PLC全自动洗衣机的系统设计

------------------------------------------------------------------------PLC全自动洗衣机的系统设计第二章PLC全自动洗衣机的系统设计2.1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。1.正常运行“正常运行”方式具体控制要求如下：（1）将水位通过水位选择开关设在合适的位置（高、中、低），按下“启动”按扭，开始进水，达到设定的水位（高、中、低）后，停止进水；（2）进水停止2s后开始洗衣；（3）洗衣时，正转20s，停2s，然后反转20s，停2s；（4）如此循环共5次，总共220s后开始排水，排空后脱水30s；（5）然后再进水，重复（1）～（4）步，如此循环共三次；（6）洗衣过程完成，报警3s并自动停机。2.强制停止“强制停止”方式具体控制要求如下：（1）若按下“停止”按扭，洗衣过程停止，即洗涤电机和脱水桶转、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。2.2全自动洗衣机的工作原理与系统结构普通洗衣机的工作流程示意图如图1所示开始进水洗衣排水脱水结束图1普通洗衣机工作流程图此次设计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利用了西门子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,实现了洗衣机洗衣过程的自动化。根据控制过程中的进水、洗涤、脱水、报警等控制要求，对控制所需的外部设备初步设计如表1表1对应设备及功能表对应的外部设备对应的输出设备启动按扭进水电磁阀停止按扭排水电磁阀水位选择开关（高水位）洗涤电动机正转继电器水位选择开关（中水位）洗涤电动机反转继电器水位选择开关（低水位）脱水桶手动排水开关报警器手动脱水开关高水位传感器中水位传感器低水位传感器水排空传感器根据以上要求PLC的控制系统框图如下图2。图2全自动洗衣机控制系统图自动洗衣机的进水、洗衣、排水和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。进水时，电磁进水阀打开，将水注入；排水时，电磁排水阀打开，将水排出；洗衣时，洗涤电动机启动；脱水时，脱水桶启动。2.3模块选型2.3PLC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。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[8]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个数字输入点6个数字输出点，需内存280B，有定时器6个，计时器2个，需内存16B，考虑余量后需要内存370B。2.3.2PLC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。该控制系统CPU模块可采用CPU-224（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14个数字量输入点和10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。[9]综上所述此次设计选用西门子S7-200型PLC。2.4

控制原理与结构分析全自动洗衣机综合运用了大量、、等知识洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁上升。在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附近。这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。衣物在涡流的作用下，作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。又由于波轮中心是低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同人工揉搓衣物，污垢被迫脱离衣物。其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。再次由于洗衣涌形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向都发生了改变，形成湍流。在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣物的洗净的均匀性。全自动洗衣机是通过水位开关与电磁水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断：从而实现自动控制的。电磁进水阀起着通、断水源的作用。当电磁线圈断电时，移动铁芯在重力和力的作用下，紧紧顶在橡胶膜片上，并将膜片的中心小孔堵塞，这样阀门关闭，水流不通。当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内。由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。水位开关实际上是一个压力开关。气室的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。当水注入洗衣桶后，贮气室口很快被封闭，随水位上升，贮气室的水位也上升，被封闭的空气压强亦增大，水位开关中的波纹膜片受压而胀起，推动顶杆运动而使触点改变，从而实现自动通断。智能型模糊控制的全自动洗衣机还可以自动判断水温、水位、衣质衣量、衣物的脏污情况，决定投放适量的洗涤剂和最佳的洗涤程序。其方法是：在洗衣桶内注入一定量水后使电机低速运转，平稳后快速断电，洗衣桶在惯性作用下带动电机继续转动。此时，绕组产生反电动势，对其半波整流并放大整形后获得一矩形脉冲系列。通过分析脉冲个数和脉冲宽度。就能得到衣质衣量情况。衣物的脏污程度是通过水的透明度来判断的。在洗衣桶的排水口处加一红外光电传感器，使红外光通过水而进入另一侧的接收管。若水的透明度低，接收管获得的光能小，说明衣物较脏。脱水时采用压电。当脱水桶高度旋转时，从脱水桶喷射出来的水作用于压电传感器上，根据这个压力变化，自动停止脱水运转。2.4全自动洗衣机控制面板由工作指示区、编程选择键、增键、减键、和启动键组成。全自动洗衣机一般采用轻触式开关，在按下开关后，字符旁边的指示灯会亮。当指示灯亮起表示程序选中，指示灯闪烁表示正在执行此程序，指示灯熄灭表示程序未选择或执行完毕。全自动洗衣机电气控制系统包括微处理器、排水、、门开关、按键开关、指示灯、中间继电器，水位压力开关、蜂鸣器及进水电磁阀等部件组成。通过微处理器，能自动完成进水，洗涤（漂洗）、排水、脱水、报警等全部程序，只需设计软件就可以来达到预想控制的目的。2.4全自动洗衣机主要是通过波轮对衣物的翻滚达到洗涤目的。波轮安装在洗涤桶的正中，托盘连接着盛水桶。套桶式全自动洗衣机的脱水桶（甩干篮）既要保证能离心脱水，又要能容纳洗涤的衣物，全自动洗衣机的洗涤桶其上部略大，下部略小，呈圆锥形。为了保证洗涤效果，洗涤桶的内壁上必需设计成凸形来增大摩擦力，达到满意的洗涤效果，当衣物与洗涤桶接触时，桶壁就产生像搓板那样的洗涤作用，而且能增强涡旋作用，提高洗涤率。洗涤系统的传动部分由风叶、皮带、皮带轮、和洗衣轴体组成。脱水系统由脱水桶、脱水定时器、安全开关、电动机、制动机构等组成。洗衣机具有盖的带锁装置，该锁定装置，包括洗衣机盖板、洗衣机箱体，还包括控制开关，与控制脱水的开关联动；电磁铁，与控制开关连接；洗衣机盖板翻口端内面在对应洗衣机箱体内壁处设有凹缘，凹缘上设有锁孔，洗衣机箱体上端设有所述电磁铁，电磁铁衔铁的伸缩口位于洗衣机箱体内壁，而且电磁铁通电后其衔铁伸出端正好位于盖好的洗衣机盖板凹缘的锁孔内。由于电磁铁的控制开关与洗衣机控制脱水的开关联动，使洗衣机在脱水时电磁铁的衔铁能伸出，而且正好锁住洗衣机盖板凹缘的锁孔，使用户在脱水时不能打开洗衣机盖板，从而确保了洗衣机脱水时的操作安全。2.4全自动洗衣机的进水系统采用水位压力开关和进水阀，由程序控制器调节。设有溢水口，其位置在盛水桶上口部。漂洗时，它能让洗涤液中的泡沫和污水溢出，有利于漂清。全自动洗衣机水位开关一般有三档水位控制，并都有低水位、中水位、高水位、再注水等功能当进水阀注水，内桶水位增高到预选水位时，导通橡皮气膜受到内部空气的压缩而被顶出，中触片上跳，与上触片闭合。此时主电机导通，进水阀断开（原来中触片与下闭合），并开始洗衣。当旋钮旋至低水位时，凸轮转动，但曲率半径较小。通过一定的机构，橡皮气膜压簧被压缩而产生压力P1，压迫气膜。当桶内水量达到30L时，软管内的空气被压缩，产生空气压力F1，当F1>P1时，中触片上跳，与上触片闭合，主电动机动作，进水阀关闭。全自动洗衣机的排水系统由程序来控制排水电磁阀，牵引排水阀。排水阀主要同阀盖、阀芯弹簧、阀芯拉簧，橡皮阀和阀体组成。排水电磁铁主要用来控制自动型洗衣机排水阀的开闭，在套桶式自动型洗衣机中同起到改变减速离合大的洗涤、脱水状态、排水电磁铁主要由线圈、磁轭、静铁芯、衔铁和短路铜环等组成。2.全自动洗衣机的传动系统设在洗衣机脱水桶的底部，主要由波轮、脱水桶、、传动带、电动机、电磁阀及单相电容式电动机组成。离合器是内外轴复合为一体的结构。离合器的内轴（洗涤轴），一端固定波轮，另一端固定离合套，离合套上固定大带轮，离合器外轴（离心轴）的一端固定离心桶（脱水桶），另一端通过抱簧与离合套连接。内外桶的联动或分动（即实现脱水或洗洗涤），是由拨叉控制抱簧和刹车盘来实现的。离合器轴包括脱水轴合洗涤轴。洗涤或漂洗时，牵引电机处在断电状态，制动杆将制动带收紧，对脱水轴制动。棘爪将棘轮拔动一定角度使方丝离合簧被拔松，所以电机做正转或反转转矩都不能传递给脱水轴，而只是经过行星减速器再输出给波轮，实现洗涤运转。脱水时，牵引电机是通电状态，拉动制动杆使得制动带松开，棘轮和方丝离合器处于自由状态，大皮带轮顺时针旋转将方丝离合簧旋紧，使输入转矩有效地传递给脱水轴，实现高速脱水运转。如果大皮带轮逆时针转动，则方丝离合簧被拨松而不能传递转矩给脱水轴，所以脱水只能顺时针单向转动。洗衣机外箱体是洗衣机的盔甲，很多洗衣机采用高分子聚合塑钢材料作为外箱体，不怕水，不腐烂，永不生锈，耐碰撞，防漏电，机身轻便，易于搬动。特意添加的抗老化剂，令外箱体历久弥新。有的采用刚柔相济的不锈钢做内桶刚性，在于不锈钢材质表面分子结构致密，空隙小，故可抗击等物质的侵入和腐蚀，以达到抗菌，抑菌，耐腐蚀的作用。柔性，超级镜面不锈钢材料光滑柔细，即便是最娇柔的面料也不会受到损伤。很多洗衣机内桶完全采用世界一流的不锈钢材料制成，拥有顶级的品质保证。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、按自动化程度分类，洗衣机可分为普通型、半自动型、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。2、按结构方式分类，洗衣机可分为单桶、双桶、套桶三大类。（1）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。（2）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，品种多样。目前，我国双桶波轮式洗衣机占主导地位。双桶洗衣机。脱水桶壁上设有许多小孔，甩干电动机高速运转，在强大的离心力作用下，衣物水分被甩出，并顺着排水管排出。（3）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。3、按洗涤方式分类，洗衣机可分为波轮式、滚筒式等波轮式 滚筒式图3（1）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。（2）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。2.4

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。进水阀是一种电磁阀，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，铁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。

当线圈通电时，电磁力克服下弹簧的弹力将铁心吸上，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。2.4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。2.4水位开关也叫压力开关，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。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、簧片及开关小压簧组成；（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。旋转凸轮使杠杆上下移动，从而改变压力弹簧的压缩程度。如果压力弹簧的压缩长度大，则压力大气室内的压力要高一些才能将动簧片推到预定位置，以次达到控制水位的目的。2.4减速离合器就是全自动洗衣机中完成降速并传递扭矩的部件。目前大多数洗衣机采用减速离合器。它有4根轴：（1）洗涤输入轴；（2）下半轴；（3）中半轴；（4）洗涤输出轴。全自动洗衣机在洗涤、排水和脱水之间是自动转换的，这些转换由排水电磁阀和制动杆来控制。当排水电磁铁吸合时，定位套就向上运动一段距离，使得制动杆克服制动弹簧的作用力被推向上方，制动弹簧的中心轴做逆时针方向转动，连接在制动杆另一端的刹车带被迫向下移动，与脱水轴上的刹车盘产生间隙，脱水轴因此失去控制，也就可以顺利的进行脱水转动了。同时，制动杆将棘爪拨叉上的调节螺钉顶向上方，也就使拨叉克服弹簧的压力，饶弹簧的中心轴做顺时针方向转动，于是棘爪抬起，放松了对棘轮的限制，这样被棘轮扭转一个小角度的方丝离合簧杂自身弹力的作用下恢复原来的位置，抱紧离合套。当大皮带在电动机的带动下顺时针旋转时，可以产生巨大的摩擦力，使离合套和下半轴（脱水轴）联为一体，脱水工作就可以顺利进行了。2.5总结本章主要介绍了以西门子S7-200型PLC实现全自动洗衣机的控制原理与结构，其中重点对结构系统进行了逐一分析，从而使我们对自动洗衣机的各个部件的运作有了大致的了解，使我们从整体上对系统有了粗略的轮廓。第三章硬件电路的设计3.1PLC的基本知识3.1.1PLC自问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC标准的草案第一、二、三稿，并在1987年作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程控制器，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。可编程控制器及基有关外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充基其功能的原则设计的。”总之，可编程控制器是一台专为工业环境而设计的计算机，它是将传统的计算机技术、继电器技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置。在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体的工业应用，因此它的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。3.1PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以要工业控制方面，它具有继电器或通用计算机所无法比拟的特点。1)高可靠性PLC的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面：1、在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对选用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强硬的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；所有的输入/输出接口都采用光电隔离措施，使外部电路和PLC内部电路能有效的进行隔离；PLC模块式的结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量的缩短系统的维修时间。2、在软件方面，PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运行处理器的延迟，保证在程序出现错误和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池、I/O口、通信等出现异常时，PLC的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失2)应用灵活、使用方便模块化的PLC设计，使用户能根据自己系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需要的PLC模块并进行资源配置和PLC编程。这样，控制系统就不需要大量的硬件装置，用户只需根据控制需要设计PLC的硬件配置和I/O的外部接线即可。3)面向控制过程的编程语言，容易掌握PLC的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。虽然PLC 是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户有很强的程序设计能力，只在用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。3.1.3PLC的构成图3-1PLC基本结构图1)CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2)I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。图3-2所示是可编程控制器内部输入继电器与外部端子之间的联系。图3-2可编程控制器内部输入继电器与外部端子之间的联系3)电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。4)底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5)PLC系统的其它设备编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。

人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。6)PLC的通信联网

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS或工业以太网进行联网。3.2PLC外部接线图根据全自动洗衣机的控制要求，对系统控制的I/O点数进行了统计和PLC型号进行了选择，现根据以上的统计和选择对控制系统PLC的外部接线设计如下图3。图3PLC外部接线图3.3PLC外部接线图如图2-2所示为洗衣机示意图，在图中ST4为高水位传感器，ST5为中水位传感器，ST6为低水位传感器，ST7位水排尽传感器，当选择好水位后，YV1打开开始进水，当水位到达相应水位时，相应的传感器送出ON信号否则为OFF,只有当水上升到与选择水位相开关一致时，YV1关闭停止进水，开始洗衣。图4洗衣机示意图第四章软件的设计4.1I/O分配表4.1.1输入地址分配表列出全自动洗衣机的输入分配表，见表4-1。表4-1输入地址分配表输入地址对应的外部设备I0.0启动按扭I0.1停止按扭I0.2水位选择开关（高水位）I0.3水位选择开关（中水位）I0.4水位选择开关（低水位）I0.5手动排水开关I0.6手动脱水开关I0.7高水位传感器I1.0中水位传感器I1.1低水位传感器I1.2水排空传感器4.1.2输出地址分配表列出全自动洗衣机的输出分配表，见表4-2。表4-2输出地址分配表输出地址对应的输出设备Q0.0进水电磁阀Q0.1排水电磁阀Q0.2洗涤电动机正转继电器Q0.3洗涤电动机反转继电器Q0.4脱水Q0.5报警器4.1.3内部元件地址分配表全制动洗衣机控制时，需用到PLC内部的计时器和计数器对其进行过程控制，现对控制中要用到的内部位元件地址分配表归纳如表4-3。表4-3内部地址分配表定时器/计时器对应的作用T37进水暂停计时T38正洗计时T39正洗暂停计时T40反转计时T41反转暂停计时T42脱水计时T43报警计时C50正反洗循环计数C51大循环计数4.2系统流程图4.2.1强制停止流程图图4强制停止流程图4.2.2正常运行流程图全自动洗衣机正常运行时即洗衣机按照程序设定依次完成依次洗衣过程，从选择水位，按下启动按扭，开始进水直到水满（即水位达到高水位）时停止进水开始洗涤正转，洗涤时，正转30秒，停两秒，然后反转30秒，停2秒，如此循环5次，总共320秒开始排水，水位下降到低水位时开始脱水并继续排水，脱水30秒，开始清洗，重复以上过程，清洗两遍，清洗完成，报警3秒并自动停机。按照以上的工作流程，作出全自动洗衣机的正常运行工作流程图见图5。图5正常运行流程图4.3程序设计4.3.1PLC控制顺序功能图顺序功能图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，他是一种通用的技术语言。全自动洗衣机控制系统PLC控制状态流程图见图6。[11]图6PLC控制状态流程图4.3.2系统梯形图一、梯形图的特点梯形图是PLC模拟继电器控制系统的编程方法。它由触点、线圈或功能方框等构成，梯形图左、右的垂直线称为左、右母线。画梯形图时，从左母线开始，经过触点和线圈（或功能方框），终止于右母线。在梯形图中，可以把左母线看作是提供能量的母线。触点闭合可以使能量流过，直到下一个元件；触点断开将阻止能量流过。这种能量流，我们称之为“能流”。实际上，梯形图是CPU仿真继电器控制电路图，使来自“电源”的“电流”通过一系列的逻辑控制条件，根据运算结果决定逻辑输出的模拟过程。梯形图中的基本编程元素有触点、线圈和方框。触点：代表逻辑控制条件。触点闭合时表示能量可以流过。触点分常开触点和常闭触点两种形式。线圈：通常代表逻辑“输出”的结果。能量流到，则该线圈被激励。方框：代表某种特定功能的指令。能量流通过方框时，则执行方框所代表的功能。方框所代表的功能有很多种，例如：定时器、计数器、数据运算等。梯形图中，每个输出元素可以构成一个梯级。每个梯形图网络由一个或多个梯级组成。二、梯形图绘制原则(1)梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每个继电器器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。每一个逻辑行起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于继电器线圈或右母线。注意：左母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与右母线之间不能有任何点，应直接连接。(2)一般情况下，在梯形图中某个编号继电器线圈只能出现一次，而继电器触点可无限引用。有些PLC，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出。(3)在每个逻辑行中，串联触点多的支路应放在上方。如果将串联触点多的支路放下方，则语句增多，程序变长。(4)在每个逻辑行中，并联触点多的支路应放在左边。如果将并联触点多的支路放右边，则语句增多，程序变长。(5)梯形图中，不允许一个触点上有双向“电流”通过。(6)梯形图中，当多个逻辑行都具有相同条件时，为了节省语句数量，常将这些逻辑行合并。当相同条件复杂时，这对储存容量小的PLC很有意义。(7)设计梯形图时，输入继电器的触点状态全部按相应的输入设备为常开状态进行设计更为合适，不易出错。因此，也建议尽可能用输入设备的常开触点与PLC输入端连接。如果某些信号只能用常闭触点输入，可以按输入设备全部常开来设计，然后将梯形图中对应的输入继电器触点取反。[12]三、系统梯形图根据以上的梯形图的基础知识、注意事项、特点及上节（3.3.1节）中的控制状态流程图，现利用STEP7-Micro/WIN编程软件做出全自动洗衣机控制系统梯形图。STEP7-Micro/WIN编程软件是专为西门子S7-200而设计的，在个人计算机的WINDOWS操作系统下运行，功能强大、使用方便、简单易学。其编写好的程序可通过专用编程线缆下载的PLC中运行。也可以导出后在仿真软件中进行测试。系统梯形图如下图7到图9。图7系统梯形图a图8系统体形图b图9系统梯形图c4.3.3系统指令语句表根据全自动洗衣机的控制要求和3.3.2中的体形图得出系统的指令语句表如下。Network1//NetworkTitleNetwork1//NetworkTitle//进水LDM1.3AT43OSM0.1OM0.0OI0.1ANM0.1=M0.0Network2LDI0.2OI0.3OI0.4LDI0.0AM0.0LDM1.2ANC51OLDALDOM0.1ANI0.1ANM0.2=M0.1=Q0.0Network3//进水完停2秒LDI0.2AI0.7LDI0.3AI1.0OLDLDI0.4AI1.1OLDAM0.1OM0.2ANM0.3=M0.2TONT37,+20Network4//正转LDM0.2AT37LDM0.7ANC50OLDOM0.3ANI0.1ANM0.4=M0.3Network5LDM0.3=Q0.2TONT38,+300Network6//正转完停2秒LDM0.3AT38OM0.4ANM0.5=M0.4TONT39,+20Network7//反转30秒LDM0.4AT39OM0.5ANI0.1ANM0.6=M0.5Network8LDM0.5=Q0.3TONT40,+300Network9//反转完停2秒系统指令语句表aLDM0.5LDM0.5AT40OM0.6ANM0.7=M0.6TONT41,+20Network10//正反转小循环5次LDM0.6AT41OM0.7ANM1.0ANM0.3=M0.7Network11LDM0.7LDM1.0CTUC50,+5Network12//排水LDM0.7AC50OM1.0ANM1.1ANI0.1=M1.0Network13LDM0.0AI0.5OQ0.1OM1.1OM1.0ANT42ANI0.1=Q0.1Network14//脱水30秒LDM1.0AI1.2OM1.1ANM1.2ANI0.1=M1.1Network15LDM1.1OQ0.4ANT42OI0.6LPSANI0.1=Q0.4LPPTONT42,+300Network16//大循环3次LDM1.1AT42OM1.2ANM1.3ANM0.1=M1.2Network17LDM1.2LDM1.3CTUC51,+3Network18//洗衣结束报警3秒LDC51AM1.2OM1.3ANM0.0=M1.3Network19LDM1.3OQ0.5LDM0.0AQ0.1AT42OLDANT43=Q0.5TONT43,+30系统指令语句表b4.4程序运行过程分析4.4.1洗衣机进水洗衣前选择好水位，按下水位选择开关(I0.2、I0.3、I0.4)任意一个，再按下启动按钮，I0.0接通，Q0.0接通，开始进水。当水位上升到与选择的水位相一致时，相一致的水位传感器(I0.7、I1.0、I1.1)接通，Q0.0断开停止进水，T37开始计时。4.4.2正反转洗衣T37计时时间到，Q0.2接通开始正转洗衣，T38计时开始。T38计时30秒，Q0.2断开，正洗暂停，T39开始计时。T39计时时间到，Q0.3接通，反洗，T40开始计时。T40计时时间到，Q0.3断开，反洗暂停，T41开始计时。T41计时时间到，C50计数一次，同时洗衣返回Q0.2接通，重复以上从正洗开始的全部动作，直到C50计满5次数时，Q0.1接通并自保，开始排水，C50复位，准备下次循环是再计数。4.4.3大循环洗衣排水到脱水水位时，I1.2闭合，Q0.1、Q0.4接通，开始脱水，T42开始计时。T42计时时间到，Q0.1、Q0.4断开，停止排水和脱水，C51计数一次，同时洗衣返回Q0.0接通,重复从进水到脱水的全部动作，知道C51计数满3次时，停止洗衣，Q0.5接通报警并自保，T43开始计时。T43计时时间到，报警结束，整个洗衣过程结束，T43常开触点闭合，准备下次启动。4.4.4强制停止运行中按停止按钮时，I0.1常闭触点断开，则M0.0、Q0.0、Q0.1、Q0.4、Q0.5断开，停止进水、排水、脱水及报警。按排水按钮时，I0.5常开触点闭合，Q0.1接通并自保，进行手动排水。按手动脱水按钮，I0.6闭合，Q0.1、Q0.4接通脱水，T42开始计时。T42计时时间到Q0.1、Q0.4断开，脱水停止，Q0.5接通报警，T43开始计时。T43计时时间到Q0.5断开报警结束。第五章PLC全自动洗衣机的系统实现5.1实物示意图及动作介绍5.1.1全自动洗衣机的实物示意图如下图4-1所示。图4-1自动洗衣机示意图5.1.2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。5.2PLC全自动洗衣机的模块实现5.2.11、直流电动机的调速优点直流电动机的突出优点是能在很大的范围内具有平滑，平稳的调速性能。转速调节的主要技术指标是：调速范围D和负载变化时对转速的影响即静差率，以及调速时的允许负载性质等。调速范围是根据生产机械工艺要求提出的，例如龙门刨床主拖动要求D=10—30；螺纹磨床要求D=20—60。静差率就是表示在负载变化时拖动装置转速降落的程度。静差率越小，表示转速稳定性越好，对生产机械，如机床加工的零件，其加工的精度及表面光洁度就高。调速指标中，静差率的值要求在规定的范围内，即在最高转速与最低转速之间的任何转速都要满足。显然这就限制了某一调速方法的范围。反过来说，即只有满足静差率的调速范围还是有效的。通常生产机械的负载与转速之间有一定的关系，如起重机械，机床的进给机构及某些精加工机床的主传动等，都可看成是恒转矩负载，也就是说这些机构在不同的速度下运行时，其负载转矩基本上保持不变。而车床主轴传动等则往往要求在负载功率不变的情况下调整转速，即在低速下切削量往往较大，负载力矩较大，因而要保持负载功率基本不变，在电动机调速时，最好能符合这些不同的负载特性，而直流电动机却正好具有恒功率和恒转矩的调速方式，故可根据生产机械的要求选择不同的调速方法。2、直流电动机的调速方法调节直流电动机转速的方法有三种：（1）电枢回路串电阻；（2）改变励磁电流；（3）改变电枢回路的电源电压；5.2.21.实时性（1）由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。（2）基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。（3）更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。2.高可靠性（1）所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的元器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，以及实现电源模块冗余、IO模块冗余，使可靠性更进一步提高。5.2.3（1）控制器产品种类繁多，规模可分大、中、小等。（2）I/O卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置。（3）满足控制工程需要前提下，I/O卡件可灵活组合。5.2.4控制器针对不同的工业自控工程的现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。5.2.5为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型控制器以外，绝大多数控制器均采用模块化结构。控制器的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。5.2.6质优价廉，性价比高。5.2.7可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。5.2.8逻辑控制.定时控制计数控制.顺序控制PID控制.数据计算通讯和联网其它：还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块5.2.91、过载保护电气线路中允许连续通过而不至于使电线过热的电流量，称为安全载流量或安全电流。如导线流过的电流超过了安全载流量，就叫导线过载。一般导线最高允许工作温度为65°C。过载时，温度超过该温度，会使绝缘迅速老化甚至于线路燃烧。发生过载的主要原因有导线截面选择不当，实际负载已超过了导线的安全电流；在线路中接入了过多的大功率设备，超过了配电线路的负载能力。

热继电器是比较理想的自动过载保护的设备，在工业应用中一般，都用热继电器来做过载保护。2、失压保护失压保护是指电动机在供电电源中断后，能自动切断总控制电路，以防止电源恢复供电后，电动机在无人操作的情况下自动起动而造成事故。3、过流保护用保护器的常闭触点动作实行保护这就是要求保护器在主回路不工作和正常工作时执行继电器不动作，而在电机起动和工作中发生故障时动作。这样的保护器适宜于与计算机输出和逻辑群控电路、多速及正反转电机以及与各种主开关接口，使用无局限性。5.2.101．发光二极管LED长处有三点：一是寿命长、耗能低之，应用非常灵活，可以做成点、线、面各种形式的轻薄短小产品；二是控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光，不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果；三是价格低廉。LCD优点：液晶显示器以其微功耗、显示形式丰富，显示质量高，接口简单，体积小、显示内容丰富、超薄轻巧。CTR优点：CTR最大的优点是显示的面积大，显示的效率也比较高，2．显示方案的选择综上所述利用LED显示比较合适，因为在洗衣机上显示利用不同的颜色可以区分不同的工作进程而且效果比较理想，LCD显示亮度不够，使用CTR显示占用的空间较大而且功耗大不适合在小型电器上使用。5.3系统仿真S7-200仿真软件简介：(1)S7-200仿真软件是S7-200系列PLC专用仿真软件，无需安装，下载后执行S7-200.EXE即可进入。可以在没有PLC的情况下，对PLC程序进行仿真调试，虽然它不能模拟S7-200的全部指令和全部功能，但仍然不失为一个很好的学习S7-200的工具测试软件。(2)执行S7-200.EXE后其窗口如图10图10执行S7-200.EXE后窗口图执行图中菜单命令“配置”→“CPU型号”，在CPU型号对话框中可选择自己对应的CPU型号。用户还可以修改CPU的网络地址，一般使用默认地址。图中灰色部分为是CPU224类型的PLC面板可显示CPU运行状态和I/O点的状态，灯亮为1，灯灭为0。CPU224的右边空白方框是扩展模块的位置，双击空白方框即可进行模块配置选择，根据需要可选择各种数字量和模拟量的扩展模块。CPU模块的下方是用于输入数字量信号的小开关面板，具有和CPU224对应的14个输入点，单击面板中的开