全自动洗衣机PLC控制系统设计.docx
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全自动洗衣机PLC控制系统设计
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天津冶金职业技术学院
学生毕业课题
全自动洗衣机PLC控制系统设计
系别:
机械系
专 业:
机电一体化
班 级:
机电07-1
学生姓名:
郑宇洋
指导老师:
鲁静斌
二〇一〇年六月
摘要
基于PLC全自动洗衣机控制系统的设计与研究
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,编程简单,使用方便,体积小巧,近年来在工业生产中得到广泛的应用,被誉为当代工业自动化主要支柱之一。
在现代的社会，全自动洗衣机进入各个家庭，本文介绍了PLC用于全自动洗衣机的控制系统，其可改进现有技术的不足，简化结构，有利于降低成本和提高可靠性。
关键词:
全自动洗衣机;可编程控制器;简化结构;降低成本
目录
第1章PLC控制系统设计。
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1.1plc特点。
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1.2PLC控制系统设计的基本原则。
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1.3plc的编程语言。
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第2章全自动洗衣机控制系统简介和设计要求。
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2.1洗衣机简介。
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2.2全自动洗衣机水位开关及新技术。
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2.3PLC在全自动洗衣机中的应用。
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2.4全自动洗衣机控制系统的设计要求。
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第3章全自动洗衣机PLC控制。
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3.1控制要求。
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3.2全自动洗衣机流程图。
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3.3通道分配图表。
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3.4全自动洗衣机编程梯形图。
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3.5梯形图程序注释。
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第4章课程设计总结。
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第5章参考文献。
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摘要
基于PLC全自动洗衣机控制系统的设计与研究
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,编程简单,使用方便,体积小巧,近年来在工业生产中得到广泛的应用,被誉为当代工业自动化主要支柱之一。
在现代的社会，全自动洗衣机进入各个家庭，本文介绍了PLC用于全自动洗衣机的控制系统，其可改进现有技术的不足，简化结构，有利于降低成本和提高可靠性。
关键词:
全自动洗衣机;可编程控制器;简化结构;降低成本
Accordingtothefull-automaticwashingmachineinPLCcontrolsthedesignof
第1章PLC控制系统设计
1.1PLC的特点
1.1.1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。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
1.1.2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。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
1.1.3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。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
1.1.4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。
1.1.5体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
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。
1.2PLC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：
1.2.1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。
1.2.2.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。
1.2.3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。
1..2.4适应发展的需要
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。
1.3PLCI/O模块的选择步骤与原则
一般I／O模块的价格占PLC价格的一半以上。
PLC的I／O模块有开关量I／O模块、模拟量I／O模块及各种特殊功能模块等。
不同的I／O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。
1.3.1开关量I／O模块的选择
1、开关量输入模块的选择
开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。
选择时主要应考虑以下几个方面：
1）输入信号的类型及电压等级
开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。
选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。
直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
开关量输入模块的输入信号的电压等级有：
直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。
选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。
一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合，如5V输入模块最远不得超过10米。
距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。
2）输入接线方式
开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，
开关量输入模块的接线方式
a）汇点式输入b）分组式输入
汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。
分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。
3）注意同时接通的输入点数量
对于选用高密度的输入模块（如32点、48点等），应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。
4）输入门槛电平
为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。
门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。
2、开关量输出模块的选择
开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。
选择时主要应考虑以下几个方面：
1）输出方式
开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。
继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。
对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。
但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。
2）输出接线方式
开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式，
开关量输出模块的接线方式
a）分组式输出b）分隔式输出
分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。
选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。
一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。
3）驱动能力
开关量输出模块的输出电流（驱动能力）必须大于PLC外接输出设备的额定电流。
用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。
如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。
4）注意同时接通的输出点数量
选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。
同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V／2A的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A（8×2A），通常要比此值小得多。
一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。
5）输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关
开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。
另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。
1.3.2模拟量I／O模块的选择
模拟量I／O模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。
模拟量输入（A／D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出（D／A）模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。
典型模拟量I／O模块的量程为-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。
一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）。
1.3.3、特殊功能模块的选择
目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I／O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I／O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。
1.4PLC软件系统及常用编程语言
1.4.1PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。
系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。
系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。
用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。
STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。
1.4.2PLC提供的编程语言
1.4.2.1标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点
它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。
梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。
梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。
PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。
1.4.3语句表语言，类似于汇编语言。
1.3.2.3逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。
第2章全自动洗衣机简介及设计要求
2.1洗衣机简介
2.1.1洗衣机类型:
波轮式洗衣机
洗衣特点：
微电脑控制洗衣及甩干功能、省时省力。
缺点：
耗电、耗水、衣物易缠绕、清洁性不佳，
适合洗涤衣物：
除需要特别洗涤之外的所有衣物。
轮式洗衣机流行于日本、中国、东南亚等地
滚筒式洗衣机
洗衣特点：
微电脑控制所有功能衣物无缠绕。
最不会损耗衣物的方式
缺点：
耗时，时间是普通的几倍,而且一旦关上门，洗衣过程中无法打开,洁净力不强.
适合洗涤衣物：
羊毛、羊绒以及丝绸、纯毛类织物。
流行于欧洲、南美等主要穿毛、绵为主的地区,几乎100％的家庭使用的都是滚筒洗衣机。
搅拌式洗衣机
洗衣特点:
衣物洁净力最强,省洗衣粉
缺点:
喜欢缠绕相比前两种方式损坏性加大,噪音最大
适合洗涤衣物：
除需要特别洗涤之外的所有衣物。
北美普遍用
洗衣机发展趋势
现在的洗衣机真的是多种多样，在上海这样的大城市，双缸洗衣机购买的人已经是越来越少了，滚筒洗衣机和波轮洗衣机将成为市场的主流，使用洗衣机就是图个方便省力，现在的全自动洗衣机都符合人们的要求。
那么洗衣机还会怎样进步或发展呢？
归纳起来，有如下几个趋势。
高度自动化：
现在洗衣机越来越高度自动化，只要衣服放入洗衣机，简单的按两个键，就会自动注水，一些先进的电脑控制洗衣机，还能自动的感觉衣物的重量，自动的添加适合的水量和洗涤剂，自动的设置洗涤的时间和洗涤的力度，洗涤完以后自动的漂洗甩干，更有些滚筒洗衣机还会将衣物烘干，整个洗衣的过程完成以后还会用动听的音乐声提醒用户，用户可以在洗衣的过程做其它的事，节省了不少的时间。
总之，每一项技术的进步部极大地推动了洗衣过程自动化程度的提高。
健康化：
现代人对健康格外的重视，对洗衣机也提出了更高的要求，有的洗衣机厂家采用纳米内桶，减少污垢附着，有的洗衣机设置有改进型漂洗程序，彻底漂净衣物上残留的洗涤剂，防止对人体的侵害。
还有一些洗衣机采用臭氧进行杀菌，达到彻底灭菌的目的。
节能：
节能也是用户选择洗衣机时考虑的问题，有些洗衣机具有洗涤剂循环利用系统，可以将在外桶到排水泵之间浓度较高的洗涤剂通过循环水流带回外桶内，循环使用可以节约20%的洗涤剂。
有的洗衣机采用专利的无孔内桶省水，普通的波轮洗衣机在注水的时候，内桶与外桶之间也有大量的水，洗涤的时候内桶外的水就浪费了，而无孔内桶只有内桶有水，这样可以充分的利用洗衣机内的水，注水的时候比其它洗衣机少使用40%的水量，同时也可以节省洗涤剂和省电。
大容量和微型化：
现代人居家总希望有宽敞的空间，因此各厂家都推出了超小型或超薄型的洗衣机，比较有代表性的有小鸭的迷你滚筒洗衣机，海尔的小小神童波轮洗衣机，惠尔浦的维纳斯系列上开门立式滚筒洗衣机，西门子的40厘米超薄滚筒洗衣机满足了人们对占地空间的要求。
品种多样化：
从洗涤形式上分波轮式、滚筒式洗衣机，从洗涤容量上自2公斤到7公斤有很多等级，高中低档洗衣机在功能上，还有很多不同，品种多样化的洗衣机满足了不同偏好的消费者的需求。
现在已经有厂家开发出了不需要使用洗涤剂的洗衣机，还有的厂家开发出了更迷你的旅行洗衣机，小到可以在出外旅行的时候随身携带，为了更方便的操作有的厂家还开发出了可以远程控制的洗衣机，这么样？
是不是看的眼花缭乱，将来的洗衣机会朝着使用更方便、更加节能、更加个性化的方向发展
2.2全自动洗衣机水位开关及新技术
夜位开关种类很多，考虑到各种因素，洗衣机中一般采用压力式水位开关，它装在洗涤缸的上部，它有一根下端开口的气管通到缸底，进水时管里的空气被封闭在里面出不来，就形成比外界稍高的压力。
水位越高压力越高，这样根据压力就可间接测知水位。
而压力的测量仍然用弹性元件，靠元件的变形带动触点完成通断动作。
这种测液位的方法叫做“静压法”，在工业中用的不少。
（1）磁化技术和臭氧技术
磁化技术是利用磁场来破坏洗涤水的缔合状态，使缔合水分子变小，从而激发水的活性。
便于洗涤剂作用的充分发挥，提高了去污能力；利用臭氧发生器向洗涤过程中的洗涤液注入臭氧气体，使洗涤液中的臭氧浓度达到洗涤衣服的适用值，臭氧与水分子作用形成臭氧水，臭氧水可以消除衣服上的细菌、病毒、并净化衣服上洗涤剂的残留量。
（2）模糊控制技术
模糊控制洗衣机通过设置的布量布质传感器，水位传感器、温度传感器、脏污度传感器，自动判断衣服的重量、质地、脏污度以及洗涤水的温度，并自动选择水位、洗涤、脱水时间和水流作用的强度，明显改善了洗涤效果，也相应地减少了耗电量。
（3）变频技术
洗衣机的控制方法已发展到变频控制，它利用先进的变频技术、将电源电压经过交流一直流一交流，或交流一直流逆变后再施加到电动机（如无刷直流电动机、开关磁阻电动机）上，可方便地通过调节电压的波形来调节电动机的转速。
因此，变频洗衣机可根据洗涤物的种类和质地来选择洗涤水流、洗涤时间和脱水转速、脱水时间，在保证最佳洗涤效果的前提下，节约能源。
PLC在全自动洗衣机中的应用
全自动洗衣机控制系统利用了欧姆龙PLC的特点，对按钮、电磁阀、开关等其它一些输入/输出点进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。
充分表现现代家电用品的个性，在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由以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、过热保护以及欠压保护等等。
这样增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率，无形的增加了维修成本费用。
在工业控制系统中广泛应用的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。
因此在该设计中采用了PLC来实现全自动洗衣机的工作过程
洗衣机洗净衣物的原理
洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。
首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁上升。
在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附近。
这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。
衣物，在涡流的作用下，作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。
又由于波轮中心是低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同人工揉搓衣物，污垢被迫脱离衣物。
其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。
再次由于洗衣桶形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向都发生了改变，形成湍流。
在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣物的洗净的均匀性
第3章全自动洗衣机PLC控制
3.1控制要求
按下启动按钮后先进水，等达到高水位后，启动洗衣马达4分钟，如在洗衣过程中发现水位低于高水位，则停止洗衣马达转动并报警，并在水位达到高水位后，在启动洗衣马达，洗衣结束后启排水动排水开关，带水位达到高水位后，则启动脱水马达转动两分钟，如此重复三次，要求在每一次动作之间有2秒间隔，
高水位由传感器检测，再次用两个开关模拟水位传感器，当水位高于高水位，或低于低水位时，两个开关的状态分别为0。
3.2全自动洗衣机流程图
启动
低于高水位
高水位
循环未满三次
循环满三次
低水位
120秒
循环未满三次
循环满三次
3.3通道分配图表
洗衣机的I/O通道分配
类别
元件
端子号
作用
输入
SB1
000O
启动按钮
SB2
OOO1
停止按钮
SB3
OOO2
排水按钮
SL1
OOO3
高水位开关
SL2
OOO4
低水位开关
输出
KM1
O500
进水电磁阀
KM2
O501
洗衣马达转动接触器
KM3
O503
排水电磁阀
KM4
O504
脱水电磁离合器
KM5
O505
报警灯
洗衣机的定时器/计数器通道分配
类别
器件号
设定值
作用
定时器
TIM00
240s
洗衣机转动计时
TIM01
2s
洗衣机暂停计时
TIM02
120s
脱水转动计时
TIM03
2s
脱水暂停计时
计数器
CNT00
3次
洗衣循环计数
CNT01
3次
脱水循环计数
3.4全自动洗衣机编程梯形图
3.5梯形图程序注释
1、按下启动按扭,0000为ON，1000为ON并自锁，0500为O
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