基于PLC和组态王的全自动洗衣机控制系统设计.docx

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基于PLC和组态王的全自动洗衣机控制系统设计

河南理工大学

本科毕业设计（论文）

题目：

基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计

学院：

xxxxxxxx

专业班级:

xxxxx

姓名:

xxxxx

学号：

xxxxx

指导教师：

xxxxx

2012年06月06日

摘要

随着科技日新月异，人民生活水平不断提高，消费者对家庭电器自动化的需求不断加大，其中全自动洗衣机占很重要的位置。

总体看来,高效节能、节水以及环保的全自动洗衣机一直在市场上占主导地位。

传统的洗衣机采用继电器控制,而大多数继电器的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强，但其容易损坏,产生噪音，耗能大。

PLC的优点是：

可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快,寿命长，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.

本设计采用西门子公司的S7-200系列的PLC作为核心控制部件，利用其特点,对按钮、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。

本文对全自动洗衣机的控制系统进行了分析，进行了流程图和梯形图的设计，并进行仿真测试。

为了能更直观的显示出整个自动控制过程,本设计运用组态王软件建立了一个全自动洗衣机的监控系统画面.

关键词：

PLC；全自动洗衣机;组态王

Abstract

Alongwiththedevelopmentofthescienceandtechnology，people’sstandardoflivingrisesceaselessly，andthedemandofhouseholdappliancesincreases，inwhichfullautomaticwashingmachineoccupiesaveryimportantposition。

Overall,fullautomaticwashingmachinewithhighefficiencyandenergysaving，waterconservationandenvironmentalprotectioninthemarkethasbeenheldthedominantposition.

Thetraditionalwashingmachineuserelaycontrol，mostoftherelayshavetheadvantagesofsimplestructure，pricecheapdeviceandstronganti—interferenceability，buttheyareeasytobedamaged,producenoise，andconsumehugeamountofenergy.ThecharacteristicsofPLCarehighreliability，lessconsumption,strongadaptability，fastoperationandlonglife。

ThisdesignusedtheSiemensS7—200PLCasthekeycontrolcomponents。

Accordingtoitscharacteristics，itcontrolledthebutton,solenoidvalve,switch,orsomeotherinput/outputpoint,whilerealizingtheautomationofwashingmachine。

Inthispaper，theautomaticwashingmachinecontrolsystemwasanalyzed，theflowchartandladderdiagramweredesigned.Inordertoshowtheautomaticcontrolprocessmoreintuitively,thedesignusedKingviewtoestablishapictureofthefullautomaticwashingmachinecontrolsystem。

Keywords：

PLC;fullautomaticwashingmachine;Kingview

1绪论

1.1选题背景

洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电,已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。

在工业生产中的应用也十分广泛，本课题在于工业用洗衣机的研究,工业洗衣机适用于洗涤棉、毛、化纤、丝绸等衣物织品.水磨洗涤机可用于服装厂水洗牛仔服及丝绸等衣物。

工业用洗衣机适用于宾馆、饭店、医院、学校、工厂等领域，满足大容量的洗衣要求。

传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了。

洗衣机需要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。

而随着PLC技术的发展,用PLC作为控制器，就能很好地满足全自动洗衣机对自动化的要求，并且控制方式灵活多样,控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。

自动化技术的飞速发展使得洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机，又正在向智能化洗衣机方向发展。

1.2洗衣机的发展概况和现状

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。

全自动洗衣机的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。

国内外洗衣机品牌有海尔、小天鹅、荣事达、松下、惠而浦水仙、LG熊猫、西门子、日立好用。

1.3毕业设计的研究内容及意义

本设计是基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计，采用西门子公司的S7—200系列的PLC作为核心控制部件，利用其特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入/输出点进行控制，实现洗衣机洗衣过程的自动化。

首先需要对全自动洗衣机的控制系统进行分析，进行流程图和梯形图的设计，并进行仿真测试。

为了能更直观的显示出整个自动控制过程，本设计运用组态王软件建立一个全自动洗衣机的监控系统画面。

本文的课题源于市场上的洗衣机产品.传统的洗衣机采用继电器控制,而大多数继电器的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强,但其容易损坏，产生噪音，耗能大。

也有采用单片机控制的洗衣机，单片机系统的特点是结构简单，处理速度快，但其对环境的适应能力较低，可靠性差，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，而且功能单一，只具有使用中所需要的功能,硬件较为复杂。

PLC系统的优点是：

可靠性高，耗电少，适应性强,运行速度快。

为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，为了避免传统控制和单片机控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。

PLC具有以下优点:

（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）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容易掌握，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连接，深受工程技术人员欢迎.

（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而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.

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.它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路、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,大大提高了控制系统的可靠性。

另外它的编程语言也相对简单.其次，它能实现脱机手动工作,联机自动就地工作，上机控制的单周期运行方式，自动启动、自动停机控制方式。

2系统总体分析

2.1全自动洗衣机的工作原理

全自动洗衣机的工作原理：

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,内桶可以旋转，作为脱水用。

内桶的周围有许多小孔,使内桶和外桶的水流相通，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。

进水时通过控制系统将进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。

排水时,通过控制系统将排水电磁阀打开，将水由外桶排到机外。

洗涤正传反转由洗涤电动机驱动拨盘的正反转来实现，此时脱水桶并不旋转。

脱水时，控制系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正传进行甩干.

高、中、低水位控制开关分别用来检测高、中、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、洗衣、排水、脱水及报警。

全自动洗衣机的进水，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。

全自动洗衣机的示意图如2—1所示.

进水阀

进水

高水位传感器

中水位传感器

低水位传感器

水排空传感器

出水

洗衣电机

出水阀

图2-1全自动洗衣机示意图

2。

2全自动洗衣机的设备控制要求

全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“强制停止”两种控制方式。

"正常运行”方式的具体控制要求如下：

（1）将水位能够通过水位开关设在合适的位置（高、中、低），按下“启动”按钮，开始进水，到达设定的水位（高、中、低）后,停止进水.

（2）进水停止2秒后开始洗衣.

（3）洗衣时,正转20秒，停2秒，然后反转20秒,停2秒。

（4）如此循环共5次，总共220秒后开始排水，排空后脱水30秒。

（5）然后再进水，重复以上过程，如此循环共3次。

（6）洗衣过程完成,报警3秒并自动停机。

“强制停止”方式的具体控制要求如下:

（1）若按下“停止"按钮，洗衣过程停止,即洗涤电机和脱水桶停止转动、进水电磁阀和排水电磁阀全部闭合.

（2）可用手动排水开关和手动脱水开关进行手动排水和脱水。

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需要利用西门子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,实现洗衣机洗衣过程的自动化。

3硬件设计

3。

1硬件电路设计

硬件设计的整体思路就是通过PLC输出的数字信号控制继电器组，达到控制电路的目的.

控制电路的组成主要包括:

可编程控制器、继电器组和连接电路（变频器）。

其中,继电器为主要执行模块,PLC所发出的数字指令控制继电器线圈，而继电器的开合直接控制电源电路,实现对电动机的控制.另外，变频器在电路中控制洗涤时的电机转速,不作为必要装置。

在此控制系统中,PLC是控制核心，外部多种输入信号如启动按钮、高中低水位检测等信号采样进来,经过PLC内部进行逻辑运算或数据处理后,提供多种输出信号来控制进水阀、出水阀动作,和控制电机驱动装置进而控制正反转和脱水运行。

PLC用定时器记录正反转时间，脱水时间和报警时间,用计数器记录正反转次数和脱水次数，可以很容易地通过更改PLC定时器和计数器的参数，来满足不同的洗涤条件和要求。

根据以上要求，基于PLC的全自动洗衣机控制系统框图如图3—1所示。

图3—1全自动洗衣机控制系统框图

PLC在系统中处于中心位置，启动、停止信号和水位开关是PLC的输入信号，进水阀，排水阀，电动机和脱水桶是洗衣机各种动作的执行机构。

其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态，电动机的工作状态也由控制中心PLC给定信号来决定，而电动机的正反转状态直接决定洗衣机的洗涤状态和脱水状态。

系统的硬件电路图如图3—2所示。

图3—2硬件电路图

3.2可编程控制器

⑴可编程控制器的基本概念

国际电工委员会对PLC作了如下定义：

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储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应按使工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

⑵可编程控制器的基本结构

可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本与微型计算机相同，PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源部分、通信端口、编程器和特殊功能单元组成。

典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图3—3所示.

1　中央处理器（CPU）

中央处理器（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。

它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。

它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能

接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误.当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以

图3-3PLC控制系统的硬件组成框图

扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行,直到停止运行。

2　存储器

根据存储器存储内容的不同，存储器可以分为系统程序存储器、用户存储器和数据存储器.

3　输入/输出（I/O）单元

输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备连接的纽带。

输入单元接受现场设备箱PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号.输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备。

4　电源部分

PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源。

内部使用的电源是整体的供给中心，大部分PLC采用开关式稳压电源供电。

5　通信端口

PLC的CPU模块上至少有一个通信端口.通过这个通信端口，PLC可以直接和编程器或上位机相连。

6　编程器

编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监控用户程序的执行情况.手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序.一般用于小型机或用于现场调试和维护。

使用编程软件可以在计算机上直接生成梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。

程序被编译后通过PC/PPI电缆可以下载到PLC中去，也可以将PLC当中的程序上传到计算机当中来。

7　特殊功能单元

PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务，如定时、计数等.

（3）可编程控制器的基本特点

可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点:

1　编程方法简单易学、功能强大、性价比高、硬件配套齐全，系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；

2　也能进行连续过程的PID回路控制;

3　并能与上位机构成复杂的控制系统用户使用方便、适应性强、可靠性强、抗干扰能力强；

4　系统的设计、安装、调试工作量少、维护工作量小、维护方便、体积小、能耗低等特点。

（4）PLC的工作原理

PLC的工作原理可以简单的表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。

但是，在时间上，PLC执行的任务是按串行方式进行的,其具体的运行方式与继电器-—接触器控制系统及计算机控制系统都有着一定的差异与不同。

PLC的基本工作原理：

PLC采用“顺序扫描，不断循环"的工作方式.

1　每次扫描过程,集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新；

2　输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。

只有程序进行下一次扫描时,新状态才被读入；

3　一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新；

4　元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的；

5　扫描周期的长短由三条决定:

CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的；

6　由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟.

（5）S7-200系列PLC

西门子公司的SIMATICS7-200系列属于小型PLC，可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。

由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用.

S7-200的可靠性非常高,可以用语句表、梯形图和功能块图编程。

它的指令丰富，简单易学,内置有高速计数器、高速脉冲输出和PID控制器等特殊功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O,最多有30多KB的程序和数据存储空间。

S7—200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从RS—485通信/编程接口通讯到自由口模式通讯,从PPI协议通讯到MPI协议通讯，从简单的S7—200之间的通讯到S7-200通过Profibus-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯.在网络需求已日益成为必要的今天，强大的通讯无疑会使S7—200为更多用户服务.

本设计采用PLCS7—200为控制核心，实现自动控制和手动控制，硬件接线简单，软件开发周期短,具有工作可靠性高,操作方便,体积小、功耗低等特点，达到良好的经济效果。

3.3继电器

（1）继电器简介

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关"。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点".

（2）继电器组的应用及实现的功能

在本次设计中,对继电器的使用较为突出，原理是利用可编程序控制器的24V直流信号来控制继电器线圈，实现由可控制的按预定程序导通/关断的380V三相电源给电动机供电。

本次使用的继电器模块由三组三联装共九个继电器组成，每组继电器完成一个功能。

可分为：

正转控制组，反转控制组及脱水控制组.

控制线圈与PLC的输出口相连，电动机高压电源通过变频器以后与继电器“常开引脚”相连，公共端接地。

它们的开合直接由可编程序控制器输出的离散信号控制。

即当洗衣机处在洗涤过程要求正转时,正转控制组闭和，反转及脱水控制组断开，三相电源按照原始顺序接入，电源由变频器控制频率后给电动机供电,此时电动机正转且速度为预定数值;当洗衣机处在洗涤过程要求反转时，反转控制组闭和，正转及脱水控制组断开，此时，三相电源中的两相已被继电器互换相接，由于三相异步电动机改变任意两相电磁力矩相反，电源再由变频器控制频率后给电动机供电，此时电动机反转且速度为预定数值；当洗衣机处在脱水过程要求高速正转时，脱水控制组闭和，正转及反转控制组断开,此时,三相电源按预定顺序接入，电源直接接入电动机,电动机按额定转速正转。

3。

4PLC的选型　

3。

4。

1I/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。

PLC内存容量为开关量I/O点数、模拟量I/O点数和程序编写的质量所增加的内存容量综合。

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