全自动洗衣机课程设计论文值得参考

内容摘要

本次课程设计的主要任务是全自动洗衣机控制系统设计，主要目的是采用可编程控制器（PLC）作为核心控制部件的全自动洗衣机控制系统的设计，这不仅是对所学知识的检验，更是对所学知识的巩固。本文主要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可编程控制器（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，对按钮及其它一些输入/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内计计时器控制，所以只要改变计时器参数就可以改变时间。我所设计的全自动洗衣机控制系统具有智能化程度高、安全可靠、方便、灵活等特点，满足本次课程设计的要求。

关键词：可编程控制器；全自动洗衣机；I/O分配表；

目录

第一章引言 (1)

第二章系统总体方案设计 (2)

2.1 系统硬件配置 (2)

2.2 系统组成原理 (4)

2.3 系统可靠性设计 (5)

第三章PLC控制系统设计 (7)

3.1 控制要求分析，设计主电路 (7)

3.2 确定I/O信号数量，选择PLC类型 (11)

3.3 PLC主机I/O分配表 (13)

3.4 PLC主机I/O接线图 (14)

3.5 控制程序的编制 (15)

3.6 控制程序的调试 (21)

结论 (25)

设计总结 (26)

谢辞 (27)

附录 (28)

参考文献 (29)

第一章引言

从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动。然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，常常留给人的感受是：辛苦劳累。于是人类想怎样用身边的材料来帮人们干活,来减轻人们的体力劳动。

洗衣机就是人类智慧的结晶，它用来帮助人们解脱双手节省体力。随着时代的发展，人们并不满足那些简单的机器，只想要把脏衣物放进去，最后出来的就是一件干干净净、毫无损伤并且可以直接穿的衣服。人类凭借智慧和勤劳，终于就产生了现在的全自动洗衣机。

这篇设计论文是以西门子S7-200为主要载体，结合它对应的编程软件来对全自动洗衣机的控制进行编程，我不仅对它的硬件做了一些认知，还对这样一个程序对应的接口做了些了解。

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。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。我们可以把上面设定的程序时间定下来，作为固定程序使用,充分表现现代家电品的实用性。

在PLC问世之前，尤其是在洗衣机控制方面，工业控制领域中是继电器占主导地位。但是继电器控制领域有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，PLC控制系统产生了。继1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，并且在通用汽车公司自动装配线上试用获得了成功，从而开创了工业控制新时期，从此可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来了。这一技术在许多领域都有广泛的应用，洗衣机当然也不例外。PLC的优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等。为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。

第二章系统总体方案设计

2.1 系统硬件配置

2.1.1 进水和排水系统

波轮式全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三部分组成，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。自动打开香蕉阀门，洗衣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，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。

2.1.2 洗涤脱水系统

洗涤脱水系统主要有盛水桶，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，通过四根吊杆悬挂在洗衣机箱体上，而电动机、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。

2.1.3 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，因此电动机的功率较大。

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。因此在运用中，PLC的硬件也相对简单，提高控制系统的可靠性，另外它的编程语言也相对简单。控制系统硬件组成框图如图3-1 所示：

图2-1 PLC控制系统的硬件组成框图

2.2 系统组成原理

波轮式全自动洗衣机的电气控制系统由于洗衣机型号的不同而不尽相同，但是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。如果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”。

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。用PLC 控制的全自动全自动洗衣机各种动作的系统结构如图2-2所示：

图2-2 系统组成图

进水阀

水位开关

电动机

排水阀

PLC

2.3 系统可靠性设计

现在的市场上全自动洗衣机的控制系统有单片机和PLC控制的，现在我们进行这两个系统地比较。

1. PLC系统的基本特点：

1)使用方便，编程简单；

2)功能强，性能价格比高；

3)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；

4)可靠性高，抗干扰能力强；

5)系统的设计、安装、调试工作量少；

6)维修量小，维修方便。

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,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;

4)它结构简单，处理速度快。

综上比较可以得出PLC系统作为本课题的核心控制系统远远胜于单片机控制系统，所以我的课题就选择PLC作为我的全自动洗衣机的核心控制系统。

当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1.输入采样阶段

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

2.用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。

3.输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应

的外设。

通常人们采用洗衣机来洗衣服需要经历洗涤、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。

其中，洗衣的方式、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主要完成以下功能：

1．检测功能

（1）检测洗衣时的水位：高水位或者是低水位的选择。

（2）检测进水是否到了需要的水位，即进水是否完成。

（3）检测排水是否已经完成。

2. 控制功能

（1）控制进水、洗涤、排水、脱水等洗衣机的动作。

（2）控制洗涤、脱水等的时间长短。

（3）控制洗涤的次数。

（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。

第三章PLC控制系统设计

3.1控制要求分析，设计主电路

3.1.1控制要求分析

1. 按下起动按钮后洗衣机开始进水；

2. 水满时（水位达到高水位，高水位开关由OFF变为ON）PLC停止进水，并开始正转；

3. 正转15S后暂停；

4. 暂停3S后开始反转；

5. 反转15S后暂停；

6. 暂停3S后若正、反转未满3次，则返回从正转开始动作；

7. 若正、反已满3次时，则开始排水；

8. 水位信号下降到低水位（低水位开关由ON变为OFF）开始脱水甩干并继续排水；

9. 脱水甩干10S后则进行洗完报警；

10. 报警10S后自动停机；

11. 可以按“停止”按钮实现手动停止进水、排水、脱水及报警。

3.1.2顺序功能图

全自动洗衣机洗涤动作具体要求如下：

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，由脱水电磁离合器合上、排水电磁阀吸合，洗涤电机正转进行甩干；

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SA及停止按钮SB。

根据以上动作要求，全自动洗衣机具体操作过程的顺序功能图（即全自动洗衣机洗涤动作流程图）如图3-1所示：

起动

高水位

15S

正 反 转 3S

不 满 3 15S 次 3S

正反洗满3次

低水位

10S 10S

图3-1顺序功能图

初始状态

洗涤正转

洗涤反转 进水

暂停 暂停 排水

甩干

报警 停机

3.1.3 主电路

全自动洗衣机的电动机为单相异步电动机，这个电动机反转不能像三相异步电动机那样通过调换两根电源线来实现，必须以调换电容C的串联位置来实现，即改变QB的接通位置，由此改变旋转磁场的方向，从而实现电动机的反转。电动机定子上有两个绕组AX和BY，AX为运行绕组（或工作绕组），BY为启动绕组，两绕组的轴线在空间互相垂直。实现全自动洗衣机正反转的主电路如图3-2所示：

。。

~

---------- QG

QB 1

2 C

A

B Y

X

图3-2 主电路图

3.2确定I/O信号数量，选择PLC类型

根据控制流程图，我选择西门子S7-200系列PLC作为此全自动洗衣机的控制主机来实现其功能。在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等之分。此全自动洗衣机系统中总共有5个数字量输入，6个数字量输出，共需11点I/O。根据I/O点数及程序容量，故选择了CPU222作为其主机。

启动按钮用来控制全自动洗衣机开始工作与否。一般地，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。

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。

高低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统设定下的两个水位中的相对高一点的水位；反之则是低水位。

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。

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上。

零水位探测器用来探测是否将水排干。采用数字量输出式水位探测器这样就可以直接将零位探测器的输出直接送到PLC主机的数字量输入端口上。

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。

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。

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，电机会正转与反转同时轮流进行。

排水电磁阀用于PLC主机控制洗衣机机筒内污水的排放。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。

洗衣机洗衣服的最后一道工序就是对衣服进行脱水甩干。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。并且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方式就可以完成控制任务。

蜂鸣器用来指示洗衣机洗衣过程中的一些声音提示，也采用电磁阀控制。同时对于各个程序中的指示灯也采用电磁阀进行控制。

全自动洗衣机控制系统为单机控制系统，控制系统相比较而言比较简单。 PLC的输入点，包括启动按钮、停止按钮、高低水位按钮、高水位探测器、低水位探测器，一共5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、排水电磁阀、脱水电磁离合器、蜂鸣器接触器，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，本次设计选择西门子S7-200系列的CPU222型的PLC，可以满足使用需求。它的主要特点是：

·8输入/6输出共14个数字量I/O点。

·6KB的程序和数据存储空间。

·4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

洗衣机的电动机是满足220V单相电源的交流异步电动机，要想改变电动机的旋转方向只需在电路中串联一个电容以改变相位差，从而达到控制电动机正反转的目的。控制“正转”、“反转”功能为控制电动机电源方向的两个继电器KM1,KM2，它们的线圈分别与PLC的输出端“KM1”“KM2”相连，受控于PLC的输出信号。

3.3 PLC主机I/O分配表

根据设计要求，我进行了全自动洗衣机中PLC主机的I/O资源分配，全自动洗衣机中PLC主机中I/O分配表如表3-1所示：

PLC输入 PLC输出

名称符号地址名称符号地址启动按钮SB1 I0.0 进水电磁阀 YV1 Q0.0 停止按钮SB2 I0.1 电机正转接触器 KM1 Q0.1 排水按钮SB3 I0.2 电机反转接触器 KM2 Q0.2 高水位开关SQ1 I0.3 排水电磁阀 YV2 Q0.3 低水位开关SQ2 I0.4 脱水电磁离合器 YV3 Q0.4

蜂鸣器 HA Q0.5

表3-1 PLC主机I/O分配表

3.4 PLC主机I/O接线图

根据I/O分配及S-7200的接口设计，全自动洗衣机PLC主机一共有5个输入和6个输出，我绘制的I/O接线图如图3-3所示：

图3-3 I/O接线图

3.5 控制程序的编制

控制程序根据设计要求，主要实现以下几点主要功能，一对于程序的起停控制；二对于高低水位的选择；三在实现以上要求之后，通过程序的控制，实现进水、排水、洗涤、脱水四个主要功能，同时达到在各个过程中能够有信号指示灯指示各个工作状态下的信号状态，并且能够在洗涤完成之后达到通过蜂鸣器报警提示的功能。具体的程序梯形图如图3-4所示：