ANI1.2

LDM0.3

AI0.5

OLD

=Q0.1

所对应的梯形图如图所示。

5.3.4脱水

水排空后，开始脱水，脱水30s后停止脱水。

因为判断水排空是否在排水完毕后，所以要用到排水完毕辅助继电器。

它的助记符程序为：

NETWORK12

排水完毕辅助继电器

LDQ0.1

OM0.4

ANQ0.4

=M0.4

NETWORK13

脱水30s

LDI1.2

AM0.4

OQ0.4

ANT40

ANI0.1

OI0.6

=Q0.4

TONT40，+300

所对应的梯形图如图所示。

5.3.5洗完报警

洗衣大循环3次后，开始洗完报警过程，3s后停止报警，这样整个过程结束。

它的助记符程序为：

NETWORK14

洗衣大循环3次

LDQ0.4

LDQ0.5

CTUC51，+3

NETWORK15

报警3s

LDC51

OQ0.5

ANT41

=Q0.5

TONT41，+30

所对应的梯形图如图所显示

5.4程序运行过程分析

按下启动按钮，I0.0接通，M0.0接通并自保，Q0.0接通，进水。

到高水位时，I0.7接通，I0.7常闭触点断开，Q0.0断开，进水停止；I0.7常开触点闭合，Q0.2接通，正洗，T38开始计时，T38计时到，T38常闭触点断开，Q0.2断开，正洗暂停；T38常开触点闭合，使得T38自保，T42开始计时。

T42计时到，T42常开触点闭合，Q0.3

接通，反洗，T39开始计时。

T39计时到，T39常闭触点断开，Q0.3断开，反洗暂停；T39常开触点闭合，使T39自保，T43开始计时。

T43计时到，T43常开触点闭合，C50计一次数；T43常闭触点断开，使T38、T42、T39、T43复位，Q0.0又接通，重复进行以上从正洗开始的全部动作，直到C50计满5次数时，C50常开触点接通，Q0.1接通并自保，排水，C50复位，准备下一次循环时再计数。

排水到低水位时，I1.1断开，I1.1常闭触点闭合，Q0.2、Q0.4接通，脱水，T40开始计时。

T40计时到，T40常闭触点断开，Q0.1、Q0.2、Q0.4断开，停止排水和脱水；T40常开触点接通，C51计一次数。

Q0.1常闭触点闭合，Q0.0又接通，重复进行从进水开始的全部动作，直到C51计满2次数时，C51常闭触点断开，M0.0断开，停止洗涤；C51常开触点接通，Q0.5接通并自保，报警。

C51常开触点接通又使C51复位，C51常闭触点闭合，准备好下一次启动。

Q0.5常开触点接通，T41开始计时。

T41计时到，T41常闭触点断开，停止报警。

运行中按停止按钮时，I0.1常闭触点断开，则M0.0、Q0.0、Q0.1、Q0.4、Q0.5断开，停止进水、排水、脱水及报警。

按排水按钮时，I0.5常开触点闭合，Q0.1接通并自保，进行手动排水。

5.5程序的下载、安装和调试

将各个输入输出端子和实际控制系统中的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。

全自动洗衣机程序是由STEP-7Micro/Win32软件的指令完成，正常工作时程序存放在存储卡中，若要修改程序，先将PLC设定在STOP状态下，运行STEP7-Micro/Win32编程软件，打开全自动洗衣机程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试。

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