本科毕业设计论文基于plc的全自动洗衣机控制系统设计论文.docx

1、本科毕业设计论文基于plc的全自动洗衣机控制系统设计论文摘 要 本文描述了采用可编程控制器（PLC）作为核心控制部件，并利用计算机进行模拟监控的全自动洗衣机控制系统。文章介绍了洗衣机的结构，对全自动洗衣机的控制系统进行了分析，在此基础上提出了基于PLC的全自动洗衣机控制方案，并对方案进行了论证，根据洗衣机的工作原理，设计了流程及程序，对按钮，等其它一些输入/输出点进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。由于洗涤，排水，脱水的时间均由PLC内计数器控制，所以只要改变计数器参数就可以改变时间。具有智能化程度高、安全可靠、方便、灵活，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

2、制能在高粉尘、高噪声、强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。 关键词: 可编程控制器 ,PLC ,全自动洗衣机目 录第1章 绪论 11.1 选题背景 11.2 全自动洗衣机发展概况 11.3 控制系统的选择 2第2章 全自动洗衣机控制系统设计 4 2.1 系统描述 42.2 制定控制方案 52.3 系统配置 92.4 控制面板 112.5控制系

3、统流程图及电路控制图 11第3章 性能检测与测试 193.1检测与调试 19第4章 结论及展望 20致 谢 21参考文献 22附录（程序源代码） 23第1章 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。在工业生产中应用也十分广泛。但是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来作为控制器，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

4、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 全自动洗衣机发展概况全自动洗衣机是一种除放、取衣物和开动洗衣机这三道手续外，其余洗衣各程序全部自动完成的设备。1874年美国的比尔布莱克斯通发明了木制手摇洗衣机，这是世界上第一台人工搅动洗衣机。1911年美国人又研制了世界上第一台电动洗衣机。1920年美国的玛依塔格公司又把洗衣机的木制桶改为铝制桶体，第二年又把铝制桶体改为外层铸铝、内层为铜板的双层结构。1936年，他们又将搪瓷用于洗衣机桶体。与此同时，世界各地也相继出现了洗衣机。欧洲国家研究成功了喷流式洗衣机和滚筒式洗衣机。1932年后，美国一家公司研制成功了

5、第一台前装式滚筒全自动洗衣机，洗涤、漂洗和脱水都在同一个滚筒内自动完成，使洗衣机的发展跃上了一个新台阶。这种滚筒洗衣机，目前在欧洲、美洲等地得到了广泛的应用。第二次世界大战结束后，洗衣机得到了迅速的发展，研制出具有独特风格的波轮式洗衣机。这种洗衣机由于其波轮安装在洗衣桶底，又称涡卷式洗衣机。近几十年，在工业发达国家，全自动洗衣机制造技术又得到迅速发展，其年总产量及社会普及率均以达到相当高得水平。目前世界洗衣机年总产量近5000万台，而全自动洗衣机的产量呈增长趋势，在技术性能上正向着节水、节能、高效、结构更趋合理的方向发展。微电脑控制功能、新型的洗涤方式、高速脱水以及低噪音等方面都有了很大提高。

6、近几年，我国的洗衣机制造技术得到迅速发展，从生产单桶波轮式、双桶波轮式洗衣机逐步向套桶波轮式全自动洗衣机和滚筒式全自动洗衣机方向发展，其中全自动洗衣机的年产量已占洗衣机总产量的10%左右。生产规模不断扩大，技术工艺日趋完善，产品质量稳步提高，已生产出技术性能优良的多种牌号的全自动洗衣机供应市场。1.3 控制系统的选择从满足全自动洗衣机控制系统的安全性、扩展性和可靠性方面考虑，目前常见的全自动洗衣机自动控制系统，主要有单片机控制、PLC控制、工业控制计算机集中控制等类型。随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8位单片机的普及，单片机全自动洗衣机系统由单片计算机及其外围芯片构成控制系统。虽然单片机

7、本身小巧、功耗低，实时控制功能强，但是其软、硬件的开发必须借助于开发工具，系统调试困难，不具有自开发能力，且编写洗涤、脱水等程序相对复杂；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。 工业控制计算机全自动洗衣机控制系统是利用通用计算机的扩展槽或扩展区，设计应用系统硬件模板，如通讯板、I/O扩展板等测控功能板，与通用计算机构成一个用于完成预定测控功能的控制系统。其特点是系统有较强的软、硬件支持。利用通用计算机的软、硬件资源来支持控制系统进行工作，具有自开发能力，有较强的可视

8、能力和数据处理能力，更适合于计算机集中控制系统应用。 PLC是一种新型的具有极高可靠性的通用自动化控制装置。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。其特点如下： 抗干扰能力强，可靠性极高。PLC是专为工业控制设计的，采取了精选元器件及多层次抗干扰等措施，能适应工业现场的恶劣环境。 编程方便。PLC采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。 使用方便。PLC的结构不仅具有先进的通讯和输入、输出能力，而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力，使用户可以灵活组成各种规模和不同要求的控制系统。维护方便。PLC模块化的系统结构，使操作人员在维修时只需

9、要更换插入式模板或其它易损部件即可完成，既方便又减少了影响系统运行的时间。设计、施工、调试周期短。用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行，缩短了周期。易于实现机电一体化。PLC的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。PLC控制洗衣机洗衣程序有独特之处。首先，它是一个顺序控制系统程序；其次，洗涤、漂洗、排水、脱水时间是由PLC内的计数器和定时器中参数控制的，只要改变它的参数太小就可改变整个程序时间长短；第三通过改变PLC的型号，可以根据衣物的质地、数量及脏污程度来实现标准洗洗、柔和洗的多功能；第四

10、，通过修改洗衣程序可实现进水、洗涤、漂洗、排水 脱水的顺序控制，也可实现或洗涤、或漂洗、或脱水等单体控制；第五，在设计过程中，可以方便地加入相应的配套装置，如指示灯、蜂鸣器。通过以上分析、说明可知全自动洗衣机的控制系统是有多样性的，虽然各种控制系统均可运用，但是必须考虑它的结构和成本。鉴于PLC的诸多优势，结合全自动洗衣机自动控制系统的需要，选择德国西门子公司生产的具有高性能价格比的S7-200系列可编程序控制器。第2章 全自动洗衣机控制系统设计2.1 系统描述本文描述的是一种全自动洗衣机，它可以自动地完成洗衣的全过程。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，

11、作盛水用。内桶可以旋转，作脱水（甩干）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，将水由外桶排到机外。洗涤正转、反转由洗涤电机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水同并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电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。其示意图如图2.1所示。图2.1 全自动洗衣机示意图2.2 制定控制方案通常地，人们采用洗衣机来洗

12、衣服需要经历洗涤、漂洗、排水、脱水等4个环节，而在全自动洗衣机中，这样的一个过程全由PLC来完成。并且，全自动洗衣机需要其控制系统足够可靠，以避免洗衣机轻易出现故障。全自动洗衣机的简单工作过程如图2.2所示。其中，洗衣的方式（标准或是柔和）、洗衣中的水位选择（高水位洗衣、低水位洗衣等）等两个方面需要在人们将衣服放入洗衣机洗衣服之后手动来选择。并且是必须选择的洗衣参数。当选择了一种洗衣参数后，按下启动按钮，洗衣机就会自动完成洗衣服的整个过程。全自动洗衣机系统中，PLC主要完成一下功能：1. 检测功能（1）检测洗衣的方式：标准或者是柔和的选择。（2）检测洗衣时的水位：高水位或者是低水位的选择。（3

13、）检测进水是否到了需要的水位，即进水是否完成。（4）检测排水是否已经完成。 2. 控制功能（1）控制进水、洗涤、排水、漂洗、脱水等洗衣机的动作。（2）控制洗涤、漂洗、脱水等的时间长短。（3）控制洗涤、漂洗等的次数。（4）控制在洗衣机完成一个动作后到下一个动作的准确转换。（5）控制完成洗衣时的信号提示。图2.2 全自动洗衣机的简单工作过程根据上述对全自动洗衣机系统的功能分析，可以设计如图2.3所示的全自动洗衣机硬件系统框图。图2.3 全自动洗衣机硬件系统框图1. PLC主机选择西门子S7-200系列PLC作为此全自动洗衣机的控制主机。在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222

14、、CPU224、CPU226、CPU226XM等之分。此全自动洗衣机系统中总共有8个数字量输入，6个数字量输出，共需14点I/O,根据I/O点数及程序容量，选择了CPU224作为其主机。2. 启动按钮启动按钮用来控制全自动洗衣机开始工作与否，一般地，在用户在洗衣机内放入衣服，且已经准备好开始洗衣服之后，按下启动按钮，全自动洗衣机开始洗衣。3. 停止按钮停止按钮用来控制运行中的全自动洗衣机停止工作与否。在洗衣服的过程中，用户需要停止洗衣机，就可以直接按下停止按钮，洗衣机即会停止工作。4. 高水位高水位是指洗衣机在洗衣过程中，洗衣机筒内保持的水位高低，一旦选择了高水位，则在洗衣过程中的水位将保持系

15、统设定下的两个水位中的相对高一点的水位。这里，在操作面板上，用一个按钮来设置高水位，按下按钮表示选择高水位。5. 低水位低水位是指洗衣机在洗衣过程中，洗衣机筒内保持的水位的高低，是相对于高水位来说的，在洗衣机系统的初始设计中，设计了两种水位，这个是相对比较低的一个水位，但是同样可以完成洗衣过程。在操作面板上，用一个按钮来设置低水位，按下按钮表示选择低水位。需要注意的是，用户在使用中，只能选择一种水位高水位或者低水位，但是，但是在实际生活中，很有可能用户不小心同时按下了高水位按钮和低水位按钮，因此，在设计中必须要考虑到水位的互锁。当然也可以将高水位与低水位选择设计成一个按钮，按下去的时候为高水位

16、，不按则是低水位。需要说明的是，高水位的选择必须在用户开始一次洗衣之前完成。6. 标准按钮 标准按钮用来设置洗衣机洗衣服的模式，当按下标准按钮时，选择了标准模式，洗衣机自动按照标准模式洗衣服。7. 柔和按钮柔和按钮用来设置洗衣机洗衣服的模式，当按下柔和按钮时，选择了柔和模式，洗衣机自动按照柔和模式洗衣服。标准模式与柔和模式对控制系统的要求主要表现在对变频器的控制，标准模式控制变频器频率使其达到一个在较大的频率值，而柔和模式控制变频器频率使其达到一个相对标准模式而相对小的一个值，从而达到对电机转速的控制，最终实现标准与柔和模式。在洗洗衣机衣服的模式中，标准和柔和是两种相对的概念，标准比柔和的洗衣

17、要剧烈一些。同样地，与高、低水位的选择一样，用户只能同时选择一种模式，因此，也需要在设计中考虑到标准与柔和模式的互锁。也可以将标准与柔和按钮设计成一个按钮，按下去时为柔和模式，不按下去则为标准模式。需要说明的是，标准模式与柔和模式的 选择必须在用户一开始洗衣之前完成。8. 高水位探测器高水位探测器用来检测洗衣机水位是否已经达到了高水位。采用数字量输出式水位探测器这样就可以直接将高水位探测器的输出直接送到PLC主机的数字量输入端口上。9. 低水位探测器低水位探测器用来检测洗衣机水位是否已经达到了低水位。采用数字量输出式水位探测器这样就可以直接将低水位探测器的输出直接送到PLC主机的数字量输入端口

18、上。10进水电磁阀进水电磁阀用来控制洗衣机的进水。当然洗衣机需要外界进水时，PLC主机发出控制信号，进水电磁阀会打开，水自动从外界送入洗衣机筒内，当水已经达到了设定的水位时，PLC主机发出信号自动关闭进水电池阀，同时控制洗衣机进入下一个洗衣步骤。11. 电机正转接触器电机正转接触器用于PLC主机控制洗衣机电机的正转。可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接电机正转接触器，在洗衣机洗衣服的过程中，电机会正转与反转同时轮流进行。12. 电机反转接触器电机反转接触器用于PLC主机控制洗衣机电机的反转。可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接电机反转接触器，在洗衣机洗衣服的过程中，电机会正转与反转

19、同时轮流进行。13. 排水离合器排水离合器用于PLC主机控制洗衣机机筒内的排放。选用数字式离合器，可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接到排水离合器，当洗衣机在完成洗衣或者漂洗后，需要将机筒内的脏水排出机筒，此时，PLC主机发出控制命令打开排水离合器，进行排水。14. 脱水离合器洗衣机洗衣服的最后一道工序就是对衣服进行脱水，脱水电磁离合器正是用于PLC主机控制洗衣机进行脱水，脱水需要电机带动机筒旋转，有了电磁离合器后，就可以直接使用PLC主机的数字量输出端口来控制电磁离合器，最终达到控制脱水执行电机的目的。在脱水过程不涉及电机的调速问题，因此，用PLC主机加电磁离合器这样一种比较觉得简单的

20、方式就可以完成控制任务。15. 蜂鸣器蜂鸣器用来指示洗衣机洗衣过程中的一些声音提示。采用工业用直流供电的蜂鸣器，这样就可以直接用PLC主机的数字量输出端口来控制蜂鸣器。2.3 系统配置全自动洗衣机控制系统为单机控制系统。 PLC的输入点，包括启动按钮、停止按钮、高水位按钮、低水位按钮、标准模式按钮、柔和模式按钮、高水位探测器、低水位探测器，一共8点；输出点包括进水电磁阀、电机正转接触器、电机反转接触器、排水离合器、脱水离合器、蜂鸣器，一共6点。由于点数不多，考虑20%30%的余量，选用小型PLC便可实现，结合培训站的现有教学实验条件， 本次设计选择西门子S7-200系列的CPU224型的PLC

21、，可以满足使用需求。它的主要特点是：14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模版单元，最大可扩展至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O。13KB的程序和数据存储空间。6个独立的30KHZ的高速计数器，2路独立的20KHZ的高速脉冲输出。具有PID控制器。1个RS485通信/编程口。具有多点接口MPI（Multi Point Interface）通信协议具有点对点接口PPI(Point to Point Interface)通信协议具有自由通信口 I/O端子排可以很容易地整体拆卸输入、输出编程元件地址分配表分别如表2.1:主机中辅助继电器分配表如表2.2:表2.1 全自动洗

22、衣机中PLC主机的I/O资源分配名称电路器件地址编号说明输入信号启动按钮SB1I0.0启动洗衣机停止按钮SB2I0.1停止洗衣机高水位按钮SB3I0.2高水位选择低水位按钮SB4I0.3低水位选择标准模式按钮SB5I0.4标准模式选择柔和模式按钮SB6I0.5柔和模式选择高水位探测器SQ1I0.6高水位检测低水位探测器SQ2I0.7低水位检测输出信号进水电磁阀KM1Q0.0进水控制电机正转接触器KM2Q0.1电机正转控制电机反转接触器KM3Q0.2电机反转控制排水离合器KM4Q0.3排水控制脱水离合器KM5Q0.4脱水控制蜂鸣器KM6Q0.5声音提示表2.2 全自动洗衣机中PLC主机中辅助继电

23、器分配名 称地 址名 称地 址启动、停止M0.0洗涤1分钟M1.0高 水 位M0.1洗涤10分钟M1.1低 水 位M0.2洗涤过程完成M1.2标准模式M0.3漂洗高水位探测M1.3柔和模式M0.4漂洗低水位探测M1.4蜂 鸣 器M0.5漂洗1分钟M1.5洗涤高水位探测M0.6漂洗10分钟M1.6洗涤低水位探测M0.7漂洗过程完成M1.7电机正转计时器1M2.0电机正转计时器2M2.12.4 控制面板全自动洗衣机的设计必须在满足上述功能以外，还需要考虑外观设计、造型等方面。尤其是在洗衣机的手动控制操作面板上，必须符合人机界面的基本要求。设计全自动洗衣机的操作面板如图2.4所示。其中，进水、正转、

24、反转、排水、脱水为信号灯指示当前洗衣机的工作状态；蜂鸣器为声音指示，指示洗衣机整个洗衣过程完成的提示；启动、停止、高水位、低水位、标准、柔和等为手动控制按钮，用来人为手动地输入一些控制信号。图2.4 全自动洗衣机操作面板在实际中，操作面板一般位于洗衣机的上表面，需要在设计的时候加入更多的个性化平面设计元素，并且操作面板往往与控制器不放置在一起，这就需要考虑线路布线的问题。2.5 PLC外部接线图 根据PLC主机的I/O资源分配以及PLC主机的硬件框图，则PLC主机的硬件接线图如图2.5，说明如下：1输入口（1）启动按钮连到PLC主机的输入口I0.0,停止按钮连至PLC主机的输入口I0.1。（2

25、） 高水位按钮连至PLC主机的输入口I0.2，低水位按钮连至PLC主机的输入口I0.3。（3）标准模式选择按钮连至PLC主机的输入口I0.4，柔和模式选择按钮连至PLC主机的输入口I0.5。（4）高水位探测器连至PLC主机的输入口I0.6，低水位探测器连至PLC主机的输入口I0.7。2输出口（1）PLC主机输出口Q0.0控制进水电磁阀。（2）PLC主机输出口Q0.1控制电机正转接触器。（3）PLC主机输出口Q0.2控制电机反转接触器。（4）PLC主机输出口Q0.3控制排水离合器。（5）PLC主机输出口Q0.4控制脱水离合器。（6）PLC主机输出口Q0.5控制蜂鸣器。图2.5 外部接线图2.6控

26、制系统流程图及电路控制图 全自动洗衣机控制系统的详细工作过程如下：(1) 按下启动按钮，洗衣机电源导通，准备进入洗涤状态。(2) 用户设置水位高低，以及洗衣模式（标准模式或柔和模式）。(3) 洗衣机打开进水电磁阀，开始从外界输入水。(4) 水位探测器检测到水已经到位，开始洗涤。(5) 电机正转与反转按照设定的洗衣模式的切换时间的长度进行轮流工作。(6) 洗衣一直进行10min。(7) 洗衣机打开排水离合器，开始排水，并且持续3min。(8) 洗衣机关闭排水离合器。(9) 重复（3）至（8）步骤一次。(10) 洗衣机打开进水电磁阀，开始从外界输入水。(11) 水位探测器检测到水位已经到位，开始漂

27、洗衣服。(12) 电机正转与反转按照设定的洗衣模式的切换时间长度进行轮流工作。(13) 洗衣一直进行5min。(14) 洗衣机打开排水离合器开始排水，并且持续3min。(15) 洗衣机关闭排水离合器。(16) 重复（10）至（15）步骤一次。(17) 洗衣机控制脱水电磁阀离合器，进行脱水，同时打开排水离合器使得脱水出来的水可以及时排出洗衣机筒内。(18)持续脱水2min。(19)蜂鸣器发出响声，持续发声20s，提醒用户洗衣完成。(20)完成洗衣。根据上述对全自动洗衣机工作过程的描述，可以设计全自动洗衣机控制系统的PLC部分的主流程图，如图2.6所示。图2.6 全自动洗衣机主程序流程图其中，电机

28、正反转电路控制图2.7所示。洗涤子过程的流程图如图2.8所示。漂洗子过程流程图如图2.9所示。 图2.7电机正反转电路控制图图2.8 洗涤子过程流程图图2.9 漂洗子过程流程在洗涤子过程与漂洗子过程中洗衣服的模式有标准模式与柔和模式之分。其中，标准模式洗衣服的流程图及柔和模式洗衣服的流程图如图2.9所示。 标准模式 柔和模式图2.9 标准模式与柔和模式流程图第3章 性能检测与调试3.1检测与调试大体思路流程如下：1、硬件调试: 硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。(1) 静态调试 静态调试是在用户系统

29、未工作时的一种硬件检测。 第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。 第二步：用万用表测试。先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象。 第三步：加电检测。给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值 第四步：是联机检查。因为只有用可编程控制器开发系统才能完成对用户系统的调试。 (2) 动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。 由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该元件无关的 器件全部

30、从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。由分到合的调试既告完成。 由近及远是将信号流经的各器件按照距离可编程控制器的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。2、软件调试: 软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。程序后，编辑，查看程序是否有逻辑的错误。如果出现故障，应返回编程环境，检查梯形图的错误并修改程序再进行调试，如此反复直到调试成功第 4 章

31、结论及展望本设计还存在很多的缺点。比如使用的输入输出点代码基地址代码过多，没有系统性，编程过程中有点凌乱，简单的逻辑控制指令使用的过多是程序看起来有点臃肿，整体之间的衔接性不好。由于设计思路的原因在程序的硬件设计方面注重的不够，只说明了是用什么的变频器控制方式和plc的接口问题，而忽视了具体的控制和配线方式！把太多精力放在程序的设计上而是整体的设计看似没有突出的设计的重点。本设计使用的单一控制点和简单程序过多使得在实物控制中不太方便操作。本文在提出总体设计方案的基础上，完成了系统的硬件和软件设计、应用程序的编写及调试，经实际运行验证，取得了满意的效果。通过本次毕业设计，感受收获颇多。在设计中，