第一章 概述
1.1 选题背景
洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。在工业生产中应用也十分广泛。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了。洗衣机需要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。而随着PLC技术的发展，用PLC来作为控制器，就能很好地满足全自动洗衣机对自动化的要求，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。自动化技术的飞速发展使得洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机，又正在向智能化洗衣机方向发展。
1.2 全自动洗衣机发展概况
全自动洗衣机是一种除放、取衣物和开动洗衣机这三道手续外，其余洗衣各程序全部自动完成的设备。
1874年美国的比尔·布莱克斯通发明了木制手摇洗衣机，这是世界上第一台人工搅动洗衣机。1911年美国人又研制了世界上第一台电动洗衣机。1920年美国的玛依塔格公司又把洗衣机的木制桶改为铝制桶体，第二年又把铝制桶体改为外层铸铝、内层为铜板的双层结构。1936年，他们又将搪瓷用于洗衣机桶体。与此同时，世界各地也相继出现了洗衣机。欧洲国家研究成功了喷流式洗衣机和滚筒式洗衣机。1932年后，美国一家公司研制成功了第一台前装式滚筒全自动洗衣机，洗涤、漂洗和脱水都在同一个滚筒内自动完成，使洗衣机的发展跃上了一个新台阶。这种滚筒洗衣机，目前在欧洲、美洲等地得到了广泛的应用。
第二次世界大战结束后，洗衣机得到了迅速的发展，研制出具有独特风格的波轮式洗衣机。这种洗衣机由于其波轮安装在洗衣桶底，又称涡卷式洗衣机。
近几十年，在工业发达国家，全自动洗衣机制造技术又得到迅速发展，其年总产量及社会普及率均以达到相当高得水平。
目前世界洗衣机年总产量近5000万台，而全自动洗衣机的产量呈增长趋势，在技术性能上正向着节水、节能、高效、结构更趋合理的方向发展。微电脑控制功能、新型的洗涤方式、高速脱水以及低噪音等方面都有了很大提高。
近几年，我国的洗衣机制造技术得到迅速发展，从生产单桶波轮式、双桶波轮式洗衣机逐步向套桶波轮式全自动洗衣机和滚筒式全自动洗衣机方向发展，其中全自动洗衣机的年产量已占洗衣机总产量的10%左右。生产规模不断扩大，技术工艺日趋完善，产品质量稳步提高，已生产出技术性能优良的多种牌号的全自动洗衣机供应市场。
1.3 控制系统的选择
从满足全自动洗衣机控制系统的安全性、扩展性和可靠性方面考虑，目前常见的全自动洗衣机自动控制系统，主要有单片机控制、PLC控制、工业控制计算机集中控制等类型。
随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8位单片机的普及，单片机全自动洗衣机系统由单片计算机及其外围芯片构成控制系统。虽然单片机本身小巧、功耗低，实时控制功能强，但是其软、硬件的开发必须借助于开发工具，系统调试困难，不具有自开发能力，且编写洗涤、脱水等程序相对复杂；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。
工业控制计算机全自动洗衣机控制系统是利用通用计算机的扩展槽或扩展区，设计应用系统硬件模板，如通讯板、I/O扩展板等测控功能板，与通用计算机构成一个用于完成预定测控功能的控制系统。其特点是系统有较强的软、硬件支持。利用通用计算机的软、硬件资源来支持控制系统进行工作，具有自开发能力，有较强的可视能力和数据处理能力，更适合于计算机集中控制系统应用。
PLC是一种新型的具有极高可靠性的通用自动化控制装置。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。其特点如下：
抗干扰能力强，可靠性极高。PLC是专为工业控制设计的，采取了精选元器件及多层次抗干扰等措施，能适应工业现场的恶劣环境。
编程方便。PLC采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。
使用方便。PLC的结构不仅具有先进的通讯和输入、输出能力，而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力，使用户可以灵活组成各种规模和不同要求的控制系统。
维护方便。PLC模块化的系统结构，使操作人员在维修时只需要更换插入式模板或其它易损部件即可完成，既方便又减少了影响系统运行的时间。
设计、施工、调试周期短。用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行，缩短了周期。
易于实现机电一体化。PLC的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。
PLC控制洗衣机洗衣程序有独特之处。首先，它是一个顺序控制系统程序；其次，洗涤、漂洗、排水、脱水时间是由PLC内的计数器和定时器中参数控制的，只要改变它的参数太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洗、柔和洗的多功能；第四，通过修改洗衣程序可实现进水、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，可以方便地加入相应的配套装置，如指示灯、蜂鸣器。
通过以上分析、说明可知全自动洗衣机的控制系统是有多样性的，虽然各种控制系统均可运用，但是必须考虑它的结构和成本。鉴于PLC的诸多优势，结合全自动洗衣机自动控制系统的需要，选择德国西门子公司生产的具有高性能价格比的S7-200系列可编程序控制器。
第二章 全自动洗衣机控制系统设计
2.1 系统描述
本文描述的是一种全自动洗衣机，它可以自动地完成洗衣的全过程。全自动洗衣机的洗衣桶（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，作脱水（甩干）用。内桶的四周有很多小孔，使内、外桶的水流相通。该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，通过电控系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排到机外。洗涤正转、反转由洗涤电机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水同并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电机带动内桶正转进行甩干。高、低水位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。其示意图如图2.1所示。
图2.1 全自动洗衣机示意图
2.2 制定控制方案
通常地，人们采用洗衣机来洗衣服需要经历洗涤、漂洗、排水、脱水等4个环节，而在全自动洗衣机中，这样的一个过程全由PLC来完成。并且，全自动洗衣机需要其控制系统足够可靠，以避免洗衣机轻易出现故障。
全自动洗衣机的简单工作过程如图2.2所示。其中，洗衣的方式（标准或是柔和）、洗衣中的水位选择（高水位洗衣、低水位洗衣等）等两个方面需要在人们将衣服放入洗衣机洗衣服之后手动来选择。并且是必须选择的洗衣参数。当选择了一种洗衣参数后，按下启动按钮，洗衣机就会自动完成洗衣服的整个过程。
全自动洗衣机系统中，PLC主要完成一下功能：
1. 检测功能
（1）检测洗衣的方式：标准或者是柔和的选择。
（2）检测洗衣时的水位：高水位或者是低水位的选择。
（3）检测进水是否到了需要的水位，即进水是否完成。
（4）检测排水是否已经完成。
2. 控制功能
（1）控制进水、洗涤、排水、漂洗、脱水等洗衣机的动作。
（2）控制洗涤、漂洗、脱水等的时间长短。
（3）控制洗涤、漂洗等的次数。
（4）控制在洗衣机完成一个动作后到下一个动作的准确转换。
（5）控制完成洗衣时的信号提示。
图2.2 全自动洗衣机的简单工作过程
根据上述对全自动洗衣机系统的功能分析，可以设计如图2.3所示的全自动洗衣机硬件系统框图。
图2.3 全自动洗衣机硬件系统框图
1. PLC主机
选择西门子S7-200系列PLC作为此全自动洗衣机的控制主机。在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等之分。此全自动洗衣机系统中总共有8个数字量输入，6个数字量输出，共需14点I/O,根据I/O点数及程序容量，选择了CPU224作为其主机。
2. 启动按钮
启动按钮用来控制全自动洗衣机开始工作与否，一般地，在用户在洗衣机内放入衣服，且已经准备好开始洗衣服之后，按下启动按钮，全自动洗衣机开始洗衣。
3. 停止按钮
停止按钮用来控制运行中的全自动洗衣机停止工作与否。在洗衣服的过程中，用户需要停止洗衣机，就可以直接按下停止按钮，洗衣机即会停止工作。
4. 高水位
高水位是指洗衣机在洗衣过程中，洗衣机筒内保持的水位高低，一旦选择了高水位，则在洗衣过程中的水位将保持系统设定下的两个水位中的相对高一点的水位。这里，在操作面板上，用一个按钮来设置高水位，按下按钮表示选择高水位。
5. 低水位
低水位是指洗衣机在洗衣过程中，洗衣机筒内保持的水位的高低，是相对于高水位来说的，在洗衣机系统的初始设计中，设计了两种水位，这个是相对比较低的一个水位，但是同样可以完成洗衣过程。在操作面板上，用一个按钮来设置低水位，按下按钮表示选择低水位。
需要注意的是，用户在使用中，只能选择一种水位——高水位或者低水位，但是，但是在实际生活中，很有可能用户不小心同时按下了高水位按钮和低水位按钮，因此，在设计中必须要考虑到水位的互锁。当然也可以将高水位与低水位选择设计成一个按钮，按下去的时候为高水位，不按则是低水位。
需要说明的是，高水位的选择必须在用户开始一次洗衣之前完成。
6. 标准按钮
标准按钮用来设置洗衣机洗衣服的模式，当按下标准按钮时，选择了标准模式，洗衣机自动按照标准模式洗衣服。
7. 柔和按钮
柔和按钮用来设置洗衣机洗衣服的模式，当按下柔和按钮时，选择了柔和模式，洗衣机自动按照柔和模式洗衣服。
在洗洗衣机衣服的模式中，标准和柔和是两种相对的概念，标准比柔和的洗衣要剧烈一些。同样地，与高、低水位的选择一样，用户只能同时选择一种模式，因此，也需要在设计中考虑到标准与柔和模式的互锁。也可以将标准与柔和按钮设计成一个按钮，按下去时为柔和模式，不按下去则为标准模式。
需要说明的是，标准模式与柔和模式的选择必须在用户一开始洗衣之前完成。
8. 高水位探测器
高水位探测器用来检测洗衣机水位是否已经达到了高水位。采用数字量输出式水位探测器这样就可以直接将高水位探测器的输出直接送到PLC主机的数字量输入端口上。
9. 低水位探测器
低水位探测器用来检测洗衣机水位是否已经达到了低水位。采用数字量输出式水位探测器这样就可以直接将低水位探测器的输出直接送到PLC主机的数字量输入端口上。
10．进水电磁阀
进水电磁阀用来控制洗衣机的进水。当然洗衣机需要外界进水时，PLC主机发出控制信号，进水电磁阀会打开，水自动从外界送入洗衣机筒内，当水已经达到了设定的水位时，PLC主机发出信号自动关闭进水电池阀，同时控制洗衣机进入下一个洗衣步骤。
11. 电机正转接触器
电机正转接触器用于PLC主机控制洗衣机电机的正转。可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接电机正转接触器，在洗衣机洗衣服的过程中，电机会正转与反转同时轮流进行。
12. 电机反转接触器
电机反转接触器用于PLC主机控制洗衣机电机的反转。可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接电机反转接触器，在洗衣机洗衣服的过程中，电机会正转与反转同时轮流进行。
13. 排水离合器
排水离合器用于PLC主机控制洗衣机机筒内的排放。选用数字式离合器，可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接到排水离合器，当洗衣机在完成洗衣或者漂洗后，需要将机筒内的脏水排出机筒，此时，PLC主机发出控制命令打开排水离合器，进行排水。
14. 脱水离合器
洗衣机洗衣服的最后一道工序就是对衣服进行脱水，脱水电磁离合器正是用于PLC主机控制洗衣机进行脱水，脱水需要电机带动机筒旋转，有了电磁离合器后，就可以直接使用PLC主机的数字量输出端口来控制电磁离合器，最终达到控制脱水执行电机的目的。在脱水过程不涉及电机的调速问题，因此，用PLC主机加电磁离合器这样一种比较觉得简单的方式就可以完成控制任务。
15. 蜂鸣器
蜂鸣器用来指示洗衣机洗衣过程中的一些声音提示。采用工业用直流供电的蜂鸣器，这样就可以直接用PLC主机的数字量输出端口来控制蜂鸣器。
2.3 系统配置
全自动洗衣机控制系统为单机控制系统。 PLC的输入点，包括启动按钮、停止按钮、高水位按钮、低水位按钮、标准模式按钮、柔和模式按钮、高水位探测器、低水位探测器，一共8点；输出点包括进水电磁阀、电机正转接触器、电机反转接触器、排水离合器、脱水离合器、蜂鸣器，一共6点。
由于点数不多，考虑20%～30%的余量，选用小型PLC便可实现，结合培训站的现有教学实验条件， 本次设计选择西门子S7-200系列的CPU224型的PLC，可以满足使用需求。它的主要特点是：
·14输入/10输出共40个数字量I/O点。
·可连接7个扩展模版单元，最大可扩展至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O。
·13KB的程序和数据存储空间。
·6个独立的30KHZ的高速计数器，2路独立的20KHZ的高速脉冲输出。
·具有PID控制器。
·1个RS485通信/编程口。
·具有多点接口MPI（Multi Point Interface）通信协议
·具有点对点接口PPI(Point to Point Interface)通信协议
·具有自由通信口
·I/O端子排可以很容易地整体拆卸
输入、输出编程元件地址分配表分别如表2.1:
主机中辅助继电器分配表如表2.2:
表2.1 全自动洗衣机中PLC主机的I/O资源分配
表2.2 全自动洗衣机中PLC主机中辅助继电器分配
2.4 控制面板
全自动洗衣机的设计必须在满足上述功能以外，还需要考虑外观设计、造型等方面。尤其是在洗衣机的手动控制操作面板上，必须符合人机界面的基本要求。
设计全自动洗衣机的操作面板如图2.4所示。其中，进水、正转、反转、排水、脱水为信号灯指示当前洗衣机的工作状态；蜂鸣器为声音指示，指示洗衣机整个洗衣过程完成的提示；启动、停止、高水位、低水位、标准、柔和等为手动控制按钮，用来人为手动地输入一些控制信号。
图2.4 全自动洗衣机操作面板
在实际中，操作面板一般位于洗衣机的上表面，需要在设计的时候加入更多的个性化平面设计元素，并且操作面板往往与控制器不放置在一起，这就需要考虑线路布线的问题。
2.5 PLC外部接线图
根据PLC主机的I/O资源分配以及PLC主机的硬件框图，则PLC主机的硬件接线图如图2.5，说明如下：
1．输入口
（1）启动按钮连到PLC主机的输入口I0.0,停止按钮连至PLC主机的输入口I0.1。
（2） 高水位按钮连至PLC主机的输入口I0.2，低水位按钮连至PLC主机的输入口I0.3。
（3）标准模式选择按钮连至PLC主机的输入口I0.4，柔和模式选择按钮连至PLC主机的输入口I0.5。
（4）高水位探测器连至PLC主机的输入口I0.6，低水位探测器连至PLC主机的输入口I0.7。
2．输出口
（1）PLC主机输出口Q0.0控制进水电磁阀。
（2）PLC主机输出口Q0.1控制电机正转接触器。
（3）PLC主机输出口Q0.2控制电机反转接触器。
（4）PLC主机输出口Q0.3控制排水离合器。
（5）PLC主机输出口Q0.4控制脱水离合器。
（6）PLC主机输出口Q0.5控制蜂鸣器。
PLC主机的外部接线图如图2.5。
图2.5 外部接线图
2.6控制系统流程图
全自动洗衣机控制系统的详细工作过程如下：
1. 按下启动按钮，洗衣机电源导通，准备进入洗涤状态。
2. 用户设置水位高低，以及洗衣模式（标准模式或柔和模式）。
3. 洗衣机打开进水电磁阀，开始从外界输入水。
4. 水位探测器检测到水已经到位，开始洗涤。
5. 电机正转与反转按照设定的洗衣模式的切换时间的长度进行轮流工作。
6. 洗衣一直进行10min。
7. 洗衣机打开排水离合器，开始排水，并且持续3min。
8. 洗衣机关闭排水离合器。
9. 重复（3）至（8）步骤一次。
10. 洗衣机打开进水电磁阀，开始从外界输入水。
11. 水位探测器检测到水位已经到位，开始漂洗衣服。
12. 电机正转与反转按照设定的洗衣模式的切换时间长度进行轮流工作。
13. 洗衣一直进行5min。
14. 洗衣机打开排水离合器开始排水，并且持续3min。
15. 洗衣机关闭排水离合器。
16. 重复（10）至（15）步骤一次。
17. 洗衣机控制脱水电磁阀离合器，进行脱水，同时打开排水离合器使得脱水出来的水可以及时排出洗衣机筒内。
18. 持续脱水2min。
19. 蜂鸣器发出响声，持续发声20s，提醒用户洗衣完成。
20. 完成洗衣。
根据上述对全自动洗衣机工作过程的描述，可以设计全自动洗衣机控制系统的PLC部分的主流程图，如图2.6所示。
图2.6 全自动洗衣机主程序流程图
其中，洗涤子过程的流程图如图2.7所示。
漂洗子过程流程图如图2.8所示。
图2.7 洗涤子过程流程图
图2.8 漂洗子过程流程图
在洗涤子过程与漂洗子过程中洗衣服的模式有标准模式与柔和模式之分。其中，标准模式洗衣服的流程图及柔和模式洗衣服的流程图如图2.9所示。
标准模式 柔和模式
图2.9 标准模式与柔和模式流程图
2.7 控制系统时序图
根据控制系统主程序流程图可绘画出控制系统时序图如图2.10所示。
图2.10 控制系统时序图
第三章 性能测试与分析
3.1 各个模块的调试
为了提高程序调试的效率，将全自动洗衣机实现功能分别编写为不同的小程序，分别调试这些小程序，即可完成对各个功能模块的调试。
首先调试主程序框架，确认主程序能够根据不同的条件选择调用不同的子程序，调试时可以在不同的子程序中操作不同的继电器线圈来区分相应的子程序。
然后调试洗涤功能模块，观测高、低水位探测器工作是否正常；标准、柔和洗衣子过程能否被正常调用；排水离合器工作是否正常。发现问题并进行相应的调试。
对于漂洗功能模块，调试过程同洗涤功能模块。
然后调试标准洗衣功能模式，主要是看看电机正反转工作是否正常，如有问题进行及时的检修或更换。
最后是调试柔和洗衣功能模块，其调试过程同标准洗衣模块。
3.2 程序的整体调试
完成了各个功能模块的调试后，就在主程序框架的基础上，将各个模块依次加入，每加入一个模块需要进行一次调试，以便于及时发现问题。
此系统在整体调试的过程中，在主程序的框架上依次按顺序加入了洗涤子过程、漂洗子过程、标准模式子过程和柔和模式子过程，使程序调理清晰。
整体调试的过程比较烦琐，如果在各个模块的调试过程中完成得比较细致的话，那么整体调试的过程会相对顺利很多。
3.3 性能分析
应用了S7-200 PLC控制器调用子程序编程功能后，认识到了该功能对于缩短开发周期和提高控制系统可靠性的强大作用，同时也学习到了该指令严格的逻辑编程要求，从而确保了该控制系统在全自动洗衣机生产、生活中的可靠性和稳定性。
第四章 结束语
经过几周的奋战，我的论文总算是圆满完成。结业论文不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立思考的能力，树立了对自己工作能力的信心，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。虽然这个设计做的不是很完美，但是在设计过程中所学到的知识是这次结业论文设计的最大收获和财富，会使我终身受益。通过这次结业论文的设计，使我明白学习是一个不断积累的过程。还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！
在此结业论文的设计过程中，老师尽全力地为我和同学们创造条件，并对我们在设计过程中遇到的难题进行细致耐心的指导，使我们学习了很多实际工业生产中的问题和解决方法，提高了对应用S7-200 PLC的技术水平以及分析问题和解决问题的能力，才得以设计的全自动洗衣机控制系统具有实际应用水平的可靠性和稳定性。我在此衷心地感谢培训站的老师！
参考文献
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[6]. 刘洪涛、黄海编著，PLC应用开发从基础到实践，北京：电子工业出版社，2007
附录（程序源代码）
全自动洗衣机控制系统的西门子S7-200系列PLC CPU224的梯形图程序如下所示：
1. 洗衣主程序：
2.洗涤子过程程序：
3. 漂洗子过程程序：
4.标准洗衣子程序：
5.柔和洗衣子程序：
