全自动洗衣机控制系统的PLC设计和实现 电气自动化专业

摘 要 本文首先介绍了可编程控制器（PLC）的结构和功能，以及全自动工业洗衣机的结构，然后分析和研究了全自动洗衣机控制系统的工作原理。在此基础上，结合工作需要，提出了以 PLC 为控制核心部件进行全自动洗衣机控制系统的设计。然后，从全自动洗衣机六个工作过程出发，对系统控制方案进行了可行性分 析和论证，包括 PLC 以及外围设备选型、编程方式选择、各种抗干扰措施等。最后设计了以西门子 S7-200 系列 PLC 为控制核心的全自动工业洗衣机控制系统，包括了控制系统的 I/O 端口分配、PLC 接线图及 PLC 程序设计，并详细分析了程序的控制过程，实现了洗衣机洗衣过程的自动化，具有智能化程度高、安全可靠、方便、灵活等特点。 关键字：工业洗衣机，PLC，控制系统，设计 ABSTRACT This paper initially introduces the structure and function of the programmable logic controller (PLC), as well as the structure of automatic industrial washing machine. Then it analyzes and studies how the automatic washing machine control system works. Based on its working principle, it designs the automatic washing machine control system with PLC as the core components. Then, in the light of six working process of automatic washing machine,it enhances its feasibility of system control programming, including PLC and peripheral equipment selection, programming mode selection and variety of anti-interference measures, by analysis and induction. Finally, it designs a control system of automatic industrial washing machine with Siemens S7-200 series PLC, containing the I/O port assignment, PLC wiring diagram and PLC programming. It as well analyzes, in details, the control process of programming which achieves high level of automation for the washing process, featured by substantial level of intelligence in accordance with safety, reliability, convenience and flexibility. Keywords: Industrial washing machine, PLC, control system, design 目 录 第一章 绪 论 1 1.1 研究背景 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 研究意义 5 1.4 设计目标 6 1.5 研究内容 7 1.6 技术方案 7 1.7 论文结构 9 第二章 工业洗衣机控制系统 10 2.1 洗衣机的发展 10 2.2 工业洗衣机工作原理 11 2.3 工业洗衣机特点 13 2.4 洗衣机控制系统 13 第三章 系统硬件设计 16 3.1 控制器方案选择 16 3.1.1 微处理器控制 16 3.1.2 电动机控制 17 3.1.3 PLC 控制 18 3.2 系统硬件电路设计 19 3.3 PLC 控制电路设计 20 3.4 电动机选型 26 3.5 光电耦合器选型 27 3.6 水位检测电路设计 28 3.7 键盘和显示电路设计 29 3.8 继电器选型 32 3.9 电动机调速电路设计 32 3.9.1 变频器选型 32 3.9.2 变频器工作原理 33 3.9.3 洗衣机调速系统设计 34 3.10 I/O 端口设置 35 3.11 电源电路设计 37 第四章 系统软件设计 38 4.1 组态软件 38 4.2 自动控制程序设计 40 4.3 功能程序设计 41 4.4 组态监控设计 43 第五章 系统调试 48 5.1 软、硬件调试 48 5.1.1 硬件调试 48 5.1.2 软件调试 48 5.2 电磁干扰问题 49 5.3 其他调试 50 第六章 结 论 51 参考文献. 53 5 第一章 绪 论 1.1 研究背景 随着经济社会的快速发展，洗衣机已经进入了千家万户，成为人们日常生活所必需的家用电器。在工业生产中，洗衣机的应用也十分广泛，工业洗衣机主要用于洗涤棉、毛、化纤、丝绸等衣物织品，所以工业洗衣机大量用于宾馆、饭店、医院、学校、工厂等领域，满足大容量的洗衣要求。但是传统的基于继电器的控制已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求。并且，洗衣机也已经从半自动洗衣机发展到全自动洗衣机，也就是只需要将衣服放进洗衣机，然后启动洗衣机程序，洗衣机就能根据衣物重量自动注入适量的水，并且添加洗涤剂。然后根据用户需要设置洗涤时间和洗涤力度。最后，在洗涤完成后，进行自动脱水，脱水时间可自行设定。自动洗衣机的产生，为人们节省了大量的时间和精力，给人们的生活带来了很多便利。 目前，随着单片机的快速发展和大力推广，单片机价格也逐年下降，所以， 全自动洗衣机控制系统主要是以单片机控制为主。但是，人们生活质量日益提高， 除了对全自动洗衣机的功能提出了更高要求以外，还需要同时满足节能和人性化设计等方面的要求。比如衣服种类繁多，包括毛衣、外套、T 恤等，材料也有棉、丝绸等区分。不同衣物、不同材料都需要不同的洗涤方式。 传统的全自动洗衣机由于单片机控制和驱动能力有限，不能满足现有人们对生活品质的追求。而 PLC 作为工业三大控制支柱之一，由于其控制方式多样，控制功能强大，已经用于众多工业领域。近年来，PLC 价格也有所下降，也开始用于全自动洗衣机控制系统，并且在工业洗衣机领域已经取得了较好的使用效果， 同时，也有部分厂家在家用洗衣机领域使用 PLC 作为控制器，将全自动洗衣机向智能化洗衣机方向发展，提高市场竞争力。 以 51 单片机系列为核心控制器。其优点是：价格较低；指令集丰富；有 Flash 存储器和 RAM；有一定的 I/O 接线口和中断源；应用比较成熟；基本能满足一般需要。缺点是：自身的指令系统相对复杂；编程语言不易掌握；设计人员在编写洗涤、脱水等功能程序也较复杂；单片机驱动能力较弱，需要在硬件上加驱动电路，造成系统电路较复杂。其他有凌阳、ARM 等系列单片机。其优点是：核心为 32 位处理器，运算速度更快；兼容主流的嵌入式操作系统；系统可靠性、稳定性较好。缺点是：硬件电路也较复杂，成本较高；嵌入式系统对一般的程序设计员较难，需要学习。 本课题选用 PLC 为核心进行设计。其价格较为便宜，I/O 接口数量比较合适， 能够满足设计需要，软件编程更加方便，指令集简单，可以只是通过编程器进行程序修改，满足不同要求的功能需求，硬件更加简单，便于维护。 1.2 国内外研究现状 一、微处理器控制研究 （1）8031 单片机控制 在全自动洗衣机出现初期，其控制系统不够完善，控制功能也较简单。设计思想主要还是延续人为洗涤方式，只是将一些人为识别的模拟量（比如衣物重量、材质、面料等）进行模糊处理。然后在长期的实验中，总结出一定规律。再将这种规律经过软件设计，形成相应的规则，最后控制器则按照这种规则进行运算， 并将运算结果输出到执行元件，完成洗衣动作。 陈兴国教授等人[1]在 2002 年提出了洗衣机模糊控制器的设计，包括硬件设计 和软件设计。在硬件设计时，选择 8031 微处理器作为控制核心，通过微处理器的I/O 接口，加入其他外部设备，主要包括存储器、电源电路、显示电路、按键等， 搭建完整的硬件系统。软件设计主要是模糊控制器的设计，由于微处理器只能处理数字信号，所以首先需要将衣物的材质、面料等模拟量，经过人为经验总结出一定的规则和关联，运用模糊数学理论的隶属度函数曲线，得出各个量所对应的隶属度表，然后通过模糊集算出模糊关系矩阵，用模糊变换，算出相应的控制输出。最后得到模糊结果，也就是总控表。仿真结果表明:该洗衣机比传统的洗衣机有优良的控制效果[2-3]。该设计采用汇编语言编程，软件设计较复杂，硬件电路中8031 功能单一，不能达到精确控制。 （2）51 单片机控制 单片机系列的广泛应用，其结构简单、功能扩展、价格低廉的特点在洗衣机控制系统中得到使用。一个以 AT89C2051 作为控制核心的洗衣机控制系统的一大特色就是具有浸泡功能，可实现先洗涤 1 分钟以搅匀衣物和洗涤剂，再停机浸泡10 分钟，然后退出浸泡环节进入洗涤环节。利用 AT89C2051 每根 I/O 线的低电平驱动电流达到 20mA，能够直接驱动洗衣机控制面板 LED 发亮。电动机和电磁阀 等的控制则是在单片机输出口加一个三极管 7406，目的是提高电流驱动能力。并且整个控制系统的工作电压为+5V，只需通过整流、稳压即可得到。软件设计中指令兼容 MCS-51 指令集，内含 2KB 可重编程的 Flash 存储器和 128 字节的 RAM， 有 15 条可编程的 I／O 引线和 5 个中断触发源。使整个控制电路极大地简化，成本较低[4-5]。尽管可以实现洗衣全过程自动化，但是还不能根据衣物情况进行智能选择洗衣程序。 （3）89C52 单片机控制 在 51 单片机的基础上，采用 AT89C52 单片机对洗衣机进行智能控制，通过74LS138 译码器、水位检测机构、LED 数码显示器、键盘等硬件设计实现了洗衣机工作过程的自动化。应用表明该系统具有洗涤（强洗、弱洗）、脱水、定时以及洗涤次数和动作编程等功能，从而极大地提高效率、降低功耗、减少噪声。AT89C52 芯片有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口。同时内含 2 个外中断口， 3 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写口线。与微处理器相连接的反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。硬件设计与 51 单片机基本相同，软件设计更加方便，并且使用软件抗干扰技术，可对洗衣过程中的干扰进行有效屏蔽。最后实践检验，此系统结构更加简洁、使用方便、可靠性更高[6-8]。 （4） ARM7TDMI 核控制 传统的 8 位单片机为核心的洗衣机控制系统无法适应现代社会对洗衣机智能化、网络化发展的需要。ARM 单片机是为 32 位单片机的技术领导者，以 ARM 核的单片机在硬件及软件开发上可以得到最广泛的技术支持，新产品也因此具有更好的通用性。基于 ARM7TDMI 核的单片机可以在目前流行的嵌入式操作系统平台实现系统开发，借助现有的 GU I 图形用户接口及 TCP/IP 通信协议，可以大大减轻软件设计工作量并实现更丰富的功能如 Internet 远程监控和故障诊断等。华中科技大学机械学院张道德教授等人采用 ARM7TD