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plc工业洗衣机控制系统设计
电气控制与PLC
课程设计说明书
题目：
工业洗衣机控制系统设计
专业班级：
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2
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日期：
1引言
早在上个世纪初人类就已经发明制造出洗衣机了，可以说洗衣机这种产品的发明创造是工业发展的结晶，给人们的现实生活带来了极大的便利。
当时的洗衣机只有一个盛水桶，在应用中只能进行简单的操作而无法实现更多的功能。
随着社会的进步、科技的发展，二十一世纪的今天，对洗衣机而言已经彻底发生了巨大的变化，具有全自动多功能的洗衣机已经早在现实生活中广泛使用。
随着工业技术日益成熟，我们利用现有技术开发创新出一种具有商业用途的多功能型工业大容量洗衣机，实现工业衣物的大批洗涤。
工业洗衣机的应用很广，主要用于宾馆、酒店、学校宿舍、某些需要洗衣量大、洗衣次数频繁的地方。
这就要求洗衣机的运行平稳、洗涤效果好、容量大、故障少、可靠性高、噪声低、寿命长等等，使之更趋于社会经济发展的需求。
1.1研究PLC工业洗衣机控制系统的目的和意义
本文主要研究基于PLC工业洗衣机控制系统的设计，以工业洗衣机为载体将PLC控制更好的运用于实践中，使理论与实践相结合，能够让我们更好地学到更多的知识，发展自己。
利用PLC的操作简单、抗干扰性强、输入输出接口多、运行速度快、稳定可靠、维护与维修方便,使洗衣机更趋于经济的需求和社会的发展。
此外，投入PLC控制的洗衣机可靠性高、耗电少、寿命长、环境适应能力强，适合工业洗机的发展需要，而且工业洗衣机利润又高，使PLC的洗衣机得到更好的发展，具有较大的经济和社会意义。
1.2PLC工业洗衣机控制系统的优点
与传统洗衣机相比，PLC工业洗衣机控制系统的优点突出体现在有以下几个方面：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，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。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
（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。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
（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。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，该品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
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。
2工业洗衣机的工作原理及结构
2.1工业洗衣机的工作原理
PLC在系统中是处于中心位置，洗衣机的进水，洗衣，排水，脱水是通过水位开关，作为PLC的输入信号控制开关，PLC的输出信号决定电磁进水阀和电磁排水阀工作状态以及电机工作状态，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。
原理图如下图1。
图1工业洗衣机工作原理图
2.2工业洗衣机的结构
在设计这一款多功能型工业洗衣机之前，必须要考虑到许多问题，比如洗衣机在可靠性、安全性、开发推广价值等方面的具体实际问题。
以下描述在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足控制要求，是设计PLC控制系统的最重要原则。
要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集资料。
同时要与现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员密切配合，共同拟定控制方案及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。
（3）力求简单、经济、使用及维修方便
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。
在设计该工业洗衣机时，由于波轮洗衣机洗净率高、时间短、操作相对方便等优点更适合大型洗衣量场合应用。
所以，我选择了波轮式洗衣机在大型场合的应用。
在控制技术上选择PLC作为控制器，主要为了该产品实现功能齐全、外围电路简单、维护容易方便，容易继续写入编程语言实现更新升级等。
最大限度地满足被控对象的控制要求，在应用中保证PLC控制系统安全可靠，适应企业发展的需要，为需要强洗涤工作量的企业提供了极大便利。
为此该工业洗衣机设计的框图如下图2。
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，作脱水用。
内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。
洗衣机的进水和排水分别由电磁进水阀和电磁排水阀来控制。
洗涤之前，按照所选水位的高、中、低事前选择好，选择洗涤功能是普通洗还是强效洗，之后进入模式状态，开始进水，经进水管将水注入到外桶并且内置加热器开始加热，达到量程要求与其相应的传感器有信号输出，进而来控制PLC的输出让进水阀失电。
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盘正、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。
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。
这款工业洗衣机的设计中综合考虑了水温有利于对洗涤衣物的洗净度效果，所以在外桶底下安置了加热器。
3工业洗衣机的硬件系统
3.1PLC的选择及外围电路
在洗衣机的系统控制器方面，选择稳定可靠价格合理的PLC作为洗衣机的控制器。
现代技术发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置，与之前半自动洗衣机比较起来，PLC系统配置既固定又灵活，更高的性能，安全性也比之前半自动洗衣机更好。
3.1.1I/O地址分配
合理的选择I/O点数也是PLC的重要指标之一。
I/O的选择既要满足系统的控制要求，又要在合理范围降低投资成本。
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13个数字输入点8个数字输出点。
根据上述分析，本设计共有13输入信号和8输出信号。
列出工业洗衣机的I/O分配表，见表1。
表1系统I/O分配表
输入器件
输入点I
代码
输出器件
输出点Q
代码
启动按扭
I0.0
SB1
进水电磁阀
Q0.0
YV1
停止按扭
I0.1
SB2
排水电磁阀
Q0.1
YV2
高水位水位选择开关
I0.2
ST1
变频器正转控制
Q0.2
STF
中水位水位选择开关
I0.3
ST2
变频器反转控制
Q0.3
STR
低水位水位选择开关
I0.4
ST3
脱水
Q0.4
YV
手动排水开关
I0.5
SB3
报警器
Q0.5
手动脱水开关
I0.6
SB4
高速
Q1.0
RH
高水位传感器
I0.7
ST4
中速
Q1.1
RM
中水位传感器
I1.0
ST5
低水位传感器
I1.1
ST6
水排空传感器
I1.2
ST7
强洗
I1.3
SB5
普洗
I1.4
SB6
3.1.2CPU功能与选择
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，完全能满足该工业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。
综上所述此次设计选用西门子S7-200系列中CPU-224型号。
3.1.3PLC外部接线图
由工业洗衣机的控制要求，对该控制系统I/O的选择和PLC型号进行了选择，现在根
据I/O地址分配表设计外围接线图，如下图3。
图3PLC外部接线图
如图3当该PLC投入运行时，首先选择洗涤方式（选强洗按下SB5，PLC输出端Q1.0有信号输出，则变频器将会使电机处于高速运转状态下的应用程序，来实现洗衣机强洗的效果；选强洗按下SB6，PLC输出端Q1.1有信号输出，则变频器将会使电机处于中速运转状态下的应用程序，来实现洗衣机普洗的效果），然后根据实际需要选择水位，即按下水位选择开关（ST1、ST2、ST3）任意一个，这时再按下启动按钮SB1，输出端Q0.0有信号输出，此时进水电磁阀YV1通电并打开开始进水。
当水位上升到与选择的水位相一致时，与之相应的水位传感器（ST4、ST5、ST6）接通，此时输出端Q0.0无信号输出，则进水电磁阀YV1失电断开停止进水。
此外，当PLC输出端Q0.2有信号输出时，则变频器控制洗衣机进行正向洗涤；当PLC输出端Q0.3有信号输出时，则变频器控制洗衣机进行反向洗涤；当PLC输出端Q0.1有信号输出时，洗衣机进行排水；当PLC输出端Q0.4有信号输出时，洗衣机进行脱水；当PLC输出端Q0.5有信号输出时，则表示洗衣完成报警提醒。
注意：
当遇到特别情况时，按下SB3进行手动排水，按下SB4进行手动脱水；按下SB3使洗衣机停止运行；ST7作为水排空的模拟输入信号的控制开关。
3.2变频器及与PLC的控制电路
变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。
用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。
本文就是通过控制变频器来改变电机的运行方向和转速，改变电机的运行方向用以实现洗衣机正反转的洗涤，而改变电机的运行转速是用以实现洗衣机洗涤强度，即来实现工业洗衣机洗涤的两种不同的功能：
高速强效洗涤、中速普通洗涤。
在本文中，要想变频器达到以上控制效果，就要进一步接受PLC控制。
由此可见两者紧密联系在一起，下面讨论的就是PLC与变频器之间在工业洗衣机方面的控制。
以一般的工业洗衣机为标准，再根据本系统控制要求，变频器暂定为FR-E540。
在变频器控制洗衣电动机的运行方向和转速时，端子的接法很重要，如果把接线端子接错将影响变频器正常应用。
下图4为FR-E540的接线端子平面图，
图4变频器接线端子平面图
在接线的过程中，要了解每个端子所代表的含义，则端子含义如下表2。
表2变频器的接线端子的含义
端子
含义
端子
含义
RH
高速
RUN
运行
RM
中速
FU
频率检测
RL
低速
B
异常输出
MRS
输出停止
A/C
RES
复位
10\2\5
频率设定器
SD
公共输出、输入端
4
DC4~20Ma（+）
PC
直流24V输出和外部晶体管端子
STF
正转启动
SE
集电极开路输出公共端
STR
反转启动
而变频器与PLC之间正确的连接对系统的控制也很重要，下图5为该工业洗衣机变频器与PLC之间的接线图。
当S7-200PLC的输出端Q0.2有信号输出时，则变频器STF端接受到信号控制电机正转；当PLC的输出端Q0.3有信号输出时，则变频器STR端接受到信号控制电机反转；当PLC的输出端Q1.0有信号输出时，则变频器RH端接受到信号控制电机高速运转来实现洗衣机的强洗涤功能；当PLC的输出端Q1.1有信号输出时，则变频器RM端接受到信号控制电机中速运转来实现洗衣机的普洗涤功能。
3.3系统运行的控制电路
由于本控制系统设计要求该洗衣机能够满足不同的洗衣量及洗净程度，而通过改变电机的转速来实现该控制要求。
通过了解我们可以控制变频器改变电动机运行方向、速度。
3.3.1电机调速原理
洗衣机的动力源选择适用于变频器的三相交流异步电动机，它具有比较理想的调速方法，其调速性能最好、效率最高。
我们知道，转速n与频率f成正比，只要改变频率f，就可以改变异步电动机的同步转速n1,从而改变其转子转速n,即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
3.3.2变频器与电机的结合应用
在应用变频器时，想要操作它，首先要对它的控制面板进行了解，如下图6为该变频器面板模式示意图。
图6变频器的面板模式示意图
在应用变频器进行工作时，一定要进行模式的设置。
在PU操作模式中要把出厂时的Pr.79的值选择为1。
下图7为变频器频率及转向的设置流程图。
参数的设定方法，除了部分参数之外，参数的设定仅用在Pr.79选择模式时可以实施。
一个参数值的设定既可以用数字键设定也可以用增减键来完成。
按下SET键1.5S写入设定值并更新。
另外，作为与运行模式无关的设定方法，可将Pr.77设为2。
下表4为设计所需的参数值设定表。
表4参数值设定及功能
参数号
设定值
功能
Pr.79
3
组合操作模式一
Pr.20
50
加减速基准频率
Pr.1
50
上限频率
Pr.2
0
下限频率
Pr.3
50
基底频率
Pr.4
50
高速强效洗涤
Pr.5
35
中速普通洗涤
Pr.7
5
加速时间
Pr.8
5
减速时间
由以上内容我们可以大概的了解到利用变频器改变电机的运行方向和速度。
下图8为工业洗衣机主电机控制电路图。
图8工业洗衣机主电机控制电路图
变频器与电机之间的连接如下图9所示。
图9变频器与电机的接线图
4工业洗衣机的软件系统
4.1系统的流程图
该洗衣机，在设计上具有普通洗和强效洗的多功能型。
考虑工厂等场合衣物具有油污的特点，在洗涤方面需要具有一定的水温才可以达到充分去污的特效，所以本洗衣机带有水温加热功能。
系统的控制要求：
先按下洗涤方式、水位选择开关，再按启动按钮；
（1）PLC投入运行，系统处于初始状态准备好启动；
（2）启动时开始进水，同时对水进行加热；
（3）当注入的水达到设定水位值时停止进水和加热，2S后开始洗涤；
（4）洗涤时，电机在变频器的控制下5S达到要求转速，之后正转30s后暂停2S；然后开始反转，同样电机在变频器的控制下五秒达到要求转速反转30s，停2s；
（5）如此循环，若正、反转未满5次时，返回从正洗开始的动作；
（6）若正、反洗涤满5次时则开始排水；水位下降到水排尽位时开始脱水并继续排水；
（7）脱水30s即完成一次从进水到排水的大循环过程；
（8）若完成3次大循环，洗完报警3s后自动停机；
（9）可以按“停止”按钮实现手动停止进水、排水、脱水及报警；
（10）可以按“排水”按钮实现手动排水；
工业洗衣机通过控制面板显示选择洗衣模式；能够检测水位，自动完成进、出水；按下启动按键之后进行选择洗衣方式，若洗衣量很大则选择强效洗，洗衣机能够按照设定的洗衣程序，从进水、洗涤、漂洗、排水到脱水，整个过程全自动进行；完毕后，能够自动报警，停止工作。
洗衣机的进水、排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀执行。
脱水时，由脱水电磁离合器合上、排水电磁阀吸合，洗涤电动机正转高速进行甩干。
洗涤完报警。
图10为洗衣机的工作流程图，PLC投入运行，系统处于初始状态准备好启动；按下启动按扭和水位选择开关，这个时候开始选择洗衣功能。
选好后开始进水同时加热；进水到设定高度时停止进水和加热停2S后开始洗涤正转；正转30s后暂停；暂停2s后开始洗涤反转；反转30s后暂停；暂停2s后，若正、反转未满5次时，返回从正洗开始的动作；若正、反洗涤满5次时则开始排水；水位下降到低水位时开始脱水井继续排水；脱水30s即完成一次从进水到排水的大循环过程；若完成3次大循环，洗完报警3s后自动停机。
图10正常运行流程图
4.2系统的顺序功能图
顺序功能图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，他是一种通用的技术语言。
该工业洗衣机控制系统PLC控制状态流程图见图11。
如图11当PLC投入运行时，系统处于初始状态（第一步）准备好启动。
当同时按下I0.0和I0.2（I0.3或I0.4）时，程序进入到第二步：
Q0.0接通，此时进水电磁阀打开开始进水；当I0.2、I0.7（I0.3、I1.0或I0.4、I1.1）同时接通时，程序进入到第三步：
Q0.0失电断开停止进水，T37开始计时；当T37计时2S后程序进入到第四步：
Q0.2接通电机开始正转洗衣，与此同时T38开始计时；当T38计时30S后程序进入到第五步：
Q0.2断开，正转洗涤暂停，同时T39开始计时；当T39计时2S后程序进入到第六步：
Q0.3接通，电机开始反转洗衣，同时T40开始计时；当T40计时30S后程序进入到第七步：
Q0.3断开，反转洗涤暂停，同时T41开始计时；当T41计时2S后程序进入到第八步：
C50计数一次；当C50未计满5次则返回Q0.2接通，重复以上从正洗开始的全部动作，否则程序进入到第九步：
Q0.1接通开始排水；当水排空I1.2接通时，程序进入到第十步：
Q0.1、Q0.4接通，开始脱水、排水，同时T42开始计时；当T42计时30S后程序进入到第十一步：
C51计数一次；当C51未计满3次则返回Q0.0接通,重复从进水到脱水的全部动作，否则程序进入到第十二步：
Q0.5接通报警，同时T43开始计时；T43计时3S时间到，报警结束，整个洗衣过程结束。
4.3系统的梯形图程序
如图12所示是根据图11的顺序功能图，利用起跑停编程方法编制而成的。
图12系统梯形图
程序运行过程分析
如图12洗衣机洗衣前先选择好水位，即按下水位选择开关（I0.2、I0.3、I0.4）任意一个，这时再按下启动按钮，Q0.0接通，此时进水电磁阀打开开始进水。
当水位上升到与选择的水位相一致时，与之相应的水位传感器（I0.7、I1.0、I1.1）接通，Q0.0失电断开停止进水，T37开始计时。
当T37计时时间到，Q0.2接通电机开始正转洗衣，与此同时T38开始计时。
当T38计时到30S，Q0.2断开，正转洗涤暂停，同时T39开始计时。
当T39计时时间到，Q0.3接通，电机开始反转洗衣，同时T40开始计时。
当T40计时时间到，Q0.3断开，反转洗涤暂停，同时T41开始计时。
当T41计时时间到，C50计数一次，同时洗衣返回Q0.2接通，重复以上从正洗开始的全部动作，直到C50计满5次数时，Q0.1接通并自锁，排水电磁阀打开开始排水，C50复位，准备下次循环是再计数。
排水到脱水水位时，I1.2闭合，Q0.1、Q0.4接通，开始脱水、排水，同时T42开始计时。
当T42计时时间到，Q0.1、Q0.4断开，停止排水和脱水，C51计数一次，同时洗衣返回Q0.0接通,重复从进水到脱水的全部动作，直到C51计数满3次时，停止洗衣，Q0.5接通报警并自锁，同时T43开始计时。
T43计时时间到，报警结束，整个洗衣过程结束，T43常开触点闭合，为下次启动做准备。
5总结
在本设计系统中，考虑了电动机运行方向及转速控制方法，同时也考虑到洗衣机的洗涤特殊性。
因为工厂中的衣物油污灰尘较多，增加了洗涤时的难度，通过控制水温，这样可以达到一定的去污效果。
另外，在此次论文设计中,编程方面采用了西门子S7-200指令，既经济同时又满足了工业洗衣机编程的需求。
在设计该工业洗衣机功能方面还有许多待进一步提高。
比如在洗涤过程中，若打开洗衣机桶盖这时整机将停止洗涤，桶盖合上洗衣机将再次进行之前的洗涤任务；在洗涤过程中，若外部电源与供水中断，洗衣机暂时停止工作，当电源或供电恢复后，洗衣机在原来基础上继续工作，直到洗涤完成，还有要能够通过控制面板设定洗衣机的洗涤时间、洗涤次数、脱水时间；能够检测洗涤量来自动调节洗衣剂的添加量。
这些功能在工业洗衣机中也能够实现，还需得以进一步提高。
通过本控制系统的设计，不仅能够培养独立的工作能力，而且也能够提高动手的能力，相信会对今后的学习、工作、生活有着非常重要的影响。
总之，这次设计为以后面向实际应用打开了大门，为以后做各项工作和进一步学习奠定了基础。
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