全自动洗衣机毕业设计及组态王仿真

PLC在全自动洗衣机控制系统中的应用
摘要
随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，全自动化成为必然的发展趋势。

全自动洗衣机的产生极大的方便了人们的生活。

洗衣机是国内家电业唯一不打价格战的行业，经过几年的平稳发展，国产洗衣机无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同步。

纵观洗衣机市场，高效节能、省水、省电、环保型洗衣机一直在市场上占主导地位。

PLC的优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等，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。

本设计介绍了采用西门子S7-200进行编程并且利用计算机组态软件组态王进行组态监控的全自动洗衣机控制系统。

本设计全面讲解了根据全自动洗衣机的工作原理，利用PLC对其进行控制，并介绍了详细的硬件及软件设计方法，以及建立组态监控的步骤，最终实现了全自动洗衣机的基本功能。

关键词：PLC，西门子，洗衣机，自动
The application of PLC in the automatic washing machine control
system
ABSTRACT
With the improvement of socio-economic development and scientific and technological level, the automation has become an inevitable trend. Automatic washing machine is a great convenience to people's lives. The washing machine is a domestic appliance industry which is the only industry who does not make a price competition, after several years of steady development ,the domestic washing machine has come up with the world's leading level synchronization in quality and functionality. Throughout the washing machine market, energy efficient, water-saving, energy saving, environment-friendly washing machine has been the market dominated.PLC's advantages are: high reliability, low power consumption, adaptability, speed, long life, etc. In order to improve the functionality and performance of the automatic washing machine further, to avoid some drawbacks of the conventional control, it is proposed to control with PLC the subject of automatic washing machines. This design introduces a Siemens S7-200 programming and PC configuration software configuration to configuration monitoring, automatic washing machine control system. The design fully explain the steps of the automatic washing machine works, using PLC to control itself, and describes the details of the hardware and software design methods, as well as to create a configuration monitoring and eventual realization of the basic functions of the automatic washing machine.
KEY WORDS: PLC, Siemens, washing machine, automatic
目录
前言 (1)
第1章绪论 (2)
1.1 全自动洗衣机的研究背景 (2)
1.2 全自动洗衣机研究的目的与意义 (2)
1.3 洗衣机发展状况和前景 (3)
1.4 本课题研究的主要内容 (7)
第2章系统硬件设计 (8)
2.1 全自动洗衣机的原理和构造 (8)
2.1.1 全自动洗衣机总体构造 (8)
2.1.2 洗涤脱水系统 (8)
2.1.3 排水和进水系统 (9)
2.1.4 电动机及传动系统 (9)
2.2 元件选择 (9)
2.2.1 输入元件选择 (9)
2.2.2 输出元件选择 (10)
2.2.3 电动机的选择 (11)
2.2.4 PLC的选择 (12)
2.3 I/O地址分配表 (13)
2.3.1 输入地址分配表 (13)
2.3.2 输出地址分配表 (14)
2.3.3 内部元件地址分配表 (15)
2.4 硬件连线图 (15)
2.4.1 主电路电气原理图 (15)
2.4.2 I/O外部接线图 (16)
第3章系统软件设计 (18)
3.1 系统控制要求 (18)
3.2 系统设计总流程图 (18)
3.3 系统程序编写与分析 (20)
3.3.1 启动停止及进水控制 (20)
3.3.2 洗衣机洗涤控制 (21)
3.3.3 排水及脱水控制 (23)
3.3.4 洗衣机报警控制 (25)
3.3.5 洗衣机指示灯控制 (26)
第4章硬件软件仿真分析 (28)
4.1 程序调试 (28)
4.2 程序仿真 (28)
第5章系统组态设计 (30)
5.1组态王软件介绍 (30)
5.2 组态监控设计 (30)
5.2.1 创建新工程 (30)
5.2.2 定义I/O设备 (31)
5.2.3 构建数据词典 (32)
5.2.4 组态画面建立与动画连接 (33)
5.3 组态设计的运行和调试 (35)
5.3.1 启动及进水监控 (35)
5.3.2 正转及反转监控 (36)
5.3.3 排水及脱水监控 (38)
5.3.4 报警监控 (39)
结论 (41)
谢辞 (42)
参考文献 (43)
附录 ................................................................. 错误!未定义书签。

外文资料翻译 . (44)
前言
可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、
可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。

现已广泛应用于工业控制的
各个领域，它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、记
数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生
产过程。

PLC可控制编程器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环
境应用而设计的，它采用一类可编程存储器，用于其内部存储程序，执行
逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算数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产品。

全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，适应工作环境。

在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由单片机为中心控制系
统工作的。

首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相
对复杂；其次，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，这样增加了硬件
的复杂性，隐含较高的故障率无形地增加了维修成本费用，在各种控制系
统中广泛运用的PLC能克服单片机的缺点。

它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。

因此在运用中，硬件也相对
简单，提高控制系统的可靠性。

另外它的编程语言也相对简单。

本课题主要着重于全自动洗衣机的控制，要求洗衣机能实现进水、洗涤、排水、脱水、报警，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。

控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期，且要降低成本。

本课题为智能洗衣机的PLC控制，主要介绍了智能洗衣机的工作原理，控制系统的PLC的选型和资源的配置，控制系统程序设计与调试，控制系统PLC程序，以及用组态王对整个洗衣过程进行仿真模拟，生动的体现了洗衣机从进水到报警的全部过程。

第1章绪论
1.1 全自动洗衣机的研究背景
本次设计基于PLC的全自动洗衣机控制，本文的课题源于市场上洗衣
机产品。

采用PLC控制开发的周期短，开发成本低，可以直接用于工业现
场控制。

PLC控制具有实时性、信号处理时间短、速度快、更能满足各个
领域大、中、小型工业控制项目，可靠性高，丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，PLC控制能在高粉尘、高噪声、强电磁
干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。

因为它是整体模块，集中了驱动
电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能，所以在使用中，硬件相对
简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制
系统设计的灵活性及控制系统的可靠性。

本设计以操作简单、使用可靠、
维护修理方便作为主要设计方向。

1.2 全自动洗衣机研究的目的与意义
本课题主要着重于全自动洗衣机的控制，要求洗衣机能实现进水、洗涤、排水、脱水、报警，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。

控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期，且要降低成本。

传统的洗衣机采用继电器控制的优点是装置结构简单、价格便宜、抗
干扰能力强。

但是，这也是随之带来的一些问题，如绝大多数控制继电器
都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏，而且继电器的触点容
易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。

在全负荷运
载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。

并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也
需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。

这种电路接线多，
只适用于小型的控制电路。

采用PLC控制比继电器控制好的多，我们采用PLC来控制。

PLC优点有：
1．可靠性高，抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

2．配套齐全，功能完善，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。

3．易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

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，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.3 洗衣机发展状况和前景
从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打……这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。

1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战———有人发明了木制手摇洗衣机。

发明者是美国人比尔·布莱克斯。

布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。

这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。

1880年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。

之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。

到1911年，美国试制成功世界
上第一台电动洗衣机。

电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。

电动洗衣机几经完善，在1922年迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌式”。

搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。

这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。

搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。

不过10年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。

这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！直至今日，滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。

随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。

首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。

1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。

至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。

20世纪60年代以后，洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列，家庭普及率迅速上升。

此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。

60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。

70
年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。

70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，让人耳目一新。

到80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚……进入90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。

此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。

在中国，由于历史原因，洗衣机工业起步较晚，直到1978年才正式生产家用洗衣机。

但是，随着人们认识的发展，尤其是改革开放的不断深化，进入80年代后的洗衣机工业并没有像一些人预料的那样停步不前，而是保
持着旺盛的发展势头。

1983年洗衣机产量由1978年的400台飙升到365万台，此后全国各地掀起了大规模的技术引进热潮，大约有40多个厂家先后从洗衣机技术先进国日本、英国、法国、意大利、澳大利亚等引进技术60多项。

技术的引进、吸收和创新，极大地提升了国产洗衣机的产业素质与生产能力，缩短了同发达国家之间的差距。

如今，我国洗衣机年产量约占世界年产量的四分之一，居于世界首位。

除了在数量和品种上满足国内市场外，还出口到北美、欧洲、东南亚等地，跻身于国际洗衣机市场的竞争行列。

全自动洗衣机可分为两大类：
第一类：电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。

第二类：电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。

电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。

随着计算机的及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。

因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。

全自动洗衣机从结构上分有波轮式、搅拌式、滚筒式。

目前,国内市场上销售的大都是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。

波轮式洗衣机的特点是洗净率高,但对衣服的磨损很大,随着人们生活水平不断地提高，丝绸,毛料,羊毛等大量走进普通家庭,厂商又适时地推出了滚筒洗衣机,它最大的优点是磨损率小,但洗净率比波轮式低,价格高。

洗衣机产品可以分三类：普通型、半自动型和全自动型。

普通型和半自动型洗衣机，都需要人为参与操作，才能完成洗衣、甩干、排水全过程；而全自动洗衣机在整个洗涤、甩干、排水过程中，无需人为操作和监控。

国内外洗衣机品牌有海尔、小天鹅、荣事达、松下、惠而浦水仙、LG熊猫、西门子、日立好用。

洗衣机是国内家电业唯一不打价格战的行业，经过几年的平稳发展，国产洗衣机无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同步。

纵观省会的洗衣机市场，高效节能、省水、省电、环保型洗衣机一直在市场上占主导地位。

洗衣机无论在质量、技术、功能还是在外观上面，谁能接近于为人们
的生活服务这一主题，谁就能得到长足的进步和发展。

今后一段时间，以下几种洗衣机将是市场和消费者的最爱。

高度自动化：从最初的单桶洗衣机到双桶、套桶洗衣机、全自动洗衣机，再到智能全模糊控制洗衣机。

总之，每一次技术的进步都极大地推动了洗衣机自动化程度的提高。

品种多样化：波轮式、滚筒式和仿生搓洗式洗衣机满足了不同偏好的消费者的需求。

节能和健康化：现在的消费者在节能方面对家电提出了更高的要求，对于健康型洗衣机更是人们趋之若骛的首选。

大容量和微型化：大容量洗衣机满足了人们洗大件衣物的需求。

同时，微型化洗衣机也备受青睐，如市场上出现的1.5公斤、2.5公斤不等的海尔小小神童洗衣机，可以满足少量衣物即时洗的需要。

组合化：荣事达集团最近推出的子母分洗式洗衣机，正好迎合了这部分消费者的需求，它的大桶容量为5.5公斤，小桶容量为2.5公升，两桶并列，缩小了较大一部分空间，而且具有人工智能模糊控制功能。

满足了不同衣物分开洗、大量衣物同时洗、小件衣物即时洗的需求，开创了健康洗涤新概念，深受消费者的喜爱，组合化的另一个体现就是把洗涤、漂洗、脱水和烘干功能集于一身。

在今后一个时期内，家用电动洗衣机的产品性能质量将是企业竞争的焦点，开发新型的产品是竞争获胜的主要手段。

今后，家用电动洗衣机将朝着多功能、节电、节水方向发展。

节电、节水是今后我国家用电动洗衣机发展的主流。

目前，我国正在修订的国标GB4288已将用电量、用水量指标列入了其考核的主要指标。

另外，为了引导消费和指导洗衣机制造企业的设计和制造，新国标GB4288将洗净比、用电量、用水量、噪声、含水率、寿命这6个主要性能指标进行分等级考核，即以上6个指标分别分为A、B、C、D4个级别。

消费者可根据自己的需要选择不同级别的产品。

1.4 本课题研究的主要内容
本课题需研制出可靠性高、易于操作的全自动洗衣机控制方法，该系统采用PLC控制，主要包括电动机正反转控制、离合器控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和联锁。

研究的具体内容包括：
1. 深入了解洗衣机的发展、结构及控制要求。

2. 控制系统设计。

包括硬件设计，PLC的选择，各硬件模块的介绍，软件设计，编程方法。

3. 对编写好的编译程序进行实际调试。

4．用组态王软件对系统进行仿真。

第2章系统硬件设计
2.1 全自动洗衣机的原理和构造
2.1.1 全自动洗衣机总体构造
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，外形结构图如图2-1所示。

图2-1全自动洗衣机外形结构图
2.1.2 洗涤脱水系统
洗涤脱水系统主要由盛水桶，洗涤桶和波轮组成。

盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。

盛水桶固定在钢制底板上，通过4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。

电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。

洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤时配合波轮完成洗涤功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。

波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。

按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm
左右）新水流两类。

2.1.3 排水和进水系统
全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。

为了对桶内的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。

全自动套桶洗衣机使用最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关3部分组成，用来监视水位的高低。

此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。

而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。

进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。

自动打开阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。

断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。

2.1.4 电动机及传动系统
全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，离合器又有普通离合器和减速离合器两种。

其中普通离合器用在采用小波轮的套桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同，目前各种大波轮新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤，漂洗时波轮的转速较慢，而脱水时离心桶的转速较快。

电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源，普遍采用主，副绕组完全对称的电容式电动机。

由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电动机的功率较大。

2.2 元件选择
2.2.1 输入元件选择
根据要求，可以选择4个按钮(SB)作为程序选择和暂停，选用三个位置开关（SQ）作为高、中、低水位的输入。

1．按扭（SB）
按钮是一种人工控制的主令电器。

主要用来发布操作命令，接通或开断控制电路，控制机械与电气设备的运行。

按钮的工作原理很简单，对于常开触头,在按钮未被按下前,电路是断开的,按下按钮后,常开触头被连通,电路也被接通；对于常闭触头，在按钮未被按下前，触头是闭合的，按下按钮后，触头被断开，电路也被分断。

其正好可以作为开启和停止洗衣机工作的按钮。

2．位置开关（SQ）
位置开关，称限位开关，是一种将机器信号转换为电气信号，以控制运动部件位置或行程的自动控制电器。

是一种常用的小电流主令开关。

在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。

一类为以机械行程直接接触驱动，作为输入信号的行程开关和微动开关；另一类为以电磁信号（非接触式）作为输入动作信号的接近开关。

2.2.2 输出元件选择
1．继电器（KM）
电磁继电器一般由铁芯、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）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

2．电磁阀（YV）
电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。

电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。

电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

而在本设计中，可用来控制洗衣机的进水和排水等动作。

3．指示灯（HL ）
用来显示洗衣机的实时工作情况，使用户一目了然。

选用4个指示灯分别用作电源指示（表示洗衣机电源已接通，等待选择以全自动、单排水、单脱水三者中的那种工作方式运行）、全自动运行指示、单排水指示、单脱水指示。

对于洗衣机的运行指示选用24V 的指示灯便可。

2.2.3 电动机的选择
选用Y132M-4型异步电动机，相关参数为：额定功率为7.5kW 、额定电压为220V 、额定电流为15.4A 、额定转速为1440rpm （r/min ）功率因素为0.85、效率为87%。

由于洗衣机容量为300kg ，其负载转矩理论上为：
==
=⨯⨯⨯=⋅L T Fr mgD kg N kg m N m 11
3009.8/2147044
式中：T L 为负载转矩，N·m ；F 为力，N ；r 为圆心到力的有效距离，m ；，D 为圆柱的直径，设为两米，由于圆柱类物体其重力在数学微积分算得在其半径的一半处，所以=
1
4
r D ，=9.8/g N kg ，为重力加速度。

而电动机的输出转矩为：
=⨯
=⋅N
N N
P T N m n 95501790.6 输出转矩比负载转矩大，所示能带动，同时有一定的余量，是考虑到传动装置、摩擦等因素要有一定的阻转矩。

异步电动机转速与变频器频率关系计算： 同步转速：
⨯=
==11606050
15002
f N r /min P 转差率：
---=
===1111150014000041500
N N N N N S .N N 转速与频率关系：
=-=
-=⨯=11116060
1109996299882
f N N (S )(S ).f .f p 所以，转速N 与频率f 1对应关系如表2-1所示。

表2-1 频率与转速的关系
2.2.4 PLC 的选择
1. I/O 点数统计
I/O 点数是PLC 的一项重要指标。

合理选择I/O 点数既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。

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。

该系统有11个数字输入点10个数字输出点，具体的输入输出如表2-2所示。

表2-2 I/O 点数统计表。