基于PLC的投币式洗衣机控制系统设计全.doc

目 录
1 绪论 1
1.1 课题来源 1
1.2 全自动洗衣机研究现状 1
1.3 课题研究目 2
1.4 论文主要内容 2
2 PLC概述 3
2.1 PLC产生和发展 3
2.2 PLC基本结构 3
2.3 PLC用途及特点 5
2.4 PLC工作过程 5
2.5 PLC设计内容及原则 6
3 基于PLC投币式洗衣机控制系统设计 7
3.1 工艺介绍及控制要求 7
3.1.1投币洗衣机构成 7
3.1.2 控制要求 8
3.2 控制分析 8
3.2.1 控制系统I/O点及地址分配 8
3.2.2 PLC系统选型 9
3.3 硬件接线图 10
3.3.1 主接线图 10
3.3.2 PLCI/O接线图 10
3.4 PLC程序流程图 11
3.5 PLC程序梯形图 12
4 设计小结 16
参考文献 17
致 谢 19

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1 绪论
1.1 课题来源
从古到今，洗衣服都是一项难于逃避家务劳动，在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它就是手搓、棒击、冲刷、甩打等等这些不断重复简单体力劳动，留给人感受常常是：辛苦劳累。洗衣机问世后大大减轻了人们负担，节省了宝贵时间和精力。当然随着时代发展洗衣机也在不断改进和发展：从木制手摇洗衣机到蒸汽洗衣机再到电动洗衣机，由手工洗衣到半自动洗衣再到今天全自动化洗衣。而今方便、快捷、自助式洗衣服务已来到我们身边，受到越来越多广大消费者认可和推崇。
自助式投币洗衣机，可广泛用于学校、工厂、宾馆、社区、外来人聚集地等公共场所，具有庞大市场和旺盛需求。现在市场上投币式洗衣机较多采用单片机控制，其指令系统复杂，编程难度大，而且在设计控制系统硬件时，要有多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等，这样不仅增加了系统硬件复杂性，而且隐含较高故障率，还无形增加了维修成本。而可编程序控制器（programmable logical controller ,PLC）是以微处理器为基础，把计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，面向控制过程、面向用户，适合工业环境、操作方便、可靠性高新一代通用工业自动装置。它具有编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等优点。因此，采用PLC研究这个课题显得很有意义。作为我毕业设计，我想通过学习研究基本弄清投币式洗衣机工作原理及过程实现。由于本人知识有限，把全文重点放在了PLC应用于投币式洗衣机控制系统设计方面。
1.2 全自动洗衣机研究现状
全自动洗衣机是集洗涤，漂洗，脱水于一体，并且能自动完成洗衣全过程洗衣机.它有多种洗涤程序可供您自由选择，工作时间可任意调节，更先进洗衣机还采用了模糊技术，即洗衣机能对传感器提供信息进行逻辑推理，自动判别衣服质地、重量、脏污程度，从而自动选择最佳洗涤时间、进水量、漂洗次数、脱水时间，达到了整个洗涤时间自动化，使用方便，节能节水。
全自动洗衣机从结构上主要有波轮式、搅拌式、滚筒式三种。
它们特点如下：
a.波轮式洗衣机
洗衣特点：省时省力。
缺点：耗电、耗水、衣物易缠绕、清洁性不佳，
b.滚筒式洗衣机
洗衣特点：衣物无缠绕，最不会损耗衣物方式。
缺点：特别耗时，洁净力不强.，适合洗涤羊毛、羊绒以及丝绸、纯毛类织物。
c.搅拌式洗衣机
洗衣特点：衣物洁净力最强，省洗衣粉 。
缺点：喜欢缠绕，相比前两种方式损坏性加大，噪音最大 。
国内一般选用波轮式，搅拌式少见,滚筒式比波轮式昂贵。
为了满足公共场合自助洗衣需要，全自动洗衣机又有投币式、感应式、IC卡式等；从控制系统分，有集成电路控制、单片机控制和PLC控制、模糊控制等。单片机以其控制功能强、环境适应性好、开发方便、体积小、价格适中等优点在家用电器上得到日益广泛应用。但是它也有不少缺点：指令系统复杂，编程难度大且控制系统硬件要求多种电路保护装置；而基于PLC控制全自动洗衣机具有编程简单、实现功能齐全、外围电路简单、时间计算精确以及可维护方便等一系列优点。只是它价格比单片机昂贵多，比较适合温度过高、震动和冲击过强等工业环境，在家用电器控制中应用并不广泛。目前市场上全自动洗衣机也多采用单片机控制，本文选用PLC来控制是从探究、学习角度出发，对PLC在工业洗衣机中应用也具有重要参考价值。
1.3 课题研究目
对于本次设计，其目在于：
（1）掌握S7-200 PLC原理、性能、使用特点和方法，提高运用PLC梯形图对系统进行编程能力。
（2）本课题研究可以使本人更好地掌握基于PLC控制系统分析及设计方法，培养创新意识和理论联系实际学风，提高自动化家电产品研发素质，增强针对实际应用进行控制系统设计能力。
1.4 论文主要内容
（1）概要阐述课题来源、研究现状及研究意义；
（2）简要论述PLC产生和发展，介绍PLC工作原理及控制系统设计方法、原则；
（3）对基于PLC投币式洗衣机控制系统进行设计，主要包括控制要求、PLC选型、硬件接线、控制程序设计（流程图和程序框图）。

2 PLC概述
2.1 PLC产生和发展
1969年美国数字设备公司（DEC），研制出了世界上第一台可编程控制（Programmable Logic Controller, 简称PLC），在美国通用汽车公司生产线上试用成功，并取得了满意效果，可编程控制器由此诞生。
早期可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，只具有逻辑运算功能。20世纪70年代中期，微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件，是其具有自我诊断功能，可靠性、性价比有很大突破。到20世纪80年代，可编程控制器采用微处理器（CPU）、只读存储器、随机存储器或是单片机作为其核心，处理速度大大提高，功能更强体积又小。90年代末，PLC几乎完全计算机化，各种智能模块不断开发出来，使其不断扩展着它在各类工业控制过程中作用。
PLC一直在飞速发展中，因此一直没有比较明确定义。1987年，国际电工委员会（IEC）对PLC做出定义如下：“可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式输入和输出，控制各种机械和生产过程。而有关外围设备，都应按照易于及工业系统联成一体，易于扩充其功能原则设计。”定义强调了PLC直接应用于工业环境；是“数字运算操作电子系统”，即计算机；是用软件方式来实现“可编程”。
2.2 PLC基本结构
　 PLC实质上是一种工业控制用专用计算机。从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。这里介绍一般PLC结构：
1. 通用型PLC硬件结构
通用型PLC硬件基本结构主要由中央处理单元CPU、存储器、输入/输出（I/O）模块及电源组成。
（1）中央处理单元CPU
PLCCPU及通用微机CPU一样，是PLC核心部分，它按PLC中系统程序赋予功能，接收并存储从编程器键入用户程序和数据；用扫描方式查询现场输入装置各种信号状态或数据，并存入输入过程状态寄存器或数据寄存器中；诊断电源及PLC内部电路工作状态和编程过程中语法错误等；在PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定任务产生相应控制信号，去启闭有关控制电路；分时、分渠道地去执行数据存取、传送、组合、比较和变换等动作，完成用户程序中规定逻辑运算或算术运算等任务；根据运算结果，更新有关标志位状态和输出状态寄存器内容，再由输出状态寄存器位状态或数据寄存器有关内容实现输出控制、制表打印、数据通信等功能。以上这些都是在CPU控制下完成。PLC常用CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。
（2）存储器
存储器（简称内存），用来存储数据或程序。它包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。
PLC配有系统程序存储器和用户程序存储器，分别用以存储系统程序和用户程序。系统程序存储器用来存储监控程序、模块化应用功能子程序和各种系统参数等，一般使用ROM；用户程序存储器用作存放用户编制梯形图等程序，一般使用RAM，若程序不经常修改，也可写入到EPROM中；存储器容量以字节为单位。系统程序存储器内容不能由用户直接存取。因此一般在产品样本中所列存储器型号和容量，均是指用户程序存储器。
（3）输入/输出（I/O）模块
I/O模块是CPU及现场I/O设备或其他外部设备之间连接部件。PLC提供了各种操作电平和输出驱动能力I/O模块供用户选用。I/O模块要求具有抗干扰性能，并及外界绝缘。因此，多数都采用光电隔离回路、消抖动回路、多级滤波等措施。I/O模块可以制成各种标准模块，根据输入、输出点数来增减和组合。I/O模块还配有各种发光二极管来指示各种运行状态。
（4）电源
PLC配有开关式稳压电源电源模块，用来对PLC内部电路供电。
（5）编程器
编程器分简易型和智能型两种。简易型编程器只能在线编程，它通过一个专用接口及PLC连接。智能型编程器即可在线编程又可离线编程，还以远离PLC插到现场控制站相应接口进行编程。智能型编程器有许多不同应用程序软件包，功能齐全，适应编程语言和方法也较多。
2. PLC软件系统
PLC软件系统是指PLC所使用各种程序集合。它包括系统程序和用户程序。
（1）系统程序
系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序等。监控程序又称为管理程序，主要用于管理全机。编译程序用来把程序语言翻译成机器语言。诊断程序用来诊断机器故障。系统程序由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接存取，故也不需要用户干预。
（2）用户程序
用户程序是用户根据现场控制需要，用PLC程序语言编制应用程序，用以实现各种控制要求。PLC编程语言有梯形图、指令表和顺序功能流程图三种。
2.3 PLC用途及特点
PLC可实现顺序控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理及通信和联网等功能。其中顺序控制是PLC最广泛应用领域，主要用来取代传统继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多集群控制、生产自动线控制，例如注塑机、订书机械、组合机床、装配生产线及电梯控制等。
PLC特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
（2）适应性强，应用灵活
（3）编程方便，易于使用
（4）功能强，扩展能力强
（5）PLC系统设计、安装、调试方便
（6）维修方便，维修工作量小
（7）PLC体积小，重量轻，易于实现机电一体化
基于以上特点，使PLC应用范围极为广泛，可以说只要有工厂，有控制要求，就会有PLC应用。
2.4 PLC工作过程
PLC是按照上电处理、扫描过程、出错处理这个顺序来运行。当PLC处于正常运行时，它将不断重复图扫描过程，不断循环地工作下去。如果对远程I/O特殊模块和其他通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷行”三个阶段了。如下图2-1所示：

图2-1 PLC扫描工作过程
（1）输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在程序执行阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器及外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一扫描周期输入采样阶段，才重新写入输入端新内容。所以一般来说，输入信号宽度要大于一个扫描周期，否则很可能造成信号丢失。
（2）程序执行阶段
根据PLC梯形图程序扫描原则，一般来说，PLC按先左后右、先上后下步序逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）当前状态。然后，进行相应运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）状态会随着程序执行过程而变化。
（3）输出刷新阶段
在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，最后经过输出端子驱动外部负载。
2.5 PLC设计内容及原则
1.PLC控制系统设计基本内容：
 （1）选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)以及由输出设备驱动控制对象(电动机、电磁阀等)。这些设备属于一般电器元件，其选择方法在其他有关书籍中已有介绍。
 （2）PLC选择。PLC是PLC控制系统核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统技术经济性能指标起着重要作用。选择PLC，应包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等。
 （3）分配I/O点，绘制I/O连接图。
 （4）设计控制程序。包括设计梯形图、语句表(即程序清单)或控制系统流程图。控制程序是控制整个系统工作条件，是保证系统工作正常、安全、可靠关键。控制系统设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。
 （5）必要时还需设计控制台(柜)。
 （6）编制控制系统技术文件。包括说明书、电器固件及电器元件明细表等。
2.在设计PLC控制系统时．应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足被控对象控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并及机械部分设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电器控制方案，协同解决设计中出现各种问题。
（2）在满足控制要求前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。
（3）保证控制系统安全、可靠。
（4）考虑到生产发展和工艺改进，在选择容量时，应适当留有裕量。
3 基于PLC投币式洗衣机控制系统设计
3.1 工艺介绍及控制要求
3.1.1投币洗衣机构成
以波轮式洗衣机为例：
 波轮式全自动洗衣机主要由机械系统、控制系统、给排水系统和支撑吊杆系统等组成，以一个电动机完成洗涤和脱水。波轮式投币洗衣机洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放。外桶固定，作盛水用。内桶可以旋转，作脱水（甩水）用。内桶四周有很多小孔，使内外桶水流相通。外桶下部壁上装有储气管，及水位传感器连接，控制水位高低。桶壁上部开有溢水孔，用于排出溢水和漂洗时洗涤液泡迅速排出。洗衣机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，通过电控系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶甩干。投币器挂在洗衣机体侧面也可以挂在墙壁上，体积小，美观大方。通过对投币总值进行判别就可以启动不同洗涤程序（一元单脱水、两元快洗、三元标准洗）。投币器只识别一圆人民币硬币，其它游戏币或代用币无效，投入无效币会自动从退币口退出，还具备防吊币、 防钩功能。
3.1.2 控制要求
投币式洗衣机控制要求描述如下：
（1）通电状态，放入待洗衣服和洗衣粉并盖上洗衣盖子，洗涤过程不能打开，否则停机。
（2）根据洗涤衣物种类选择相关洗涤方式，通过投币器投入所需要1元硬币（限用1元币）。
（3）当投币总值1元时，进行单独脱水工作方式且其指示灯亮；当投币总值2元时，进行快洗工作方式且其指示灯亮；当投币总值3元时，进行标准洗工作方式且其指示灯亮。（快洗如轻薄衣物5-7件，标准洗如轻薄衣物7-10件或厚重衣物4-6件）
（4）洗涤时，电机正转3s,停1s，然后反转3s,停1s，如此算作1次，则快洗循环40次，标准洗循环80次，排空后高速脱水30s。
（5）开始漂洗，重复正反转过程，漂洗两遍。完成后蜂鸣器报警5s，提示洗涤结束。
（6）当打开机盖取出衣服，复位进入下一轮洗衣准备。
3.2 控制分析
3.2.1 控制系统I/O点及地址分配
根据课题动作要求，列出控制系统输入/输出信号名称、代码及地址编号如表3-1、表3-2所示:
表3-1 输入信号代码及编号
名称
代码
地址编号
盖子合上压力开关
KP
I0.0
1元投币接近开关
SQ1
I0.1
零水位传感器
SQ2
I0.2
高水位传感器
SQ3
I0.3

表3-2 输出信号代码及编号
名称
代码
地址编号
单脱水指示灯
HL0
Q0.0
快洗指示灯
HL1
Q0.1
标准洗指示灯
HL2
Q0.2
进水电磁阀
YV1
Q0.3
排水电磁阀
YV2
Q0.4
电机正转接触器
KM1
Q0.5
电机反转接触器
KM2
Q0.6
脱水电磁离合器
YC
Q1.0
报警蜂鸣器
HA
Q1.1
3.2.2 PLC系统选型
根据控制要求，系统输入量有：检测机盖合上接近开关KP，1元投币光电开关SQ1，零、高水位检测传感器SQ2、SQ3（传感器遇水就通：ON；离水就断：OFF）。系统输出有：单脱水、快洗、标准洗工作方式指示灯HL0~HL2，蜂鸣器驱动HA，进、排水电磁阀YV1、YV2，电机正、反转接触器KM1、KM2及高速脱水电磁离合器YC。共需实际输入点数4个，输出点数9个。考虑到I/O点数、功能、价格等综合因素系统选用西门子公司CPU 224，它有14个输入点、10个输出点已经可以满足本系统需要。CPU 224一些简单技术参数介绍如下：
CPU电源： 120/240V AC
输入电压：20.4～ 28.8 V DC /85～264V AC（47～63Hz）
输出电压：5～ 30 V DC /5～250V AC
本机数字输入/输出：14输入/10输出
24V DC传感器电源容量：280 mA
用户程序空间：4096字
用户数据：2560字（永久存储）
数字I/O映像区：256（128入/128出）
脉冲输出：2个20KHz（仅限于DC输出）
计数器：C0-C255
接通/断开延时定时器（100ms）：T37～T63
位存储器：M0.0～M31.7
可连接最大扩展模块数量：7个
编程软件：Step7-Micro/WIN
3.3 硬件接线图
3.3.1 主接线图
系统主接线图如下图3-1所示(单相异步交流电机，1、2为主绕组，3、4为副绕组)：

图3-1 全自动洗衣机主电路接线图

3.3.2 PLCI/O接线图
这里采用是西门子S7-200系列CPU 224 AC/DC/RELAY接线方式，如下图3-2所示：

图3-2 PLC I/O连接图
3.4 PLC程序流程图

图3-3 PLC程序流程框图
3.5 PLC程序梯形图
PLC程序梯形图如下：

程序解释：
第1,2逻辑行：接通电源或上次洗衣完成使内部寄存器M0.0闭合一个扫描周期，对投币计数存储器MB1复位。
第3—5逻辑行：当顾客投入1元硬币后，接近开关I0.1产生累加脉冲，MB1增1，并对投币间隔进行定时。
第6逻辑行：当投币间隔超过9s，视为投币结束，对投币值进行判断。若为1元，单脱水工作方式指示灯Q0.0接通；若为2元，快洗工作方式指示灯Q0.1接通；若为3元，标准洗工作方式指示灯Q0.2接通。
第7逻辑行：若为快洗Q0.1或标准Q0.2且漂洗次数未达到（C12常闭触点接通）则进水阀Q0.3接通，开始进水，达设定水位停止。
第8--14逻辑行：电机正转3s停1s；再反转3s停1s。进行洗涤循环操作，并分别在第12、13逻辑行进行快洗40次、标准洗80次计数，达设定次数完成洗涤M0.3接通。
第15--16逻辑行：当完成洗涤M0.3或单脱水Q0.0接通开始排水，排水电磁阀Q0.4接通排水。当零水位检测开关失电（水已排空）且Q0.4接通，开始脱水，脱水离合器Q1.0接通30s，进行脱水。
第17逻辑行：当脱水时间到T41常开触点闭合，且非单脱水方式Q0.0常闭触点断开，开始漂洗2遍（重复执行6—17逻辑行）。
第18逻辑行：当漂洗次数到达C12常开触点闭合或单脱水Q0.0接通且脱水时间到达T41闭合，蜂鸣器Q1.1接通，报警5s提示全部程序完成并返回。当打开盖子取衣时，I0.0断开使相关信号复位，为新一轮洗衣做准备。

定时器、计数器说明：

表3-3 定时器、计数器说明表
类别

器件号

设定值

作用
定时器
T31
9s
投币间隔计时
T37
3s
正转洗涤计时
T38
1s
正转后暂停两秒
T39
3s
反转洗涤计时
T40
1s
反转后暂停两秒
T41
30s
脱水计时
T42
5s
洗完报警计时
计时器
C10
40
快洗计数
C11
80
标准洗计数
C12
3
脱水计数(除单脱水)

4 设计小结
在认真学习西门子S7-200系列PLC理论知识，遵循PLC控制系统设计方法基础上，本人成功地完成了基于PLC投币式洗衣机控制系统设计。该系统可以通过对投币总值判断选择不同洗衣程序满足商用自助洗衣需要，而且PLC程序可根据洗衣时间、水位、价格等不同要求做出相应修改，面向控制，面向用户，具有编程简单、安装调试方便、可靠性高、抗干扰能力强等众多优点。另外，该设计对研究PLC在工业洗衣机中应用也有可贵参考价值。但是由于水平和时间有限，设计中难免有不足之处，比如在洗衣机正面机箱上没有设置LED数码管来显示各工作过程及剩余时间。而且，从性价比角度来看，这个设计目前还不适合大规模投入生产，真正投入生产需要后续更多研究工作。其实PLC最适合还是环境恶劣、要求条件高工业环境，对于家用电器控制显得有些大材小用。然而完成这篇论文对于本人能力提高无疑是有很大意义：通过它我学会了PLC设计方法，掌握了西门子S7-200 系列PLC硬件及软件编程知识，学会了用专门软件绘制PLC流程图及I/O接线图，同时还培养了质疑、探究、创新学习精神，必将对我以后学习、工作产生久远影响。

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致 谢
毕业设计过程，是一次将大学四年所学理论知识及实际相结合过程。通过毕业设计我学会了如何把PLC理论知识及生活实际相联系，这将为以后工作打下基础。另外，在设计过程中，用到了如Word、Protel 99 Se、Step7-Micro/WIN、Visio 等软件，大大提高了自己计算机水平。由于设计过程中需要用到许多书籍、手册，这也提高了自己查找资料运用资料能力。做毕业设计确使我受益匪浅。
在设计过程中我得到了老师和同学热心帮助，增进了师生感情和同学友谊。特别要提出感谢是夏政伟导师，毕业论文从论文选题到论文进展各个阶段，每一个过程都凝结着夏老师心血，他悉心指导和鼓励终使我克服一个个困难完成这篇论文。为此，谨向我尊敬导师表示最衷心感谢！同时感谢在学校期间给我诸多教诲和帮助所有老师，是你们博学和敬业影响着我，鼓励着我在学习上不断奋发向上，积极上进。
感谢我同学、朋友及家人，感谢你们对我一如既往支持。你们鼓励和期望永远是我前进动力，祝愿你们健康快乐!