基于s7200系列plc的自动投币洗衣机控制系统的设计本科学位论文Word文档下载推荐.docx
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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。
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”
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。
随后，投币全自动洗衣机相继出现，占领市场。
随着人们生活水平的提高，经济能力的增强，很多时候都不愿在洗衣上浪费时间，随着全自动洗衣机的发展，洗衣已经变成很简单的事情，而不需要等在洗衣机旁，节省了很多的时间与精力，所以在国民经济飞速发展的今天，投币全自动洗衣机的前景是不可限量的，人们的需求量也会增加，学校等许多公共场合将会对投币洗衣机有着强大的依赖，尤其是群居比较普遍的地区。
投币全自动洗衣机前景一片大好，在制造洗衣机也应保证质量的同时，降低制造成本，节约资源，为我国经济发展与环境保护都能够有很好的贡献。
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。
但是洗衣机的出现，改变了这洗衣服必须要做的步骤，让人们轻轻松松享受了洗衣的乐趣，只需简单投几个硬币，从而改变了千千万万的家庭的生活，可见，洗衣机的出现意义重大。
我校X-10每层楼都有的老古董，我已经有两年没用过了。
投币箱与洗衣机由一条电缆连接，投币箱一般安装在固定位置（如墙上），这种安装方式给消费者会带来使用上的不便，难成主流产品。
事实上分体式由于安装复杂、移动不便，故在市场上份额很少。
（如下图1-1）
图1-1分体式投币洗衣机图1-2连体式投币洗衣机
2013年时，一楼洗衣房安装了多台连体式投币洗衣机。
投币箱与洗衣机集成为一体，可灵活移动，安装过程更为简单。
使用更为便捷。
（如上图1-2）
1.2投币洗衣机在现实中的意义
随着洗衣机的商用进程加深，商用洗衣机开始朝着家用洗衣机不同的方向发展，高质耐用、操作简单、完全自动化、减少管理成本的机型成为行业的迫切需求，投币洗衣机应时而生。
投币洗衣机采用更高品质的电机、减速器以及耐腐蚀的材料以保证在公共场所的长期正常使用。
更重要的是这种洗衣机配备投币箱，由投币系统自动控制洗衣机的运行，操作简单，无需有人值守，极大的降低了管理成本，成为公共场所（学校、工厂、酒店等）商用洗衣机的首选。
洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢与衣服分离来实现洗干净的目的。
投币洗衣机由洗衣机及投币系统两大部分组成，投币系统包含投币箱、投币控制电路。
使用时由投币箱识别及反馈投币信息，由投币控制电路控制洗衣机的运行。
投币洗衣机根据结构可分为连体式、分体式两种：
连体式投币洗衣机：
投币箱与洗衣机集成为一体，可灵活移动，安装过程更为简单，分体式由于安装复杂、移动不便，故在市场上份额很少。
传统的洗衣方式既费时又不方便，随着生活节奏和生活品质的提高，都市里的人们越来越需要一种高效、便捷、卫生的洗衣方式。
以学校为例，每次在30分钟左右将5公斤衣物清洗干净，并通过臭氧发生器进行杀菌，洗涤过程程序完全环保，实现真正意义的高效、清洁、杀菌的功效，且价格低廉。
这种自助式洗衣机在发达国家早已风行，倍受广大学生的喜爱。
如今的学校，更倾向于人性化的学习居住环境和优质的服务。
学校增加该种硬件配置，更能增强办学的档次和品味，从而提高学校的知名度、影响力和竞争力；
而自助式洗衣的需求更是突出，让学生有更多的时间进行学习，加之我国与国际化接轨的热浪，因此自助式洗衣的形成也应运而生了，逐渐形成一种消费的新趋势！
1.3PLC控制系统设计的基本原则
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1.充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。
2.保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。
例如：
应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
3.在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
4.由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
1.4PLC在洗衣机控制系统中的应用
PLC控制全自动洗衣机的编程语言容易掌握，是电控人员熟悉的梯形语言，使用术语依然是“继电器”一类术语，大部分与继电器触头的连接相对应，从这些方面突出了使用PLC控制全自动洗衣机的优越性。
投币全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。
在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由单片机为中心控制系统工作的。
首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相对复杂；
其次，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，在各种控制系统中广泛运用的PLC能克服单片机的缺点。
它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和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，提高控制系统的可靠性。
另外它的编程语言也相对简单
以往以单片机为中心控制系统工作的投币全自动洗衣机中，存在着一些本身不能克服的缺点。
首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序也相对复杂；
其次，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，这样不但增加了硬件的复杂性，而且隐含较高的故障率，还无形地增加了维修成本费用。
如果在全自动洗衣机的控制系统中采用PLC来控制将能克服单片机的这些缺点。
因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。
所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统的设计的灵活性及控制系统的可靠性。
第2章PLC概述
2.1PLC简介
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。
可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种.小批量生产的需要，生产.发展起来的一种新型的工业控制装置。
PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到50年，但由于其具有通用灵活的控制性能.简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。
有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。
可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。
随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。
2.2PLC的工作原理
下图为PLC的扫描工作过程图和扫描周期图：
图2-1PLC的扫描工作过程图
图2-2PLC的扫描周期图
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当PLC投入运行后，其工作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，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1.输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC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映象区中的相应得单元内。
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。
2.用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（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。
3.输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
2.3PLC的设计内容
PLC的设计内容主要有以下六个方面：
一是选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。
二是PLC的选择。
三是分配I/O点，绘制I/O连接图。
四是设计控制程序。
五是必要时还需设计控制台（柜）。
六是编程控制系统的技术文件，包括说明书、电器固件及电器元件明细表等。
2.4PLC和控制系统
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。
结构：
由电动程控器、水位开关、安全开关（盖开关）、排水选择开关、不排水停机开关、贮水开关、漂洗选择开关、洗涤选择开关等组成。
工作原理：
通过各种开关组成控制电路，来控制电动机、进水阀、排水电磁铁及蜂鸣器的电压输出，使洗衣机实现程序运转。
此次设计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。
第三章总体设计方案
3.1全自动洗衣机的构造
全自动洗衣机在结构上大致可分为3种类型，即波轮式，滚筒式和搅拌式。
我国的洗衣机在结构上主要有波轮式和滚筒式两类，产品的类型以波轮式为主，其他类型为辅。
本课题采用波轮式设计。
波轮式全自动洗衣机通常都采用将洗涤（脱水）桶套装在盛水桶内的同轴套桶式结构，虽然它们各自牌号和型号都不同，但其结构都是由洗涤，脱水系统，进，排水系统，电动机和传动系统，电器控制系统以及支撑机构5大部分组成的。
支撑机构主要有箱体，吊杆及控制台组成，它除了安装和连接洗衣机的各种零件外，还具有减振及防护，装饰的作用。
如图所示：
全自动套筒洗衣机内部结构图：
图3-1全自动套筒洗衣机内部结构图
3.2洗涤脱水系统
它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。
盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。
盛水桶固定在钢制底板上，通过4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。
电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。
洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。
波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。
按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm左右）新水流两类。
3.3排水和进水系统
波轮式全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。
为了对桶内的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位传感器。
波轮式全自动套用水位传感器来监视水位的高低。
此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。
而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。
进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。
自动打开香蕉阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。
断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。
3.4洗衣机基本外貌
洗衣机的外形大同小异，总体上来说还是一个模子。
下图3-2为洗衣机基本外貌：
图3-2洗衣机外形
第四章系统硬件设计
4.1PLC及显示器的选型
可编程控制器的设计和开发是以工业控制为前提，信号处理时间短，速度快。
能满足各个领域大、中、小型工业控制要求，系统配置简单灵活，可靠性高。
根据全自动投币洗衣机的工作流程及输入输出设备的数量和控制要求，本系统选用西门子公司的S7—200CPU226型PLC，另外显示要用到TD200文本显示器显示剩余时间。
4.2电机的选型
由于提供的电源限制故选单相电容运转式异步电动机。
以3.6公斤全自动洗衣机为例，由于全自动洗衣机的脱水桶直径较大，这一偏心不能不考虑，所以计算时应以洗涤物可能产生前最大偏心为计算依据。
脱水时电机功率比洗涤时要大，在确定电机功率时应以脱水时消耗的功率为依据，也就是说脱水时电机功率就是该洗衣机所确定的电机额定功率。
由于在计算时一些因素如电机转子的转动惯量等没考虑，造成一些偏差，所以3.6公斤全自动洗衣机电机额定功率选为180瓦。
符合全自动洗衣机的功率范围120W～250W。
故选择YY104-180型号单相电容运转式电动机，功率180瓦,额定电压220V，转速1350r/min，电流1.7A。
4.3传感器的选型
4.3.1水温传感器的选择
水温检测可用热敏电阻或MTS102半导体温度检测器。
洗衣机水温一般为4℃～40℃,在该温度范围内MTS102线性好,温度敏感,水温检测常选用它。
4.3.2水位传感器的选择
本系统采用机械式控制水位开关（水位传感器）。
机械式水位开关原理是在正常情况下，微电脑全自动洗衣机的水位开关在没有受到水压时，两插片的触点是断开的。
在选定洗涤程序、选择水位后，洗衣机开始工作，先进水，当水位到一定高度后，盛水桶气室中的气压达到一定值，通过导气管把气压传到水位开关橡胶密封圈上，克服水位开关弹簧、扭簧的力而推动橡胶密封圈动作，使两插片触点接通，这样就给微电脑一个信号，说明已到所选水位。
同样选定脱水程序，在洗衣机排水后，水位退到一定高度时，由于弹簧力作用，水位开关橡胶密封圈复原，而使两触点断开，给微电脑一个动作信号，过一段排水时间后，微电脑就控制电机运转，开始脱水。
4.3.3浑浊度传感器的选择
浑浊度传感器主要采用红外光电传感器。
由红外发射管发出一定强度的红外光,红外接收管在溶液的另一侧接收红外线。
红外线在溶液中透光性的大小就决定接收方产生光电电流的大小,光电流经整形放大和数据处理后,就可以判断出水的浑浊程度。
4.3.4衣质传感器的选择
衣质的检测一般在洗涤之前，且主要用来测定所洗衣物属于棉类还是化纤类。
在一定水位的前提下不同的衣物成分不同,其布阻抗就不同。
为了测出衣质,先加入一定的水并让电机转动,突然切断电源,由于惯性作用电机会维持短时间旋转。
此时电机处于发电机状态,会产生一定感应电势并逐渐衰减到零。
由于衰减速率与布阻抗有一定的线性关系,通过对定子绕组两端电热进行整流和检测,经光电隔离后形成脉冲,脉冲信号多，则布阻抗小,反之亦然。
经过几次测量就可以判断出布阻抗,通过推理得出衣质。
故选择电阻传感器。
4.4投币机的选型
本洗衣机采用比较式投币器，它由比较线圈，AD，检测光眼，进币口电机等组成。
工作原理如下：
当投入硬币后，当硬币经过样币时，比较线圈感应出比较电压，经整形处理送入到AD转换器当中，经AD转换后送到CPU。
投币机主要功能包括四个部分：
一是用于产生高频方波的振荡电路，二是用于控制真假币流向的电闸门，三是用于检测硬币投入过程的各个位置的光电传感器，最后就是控制所有检测和控制的电路的集中控制单元。
4.5PLC外围接线
PLC外围接线图如图4-1所示：
图4-1PLC的外围接线图
第五章系统软件设计
5.1控制程序的流程图和控制系统I/O分配
根据系统控制要求，控制系统的流程图如图5-1：
图5-1控制系统流程图
根据系统的开关设计及PLC的选型可得到I/O分配：
控制系统的PLC输入输出分配如表5-1所示：
表5-1I/O口分配表
名称
符号
地址
通电启动按钮
SB1
I0.0
通电指示灯
L1
Q0.0
停止按钮
SB2
I0.1
主电机正转继电器
KM1
Q0.1
开始洗涤
SB3
I0.2
主电机反转继电器
KM2
Q0.2
门开关
SQ1
I0.3
排水电机继电器
KM3
Q0.3
高水位按钮
SB4
I0.4
进水电磁阀
KM4
Q0.4
中水位按钮
SB5
I0.5
主电机脱水继电器
KM5
Q0.5
低水位按钮
SB6
I0.6
进水指示灯
L2
Q0.6
手动排水按钮
SB7
I0.7
洗涤指示灯
L3
Q0.7
手动脱水按钮
SB8
I1.0
排水指示灯
L4
Q1.0
高水位检测开关
I1.1
脱水指示灯
L5
Q1.1
中水位检测开关
SQ2
I1.2
报警蜂鸣器
M1
Q1.2
低水位检测开关
SQ3
I1.3
高水位指示灯
L6
Q1.3
排空检测开关
SQ4
I1.4
中水位指示灯
L7
Q
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