学士学位毕业设计（论文）
基于PLC的工业洗衣机
设计
学生姓名：张豫 学 号：20114073218 指导教师：刘羽楠 所在学院：信息技术学院 专 业：电气工程及其自动化
中国·大庆 2015 年 5 月
黑龙江八一农垦大学
本科毕业设计（论文）任务书
学生姓名 张豫 论文题目 题目 分类 所在班级 电气2011级(2) 导师姓名 刘羽楠 导师职称 讲师 基于PLC的工业洗衣机 1．应用与非应用类：〇工程 〇科研 〇教学建设 〇理论分析〇模拟 2．软件与软硬结合类：〇软件〇硬件〇软硬结合〇非软硬件 （1、2类中必须各选一项适合自己题目的类型在〇内打√） 主要研究内容及指标： 本文首先介绍了可编程控制器（PLC）的结构和功能结合工作需要，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。 主要参考文献： [1]刘善增. PLC控制系统的可靠性设计[J]. 工业控制计算机,2004,07:37-39+47. [2]张桂香,张志军. PLC的选型与系统配置[J]. 微计算机信息,2005,09:81-82+36. [3]张东明,文友先. PLC的发展历程及其在生产中的应用[J]. 现代农业装备,2007,09:60-64. 阶段规划： 2015年3月2日——2015年4月2日 掌握PLC基本工作原理 2015年4月2日——2015年5月2日 搜集相关素材、查找资料、完成论文初稿 2015年5月2日——2015年5月20日 撰写、修改论文 2015年5月24日 论文答辩 开题时间 2015年3月2日 完成论文时间 2015年5月20日 专家审定意见： 系主任签字： 年 月 日 注：1．任务书由指导教师填写后交给学生，要求学生妥善保存。
摘要
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。 关键词：工业洗衣机 PLC控制系统 PCL编程
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ABSTRACT ABSTRACT
This paper first introduces the programmable logic controller (PLC) structure and function, and the structure of automatic industrial washing machine, and then the analysis and study of working principle of automatic washing machine control system. On this basis, combined with the need to work, put forward by the PLC for the control of the core components of the design of automatic washing machine control system. Then, from the point of view of fully automatic washing machine six working process, the system control scheme are analyzed and the feasibility demonstration, including PLC and peripheral equipment selection, programming options, all kinds of anti interference measures. Finally, the design of the control system of automatic industrial washing machine to Siemens S7-200 series PLC as control core, including the I/O port allocation, control system of the PLC wiring diagram and the program design of PLC, and a detailed analysis of the control process program, realizes the automatic washing machine washing process, has the characteristics of high intelligence, safety reliable, convenient, flexible, etc..
Keywords: industrial washing machine PLC control system PCL programming
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目录 目录
摘要 .................................................... 1 ABSTRACT ............................................... II 前言 ................................................... IV 1 绪论 .................................................. 5 1.1研究背景 .......................................... 5 1.2国内外研究现状 .................................... 6 1.3研究目的与研究意义 ................................ 7 2 系统硬件设计 .......................................... 9 2.1控制器方案 ........................................ 9 2.2系统硬件控制原理 ................................. 12 2.3电动机选型 ....................................... 13 2.4 主电路设计 ....................................... 14 2.5 继电器选型 ....................................... 14 2.6 变频器测速与水位检测电路设计 ..................... 15 2.7 I/O端口设置 ..................................... 18 2.8 I/O连接图 ....................................... 20 3系统软件设计 ......................................... 21 3.1 自动控制程序设计 ................................. 21 3.2功能程序设计梯形图 ............................... 23 4 系统调试 ............................................. 31 4.1 软、硬件调试 ..................................... 31 4.2 电磁干扰问题 ..................................... 32 结论 ................................................... 33 参考文献 ............................................... 34 致谢 ................................................... 36 附录 ................................................... 37
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前言 前言
随着人们生活水平的不断提高，洗衣机已经作为一件必备实用的家用电器进 入了千家万户。 人们对洗衣机依赖性的加强也必然要求着洗衣机的各相性能得到 同步加强， 要求着洗衣机适应各种不同使用环境的能力得到进一步提升。 近年来， 可编程控制器在我国的迅速发展，它所具有的功能性强、可靠性高、配制方法灵 活等特点是其它控制器所无法匹敌的，因此，它被越来越广泛的应用于各类工业 控制领域并加快了向民众生活进军的步法。 本文讲述的是如何利用 PLC 实现全自动洗衣机的控制，实现洗衣、清水、 脱水的全自动控制。本文结合 任务设计书的要求，以洗衣机为研究对象，采用了西门子公司S7-200系列可编程逻辑控制器作为洗衣机的控制器。 对洗衣机的控制 系统的总体功能进行了分析，阐述了可编程逻辑控制器的组成和工作原理。并提出了洗衣机硬件的各组成模块。本设计改善了洗衣机 系统的控制品质。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 1 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
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 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
1.2.1国外研究现状
1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期，从此，可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来了，在许多领域都有广泛的应用。PLC具有以下优点：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。PLC生产厂家和型号种类繁多，在选型过程中要根据设计需求选择合适的PLC型号。
德国西门子公司生产的S7-200系列CPU226型PLC，将微处理器、集成电源和多个I/O接口集成在PLC内部，结构较为紧凑。同时，还可以在PLC外部增加扩展模块，比如温度测量扩展模块、通信模块等，使其控制功能更加完善，使用更加方便。用户还可以通过厂家提供的STEP7-Micro/WIN32软件编程，并可在线创建、测试、仿真和修改，然后再通过专用电缆下载到PLC芯片，实现具体的各种控制功能。PLC编程语言简单，容易学习。同时，PLC可以反复使用，降低了测试费用。PLC也设置有串口，可以方便的与计算机连接，给系统的维护和使用带来了方便。
1996年德国西门子公司将LOGO！投入市场，填补了继电器与PLC之间的技术空间。LOGO！本身集成了编程能力，用户只需使用LOGO！面板上的键盘与屏幕，就可轻松编写控制程序并可随时修改程序以及调整参数设置。继电器输出的LOGO!的承载电流高达10A，无须中间继电器与接触器，可直接接入负载。提供了12V、24V和115～240V三种工作电压等级，可适用于各种不同的应用场合。也开始把LOGO!运用到洗衣机控制系统中，对自动洗衣机控制系统进行了创造性的设计，为以后的发展做了一个很好的尝试。国外一些研究者后来逐渐把把PLC运用到洗衣机控制系统中。主要使用的也是西门子S7-200型和三菱FX2N系列PLC作为控制核心。
1.2.2 国内研究现状
我国PLC是20世纪70年代从国外引进并开始发展起来的，其技术特点主要与西门子和三菱PLC相兼容。目前，国产PLC主要是小型机。生产厂家也逐年增加，数量已经超过几十家，生产时间比较长的有台达、永宏、丰炜、
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 和利时、信捷、易达、科威、德维森、KDN等厂家但是仍未掌握其核心技术。目前市场上，台达PLC占国产市场第一。
2002年有人提出采用三菱F1-20MR型PLC设计洗衣机控制系统，也能满足基本需要。软件设计程序采用梯形图形式。2004年则提出采用三菱FX1S-30MRPLC设计洗衣机控制系统，改变了以往机械式洗衣机在进水、清洗、放水、甩干等环节转换时继电器触点动作声音过大，使用寿命短等缺点，PLC无触点连接，几乎听不到继电器动作声音，延长了各零部件的寿命。
20世纪末期，工业发展迅猛，对自动控制的要求也越来越高，传统的微处理器也不能满足工业要求，而可编程控制器也不断发展，出现了大型机和超小型机，能够满足各种工业领域的控制要求，功能也更加丰富，增加了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在各个工业领域都得到了广泛应用。
1.3研究目的与研究意义
1.3.1 研究目的
由于PLC是模块化形式，根据目前实际情况，本次设计采用PLC作为控制核心，设计制作一个全自动工业洗衣机控制系统。
全自动洗衣机要求实现以下功能： 1.自动执行标准程序；
2.根据衣物重量选定水位和注水量； 3.自动选择浸泡和洗涤时间； 4.自动判定水位；
5.自动完成整个洗衣过程（进水、浸泡、洗涤、排水、漂洗、排水、脱水、完成报警）等。
整个系统需要具有以下特点：硬件电路简单、编程简单易读、可靠性较高、耗电量较少、运行速度快、寿命长、价格便宜等。
根据使用需要，洗衣程序设计有自动方式和手动方式两种。洗衣机程序处于自动方式时，洗衣机执行标准程序，即PLC按照事先编写好的程序工作，包括自动完成衣物称重，自动设定水位和注水，自动设定浸泡时间、洗涤、漂洗、脱水时间，并且按照各个过程所设定的时间完成注水、浸泡、洗涤、排水、注水、漂洗、排水、脱水等整个洗衣过程。当洗衣机程序处于在手动方式时，可以人为的在洗衣机洗衣过程中按下电源停止按钮，使电源断开，强制洗衣过程停止。也可以再通过启动电源按钮，继续洗衣过程。并且，可以通过手动脱水按钮进行排水和脱水，以控制水位和排水量。在整个过程中，可以根据自身需要，自行设定每个过程的时间，达到个性化洗涤的目的。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 1.3.2 研究意义
中国的洗衣机行业经过20年的快速发展，目前年产量已超过120万辆，居世界第一位。在发展的过程。在中国的洗衣机发展历程，我们可以看到，中国的家电行业在技术和设计完全挪外国的。不仅改变了最初的外国品牌占据市场的情况，产品还销往国外市场，并以完美的品质，优秀的设计和各种功能，赢得了良好的声誉。目前，在一些行业的环境，工作强度更大的洗衣机比家用洗衣机。它需要洗衣机连续工作在相对恶劣的条件下长时间，控制系统更加稳定、耐用，从而取得更好的经济效益。然而，控制系统，来实现这一点，我们需要的技术标准。作为工业用洗衣机，其成本相对较高，可以凭借其优异性能来弥补带来的经济效益。
社会的快速发展和人们生活节奏的加快使全自动洗衣机得到很快发展，PLC的出现为全自动洗衣机的自动控制提供了新的平台。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化控制技术和通信技术发展起来的一种新型控制装置，能够满足全自动洗衣机对控制系统的要求，赢得了很多企业的青睐，所以，有必要通过先进的技术和较低的成本开发和改善现有洗衣机，使其拥有更广阔的市场竞争力。而随着PLC的价格逐渐下降，我们可以应用PLC实现对洗衣机的开发，更好地为消费者服务。技术的进步要求设计人员能够不断的提出新的建议和课题，满足人们生活的需要，并设计出更加节能、功能更完善、更人性化的产品。因此，本文以PLC作为控制器设计全自动洗衣机控制系统具有很强的实用性和现实性。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 2 系统硬件设计
2.1控制器方案
2.1.1 微处理器控制
微处理器控制就是控制器采用微处理器。这种以微处理器控制器的核心的全自动洗衣机控制系统主要是由单片机，稳压电路，放大驱动电微处理器控制就是控制器采用微处理器。这种以微处理器控制器的路，输入电路，显示电路等组成。其基本原理方框图如图1所示。
图1 微电脑控制器洗衣机原理框图
由于单片机具有结构简单，功能强大的编程功能，已被广泛应用于全自动洗衣机控制系统。在洗衣机生产过程的每一个制造商的洗涤过程的程序写在单芯片。当用户需要使用洗衣机时，接通电源，只需要一台洗衣机，然后选择面板上的功能的洗衣机按钮，选择一个特定的洗涤程序，电脑程序控制器可以根据操作指令的类型，从单片机内存中删除并执行相应的程序顺序，然后输出信号端，经放大后，驱动电路，驱动电机的正反转，电磁阀的开关动作，完成洗衣机的每一个工作过程，从而实现整个洗衣过程的自动化运行。由于电脑程序
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 控制器其自身使用的是低压直流电源，所以需要将电网中交流220V电压，通过变压器降压、二极管整流、电容滤波、稳压芯片稳压等电路，产生稳压电源。一般情况下，稳压电路采用三端集成稳压器进行稳压。另外，单片机输出信号电流较小，驱动能力较弱，不能直接带动电动机等大功率器件工作，所以需要经过电流放大后，驱动执行器件完成动作。在以单片机为控制核心的洗衣机控制系统中，单片机的每个输出接口接一个三极管，由于三极管具有功率放大的作用，能够驱动继电器动作。另外，也可以将三极管更换为双向可控硅，只需要控制可控硅的控制极，以控制可控硅的通断情况，从而驱动执行器件工作。
特别需要注意的是，单片机输出的控制信号最终都是由继电器或双向可控硅来实现对电动机或者电磁阀的控制。单片机程序控制器的键盘通常都采用轻触式按键，进行动态扫描输入，由微处理器产生的扫描信号来识别每个键的开关状态，并接在同一个矩阵中。当键盘有输入时，就会接通矩阵中相应的电路，产生信号，并由处理器进行处理，完成键盘控制。
2.1.2 电动机控制
由于电动程序控制器输出电流较大，驱动能力较强，其触点能够直接控制电动机、电磁阀等。其控制电路基本原理图如图2所示。
图2 电动程序控制器电路原理图
电动机控制器内部是由同步电动机作为动力装置，由于同步电动机转速较高，容易造成设备损坏，所以，需要减速装置将转速稳定在一个应许范围。然后，再驱动凸轮结构转动，由于凸轮机构能够将转动转换为移动，并且移动轨迹是连续有规律的曲线。所以，凸轮机构通过电触点与各种开关连接，控制这些开关的通断，从而驱动执行器件的工作。水位是由水位开关控制，进水电磁阀执行。当水位到达设定水位时，触点动作，进水阀关闭，同时，电动机通电启动，开始洗涤过程。在洗涤过程中，程序控制器控制高速凸轮组使波轮重复“正转-停-反转-停”的过程。在洗涤结束后，程序控制器使电动机断电，波轮
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 也随之停止转动。同时，排水阀开启，进行排水过程。水排净后，程序控制器又使电动机通电，脱水电动机启动，并高速运转，完成脱水过程。
脱水结束后，电动机停止转动。开始进行第一次漂洗过程，整个漂洗过程包括注水、洗涤、排水、脱水过程。然后再进行第二次漂洗。当漂洗过程结束，进行最后一次排水、脱水。在整个洗衣过程中，程序控制器中各电触点的自动转换是靠凸轮机构的运动特性控制的。其运动轨迹和转速由凸轮的形状和转动的速度决定。
电动程序器式全自动洗衣机的程序是由生产厂家预先将程序写入到程序控制器中，然后由用户通过程序选择开关进行选定。在程序执行过程中，如误将盖打开，则安全开关的动断触点立即断开，切断电动机电源，使之停止运转。在脱水时，如脱水桶振动过大，也会使安全开关的动断触点断开，电动机停止运转。在程序结束时，程序控制器接通蜂鸣器的电源，使之发出警报，提醒用户洗衣完成，实现自动化。
2.1.3 PLC控制
电脑控制器其优点是：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。
可编程控制器由于是模块化结构，所以，PLC体积较小，能耗较低，安装调试方便，各个模块能够通用，使维护工作量较小。并且，PLC工作原理是采用周期扫描的工作方式，使PLC的抗干扰能力很强，可靠性很高。在软件编程方面，PLC使用的基本指令较少，编程语言简单，用户容易学习、使用。
目前，市场上产品的种类日新月异，这就要求产品能够根据市场需求做出迅速反应，生产出低成本和高质量的产品，提高产品的市场竞争力。可编程控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）是在电气控制技术和计算机技术的基础上，以微处理器为核心的通用工业控制装置。在发达国家的工业领域及生产线上得到了广泛应用，并且推动了工业领域的各个行业快速发展，产品的可靠性也得到了极大提高。在我国有越来越多的行业领域开始应用到PLC，包括机械、冶金、化工、电力等领域，尤其在数控机床上得到了典型应用。PLC的应用主要有数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等几个方面。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 2.1.4 结论
综上所述，全自动洗衣机控制系统采用PLC作为控制核心，能够满足洗衣机自动控制的功能，也能够提高洗衣机的使用寿命，减少控制器外部电路，实现洗衣机的全自动化和智能化。所以，本次设计采用PLC作为系统控制器。
2.2系统硬件控制原理
硬件设计的整体思路就是通过PLC输出的数字信号控制继电器组，达到控制电路的目的。电机“正转”、“反转”、“脱水”由三个继电器组控制，继电器的线圈分别与PLC的输出端相连，受控于PLC的输出信号。其中正转组和反转组是通过变频器的限制后接入电动机的，因此，改变变频器参数就可以改变洗涤和漂洗时的速度。而脱水继电器组直接与电源和电动机相连，这样，当洗衣机处于脱水状态时，电动机按额定转速工作。所以，在工作时转速会和洗涤漂洗有所区别。本次设计工业洗衣机控制系统电路框图如图3所示。
图3 洗衣机控制系统电路框图
PLC控制系统要控制的对象主要包括：电动机、电磁阀、继电器等。其中电动机的工作状况（包括正转和反转）、工作时间，需要根据不同的程序来进行设定，进水阀和排水阀则是通过水位检测传感器进行控制。LED用来显示洗涤速度和脱水速度，数码管用来显示工作状态及运行时间，按键用来设置洗涤速度和脱水速度以及时间选择，蜂鸣器用来进行程序运行提示及故障报警。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 2.3电动机选型
电动机是一种将电能转换成机械能的设备。主要是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场，在定子绕组旋转磁场的作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。电动机根据工作电源不同，可分为直流电动机和交流电动机，其中交流电动机又包括单相交流电动机和三相交流电动机。三相交流电动机是在电动机的三相对称绕组通往三相对称电流，产生圆形旋转磁场。旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。若要改变电动机的旋转方向，只需任调通入定子绕组中两相电流的相序即可。而单相交流电动机由于采用的是单相交流电，并且定子磁场是一个大小和方向随时间不断变化，但磁场轴线位置始终不变的脉动磁场。同样，可以产生电动势，然后形成电磁力，驱动电动机转动。在家用全自动洗衣机中，基本都使用的单相交流电，所以电动机也是采用单相交流电动机。常见的单相交流电机有分相启动式、罩极式、电容启动式等。
电容启动电动机结构简单、启动快速、转速稳定，被广泛应用在电风扇、排风扇、抽油烟机等设备。但是，起动转矩大，转速较高，因此，在波轮洗衣机中得到广泛应用。罩极式电机的特点是结构简单，制作成本低，运行噪声较小，当负载变大时，其转速下降很大，但负载变小时，其转速升高很快。因此，这种电机更适合使用于负载比较小的应用。由于洗衣机的负载一般大于超过5Kg，罩极式电机不能驱动洗衣机工作。单相交流电动机在交流50Hz电源中运行时，电动机转速较高的也只能达每分钟3000转。交直流两用电动机电机转速每分钟可高达20000转。显然，交直流两用电动机是可以应用于洗衣机的，然而，由于其转速高，决定了其只能用于需要高速运转的场合，例如脱水转速大于每分钟1000转，因此，它可以应用于滚筒洗衣机中。
结合电动机特点和工业洗衣机容量一般为300公斤的实际需要，本次设计采用三相异步电动机。
所以本设计选用如下参数的三相异步电机：
（1）电机型号：（Y5001-4） （2）额定频率：（50HZ） （3）额定功率：（1000KW） （4）额定电压：（220V） （5）极数：（4极） （6）防护等级：（IP23） （7）冷却方法：（IC01）
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） （8）安装型式：（IMB3）
（9）旋转方向：[顺时针方向（面对电机轴伸端看）] （10）出线盒位置：[电机右侧（面对电机轴伸端看）]
2.4 主电路设计
从三相异步电动机的工作原理可知，三相异步电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向，并且两者的转向相同，因此只要改变旋转磁场的旋转方向，就能使三相异步电动机反转，而磁场的旋转方向又取决于电源的相序，所以电源的相序决定了电动机的旋转方向。任意改变电源的相序时，电动机的旋转方向就会随之改变，即要改变三相异步电动机转动方向，只要把电动机的3根引出线中两根调换一下，在接上电源电动机就能反转了。
FU
KM1
KM2
FR
图4 主电路图
2.5 继电器选型
继电器是用来自动接通或断开电路的低压开关。主要用于控制与保护电路，也可以对电压、电流或者时间、压力、转速等作出反应。继电器主要由电磁系统、触点系统等组成。
电磁系统：主要包括线圈、衔铁、静铁心。当线圈通电后，衔铁在电磁吸
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 力的作用下，克服弹簧弹力与静铁心吸合，带动触点动作，从而接通或断开电路。当线圈断电后，电磁力消失，触点动作，断开或接通电路。
触点系统：触点是继电器的执行部件，用来接通或断开被控电路。根据用途的不同，可分为常开（动合）触点和常闭（动断）触点。
在本次设计中，对继电器的使用较为突出，原理是利用可编程序控制器的24V直流信号来控制继电器线圈，实现由可控制的按预定程序接通/断开的380V三相电源给电动机供电。
本次使用的继电器模块由三组三联装共九个继电器组成，每组继电器完成一个功能。可分为：正转控制组，反转控制组及脱水控制组。控制线圈与PLC的输出口相连，电动机高压电源通过变频器以后与继电器“常开引脚”相连，公共端接地。它们的开合直接由可编程序控制器输出的离散信号控制。即当洗衣机处在洗涤过程要求正转时，正转控制组闭和，反转及脱水控制组断开，三相电源按照原始顺序接入，电源由变频器控制频率后给电动机供电，此时电动机正转且速度为预定数值；当洗衣机处在洗涤过程要求反转时，反转控制组闭和，正转及脱水控制组断开，此时，三相电源中的两相已被继电器互换相接，由于三相异步电动机改变任意两相电磁力矩相反，电源再由变频器控制频率后给电动机供电，此时电动机反转且速度为预定数值；当洗衣机处在脱水过程要求高速正转时，脱水控制组闭和，正转及反转控制组断开，此时，三相电源按预定顺序接入，电源直接接入电动机，电动机按额定转速正转。
2.6 变频器调速与水位检测电路设计
2.6.1 变频器的型号
变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。目前使用较多的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。在洗衣机变频器中，整流电路将交流电转换为直流电，直流电路对整流电路的输出信号进行平滑滤波，逆变电路将直流电转换为交流电供给电动机，电动机定子绕组供电的频率发生改变。
在本次设计中遇到需改变电机转速及正向反向交替旋转的问题，并且需要实现在洗衣机全自动的过程中洗涤和脱水的转速变化，这样就必须运用一定的措施来控制电源的出入从而使其显现出明显不同的观察效果。由于在整个过程中，变频器的作用仅为控制电机的转速，正反向旋转及高速脱水均由继电器实现，使得变频器的参数设定不必过于复杂，运用变频器出厂设置稍作调整，即可实现对外部端子的点动控制
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 本次设计为了调节电机转速，变频器选择西门子G110变频器， 西门子G110变频器参数如下表2所示
表2 G110变频器参数设置
参数号 P0304 P0305 P0306 P0310 P0311 P0711 P1000 P1080
参数名称 额定电压 额定电流 电机额定功率 电机额定频率 电机额定转速 选择命令信号源 选择频率设定值 最小频率
设定值 220V 0.5 0.75 50 1460 2 2 5
说明 单位：A 单位：KW 单位：HZ 单位：r/min 由端子输入 设定值 单位：
2.6.2水位检测
在水位检测中，本次设计浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、
信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成，一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动，导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。采用EM235输入/输出模块和液位传感器将检测到的水压转换成标准电压或电流信号，系统需要配置模拟量输入模块，将电压或电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里我们选择西门子的EM235模拟量输入/输出模块。图5为EM235模块与液位传感器连接示意图。24VDC电源正极接入模块左下方L+端子，负极接入M端子。EM235模块的上部端子排为标注A、B、C、D的四路模拟量输入接口，可分别接入标准电压、电流信号。为电压输入时，如A口所示，电压信号正极接入A+端，负极接入A-端，RA端悬空。为电流输入时，如B口所示，须将RB与B+短接，然后与电流信号输出端相连，电流信号输入端则接入B-借口。若4个接口未能全部使用，如C口所示，未用的接口要将C+与C-端用短路子短接，以免受到外部干扰。下部端子为一路模拟量输出端的3个接线端子MO、VO、IO，其中MO为数字接地接口，VO为电压输输出接口，IO为电流输出接口。若为电压负载，则将负载接入MO、VO接口，若为电流负载则接入MO、IO接口。
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图5水位检测电路图
图6 水位检测电路与变频器连接图
工业洗衣机在洗涤过程中，滚筒在低速起动时会引起瞬间的超大负荷，为此要求电机具有低速转矩提升补偿功能。而在高速脱水时，由于水已经排出，负载大为降低，电机应工作在恒功率状态，并且为使衣物在滚筒内均匀分布，电机应保持高惯性。工业洗衣机调速系统结构图如图7 所示。
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图7 工业洗衣机调速系统结构图
体控制流程如下：先由控制面板选择洗涤方式，并发出起动指令。然后传感器将检测到的布质、布量等信号处理后送入PLC，PLC根据设定的程序确定洗涤各阶段的操作顺序、洗涤时间等。再通过开关量输出信号给变频器发出指令，以控制电动机的正反转、起停、多级速率选择、多级加减速率选择。当检测到电动机过载时，将故障报警信号反馈给PLC，控制指示灯报警或者控制电动机停机。
2.7 I/O端口设置
PLC的输入输出量有开关量和模拟量两种。在洗衣机控制系统中，PLC输入和输出端都是经过隔离、转换后的开关信号。输入接口设备包括开关、按钮、继电器触点和传感器等。输出信号控制设备包括接触器、电磁阀、指示装置等。PLC输入输出接口较多，控制功能强大。需要根据实际需要选择合适的I/O端口进行设置，达到控制要求。结合本次设计需要实现的功能，PLC的I/O地址分配如表1所示。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 表2 PLC接口分配表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
名称 启动信号 停止型号 开始洗涤 门开关 高水位 中水位 低水位 手动排水 手动脱水 高水位检测开关 中水位检测开关 低水位检测开关 排空检测开关 通电指示灯
主电动机正转继电器 主电动机反转继电器 排水电机继电器 进水阀
主电机脱水继电器 进水指示灯 洗涤指示灯 排水指示灯 脱水指示灯 报警蜂鸣器 高水位指示灯 中水位指示灯 低水位指示灯
地 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5
符号 SB1 SB2 SB3 SQ1 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 L1 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 L2 L3 L4 L5 M1 L6 L7 L8
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2.8 I/O连接图
I/O接线图是进行施工接线的主要技术文件，图8所示为全自动洗衣机控制系统的I/O接线图。
图8 PLC硬件接线图
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 3系统软件设计
3.1 自动控制程序设计
根据硬件电路，分配PLC接口，然后根据控制要求，将全自动洗衣机工作过程分为以下几个部分：进水（使进水电磁阀得电打开）；正转洗涤；暂停；反转洗涤；暂停；排水（使排水电磁阀得电排水）；脱水；报警。然后，将系统中各状态连接成状态转移图，如图9所示。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 启动 进水 设定水位 洗涤正转 30S 暂停 2S 洗涤反转 30S 暂停 未满五次 2S 正、反洗满五次 排水 底水位 脱水、排水 循环未满两次 30S 循环满两次 报警 图9 全自动洗衣机PLC控制系统顺控流程图
当PLC进入自动程序后，对计数器、寄存器、继电器触点状态进行初始化处理。当按下启动开关后，移位寄存器（用于完成一个按钮控制两种状态的转换）触点动作，常开触点闭合，电路接通，洗衣机各执行设备开始运行。在启动、暂停控制过程中。使用了两个辅助继电器和一个定时器，当按下电源按钮时，定时器开始计时，若未按下启动／暂停按钮，则自动断开电源。选择水位与浸泡、洗涤时间设定需要的标准较多，所以在软件设计时，使用了十个控制水位的继电器开关，三个控制浸泡时间的继电器开关，四个控制洗涤时间的继电器开关。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 在时间设定结束后，进入漂洗过程，即注水、电机转动、排水、脱水。其中电机转反正带动波轮转反正。机电转动时间由五个定时器和计数器控制。
3.2功能程序设计梯形图
M0.0 指示
指示
指示
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— 通电标志
高水位选择
中水位选择
低水位选择
高水位标志 低水位标志
中水位标志黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 志M0.2
程序
志
志
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— 自动洗涤标
自动洗涤子
手动排水标
手动排水
手动脱水标
手动脱水
自动洗涤
黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 开盖停止所有工作
显示数据地
址
进水
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） —26
—等待2S
洗涤正转30S
等待2S
黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） —27
—
洗涤反转30S
等待2S
黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） —28
—
判断正反洗涤次数是否达到5次
排水
黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） —29
—
脱水30S
等待2S
黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） —30
—判断是否洗涤2次
洗涤完成蜂鸣3S
关机
黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 4 系统调试
4.1 软、硬件调试
4.1.1硬件调试
首先安装硬件：PLC要与变压器、变频器等保持适当距离，组件位置有利于日后检修，预留空间，供日后系统扩充使用。在装上电源模块前，必须要让电源线上与金属机壳连结。接地不好的话，会导致静电、浪涌、外干扰等等。安装I/O模块时，先确保各接触点是紧密结合的；模块固定螺丝锁紧；接线端子排插入后，其上下螺丝必须旋紧，否则可能导致模块从机架中松开，造成威胁。其次，进行脱机调试，具体步骤如下：在样机加电之前，核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。用万用表检测电源的走线是否正确，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查各种短路现象，避免造成设备损坏和人身伤害。
在脱机运行成功的基础上，进行联机加电调试。在每个关键测试点进行测量，包括电压、电流及其极性等参数。特别是PLC电源部分，由于使用直流24V电压，需要先测试PLC电源是否为标准电压，再接通电源。否则，可能损坏PLC，造成不必要的损失。在确保硬件连接正确的情况下，对系统加电调试，同时对各个测试点进行参数测量。通过万用表测量，系统硬件运行正常。
4.1.2 软件调试
每种PLC都有各自的编程软件作为应用程序的编程工具，软件调试则是通过编程工具进行在线调试。按照功能要求，逐步执行程序，通过编程工具监视运行状态是否正常。如果出现异常，则需要查看程序异常位置，并进行相应修改。
在PLC进行程序下载时，PLC不允许进行电源中断的，因为这时，旧的程序已经部分被改写，但新的程序又没有完全写完，因此，如果电源中断，会造成PLC无法运行，这时，可能需要对PLC的底层软件进行重新装入。
在程序调试过程中，硬件执行情况也同时进行。每执行一段程序后，观察硬件是否能同时工作，如果不能正确运行，则需逐步检查，排除故障。比如，当出现注水过程不能停止故障时，首先，检查进水阀是否存在问题。如果有问题，则更换器件。如果硬件没有问题，则需要检查软件程序是否出错，可能存在水位设定时，取值出错，造成程序无法判断水位是否到达最高水位。然后，将水位设定值修改正确，然后通电调试，系统能正常工作。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 4.2 电磁干扰问题
电磁干扰问题是机电系统设计过程中普遍存在的物理现象。如果洗衣机控制系统中，存在电磁干扰问题，会引起PLC处理的信号出现误差，出现误操作，造成洗衣机内部电路不能正常工作。所以，在系统调试过程中，要尽量排除电磁干扰源，确保系统能有效运行。电磁干扰的原因也由于系统的不同而有所不同。但是，其中最主要的原因有两种，即高频信号干扰和接地不良。高频信号的产生主要是由于洗衣机电机启动瞬间产生的启动电流和电压很大造成的。另外，在洗衣机运行过程中，触点在电流流过时，可能会产生火花，从而引起高频信号出现。所以，在系统调试过程中，为了避免高频信号的出现，可以在控制系统中，加入隔离变压器和滤波器，过滤掉高频信号。洗衣机控制系统使用了交流电压和直流电压。所以，在调试过程中，需要使洗衣机控制系统能够有良好的接地，否则会产生干扰信号，甚至可能损害硬件设备。为了确保系统安全，首先，应该将控制电路和逻辑电路与直流电源一起接地。然后，再将继电器、电磁阀和交流电源接地。最后，需要将机架、整个箱体外部与大地相接，形成机壳接地。防止产生静电电压，危害使用人员安全。
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结论 结论
本次设计，采用了PLC作为全自动洗衣机控制系统控制核心。在设计过程中，硬件电路设计较为容易，而在软件设计过程中，面对大量的控制对象和功能要求，在进行调试时，故障较多，需要逐步解决。
（1）在PLC程序编写过程中，经常出现双线圈，因为编程软件不支持双线圈，所以要用到中间继电器并联的设计。
（2）全自动洗衣机洗涤、排水、脱水时间是由PLC内的计数器和定时器中K参数控制的，设计人员可以根据系统需要，改变它的参数大小就可以改变整个程序时间长短。
（3）PLC型号尽管较多，但是洗衣机功能相近，所以可以通过改变PLC的型号，实现标准洗、强洗、快洗等多种功能。
（4）通过改变洗涤程序可实现进水洗涤、漂水、排水、脱水的顺序控制，PLC程序也可实现或洗涤、或漂水、或脱水等单体控制。
（5）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。通过分析说明，可知全自动洗衣机的控制系统是有多种性的，各种最优控制系统均可运用，但是必须考虑它的结构和成本。
（6）利用组态控制PLC应在程序中用中间继电器代替真正的输入开关，并且中间继电器的属性设置为读写。
总之，通过本次设计，让自己对PLC有了更深的认识和体会，还有就是对组态软件的应用也有了新的认识和了解。
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致谢 致谢
回首过去近一年的毕业设计过程，包括收集、整理资料，动手完成制作，写作论文初稿，完成毕业论文，我得到了很多帮助，在此向帮助过我的人表达最诚挚的谢意。
第一要感谢的是导师刘羽楠导师。在论文的选题初期，刘羽楠导师针对我的自身工作情况提出了宝贵意见，使我找到了研究方向。在论文的写作过程中，刘羽楠导师通过邮件以及面谈的方式进行耐心指导。在论文定稿期间，刘羽楠导师又认真批改论文内容，甚至格式和标点都严格把关，使我的毕业论文更加符合写作要求。借此机会，我谨向刘羽楠导师致以深深地谢意。
然后要感谢我的辅导员刘羽楠导师老师，她为我的毕业设计提供了各种支持和保障，使我能够全身心地投入到学习和工作中。
最后，要感谢的是参与我论文评审和答辩的各位老师，他们的意见为我以后的学习和工作提供了参考方向。
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附录 附录
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