全自动洗衣机控制系统设计

1、机电工程学院课程设计说明书设计题目 : 全自动洗衣机控制系统设计学生姓名：学 号：专业班级： 机制 F09指导教师：2015 年 12 月 12 日内容摘要本文介绍了利用西门子系列 PLC对全自动洗衣机控制系统总体控制 , 阐述了控制方 案。实现全自动洗衣机控制系统总体控制有多种，可以采用早期的模拟电路、数字电路 或模数混合电路。 近年来随着科技的飞速发展，单片机、 PLC的应用不断地走向深入，同 时带动传统的控制检测技术的不断更新。本文采用德国西门子公司生产的S7-200型 PLC作为核心控制器进行全自动洗衣机控制系统的设计，并且设计出了系统结构图、程序指 令、梯形图以及输入输出端子的分配方

2、案。同时根据全自动洗衣机控制系统总体控制要 求和特点 , 确定 PLC 的输入输出分配 , 并进行现场调试。关键词 ：PLC ；全自动洗衣机控制系统； PLC程序设计目录第 1章 引 言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。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

3、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。自动洗衣机就是将洗衣的全过程 （泡浸-洗涤-漂洗-脱水）预先设定好 N个程序, 洗衣 时选择其中一个程序 , 打开水龙头和启动洗衣机开关后洗衣的全过程就会自动完成 ,洗 衣完成时由蜂鸣器发出响声。通过 PLC课程设计，进一步掌握 PLC的原理和系统设计方法。培养和锻炼应用 PLC 的能力。为今后实际应用和设计 PLC系统打下良好的基础。要求了解 PLC控制系统设计的全过程，熟悉 PLC系统设计的相关内容，掌握系统的 方法和步骤。 主要包括：系统工艺过程和控制要求； 系统分析和方案论证、 系统功能图； 硬件设计、程序设计；系统的调

4、试步骤和方法。完成一个小型系统上位机和下位机的设 计。第 2 章 全自动洗衣机控制系统总体控制方案确定总体控制方案确定控制系统方案选择单片机系统的特点：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。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

5、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。因此，选用 PLC作为控制系统。全自动洗衣机采用 PLC控制系统将

6、大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。在 全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由单片机为中心控制系统工作的。首先由于 单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相对复杂；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，在 各种控制系统中广泛运用的 PLC能克服单片机的缺点。 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。因此在运用中，硬件也相对简单，提高控制系 统的可靠性。另外它的编程语言也相对简单。典型的 PLC控制系统的硬件组成框图如图所

7、示：图 2-1 PLC 控制系统的硬件组成框图第 3 章 全自动洗衣机的基本结构全自动洗衣机的原理和构造全自动洗衣机在结构上大致可分为 3 中类型，即波轮式，滚筒式和搅拌式。我国的 洗衣机在结构上主要有波轮式和滚筒式两类， 产品的类型以波轮式为主， 其他类型为辅。 首先做一下比较：滚筒式洗衣机具有如下性能：1）更好的软化衣物纤维，减小洗涤过程中衣物的损伤和变形，并且还可以使洗后 的衣物柔软而蓬松。2）提高温度来洗涤可充分溶解洗衣粉，加快洗衣粉中弱酸性物质与污物的化学反 应速度，提高洗衣粉中酶的活性，同时有利于溶解汗渍，血渍，降低灰尘，油污的粘附 作用，从而可在同样的洗净比下大幅度降低洗涤过程对

8、机械力的需求。3）温度高有利于污物在水中的扩散。4）高温能有效的杀死一些细菌。 没有加温的洗涤的波轮式洗衣机无论怎样的水流，要达到一定的洗净比，都必须有 足够的机械力，而机械力对衣物是由损伤的，这就决定了波轮式洗衣机的磨损率大大高于滚筒式洗衣机。各种新水流基本原理是一样的，就是尽量以紊乱的水流减小衣物的缠绕，增大水流 的冲刷力以用于洗涤，与以前依靠衣物与桶壁和衣物相互之间的摩擦方式相比，水流冲 刷对衣物的损伤较小。滚筒式洗衣机有如下特点：1）磨损低，没有缠绕，机械传动部分简单可靠，寿命长于波轮式洗衣机。2）自动化程度高，可以自动投放洗衣粉，漂白粉等，为不同质地的棉制品，化纤 制品，羊毛制品设计

9、了不同的洗涤程序和洗涤温度，使洗涤更为科学。设有防皱浸泡功 能，可将洗好的衣物浸泡在清水里，到晾晒前再甩干，避免衣物甩干后不能及时取出晾 晒而起皱。3）省水，省洗衣粉。滚筒式洗衣机不需要水位高过衣物，从而可节约用水，并可 减少洗衣粉的投放量。4）高温洗涤有一定的灭菌作用。5）洗涤过程噪声小，滚筒式洗衣机属封闭式洗涤，可以有效屏蔽内桶转动声和水 流声；而波轮式洗涤的水流声，脱水内桶转动声是不可避免的且刹车装置和电磁阀动作 声音也很大。由于滚筒式洗衣机的价格大大高于波轮式洗衣机， 所以波轮式洗衣机仍然受到普遍 欢迎。波轮式洗衣机的特点：1） 水流方面。现在波轮式全自动洗衣机出现了一种新水流的形式。

10、如LG的拳击棒，松下的双瀑布，荣事达的网络水流等都采用了这种水流。2）程序控制器。新推出的波轮式全自动洗衣机均采用单片机程序控制器，原来的 机械式程序控制器基本上已被淘汰。 各厂家生产的各种型号的波轮式全自动洗衣机的控 制程序有所不同。 如在模糊控制的洗衣机中， 单片机通过采集水位传感器， 布量传感器， 光传感器的信号以及电动机的转速，判断出衣物的质地，多少，赃物程度，从而自动调 整对衣物进行合理的洗涤。3）不锈钢内桶。波轮式洗衣机采用了不锈钢内桶，减小衣物和内桶壁摩擦力，从而 减轻衣物的磨损。4）同心洗。同心洗是直接把电动机轴与洗衣桶主轴同心安装，直接驱动。使洗涤和 脱水时洗衣桶振动减小，噪

11、声降低。5）变频波轮式洗衣机可以对不同质地的衣物自动选择不同的电动机转速，从而给不同质地的衣物以恰当的洗涤强度，在保证洗得干净的同时，也最大限度地降低衣物的磨 损。同时还可以在脱水甩干时， 由慢到快地启动， 使衣物在桶内分布均匀， 脱水效果好， 同时由于衣物均匀分布在洗衣桶的四周，洗衣桶的重心落在轴心上，可以减小振动，降 低噪声，但是价格较贵。6 ）波轮式全自动洗衣机通常都采用将洗涤（脱水）桶套装在盛水桶内的同轴套桶 式结构，虽然它们各自牌号和型号都不同，但其结构都是由洗涤，脱水系统，进，排水 系统，电动机和传动系统，电器控制系统以及支撑机构 5 大部分组成的。支撑机构主要 有箱体， , 吊杆

12、及控制台组成，它除了安装和连接洗衣机的各种零件外还具有减震防护 功能。洗涤脱水系统它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。 盛水桶固定在钢制底板上，通过 4 根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水 阀等部件都装在桶底下面。洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它的主要功 能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离 心式的脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。按波轮的形状 来分，基本上有小波轮（直径在 160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在 300mm左 右）新水流两类。排水和进水系统波轮式全

13、自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。 为了对桶内的水位进行检 测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关） 。波轮式全自动套桶洗衣机使用 最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关 3 部分组成，用来监视水位的高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣 机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上 的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线 圈形成磁场的原理， 洗衣机电磁阀在进， 排水时使用，220V 交流电压与电磁阀线圈接通， 形成磁场， 电磁线圈吸合。 自动打开阀门， 洗衣

14、机里的水就顺着管道流出去了。 断电后， 电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出 去了。电动机及传动系统波轮式全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成， 离合器 又有普通离合器和减速离合器两种。其中普通离合器用在采用小波轮的套桶洗衣机上， 这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同， 目前各种大波轮 新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤，漂洗时波轮的转速较慢，而脱水时 离心桶的转速较快。电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源，普遍采用主，副绕组完全 对称的电容式电动机。由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电

15、动机的 功率较大。电动机与固定在离合器下端的大传动带盘之间用 V 带传动。经第一级减速后大传动 带盘得到 150r/min 的转速。当洗衣机处于洗涤或漂洗状态时，再经离合器内部的行星 齿轮减速后，使波轮得到 175r/min 低转速。此时，洗涤（脱水）桶不动。当洗衣机处 于脱水状态时，离合器输出的是未经减速的 850r/min 的高转速，驱动脱水桶和波轮作 同步高速运转。对于使用普通离合器的小波轮套桶洗衣机来说，有区别的仅仅是离合器 内部没有行星齿轮减速机构， 因此在洗涤或漂洗时其波轮的转速与脱水时的转速时相同 的。第章 电气控制系统控制系统结构波轮式全自动洗衣机的电气控制系统由于洗衣机型号的

16、不同而不尽相同， 但电气控 制系统主要有程序控制器，电动机，进水电磁阀，排水电磁阀，水位开关，安全开关及 各种功能选择开关等组成的，控制的基本原理也都一样。全自动洗衣机能实现洗衣的自 动化，整个洗衣过程都是在程序控制器的“指挥”下进行的。如把离合器比作全自动套 桶洗衣机的心脏，则程序控制器就是全自动洗衣机的“大脑” 。如图所示以程序控制器 为核心的波轮式全自动套桶洗衣机控制系统的基本原理方框图。图 4-1 基本原理方框图控制系统原理程序控制器中存储着多种程序，一旦通过选择开关选好某种程序后，程序控制器便 按这种程序自动实施对电动机，进水和排水电磁阀的控制。安全开关又称为盖开关，在 洗衣机运行过

17、程中起安全保护作用，它的功能为：在洗衣机工作时误开盖，安全开关便 会切断电动机电源，自动中断程序；在脱水过程中如桶内衣物摆放不均匀而产生大幅度 振动时，安全开关自动中断脱水过程，启动蜂鸣器。按照采用的程序控制器的不同，波 轮式全自动套桶洗衣机的电气控制电路可分为电动机驱动式程序控制器和单片机式程 序控制器电路。电动机驱动式程序控制器又称为机械式程序控制器，它具有程序组合量 大，工作可靠，抗干扰能力强，而且能直接控制较大电流等优点，单片机程序控制器具 有结构紧凑，操作简便，功能齐全，运行可靠等优点。目前，机械式程序控制器基本上 已被淘汰。用 PLC（单片机）控制的全自动洗衣机各种动作典型的系统结

18、构如图所示： 图 4-2 各种动作系统结构如图PLC在系统中是处于中心位置，水位开关的 PLC的输入信号控制开关，进水阀，排 水阀和电动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 转状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。主电路图图 4-3 主电路图第 5 章 主要器件的选择电动机的选择由于家庭提供的电源限制故选单相电容运转式异步电动机。 以公斤全自动洗衣机为 例，由于全自动洗衣机的脱水桶直径较大，这一偏心不能不考虑，所以计算时应以洗涤 物可能产生前最大偏心为计算依据。脱水时电机功

19、率比洗涤时要大，在确定电机功率时 应以脱水时消耗的功率为依据， 也就是说脱水时电机功率就是该洗衣机所确定的电机额 定功率。由于在计算时一些因素如电机转子的转动惯量等没考虑，造成一些偏差，所以 公斤全自动洗衣机电机额定功率选为 180 瓦。符合全自动洗衣机的功率范围 120W 250W。故选择 YY104-180型号单相电容运转式电动机，功率 180 瓦, 额定电压 220V，转速 1350r/min ，电流。可编程控制器外部设计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

20、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。表 5-1 常用 PLC 的 CPU型号CPU221CPU222CPU224CPU226程序存储器2048 字节4096 字节用户数据存储器1024 字节2560 字节用户存储器类型EEPROM数据后备典型时间50h190hI/O6 输入 4 输出8 输入 6 输出14 输入 10 输出24 输入 16 输出扩展模块数量无2个7个数字量 I/O 印象区大小256（128 入 /128 出）模拟量 IO

21、印象区大小无16 入/16 出32 入/32 出33Hz 布尔指令执行速度微妙/ 指令内部继电器256计数器 / 定时器256/256顺序控制继电器256根据上表可知， 该全自动洗衣机控制系统 CPU模块可采用 CPU-（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，并且自带个数字量输入点和个数字量输出点， 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。表及接线图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

22、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 个数字输入点 6 个数字输出点。根据 I/O 点数，可选西门子 S7-200 CPU222型可编程控制器。其 I/O 分配表与 I/O 接线图表 5-2 I/O 分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号启动信号常开按钮SB1停止信号常闭按钮SB2高水位信号高水位开关SB3低水位信号低水位开关SB4输出信号进水信号电磁阀YV0电动机正转信号接触器KM1电动机反转信号接触器KM

23、2排水信号电磁阀YV1脱水信号电磁离合器YV2报警信号报警器HA图 5-1 I/O 接线图第 6 章 软件设计系统的顺序功能图设计全自动洗衣机工作原理： 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。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， 通过电动控制系统， 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

24、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，停止按钮用来关闭洗衣机工作 。全自动洗衣机的控制要求设计步骤控制要求1）洗衣机的进水、排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀执行。2）洗涤正转、反转由洗涤电机驱动波盘正、反转来实现。3）脱水时，有脱水电磁离合器合上、排水电磁阀吸合，洗涤电动机正转进行甩干。4）洗涤完成由蜂鸣器报警。5）停止按钮用来手动结束洗涤过程。操作面板上设有启动按钮 SB1及停止按钮 SB2。按下启动按钮，接通，接通并自锁，接通，进水电磁阀打开，开始进水。 到高水位时，接通，常闭触点断开，断开，进水电磁阀关闭

25、，进水停止；接通，电 动机正转（15S）, 正转洗涤，同时 T38开始计时， T38计时到，T38常闭触点断开，断开， 正洗结束；T38常开触点闭合，进行自锁， T42开始计时， T42计时到，暂停结束。 T42常开 触点闭合，接通，反洗， T39开始计时。 T39计时到， T39常闭触点断开断开，反洗暂 停； T39常开触点闭合，进行自锁， T43开始计时。 T43计时到 T43常开触点闭合， C1 计一次数； T43 常闭触点断开，使 T38、T42、T39、T43 复位，又接通，重复进行以上 从正洗开始的全部动作，直到 C1计满 3 次数时， C1常开触点接通，开始排水，对 C1 实现复

26、位。排水到低水位时，接通，接通，开始脱水（ 10S），T40开始计时。 T40计时到， T40 常闭触点断开，脱水完毕，停止排水和脱水； T40 常开触点闭合、 接通并自锁，报警。 T41开始计时， T41计时到， T41常闭触点断开，停止报警。运行中按停止按钮时，常闭触点断开，则、 、断开，停止进水、排水、脱水及报 警。顺序功能图图 6-1 顺序功能图控制系统的梯形图设计语句表程序运行按下后得电并自锁开始进水 当水达到高水位时，瞬时接通失电停止进水。得电且自锁，开始正转计时器开始计 时。当计时器计时 15s 后，自动复位开始暂停 3s。当 T42计时到 3s 时，暂停结束。开始反转 15s

27、计时器 T39开始计时 。计时器 T39计时 15s 后，自动复位，失电，停止反转开始暂停 3s。T43计时 3s结束时，暂停结束，计数器加 1，当C1小于 3时返回网络 2开始循环。 当 C1计数等于 3 时，接通自锁，开始排水。当水位低于低水位时，瞬时改变状态。得电自锁开始脱水 10s，计时器开始计时。 当计时器 T40 计时结束时，失电，停止脱水，得电，开始报警。报警 10s 结束后，停止。结论本次设计主要是完成全自动洗衣机洗衣过程的程序设计，采用西门子S7-200 编写程序。所编程序能够满足指定的要求，完成从进水、检测水位、正转、暂停、反转、暂 停、循环三次、排水、脱水、报警、停机一系

28、列过程。虽然所设计的程序能满足控制要 求，但在程序设计过程中， 发现该程序还是存在一定的不足之处， 但由于所学知识有限， 并没有做出最合理的设计。设计总结回顾起此次 PLC课程设计，至今我仍感慨颇多，刚开始拿到题目，感觉很简单，从选题到定稿，从理论到实践，在星期的时间里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到 很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上 所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只 有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结 论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程

29、中遇到问题，可以 说得是困难重重， 这毕竟第一次做关于 PLC的课程设计，难免会遇到过各种各样的问题， 同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌 握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。通过本系统的设计，我了解了 PLC基本逻辑指令的应用，知道怎样去设计一个 PLC 应用程序，也感觉得到了 PLC在控制方面的巨大优势和潜力， 同时也更增强了我学好 PLC 的决心和信心。对全自动洗衣机的控制系统有了深入的理解。全自动洗衣机控制系统利 用了西门子 PLC的特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入输出点设备进行控制， 实现了洗衣机洗衣过程的自动化。 由于每遍的洗涤 ,排水, 脱水的时间由 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。 可以把上面设定的程序时间定下来 ,作为 固定程序使用 , 也可以根据衣物的质地 ,数量及油污的程度来编程