基于PLC的全自动洗衣机控制系统修改版

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题目：基于PLC的全自动洗衣机控制系统

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摘要

随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，家庭电器全自动化成为必然的发展趋势。洗衣机的全自动化、多功能化、智能化是其发展方向。全自动洗衣机的产生极大的方便了人们的生活。实现全自动洗衣机控制系统总体控制有多种，可以采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路。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。全自动洗衣机控制系统利用了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。由于每遍的洗涤,排水,脱水的时间由PLC内计数器控制,所以只要改变计数器参数就可以改变时间。

关键词：PLC；自动；定时；控制

目录

第一章概述 (1)

1.1PLC介绍 (1)

1.2PLC的基本结构 (1)

1.3PLC的特点 (4)

1.4控制系统框图 (4)

1.5全自动洗衣机的原理和构造 (5)

1.6控制系统原理 (8)

第二章硬件电路设计 (9)

2.1I/O点数统计 (9)

2.2I/O储存器容量的估算 (9)

2.3CPU功能与结构的选择 (10)

2.4PLC外部接线图 (11)

第三章软件的设计 (12)

4.1输入地址分配表 (12)

4.2输出地址分配表 (13)

4.3内部元件地址分配表 (13)

4.4PLC控制顺序功能图 (15)

4.5系统梯形图 (16)

4.6系统指令语句表 (18)

第五章程序运行过程分析 (20)

5.1洗衣机进水 (20)

5.2正反转洗衣 (20)

5.3大循环洗衣 (20)

5.4强制停止 (21)

设计心得 (21)

参考文献 (23)

第一章 概述

1.1 PLC 介绍

可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC ，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC 。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC 。

1.2 PLC 的基本结构

中央处理单元（CPU ）编程器

输出电路

输入

电路系统程序存

储器系统程序存

储器

电源

图1 PLC 的基本结构

如图1，PLC 的基本结构有电源、中央处理单元、存储器、输

入输出接口电路、功能模块、通信模块。 a 、电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

b、中央处理单元(CPU)

如图2，中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

图2 PLC的CPU基本结构

c、存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

d、输入输出接口电路

(1)现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

(2)现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

e、功能模块

如计数、定位等功能模块。

f、通信模块

如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。

1.3 PLC的特点

1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。

2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。

3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。

1.4 控制系统框图

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。此次全自动洗衣机控制系统设计利用了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。根据以上要求PLC的控制系统框图如下图3。

图3控制系统框图

1.5全自动洗衣机的原理和构造

全自动洗衣机在结构上大致可分为3中类型，即波轮式，滚筒式和搅拌式。我国的洗衣机在结构上主要有波轮式和滚筒式两类，产品的类型以波轮式为主，其他类型为辅。首先做一下比较：滚筒式洗衣机具有如下性能：

1）更好的软化衣物纤维，减小洗涤过程中衣物的损伤和变形，并且还可以使洗后的衣物柔软而蓬松。

2）提高温度来洗涤可充分溶解洗衣粉，加快洗衣粉中弱酸性物质与污物的化学反应速度，提高洗衣粉中酶的活性，同时有利于溶解汗渍，血渍，降低灰尘，油污的粘附作用，从而可在同样的洗净比下大幅度降低洗涤过程对机械力的需求。

3）温度高有利于污物在水中的扩散。

4）高温能有效的杀死一些细菌。

没有加温的洗涤的波轮式洗衣机无论怎样的水流，要达到一定的洗净比，都必须有足够的机械力，而机械力对衣物是由损伤的，这就决定了波轮式洗衣机的磨损率大大高于滚筒式洗衣机。

各种新水流基本原理是一样的，就是尽量以紊乱的水流减小衣物的缠绕，增大水流的冲刷力以用于洗涤，与以前依靠衣物与桶壁和衣物相互之间的摩擦方式相比，水流冲刷对衣物的损伤较小。

滚筒式洗衣机有如下特点：

1）磨损低，没有缠绕，机械传动部分简单可靠，寿命长于波轮式洗衣机。

2）自动化程度高，可以自动投放洗衣粉，漂白粉等，为不同质地的棉制品，化纤制品，羊毛制品设计了不同的洗涤程序和洗涤温度，使洗涤更为科学。设有防皱浸泡功能，可将洗好的衣物浸泡在清水里，到晾晒前再甩干，避免衣物甩干后不能及时取出晾晒而起皱。

1）省水，省洗衣粉。滚筒式洗衣机不需要水位高过衣物，从而可节约用水，并可减少洗衣粉的投放量。

2）高温洗涤有一定的灭菌作用。

3）洗涤过程噪声小，滚筒式洗衣机属封闭式洗涤，可以有效屏蔽内桶转动声和水流声；而波轮式洗涤的水流声，脱水内桶转动声是不可避免的且刹车装置和电磁阀动作声音也很大。

由于滚筒式洗衣机的价格大大高于波轮式洗衣机，所以波轮式洗衣机仍然受到普遍欢迎。波轮式洗衣机的特点：

1）水流方面。现在波轮式全自动洗衣机出现了一种新水流的形式。如LG的拳击棒，松下的双瀑布，荣事达的网络水流等都采用了这种水流。

2）程序控制器。新推出的波轮式全自动洗衣机均采用单片机程序控制器，原来的机械式程序控制器基本上已被淘汰。各厂家生产的各种型号的波轮式全自动洗衣机的控制程序有所不同。如在模糊控制的洗衣机中，单片机通过采集水位传感器，布量传感器，光传感器的信号以及电动机的转速，判断出衣物的质地，多少，赃物程度，从而自动调整对衣物进行合理的洗涤。

3）不锈钢内桶。波轮式洗衣机采用了不锈钢内桶，减小衣物和内桶壁摩擦力，从而减轻衣物的磨损。

4）同心洗。同心洗是直接把电动机轴与洗衣桶主轴同心安装，直接驱动。使洗涤和脱水时洗衣桶振动减小，噪声降低。

5）变频波轮式洗衣机可以对不同质地的衣物自动选择不同的电动机转速，从而给不同质地的衣物以恰当的洗涤强度，在保证洗得干净的同时，也最大限度地降低衣物的磨损。同时还可以在脱水甩干时，由慢到快地启动，使衣物在桶内分布均匀，脱水效果好，同时由于衣物均匀分布在洗衣桶的四周，洗衣桶的重心落在轴心上，可以减小振动，降低噪声，但是价格较贵。

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，虽然它们各自牌号和型号都不同，但其结构都是由洗涤，脱水系统，进，排水系统，电动机和传动系统，电器控制

系统以及支撑机构5大部分组成的。支撑机构主要有箱体，吊杆及控制台组成，它除了安装和连接洗衣机的各种零件外，还具有减振及防护，装饰的作用。

如图4所示为洗衣机示意图

图4

1.6控制系统原理

自动洗衣机的进水，洗衣，排水，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。

第二章硬件电路设计

2.1 I/O点数统计

I/O点数是PLC的一项重要指标。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上20%—30%的备用量。该全自动洗衣机I/O点数设置如表1。

2.2 I/O储存器容量的估算

PLC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 CPU功能与结构的选择

PLC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。

2.4 PLC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，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。

图5 PLC外部接线图

图6洗衣机示意图

第三章软件的设计4.1 输入地址分配表

列出全自动洗衣机的输入分配表，见表2。

4.2 输出地址分配表

列出全自动洗衣机的输出分配表，见表3。

4.3 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。

系统流程图

PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。按下启动按扭，选择水位后开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水；根据衣料质地及多少选择洗涤模式，开始洗涤；洗涤时，正转30秒后暂停，暂停2秒后开始反转洗涤，反转洗涤30秒后暂停，暂停2秒。如此循环5次后，开始排水，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水30秒后开始漂洗，重复以上过程，清洗两遍，清洗完成，报警3秒并自动停机。

图7 全自动洗衣机洗衣过程的流程图

4.4 PLC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8。

图8 PLC控制状态流程图

4.5 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。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9到图11。

图9系统梯形图a

图10 系统体形图b