機電一體化設計 基于PLC的全自動洗衣機控制

1、摘要隨著科學技術不斷進步和社會飛速發(fā)展，洗衣機成為人民日常生活息息相關的家用電器產品。傳統(tǒng)洗衣機基于電器的控制，已經不能滿足人們對其自動化程度的要求了。洗衣機要更好地滿足人們的需求，必須借助于自動化技術的發(fā)展。自動化技術的飛速發(fā)展，使得洗衣機由最初的半自動式發(fā)展到現(xiàn)在的全自動式，并正在向智能化洗衣機方向發(fā)展。洗衣機的全自動化、多功能化、智能化是其發(fā)展方向?；谌詣酉匆聶C的應用日益廣泛，本次設計利用西門子公司生產的PLC控制全自動洗衣機，與傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制系統(tǒng)相比較，洗衣機可靠性、節(jié)能性得到了提高。PLC控制不需要大量的活動部件和電子元器件，它的接線也大大減少，與此同時系統(tǒng)維修簡單、維修時

2、間縮短。本文首先介紹了洗衣機的發(fā)展，然后重點介紹了洗衣機的設計，對程序流程圖及編程軟件進行了說明，最后對系統(tǒng)進行了仿真。PLC采樣按鈕及限位開關外部輸入信號的變化，執(zhí)行相應的程序，然后輸出控制電機正反轉及脫水處理，控制方式靈活多樣。最后就本課題所做的工作進行了總結，并對進一步的研究提出了自己的看法。本次設計的全自動洗衣機工藝要求有待改善，不可以單獨脫水及洗衣時間的設置；由于時間有限，沒做進一步的改善。基于全自動洗衣機在日常生活中廣泛運用，本設計具有廣泛的推廣價值。關鍵詞：全自動洗衣機,PLC,控制目錄1 緒論11.1 課題概述11.2 洗衣機發(fā)展概況11.3 課題研究的目的與意義21.4 本課

3、題研究的主要內容32 系統(tǒng)硬件設計42.1 系統(tǒng)的控制要求42.2 系統(tǒng)硬件設計52.3 系統(tǒng)軟件設計83 總結133.1 工作總結13致謝14參考文獻15附錄16附錄一：梯形圖程序161 緒論課題概述本次設計基于PLC的全自動洗衣機控制，采用PLC控制開發(fā)的周期短，開發(fā)成本低，可靠性高，可以直接用于現(xiàn)場控制。本設計以操作簡單、使用可靠、維護修理方便作為主要設計方向。通常，人們采用洗衣機來洗衣服需要經歷洗衣、清洗、排水、脫水等4個環(huán)節(jié)，而在全自動洗衣機中，這樣的一個過程完全由PLC來完成。全自動洗衣機需要其控制系統(tǒng)足夠可靠，以避免洗衣機出現(xiàn)故障。全自動洗衣機的簡單工作過程如圖 所示，其中洗衣的

4、方式、洗衣中的水位選擇等倆個方面需要將衣服放入洗衣機之后手動來選擇，并且是必須選擇的洗衣參數(shù)。當選擇了洗衣參數(shù)后，按下啟動按鈕，洗衣機就會自動完成整個過程。圖1.1 全自動洗衣機的簡單工作過程洗衣機發(fā)展概況世界上第一臺洗衣機于1858年誕生，但這臺洗衣機使用費力，且損傷衣服，因而沒被廣泛使用，但這卻標志了用機器洗衣的開端。1874年,“手洗時代”受到了前所未有的挑戰(zhàn)，美國人發(fā)明了木制手搖洗衣機。1880年，美國發(fā)明了蒸氣洗衣機，蒸氣動力開始取代人力。蒸汽洗衣機之后，水力洗衣機、內燃機洗衣機也相繼出現(xiàn)。1910年，美國試制成功世界上第一臺電動洗衣機，電動洗衣機的問世，標志著人類家務勞動自動化的開

5、端。1922年，美國改造了洗衣機的洗滌結構，把拖動式改為攪拌式，使洗衣機的結構固定下來，這也就是第一臺攪拌式洗衣機的誕生。1932年，美國研制成功第一臺前裝式滾筒洗衣機。1955年，在引進英國噴流式洗衣機的基礎之上，日本研制出獨具風格、并流行至今的波輪式洗衣機。全自動洗衣機從結構上分有波輪式,攪拌式,滾筒式。目前,國內市場上銷售的大都是波輪式和滾筒式，供應最多的是波輪式洗衣機。波輪式洗衣機的特點是洗凈率高,但對衣服的磨損很大,隨著人們生活水平不斷地提高，絲綢,毛料,羊毛等大量走進普通家庭,廠商又適時地推出了滾筒洗衣機,它最大的優(yōu)點是磨損率小,但洗凈率比波輪式低,價格高。洗衣機產品可以分三類：普

6、通型、半自動型和全自動型。普通型和半自動型洗衣機，都需要人為參與操作，才能完成洗衣、甩干、排水全過程；而全自動洗衣機在整個洗滌、甩干、排水過程中，無需人為操作和監(jiān)控。國內外洗衣機品牌有海爾、小天鵝、榮事達、松下、惠而浦水仙、LG熊貓、西門子、日立好用。1.3 課題研究的目的與意義本課題主要著重于全自動洗衣機的控制，要求洗衣機能實現(xiàn)進水、洗滌、排水、脫水、報警，所采用的控制方法操作簡單、穩(wěn)定可靠、維護與維修方便?？刂品椒ù_定后投入生產要縮短控制系統(tǒng)的設計的時間、調試周期，且要降低成本。傳統(tǒng)的洗衣機采用繼電器控制的優(yōu)點是裝置結構簡單、價格便宜、抗干擾能力強。但是，這也是隨之帶來的一些問題，如絕大多

7、數(shù)控制繼電器都是長期磨損和疲勞工作條件下進行的，容易損壞，而且繼電器的觸點容易產生電弧，甚至會熔在一起產生誤操作，引起嚴重的后果。在全負荷運載的情況下，大的繼電器將產生大量的熱及噪聲，同時也消耗了大量的電能。并且繼電器控制系統(tǒng)必須是手工接線、安裝，如果有簡單的改動，也需要花費大量時間及人力和物力去改制、安裝和調試。這種電路接線多，只適用于小型的控制電路。采用PLC控制比繼電器控制好的多，我們采用PLC來控制。 （1） 可靠性高，抗干擾能力強，高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。（2）

8、配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。（3） 易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。（4） 系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造，PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。（5） 體積小，重量輕，能耗低，由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。1.4 本課題研究的主要內容本

9、課題需研制出可靠性高、易于操作的全自動洗衣機控制方法，該系統(tǒng)采用PLC控制，主要包括電動機正反轉控制、離合器控制、進排水電磁閥控制、循環(huán)控制、保護和聯(lián)鎖。研究的具體內容包括：（1） 深入了解洗衣機的發(fā)展、結構及控制要求。（2） 控制系統(tǒng)設計。包括硬件設計，PLC的選擇，各硬件模塊的介紹，軟件設計，編程方法。（3） 對編寫好的編譯程序進行模擬調試并仿真。2 系統(tǒng)硬件設計2.1 系統(tǒng)的控制要求全自動洗衣機系統(tǒng)中，PLC主要完成一下功能。1. 檢測功能（1） 檢測洗衣機的方式；標準或者是柔和的選擇。（2） 檢測洗衣時的水位；高水位或者是低水位的選擇。（3） 檢測進水是否到了需要的水位，即進水是否完成

10、。（4） 檢測排水是否已經完成。2. 控制功能 （1）控制進水、洗衣、排水、清洗、脫水等洗衣機的動作。 （2）控制洗衣、清洗、脫水等的時間長短。 （3）控制洗衣、清洗等的效果。 （4）控制在洗衣機完成一個動作和到下一個動作的準確轉換。 （5）控制完成洗衣機洗衣時的信號提示。 自動洗衣機的設計除了滿足上述功能以外，還需要考慮到外觀設計、造型等方面。尤其是在洗衣機的手動控制操作面板上，依序符合人機界面的基本要求。 設計全自動洗衣機的操作面板如圖所示。其中進水、正轉、反轉、排水、脫水為信號燈指示單簽洗衣機的工作狀態(tài)；蜂鳴器為聲音指示，指示洗衣機在工作中的某些狀態(tài)的轉換；啟動、停止、高水位、低水位、標

11、準、柔和等為手動控制按鈕，用來手動輸入一些控制信號。圖2.1 全自動洗衣機操作面板在實際生活中，操作面板一般位于洗衣機的上表面，需要在設計的時候加入更多的個性化平面設計元素，并且操作面板往往與恐怕給你賺錢不放置在一起，這就需要考慮線路布線的問題。2.2系統(tǒng)硬件設計根據上節(jié)中隊全自動洗衣機的功能分析，可以設計出圖所示的全自動洗衣機硬件系統(tǒng)框圖。圖2.2 全自動洗衣機的硬件系統(tǒng)框圖選擇西門子S7-200系列PLC作為此全自動洗衣機的控制主機。本控制系統(tǒng)中共有8哥數(shù)字量輸入和6個數(shù)字量輸出，共需14個I/O點數(shù)及程序容量，選擇了CPU222作為本系統(tǒng)的主機。名稱地址信號說明輸入信號啟動按鈕啟動洗衣機

12、停止按鈕停止洗衣機高水位按鈕高水位選擇低水位按鈕低水位選擇標準模式按鈕標準模式選擇柔和模式按鈕柔和模式選擇高水位探測器高水位檢測低水位探測器低水位檢測輸出信號進水電磁閥進水控制電動機正轉接觸器電動機正轉控制電動機反轉接觸器電動機反轉控制排水離合器排水控制脫水電磁離合器脫水控制蜂鳴器聲音提示表2.1 全自動洗衣機控制系統(tǒng)中PLC主機的I/O資源分配根據PLC主機的I/O資源分配以及PLC主機的硬件框圖，則PLC主機的硬件接線圖如圖所示。圖2.3 全自動洗衣機PLC控制部分硬件接線圖1. 輸入口（1） 啟動按鈕連至PLC主機的輸入口I0.0，停止按鈕連至主機的輸入口I0.1.（2） 高水位按鈕連至

13、PLC主機的輸入口I0.2，低水位按鈕連至主機的輸入口I0.3.（3）（4）2. 輸出口（1） PLC主機輸出口Q0.0控制進水電磁閥。（2）PLC主機輸出口Q0.1控制電動機正轉接觸器。（3）PLC主機輸出口Q0.2控制電動機反轉接觸器。（4）PLC主機輸出口Q0.3控制排水離合器。（5）PLC主機輸出口Q0.4控制脫水電磁離合器。（6）PLC主機輸出口Q0.5控制蜂鳴器。2.3 系統(tǒng)軟件設計全自動洗衣機控制系統(tǒng)的詳細工作過程如下。（1） 按下啟動按鈕，洗衣機電源導通，準備進入洗衣狀態(tài)。（2） 用戶設置水位高低，以及洗衣模式（標準模式或者柔和模式）。（3） 洗衣機打開進水電磁閥，開始從外界輸

14、入水。（4） 水位探測器檢測到水已經到位，開始洗衣。（5） 電動機正轉與反轉按照設計的洗衣模式切換時間長度進行輪流工作。（6） 洗衣一直進行10min。（7） 洗衣機打開排水離合器開始排水，并且持續(xù)3min。（8） 洗衣機關閉排水離合器。（9） 重復（3）（8）步驟一次。（10） 洗衣機打開進水電磁閥，開始進水。（11） 水位探測器檢測到睡已經到位，開始清洗衣服。（12） 電動機正轉與反轉按照設定的洗衣模式的切換時間長度進行輪流工作。（13） 洗衣一直進行5min。（14） 洗衣機打開排水離合器開始排水，并且持續(xù)3min。（15） 洗衣機關閉排水離合器。（16） 重復（10）（15）步驟一次。

15、（17） 洗衣機控制脫水電磁離合器，進行脫水，同時打開排水離合器，使得脫水過程可以及時排除洗衣機機桶內的臟水。（18） 持續(xù)脫水2min。（19） 完成洗衣。根據上述對全自動洗衣機工作過程的描述，可以設計全自動洗衣機控制系統(tǒng)的PLC部分的主流程圖，如圖所示。圖2.4 全自動洗衣機主程序流程圖洗衣子程序的流程圖如圖所示。圖2.5 洗衣子程序流程圖洗衣機子程序工作過程如下。2. 啟動洗衣機子程序。3. 打開電磁閥進水，同時檢測水位。4. 如果水位到達位置，選擇洗衣模式，標準或者柔和。5. 洗衣10min。6. 排水3min。7. 排水時間到，洗衣子程序結束。清洗過程子程序如圖所示圖2.6 清洗子程

16、序流程圖圖所示的工作過程如下。3. 啟動清洗子程序。4. 打開電磁閥進水，并檢測水是否在指定水位。5. 選擇清洗模式，標準或者柔和。6. 開始清洗衣服，定時5min。7. 定時時間到，開始排水。8. 定時3min。9. 排水結束，清洗子程序結束。在洗衣子程序和清洗子程序中洗衣服的模式有標準模式和柔和模式之分。標準模式洗衣服的流程圖及柔和模式洗衣服的流程圖如圖所示，過程如下。（20） 標準模式；電動機先正轉5s，停止1s，電動機再反轉5s。（21） 標準模式；電動機先正轉3s，停止1s，電動機再反轉3s。全自動洗衣機控制系統(tǒng)的西門子S7-200系列PLC CPU222的梯形圖見附錄3 總結3.1

17、 工作總結在本課題的研究設計中，認真研究最新的控制方法。經過認真選擇和反復設計，確定了西門子PLC對全自動洗衣機進行控制，重點對軟硬件進行了設計和討論。本文主要進行了以下研究工作。 綜述了全自動洗衣機的發(fā)展過程及控制技術的最新進展。 對全自動洗衣機的工作原理、要求進行了說明。 對PLC控制技術進行了深入研究，并進行了設計。 本次畢業(yè)設計使我深有感觸，只要付出就有回報，遇到問題多與老師同學交流，利用網絡資源學習。通過這次畢業(yè)設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己的知識和綜合素質?？傊?，萬事開頭難，知識必須通過應用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會

18、了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。致謝本文是在高原老師的悉心指導下完成的。他淵博的學識、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L、敏銳的科學探索眼光、良好的科學素養(yǎng)以及對學生在學習上無微不至的關懷，使我深受教育和感動，并將使我受益終身。在此，特別向高老師致以最誠摯的謝意！感謝在論文撰寫過程中給與我無私幫助的同學，是他們一直支持和幫助著我，最后的成功也有他們巨大的心血。感謝東北大學秦皇島分校對我的培養(yǎng)，母校四年教授于我的不僅僅是專業(yè)技能，更是幫我樹立了樂觀、積極、奮進的人生觀和價值觀，這些都將是我畢生的財富。特別感謝我的父母和家人在物質和精神上給予我的全力支持和無私關懷！是他們給我前進的力量，為我分擔失敗的痛苦，是他們給我智慧、勇氣、信念去面對人生、面對生活，感謝他們?yōu)槲易龅囊磺校∽詈?，向所有關心、理解、支持和幫助過我的同學、師長、親人和朋友致以誠摯的謝