1、湖北工业大学商贸学院毕业设计 I 摘要 随着可编程控制器（ PLC）在工业控制领域的广泛应用，及传统的控制技术的不断更新。本文依据 PLC 为主要部件设计完成了全自动洗衣机的控制系统。该控制系统的工作流程主要由进水、洗涤、排水、脱水 4 个步骤组成，在本控制系统中 4 个步骤依次运行直至洗衣结束。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。 根据洗衣机的工作原理从而对程序及其流程进行了设计 ,该系统具有智能化程度高、安全可靠和运行稳定等特点。 同时本文介绍了全自动洗衣机的控制系统的 PLC设计方法、程序流程图、系
2、统结构图、程序指令、梯形图等，实现全自动洗衣过程。 在系统资源分配中给出了详细的 I/O 地址分配及辅助继电器，是程序设计的基础，设计出的全自动洗衣机控制系统中克服了单片机的缺点，具有 PLC 可靠性高，耗电少，硬件简单，运行速度高等优点。 关键词： PLC 自动 控制 洗衣机 湖北工业大学商贸学院毕业设计 II Abstract With the programmable logic controller (PLC) is widely used in industrial control field, and constantly updated traditional control t
3、echnology. In this paper, the main components of the design basis for PLC completed the automatic washing machine control system. The workflow control system is mainly composed of water, washing, draining, dewatering four steps, in the present control system in four steps in sequence until the laund
4、ry operation ends. Control method used is simple, reliable, easy to maintain and repair. After determining the control method to shorten production time control system design, debug cycle, and to reduce costs. Meanwhile article describes the design method PLC control system, automatic washing machin
5、e, program flow, the system structure, program instructions, ladder, etc., to achieve automatic laundry process. The allocation of resources in the system are given in detail in the I / O address assignment and auxiliary relays, is the basis for program design, design a fully automatic washing machi
6、ne control system to overcome the shortcomings of the microcontroller, PLC with high reliability, low power consumption, simple hardware, operating speed advantages. Keywords: PLC Theautomatic control The washing machine 湖北工业大学商贸学院毕业设计 III 目 录 摘要 . I Abstract . II 目录 . III 引言 . 1 1 课题背景及意义 . 2 1.1 洗
7、衣机发展概况和现状 . 2 1.2 研究的目的和意义 . 3 2 可编程序控制技术 . 4 2.1 PLC 的定义 . 4 2.2 PLC 的硬件结构 . 4 2.3 PLC 的基本工作原理 . 5 2.3.1 基本工作模式 . 5 2.3.2 PLC 工作过程 . 5 2.4 PLC 工作方式与特点 . 6 3 全自动洗衣机的控制系统的设计方法 . 7 3.1 全自动洗衣机的控制系统工作原理 . 7 3.2 控制系统结构 . 8 3.2.1 电动机及传动系统 . 9 3.2.2 进水和排水系统 . 9 3.2.3 检测电路系统 . 9 3.3 全自动洗衣机的控制系统功能 . 10 3.4 全
8、自动洗衣机的控制要求 . 11 4 硬件设计及 I/O 分配 . 12 4.1 硬件设计结构连线图 . 12 4.2 可编程控制器 I/O 口分配 . 13 4.3 可编程控制器的指令程序表 . 14 4.4 系统梯形图 . 15 结束语 . 16 参考资料 . 17 致谢 . 18 湖北工业大学商贸学院毕业设计 1 引言 可编程序控制器 (Programmable Logic Controller,PLC)技术是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，是一种新型工业控制器装置，是对传统继电器一接触器控制系统的改进。 可编程逻辑控制器的内部编程使用面向用户的指令，并且使用数
9、字式或模拟式的输入输出来控制工业生产过程，使得 PLC的操作更加方便灵活。 它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已经广泛应用于工业自动化、机电一体化、计算机控制等方面。 在以单片机为基础控制系统设计的全自动洗衣机中，存在着一些缺点。第一，控制指令较 PLC而言相对复杂；第二，相同控制系统稳定性中，单片机需要多种电路保护装置，例如过载保护、电流保护、 电压保护等，正因为增加了这么多的电路从而大大增加了硬件隐含的故障率。 如果采用基于 PLC 控制的全自动洗衣机控制系统则能有效克服这些缺点，首先PLC 的编程语言简单，梯形图明确，测试容易。其次， PLC 采用了整体模块，系统驱动电路，检测电
10、路和保护电路等都集中在一个模块中，硬件简单。基于此使得控制系统的可靠性大大增加。 湖北工业大学商贸学院毕业设计 2 1 课题背景及意义 1.1 洗衣机发展概况和现状 自 1858 年，一个叫汉密尔顿 史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机 ，至今 洗衣机的发展 经历了一个多世纪。世界上第一台电动洗衣机 于 1910 年 问世，这标志着人类家务劳动自动化的开端 。 第一台自动 洗衣机 于 1937 年问世。 1955年，在 英国喷流式洗衣机的基础之上，波轮式洗衣机 由日本研发生产 。至此， 洗衣机大体上 被 分为 波轮式、滚筒式、搅拌式 三种类型的 局面初步形成。 被称之为“半自动型洗衣
11、机”的 可甩干衣服 的双桶洗衣机，在 60 年代出现首次出现于日本，到了 70 年代， 则 生产出 了 波轮式套桶全自动洗衣机。 70 年代后期，以电脑（实际上是微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。 80 年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机 操作更简便 ， 功能更完善，更可以人为选择洗衣程序 ， 随着加工技术的发展，洗衣机的外观也更加时尚 。 90 年代 ，出现的 宽范围的转速变换与调节技术 ， 在这个基础上研发出来了 新水流洗衣机。 随着电机驱动方式 的 日新月异，日本研发 了不需要齿轮传动和变速机构 ，改为 电机直接驱动式 的洗衣机 ， 这在根本上改变了洗衣
12、机的驱动方式 。之后，随着科技的进一步发展，滚筒洗衣机已经成了大家 非常熟悉 的产品。伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式。 20 世纪末到 21 世纪初，变频洗衣机问世，使洗衣机的功能更加人性化，实现了真正意义上的智能化控制。 按洗衣机结构原理分类 1.波轮式洗衣机：在洗衣机 的底部中心处装有一个带凸筋的波轮，波轮旋转时，洗涤液在桶内形成螺旋状涡卷水流，从而带动衣物旋转翻动而达到洗涤目的。这种洗衣机的主要优点是洗涤时间短，洗净度较高，水位可调，品种多，适宜于洗涤棉、麻、纤和混纺等织物。缺点是易使衣物缠绕，影响洗净的均匀性，磨损率也较高。新颖的大波轮
13、、新水流洗衣机，其性能有明显的改善。 2.滚筒式洗衣机： 滚筒式洗衣机为套桶装置，内桶为圆柱形卧置的滚筒，筒内有3 4 条凸棱，当滚筒绕轴心旋转时，带动衣物翻滚，并循环反复地摔落在洗涤液中，从而达到洗涤的目的。滚筒式洗衣机，按投放 衣物的位置不同，可分为上装入式和侧湖北工业大学商贸学院毕业设计 3 装式。其优点是洗涤动作比较柔和，对衣物的磨损小，用水量和洗涤剂都比较省，适合洗涤毛料织物。但机器结构复杂，洗净度低，耗电量大，售价较高。 3.搅拌式洗衣机：搅拌式洗衣机在立式洗衣桶的中央置有一根垂直立轴，轴上装有搅拌桨。靠轴的旋转使衣物在洗涤液中不断地被搅动，达到洗涤的目的。这种洗衣机好似手工洗涤的
14、揉搓，衣物受力均匀，衣物磨损小，洗涤容量大。缺点是洗涤时间长，结构比较复杂，售价高。 4.喷流式洗衣机：喷流式洗衣机的洗涤容器为立桶，只是波轮装在桶的侧壁上。电动 机起动后，侧壁波轮产生强烈的水流将衣物在洗涤液中甩打、抛掷、揉搓、冲刷，使衣物洗净。其特点是洗涤时间短，污垢容易洗掉，机器结构简单，故障较少。但由于水流激烈，衣物容易拧绞在一起，因而洗涤不均，对衣物损伤较重，洗涤时洗涤液容易飞溅。 1.2 研究的目的和意义 以 单片机 为中心控制系统工作的全自动洗衣机，存在着一些本身不能克服的缺点如 单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对
15、环境依赖性强 ,开发周期长。 而且洗衣机控制系统中 相对复杂的指令系统，编写洗涤、脱水程序 相对复杂；其次，在设计控制系统硬件时， 需要多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护及欠压保护等等。 将 PLC 引入全自动洗衣机控制系统则可以有效的避免上述问题 。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
16、驱动电路、检测电路和保护电路 以及通讯联网功能，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。 湖北工业大学商贸学院毕业设计 4 2 可编程序控制技术 2.1PLC 的定义 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的储存器，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命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出， 各种类型的机械或生产过程 的控制。可编程控制器及其有关的外围设备 ，都应按易于工业控制系统联成一个整体， 扩大其功能的原则进行 设计。
17、 2.2 PLC 的硬件结构 1.中央控制处理单元 (CPU)是可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入信号的状态写入输入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。 通用微处理器有 8080、 8086、 80286、 80386 等；单片机有 8031、 8096 等 。 2.可编程控制器的存储器由只读存储器 ROM 和随机存储器 RAM 两大部分构成，只读存储器 ROM 用以存放系统程序；中间运算数据和用户程序存放在随机存储器 RAMCPU EPROM RAM 电源模块 用户输出设备 输入模块 用户输入设备 输入模块 I/O 接口 外围设备 计算机或其他PLC 通
18、信接口 湖北工业大学商贸学院毕业设计 5 中，掉电时，中间运算数据和用户程序保存在只读存储器 EEPROM 或由高能电池支持的 RAM 中。 3.输入输出接口作用：连接用户输入输出设备和 PLC控制器，将各输入信号转换成 PLC 标准电平供 PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。 4.开关量 输入接口电路 ， 各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使 PLC与外部输入信号进行隔离；并设有 RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。通常有三种类型：直流 (12 24)V 输入、交流 (100 120)V 输入与交流 (200 240)V 输入
19、和交直流 (12 24)V 输入。直流输入模块的电源一般由机内 24v电源提供，输入 输出端子的两种接法： 隔离式 ， 输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路 ； 汇点式 ， 全部输入点（输出点）共用一个公共点 。 组内的各点必须使用同一电压类型和同一电压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载。 5.电源 ： PLC 的供电电源一般是市电， 其内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流 /直流供电电源转化为 PLC内部电路需要的工作电源（ 5V直流）。当输入端子为非干结点（无源结点）结构时，为外部输入元件提供 24V 直流电源（仅供输入端点使用）。 6.外围设备 ： 编程器、打印机、
20、演示板等 。 利用编程器可将用户程序输入 PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视 PLC的工作状态。 7.用户输入输出设备 ， 用户输入器件有控制开关和检测元件，即各种开关、按钮、传感器等；用户输出设备主要有接触器、电磁阀、指示灯等。 信号接通时输入电流一般小于 10mA；交流输入模块的电源一般由用户提供 。 2.3 PLC 的基本工作原理 2.3.1 基本工作模式 PLC的基本工作模式 有运行模式和停止模式。运行模式：分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段 ； 停止模式当处于停止工作模式时， PLC只进行内部处理和通信服务等内容。 2.3
21、.2 PLC 工作过程 湖北工业大学商贸学院毕业设计 6 PLC采用循环扫描的工作方式。这种工作方式是在系统程序的控制下顺序扫描各输入点的状态， 根据 用户程序 进行运算处理， 则该序列相应的控制信号的输出 。 顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序的设计 并提供了一个非常有用的，以确保PLC的可靠运行。 一方面后，扫描的指令被执行，结果可以立即扫描被指导使用；另一方面，为了避免在 CPU 内部故障使程序进入一个由错误的结果导致无限循环。从而避免由于内部 CPU进入一个无限循环程序的故障和失效 产生的 影响。 PLC的工作过程就是程序执行过程。 PLC 投入运行后，便进入程序执行过程。它分为
22、三个阶段进行，即输入采样（或输入处理 ）阶段、程序执行（或程序处理）阶段和输出刷新（或输出处理）阶段。 1.输入处理： PLC在执行程序前，将 PLC 的整个输入端子的 ON OFF 状态写入到输入数据存储器中。在执行程序的过程中，即使输入变化，输入 数据存储器的内容也不变，而在下一个周期的输入处理时，写入这种变化。输入滤波器会造成输入响应滞后 (约 10ms)，如采用数字滤波的输入端子，可以通过程序修改滤波时间。 2.程序处理： PLC根据程序存储器的指令内容，从输入数据存储器与其他软器件的数据存储器中读出各软器件的 ON OFF 状态， 从零开始写操作步骤的顺序 每次将结果写入数据存储器。
23、 此外 ，输出继电器的内部触点可利用输出数据存储器的内容执行。 3.输出处理：所有命令执行结束时， 对在末端的 ON / OFF 状态的数据存储和输出数据存储器 Y 输出 ，这成为 PLC 的实际输出。 PLC的外部输出触点的动作按输出用器件的响应滞后时间动作 (10ms)。 2.4PLC 工作方式与特点 PLC 的工作包括 集中采样、集中输出、周期性循环扫描， “ 串行 ” 工作方式 。 1.扫描周期： PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 PLC 运行正常时，扫描周期的长短与 CPU 的运算速度有关，与 I/O 点的情况有关，与用
24、户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用 PLC 执行 1K 指令所需时间来说明其扫描速度 ( 一般 110ms/K) 。 2.输出滞后：指从 PLC 的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。一般为几十 100ms。 引起输出滞后的因素：输入模块的滤波时间、湖北工业大学商贸学院毕业设计 7 输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后。 3.由于 PLC 是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。 4.由于 PLC 是串行工作，所以 PLC 的运行结果与梯形图程序的顺序有关。 这与继电器控制系统 “
25、 并行 ” 工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减少繁琐的联锁电路。 3 全自动洗衣机的 控制系统的设计方法 3.1 全自动洗衣机的控制系统工作原理 洗衣机一般由支承系统、洗涤系统、脱水系统、电器控制系统及进排水系统组成。 按部件来分又可以细分为 由电机、定时器、进水电磁阀、排水电磁阀、水位开关、离合器、蜂鸣器等组成。洗衣桶 (外桶 )和脱水桶 (内桶 )是以同一中心安放的。外桶固定，作盛水用；内桶可以旋转， 内桶可以旋转主要作为洗涤、脱水用，内桶与外桶有小孔相连，实现水流相通。洗衣机的进水和排水靠进水电磁阀和排水电磁阀执行。 其中进水阀和排水阀由 PLC 给定信号来决定其工作状态； 洗涤要求中的正转和反转主要是靠电动机驱动波盘的正、反转来实现 ，而电动机的正、反转状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态，而电动机的工作状态也是由控制中心 PLC 给定信号来决定的。 电机在快速转换过程中，电势能够快速转换，但电机内部磁场和电势不是同步换向的，因此在设计控制过程中要考虑电机有一个暂停过程，以便电机可靠地转换电势方向下。 PLC在系统中是处于 中心位置，如果没有暂停的过程将 直接影响洗衣机的洗涤和脱水程序 在实现控制过程中，各种采样信息都是通过控制中心进行各种判断、比较和选择，再经信息线路反馈给洗衣机各控制执行机构，决定洗衣机的工作状态。
