机电一体化设计 基于PLC的全自动洗衣机控制

基于PLC的全自动洗衣机控制摘 要随着科学技术不断进步和社会飞速发展，洗衣机成为人民日常生活息息相关的家用电器产品。传统洗衣机基于电器的控制，已经不能满足人们对其自动化程度的要求了。洗衣机要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。自动化技术的飞速发展，使得洗衣机由最初的半自动式发展到现在的全自动式，并正在向智能化洗衣机方向发展。洗衣机的全自动化、多功能化、智能化是其发展方向。基于全自动洗衣机的应用日益广泛，本次设计利用西门子公司生产的PLC控制全自动洗衣机，与传统的继电器逻辑控制系统相比较，洗衣机可靠性、节能性得到了提高。PLC控制不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少，与此同时系统维修简单、维修时间缩短。本文首先介绍了洗衣机的发展，然后重点介绍了洗衣机的设计，对程序流程图及编程软件进行了说明，最后对系统进行了仿真。PLC采样按钮及限位开关外部输入信号的变化，执行相应的程序，然后输出控制电机正反转及脱水处理，控制方式灵活多样。最后就本课题所做的工作进行了总结，并对进一步的研究提出了自己的看法。本次设计的全自动洗衣机工艺要求有待改善，不可以单独脱水及洗衣时间的设置；由于时间有限，没做进一步的改善。基于全自动洗衣机在日常生活中广泛运用，本设计具有广泛的推广价值。关键词：全自动洗衣机, PLC, 控制目 录1 绪论11.1 课题概述11.2 洗衣机发展概况11.3 课题研究的目的与意义21.4 本课题研究的主要内容32 系统硬件设计42.1 系统的控制要求42.2 系统硬件设计52.3 系统软件设计83 总结133.1 工作总结13致谢14参考文献15附录16附录一：梯形图程序161 绪论1.1 课题概述本次设计基于PLC的全自动洗衣机控制，采用PLC控制开发的周期短，开发成本低，可靠性高，可以直接用于现场控制。本设计以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。通常，人们采用洗衣机来洗衣服需要经历洗衣、清洗、排水、脱水等4个环节，而在全自动洗衣机中，这样的一个过程完全由PLC来完成。全自动洗衣机需要其控制系统足够可靠，以避免洗衣机出现故障。全自动洗衣机的简单工作过程如图 1.1所示，其中洗衣的方式、洗衣中的水位选择等俩个方面需要将衣服放入洗衣机之后手动来选择，并且是必须选择的洗衣参数。当选择了洗衣参数后，按下启动按钮，洗衣机就会自动完成整个过程。图1.1 全自动洗衣机的简单工作过程1.2 洗衣机发展概况世界上第一台洗衣机于1858年诞生，但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人发明了木制手摇洗衣机。1880年，美国发明了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。1910年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，美国改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。1932年，美国研制成功第一台前装式滚筒洗衣机。1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。全自动洗衣机从结构上分有波轮式,搅拌式,滚筒式。目前,国内市场上销售的大都是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。波轮式洗衣机的特点是洗净率高,但对衣服的磨损很大,随着人们生活水平不断地提高，丝绸,毛料,羊毛等大量走进普通家庭,厂商又适时地推出了滚筒洗衣机,它最大的优点是磨损率小,但洗净率比波轮式低,价格高。洗衣机产品可以分三类：普通型、半自动型和全自动型。普通型和半自动型洗衣机，都需要人为参与操作，才能完成洗衣、甩干、排水全过程；而全自动洗衣机在整个洗涤、甩干、排水过程中，无需人为操作和监控。国内外洗衣机品牌有海尔、小天鹅、荣事达、松下、惠而浦水仙、LG熊猫、西门子、日立好用。1.3 课题研究的目的与意义本课题主要着重于全自动洗衣机的控制，要求洗衣机能实现进水、洗涤、排水、脱水、报警，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期，且要降低成本。传统的洗衣机采用继电器控制的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强。但是，这也是随之带来的一些问题，如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏，而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。这种电路接线多，只适用于小型的控制电路。采用PLC控制比继电器控制好的多，我们采用PLC来控制。 （1） 可靠性高，抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2） 配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。（3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。（4） 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5） 体积小，重量轻，能耗低，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.4 本课题研究的主要内容本课题需研制出可靠性高、易于操作的全自动洗衣机控制方法，该系统采用PLC控制，主要包括电动机正反转控制、离合器控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和联锁。研究的具体内容包括：（1） 深入了解洗衣机的发展、结构及控制要求。（2） 控制系统设计。包括硬件设计，PLC的选择，各硬件模块的介绍，软件设计，编程方法。（3） 对编写好的编译程序进行模拟调试并仿真。2 系统硬件设计2.1 系统的控制要求全自动洗衣机系统中，PLC主要完成一下功能。1. 检测功能（1） 检测洗衣机的方式；标准或者是柔和的选择。（2） 检测洗衣时的水位；高水位或者是低水位的选择。（3） 检测进水是否到了需要的水位，即进水是否完成。（4） 检测排水是否已经完成。2. 控制功能 （1）控制进水、洗衣、排水、清洗、脱水等洗衣机的动作。 （2）控制洗衣、清洗、脱水等的时间长短。 （3）控制洗衣、清洗等的效果。 （4）控制在洗衣机完成一个动作和到下一个动作的准确转换。 （5）控制完成洗衣机洗衣时的信号提示。 自动洗衣机的设计除了满足上述功能以外，还需要考虑到外观设计、造型等方面。尤其是在洗衣机的手动控制操作面板上，依序符合人机界面的基本要求。 设计全自动洗衣机的操作面板如图2.1所示。其中进水、正转、反转、排水、脱水为信号灯指示单签洗衣机的工作状态；蜂鸣器为声音指示，指示洗衣机在工作中的某些状态的转换；启动、停止、高水位、低水位、标准、柔和等为手动控制按钮，用来手动输入一些控制信号。图2.1 全自动洗衣机操作面板在实际生活中，操作面板一般位于洗衣机的上表面，需要在设计的时候加入更多的个性化平面设计元素，并且操作面板往往与恐怕给你赚钱不放置在一起，这就需要考虑线路布线的问题。2.2 系统硬件设计根据上节中队全自动洗衣机的功能分析，可以设计出图2.2所示的全自动洗衣机硬件系统框图。图2.2 全自动洗衣机的硬件系统框图选择西门子S7-200系列PLC作为此全自动洗衣机的控制主机。本控制系统中共有8哥数字量输入和6个数字量输出，共需14个I/O点数及程序容量，选择了CPU222作为本系统的主机。对PLC主机的I/O资源进行分配，其分配情况如表2.1所示名称地址信号说明输入信号启动按钮I0.0启动洗衣机停止按钮I0.1停止洗衣机高水位按钮I0.2高水位选择低水位按钮I0.3低水位选择标准模式按钮I0.4标准模式选择柔和模式按钮I0.5柔和模式选择高水位探测器I0.6高水位检测低水位探测器I0.7低水位检测输出信号进水电磁阀Q0.0进水控制电动机正转接触器Q0.1电动机正转控制电动机反转接触器Q0.2电动机反转控制排水离合器Q0.3排水控制脱水电磁离合器Q0.4脱水控制蜂鸣器Q0.5声音提示表2.1 全自动洗衣机控制系统中PLC主机的I/O资源分配根据PLC主机的I/O资源分配以及PLC主机的硬件框图，则PLC主机的硬件接线图如图2.3所示。图2.3 全自动洗衣机PLC控制部分硬件接线图1. 输入口（1） 启动按钮连至PLC主机的输入口I0.0，停止按钮连至主机的输入口I0.1.（2） 高水位按钮连至PLC主机的输入口I0.2，低水位按钮连至主机的输入口I0.3.（3） 标准模式选择按钮连至PLC主机的输入口I0.4，柔和模式选择按钮连至主机的输入口I0.5（4） 高水位探测器连至PLC主机的输入口I0.6，低水位探测器连至主机的输入口I0.172. 输出口（1） PLC主机输出口Q0.0控制进水电磁阀。（2）PLC主机输出口Q0.1控制电动机正转接触器。（3）PLC主机输出口Q0.2控制电动机反转接触器。（4）PLC主机输出口Q0.3控制排水离合器。（5）PLC主机输出口Q0.4控制脱水电磁离合器。（6）PLC主机输出口Q0.5控制蜂鸣器。2.3 系统软件设计全自动洗衣机控制系统的详细工作过程如下。（1） 按下启动按钮，洗衣机电源导通，准备进入洗衣状态。（2） 用户设置水位高低，以及洗衣模式（标准模式或者柔和模式）。（3） 洗衣机打开进水电磁阀，开始从外界输入水。（4） 水位探测器检测到水已经到位，开始洗衣。（5） 电动机正转与反转按照设计的洗衣模式切换时间长度进行轮流工作。（6） 洗衣一直进行10min。（7） 洗衣机打开排水离合器开始排水，并且持续3min。（8） 洗衣机关闭排水离合器。（9） 重复（3）（8）步骤一次。（10） 洗衣机打开进水电磁阀，开始进水。（11） 水位探测器检测到睡已经到位，开始清洗衣服。（12） 电动机正转与反转按照设定的洗衣模式的切换时间长度进行轮流工作。（13） 洗衣一直进行5min。（14） 洗衣机打开排水离合器开始排水，并且持续3min。（15） 洗衣机关闭排水离合器。（16） 重复（10）（15）步骤一次。（17） 洗衣机控制脱水电磁离合器，进行脱水，同时打开排水离合器，使得脱水过程可以及时排除洗衣机机桶内的脏水。（18） 持续脱水2min。（19） 完成洗衣。根据上述对全自动洗衣机工作过程的描述，可以设计全自动洗衣机控制系统的PLC部分的主流程图，如图2.4所示。图2.4 全自动洗衣机主程序流程图洗衣子程序的流程图如图2.5所示。图2.5 洗衣子程序流程图洗衣机子程序工作过程如下。（1） 启动洗衣机子程序。（2） 打开电磁阀进水，同时检测水位。（3） 如果水位到达位置，选择洗衣模式，标准或者柔和。（4） 洗衣10min。（5） 排水3min。（6） 排水时间到，洗衣子程序结束。清洗过程子程序如图2.6所示图2.6 清洗子程序流程图图2.6所示的工作过程如下。（1） 启动清洗子程序。（2） 打开电磁阀进水，并检测水是否在指定水位。（3） 选择清洗模式，标准或者柔和。（4） 开始清洗衣服，定时5min。（5） 定时时间到，开始排水。（6） 定时3min。（7） 排水结束，清洗子程序结束。在洗衣子程序和清洗子程序中洗衣服的模式有标准模式和柔和模式之分。标准模式洗衣服的流程图及柔和模式洗衣服的流程图如图2.7所示，过程如下。（1） 标准模式；电动机先正转5s，停止1s，电动机再反转5s。（2） 标准模式；电动机先正转3s，停止1s，电动机再反转3s。图2.7标准模式与柔和模式流程图全自动洗衣机控制系统的西门子S7-200系列PLC CPU222的梯形图见附录3 总结3.1 工作总结在本课题的研究设计中，认真研究最新的控制方法。经过认真选择和反复设计，确定了西门子PLC对全自动洗衣机进行控制，重点对软硬件进行了设计和讨论。本文主要进行了以下研究工作。 综述了全自动洗衣机的发展过程及控制技术的最新进展。 对全自动洗衣机的工作原理、要求进行了说明。 对PLC控制技术进行了深入研究，并进行了设计。 本次毕业设计使我深有感触，只要付出就有回报，遇到问题多与老师同学交流，利用网络资源学习。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。总之，万事开头难，知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。致谢本文是在高原老师的悉心指导下完成的。他渊博的学识、严谨的工作作风、敏锐的科学探索眼光、良好的科学素养以及对学生在学习上无微不至的关怀，使我深受教育和感动，并将使我受益终身。在此，特别向高老师致以最诚挚的谢意！感谢在论文撰写过程中给与我无私帮助的同学，是他们一直支持和帮助着我，最后的成功也有他们巨大的心血。感谢东北大学秦皇岛分校对我的培养，母校四年教授于我的不仅仅是专业技能，更是帮我树立了乐观、积极、奋进的人生观和价值观，这些都将是我毕生的财富。特别感谢我的父母和家人在物质和精神上给予我的全力支持和无私关怀！是他们给我前进的力量，为我分担失败的痛苦，是他们给我智慧、勇气、信念去面对人生、面对生活，感谢他们为我做的一切！最后，向所有关心、理解、支持和帮助过我的同学、师长、亲人和朋友致以诚挚的谢意！在此由衷的说一声：谢谢你们！参考文献1. 史国生.电气控制与可编程控制器技术M.北京：化学工业出版社，20082. 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京：北京航空航天大学出版社，20033. 谢丽萍，王占富，凯兴明. 西门子S7-200系列PLC快速入门与实践M，人民邮电出版社，20104. 张扬，蔡春伟，孙明健. S7-200PLC原理与应用系统设计M，机械工业出版社，20075. 程子华，詹永瑞. 视频学工控-西门子S7-200PLC应用技术M，人民邮电出版社，20106. 吕景泉.可编程控制器技术教程M.北京：高等教育出版社，2001 附录附录一：梯形图程序