全自动洗衣机设计与调试(戴明明小组).doc

机电系统设计说明书
( 2011级 )

题 目：全自动洗衣机梯形图控制程序的设计与调试
学 院： 工学院、职业技术教育学院
班 级： 机械114班
学生姓名： 戴明明、宋忆宁、周丽丽、陈凯
指导老师： 张昱
成 绩：

目录

1.前言 1
2.全自动洗衣机的设计方案 1
2.1继电器控制方案 1
2.2单片机控制方案 2
2.3PLC控制方案 3
2.4PLC应用领域 4
3. 控制要求及工作原理 1
3.1控制要求 5
3.2全自动洗衣机的工作原理 5
4. 设计流程及程序 7
4.1程序运行流程图 7
4.2洗衣机主电路 9
4.3I/O端分配 10
4.4I/O接线图 11
4.5程序指令 11
5. 梯形图 13
设计心得 15
参考文献 16

1.前言

随着社会的发展工业化的加速，出现了洗衣机，再就是自动化洗衣机。无论是波轮式洗衣机也好，还是滚筒式洗衣机也好，都朝着智能化、水流方式多样化、洗衣方式创新化、设计更趋人性化四大特征方向发展。传统的电气控制已经不能满足现状的要求了。使智能化的控制取代了传统的工业控制，洗衣机的工作原理：全自洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一心安放的，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高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作，停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。随着先进科学技术发展.应用于洗衣机上的技术越来越成熟，洗衣机的发展也越来越快，将来的洗衣机主要主要朝以下几个方面发展：（1）高度智能化；（2）健康化；（3）节水节能；（4）大容量和微型化。

2. 全自动洗衣机的控制方案

洗衣机是一种在家庭中不可缺少的家用电器，发展非常快，全自动式洗衣机因使用方便得到大家的青睐，全自动即进水、浸泡、洗涤、漂洗、排水、甩干等一系列过程自动完成，控制器通常设有几种洗涤程序，对不同的衣物可供用户选择。全自动洗衣机控制系统可选择多种控制方案，如继电器、单片机、PLC等均能完成。

2.1 继电器控制方案分析
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
继电器一般都有能反映一定输入变量的感应机构，有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构，在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。但缺点明显，机械寿命短,容易受到干扰而引起误操作,继电器控制是硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；继电器控制速度慢，触点易抖动；继电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；继电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能。

2.2 单片机控制方案分析
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统,尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板，但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。

2.3 PLC控制方案分析
PLC可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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控制特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强；
高可靠性是电器控制设备的关键性能。PLC由于采用大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路都用上了先进的抗干扰技术，所以具有很高的可靠性。PLC带有硬件故障自我检测功能，当出现故障时可及时发出警报信息。
（2）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。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用；
PLC作为通用工业控制计算机，它接口容易，编程语言都很容易被工程技术人员接受。梯形图语言和图形符号的表达方式和继电器电路图都相当接近，现在只用PLC的少量的开关量逻辑控制指令，就可以方便地实现继电器电路的功能。这可以为那些不熟悉电子电路、不会汇编语言和不懂计算机原理的人油条洁净，为他们在计算机从事工业控制方面打开了方便之门。
（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；
新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。这是别的控制系统所不能达到的，由于体积小很容易装入机械内部，这是理想的控制设备。

2.4 PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：(1)开关量的逻辑控制；(2)模拟量控制；(3)运动控制；(4)过程控制；(5)数据处理；(6)通信及联网。
综上所述，PLC的功能强大而且控制操作简单，我决定选择PLC控制方法。PLC控制洗衣机洗涤程序有独特之处。首先，它是一个顺序控制系统程序；其次，洗涤，排水，脱水时间是由PLC内的计数器和定时器中参数控制的，只要改变它的参数大小就可改变整个程序时间长短；第三，通过改变PLC的型号，可以根据衣物的质地，数量及脏污程度来实现标准洗，强洗，快洗的多功能；第四，通过修改洗涤程序可实现进水洗涤，漂洗，排水，脱水的顺序控制，也可实现或洗涤，或漂洗，或脱水等单体控制；第五，在设计过程中，可以方便的加入相应的配套装置，如指示灯，蜂鸣器。

3. 控制要求及工作原理

3.1 控制要求
（1）按下启动按钮及水位选择开关，注水直到高（中、 低）水位，关水
（2）2s后开始洗涤
（3）洗涤时，正转30s，停2s，然后反转30s，停2s
（4）如此循环5次，总共320s后开始排水，排空后脱水30s
（5）开始清洗，重复（1）～（4），清洗两遍
（6）清洗完成，报警3s并自动停机
（7）若按下停车按扭，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）
3.2 全自动洗衣机的工作原理
全自动洗衣机的实物示意图如图3-1所示。全自洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一心安放的，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高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作，停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。

图3-1

全自动洗衣机的PLC系统结构图如图3-2所示。

图3-2

单循环工作流程示意图如图3-3所示。

图3-3

4.设计流程及程序

4.1 程序运行流程图
洗衣机的进水、排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀执行。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘的正、反转来实现。 脱水时，由脱水电磁离合器合上、排水电磁阀吸合，洗涤电动机正转进行甩干。洗涤完成由蜂鸣器报警。
洗衣机按下启动按扭和水位选择开关，开始进水，进水到规定高度，使水位开关接通，停止进水，2S后实现洗涤正转；洗涤正转30S后，停止洗涤，2S后开始洗涤反转；洗涤反转30S后，2S后计数器加1，累计洗涤次数；若未满5次则重复进行洗涤，直至洗涤达到5次（共320 s），开始排水。由于排水水位降低，启动排空检测，当水位低于规定下限水位时，低水位开关接通，开始脱水，脱水30S后，计数器加1，脱水停止。然后再返回到进水动作重复上述过程2次，报警3S并停机。其程序流程如图4-1所示：

图4-1

由上图4-1可知，PLC在系统中是处中心位置，水位开关是PLC的输入信号控制开关，进水阀、排水阀和电机是洗衣机各种动作的执行机构。其中进排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态；电机的工作状态也由PLC给定信号来决定的，而电机的正反转状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。另外由于洗衣机工作过程是顺序过程，所以用PLC机的控制系统是可行的。

4.2 洗衣机主电路
如图4-2所示为三相异步电动机正反转控制的主电路图，其中FU为熔断器，KM1、KM2分别是控制正转和反转的交流接触器。图中用KM1和KM2的主触点可改变电动机的旋转方向。图中FR为热继电器，在电动机过载时，它的常闭触点断开，电动机停转。

图4-2

4.3 I/O端分配
I/O端分配如下表4-3所示。

I/O地址
信号名称
符号
功能说明
输入
X001
启动
10001
开启洗衣机运行
X002
停止
10002
关闭洗衣机运行
X003
高水位
10003
选择高水位
X004
中水位
10004
选择中水位
X005
低水位
10005
选择低水位
X006
排空检测
10006
排空时接通
X007
高水位检测
10007
高水位时有信号
X010
中水位检测
10008
中水位时有信号
X011
低水位检测
10009
低水位时有信号
X012
手动排水
10010
选择手动排水
X013
手动脱水
10011
选择手动脱水
输出
Y001
启动洗衣机
00001
开启洗衣机
Y002
进水阀
00002
开启进水阀
Y003
正转
00003
电动机正转
Y004
反转
00004
电动机反转
Y005
排水
00005
开启排水
Y006
脱水
00006
开启脱水
Y007
报警
00007
启动报警
表4-3

4.4 I/O接线图

图4-4

4.5 程序指令
0 LD M008 17 STL S20
1 SET S0 18 LDI X002
3 LD X002 19 RST C0
4 MPS 21 0UT Y002
5 AND X012 22 MPS
6 OUT Y005 23 AND X003
7 MPP 24 AND X007
8 AND X013 25 SET S21
9 OUT Y006 27 MRD
10 STL S0 28 AND X004
11 LDI X002 29 AND X010
12 RST C1 30 SET S21
14 AND X001 32 MPP
15 SET S20 33 AND X005
34 AND X011 84 AND T4
35 SET S21 85 AND C0
37 STL S21 86 SET S26
38 LDI X002 88 MPP
39 OUT T0 89 AND T4
40 K 20 90 ANI C0
42 AND T0 91 OUT S22
43 SET S22 93 STL S26
45 STL S22 94 LDI X002
46 LDI X002 95 OUT Y005
47 OUT Y001 96 AND X006
48 OUT Y003 97 SET S27
49 OUT T1 99 STL S27
52 AND T1 100 LDI X002
53 SET S23 101 OUT Y005
55 STL S23 102 OUT Y006
56 LDI X002 103 OUT T5
57 OUT T2 104 K 300
58 K 20 106 MPS
60 AND T2 107 AND T5
61 SET S24 108 AND C1
63 STL S24 109 SET S28
64 LDI X002 111 MRD
65 OUT Y001 112 AND T5
66 OUT Y004 113 ANI C1
67 OUT T3 114 OUT S20
68 K 300 116 MPP
70 AND T3 117 AND T5
71 SET S25 118 OUT C1
73 STL S25 119 K 2
74 LDI X002 121 STL S28
75 OUT T4 122 LDI X002
76 K 20 123 OUT Y007
78 MPS 124 OUT T6
79 AND T4 125 K 30
80 OUT C0 127 AND T6
81 K 5 128 OUT S0
83 MRD

5.梯形图

梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。 梯形图起源于继电器逻辑和执行线路，它用不同的图符来表示不同的指令，用串、并联的概念组织图符的顺序位置来表述逻辑。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。
梯形图编程中，用到以下四个基本概念：1．软继电器；2．能流；3．母线； 4．梯形图的逻辑解算。
工步介绍：S0 初始化；S20洗衣机进水；S21电动机正转；S22电动机反转 S23洗衣机脱水；S24报警
本程序的梯形图如下图5-1所示：

图5-1

设计心得

经过将近一周的全自动洗衣机PLC课程设计，让我收获颇丰，不仅熟悉了全自动洗衣机的工作过程，还学会了使用步进指令。步进指令简单，直观，易于阅读，使用它来控制洗衣机的工作过程，真的很是方便。
在网上有很多和老师布置课题相似的题目，其中有自动门控制系统，物业供水控制系统等，也有全自动洗衣机控制，不过它的I/O点数很少，我们参考着这些例子，把它转化成步进梯形图，然后又在此基础上不断进行扩展修改，最终完成梯形图的编程，当时很有成就感。
几天的课程设计，让我加深了对PLC的认识和理解，也知道了PLC应用于工业控制的优点所在，如PLC的可靠性高，抗干扰能力强，通用性强，控制程序可变，使用方便等优点。这次的课程设计使我将PLC的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性，让我受益非浅，对以后工作中遇到问题或者继续学习将会产生巨大的帮助和影响。

小组感言：
戴明明：通过这次设计实践。我学会了plc的基本编程方法，对plc的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到plc中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对plc 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
宋忆宁：虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。
周丽丽：对于大学的最后一次课程设计，我非常用心的参与到了其中，我努力完成组长分配给我的每个任务，积极与其他组员进行交流。时间虽然不长，但是我学到了很多的新知识，这对我今后的学习和生活会产生积极的影响。
陈凯：大学最后一次课程设计让我觉得很累，但从中收获了很多，最终的成功让我觉得累也是值得的。也懂得要多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。在此，感谢同学们的帮助以及老师在此次课程设计中的指导。

参 考 文 献

[1] 谢文辉,张志芳. PLC应用技术易读通. 北京：中国电力出版社，2008
[2] 常晓玲. 电气控制系统与可编程控制器. 北京：机械工业出版社，2008.2
[3] 贺哲荣,石帅军. 流行PLC实用程序及设计（三菱FX2系列）. 西安：西安电子科技大学出版社，2006.3
[4] 夏路易,石宗义. 电路原理图与电路板设计教程.北京：北京希望电子出版社，2002.6
[5]廖常初.PLC基础及应用.第2版. 北京.机械工业出版社.2007
[6]王兆晶.维修电工（高级）.北京.机械工业出版社.2007
[7]熊幸明.工厂电气控制技术.北京.清华大学出版社.2005
[8]黄净.电气控制与可编程序控制器.北京.机械工业出版社.2004
[9]三菱电机.FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC编程手册.2005

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