基于s7-200的波轮全自动洗衣机设计 - 图文

基于S7-200的全自动洗衣机设计

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 洗衣机的发展概况和现状

全自动洗衣机包括波轮式和滚筒式

1.3 课题研究的目的与意义 1.4 本课题研究的主要内容

本课题研究的主要内容是设计了一套基于s7-200的波轮全自动洗衣机系统，该系统使用了当前主流s7-200系列的PLC来控制波轮洗衣机，实现其全自动洗衣功能，且加入了人机控制界面，方便使用人员更加人性化操作及控制。 研究内容的具体包括： 1） 控制系统外设选型；

2） 控制系统电气接线原理设计； 3） PLC内部程序设计； 4） 人机界面设计；

第二章 系统的概述

2.1 全自动洗衣机控制系统原理及控制要求

该全自动洗衣机控制系统的控制核心是s7-200系列的PLC，由PLC发出各种指令，通过PLC内的各个触点分别接通和断开，来接通和断开线路控制电气部件运行的。它控制的对象是进水电磁阀、排水电磁阀和电动机；它的检测机构是盖（安全）开关和水位（压力）开关。PLC的控制系统结构框图如下，

电源外部输入输入接口PLC输出接口外部输出通讯接口外部设备 PLC控制系统的控制结构框图

通过对PLC进行编程，实现对全自动洗衣机的逻辑控制，其中包括进水、洗涤、排水、脱水、漂洗及结束报警。

该全自动洗衣机控制要求如下：

1） 洗衣机的洗衣过 程包括：进水、洗涤、排水、漂洗、排水、脱水、结束；

2） 洗涤：包括水位的选择（高水位洗衣、低水位洗衣）和具体洗涤方式的选择（标准

洗、柔和洗）；

3） 标准洗：洗涤时间为510秒，电机正转30秒，停止2秒，反转30秒，停止2秒，

循环8次，漂洗3回，脱水4回；

4） 快洗：洗涤时间为218秒，电机正转20秒，停止2秒，反转20秒，停止2秒，循

环5次，漂洗2回，脱水3回；

5） 漂洗：无洗涤 添加剂的洗涤为漂洗，无论是标准洗还是柔和洗，漂洗的时间都相

同，一次洗涤时间为214秒，电机正转25秒，停止2秒，反转25秒，停止2秒，循环4次，不同的洗涤方式下，洗涤的次数不同；

6） 具有强制停止功能，独立的排水/脱水功能和防止洗衣机抖动功能。

2.2 控制系统框图

全自动洗衣机可以完成洗涤、漂洗及脱水过程的自动转换，通常采用套桶方式，即将离心桶（内桶）和盛水桶（外桶）同轴地套在一起，故又称为套桶式洗衣机。

全自动洗衣机在PLC的控制下自动完成洗衣的全过程。洗涤时，PLC将进水阀打开至水位达到设定值，电动机带动波轮旋转，使水及衣物完成洗涤或漂洗过程；排水时，PLC打开排水阀，将洗涤液或水排出；脱水时，PLC仍将排水阀打开，并使离合器动作，完成机械转换，电动机带动离心桶高速旋转，完成脱水过程，全自动洗衣机控制系统方框图如所示。

指示灯 水位压 力开关 进水 电磁阀 自来水 电源 PLC 电动机 传动机构 洗涤系统 洗涤 安全开关 （盖开关） 电磁铁 离合系统 排水阀 排水

全自动洗衣机控制系统方框图

2.2 硬件系统外形结构设计

全自动洗衣机外型示意图

水位传感器的布局图

全自动洗衣机内部结构示意图

2.3控制系统外设及其功能

开关电源

将220VAC的市电转换为24VDC，给PLC及其输入输出电器设备进行供电。 进水电磁阀

进水电磁阀的作用主要为控制自来水进水，为洗衣机提供适量的洗涤、漂洗用水。进水电磁阀实物图和结构图如图7-1所示。进水电磁阀的开关主要由阀内的线圈控制动铁芯来完成。如果线圈不通电，这时打开自来水龙头，水不会流入洗衣机；当线圈通电后，阀被打开，自来水通畅地流入洗衣机。

接线端子 线圈绝缘层 线圈 阀心骨架 弹簧 阀芯 壳体 出水口 电磁铁 进水口 阀体 接线端子

实物图

过滤网 塑料限流垫 橡胶限流垫 橡胶阀 导管 塑料导阀 结构图

图 进水电磁阀实物图和结构图

进水电磁阀基本结构主要由一个螺管电磁铁和橡胶阀构成。其工作原理是，电磁铁线圈通电后，形成磁场，吸引铁质阀芯上移，离开膜片，水流导通。电磁铁线圈失电后，在复位弹簧及重力作用下，阀芯下沉压紧膜片堵住水道，停止向洗衣机内注水。进水电磁阀的进水口一般有一个过滤网，以防污垢堵塞进水电磁阀橡胶阀。 水位开关

水位开关又叫做水位压力开关、水位传感器、水位控制器，它是利用洗衣桶内水位高低潮产生的压力来控制触点开关的通断，结构如图7-2所示。水位开关用塑料软管与盛水桶下侧的储气室口相连接。当向盛水桶内注水时，随着水位的升高，储气室的空气被压缩，并由塑料软管将压力传至水位开关。随着气压逐渐升高，水位压力开关内的膜片变形并推动动触点与常闭触点分离，常闭触点与公共触点迅速断开，常开触点与公共触点闭合，从而将水位已达到设定值的信号送至PLC或将连接进水阀电磁线圈的电路断开，停止进水。当洗衣机排水时，随着盛水桶水位的下降，储气室及塑料软管内的压力逐渐减小，当气体压力小于弹簧的弹性恢复力时，常开触点与公共触点迅速断开，常闭触点与公共触点闭合，恢复到待检测状态。 旋转水位开关的旋钮选择水位，就是旋转凸轮，通过改变压力开关凸轮的位置可改变恢复弹簧的弹性力，进而改变橡胶膜片变形所需气体的压力，改变水位的设定值。

调节螺钉 常闭触点 常开触点 常开触点 凸轮 微动 开关 公共触点 开关引 线橡胶膜 连接软 管气室口 （1）水位开关实物图 开关 洗衣机气 室波纹 膜片 气室 连接孔

（3）水位开关原 理图（2）水位开关结构示意图

图 水位开关

安全开关

当脱水时打开洗衣机盖时或脱水内桶摆动幅度过大时切断电动机的供电电源，迫使脱水电动机停止转动进入保护状态

离合器

离合器是波轮式全自动洗衣机的关键部件，它主要的作用是在电动机启动后，通过三角皮带传动作用，将电动机的动力传递到离合器上，离合器就可实现洗涤和漂洗时的低速旋转和脱水时的高速旋转，并执行脱水结束时的刹车制动的动作。减速离合器的动作受排水电磁铁的控制，有洗涤和脱水两种状态。洗涤时，电动机运转，通过减速离合器，降低转速带动波轮间歇正反转，进行洗涤，此时洗涤脱水桶不转动；脱水时，电动机运转，通过离合器，不减速（即高速）带动洗涤脱水桶顺时针方向（从洗衣机上方向下看，下同）运转，进行脱水，此时波轮也随着洗涤脱水桶一起运转。

目前波轮全自动洗衣机通常使用减速离合器，减速离合器的的结构如图7-6、图7-7所示，它主要由波轮轴、脱水轴、扭簧、刹车带、拨叉、离合杆、棘轮、棘爪、离合套、外套轴以及齿轮轴等组成。

调节螺钉 拨叉 皮带轮 离合扭簧 制动扭簧 外密封圈 脱水轴 波轮轴 离合杆 棘爪 棘轮 刹车带 离合器壳体

图7-6 离合器外部结构图

波轮轴 拨叉 脱水轴 扭簧 外套轴 离合套 抱簧 调节螺钉 离合杆 棘爪 棘轮

行星减速器

图7-7 离合器内部结构图

减速离合器的工作原理如下。 拨叉是一个杠杆联动控制机构。拨叉的头部装有棘爪，拨叉的动作由排水电磁铁的动铁芯所控制。脱水轴又称上离合轴，与洗衣机内桶相连。波轮轴用于与波轮相连。刹车带用于抱紧外套轴（又称离合轴）。行星齿轮减速机构在刹车盘内，行星齿轮机构只降低转速，不改变转动方向。

洗涤期间：排水电磁阀断电关闭。拨叉上的棘爪将棘轮拨过一个角度，抱簧松开，离合套和脱水轴脱离；拨叉的另一端控制刹车带使之抱紧刹车盘。当电动机带动离合器带轮旋转时，带轮只带动洗涤轴，使波轮旋转（双相间歇换向）；而脱水轴被刹车带抱紧，再加上脱水轴扭簧的控制，脱水轴不能被电动机带动。

脱水期间：排水电磁阀通电开启。拨叉被拨过一个角度，棘爪和棘轮脱离接触，抱簧将离合套和脱水轴抱住，使之连成一体产生联动。同时，离合器顶开螺钉推开摆动板，刹车带被松开，刹车盘不再被抱紧。即当电动机带动离合器皮带轮旋转时，皮带轮带动离合器脱水轴做顺时针方向旋转。

排水阀电磁铁

通电后拉动离合器上的拨叉，使离合器进入脱水状态，控制脱水桶的状态，同时拉动排水阀芯，打开排水通路

电动机

为洗衣机洗涤、漂洗或脱水提供动力，能实习正反转。

单相交流异步电机，是目前洗衣机普遍采用的电机，原因很简单，因为它的原理、构造大家已经非常了解，制作工艺已很成熟，而且，应用在洗衣机上已有几十年历史了。但由于这种电机是恒速运转，工作时通过皮带传动及减速离合器完成速度、力矩的转换，再分别完成洗衣机的洗涤、脱水动作。普通波轮洗衣机的电机功率一般在300w左右，同时根据节能和环保的理念，我们可以选择具有噪音低，升温低、功率大以及维护方便的优点的YC系列单值电容起单相异步电动机。同时该电机具有产品结构简单，运行可靠，具有起动转矩大、过载能力强的特点。因此，YC系列的单相异步电机非常适合家用电解的设计的理念。 洗衣机内桶

用于盛放衣物，并且用于脱水时分离衣物上的洗涤液。上部装有内置盐水的平衡圈，用于脱水时保持平稳 波轮

由电动机带着转动，搅动洗涤桶内的洗涤液。形成水流洗涤衣物

第三章 硬件电路设计

3.1 PLC的选型

S7-200系列的PLC有221、222、224、224XP及226这几种型号，其中，各型号具体参数如下所示：

各CPU的常规规范

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小。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。

PLC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，如通讯模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：

1） 供电电压类型

2） 功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求； 3） PLC结构合理、机型统一； 4） 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，尽量选择一款PLC，其I/O点数能够满足洗衣机控制系统的控制需求，且尽量不需要进行其他模块的扩展。 电压类型直流型供电的PLC比交流供电的PLC便宜，所以为了适应市场需求，成本也是每个产品设计初期需要重点考虑的。

所以综上所述，PLC应尽量选择24VDC供电的能够满足I/O点数的一体机。

3.2 控制系统的输入输出口统计

全自动洗衣机系统外部输入输出设备清单如下表： 外部输入设备 电源按钮 启动按钮 停止按钮 高水位按钮 中水位按钮 低水位按钮 高水位传感器 中水位传感器 外部输出设备 进水电磁阀 排水电磁阀 电动机正转电磁阀 电动机反转电磁阀 离合电磁阀 报警器

低水位传感器 水排尽传感器 标准洗按钮 柔和洗按钮 手动排水按钮 手动脱水按钮 安全开关（脱水时打开洗衣机盖时或脱水内桶摆动幅度过大时切断电动机的供电电源） 该系统共有15个数字输入点和6个数字输出点，根据PLC的选型标准，对于全自动洗衣机系统来说，本设计选择S7-200-CPU-226（DC/DC/继电器），该模块采用的是直流24V供电，自带24个数字量输入点，和16个数字量输出点，能完全满足全自动洗衣机控制系统的要求，且满足20%-30%的冗余设计。

3.3 控制系统的电气接线图

图7-5 全自动洗衣机电路简图

第四章 软件部分设计

4.1 PLC 的I/O分配表

输入分配表 输入地址 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 I1.5 I1.6 输出分配表 输出地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 对应的输出设备 进水电磁阀 排水电磁阀 电动机正转电磁阀 电动机反转电磁阀 离合电磁阀 报警器 对应的输入设备 电源按钮 启动按钮 停止按钮 高水位按钮 中水位按钮 低水位按钮 高水位传感器 中水位传感器 低水位传感器 水排尽传感器 标准洗按钮 柔和洗按钮 手动排水按钮 手动脱水按钮 安全开关（脱水时打开洗衣机盖时或脱水内桶摆动幅度过大时切断电动机的供电电源） 4.2 控制系统功能流程图

按下电源按钮水位选择洗涤方式的选择按下启动按钮开始脱水脱水完成，关闭排水阀，打开进水阀是否到达设定水位是根据洗涤方式开始漂洗否是否漂洗完成是否是打开排水阀开始排水是否到达低水位是打开脱水否是否完成预定洗涤方式的脱水是结束否否否关闭排水阀打开进水阀，根据设定水位开始进水是否到达预定水位是根据洗涤方式开始洗涤是否完成预定洗涤方式的漂洗是打开排水阀开始排水是否到达低水位否

正常洗衣的流程图

按下电源按钮按下脱水按钮打开排水阀开始排水是否到达低水位是打开脱水是否完成预定洗涤方式的脱水是结束

单独脱水流程图

否否按下电源按钮按下排水按钮打开排水阀开始排水是否到达低水位是结束

单独排水流程图

否4.3 程序设计

第五章 人机界面设计

第六章 调试

1、平台搭建

第七章 结论

全自动洗衣机的洗衣原理 电路工作原理如表7-3所示。

表7-3 电路工作原理

操作步骤 方 式 打开洗衣机桶盖，放入衣物，用专第一步 用软管连接水龙头和进水阀，打开水龙头 插上电源，按动ON/OFF电源开关，第二步 选择洗衣方式及水位位置选择开关，并按动启动/暂停开关，合上桶盖 电路相应工作情况 因桶盖打开，桶盖安全保护开关处于断开状态，同时因为按动ON/OFF电源开关，洗衣程序没有启动，即使通电整机也无法工作 插上电源后，CPU开始工作，按动ON/OFF开关后，面板上的相应指示灯点亮，按动面板上的开关选择合适的洗衣程序，并选择合适的水位，按动启动/暂停开关后，CPU内置的程序启动，进水电磁阀线圈得电，开始进水 此时CPU相应的引脚输出控制电压，触发晶闸管V1，进水阀HV线圈得电，电磁阀打开 水位到达预定水位高度，水位开关断开，CPU进水阀控制脚停止输出控制电压，晶闸管V1截止，进水阀线圈断电，电磁阀关断，第四步 进水水位达到预定水位，停止进水，开始洗涤衣物 停止进水。同时相应电动机控制引脚输出控制电压，使晶闸管V3导通，V3、V4均截止，V4导通，V3、V4均截止，从而洗涤电动机M1反复正转，停止，反转。同时时间显示屏上的时间开始倒计时 预定洗涤时间到，CPU电动机控制引脚停止输出控制电压，晶闸第五步 洗涤时间到，开始排水 管V3、V4截止，电动机停止转动。同时CPU排水控制引脚输出排水指令，晶闸管V2的栅极得电，V2导通，牵引器电动机得电旋转，拉动排水阀，开始排水 当水桶内的水排完后，水位开关闭合，CPU的电动机控制引脚输第六步 排水结束，开始脱水 出持续信号，晶闸管V3持续导通，洗涤电动机M1开始正向持续旋转，通过离合器的作用，脱水内桶高速旋转开始脱水，同时牵引器M2继续通电，排水阀持续排水 第三步 进水电磁阀工作，开始进水 操作步骤 方 式 电路相应工作情况 当预定脱水时间到后，CPU停止输出电动机控制信号和排水信号，晶闸管V2、V3截止，电动机M1和M2相继失电，停止转动，排第七步 二次进水后，开始漂洗 水阀关闭，同时在刹车的作用下电动机、内桶立即停止转动，同时CPU发出进水控制信号，进水电磁阀工作，开始二次进水。进水停止后，CPU启动漂洗程序，洗涤电动机反复正反转 第八步 第九步 二次脱水过程 三次进水，二次漂洗，再脱水 最后脱水结束后，蜂鸣器提醒洗衣结束 预定时间到后，CPU输出排水信号，排水电磁阀得电，开始排水，重复第五、第六步的工作。 重复第七、第八步，脱水时间加长 最后一次脱水后，工作时间归零，排水阀线圈、牵引器电动机、洗涤电动机断电，同时CPU发出指令，使蜂鸣器得电鸣叫，提醒拿取衣物，洗衣全过程结束 第十步

一、软件部分设计 二、上位机软件设计 三、调试 四、结论

五、该洗衣机有报警系统

报警条件就是在预定的时间内没有完成指定任务。

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