基于S7-200西门子PLC洗衣机控制系统的设计

基于S7-200西门子PLC洗衣机控制系统的设计青岛农业大学毕 业 论 文（设计） 题 目：基于西门子PLC洗衣机控制系统的设计 姓 名： 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2008.02 学 号： 20082538 指导教师： 2012年6月18日毕业论文（设计）诚信声明 本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 毕业论文（设计）版权使用授权书 本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1洗衣机的发展概况与发展趋势11.2课题研究的目的意义11.3研究内容及目标22 PLC及触摸屏简介32.1PLC的发展、定义32.2触摸屏的简介43 洗衣机硬件整体设计53.1波轮式洗衣机整体结构及原理53.2洗涤脱水系统的设计53.3进水、排水系统的设计73.4驱动系统93.5安全开关结构、功能设计133.6机械支撑系统的设计143.7其他电器件的设计选择154 全自动洗衣机程序设计164.1全自动洗衣机控制系统设计164.2 全自动洗衣机控制系统编程214.3触摸屏控制界面设计224.4 PLC控制程序设计245总 结275.1全文总结275.2心得体会275.3展望28参考文献29致 谢30附 录31基于西门子PLC洗衣机控制系统的设计摘 要本文基于西门子S7-200 PLC，通过STEP 7-Micro WIN V4.0编程软件，结合WinCC flexible组态软件，设计出PLC洗衣机控制系统。设计从实际出发，力求所设计的洗衣机经济、实用、人性、智能。根据设计要求，编写、调试出PLC和触摸屏控制程序，并系统的设计出合理的硬件连线图，在掌握洗衣机工作原理的前提下，参考波轮式洗衣机，设计选择出各部分硬件设施，最终得到符合要求的毕业设计。 西门子PLC-200实现的全自动洗衣机控制，融入了触摸屏操作，系统功能强大、电路连接简单、时间计算精确，并且编程语言简单明了，易于掌握，指令可根据用户需求灵活改变，PLC全自动洗衣机设计成功，使智能化的控制取代了传统的工业控制，缩短了全自动洗衣机开发周期的同时，极大的方便了人们的日常生活。关键词：洗衣机；PLC；触摸屏The Design of washing machine using Siemens PLCAbstractThe control system for the washing machine is designed in this paper. It is programmed by the STEP 7-Micro WIN V4.0 programming software and the WinCC flexible software based on Siemens S7 -200 PLC. This design aims at making the washing machine more economic, practical, hommization and intelligentialize. According to the requirements of design, compilation, debugging PLC and touch screen control procedures, finally got reasonable hardware even chart. In master under the premise of washing machine working principle, reference existing washing machine, choose the parts hardware facilities, finally got to meet the requirements of graduation design. Siemens PLC-200 realized the automatic washing machine control and integrated into the touch screen operation, system powerful, Circuit is connected simple, time calculation and precision programming language is simple, PLC automatic washing machine design success, and to make intelligent control replaced the traditional industrial control, shorten the development cycle automatic washing machine at the same time, the great convenience to the peoples daily life. Key words: washing machine; PLC; touch screenII青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 洗衣机的发展概况与发展趋势洗衣服是人们日常生活中必不可少的一项家务工作，费时费力，为了将人们从繁重的家务中解放出来，洗衣机应运而生。美国人先后于1874年和1911年发明了手摇式和电动式洗衣机；1922年玛依塔格公司又研制成功了搅拌式洗衣机，它利用电动机驱动搅拌轴，使之作往复运动，使衣服和水流不断翻滚、换向，从而洗净衣服；1932滚筒式洗衣机诞生，它将洗涤、漂洗、脱水集中于同一个滚筒里进行，结构先进、设计合理，迅速普及；1952年，日本开始生产喷流式洗衣机。1955年三洋公司研制成功了波轮式洗衣机，它以结构简单、制造维修方便、洗净率高、成本低等优点脱颖而出；其后，塑料双桶洗衣机和波轮式套桶全自动洗衣机相继问世，自动化程度进一步提高；到1984年，日立公司率先推出带不缠绕棒式新水流洗衣机，洗衣机的发展又跃上了一个新的台阶1。我国生产洗衣机的历史较短，1957年第一台单桶洗衣机在辽宁问世，1978年才作为一个行业兴起。但发展速度惊人，至1984年已成为最大的洗衣机生产国。跨入90年代以后，年产量超过1000万台，而且产量大，型号多，洗涤方式齐全。目前，国内外洗衣机生产厂家的努力方向是以最短的时间和最低的成本来达到节能、节水、节洗涤剂、少污染、高效率的目标。同时在材料上更多的采用不锈钢和镀锌板，在控制技术上采用模糊控制理论，在控制器件上应用各种新型的传感器。总的来说，当今洗衣机工业的发展趋势正朝着“五化”方向努力2。1.智能化；2.两极化；3.多品种化；4.节能化；5.美观化。1.2 课题研究的目的意义 随着社会的发展、工业化的加速，人们生活水平的不断提高，无论是波轮式洗衣机也好，还是滚筒式洗衣机也好，都朝着智能化、人性化方向发展。传统洗衣机采用继电器控制，而继电器长期磨损，极易损坏，且继电器的触点通断时易产生电弧，严重时触点会熔在一起导致误操作，引发事故。在负荷较大的时候，继电器还会产生大量的热和噪声，同时也浪费了大量的电能3。并且继电器控制安装调试麻烦，接线多而复杂，如果有轻微的改动也需要花费大量的时间、人力和物力，不适合洗衣机控制电路。另外传统洗衣机操作费时费力、节水性差、易缠绕、脱水性能不稳定，体积较大不易搬运，已经难以满足人们对智能化操作、人性化电器设计的需求。而市场上已有的全自动洗衣机,多采用单片机控制，生产成本较高，其稳压电路、保护电路比较复杂，容易发热，维修护理麻烦，需专业人员检修，售价偏高，不适合普通人家使用，难以批量生产4。所以，开发设计一款经济实用、人性化、智能化的全自动洗衣机具有很好的现实意义，既能填补市场上的空白，又能满足人们对产品的要求，使人们日常洗衣更加轻松便捷。1.3 研究内容及目标研究内容：1. 掌握全自动洗衣机的整体结构、各系统组成及工作原理。2. 学习掌握PLC编程软件STEP 7-Micro WIN V4.0的使用，设计编写出全自动洗衣机程序，并调试运行成功。3. 熟练应用WinCC flexible 2007人机界面组态软件，设计完成控制界面并编写出相应触摸屏控制程序。研究目标：1. 熟练掌握PLC编程软件STEP 7-Micro WIN V4.0及WinCC flexible人机界面组态软件，为以后学习工作奠定基础。2. 广泛交流，收集资料，在共同进步中提高交际能力，积极参与实验操作，焊接连线，强化实际动手能力。3. 选择设计出洗衣机各系统硬件，完成全自动洗衣机软件程序设计，顺利完成毕业设计同时，为全自动洗衣机的发展贡献一份力量。 2 PLC及触摸屏简介2.1 PLC的发展、定义在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器占主导地位。但继电器控制领域有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、寿命短、运行慢，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、安装，造成时间和资金的严重浪费5。为了改变这一现状，PLC控制系统产生了。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，它基于集成电路和电子技术，首次采用程序化的手段应用于电气控制。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长的一系列优点，很快在美国其他工业领域推广应用。PLC有丰富的指令语言，IL、ST、FBD和梯形图等，随着科技的发展，C语言、FORTRAN、PASCAL等高级语言也被加入到PLC编程语言中，使编程语言和思想更加简洁、明了6。早期的PLC可以看作是继电器控制装置的替代物，主要功能是执行原先用继电器完成的顺序控制、时间控制的。中期的PLC微处理器开始作为PLC的中央处理单元（CPU），使PLC的功能大大增强。近期的PLC由于集成电路技术迅速发展，使得各种类型的PLC微处理器升级，PLC的处理速度进一步提高，功能更加强大7。进入本世纪后，PLC已经运用到了各个领域，根据Food Engineerings annual state of manufacturing 的一项调查报告，被调查的64%的设备工程师打算在2001年购买P L C，而在随后的调查中，升到了70%80%8。国际电工委会（IEC）于1985年颁布了对PLC的定义(修订版)：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计”9。本次设计选用的西门子S7-200PLC,是整体结构具有很高性价比的小型PLC。它具有结构紧凑，可靠性高，可以采用梯形图、语句表和功能块三种方式来编程；指令丰富，功能强大，易于掌握，操作方便等优点，广泛应用于各种领域10。2.2 触摸屏的简介触摸屏是结合显示器使用的一种绝对坐标定位系统，作为一种简单、便利的输入设备得到广泛应用。无须物理按钮，用户根据触摸屏上具有明确意义和提示信息的按键，通过触摸感应及显示能使其直观的进行图形控制监视11。 本次设计中运用 WinCC flexible 组态软件，将触摸屏与PLC联系起来，实现了触摸屏对全自动洗衣机的控制。 3 洗衣机硬件整体设计图3-1 全自动波轮洗衣机结构图1-平衡圈；2-脱水桶；3-盛水桶；4-箱体；5-波轮；6-电动机；7-离合器；8-棘轮；9-离合器皮带轮；10-棘爪；11-排水口；12-制动杆；13-牵引电磁铁；14-吊杆；15-安全开关；16-PLC控制器3.1 波轮式洗衣机整体结构及原理3.1.1 波轮式洗衣机结构设计本次设计洗衣机结构采用套筒式，如图3-1所示，它将洗涤漂洗和脱水集中于一个桶内进行，按设定程序完成洗衣动作，脱水后自动断电，真正实现了全自动化。3.1.2 波轮式洗衣机的洗涤原理波轮在电动机带动下作正反方向转动，使洗衣桶内的洗涤液受到水平和垂直方向两个作用力，由 于摩擦力和桶壁的存在，产生水平和垂直运动着的 涡流，它们的合成作用使衣服在桶内强烈翻滚，同 时在衣服之间、衣服与桶壁之间产生摩擦与撞击力。 反复的机械运动，便类似于手工洗涤 12。 3.2 洗涤脱水系统的设计洗涤脱水系统主要由盛水桶、洗涤脱水桶和波轮构成。图3-2 盛水桶结构图 1-溢水孔；2-贮气管安装口；3-排水孔；4-大油封安装口3.2.1 盛水桶结构及功能盛水桶是耐酸碱、抗冲击的塑料桶，盛放洗涤液或清水。其结构如图3-2所示，桶口装有密封盖板，防止洗涤液溅出，并可增强桶口的刚度；底部中央有圆孔装大油封，依靠其将盛水桶和脱水轴连接；底部侧面开有排水孔，与排水阀相连；桶壁上部开有溢流孔，防止工作时溢水；侧壁有贮气室，通过软管与水位传感器相连，控制桶内水位高度。 图3-3 洗涤脱水桶1-线屑过滤器；2-循环水道； 3-桶体；4-柔软剂盛载盒3.2.2 洗涤脱水桶结构及功能 洗涤脱水桶兼具洗涤、离心脱水双重功能，其结构如图3-3所示。桶壁上有许多小孔，洗涤时使内外桶相通，脱水时使桶内衣物中的水分甩出；内壁上有许多凸筋，形成小涡流，增强揉搓效果，提高洗涤效果；内壁上嵌有回水管，随着波轮的旋转洗涤液被吸入回水管，经导向槽注入过滤网袋回到桶内，将其中的线屑、绒毛等杂质收集起来，在使衣服干净的同时，确保了排水管的通畅。 为减小衣物放置不均匀引起的抖动，在内桶上端设置了平衡圈，结构如图3-4所示。其为空心的塑料环，内部充约70%的浓盐水（防结冰），内设一些开有缺口隔板以减小浓盐水流动的冲击。洗衣机脱水时，如衣服放置不均匀，内桶将倾斜，圈中浓盐水流向倾斜的一边，旋转时，离心力使浓盐水流向对面，以减小衣物不均衡的影响，从而减小抖动13。过程如图3-5所示。图3-4 平衡圈结构图图3-5 平衡过程 图3-6 柔顺剂注入装置 在平衡圈上还设有柔顺剂自动注入装置，结构如图3-6所示。柔顺剂流动过程见表3-1。表 3-1 柔顺剂流动过程工作方式洗涤中间脱水漂洗中间脱水漂洗柔顺剂受力自然流动离心力自然流动 离心力 自然流动注入装置A腔B腔C腔柔顺剂在隔室内的流动状态在A腔中由A腔流向B腔在B腔中由B腔流入C腔加入漂洗液中图3-7 碟形波轮3.2.3 波轮的选择设计本次设计选用碟形波轮，如图3-7所示：直径约300mm，转速约175 rmin，正反交替旋转。由于波轮呈凹形，工作时，底部的叶片将洗涤液先上扬再下压，使洗涤液呈“心形”和上下翻滚，实现了高净率低磨损，减小了衣服缠绕和扭绞现象。3.3 进水、排水系统的设计进水系统主要给洗衣机提供洗涤用水，由进水管、进水电磁阀和压力开关组成。图3-8 进水电磁阀结构图1-出水口；2-泄压孔；3-橡胶阀垫；4-塑料阀芯；5-引出片；6-控制腔；7-螺丝；8-线圈及骨架；9-弹簧；10-铁芯；11-橡胶柱；12-导磁铁架；13-绝缘层；14-金属网；15-进水腔；16-阀座；17-加压孔3.3.1 进水管的选择设计进水管为洗衣机附件，由水管和接头组成。本次设计水管采用内嵌纤维丝的复合橡胶，可承受一定水压。一端为螺纹接头，与进水电磁阀相连，一端为接头，与水龙头相连。3.3.2 进水电磁阀的结构工作原理及选择进水电磁阀作用是控制水流通断，为洗衣机提供洗涤用水，结构如图3-8所示。阀中心是铁芯，铁芯外为电磁线圈，不通电时，铁芯因弹簧弹力被压下，则下端橡胶柱封住泄压孔，水经加压孔流入控制腔，进水腔和控制腔的水压相等，由于橡胶阀芯上部的受压面积大，阀芯被压在橡胶阀垫上，阀即闭合。通电时，铁芯因电磁力大于弹簧弹力被吸合，泄压孔打开，由于泄压孔大于加压孔，控制腔内的水很快流出，压力降低，阀芯的下部压力大于上部压力，被下部水压推开，阀即开启注水14。 本次设计采用小天鹅PDQ-7型进水电磁阀，主要性能参数见表3-2。表3-2 PDQ-7型进水电磁阀性能参数表额定电压频率 额定电流（mA）使用水温（）水压范围（MPa）密封性能（MPa）温升（K）绝缘电阻（M）电气强度220V50Hz2750800.020.80.021无泄漏751002500V历时1min3.3.3 水位传感器结构及功能图3-9 水位传感器结构图1-杠杆；2-支撑弹簧；3-开关体；4-定触点接线片；5-固定座；6-凸轮；7-调整螺丝；8-套筒；9-垫片；10-水位控制弹簧；11-动触点接线片；12-长簧片；13-短簧片；14-橡皮膜；15-换向杆；16-气室盖；17-腰鼓弹簧；A-气室；B-进气接口本次设计水位传感器采用气压式电触点开关，利用洗衣机桶内水位高低不同所产生的不同压力，来控制进水电磁阀的通断。本次设计中，一共安放三个水位传感器，盛水桶侧壁自上往下分布三个，分别为高、中、低水位开关，负责进水和洗涤之间的转换；底部安装一个浮球式行程开关，进水时浮起，水排空时落下，负责检测排水完毕与否。水位传感器通过软管与贮气室相连，其结构如图3-9所示。注水时，贮气室的空气被压缩，将压力传递给传感器。气压升高使橡皮膜变形并推动动触点与定触点接触，从而将水位达到设定值的信号送至PLC，PLC依据程序闭合进水电磁阀并使电机旋转，洗衣机进入洗涤状态；排水时水位下降，空气压力随着下降，当压力小于弹簧弹力时，橡胶模片恢复初始位置。当水排空时，底部传感器控制使排水电磁阀闭合，洗衣机根据程序，进入下一状态。3.3.4 排水系统的设计排水系统负责排出污水，由排水电磁阀和排水管组成。本次设计排水管采用橡塑材料吹压成波纹管，一端连接排水口，另一端装有一只挂钩，平时可以挂在洗衣机的挂口上。排水电磁阀由电磁铁和排水阀组成，靠连接板连接，其结构与装配关系如图3-10所示。通电时，动铁芯往右吸合，排水阀呈打开状态，污水通过水道和阀门，经排水口排出。连接板上还有一可调的定位套，用图3-10 排水电磁阀结构图1-阀体；2-橡胶阀门；3-绝缘垫；4-内弹簧；5-拉杆；6-外弹簧；7-阀盖；8-定位螺母；9-连接板；10-开口销；11-动铁芯；12-电磁铁；13-缓冲器；14-螺栓；15-定位套；16-垫圈；17-制动杆；A-水道；B-溢水管；C-排水口来控制离合器制动杆，为脱水作准备。当电磁铁失电时，排水阀在自身弹簧的作用下将铁芯拉回，排水阀关闭，洗衣机停止排水15，同时，离合器上的制动杆也靠自身弹簧的作用恢复原位,为洗涤漂洗过程中波轮转动作好准备。 电磁铁有两种，此次由PLC输出口驱 动，为24V直流电源，故选用直流电磁铁，且直流电磁铁具有吸引力大、体积小、噪音低和安全性能高等优点。直流电磁铁有两组线圈，即吸引线圈和保持线圈，两组线圈串联在一起，其结构如图3-11所示。吸引线圈电阻较小，约为15，保持线圈图3-11 直流电磁铁结构1-外衔铁；2-缓冲垫；3-挡板；4-外壳；5-吸引线圈；6-保持线圈；7-安装挡板；8-线圈骨架；9-密封圈；10-内衔铁；11-引出片；12-塑料座；13-动触片；14-静触片；15-断路开关；16-行程档杆电阻较大，约为385。当PLC发出排水信号时，保持线圈被短路，仅吸引线圈工作，通过励磁线圈的电流较大，约为1.6A，衔铁被较强的引力吸引，打开排水阀开始排水，同时拨发离合器上的制动杆。在衔铁动作至一定位置时，衔铁上的压板将装载电磁铁外壳上的断路开关断开，使保持线圈和吸引线圈串联在一起工作，这时励磁电流减小，只有0.06A左右，电磁铁只起维持排水阀打开状态。线圈失电时，衔铁由于弹簧作用复位，排水阀关闭，离合器制动杆也恢复原位。3.4 驱动系统驱动系统由电动机、减速系统和减速离合器组成，为洗衣机提供动力、调节转速。3.4.1 电动机的工作原理及结构此次设计采用电容式电动机，它具有过载能力强，运行性能、起动性能稳定，结构简单、维修方便等优点。图3-12 电动机电路图1. 电容式电动机的工作原理由于洗衣机采用的是单相电源，为了获取旋转的磁场，首先在定子槽内嵌放两个绕组，即主绕组（工作绕组）和副绕组（启动绕组），两绕组在空间排列互成90；其次需使通入主、副绕组的同一相电流具有不同的相位差，变为两相电流。因此，在副绕组中串入一个适当容量的电容器，这样主绕组就相当于电阻和电感串联电路，电流I主在相位上滞后电压V；而副绕组串入电容后就相当于电容、电阻和电感的串联，电流I副超前电压V，具体电路如图3-12所示。主绕组的电阻、电感和副绕组的电阻、电感和电容匹配得当，使副绕组中的电流超前于主绕组电流一定的电角度（往往设计成满载时两相电流的电角度为100110，过载时电角度为90），就可产生旋转的磁场，处于旋转磁场 中的转子就可启动旋转。图3-13 电动机结构图1-电机轴；2-风扇叶；3-上端盖；4-安装孔；5-引出线；6-下端盖；7-轴承；8-波形弹簧；9-转子；10-连接螺钉；11-定子铁芯；12-定子绕组；13-小皮带轮2. 电容式电动机的结构为了便于散热和排除水气，将电动机设计成开启式结构，如图3-13所示 16。（1）定子 定子由定子铁芯和定子绕组组成。定子铁芯由0.5mm硅钢片冲制叠压而成，內圆上开有24个槽，用来嵌放主绕组和副绕组。 （2）转子 转子有转子铁芯和鼠笼组成。转子铁芯也由硅钢片冲制而成，外圆有转子槽且扭斜一个角度以消除高次谐波。斜槽内浇铸铝合金或铝，与两端短路环形成一个鼠笼。（3）端盖 端盖分为上、下端盖两部分，中间用螺栓连接，有铸铝和钢板两种。上、下端盖内有轴承室，用以安装轴承；上部开有气孔，利于通风散热；侧面有4个装配位置口，用于紧固定位。在电机上方有与皮带轮一体的塑料或钢板制成的风叶，加强散热效果。3. 所选XDL-120型电动机主要性能参数指标见表3-3。表3-3 XDL-120型电动机性能参数表 额定功率W120满载效率%52气隙长度mm0.35半匝平均长108.5额定电压V220功率因数0.95定子槽数24堵转电流A2.5额定频率Hz50定子外径mm107转子槽数34噪声dB62满载电流A1.1定子内径mm68绕组线规1-0.38电容容量uF9满载转速rmin1500定子长度mm40绕组每极匝数253 3.4.2 减速系统的组成和工作原理此次减速系统设计分为两级减速，第一级为皮带减速系统，由电动机轴端小皮带轮、波轮轴端大皮带轮和皮带组成。电动机转速为1500rmin，其动力通过皮带传递到大皮带轮上，带动波轮旋转。由于两皮带轮直径不等，减速比约为11.76，大皮带轮转速约为850 rmin 。第二级为行星减速系统，减速比约为14.3，波轮转速约为175 rmin，以适应洗涤工作。 3.4.3 减速离合器的结构及工作原理离合器是洗衣机中完成降速并传动扭矩的部件。结构如图3-15所示。离合器有四根轴：洗涤输入轴，上部为恒星齿轮，把来自皮带轮的扭矩传递给行星齿轮，下部为方形轴，与离合套结合，离合套内方外圆。下半轴，它是一根空心轴，套装于洗涤输入轴外，截面为“T”字形，下端与离合套的外径一致，之间套一个方丝弹簧，为离合簧，形状为锥形，上面两圈直径比下面小点，因此能紧紧的套在下半轴上。离合簧一端呈自由状态，一端的弯头嵌在外面套装着的棘轮上的小孔内。由棘轮控制该簧抱紧与放松。中半轴，也称脱水轴，是个空心的阶梯轴，下面大轴的表面是光滑的，作为刹车盘用，内表面是齿轮，与行星齿轮啮合。上面小轴的外径装轴承，内径与洗涤输出轴之间装有密封圈用以防水。中半轴与上半轴固定在一起。洗涤输出轴，上端装有波轮，负责洗涤，下端与行星架固定17。洗涤时，传动过程为：电机皮带轮洗涤输入轴恒星齿轮行星齿轮行星架洗涤输出轴波轮。此时，排水阀闭合，定位套与制动杆保持2.53.5mm的间隙。刹车带在制动弹簧的作用下被拉紧，抱住中半轴，则整个轴无法顺时针跟转（从上端往下看），虽然其内齿与行星齿轮啮合，但不能转动，使行星齿轮既自身转动，又围绕恒星齿轮转动。同时，棘爪拨叉在拨叉弹簧的作用下，通过棘爪，把棘爪拨过一个角度，使方丝离合簧旋松，于是输入轴的转动无法带动中半轴和下半轴，而只带动输出轴转动。在中半轴上设置有圆抱簧，防止洗涤输出轴在逆时针旋转时中半轴跟转。 脱水时，传动过程为：电机皮带轮离合套下半轴中半轴脱水桶。棘轮被放松，在方丝离合簧自身的作用力下回到自身位置，离合簧也就抱紧了离合套，皮带轮在脱水时是顺时针旋转的，由于摩擦力的作用，离合簧就会越抱越紧，这样，下半轴就和离合套连在一起，跟随皮带轮一起做高速运转，从而使中半轴获得动力，完成脱水工作。这时，由于洗涤输入轴和中半轴同时跟随皮带轮转动，速度一样，行星轮也就无法自转而只能公转，即行星架的转动速度与中半轴的一样，因此，波轮的转动与脱水桶的转动等速，保证了脱水桶内衣物不会被拉伤或扭曲。定位套排水阀电磁铁作用线图3-15离合器结构图1-制动杆；2-调节螺钉；3-内齿轮；4-传动架；5-行星齿轮；6-棘爪拨叉；7-棘爪弹簧；8-棘爪；9-下半轴；10-洗涤输入轴；11-方孔离合套；12-带轮螺母；13-带轮；14-棘轮；15-方丝离合套；16-制动带；17-壳体；18-盖板；19-圆抱簧；20-外密封圈；21-内密封圈；22-洗涤输出轴；23-上半轴；24-中半轴；25-制动轴；26-制动弹簧；27-拨叉弹簧 3.5 安全开关结构、功能设计图3-16 安全开关结构1-探棒；2-洗衣机盖；3-防振器；4-桶体；5-防振杠杆；6-动触片；7-静触片；8-防水壳；9-压柱 本设计采用防振型安全开关，如图3-16所示。当机盖盖上时，探棒上抬，带动防振杠杆及防振器向上移动，压柱带动动触片与静触片接通。振动剧烈时，防振杠杆向左运动到一定程度，压柱落入限振器的凹口内，使动触片下移切断电源。3.6 机械支撑系统的设计3.6.1 箱体箱体包容着全部零部件，将各部连成一个整体且装饰表面。本次设计采用厚0.60.8mm钢板，设凸凹筋以增加强度，外表面有静电喷漆和塑料喷涂，左右两侧设有把手，便于搬动。图3-17 吊杆系统结构图1-挂头；2-吊杆；3-外桶吊耳；4-阻尼筒；5-减振弹簧；6-阻尼胶碗；7-胶碗支撑簧内壁贴有泡沫塑料衬垫，用于保护箱体。3.6.2 支脚箱体下面有四个支脚，三个为固定支脚，另一个为可调支脚，保证其与地面良好接触。3.6.3 支承机构支承机构具有支承、减振、隔振和消除噪音的作用。本次设计采用弹簧吊杆悬挂式支承方式，如图3-17所示，悬挂式支承方式是将各部件先总成后再和洗涤桶一起固定在底板上，通过四根弹簧吊杆将底板悬挂在箱体上18。 3.6.4 面框 面框位于洗衣机上部，用于固定安装操作部件，采用工程塑料注塑成型，具有良好的绝缘性能和安全性能。本次设计中面框上加入漂白剂注入口，连接到盛水桶上环，防止漂白剂与洗涤物直接接触，减少对其损伤。图3-18 正反转控制电路图3.7 其他电器件的设计选择3.7.1 直流继电器的选择本次设计选择MY-1P(一对常开触点)直流继电器，通电时，电磁线圈得电吸合，常开触点闭合，（工作原理与电磁阀相同，见图3-11）。当继电器KM1接通时，主、副绕组形成两相旋转磁场，电动机正向起动；当继电器KM2接通时，主、副绕组功能互换，电动机反向起动。随着KM1、KM2的不断交替接通，电动机便实现了正反转控制，如图3-18所示。3.7.2报警器的选择选择LZQ-2724B电磁式蜂鸣器，由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。通电时，振荡器产生音频信号电流通过电磁线圈，产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁作用下，周期性地振动发声。驱动电路见硬件连接图4-4。3.7.3电源部分设计单相电动机采用交流220V供电，PLC模块采用直流24V供电，由220V经降压、整流、滤波、稳压模块得到，见硬件连接图4-4。 4 全自动洗衣机程序设计4.1全自动洗衣机控制系统设计 4.1.1控制要求依据毕业设计任务书，洗衣机控制要求如下：（1）按下启动按钮及水位选择开关，注水直到高（中、 低）水位，关水；（2）2s后开始洗涤；（3）洗涤时，正转30s，停2s，然后反转30s，停2s；（4）如此循环5次，总共320s后开始排水，排空后脱水30s；（5）开始清洗，重复（2）（5），清洗两遍；（6）清洗完成，报警3s并自动停机；（7）若按下停车按扭，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）。4.1.2控制流程图 流程图分为自动控制流程图4-1和手动控制流程图4-2，具体见下图。 暂停2s反转30s暂停2s排水排水完毕脱水30s报警3s结束启动开始水位选择进水正转30s到达选择水位循环5次循环3次YNYNNY图4-1自动控制流程图有水手动排水但不脱水手动排水但不脱水排水完毕停止再次按下手动脱水停止脱水结束NY图4-2手动控制流程图自动控制时，先按下启动按钮，再选择水位，进水电磁阀线圈得电工作，开始进水到达指定水位后，水位传感器压力开关闭合，使进水阀线圈失电停止进水，同时根据程序正转继电器得电，其常开触点闭合，电动机得电正转，洗衣机正转洗涤，计时器计时30s ，暂停2s，反转继电器得电，其常开触点闭合，电动机得电反转，洗衣机反转洗涤，计时器计时30s，暂停2s，计数器C1计数一次，同时电机正转，C1计数5次后，电机停止，排水阀得电打开排水，同时，离合器制动杆拉开，排水完毕后，电动机正转，脱水桶高速旋转，脱水计时器计时30s，计数器C2计数一次，而后又开始进水，到达指定水位，交替正转、反转，计数器C2计数3次后，报警器报警3s，之后程序结束。手动控制时，按下停止按钮，有水时需先手动排水，排水完成后排水阀闭合，而不自动脱水，需手动脱水时，按下手动脱水按钮一次，排水阀打开，拉动离合器制动杆，脱水桶高速旋转脱水，再次按下脱水按钮，脱水停止，程序结束。4.1.3 IO口分配表 按输入、输出口分配，如表4-3所示，程序中还应用到3个计数器，7个定时器（见下表），此外，还应用了11个辅助继电器，功能见附录程序。表4-3 IO口分配表输入变量地址输出变量地址计时器、计数器名称启动按钮M0.0高水位指示灯Q0.0小循环5次计数器C1高水位选择按钮M0.1中水位指示灯Q0.1大循环3次计数器C2中水位选择按钮M0.2低水位指示灯Q0.5手动排水计数器C3低水位选择按钮M0.3进水电磁阀Q0.3等待2秒计时器T37停止按钮M0.4正转洗涤继电器Q0.4正转30秒计时器T38手动排水M0.5反转洗涤继电器Q0.2暂停2秒计时器1T39手动脱水M0.6排水电磁阀Q0.6反转30秒计时器T40高水位触点I0.0离合器线圈Q0.7暂停2秒计时器2T41中水位触点I0.1报警器Q1.1脱水30秒计时器T42低水位触点I0.2报警3秒计时器T43进水浮球开关I0.34.1.4硬件连线图硬件接线如图4-4所示。KM1高水位指示灯中水位指示灯低水位指示灯进水阀线圈正转继电器反转继电器排水阀线圈离合器指示灯报警器高水位行程开关中水位行程开关低水位行程开关进水浮球行程开关KM2电动机示意图图4-4 硬件连线图4.2 全自动洗衣机控制系统编程4.2.1STEP 7Micro WIN V4.0编程软件简介及使用STEP 7-Micro WIN V4.0的基本功能是协助用户完成开发软件的任务，创建用户程序、修改编辑原有程序，编辑过程中还有编译查错功能，同时还可以直接设置PLC的工作方式、参数及运行监控等功能19。编程使用如下：图4-5软件初始界面1. 双击桌面STEP 7-Micro WIN V4.0图标，打开软件，并通过文件新建，或单击新建图标，新建文件，如图4-5所示。2. 设置PGPC接口。单击设置设置PGPC接口图标，如图4-6所示。图4-6设置PGPC接口 3. 定义用户符号表。即定义出现的IO接口、定时器、计数器及辅助继电器功能。如所需行不够，可以右击插入行，来添加行。 4. 编程。根据需要可以分别单击，调用所需指令。完成后，可以点击编译图标，进行查错，如正确，可以单击下载图标，将程序下载到PLC中，而后通过调试状态监控，来运行程序。4.2.2 WinCC flexible 2007人机界面组态软件简介WinCC flexible 操作简单，组态效率高，功能强大。可以简化项目创建，对画面层级和动作路径进行图形化组态，并可组态大量数据。通过其操作界面可以快速访问HMI对象，还可以根据用户要求进行调整，还可以实现同时对多个对象的编辑20。4.3 触摸屏控制界面设计1. 创建连接。画面如图4-7所示。图4-7创建连接画面 2. 定义变量。变量如图4-8所示。图4-8定义变量画面3. 控制界面，触摸屏控制界面如图4-9所示。图4-9触摸屏控制界面4.4 PLC控制程序设计4.4.1重点程序解析1. 高、中、低水位传感器冲突问题的解决。开始的时候认为在盛水桶侧壁按高、中、低位置安放三个传感器，再通过贮气室软管分别连接。将触点连接到PLC输入端口以此来控制水位，但忽略了选择高水位时，压力会超过中、低水位压力使其动作，无法实现中、高水位的控制。经反复考虑，加入了水位选择辅助继电器，以输出口来选择、控制水位传感器，并将其互锁，自锁。如选择高水位时，输出口Q0.0将控制高水位传感器，使其得电自锁，而中、低传感器无法得电，即使其触点断开、闭合也不会有信号输入，不会影响水位正常选择。具体程序见附录程序网络2-11。2. 单按钮控制启停21。为了简化触摸屏界面，将手动脱水按钮设置为单按钮控制排水启停，即按下停止按钮且排水完毕后，按下手动脱水按钮一次，开始脱水，再次按下脱水按钮时，洗衣机停止脱水，程序如图4-10所示。按下停止按钮后，M1.1闭合，此时按下手图4-10单按钮启停程序动脱水按钮M0.6时，M1.5得电闭合并自锁，其常开触点闭合，洗衣机开始脱水，同时计数器C3加1，再次按下M0.6时，计数器C3到达计数2，其常开触点C3闭合，M1.7得电，其常闭触点断开，使M1.5失电，洗衣机停止脱水，同时常开触点闭合使计数器C3复位，复位后M1.7又失电断开，完成一次启停控制。3. 单相电机正反转交替控制程序。电路图见3-22。正反转时间由计数器控制，且加入了自锁、互锁，确保电机运转时可靠、安全，中间有暂停2s计数器及辅助继电器控制并自动转换方向，循环次数为3次，由计数器C1控制，程序如图4-11所示。图4-11电动机正反转控制程序 图4. 手动排水与手动脱水程序。因设计要求为手动排水时不脱水，手动脱水时不计时，故在程序中加入停止辅助继电器，按下停止按钮M0.4后，M1.1得电吸合，其常闭触点将自动脱水程序和自动计时程序断开，此时只能手动操作。具体程序如图4-12所示。图4-12手动操作程序 4.4.2洗衣机控制完整程序 完整程序见附录。5总 结5.1全文总结本论文针对基于西门子PLC-200并结合触摸屏控制实现的全自动洗衣机控制系统进行了整体研究及设计，并取得了一定的成果，在此，结合研究设计过程和结果，对此次设计归纳总结如下：(1) 查阅了相关资料，了解了PLC的发展历程，认真学习了西门子PLC-200的相关知识，掌握了其定义、硬件结构、工作过程及原理，学习并掌握了基于PLC-200的编程软件STEP 7-Micro WIN V4.0 及人际界面组态软件WinCC flexible 2007的编程使用。(2) 学习了洗衣机的发明、发展的历史和不断革新的进程，熟练掌握了洗衣机各硬件部分的结构、功能、工作原理及连接控制方式，在此基础上，设计选出最经济、合理的全自动洗衣机的整体结构及各硬件部分。(3) 在开始设计期间，总感觉相关知识都已经掌握，但实际设计编程中却毫无头绪，不得已我结合试验台及编程软件重新将课本复习几遍，才有了思路并完成了编程设计。才明白，课本上的东西学得再好，不结合实际，不懂得应用，一样没有意义，在遇到问题时，止步不前，不学会解决，永远也不会成功。当然，在设计取得一定成果的同时，同样也出现了一些不足：(1) 编程调试时，在功能实现的前提下，还需要进一步使程序简洁化，标准化。(2) 对全自动洗衣机硬件的设计选择局限于知识层面，对软件编程调试也局限在试验台上，并没有真正做出洗衣机实物，无法确定实际应用中会出现的问题及相应的改进方法。(3) 对设计出的洗衣机实物价格没有明确定位，对市场也没有调研，设计存在一定的盲目性。5.2心得体会3个多月的毕业设计转眼之间就要过去，同时也意味着我即将结束我的大学生活，好在，通过毕业设计期间，我又学到了很多在课堂上、书本上无法学习到的东西，在与导师和同学们不断交流和进步中，自己的交际能力和动手操作能力也有明显提高，为自己将来步入社会、找到满意的工作又多了一份保证。在此，将我的一些心得与大家分享。(1) 在遇到问题毫无头绪时，不要苦苦抱怨：我没学过，不会。这样永远都不会解决问题。我们应该找到问题的源头，哪里不会，从哪里学起，问老师、问同学，去图书馆查阅资料，将知识空缺补上，才能保证下次不会出现同样的问题与错误。(2) 课本上的知识学得再好，不能与实际结合，不懂得运用，也就等于没有学好。学习后要走出课本，走向实际，在实习操作过程中将知识熟练掌握，才不会成为“书呆子”。(3) 要学会合作，学会交流，在共同学习中共同进步，三人行必有我师。5.3展望 基于PLC全自动洗衣机的设计，克服了传统继电器控制的缺点，简化了现有全自动洗衣机的线路，将来一定会大大方便人们生活，革新未来，占领市场。同时，小型PLC以其功能强大，结构简单等多项优势必将会替代其他程序控制器，应用于各行各业，更好的服务于人类。 参考文献1 陆国召. 洗衣机家族的变迁J. 家电科技, 2012,(Z1):63-652 陈小娟. 从洗衣机的发展探讨中国洗衣机本土化设计J. 设计,2004,(8):10-173 王仁祥. 常用低压电器原理及其控制技术M. 北京:机械工业出版社,2001,12-134 李小光,段春霞. 基于PLC的全自动洗衣机控制系统的设计J. 湖北广播电视大学学报, 2008,(1): 159-1605 Martin, Vaughn D. 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