基于S7200的全自动洗衣机设计

1、摘 要 本文介绍了采用可编程控制器（PLC）作为核心控制部件的全自动洗衣机的控制系统。通过介绍洗衣机的结构，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控制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、继电器、开关、变频器等其它一些输入/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、灵活等特点。可编程控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置,它的功能性强,可靠性高,编程简单,使用方便,体积小巧,

2、近年来在工业生产中得到广泛的应用,被誉为当代工业自动化主要支柱之一。该设计主要描述了全自动洗衣机的工作原理、控制系统的PLC的造型和资源的配置、控制系统程序设计与调试、控制系统PLC程序。根据全自动洗衣机的工作原理，利用可编程控制器PLC实现控制，说明了PLC控制的原理方法，特点及控制洗衣机的特色。通过本系统的设计，对s7-200 PLC的特点有了深入的理解。全自动洗衣机控制系统利用了s7-200 PLC的特点，对按钮、电磁阀、开关等其它一些输入/输出点进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。充分表现现代家电用品的个性。关键词：可编程序控制器,洗衣机,全自动 AbstractThis arti

3、cle used programmable controller PLC to realize the washer completely automatic control, explained the PLC control principle method, the characteristic and controlled the washer the characteristic. The article during introduction washer structure, carries on the analysis to the completely automatic

4、washer control system, proposed in this foundation based on the PLC completely automatic washer control plan, and has carried on the proof to the plan, has carried on the design according to the washer principle of work to the procedure and the flow, has the intellectualized degree high, safe reliab

5、le and so on the characteristics. To the button, the relay, the switch, the frequency changer and so on other some I/O spot carries on the control, realized the washer to wash clothes the process automation. Because spreads every time lavation, draining water, dehydrated time by PLC in counter contr

6、ol, so long as therefore the change counter parameter may change the time.PLC is takes core to control devised the calculator technique as the in general use automation control equip to computer skills. Its function is strong, the credibility is high, the plait distance is simple, the usage is conve

7、nient, the physical volume is cleverly made, in these years, PLC is the extensive application, and drive for contemporary the industrial automation mainly pays one of the pillars. This design mainly describes the working principle of the automatic washing machine, the control system of the modelling

8、 of PLC and resources allocation, control system programming and debugging, PLC program control system. According to the work principle of automatic washing machine, using the programmable controller PLC control, that the PLC control principle, characteristics and control method of the washing machi

9、ne features. Through this system, the design of s7-200 PLC has the characteristics of the deep understanding. Automatic washing machine control system using s7-200 PLC on the features of button, solenoid valve, switch and other some input/output point control, realized the automation of laundry proc

10、ess washing machine. It fully show the modern appliances personality. KEYWORD：Programmable Logical Controller, Washing machine, Full-automatic目 录第1章 绪 论11.1 全自动洗衣机的分类11.1.1 按自动化程度分类11.1.2 按结构方式分类11.1.3 按洗涤方式分类21.2 全自动洗衣机的发展背景21.3 全自动洗衣机的设计目的21.4 本文研究的主要任务3第2章 全自动洗衣机的设计要求和功能实现52.1 全自动洗衣机实物结构介绍52.2 全自

11、动洗衣机的工作原理62.3 全自动洗衣机的设备控制要求6第3章 可编程控制器设计83.1 PLC概述83.2 PLC控制系统设计的基本原则93.3 PLC控制系统设计的基本内容93.4 PLC I/O模块的选择步骤与原则93.4.1 开关量IO模块的选择93.4.2 模拟量IO模块的选择133.4.3 特殊功能模块的选择133.5 PLC的应用上的特点13第4章 系统设计154.1 系统总体结构分析154.2 洗衣机硬件设计164.3 PLC主机选型与设计214.4 I/O硬件接线图244.5 软件设计254.5.1 I/O 分配表254.5.2 流程图分析264.5.3 源程序29第5章 测

12、试调试365.1 电路测试365.2 系统测试365.2.1 测试方法365.2.2 功能测试及分析36第6章 总结与展望386.1 总结386.2 展望38参考文献40致 谢42附录 程序语句表43第1章 绪 论1.1 全自动洗衣机的分类 洗衣机是一种在家庭中不可缺少的家用电器,发展非常快,而全自动式洗衣机因使用方便更加得到大家的青睐,全自动即进水、洗涤、漂洗、甩干等一系列过程自动完成,控制器通常设有几种洗涤程序,对不同的衣物可选择不同的洗涤方式。 目前，我国洗衣机的分类方法主要有三种：按自动化程度分类，按洗涤方式分类，按结构方式分类。1.1.1 按自动化程度分类 洗衣机可分为普通型、半自动

13、型、全自动型三大类。 目前大多是全自动型洗衣机，它是指洗涤、漂洗、脱水各个功能之间的转换全部不用手工操作而能自动进行的洗衣机。这种洗衣机在选定的工作程序内由机电式程序控制器或微电脑程序控制器适时发出各种指令，自动完成各个执行机构的动作，使整个洗衣过程自动化。1.1.2 按结构方式分类 洗衣机可分为单桶、双桶、套桶三大类： 单桶洗衣机。单桶洗衣机自动化程度较低，多为简易型和普通型，少量的为半自动型。其主要特点是占地面积小，价格便宜。 双桶洗衣机。双桶洗衣机实际上就是单桶洗衣机和脱水机的组合。它的洗衣部分和甩干部分有各自的电动机和定时器。双桶洗衣机功能齐全，使用方便，操作简单，省水，省电，价格适宜

14、，品种多样。目前，我国双桶波轮式洗衣机占主导地位。 套桶洗衣机。该洗衣机的特点是内、外两个立式容器套装在同一个轴心上。波轮式套桶洗衣机多为全自动型。因其离心桶的外径小于盛水桶的内径，故将外桶和内桶套装在同一个轴心上，减少了占地面积。其外桶作为盛水容器，内桶作为洗涤、漂洗、离心脱水用。常见的波轮式套桶洗衣机是单电机的，洗涤及脱水工作由离合器控制。洗涤时波轮转动而脱水桶不转，脱水是波轮与脱水桶一齐旋转。1.1.3 按洗涤方式分类洗衣机可分为波轮式、滚筒式： 波轮式洗衣机。波轮式洗衣机是将洗涤衣物浸泡在水中，靠波轮正、反方向的交替转动或连续单方向的转动使衣物在水中不断翻滚，而达到洗净衣物的目的。主要

15、特点是：洗涤能力强、洗涤时间短、结构简单、可调节水位、成本低、易维修、易操作。 滚筒式洗衣机。滚筒式洗衣机自动化程度高，洗涤性能好，容量大，质量高。 1.2 全自动洗衣机的发展背景从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打，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。1858年，汉密尔顿史密斯制成了世界上第一台洗衣机。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

16、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

17、展，其年总产量及社会普及率均以达到相当高得水平。1.3 全自动洗衣机的设计目的 目前中国洗衣机市场正进入更新换代期，市场潜力巨大，人们对于洗衣机的要求也越来越高，目前的洗衣机主要有强弱洗涤功能、进排水系统故障自动诊断功能、暂停等七大功能，在许多方面还不能达到人们的需求。这就要求设计者们有更高的专业和技术水平，能够提出更多好的建议和新的课题，将人们的需要变成现实，设计出更节能、功能更全面、更人性化的全自动洗衣机。目前的洗衣机都没有实现全方面的兼容，大多洗衣的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能，洗衣机的各项功能是由单片机控制实现的。 以往以单片机为中心控制系

18、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。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1.4 本文研究的主要任务本课题

19、主要基于S7-200的全自动洗衣机系统设计，分析了全自动洗衣机的工作原理，控制过程以及实现方法，对可编程控制器控制的硬件和软件进行了分析、设计，完成了系统硬件设计，以及系统软件相关程序的设计。本文主要内容如下：1、第1章节主要阐述本文选题的背景、目的、本文的主要任务，以及全自动洗衣机的分类。2、第2章确定了系统的总体设计，对洗衣机设计控制要求，并交代了全自动洗衣机的实物结构和全自动洗衣机的工作原理。3、第3章主要对可编程程序控制器的描述，给出了PLC设计的基本原则和基本内容，以及可编程程序控制器在应用上的特点。4、第4章是对系统的硬软件进行设计，主要介绍了系统的硬件设计、CPU单元的设计、软件

20、模块的设计，以及对系统总体结构的分析。5、第5章通过对系统的调试和检测，再进行系统性梳理，将隐藏的不足之处加以修正和完善，确保系统能顺利运行。6、第6章主要是对本次设计的总结以及此课题未来的发展展望。第2章 全自动洗衣机的设计要求和功能实现2.1 全自动洗衣机实物结构介绍 洗衣机的应用现在比较普遍。全自动洗衣机的实物示意图如下图2-1所示。 图2-1 自动洗衣机示意图 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

21、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。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。2.2 全自动洗衣机的工作原理 全自动洗衣机的工作过程一般包括启动、进水、洗涤、脱水及排水等，洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀控制。进水时，控制系统使进水电磁阀打开，将水注入外桶；排水时，使排水电磁阀打开将水

22、由外桶排到机外。洗涤和脱水由同一台电机拖动，通过电磁离合器来控制，将动力传递给洗涤波轮或甩干桶(内桶)。电磁离合器失电，电动机带动洗涤波轮实现正、反转，进行洗涤；电磁离合器得电，电动机带动内桶单向旋转，进行甩干(此时波轮不转)。水位高低分别是由高低水位开关进行检测。启动按钮用来启动洗衣机工作。在实现控制过程中，各种采样信息都是通过控制中心进行各种判断、比较和选择，再经信息线路反馈给洗衣机各控制执行机构，决定洗衣机的工作状态。其系统总体结构如图2-2 所示。图2-2 基于PLC 全自动洗衣机的系统总体结构图 本文所设计的是带有洗涤方式选择（标准模式和柔和模式）、水位选择（低水位和高水位）的全自动

23、洗衣机，这样用PLC 控制的全自动洗衣机的洗涤动作控制程序要求，增加洗涤方式选择、洗涤水位选择。2.3 全自动洗衣机的设备控制要求 全自动洗衣对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。1. “正常运行”模式的控制要求如下：（1） 按下启动按扭、水位选择开关以及洗衣模式选择开关，开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水。（2）暂停2秒后开始洗涤。（3）洗涤时，分为标准洗衣模式和柔和洗衣模式 标准洗衣模式：是洗涤电动机先正转10秒，然后停转2秒，再反转10秒，有停转2秒，在又正转，如此反复循环。 柔和洗衣模式：是洗涤电动机先正转5秒，再停2秒，然后反转5秒，再停2秒，又开始

24、正转，如此反复循环。其流程图如图2-3所示。电机正转10S停止2S电机反转10S电机正转5S停止2S电机反转5S标准模式柔和模式图2-3 标准模式和柔和模式流程图（4）如此循环10次，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水30秒即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。（5）若未完成3次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了3次大循环，则进行洗完报警。（6）报警3秒结束全部过程，自动停机。2.“强制方式”模式的控制要求如下：(1) 按下停止按钮，洗衣过程停止，即洗涤电动机和脱水桶停止转动、进水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

25、和脱水。第3章 可编程控制器设计3.1 PLC概述 PLC可编程序控制器：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程. 1968年美国GM（通用汽车）公司为了适应生产工艺不断更新的需要，希望用电子化的新型控制器取代电器控制装置并对新型控制器提出了编程简单方便、可现场修改程序、维修方便、采用插件式结构、可靠性要

26、高于继电器装置等10项具体要求。第二年美国数字设备公司根据上述要求，首先研制出世界上第一台可编程控制器，并成功的应用到美国通用汽车公司的生产线上。其后，日本、德国等国家相继研制出可编程控制器。早期的可编程控制器是为了取代继电器控制系统，仅有逻辑运算、顺序控制、计时、计数等功能因而被称为可变成逻辑控制器，简称PLC，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行

27、业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程存储器，用来在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者生产过

28、程。可编程控制器及其有关外围设备都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。由上述定义可知，可编程控制器是专业为工业环境下应用而设计的计算机。3.2 PLC控制系统设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控制对象（生产设备或生产过程）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. 最大限度的满足被控对象的控制要求。2. 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用、维修方便。3. 保证控制系统的安全、可靠。4. 考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余地。3.3 PLC控制系统设计的基本内容 P

29、LC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC控制系统的基本内容包括如下几点：1. 选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关和传感器等）、输出设备（继电器、接触器和信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。2. PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC，对于保 证整个控制系统的技术经济性能指标起重要作用。3. 分配I/O点，绘制电气连接接口图，考虑必要的安全保护措施。4. 设计控制程序。包括设计梯形图、程序清单或控制系统流程图。5. 必要时还需设计控制台。6. 编制系统的技术文件，包括说明书、电气图及电气元件明细表等。3.4

30、 PLC I/O模块的选择步骤与原则 一般IO模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的IO模块有开关量IO模块、模拟量IO模块及各种特殊功能模块等。不同的IO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。3.4.1 开关量IO模块的选择 1. 开关量输入模块的选择 PLC工作流程如图3-1所示。图3-1 PLC的工作流程 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

31、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5、12、24、48、60等；交流110、220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5、12、24用于传输距离较近场合，如5输入模块最远不得超过米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。（2）开关量输入模块输入接线方式 开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，如图3-2所示。 汇点式输入 分组式输入图3-2 开关量输入模块的输入方式 汇

32、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，各组之间是分离的。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。而全自动洗衣机的控制信号是不用分隔的，故在本次设计中，对于开关量输入模块的选择我选择的是汇点式输入方式。（3）注意同时接同的输入点数量 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的点数一般不要超过输入点数的60%。（4）输入门槛水平 为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛点平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远。2.

33、开关量输出模块输出方式的选择（如图3-3所示） 分隔式输出 分组式输出图3-3 开关量输出模块输出方式的选择 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。（1）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

34、（2）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220V2A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(82A)，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。（3）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。3.4.2 模拟量IO模块的选择 模拟量IO模块的主要功能是数据转

35、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（AD）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(DA)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IO模块的量程为-10V+10V、0+10V、420mA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）。3.4.3 特殊功能模块的选择 目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的IO模块，有的还推出了自带CPU的智能型IO模块，如高速计数器、凸轮模

36、拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块。3.5 PLC的应用上的特点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。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接 线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中， 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。2配套齐全，功能

37、完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了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，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。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC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。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。系统的设计

38、，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，同时日常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。这特别适合多品种、小批量的生产场合。第4章 系统设计4.1 系统总体结构分析 全自动洗衣机的工作过程包括启动、进水、洗涤、排水和脱水等功能。在实现控制过程中，各种采样信息都是通过控制中心进行各种判断、比较和选择，再经信息线路反馈给洗衣机各控制执行机构，决定洗衣机的工作状态。如图4-1所示，由PLC控制洗衣机各种动作典型的系统控制图： S7-200PLC启动按钮停止按钮高水位低水位标准模

39、式柔和模式高水位探测低水位探测进水电磁阀电机正转电机反转排水离合器脱水离合器蜂鸣器图4-1 全自动洗衣机硬件系统框图 由图4-1可知，PLC在系统中是处中心位置，水位开关是PLC的输入信号控制开关、进水阀、排水阀和电机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；电机的工作状态也由控制中心PLC给定信号来决定，而惦记的正反转状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。另外由于洗衣机工作过程是顺序过程，所以利用PLC作为洗衣机的控制系统是可行的。 控制部分采用可编程序控制器(Programmable LogicalController，简称PLC)为主对系统加以控

40、制，PLC 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。用可编程序控制器（软件编程）来代替传统继电器硬件布线控制，使控制系统有了极大的柔性和通用性，同时由于PLC 功能齐全，不仅能完成复杂的逻辑控制，并且可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、性能优越、灵活通用，能在恶劣的工况环境下长时间连续运行，结构简单、编程简单，维护简单，使得系统可靠性大大提高：可以模拟全自动洗衣机的工作循环，也可以按照自己的要求任意设定仪器的工作循环。4.2 洗衣机硬件设计1 洗衣机电机 实物图如图4-2所示图4-2 全自动洗衣机电机XD-180W表4-1 洗衣机电

41、机的参数型 号 XD-180W XD-180W XD-135W XD-120W额定电压 220V 220-240V 220V 220V额定频率 50HZ 60HZ 50HZ 50HZ 额定转速 1370 1370 1370 1370输出功率 180W 180W 135W 120W额定电流 1.75A 1.75A 1.25A 1.10A电 容 量 13 13 10 10噪 音 45 45 45 45性能特点：起动转矩大、起动电流小、过载能力强、机械特性硬。2. 启动按钮启动按钮用来控制全自动洗衣机开始与否。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

42、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否。在洗衣服过程中，用户需要停止洗衣机，就可以直接按下停止按钮，全自动洗衣机开始洗衣。4. 定时器 定时器是普通型波轮式洗衣机中的关键部件之一。它主要起两个作用：一是控制洗涤电机和脱水电机运转时间的长短；二是控制电机按预定的程序自动地实现正反转、停转的时间。 普通型波轮式洗衣机，大多采用发条式定时器。而许多大波轮新水流式洗衣机使用电动式定时器。5. 进水电磁阀 进水电磁阀简称进水阀、注水阀。在全自动洗衣机上，以内功用进水阀来实现自动注水和停止进水。它和水位开关互相配合，对洗衣桶的水位高低进行自动控制。1) 工作原理 进水阀是一

43、种电磁阀，阀中心是铁心，铁心外为电磁线圈，线圈不通电时，在小弹簧的作用下铁心被压下，封住了橡胶阀上所装的塑料盘中间的泄压孔，这时书从加压针孔进入控制腔，使进水腔和控制腔的水压相等。由于橡胶阀上部的受压面积大于下部的受压面积，所以橡胶阀被压紧在阀座上起到了封闭作用。其封闭的可靠性是由铁心所受的压力决定的，贴心的下端与泄压孔接触，铁心的上端受压面积大于下端的受压面积，显然水的压力越大，铁心对泄压孔的封闭压力越大，封闭越可靠。早水压力低时，阀的封闭性就差，所以对水压有个最低要求，不能低于0.3Mpa。 当线圈通电时，电磁力克服下弹簧的弹力将添心吸上，泄压孔打开，由于泄压孔大于加压针孔，控制腔内的水将

44、很快流出，压力降低，进水腔为自来水压，橡胶阀的下部压力大于上部压力，即被下部的水压推开，阀即开启注水。2 ) 主要性能参数 进水电磁阀的主要性能参数见表4-2和表4-3所示。表4-2 进水阀的技术参数额定电压、 额定电流 使用水温 水压范围 密封性能 温升 绝缘电阻 电气强度频率 （mA） （0C） （Mpa） （Mpa） （0C） （欧姆）220V、50Hz 27+/-5 0-80 0.02-0.8 0.02-1 75 100 2500V、1min表4-3 进水电磁阀的流量特性进水压力（Mpa） 0.02 0.1 0.3 0.8流量（L/min） 3 8 13 25图4-3 进水电磁阀实物6

45、. 排水电磁阀 排水电磁阀是全自动洗衣机特有的电器部件。它是一个受程控器控制的自动排水开关。除了排水功能外，还控制着离合器的状态（洗涤或脱水）。 排水电磁阀由电磁铁和排水阀两部分组成，它们是相互独立的部件，两者用排水阀连接起来，在连接板的右端以开口销与电磁铁动铁心连接，而左端钩在排水阀的内弹簧上。当电磁铁通电时，将动铁心往右拉，排水阀就呈打开状态。此时盛水桶内的洗涤液便能通过水道和阀门，从排水口流出机外。在连接板上还用螺栓固定着一个位置可调的定位套，在动铁心吸合的过程中，该定位套向右运动，拨动了离合器上的制动杆，为脱水做准备。当电磁铁失电时，排水阀在自身弹簧作用下将铁心拉出，排水阀关闭，洗衣机

46、停止排水。同时，离合器上制动杆靠制动弹簧的作用恢复原位，为洗涤漂洗过程中波轮转动做好准备。（1）电磁铁 电磁铁有两种交流和直流，电动式程控式（机械式）全自动洗衣机一般采用交流电磁铁，而微电脑程控器式（电脑式）全自动洗衣机一般采用直流电磁铁。 1）交流电磁铁 交流电磁铁的铁心和衔铁是由硅钢片叠压铆接而成的。衔铁置于铁心之中。在线圈通电后，铁心和衔铁同被磁化，相对的两个面上产生了异名磁极这种吸引 力使衔铁向铁心运动，从而带动拉杆将阀打开。虽然线圈中电流的方向不断发生变化，但由于铁心与衔铁的磁极同时变化，使它们之间出现的总是吸引力。 2) 直流电磁铁直流电磁铁具有吸引力大、体积小、噪音低和安全性能高

47、等优点，它的线圈分成吸合线圈和保持线圈两组，由其内部的微动开关控制这两组线圈的工作。线圈和铁心用环氧树脂灌装加固和密封。（2）排水阀 排水阀装配于排水阀体之中，为弹簧将橡胶阀压在阀体的底部，使橡胶阀的环行密封环产生少量变形，保持水不从阀口泄露，橡胶阀的右端环行边被阀盖压紧。排水阀杆嵌在橡胶阀上，与橡胶阀成为一体，装于排水阀拉杆内部的内弹簧与排水阀连接板连接，在排水阀关闭时，连接板抵在排水拉杆上，这时内弹簧的弹力对排水阀来说是内力，对排水阀不起作用。排水时，电磁铁通电，动铁心被吸入，牵引排水阀连接板拉动内弹簧，同时连接板上的定位套推动制动杆使 处于脱水状态。只要连接板的左端一离开排水拉杆，内弹簧

48、的拉力就不再是排水阀的内力，而变成了外力，它要与外弹簧的弹力和橡胶阀的弹力相平衡，当内弹力的拉力（即连接板的拉力）大于外弹簧的弹力时，外弹簧被压缩，带动橡胶阀向右移动，把阀拉离阀座，排水开始。这些动作都是在电磁铁得电瞬间完成的。因为内弹簧的刚度比外弹簧的刚度大，加上装配排水阀连接板时，内弹簧已有了一定的预紧力，因而在牵引排水过程中，内弹簧并不需要产生很大的拉伸变形，就可以使外弹簧有较大的弹性变形，也就是可以使橡胶阀向右移动较大的距离，从而保证足够的排水速度。处于正常的排水阀开启量时橡胶阀左端与阀体平面的距离应不小于10mm。阀体多有半透明塑料制成，从外部可以看到阀的开启量。7. 水位开关 水位

49、开关也叫压力开关，是一种气压式电触点开关。它是利用洗衣桶内水位高低不同所产生的不同压力，来控制进水阀的开启和关闭。此外，它还负责进水与洗涤之间的转换。（1）工作原理水位开关由三部分组成：1）压力传感部分由橡皮膜下部的气室组成；2）电气开关部分由中间的一组触点、簧片及开关小弹簧组成；3）压力控制部分包括上部的顶心、压力弹簧以及调整压力的凸轮、杠杆等。水位开关的气室经过软管与洗衣机外桶连接起来。平时，橡皮膜处于平衡状态，当水注进外桶后，水首先将贮气室封闭起来，一部分的空气来不及跑出而被封闭在贮气室里。由于贮气室与水位开关的气室间用压力软管相连通，贮气室的压力也就与水位开关气室的压力相同，随着外桶中

50、水位的上升，贮气室、压力软管和水位开关气室间的空气不断的被压缩，随之压强也成比例地上升，这样就把外桶中的水压转换成了空气压力，并作用在橡皮膜上。当注水到了预定的水位时，气室内的压力也升高到一定值。当它足以克服压力弹簧通过顶心作用加在动簧片上的力时，就推动动簧片向上移动。当动簧片移动到预定位置后，开关下压簧将推动动簧片弯到另一个方向，从而使动簧片上的公共触点与常闭触点分离，而与常开触点接触，这样就向程控器发出了“水位已到”的信号，由程控器来控制进水电磁阀关闭，随即进入洗涤程序。 当完成个洗衣程序后，程控器向排水电磁铁发出信号，排水阀开启并排水。随着水位的下降，气室内的压力也逐渐减小，在压力弹簧的

51、作用下，顶心和橡皮膜逐渐下移，到了某有程度时动簧片又弯向上方，常开与常闭触点都恢复原位，等待下一个进水程序，此时水位开关虽然复位，但并不影响洗衣机继续排水。（2） 水位开关的主要技术参数如表4-4所示。表4-4 水位开关的主要技术参数配用程 额定电压 额定电流 气密性 接触电阻 绝缘电阻 电气强度序控制器 （V） （A） （k Pa） （欧） （兆欧） （交流）电动式程 250 3、1.5序控制器7.6 1min =0.03 100 2500V 1 min微电脑式 6 0.01 程序控制器7. 模式选择标准按钮/柔和按钮是用来设置洗衣机洗衣服的模式，当按下按钮时，按照所选择的模式开始洗衣。在洗

52、衣机洗衣服的模式中，标准和柔和是两种相对的概念，标准比柔和的洗衣要剧烈一些。同样地，也水位选择一样，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，不按下时时标准模式。8蜂鸣器 实物图如图4-4所示图4-4 蜂鸣器实物 LED指示系统当前的通电情况，当完成洗衣时蜂鸣器提示报警，原理图如图4-5所示： D0Q21KR3P3.0470R8图4-5 蜂鸣器原理图4.3 PLC主机选型与设计（1）I/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

53、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，考虑余量后需要14个数字输入点10个输出点。统计得输入如表4-5所示:表 4-5 输入统计启动按钮停止按钮高水位开关低水位开关标准模式柔和模式高水位浮球开关低水位浮球开关水排空浮球开关手动脱水开关手动排水开关统计得输出如表4-6所示:表4-6 输出统计（2）用户存储器容量的估算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12KB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：1020B/点开关量输出元件：510B/点定时器/计数器：2B/个模拟量：100150B/个通信接口：一个接口一般需要300B以上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