全自动洗衣机的PLC控制.docx

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全自动洗衣机的PLC控制

contents

全自动洗衣机的PLC控制

作者:

刘霞指导老师:

张传洋

（单位:

山东农业大学机电学院职称:

副教授）

【摘要】本文利用可编程控制器PLC实现了对洗衣机的全自动控制。

随着科学技术不断进步和社会飞速发展，洗衣机成为人民日常生活息息相关的家用电器产品。

洗衣机的全自动化、多功能化、智能化是其发展方向。

与传统的系统相比较，洗衣机可靠性、节能性得到了提高。

PLC控制不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少，与此同时系统维修简单、维修时间缩短。

本文首先介绍了洗衣机的发展，然后重点介绍了洗衣机的设计，对程序流程图及编程软件进行了说明。

根据工艺要求编程简单、可允许双线圈使用，PLC采样按钮及限位开关外部输入信号的变化，执行相应的程序，然后输出控制电机正反转及脱水处理。

关键词：

全自动洗衣机PLC控制

ThePLCControlofFull-automaticWashingMachine

Author：

LiuXiaSupervisor：

ZhangChuanyang

（UnitShandongAgriculturalUniversityPositionProfessor）

Abstract:

Thisarticlerealizethecontroloffull-automaticwashingmachinebyusingthePLC,ProgrammableLogicController.Withthecontinuousprogressofscienceandtechnologyandtherapiddevelopmentofsociety,washingmachinesbecomehouseholdproductscloselyrelatedtodailylife.Thefullyautomatedwashingmachines,multi-functionalandintelligentbecomethedirectionoftheirdevelopment.Comparedwithtraditionalmachine,reliabilityandenergyefficiencyhasbeenimproved.PLCcontrolactivitiesdonotrequirealargenumberofpartsandelectroniccomponents,italsosignificantlyreducethewiring,atthesametimeasimplesystemmaintenance,maintenancetime.Thisarticlefirstintroducesthedevelopmentofwashingmachine,andthenfocusesonthedesign,flowchartofproceduresaredescribed.Accordingtothetechnicalrequirement,simpleprogrammingallowstheuseofdual-coil,PLCsamplinglimitswitchbuttonandanexternalinputsignalchanges,theimplementationofappropriateprocedures,andthencontroltheelectricaloutputpositiveanddewatering.

Keywords:

Full-automaticwashingmachinePLCControl

引言

以往以单片机为中心控制系统工作的全自动洗衣机中，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。

可编程控制器（PLC．ProgrammableLogicController）是以计算机微处理器为基础的工业自动控制装置，随着PLC技术的发展。

它的功能越来越完善，也越来越强，被广泛应用于各种工业自动控制装置之中。

具有良好的控制精度和可靠性。

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。

1课题背景

1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战——美国人比尔·布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。

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。

1911年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，标志着人类家务劳动自动化的开端。

1922年，电动洗衣机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。

70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人耳目一新。

90年代，由于电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。

全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤，漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。

这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水，排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动作，整个洗衣过程自动完成。

所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。

从控制方式的发展阶段上分：

第一类电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。

第二类是电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。

电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。

随着计算机的及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。

因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。

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贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程.可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与各种控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

全自动洗衣机是传统洗衣机的一次革新设计。

改变了传统需要手动的缺点，节省了人们宝贵的时间和精力。

全自动洗衣机的出现为人们生活带来极大方便。

2研究的目的和意义

目前，大部分洗衣机的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。

为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计洗衣机控制器，能较好地解决这个问题。

另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证洗衣机控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的洗衣机装置远远不能满足当前高度自动化的需要。

可编程控制器洗衣机控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。

可编程控制器自动洗衣机系统的特点：

①脱机手动工作；

②联机自动就地工作；

③上机控制的单周期运行方式；

④自动启动、自动停机控制方式。

近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。

本系统采用PLC是基于以下两个原因：

①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；

②抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证全自动洗衣机控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC。

3设计要求及工作原理

3．1控制要求

全自动洗衣机系统的控制要求如下：

（1）按下起动按钮后，进水电磁阀打开并开始进水。

达到高水位时停止进水，进入洗涤状态。

（2）洗涤时内桶正转洗涤15s暂停3s，再反转洗涤15s暂停3s，又正转洗涤15s暂停3s……如此循环反复5次。

（3）洗涤结束后，排水电磁阀打开，进入排水状态。

当水位下降到低水位时，进入脱水状态并同时排水，脱水时间为10s。

这样就完成从进水到脱水的一个大循环。

（4）经过3次上述大循环后，洗衣机自动报警。

报警10s后，自动停机。

3.2设计要求

根据生产设备工作方面及其它方面的需要，本次设计要达到如下设计要求：

（1）要求本次设计的控制装置采用PLC技术实现;

（2） 要能完全满足控制要求；

（3） 本次设计的控制装置应由实验箱等部分组成，要尽量与生产设备进行一体化安装，具体安装尺寸另行商定；

（4）操作屏上要有完整的信号指示，包括对各工作步的指示，以及电源、启动、停止、故障等指示；

3.3全自动洗衣机的工作原理

全自动洗衣机的实物示意图如图3-1所示。

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（甩水）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，将水由外桶排出到机外。

洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波轮正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。

脱水时，通过电控系统将离合器合上。

由洗涤电动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。

排水按钮用来实现手动排水。

图3-1示意图

全自动洗衣机的单循环工作流程示意图如图3-2所示。

图3-2全自动洗衣机的单循环工作流程示意图

3.4PLC控制系统的基本设计原则

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.最大限度地满足被控对象的控制要求

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。

这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。

同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2.保证PLC控制系统安全可靠

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.力求简单、经济、使用及维修方便

 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。

因此，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.适应发展的需要

   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、I/O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。

3.5PLC外形图

全自动洗衣机控制系统选择西门子公司的S7-200系列PLC（6ES7214-1AD23-0XB0）作为控制单元，如图3-3所示为所选PLC外形图。

图3-3PLC（6ES7214-1AD23-0XB0）外形图

4设计思路及程序设计

4.1设计思路

根据已知情况、控制要求、设计要求，全自动洗衣机的PLC控制装置的设计可按照“大而化小，分而治之”的思路，划分为以下4个部分，依序进行，各部分的设计任务分配如下：

（1） 程序设计及调试

拟采用切换法，完成程序的设计，并在实验室环境中进行模拟调试；

（2）电气设计

完成电气线路原理图、元件位置图、接线图、互连图、元件明细表的设计；

（3）安装、接线、联合测试

完成电气元件的安装、接线，并对程序与线路进行联合测试；

（4）后期工作

说明操作过程、拟定常见故障排除方案、编写设计说明书等。

4.2控制系统的比较

4.2.1PLC系统的特点：

1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。

对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。

2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。

3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。

4.2.2单片机系统的特点：

（1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。

（2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习

（3）功能单一只具有使用中所需要的功能。

但是，它结构简单，处理速度快。

4.3I/O模块的选择步骤及原则

一般I／O模块的价格占PLC价格的一半以上。

PLC的I／O模块有开关量I／O模块、模拟量I／O模块及各种特殊功能模块等。

不同的I／O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。

开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。

选择时主要应考虑以下几个方面：

（1）输入信号的类型及电压等级

开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。

选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。

直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

开关量输入模块的输入信号的电压等级有：

直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。

选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。

一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场合，如5Ｖ输入模块最远不得超过10米。

距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。

（2）输入接线方式

开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。

分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。

（3）注意同时接通的输入点数量

对于选用高密度的输入模块（如32点、48点等），应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。

（4）输入门槛电平

为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。

门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。

开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。

选择时主要应考虑以下几个方面：

（1）输出方式

开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。

继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。

对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。

但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。

（2）输出接线方式

开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式，分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。

选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。

一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。

（3）驱动能力

开关量输出模块的输出电流（驱动能力）必须大于PLC外接输出设备的额定电流。

用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。

如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。

（4）注意同时接通的输出点数量

 选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。

同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V／2A的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A（8×2A），通常要比此值小得多。

一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。

 （5）输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关

开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。

另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。

模拟量I／O模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。

模拟量输入（A／D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出（D／A）模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。

 典型模拟量I／O模块的量程为-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。

一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）。

目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I／O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I／O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。

4.4PLC的选型及I/O的分配图

根据设计要求、控制要求，选定PLC的型号为：

F1N-/40M

●控制规模：

16-256点

●内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K

●CPU运算处理速度0.08μS/基本指令

●在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块

●基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能（晶体管输出型）

全自动洗衣机系统的I/0分配：

输入输出

X0：

启动按钮Y0：

进水电磁阀控制KA1

X1：

限位开关SQ1Y1：

电动机正转接触器KM1

X2：

限位开关SQ2Y2：

电动机反转接触器KM2

Y3：

排水电磁阀控制KA2

Y4：

脱水离合器控制KA3

Y5：

报警蜂鸣器KA4

图4-1正反转控制主电路接线图

表4-1输入-输出列表

输入

输出

启动按钮SA

IO.1

高水位选定指示LED1

QO.1

停止按钮SB1

I0.2

低水位选定指示LED2

QO.2

零水位限位检测开关ST1

IO.3

强洗选定指示LED3

QO.3

低水位限位检测开关ST2

IO.4

弱洗选定指示LED4

QO.4

高水位限位检测开关ST3

IO.5

进水电磁阀YV1

QO.5

洗涤方式选择按钮SB2

IO.6

排水电磁阀YV2

QO.6

洗涤方式选择按钮SB3

IO.7

电机正转继电器KM1

QO.7

电机发转继电器KM2

Q1.0

蜂鸣器HA

Q1.1

脱水电磁阀YC

Q1.2

4.5编程——PLC全自动洗衣机系统顺控程序、程序工作过程简析、编程元件明细表

本程序梯形图如图4-2：

图4-2全自动洗衣机PLC梯形图

由上述可得全自动洗衣机系统的指令表如下：

0LDX000

1ORM100

2ANIT5

3OUTM100

4LDM100

5ANIX001

6ANIC1

7ANIY003

8OUTY000

9LDX001

10PLSM1

12LDT3

13PLSM4

15LDM1

16ORM4

17ORY001

18ANIT0

19ANIY002

20OUTY001

21LDY001

22OUTT0K150

25LDT0

26SETM2

27LDT1

28RSTM2

29LDM2

30ANIY002

31OUTT1K30

34LDT1

35ORY002

36ANIT2

37OUTY002

38LDY002

39OUTT2K150

42LDT2

43SETM0

44LDT3

45RSTM0

46LDM0

47ANIY001

48OUTT3K30

51LDT3

52OUTC0K30

55LDC0

56RSTC0

58LDC0

59ORY003

60ANIT4

61OUTY003

62LDX002

63ORY004

64ANIT4

65OUTY004

66OUTT4

69LDT4

70LSM3

72LDM3

73OUTC1K3

76LDC1

77ORY005

78ANIT5

79OUTY005

80OUTT5K100

83LDT5

84RSTC1

86END

87NOP

88NOP

X000表示启动开关，一旦X000闭合即按下启动开关，中间继电器M100就会输出高电平，表示开始注水。

当水位达到一定高度后，高水位限位器开关X001闭合，中间继电器M1产生一个脉冲，由于M1脉冲的产生使得输出Y001也突变为高电平，伺候虽然M1变为低电平，但由于M1并联了Y001，故Y001可保持高电平。

Y001为高电平后，定时器T0开始工作，定时时间为100ms×150=15s,表示开始正传15s。

当定时器定时完毕后，由于T0控制的线圈T0由闭合变为断开，所以Y001恢复低电平。

T0定时后由它控制的线圈动作，中间继电器M2置1，从而使得定时器T1开始工作，定时时间为100ms×30=3s，表示暂停3s。

3s后输出线