基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计.docx

基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计.docx

《基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计

基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计

第一章绪论

1.1课题的研究背景

本次设计基于PLC的全自动洗衣机控制，本文的课题源于市场上洗衣机产品。

采用PLC控制开发的周期短，开发成本低，可以直接用于工业现场控制。

PLC控制具有实时性、信号处理时间短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目，可靠性高，丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，PLC控制能在高粉尘、高噪声、电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。

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设计的灵活性及控制系统的可靠性。

本设计以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。

1.2洗衣机发展概况和现状

从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，在洗衣机出现以前，这项劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。

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。

世界上第一台洗衣机于1858年诞生，但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。

1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人发明了木制手摇洗衣机。

1880年，美国发明了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。

蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。

1910年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。

1922年，美国改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。

1932年，美国研制成功第一台前装式滚筒洗衣机。

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。

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，全自动洗衣机可分为两大类：

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：

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。

全自动洗衣机从结构上分有波轮式、搅拌式、滚筒式。

目前,国内市场上销售的大都是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。

波轮式洗衣机的特点是洗净率高,但对衣服的磨损很大,随着人们生活水平不断地提高，丝绸,毛料,羊毛等大量走进普通家庭,厂商又适时地推出了滚筒洗衣机,它最大的优点是磨损率小,但洗净率比波轮式低,价格高。

洗衣机产品可以分三类：

普通型、半自动型和全自动型。

普通型和半自动型洗衣机，都需要人为参与操作，才能完成洗衣、甩干、排水全过程；而全自动洗衣机在整个洗涤、甩干、排水过程中，无需人为操作和监控。

1.3课题研究的目的与意义

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。

PLC控制的优点：

1、可靠性高，抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

2、配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

3、易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

5、体积小，重量轻，能耗低，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.4本课题研究的主要内容

本课题需研制出可靠性高、易于操作的全自动洗衣机控制方法，该系统采用PLC控制，主要包括电动机正反转控制、离合器控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和联锁。

研究的具体内容包括：

1、深入了解洗衣机的发展、结构及控制要求。

2、控制系统设计。

包括硬件设计，PLC的选择，各硬件模块的介绍，软件设计，编程方法。

3、对编写好的编译程序进行实际调试。

第二章概述

2.1PLC的控制特点

PLC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。

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。

典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图1所示：

图1PLC控制系统的硬件组成框图

2.2控制系统框图

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。

根据以上要求PLC的控制系统框图如下图2。

图2控制系统框图

2.3控制系统对应设备及功能

根据控制过程中的进水、洗涤、脱水、报警等控制要求，对控制所需的外部设备初步设计如表1-1

功能：

为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。

对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。

例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。

在确保稳定性的前提下，要求系统的动态性能和稳态性能好，即：

动态过程平稳（稳定性）；

响应动作要快（快速性）；

跟踪值要准确（准确性）。

对应的外部设备

对应的输出设备

启动按扭

进水电磁阀

停止按扭

排水电磁阀

水位选择开关（高水位）

洗涤电动机正转继电器

水位选择开关（中水位）

洗涤电动机反转继电器

水位选择开关（低水位）

脱水桶

手动排水开关

报警器

手动脱水开关

高水位传感器

中水位传感器

低水位传感器

水排空传感器

2.4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。

第三章硬件电路的设计

3.1PLC的选择

3.1.1I/O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，具体的输入输出见表3-1.[7]

输入点

输出点

启动按扭

进水电磁阀

停止按扭

排水电磁阀

水位选择开关（高水位）

洗涤电动机正转继电器

水位选择开关（中水位）

洗涤电动机反转继电器

水位选择开关（低水位）

脱水桶

手动排水开关

报警器

手动脱水开关

高水位传感器

中水位传感器

低水位传感器

水排空传感器

表3-1I/O点数统计表

3.1.2I/O储存器容量的估算

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[8]

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。

3.1.3CPU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。

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。

[9]

综上所述此次设计选用西门子S7-200型PLC。

3.2PLC外部接线图

根据全自动洗衣