全自动洗衣机控制系统设计分解

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，根据全自动洗衣机的基本结构、工作流程和工作原理，以及对洗衣机的控制要求，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。全自动洗衣机控制系统利用了西门子S7-200 系列PLC的特点, 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。由于每遍的洗涤, 排水 , 脱水的时间由PLC内定时器和计数器控制, 所以只要改变定时器和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。PLC编程简单易学，功能强大，性能稳定，抗干扰能力强而

2、且PLC的体积小巧，能耗低。所以通过实验证明，利用PLC完成对洗衣机的控制，控制性能稳定。关键词：PLC；全自动洗衣机；西门子Abstract：This article introduces the programmable controller (PLC) as the key controlcomponents, according to the basic structure of automatic washing machine, working process and working principle, as well as to the control requirements

3、 of the washing machine, using the programmable controller PLC control, that the PLC control method of the principle, characteristics and control the characteristics of the washing machine. Automatic washing machine control system using the Siemens series S7-200 PLC on the features of button, soleno

4、id valves, switch, or some other input/output control, realized the automation of washing machine laundry process. Since each time washing, drainage, dehydration time by PLC timer and counter in control, so just change the timer and counter parameters can change the time. With intelligent, safe and

5、reliable, convenient and flexible etc. Characteristics.PLC programming is easy to follow and powerful, stable performance, strong anti-interference ability and PLC small size, low energy consumption. So through the experiment proves that the PLC to control the finish washing machine, the control per

6、formance is stable.Keywords: PLC; Automatic washing machine; Siemens一直以来，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。全自动洗衣机其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。以可编程逻辑控制器PLC来控制，用其内部存贮执行逻辑

7、运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令, 并通过数字的、模拟的输入和输出, 控制各种类型的机械或生产过程。在下文中会详细介绍其控制过程。1. 全自动洗衣机控制系统总体控制方案确定1.1 控制系统的比较1.1.1 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

8、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。1.1.2 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

9、快。1. 2 洗衣机的PLC 控制系统概述全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。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

10、言也相对简单。典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图 1 所示：1 PLC 控制系统的硬件组成框图1.3 PLC 的设计步骤开发应用PLC 的设计任务分为硬件和软件设计两部分。硬件设计主要包括:1）确定安排PLC 的输入、输出点;2）设计外围电路, 包括主电路;3）选购PLC 并进行现场安装接线等内容；软件设计, 大多数用梯形图和指令程序, 主要包括:1 ）设计控制流程, 根据工艺要求先画出工作循环, 如有必要再画详细的状态流程图;2 ） 根据工作循环图, 画出虚拟的电路图继电器梯形图 ; 按梯形图编写指令程序表 ;3 系统调试: 根据设计要求, 对程序进行调试和修改, 必要时还可对硬件进行修

11、改直到满足要求；在电脑控制的全自动洗衣机中，又存在着两种不同的控制方式，即程序控制和模糊控制。由于控制方式的不同，两种洗衣机在结构和原理上都有很大的区别。程序控制洗衣机以洗衣机生产厂家设定的数十种操作程序为基础，用户在使用时可根据洗衣量，布质的轻重以及衣物的脏污程度性质等因素，选择不同的洗衣程序。程序控制全自动洗衣机的控制按钮很多，对程序的选择需要有一定的洗衣经验。模糊控制洗衣机以其内部设置的各种传感器为信息采集源，对传感器传回的洗衣量，衣物布质，脏污程度以及脏污性质信息进行模糊逻辑推理，从而自动设置相应的洗涤参数，并对洗衣的全过程进行实时的检测与控制。模糊控制全自动洗衣机的洗衣按钮只有很少几

12、个。从控制类型上来说，模糊控制属于智能控制，是自动控制的较高形式，代表着自动控制的发展方向。但是，受自动控制水平的限制，目前的模糊控制洗衣机还不能实现全功能上的模糊控制，另外由于使用了各种传感器和模糊逻辑控制器，使模糊控制机成本远高于程序控制洗衣机。故一般不采用。2 全自动洗衣机PLC控制的控制要求2.1 全自动洗衣机的基本结构、工作流程和工作原理2.1.1 全自动洗衣机的基本结构全自动洗衣机的基本结构如图2 所示。2.1.2 全自动洗衣机的工作流程2 全自动洗衣机的基本结构图全自动洗衣机的单循环工作流程示意图如图3 所示 。3 全自动洗衣机的单循环工作流程示意图2.1.3 全自动洗衣机的工作

13、原理洗衣机的进水、排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀执行。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现。脱水时，由脱水电磁离合器合上、排水电磁阀吸合，洗涤电动机正转进行甩干。洗涤完成由蜂鸣器报警。2.2洗衣机控制要求1. 全自动洗衣机控制系统的要求:（ 1） 按下启动按扭及水位选择开关，开始进水直到高（中、低）水位，关水（ 2） 2 秒后开始洗涤（ 3） 洗涤时，正转30 秒，停 2 秒，然后反转30 秒，停 2 秒（ 4） 如此循环5次，总共320秒后开始排水，排空后脱水30秒（ 5） 开始清洗，重复（1）（4） ，清洗两遍（ 6） 清洗完成，报警3 秒并自动停机（ 7） 若按下停车按扭，

14、可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）3.电器元件的选择3.1 电机的选择根据本次设计要求和实际生活情况，选择如下表3.1 中所示规格电动机：图 4 电动机表 1 电动机规格品牌型号电压（V）频率（ Hz）功率（ W）转速 （ r/min ）启动转矩（ N.m）额定转矩（N .m）科圣YS104-1803805018013502812.743.2接触器的选择交流接触器的选择主要考虑主触点的额度电流、额定电压、线圈电压等。主触点的额定电流In 可根据下面的经验公式进行选择：PN 103INN KU N式中 I N 为接触器主触点额定电流；K为比例系数，一般取1 1.4；PN 为 被 控 电 动

15、 机额定功率；U N 为被控电动机额定线电压。并且，交流接触器主触点额定电压一般按高于电路额定电压来确定。所以，取K=1 I N 1800.82AN 1 220故选择施奈德的LC1-D0610M5C型交流接触器。其外形图如图5所示105 交流接触器该交流接触器主要技术参数为：表 2 交流接触器主要参数额定绝缘电压额定发热电流220V6A3.3热继电器的选择根据电动机频繁换向启动的工作情况，按下式选取：IR (1.15 1.5)IN所以， I R 1.5 0.82 1.23A故选取施奈德的LR2-D1306C型热继电器。外形图如下图6所示图 6 热继电器该热继电器主要技术参数为：表 3 热继电器

16、主要参数脱扣等级整定电流范围10A1-1.6A根据全自动洗衣机的设计要求，为保证安全，外部电器(包括电磁阀、蜂鸣器等)使用低电压直流电，为此选择了如下表4 所示规格的开关电源，将交流电转换为要求的直流电。7 开关电源表 4 开关电源规格品牌型号输出电压(V)输出电流(A)效率哈克特HTSP-320F-24240-1387%3.5压力开关的选择根据设计要求，全自动洗衣机需要对超重与否进行检测，为此选择如图3.6 所示的压力开关，具体规格如下表5 所示，用于检测超重与否。图 8 压力开关表 5 压力开关的规格型号设定压力范围(KG)最大允许压力(KG)最大允许电流(A)最大允许电压(V)美国CCS

17、 压力开关604G32.07-24.482.07-24.4815250根据设计要求，将压力设为20Kg。3.6.水位浮球开关的选择根据设计要求，选择Daehansensor 品牌的 DP-100S 水位浮球开关。图 9 水位浮球开关表 6 水位浮球开关主要技术参数供电电压适用范围压力范围适用温度DC12 30V0.1-2 m0-5 bar0-50 水位浮球开关安装示意图如下图10 所示3.7电磁阀的选择根据设计要求，选择如下图所示的电磁阀，规格如下表所示。11 电磁阀12 示意图表 7 电磁阀规格品牌型号流量（m3 / h）压力范围（ bar）供电电压德国CO-AXMK102.50-4024V

18、 DC3.8 .蜂鸣器的选择图 13 蜂鸣器根据设计要求，选择如下图13 所示的蜂鸣器，表8 所示规格的压电式蜂鸣器。24表 8 压电式蜂鸣器的规格类型型号额定电压Ue（V）响度dB/10cm光亮度cd/ m2额定电流（ mA）压电式蜂鸣器NFM1-22/LCAC/DC12708520AC、 DC电压的极限范围为0.85Ue1.1Ue3.9 熔断器的选择根据单台异步电动机频繁变换转向，运用：I R (1.5 2.5)I N 其中 I N0.82A所以IR 0.82 2 1.64A故选用CHOKU品牌的NRT16-20型号熔断器。图 14 熔断器表 9 熔断器主要技术参数型号额定电压（V）额定电

19、流（A）额定分段能力（KA）熔断体额定耗散功率（ W）底座熔断体500V690VCOSRT16-005001602120500.1-0.212【注】由于电机部分、PLC部分、开关电源部分的额定电流都小于2A，所以都选择额定电流为2A的熔断体。3.10 按钮的选择全自动洗衣机的人机接口中有按钮，方便操作时也要保证安全，为此选择了施奈德品牌的低压凸头按钮，并且带有指示灯LED，供电电压为直流电24V。根据设计要求选择如下表10 所示的开关和相应的数量。表 10 按钮规格按钮类别完整型号模块型号（ 按钮头+触点基座）备注启动按钮XB2-BW13B1CZB2BW13C+ZB2BWB31C绿灯、常开停止

20、按钮XB2-BW14B2CZB2BW14C+ZB2BWB42C红灯、常闭高水位按钮XB2-BW14B1CZB2BW14C+ZB2BWB41C红灯、常开中水位按钮XB2-BW16B1CZB2BW16C+ZB2BWB61C蓝灯、常开低水位按钮XB2-BW15B1CZB2BW15C+ZB2BWB51C黄灯、常开手动排水XB2-BW15B1CZB2BW15C+ZB2BWB51C黄灯、常开手动脱水XB2-BW16B1CZB2BW16C+ZB2BWB61C蓝灯、常开4 全自动洗衣机控制系统的PLC选型和资源配置4.1 控制系统硬件接线图4.1.1 PLC 外形图1. 全自动洗衣机控制系统选择西门子公司的S

21、7-200系列PLC( 6ES7 214-1AD23-0XB0)作为控制单元，如图15 所示为所选PLC外形图。15 PLC ( 6ES7 214-1AD23-0XB0) 外形图2. I/O 地址分配由于S7-200 224 CPU模块有14点数字量输入，10点数字量输出，所以不需要再增加扩展模块。模块上的输入端对应的输入地址是I0.0 I1.2 ，输出端对应的输出地址是Q0.0 Q1.03. 模块功能概述CPU模块采用西门子公司的6ES7 214-1AD23-0XB0模块。由于该模块采用直流24V供电( 直流晶体管输出) ，有14 点数字量输入和10 点数字量输出，完全能满足全自动洗衣机控制

22、系统的要求，所以不在需要另外的数字量输入/输出模块。4.1.2 控制系统硬件接线图全自动洗衣机控制系统硬件接线图如下16 硬件接线图5 全自动洗衣机控制系统程序设计与调试5.1 编程软件以西门子公司为S7-200PLC 设计的 V3.2 STEP 7 MicroWIN SP4 编程软件为例。5.2 程序的流程图正常运行流程图如图17 所示。流程图描述:按下启动按扭, 开始进水; 进水到规定高度, 使水位开关接通, 实现洗涤正转, 并停止进水 ; 洗涤正转30S后 , 停止 2 秒 , 反转 30S后 , 停 2 秒。计数器加1, 累计洗涤次数; 若未满 5 次则重复进行洗涤, 直至洗涤达到5

23、次 , 开始排水. 由于排水 , 水位降低 , 当水位低于规定下限水位时, 排空检测开关接通, 开始脱水 , 脱水 30S后 , 计数器加1, 脱水停止 . 然后再返回到进水动作重复上述过程3 次 , 报警并停机起动17 正常运行的流程图5.3 系统资源分配5.3.1. 数字量输入部分全自动洗衣机控制系统的输入有启动、停止、高水位、中水位、低水位、手动排水和手动脱水按钮以及高水位、中水位、低水位和排空检测开关共11 个输入点。具体的输入分配如表11 所示。表 11 输入地址分配信号名称元件名称元件符号地址编码启动信号常开按钮SB1I0.0停止信号常开按钮SB2I0.1高水位设定信号水位选择开关

24、QS1I0.2中水位设定信号水位选择开关QS2I0.3低水位设定信号水位选择开关QS3I0.4高水位检测信号高水位传感器ST1I0.5中水位检测信号中水位传感器ST2I0.6低水位检测信号低水位传感器ST3I0.7排空检测信号零水位传感器ST4I1.0手动排水信号常开按钮SB6I1.1手动脱水信号常开按钮SB7I1.25.3.2. 数字量输出部分全自动洗衣机控制系统的外部设备有进水电磁阀、排水电磁阀、正/ 反转洗涤电动机、蜂鸣器、指示灯等。具体的输出分配如表12所示。表 12 输出地址分配信号名称元件名称元件符号地址编码进水阀控制信号进水电磁阀YA1Q0.0正转及脱水控制信号接触器KM1Q0.

25、1反转控制信号接触器KM2Q0.2排水控制信号排水电磁阀YA2Q0.3报警信号报警蜂鸣器HAQ0.45.3.3. 定时器部分具体的定时器分配如表13 所示。表 13 定时器分配定时器功能T37延时 2 秒开始洗涤T38洗涤正转定时30 秒T39洗涤反转定时30 秒T40脱水定时30 秒T30报警定时3 秒5.3.4 计数器部分具体的计数器分配如表14 所示。表 14 计数器分配计数器功能C1洗涤循环计数5 次C2清洗和漂洗计数3 次5.4 程序梯形图2627285.6程序调试将各个输入/ 输出端子和实际控制系统中的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。全自动洗衣机程序是由V3.2 STEP 7 MicroWIN SP4 编程软件的指令完成。若要修改程序，先将PLC设定在STOP状态下, 运行编程软件，打开全自动洗衣机程序，即可在线调试。6.设计总结该系统采用PL