全自动洗衣机控制系统的设计--大学毕业设计论文.doc

毕业设计说明书全自动洗衣机控制系统的设计学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2014年6月中北大学2014届毕业设计说明书全自动洗衣机PLC控制系统的设计摘 要可编程控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置，它的功能性强，可靠性高，编程简单，使用方便，体积小巧，近年来在工业生产中得到广泛的应用，被誉为当代工业自动化主要支柱之一。本课题探讨了如何利用德国西门子PLC S7-200进行全自动洗衣机控制，并对硬件和软件部分进行了分析和设计，并给出了系统硬件接线图、PLC控制I/O端口分配表以及系统程序流程图等等，实现了系统的灵活性、可靠性和运行稳定性。关键词：PLC，西门子S7-200，可靠性，全自动洗衣机According to the full-automatic washing machine in PLC controls the design of the systemAbstractPLC is takes core to control devised the calculator technique as the in general use automation control equip to computer skills. Its function is strong, the reliability is high, the plait distance is simple, the usage is convenient, the physical volume is cleverly made, in these years, PLC is the extensive application, and drive for contemporary the industrial automation mainly pays one of the pillars. The paper introduces how to use SIEMENS PLC S7-200 to control the full-automatic washing machine, and it analyzes and designs the hardware and software of the system, and presents the hardwarewiring diagram, the I/O port distribution chart and the procedure flow chart etc. And it realizes the systems flexibility, reliability and operation stability. Keywords: PLC，Siemens S7-200，high reliability，full-automatic washing machine目 录1 引言12 全自动洗衣机介绍22.1 全自动洗衣机的类型22.2 全自动洗衣机的基本结构22.2.1 洗涤脱水系统32.2.2 进水排水系统42.2.3 电动机及传动系统52.2.4 电气控制系统62.2.5 支承机构73 全自动洗衣机控制系统的控制方案设计83.1 全自动洗衣机控制系统介绍83.2 具体控制内容设计83.3 全自动洗衣机控制系统方案的选择83.3.1 继电器控制方案83.3.2 单片机控制方案93.3.3 PLC控制方案93.3.4 结论93.4 PLC介绍93.4.1 PLC的硬件结构93.4.2 PLC的软件结构103.4.3 PLC的设计步骤104 控制系统的硬件设计114.1 全自动洗衣机控制面板的布置设计114.2 主电路的设计114.2.1 电动机的选择114.2.2 主电路图的设计114.3 PLC型号的选定124.4 PLC的I/O口分配124.5 PLC的定时/计数器说明124.6 PLC的外部接线图设计135 控制系统的软件设计145.1 控制系统的流程图设计145.2 控制系统的顺序功能图设计155.3 控制系统的梯形图设计156 结束语21参考文献22致谢23第 II 页 共 II 页1 引言从古到今，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。1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。1880年，美国又出现了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。1911年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，电动洗衣机迎来一种崭新的洗衣方式搅拌式。搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人耳目一新。90年代，由于电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。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。从控制方式的发展阶段上分，全自动洗衣机可分为两大类：第一类电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。第二类是电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。随着计算机及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、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。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与各种控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。2 全自动洗衣机介绍2.1 全自动洗衣机的类型全自动洗衣机在结构上大致可分为三种类型，即波轮式、滚筒式和搅拌式。我国市面上常见的洗衣机主要有波轮式和滚筒式两类，产品类型以波轮式为主，其他类型为辅。表2.1为滚筒洗衣机和波轮洗衣机的比较。表2.1 滚筒洗衣机和波轮洗衣机的比较滚筒洗衣机波轮洗衣机优点1.对衣物磨损少，可以洗涤丝绸、羊毛等织物2.衣物无缠绕现象3.水量使用少1.冷水洗净比高2.洗涤时间较短缺点1.冷水洗净比不高2.洗涤时间更长（加温洗时通常超过1个半小时1.衣物磨损较大2.衣物缠绕现象比较严重3.水量使用较大2.2 全自动洗衣机的基本结构本课题选择波轮式全自动洗衣机来做研究。波轮式全自动洗衣机通常都采用将洗涤（脱水）桶套装在盛水桶内的同轴套桶式结构。国内己有很多洗衣机厂生产这类洗衣机，虽然它有多种牌号和各种规格，但其结构都是由洗涤、脱水系统，进、排水系统，电动机及传动系统，电气控制系统，支承机构五大部分组成的。波轮式全自动洗衣机的内部结构如图2.1所示。图2.1 波轮式全自动洗衣机的内部结构2.2.1 洗涤脱水系统波轮式全自动洗衣机的洗涤脱水系统主要由盛水桶、脱水桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。电动机、减速离合器、排水阀、牵引电机等都装在外桶上。它通过4根吊杆悬挂在箱体上。盛水桶上部设有溢水口，经溢水管直接与排水管相通。下部开有气室口，与桶壁外的气室相通。脱水桶又称洗涤桶或离心桶，有时也称为内桶。它主要功能是用来放衣物，在洗涤剂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脱水桶。为增加洗涤时对衣物的机械作用，在桶内壁上设有很多凸筋，起类似搓衣作用。桶壁上开有很多小孔，脱水时衣物中水便由孔中甩出。波轮是对洗涤物施加机械作用力的主要部件。2.2.2 进水排水系统全自动洗衣机的进水系统采用水位压力开关和进水电磁阀，由程序控制器调节。空气压力式水位开关由气压传感装置、控制装置及触点开关三部分组成，其结构如图2.2所示。水位传感器的原理与水位开关类似，不同之处是传感器利用电感和电容将水位压力信号转变为频率信号后传给电脑板，而水位开关是依靠凸轮等机械结构控制弹簧片的开合传递脉冲信号。图2.2 空气压力式水位开关的结构进水电磁阀由线圈、导磁铁架、铁心、小弹簧等组成，可分为电磁铁和进水阀两个部分，是全自动洗衣机上的自动进水开关，受水位开关动断触点的控制。它的结构如图2.3所示。图2.3 进水电磁阀的结构全自动洗衣机的排水系统采用排水电磁阀，由程序控制器调节。排水电磁阀由排水阀和电磁铁两部分组成，在波轮式全自动洗衣机中同时起到改变减速离合器洗涤、脱水状态的作用。它的结构如图2.4所示。图2.4 排水电磁阀的结构2.2.3 电动机及传动系统波轮式全自动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。普通离合器内部没有行星齿轮减速机构，通常用在小波轮的套桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或漂洗时其波轮的转速与脱水时的转速是相同的。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。采用减速离合器的波轮洗衣机传动系统结构如图2.5所示。图2.5 减速离合器电动机传动系统的原理2.2.4 电气控制系统全自动洗衣机电气控制系统由程序控制器、电机、进水电磁阀、排水电机、水位开关、安全开关组成。根据控制方式可分为电动控制和电脑控制两大类（引言部分已作介绍，这里不再赘述）。这两种控制方式的电路差异较大，但其控制的基本原理是一样的。图2.6是以程序控制器为中心的波轮式全自动洗衣机控制系统的基本原理方框图。图2.6 波轮式全自动洗衣机电气控制原理图2.2.5 支承机构支承机构主要由箱体、吊杆及控制台组成，用来安装和连接洗衣机的各种零部件外，还有减振及防护装饰作用。箱体即外壳，采用0.51mm厚的钢板经冲压、弯折成型，表面作喷漆或喷塑处理，外形如图2.7所示。套桶洗衣机的盛水桶、洗涤（脱水）桶套装在一起，由钢底板托住。底板下面安装电动机、离合器、排水电磁阀等。它们通过4根吊杆悬挂在箱体上端口的4个角撑上，其结构如图2.8所示。吊杆还具有减振功能。图2.7 箱体的结构 图2.8 吊杆的结构控制台位于套桶洗衣机的顶部，内部安装着电气控制元件，上面设置操作开关。控制台有两种结构形式：一种是凸台式，多应用于电动程序控制器式全自动洗衣机；第二种平台式，多应用于电脑程序控制器式全自动洗衣机。3 全自动洗衣机控制系统的控制方案设计3.1 全自动洗衣机控制系统介绍全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一轴心安放的。外桶固定，作盛水用。内桶可以旋转，作为脱水用。内桶的周围有许多小孔，使内桶和外桶的水流相通。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。进水时通过控制系统将进水电磁阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过控制系统将排水电磁阀打开，将水由外桶排到机外。洗涤时，正转、反转由洗涤电动机驱动波盘的正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，控制系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、低水位控制开关分别用来检测桶内水位情况。启动按钮用来启动洗衣机工作，停止按钮用来实现随时停止进水、排水、脱水及报警全过程。3.2 具体控制内容设计整个系统分为自动和手动两种控制状态。在自动状态下，整个过程分为进水、洗涤、排水、脱水四个环节： 1） 当按下启动按钮，进水电磁阀打开，当达到高水位时，停止进水 2） 开始洗涤，电机正转30S，暂停2S，反转30S，暂停2S 3） 洗涤过程循环5次，总共320S后开始排水，排到低水位时，脱水（排水）30S 4） 重复从进水到脱水两次大循环，进行两次清洗 5） 清洗完成，报警5S，自动停机在手动状态下，有手动排水按钮（自动状态下不启动）、手动脱水按钮（自动状态下不启动）和停止按钮。3.3 全自动洗衣机控制系统方案的选择通过对全自动洗衣机的控制内容进行分析，能满足上述控制要求的控制方案共有三个，分别为继电器控制、单片机控制和PLC控制。3.3.1 继电器控制方案继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。由于继电器控制系统使用了大量的机械触点，连线多，触点开闭时存在机械磨损、电弧烧伤等现象，触点寿命短，所以可靠性和可维护性差。此外，机械触点还会出现抖动的问题。3.3.2 单片机控制方案单片机控制集成度高，体积小；低电压，低功耗，具有优异的性能价格比。但用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强，开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。单片机程序的编写复杂，编程周期较长且单片机的内存容量、速度、字长有限。3.3.3 PLC控制方案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，只要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。PLC系统的可靠性高，抗干扰能力强；设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。但是PLC的价格较贵。3.3.4 结论通过对继电器控制、单片机控制、PLC控制三种控制方案的优缺点进行比较，并结合洗衣机的工作原理、工作环境及具体控制内容的要求，本课题的洗衣机控制系统决定采用PLC进行控制。3.4 PLC介绍可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，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。PLC实际上是一种新型的工业控制计算机。它基本上与微型计算机相同，是以微处理器为核心的结构，由硬件结构和软件结构组成。其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。3.4.1 PLC的硬件结构可编程控制器主要是由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出单元（I/O）、电源和编程器等几部分组成，其硬件结构如图3.1所示。图3.1 PLC的硬件结构3.4.2 PLC的软件结构在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分： 1） 系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。主要有管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，供系统调用。 2） 用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的程序，用于控制被控装置的运行。3.4.3 PLC的设计步骤PLC的设计任务分为硬件设计和软件设计两部分。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改，直到满足要求4 控制系统的硬件设计4.1 全自动洗衣机控制面板的布置设计图4.1 全自动洗衣机控制面板布置图4.2 主电路的设计4.2.1 电动机的选择由于家庭提供的电源限制故选单相电容运转式异步电动机。以3.6公斤波轮式全自动洗衣机为例，确定电机功率时应以脱水时消耗的功率为依据，由于在计算时一些因素如电机转子的转动惯量等没考虑，造成一些偏差，所以3.6公斤全自动洗衣机电机额定功率选为180W，符合全自动洗衣机的功率范围120W250W。故选择XD-180A8型号电动机，功率180W，220V-1.7A，转速1300r/min。4.2.2 主电路图的设计图4.2 主电路图4.3 PLC型号的选定PLC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。综上所述，此次设计选用西门子S7-224型PLC。4.4 PLC的I/O口分配全自动洗衣机控制系统I/O端口分配情况如表4.1所示：表4.1 PLC的I/O地址分配表输入I输出O输入元件地址输出元件地址启动按钮SB1I0.0进水电磁阀YV1Q0.0停止按钮SB2I0.1排水电磁阀YV2Q0.1高水位检测开关SQ1I0.2电机正转接触器KM1Q0.2低水位检测开关SQ2I0.3电机反转接触器KM2Q0.3手动排水按钮SB3I0.4脱水离合器YCQ0.4手动脱水按钮SB4I0.5蜂鸣器控制HAQ0.54.5 PLC的定时/计数器说明表4.2 PLC的定时/计数器说明类别元件号设定值作用定时器T3730S正洗计时T382S正洗暂停计时T3930S反洗计时T402S反洗暂停计时T4130S脱水（并排水）计时T425S报警计时计数器C05正、反洗循环计数C13进水至脱水（大循环）计数4.6 PLC的外部接线图设计图4.3 PLC的外部接线图5 控制系统的软件设计5.1 控制系统的流程图设计图5.1 控制系统的流程图5.2 控制系统的顺序功能图设计图5.2 控制系统的顺序功能图5.3 控制系统的梯形图设计用STEP 7-MicroWIN编写的PLC S7-224控制系统的梯形图如图5.3所示。图5.3 控制系统的梯形图6 结束语该系统采用PLC S7-200为控制核心，实现自动控制和手动控制，硬件接线简单，软件开发周期短，具有工作可靠性高，操作方便，体积小、功耗低等特点，达到良好的经济效果。此外，PLC可以重复使用，降低了测试经费。它的灵活性、操作方便性也方便测试者随时输入、调试和修改控制程序。PLC又设有串行接口，方便地与计算机进行连接，组成测控系统，给系统的维护和使用带来了很大方便。参 考 文 献1 申小中.电热电动器具原理与维修M.人民邮电出版社，2010.22302 赵俊生.电机与电气控制及PLC（第2版）M.电子工业出版社，2012.1551983 S7-200CN可编程序控制器手册M.西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2005.44464 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用M.重庆：重庆大学出版社，2001.70735 王永华.现代电气及可编程技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2002.53576 张万忠.可编程控制器应用技术M.北京：化学工业出版社，2001.23267 李道霖.电气控制与PLC原理及应用M.北京：电子工业出版社，2004.67708 张凤珊.电气控制及可编程序控制器（第2版）M.北京：中国轻工业出版社，2003.55569 工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册（第2版）M.北京：中国电力出版社，1998.131710 王兆义.小型可编程控制器实用技术M.北京：机械工业出版社，2002.474811 袁亮.S7-200 PLC实验指导书M.绵阳：绵阳师范学院出版社，2009.2312 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