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报告
1绪论
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。
在工业生产中的应用也十分广泛，本课题在于工业用洗衣机的研究，工业洗衣机适用于洗涤棉、毛、化纤、丝绸等衣物织品。
水磨洗涤机可用于服装厂水洗牛仔服及丝绸等衣物。
工业用洗衣机适用于宾馆、饭店、医院、学校、工厂等领域，满足大容量的洗衣要求。
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洗衣机的发展概况和现状
从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，在洗衣机出现以前，这项劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。
这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是辛苦劳累。
世界上第一台洗衣机于1858年诞生，但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。
1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人发明了木制手摇洗衣机。
1880年，美国发明了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。
蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。
1910年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。
1922年，美国改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。
1932年，美国研制成功第一台前装式滚筒洗衣机。
1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。
70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人耳目一新。
90年代，由于电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。
全自动洗衣机的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：
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。
全自动洗衣机从结构上分有波轮式、搅拌式、滚筒式。
目前,国内市场上销售的大都是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。
波轮式洗衣机的特点是洗净率高,但对衣服的磨损很大,随着人们生活水平不断地提高，丝绸,毛料,羊毛等大量走进普通家庭,厂商又适时地推出了滚筒洗衣机,它最大的优点是磨损率小,但洗净率比波轮式低,价格高。
洗衣机产品可以分三类：
普通型、半自动型和全自动型。
普通型和半自动型洗衣机，都需要人为参与操作，才能完成洗衣、甩干、排水全过程；而全自动洗衣机在整个洗涤、甩干、排水过程中，无需人为操作和监控。
国内外洗衣机品牌有海尔、小天鹅、荣事达、松下、惠而浦水仙、LG熊猫、西门子、日立好用。
1.3毕业设计的研究内容及意义
本设计是基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计，采用西门子公司的S7-200系列的PLC作为核心控制部件，利用其特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入/输出点进行控制，实现洗衣机洗衣过程的自动化。
首先需要对全自动洗衣机的控制系统进行分析，进行流程图和梯形图的设计，并进行仿真测试。
为了能更直观的显示出整个自动控制过程，本设计运用组态王软件建立一个全自动洗衣机的监控系统画面。
本文的课题源于市场上的洗衣机产品。
传统的洗衣机采用继电器控制，而大多数继电器的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强，但其容易损坏，产生噪音，耗能大。
也有采用单片机控制的洗衣机，单片机系统的特点是结构简单，处理速度快，但其对环境的适应能力较低，可靠性差，采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比难以学习，而且功能单一，只具有使用中所需要的功能，硬件较为复杂。
PLC系统的优点是：
可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快。
为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，为了避免传统控制和单片机控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。
PLC具有以下优点：
（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。
（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。
（3）编程简单。
PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁、明了，适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很容易掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易连接，深受工程技术人员欢迎。
（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而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。
（5）体积小，重量轻，能耗低。
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。
全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。
它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路、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，大大提高了控制系统的可靠性。
另外它的编程语言也相对简单。
其次，它能实现脱机手动工作，联机自动就地工作，上机控制的单周期运行方式，自动启动、自动停机控制方式。
2系统的硬件配置
2.1硬件电路设计
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
。
控制电路的组成主要包括：
可编程控制器、继电器组和连接电路（变频器）。
其中，继电器为主要执行模块，PLC所发出的数字指令控制继电器线圈，而继电器的开合直接控制电源电路，实现对电动机的控制。
另外，变频器在电路中控制洗涤时的电机转速，不作为必要装置。
在此控制系统中，PLC是控制核心，外部多种输入信号如启动按钮、高中低水位检测等信号采样进来，经过PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，提供多种输出信号来控制进水阀、出水阀动作，和控制电机驱动装置进而控制正反转和脱水运行。
PLC用定时器记录正反转时间，脱水时间和报警时间，用计数器记录正反转次数和脱水次数，可以很容易地通过更改PLC定时器和计数器的参数，来满足不同的洗涤条件和要求。
根据以上要求，基于PLC的全自动洗衣机控制系统框图如图2-1所示。
图2-1全自动洗衣机控制系统框图
PLC在系统中处于中心位置，启动、停止信号和水位开关是PLC的输入信号，进水阀，排水阀，电动机和脱水桶是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由控制中心PLC给定信号来决定，而电动机的正反转状态直接决定洗衣机的洗涤状态和脱水状态。
系统的硬件电路图如图2-2所示。
图2-2硬件电路图
2.2可编程控制器
⑴可编程控制器的基本概念
国际电工委员会对PLC作了如下定义：
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储器，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的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
⑵可编程控制器的基本结构
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本与微型计算机相同，PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源部分、通信端口、编程器和特殊功能单元组成。
典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图2-3所示。
1 中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能
接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描
图2-3PLC控制系统的硬件组成框图
的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
2 存储器
根据存储器存储内容的不同，存储器可以分为系统程序存储器、用户存储器和数据存储器。
3 输入/输出（I/O）单元
输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备连接的纽带。
输入单元接受现场设备箱PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。
输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备。
4 电源部分
PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源。
内部使用的电源是整体的供给中心，大部分PLC采用开关式稳压电源供电。
5 通信端口
PLC的CPU模块上至少有一个通信端口。
通过这个通信端口，PLC可以直接和编程器或上位机相连。
6 编程器
编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监控用户程序的执行情况。
手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序。
一般用于小型机或用于现场调试和维护。
使用编程软件可以在计算机上直接生成梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。
程序被编译后通过PC/PPI电缆可以下载到PLC中去，也可以将PLC当中的程序上传到计算机当中来。
7 特殊功能单元
PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务，如定时、计数等。
（3）可编程控制器的基本特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点：
1 编程方法简单易学、功能强大、性价比高、硬件配套齐全，系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；
2 也能进行连续过程的PID回路控制；
3 并能与上位机构成复杂的控制系统用户使用方便、适应性强、可靠性强、抗干扰能力强；
4 系统的设计、安装、调试工作量少、维护工作量小、维护方便、体积小、能耗低等特点。
（4）PLC的工作原理
PLC的工作原理可以简单的表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。
但是，在时间上，PLC执行的任务是按串行方式进行的，其具体的运行方式与继电器--接触器控制系统及计算机控制系统都有着一定的差异与不同。
PLC的基本工作原理：
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。
1 每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新；
2 输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入；
3 一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新；
4 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的；
5 扫描周期的长短由三条决定：
CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的；
6 由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
（5）S7-200系列PLC
西门子公司的SIMATICS7-200系列属于小型PLC，可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。
由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。
S7-200的可靠性非常高，可以用语句表、梯形图和功能块图编程。
它的指令丰富，简单易学，内置有高速计数器、高速脉冲输出和PID控制器等特殊功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间。
S7-200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从RS-485通信/编程接口通讯到自由口模式通讯，从PPI协议通讯到MPI协议通讯，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过Profibus-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。
在网络需求已日益成为必要的今天，强大的通讯无疑会使S7-200为更多用户服务。
本设计采用PLCS7-200为控制核心，实现自动控制和手动控制，硬件接线简单，软件开发周期短，具有工作可靠性高，操作方便，体积小、功耗低等特点，达到良好的经济效果。
2.3PLC的外围接线图设计
根据全自动洗衣机的控制要求，对系统控制的I/O点数进行了统计和PLC型号进行了选择，现根据以上的统计和选择对控制系统PLC的外部接线进行设计。
PLC的外围接线图如图2-5所示。
在图3-5中，PLC的各个I/O地址分别与全自动洗衣机控制系统所有的输入信号和输出信号连接起来，注意电源和接地的连接。
图2-4PLC外部接线图
2.4程序流程图设计
PLC采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程序工作过程可用流程图表示。
由于PLC的程序执行为循环扫描工作方式，因而与计算机程序框图不同点是，PLC程序框图在进行输出刷新后，再重新开始输进扫描，循环执行。
在自动方式下，PLC将运行已经设置好的程序和参数（适用于机械一切都正常的情况下），按照用户设定好的程序来进行工作。
手动方式是在紧急停止情况下，可以手动进行排水和脱水。
全自动洗衣机正常运行流程图如图2-5所示。
图2-5正常运行流程图
3系统软件设计
3.1编程软件
编程软件采用西门子公司设计的编程软件STEP-Micro/Win32。
STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专为SIMATICS7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。
STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能：
（1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。
在脱机方式时，计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。
（2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。
（3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。
经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。
（4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。
（5）设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。
软件主界面一般可分为以下6个区域：
菜单栏（包含8个主菜单项）、工具栏（快捷按钮）、浏览栏（快捷操作窗口）、指令树（快捷操作窗口）、输出窗口和用户窗口（可同时或分别打开图中的5个用户窗口）。
除菜单栏外，用户可根据需要决定其他窗口的取舍和样式的设置。
3.2PLC控制顺序功能图设计
顺序功能图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言。
顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。
编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。
每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。
在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。
这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。
这种顺序功能图适合用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。
全自动洗衣机控制系统PLC控制状态流程图如图4-3所示。
图3-1PLC控制顺序功能图
3.3梯形图编写
1、启动洗衣机：
2、洗衣机进水：
3、到水位，正转洗涤3s：
4、停止2s：
5、反转洗涤3s：
6、计数正反洗涤3次：
7、洗衣机排水，脱水20s：
8、从起始循环3次：
9、报警15s：
10、洗涤结束：
11、排水，脱水运行图：
4组态图
4.1组态王介绍
组态王是一款功能强大的工业生产监控软件。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态王的主要功能：
（1）丰富的人机界面功能，可视化操作界面，真彩显示图形、丰富的图库；
（2）强大的通讯能力；
（3）先进的报警和事件管理；
（4）强大的网络和冗余功能。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能，拥有丰富的动画制作功能，其动画链接功能更是使工程技术人员运用组态王制作画面如虎添翼。
工程人员在组态王开发系统中制作的画面都是静态的，如果要反映工业现场的状况，可以通过实时数据库，因为只有数据库中的变量才是与现场状况同步变化的。
数据库变量的变化可以改变画面的动画效果，通过“动画连接”建立画面的图素与数据库变量的对应关系。
动画连接的引入是设计人机接口的一次突破，它把工程人员从重复的图形编程中解放出来，为工程人员提供了标准的工业控制图形界面，并且由可编程的命令语言连接来增强图形界面的功能。
图形对象与变量之间有丰富的连接类型，给工程人员设计图形界面提供了极大的方便。
“组态王”系统还为部分动画连接的图形对象设置了访问权限，这对于保障系统的安全具有重要的意义。
通过这些功能的良好运用，可以制作出动画效果内容丰富，监控全面的监控系统。
组态王中命令语言是一种在语法上类似Ｃ语言的程序，工程人员可以利用这些程序来增强应用程序的灵活性、处理一些算法和操作等。
命令语言都是靠事件触发执行的，如定时、数据的变化、键盘键的按下、鼠标的点击等。
根据事件和功能的不同，包括应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言、动画连接命令语言和画面命令语言等。
它具有完备的词法语法查错功能和丰富的运算符、数学函数、字符串函数、控件函数、SQL函数和系统函数。
各种命令语言通过“命令语言编辑器”编辑输入，在“组态王”运行系统中被编译执行。
4.2监控界面设计
1、外部变量定义：
2、全自动洗衣机控制画面：
4.3运行和调试
1、启动注水：
2、正反转洗涤：
3、洗衣机排水：
4、洗衣机脱水：
5、结束报警：
5课设总结：
通过本系统的设计，对全自动洗衣机的控制系统有了深入的理解。
全自动洗衣机控制系统利用了西门子PLC的特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入输出点设备进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。
由于每遍的洗涤,排水,脱水的时间由PLC内计数器控制,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,也可以根据衣物的质地,数量及油污的程度来编程。
只要稍作改变,就可以设计出诸如要多洗多甩的牛仔类衣物,轻洗轻甩的羊毛类衣物以及通用的标准洗涤程序,充分表其实用性。
本论文设计了基于PLC的全自动洗衣机控制系统，该系统包括进水、电机正传、电机反转、排水、脱水、报警等组成部分。
在本次设计中主要完成了以下工作：
（1）通过分析把整个系统分成了若干个模块，分析全自动洗衣机控制系统框图；
（2）根据输入/输出点，对CPU进行选型，设计PLC的外围接线图，并进行I/O地址和内部元件地址的分配；
（3）绘制了系统的正常运行流程图和强制停止流程图，对其顺序功能图进行分析；
（4）使用STEP7-Micro/WIN32软件进行了梯形图的编程；
（5）使用S7-200V4.0的仿真软件对程序进行了仿真；
（6）利用组态王软件制作了该控制系统的工作画面。
在做毕业设计的过程中，遇到了不少问题，但经过查询资料和同学帮助下基本得到了解决。
系统仿真时，最初用的是S7-200系列PLC的仿真软件汉化版，但在经过CPU选型和程序下载后，按动面板上的开关按钮使其0，1状态切换，在CPU面板上的输出模拟LED灯不会亮。
经过上网查询资料和咨询同学，下载了仿真软件的英文版，解决了仿真中遇到的问题，完成了系统的仿真。
在组态画面的设计过程中，按下启动按钮时，洗衣机中的变量水位在没有按下启动按钮时就开始上升，出现此问题的原因是因为在进行新建设备时选择的是仿真PLC，水位是从其得到。
而在实际工作中，I/O参数是从实际连接的PLC中采集获得,不会出现此种情况。
为了更贴近实际工作情况，在画面开始运行时，就按下启动按钮。
之后选择水位选择开关，进水阀打开，开始进水，洗衣过程开始。
参考文献：
⑴吴中俊、黄永红．可编程序控制器原理及应用.机械工业出版社
⑵S7-200可编程控制器系统手册
3组态王KINGVIEW6.53使用手册
附录
1、组态命令语言
if（\\本站点\进水电磁阀==1）
{\\本站点\洗衣机液位=\\本站点\洗衣机液位+10;}
if（\\本站点\高水位传感器==1）
{\\本站点\洗衣机液位=100;}
if（\\本站点\排水电磁阀==1）
{\\本站点\洗衣机液位=\\本站点\洗衣机液位-10;}
if（\\本站点\零水位传感器==1）
{\\本站点\洗衣机液位=0;}
2、PLC程序图
完稿日期：
2014年12月23日
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