燕山大学
课程设计说明书
题目：基于s7-200的全自动洗衣机控制系统设计
摘要
可编程控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置，它的功能性强，可靠性高，变成简单，使用方便，体积小巧，近年来在工业生产中得到了广泛的应用，被誉为当代工业自动化主要支柱之一。在现代的社会中，全自动洗衣机进入各个家庭，本文利用可编程控制器PLC实现控制，进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，避免了传统控制的一些弊端。
全自动洗衣机控制系统利用了西门子s7-200系列PLC的特点，对按钮，电磁阀，开关等其他一些输入/输出点进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。由于没遍的洗涤，排水，脱水的时间由PLC内部计数器控制，所以只要改变计数器参数就可以改变时间。可以把上面设定的程序时间定下来，作为固定程序使用。该论文就怎样利用PLC来控制全自动洗衣机进行了调查，对其中软件设计、硬件设计等问题进行了分析和研究，实现了全自动洗衣机的控制。
关键词：PLC；自动；定时；控制
目录
基于s7-200的全自动洗衣机控制系统设计 (1)
摘要 (2)
1.引言： (4)
2.全自动洗衣机的结构及工作过程： (5)
3.全自动洗衣机控制系统控制要求： (6)
3.1要求简述 (6)
3.2自动模式洗衣步骤： (6)
4.全自动洗衣机控制系统总体控制方案概述： (7)
4.1 PLC控制系统设计的基本原则 (7)
4.2 控制系统框图： (9)
4.3洗涤电机的调速设计： (10)
4.4 HMI的功能设计： (11)
4.5变频器设计： (11)
4.6可行性分析： (12)
5.硬件电路及电气系统的设计： (12)
5.1 PLC的选择： (12)
5.1.1 I/O口点数统计： (12)
5.1.2 CPU结构与功能选择 (14)
5.2变频器的设计： (14)
5.3设备选型及报价 (15)
5.4 PLC外部接线图与电气原理图： (16)
图5.4.1 PLC外部接线图 (17)
图5.4.2电气原理图 (17)
6.软件的设计： (17)
6.1 PLC程序地址分配： (17)
6.1.1输入地址分配： (17)
6.1.2输出地址分配： (18)
6.1.3定时器 (19)
6.1.4计数器部分： (20)
6.2 自动模式流程图： (20)
6.3 PLC梯形图程序： (21)
课程设计总结 (30)
致谢 (31)
参考文献： (32)
1.引言：
全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤，漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水，排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动作，整个洗衣过程自动完成。所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。从控制方式的发展阶段上分：
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。
第二类是电脑控制洗衣机，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。
可编程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。它采用可编程序的存贮器, 用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令, 并通过数字的、模拟的输入和输出, 控制各种类型的机械或生产过程. 可编程序控制器及其有关设备, 都应按易于与各种控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
2.全自动洗衣机的结构及工作过程：
全自动洗衣机的结构示意图如图1所示。它的洗衣桶（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（甩水）用。内桶的四周有很多小孔，使内、外桶的水流相同。全自动洗衣机的进水和排水分别用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电磁阀打开，经进水管讲水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水电磁阀打开，将水由外桶排除到机外。洗涤正转、翻转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动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。排水按钮用来实现手
3.全自动洗衣机控制系统控制要求：
3.1要求简述
1.设计一个智能洗衣机控制器，能够实现洗衣、漂洗和脱水的功能。
2.要求能够使用按键模拟对洗衣机的控制，能够设置工作模式，为了便于观察，将洗衣机设定的工作模式（1~5）和整个过程所剩的工作时间用数码管显示出来（时间分辨率为1分钟），能够将洗衣机当前所处的状态（注水，洗衣，排水，甩干）用发光管或者数码管显示出来。
【模式1】：洗衣模式——强力洗
【模式2】：洗衣模式——普通洗
【模式3】：洗衣模式——轻揉洗
【模式4】：漂洗模式
【模式5】：甩干模式
【模式6】：自动模式
具体的洗衣步骤如下：
【模式1~3】：注水->洗衣->排水->甩干->注水->漂洗->排水->甩干
->注水->漂洗->排水->甩干。
【模式4】：注水->漂洗->排水->甩干->注水->漂洗->排水->甩干。
【模式5】：甩干。
3.2自动模式洗衣步骤：
按下启动按钮、水位选择、模式选择、时间选择，开始进水直到高（中、
低）水位，自动关水
自动模式下默认时间安排：
（1）2秒后开始洗涤
（2）洗涤时，正转30秒，停2秒，然后翻转30秒，停2秒
（3）如此循环5次，总共320秒后开始排水，排空后脱水30秒
（4）开始清洗，重复（1）~（4），清洗两遍
（5）清洗完成，报警3秒并自动停机
（6）若按下停车按钮，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）
（7）速度设定显示，速度反馈显示
【要求】：实现逻辑控制过程，可以选择性的加入注水口无水报警灯人性化的状态提示，操作完毕使用蜂鸣器叫两秒提示。
4.全自动洗衣机控制系统总体控制方案概述：
4.1 PLC控制系统设计的基本原则
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1. 最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC
控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、
国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
2. 保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
3. 在满足控制要求的前提下，力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
4．考虑到生产发展和工艺的改进，在选用PLC时，在I/O点数和内存容量上适当留有余地。
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
5．软件设计主要是指编写程序，要求程序结构清楚，可读性强，程序简短，占用内存少，扫描周期短。
4.2 控制系统框图：
全自动洗衣机的工作过程主要包括：启动、进水、洗涤、排水和脱水等。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的各种控制机构，决定洗衣机的工作状态。PLC 再系统中处于核心位置，水位开关是PLC 的输入信号控制开关，进水阀、排水阀和电动机室洗衣机各种动作的执行机构，其中进水阀和排水阀由PLC 给定信号来决定其工作状态；电动机的工作状态也是正、反状态，以及电动机的工作转速直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。由PLC 控制洗衣机的各种动作孔子图如图2所示。 这里应用触摸屏代替洗衣机的机械按钮开关，用变频器进行速度的调节，通过PLC 进行控制，其总控制图如图3。
S7-200PLC
电机转速 正、反转 水位选择
进水/排水电磁阀 图2 PLC 控制洗衣机的控制图
S7-200
PLC
触摸屏
变频器 电机
图3 总控制图
4.3洗涤电机的调速设计：
洗涤电机需要用到三个速度模式，这里通过PLC控制变频器进行电机的控制。变频器进行了分级调速，应用了三个速度模式。正反转也应用变频器进行控制，正反转切换时变频器进行反向制动。
变频器实现的功能：
【1】电机启动，停止
【2】电机正转、反转
【3】低速
【4】中速
【5】高速
4.4 HMI的功能设计：
通过HMI给PLC进行信号输入，主要开关为启动、停止按钮，模式选择按钮（强力洗、普通洗、轻揉洗、漂洗、脱水、自动模式），排水，水位选择（高、中、低），时间选择（时间输入以及时间段选择）等。
实现功能：
【1】启动、停止
【2】模式选择：强力洗、普通洗、轻揉洗、漂洗、脱水、自动模式。
【3】水位选择：低、中、高
【4】手动排水
【5】时间显示，时间输入，时间选择
【6】报警
【7】洗衣机状态指示灯等
4.5变频器设计：
主要应用变频器的数字输入端子，将PLC的输出相应的接到变频器的数字输入端子上，通过端子自动控制电机的运行。
功能：
【1】电机启动、停止
【2】电机正转、反转
【3】分级调速（3个速度级别对应三种洗涤方式）
4.6可行性分析：
PLC连接变频器，变频器与三相异步电机相连，通过给定PLC不同的信号，控制变频器端子响应，使电动机实现调速、正反转等功能。
变频器18端子给定信号时，电机正转启动，19端子给定信号时，实现电机反转，这两个过程实现洗涤和漂洗的正反转。
变频器的“31,32，33”端子分别控制电机的三个不同速度“25%，50,%，75%”，实现按级调速，满足洗衣机轻柔、普通、强力模式。
排水以后，给变频器18端子信号，电机正转，甩干，完成后再排水。\
5.硬件电路及电气系统的设计：
5.1 PLC的选择：
5.1.1 I/O口点数统计：
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。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一
个输入输出点。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13个数字输出点，具体的见表5.1
输入输出
通电启动按钮启动指令
停止按钮进水阀控制继电器
强力洗涤模式主电机脱水继电器
普通洗涤模式排水阀控制继电器
轻揉洗涤模式进水指示灯
漂洗模式排水指示灯
甩干模式脱水指示灯
自动模式电机正转及脱水继电器
门开关电机反转继电器
手动排水按钮轻揉洗涤模式继电器
手动脱水按钮普通洗涤模式继电器
强力洗涤模式继电器
报警蜂鸣器
表5.1
5.1.2 CPU结构与功能选择
PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求、PLC结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。全自动洗衣机控制所要求的控制功能简单，小型PLC就能满足要求了。
该控制系统CPU模块可采用CPU-226（AC/DC/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带14个数字量输入点和14个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求。综上所述此次设计选用西门子S7-200型PLC。
5.2变频器的设计：
变频器主要用于控制洗衣机电机的正反转以及高、中、低转速控制，由于实验室的条件这里使用FC -360HK37T4R20H2 的变频器。
主要应用变频器的数字输入端子，将PLC的输出相应的接到变频器的数字输入端子上，通过端子自动控制电机的运行。
功能：
【1】电机启动、停止：对应端子 18
【2】电机正转、反转：正转对应端子18，反转对应端子19。
【3】分级调速（3个速度级别对应三种洗涤方式）
强力洗涤模式对应：端子33
普通洗涤模式对应：端子32
轻柔洗涤模式对应：端子31
5.3设备选型及报价
设备名称型号数目报价订货数据
S7-200PLC S7-226 CN(24DI
/ 16DO) 1 1700 6ES7
216-2BD23-0XB8
WEINVIEW
HMI
MT6070iH 1 960 施耐德电源ABL2REM24020H 1 90 变频器FC
-360HK37T4R20H
2
1 1250
正泰接触器CHINT CJX2-09 4 120 正泰辅助触电CHINT F4-11 4 22 微型异步电机JW5014 2 400 正泰断路器DZ47LE-32C10 1 62 正泰断路器DZ47-60 4 68
正泰熔断器RT28N-32X10 38 5 20 点动开关
施耐德钥匙开关2BEE-101C 2 56 导线若干50 多状态开关
PLC模拟量扩展模块EM 235 CN 1 700 6ES7
235-0KD22-0XA8
共计 5489
表5.3设备选型及报价
5.4 PLC外部接线图与电气原理图：
图5.4.1 PLC外部接线图
图5.4.2电气原理图
6.软件的设计：
6.1 PLC程序地址分配：
6.1.1输入地址分配：
名称地址输入通电启动按钮M0.0 I0.0 停止按钮M8.1 I0.1 强力洗涤模式M1.1 I1.1 普通洗涤模式M1.2 I1.2 轻揉洗涤模式M1.3 I1.3 漂洗模式M1.4 I1.4
甩干模式M1.5 I1.5
自动模式M1.6 I1.6
门开关M2.0 I1.7 高水位按钮M0.2
中水位按钮M0.3
低水位按钮M0.4
手动排水按钮M0.7 I0.7
手动脱水按钮M1.0 I1.0
高水位检测开关M0.6
中水位检测开关M0.7
低水位检测开关M1.0
排空检测开关M2.5
设定时间M2.4
6.1.2输出地址分配：
名称符号变频器端子地址
启动指令L1 Q0.0
进水阀控制继
Q0.1
电器
主电机脱水继
Q0.2
电器
排水阀控制继
Q0.4
电器
自动模式指示
L3 M6.6 灯
进水指示灯Q0.1
排水指示灯L4 Q0.4
脱水指示灯L5 Q0.2
电机正转及脱
18 Q1.1
水继电器
电机反转继电
19 Q1.2
器
轻揉洗涤模式
31 Q1.3
继电器
普通洗涤模式
32 Q1.4
继电器
强力洗涤模式
33 Q1.5
继电器
报警蜂鸣器Q0.3
6.1.3定时器
定时器功能
T37 延时2秒开始洗涤T38 洗涤正转定时30秒T39 洗涤反转定时30秒T40 脱水定时30秒
T33 报警定时3秒
T32 排水时间设定
T50(vw0) 模式定时
T42 蜂鸣器响应时间
T53(vw1) 脱水时间设定
T60(vw2) 自动模式计时
6.1.4计数器部分：
计数器 功能
C1 洗涤循环计数5次 C2 清洗和漂洗计数3次 C4
漂洗计数1次
6.2 自动模式流程图：
N
Y
Y
N
Y
N
Y
暂停2S 洗涤反转 30S
暂停2S
洗5次
30S 洗涤正转 停止进水 进水 水满 起动