机电一体化毕业设计（论文）全自动洗衣机控制系统设计.doc

哈尔滨理工大学荣成学院专科生毕业设计题 目：全自动洗衣机控制系统设计专业年级： 机电08-2 学生姓名： 学 号： 指导教师： 哈尔滨理工大学荣成学院完成时间： 2011 年6月 15 日哈尔滨理工大学荣成学院专科生毕业设计（论文）评语学生姓名： 学号：学 院： 荣成学院 专业：机电一体化任务起止时间：2011年3月 14日至2011年6月24日毕业设计（论文）题目：全自动洗衣机控制系统设计指导教师对毕业设计（论文）的评语：指导教师签名： 指导教师职称： 评阅教师对毕业设计（论文）的评语：评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计的评语：答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日哈尔滨理工大学荣成学院专科生毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号：学 院： 荣成学校 专业：机电一体化任务起止时间：2011年3月14日至2011 年6月 24日毕业设计（论文）题目：全自动洗衣机控制系统设计毕业设计工作内容：1.完成以可编程控制器（PLC）作为核心控制部件的全自动洗衣机控制系统。2.完成基于PLC的全自动洗衣机控制方案，并对方案进行了论证，根据洗衣机的工作原理，设计流程及程序。3.完成全自动洗衣机控制的PLC图。资料：1 张贤达. 现代信号处理M. 2 版. 清华大学出版社,1996.2 许小峰. 电机与电力拖动M.北京:高等教育出版社.2000.3 童小东. 模拟电子及其损伤模型试验D. 4 丁文祥. 数字革命与竞争国际化N. 中国青年报，5 谭浩强编著.C程序设计（第三版）指导教师意见： 签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日目 录第1章 绪 论11.1 选题的背景意义11.2 洗衣机的发展历史11.3 自动控制的应用领域31.4 本次毕设主要研究的内容3第2章 系统的总体设计42.1 洗衣机控制系统简介42.2 控制系统的组成4第3章 硬件的理论与设计63.1 硬件设计63.2 可编程序控制器73.2.1可编程控制器的基本概念与基本结构73.2.2可编程控制器的基本特点83.2.3欧姆龙C系列PLC83.2.4开关量I/O模块的选择93.2.5可编程序控制器I/O分配表11第4章 程序设计124.1 梯形图程序设计12参考文献15致 谢16附录 参数表17第1章 绪 论本章阐述了毕业论文选题的背景意义、洗衣机的发展历史以及自动化控制在工业生产和生活中所体现的应用价值，包括目前的应用范围及发展的前景。 1.1 选题的背景意义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，本课题在于自动控制洗衣机的研究，自动控制用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。自动控制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。但是传统的基于半手动的控制，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。工业洗衣机主要特点： 工业洗衣机采用卧室滚筒型,工业洗衣机的内外筒均采用优质不锈钢板精制而成,平整光亮,耐腐蚀,对织物的磨损小且无损伤,机器使用寿命长2； 工业洗衣机内筒门盖均装有不锈钢安全锁紧机构,外筒门盖上设有电器互锁装置,运转安全可靠； 工业洗衣机采用三角胶带传动,振动小、运转平稳、经久耐用。 工业洗衣机专业用于服装厂，水洗厂，宾馆，酒店，医院，工矿企业等。 1.2 洗衣机的发展历史从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩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。 1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战有人发明了木制手摇洗衣机。发明者是美国人比尔·布莱克斯。布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。 1880年，美国又出现了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。 之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。到1911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。电动洗衣机几经完善，在1922年迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌式”。搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。不过10年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步直至今日，滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。 随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。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。至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成3。 20世纪60年代以后，洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列，家庭普及率迅速上升。此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，让人耳目一新。到80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚进入90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命4。 1.3 自动控制的应用领域现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC在其他领域也得到了迅速的发展。在发达的工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，在我国有越来越多的行业领域开始应用到PLC。PLC的应用领域主要有数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等几个方面。 1.4 本次毕设主要研究的内容本次毕业设计是利用欧姆龙C系列P型机PLC对洗衣机进行全自动控制，掌握STEP7-Micro/KINGVIEW组态王的组态理论和组态方法，制作整个洗衣过程监控界面，对电动机及其他设备进行实时监控。在实现以上全部功能的前提下，再对监控界面的控制功能作进一步研究，监控界面的控制功能就是不在现场的情况下，对现场的设备进行控制。第2章 系统的总体设计本段落将介绍所设计的全自动洗衣机整体结构，给出控制系统和执行机构的框图，并附文字说。介绍流程、工作方式及工作特点。 2.1 洗衣机控制系统简介本次设计的全自动洗衣机是以工业使用为目的，在一些工业环境下，洗衣机的工作强度要比家用洗衣机大得多。要想在相对恶劣的条件下长时间连续工作，就需要洗衣机的控制系统更加稳定耐用，从而达到更好的经济收益。但是，对于控制系统来说，能达到如此的地步，就需要相当的技术标准。这样来说，成本就将大幅度提高。作为工业用途的洗衣机，其过高的成本可以凭借其出色的性能所带来的经济效益来弥补。可编程序控制器是一种能够适应多种工业环境的控制装置，其稳定的性能受到广大工业生产者的好评。这种控制系统具有极高的可靠性和灵活性。应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC 在其他领域也得到了迅速的发展。在性能价格比不断提高的同时，它所带来的成果越来越明显5。综上，本次设计的工业用途洗衣机控制系统将由PLC可编程序控制器来作为主要组成部分。 2.2 控制系统的组成本次设计的控制系统主要是以可编程序逻辑控制器所输出的离散型指令为指令源。通过这些数字信号的输出以及其他控制电路的受控行为来指挥供电电路给电动机供电，实现了对模拟洗衣机的控制。控制电路的组成主要包括：可编程序控制器、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，变频器只是作为演示时增强效果的连接装置，在电路中控制洗涤时的电机转速，不作为必要装置。图2-1系统结构框图在图2-1中可以看出，对供电电路的控制是本次设计的最终目的，也就是说，继电器的开合为控制电路的主要动作。模拟洗衣机的电动机是满足工业380V三相电源的交流异步电动机，要想改变电动机的旋转方向只需调换其中的任意两相。这就是继电器组的主要功能。第3章 硬件的理论与设计本章将给出本次设计的洗衣机电路原理图和各个主要器件的具体介绍和说明。原理图中包括了供电回路图和控制回路图。元器件除PLC以外还包括了继电器组和变频器等6。 3.1 硬件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。如图3-1：图中“正转”、“反转”、“脱水”为控制电动机电源方向的三个继电器组，它们的线圈分别与PLC的输出端“Q0.2”“Q0.3”“Q0.4”相连，受控于PLC的输出信号。其中正转组和反转组是通过变频器的限制后接入电动机的，因此，改变变频器参数就可以改变洗涤和漂洗时的速度。而脱水继电器组直接与电源和电动机相连，这样，当洗衣机处于脱水状态时，电动机按额定转速工作。所以，在演示时转速会和洗涤漂洗有图3-1 硬件设计的整体思路 3.2 可编程序控制器 3.2.1可编程控制器的基本概念与基本结构随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域8。3.2.1.1 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，都应按以于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9。3.2.1.2 可编程控制器的基本结构PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成，如图3-1所示。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务10。CPU模块输入模块输出模块输出电源电源开关图3-1 可编程控制器 CPU模块CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。 I/O模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块它们是联系系统外部设备和CPU模块的桥梁。 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。 电源PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源。内部的开关电源为各种模块提供不同电压等级的直流电源。 3.2.2可编程控制器的基本特点可编程控制器具有编程方法简单易学、功能强大、性价比高、硬件配套齐全，用户使用方便、适应性强、可靠性强、抗干扰能力强、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11。 3.2.3欧姆龙C系列PLCC系列P型机内部资源分配是指对它的用户存储器(存储区)存放不同数据和信息，例如输入、输出数据，中间变量提供的定时器、计数器、寄存器数据以及系统程序所使用和管理的系统状态和标志信息。这些存储器具有掉电保护功能，可以由用户增删和修改。C系列P型机引用了电气控制系统中的术语，用继电器定义存储区中的位，将用户数据区按继电器的类型分为7大类，即I/O继电器区、专用继电器区、暂存继电器区、保持继电器区、定时/计数继电器区和数据存储区。对各区的访问采用通道的概念，将各区划分为若干连续的通道。有些区可按继电器（位）寻址，要在通道号后面再加两位数字0015组成继电器号（位号）来标识通道中的各位。整个数据存储区的任一继电器或位都可用通道号或继电器号唯一表示。数据区通道号分配如表3.1.1所示。表3.1.1数据区通道号分配表区域名称通道号I/O继电器0009内部辅助继电器区1017专用继电器区1819暂存继电器区08保持继电器区09定时/计数继电器区0047数据存储区00633.2.4开关量I/O模块的选择 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。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。开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，即汇点式和分组式。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。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。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。 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。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12。开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。 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。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13。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220V2A的点输出模块，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。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。3.2.5可编程序控制器I/O分配表，如表3.1表3.1 洗衣机PLC I/O分配表输入输出地址功能地址功能0000启动0500进水阀0001停止0501正转0002排水0502反转0003高水位0503排水阀0004低水位0504脱水阀CNT06小循环计数器0505蜂鸣器CNT07大循环计数器 第4章 程序设计 4.1 梯形图程序设计 程序流程图：图4-1 洗衣机PLC程序流程图梯形图：如图4-2 洗衣机PLC梯参考文献1. IEEE std 802.11 b, Wireless LAN medium access control (MAC) and physicallayer (PHY) specifications: higher-speed physical layer extension in the 2.4 GHzband S. New York: Institute of Electrical and Electronic Engineers, Inc., 1999.2. Scitor corporation. Project scheduler CP/DK. Sunnyvale, California:Scitor Corporation，1983.3. BREIMAN L. Using convex pseudo-data to increase prediction accuracy R.USA, U C Berkeley: Statistics Department，1998.4. TACHIBANA R, SHIMIZU S, KOBAYSHI S, et al. and system: US, 6,915,001 P，20025. 张贤达. 现代信号处理M. 2 版，1996.6. 许小峰. 电机与电力拖动M，2000.7. 童小东. 模拟电子及其损伤模型试验D，19998. 丁文祥. 数字革命与竞争国际化N. 中国青年报，20019. 谭浩强编著.C程序设计（第三版）M，200510. 林小茶编著.C语言程序设计（第二版）M，200711. 谢希德。创造学习的新思路N.报纸名，出版日期（版次），200412. 刘子林.电机与电气控制M，200313. 程周.电气控制与PLC原理及应用M， 2003致 谢随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计设计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。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。在此要感谢我们的指导老师对我们悉心的照顾，感谢老师给我们的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，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。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。附录 参数表 洗衣机PLC控制程序：LD 0000LD 1000OR LDAND NOT 0001AND CNT07OUT 1000LD 1000AND 0007AND TIM04OUT 0500LD 1000CNT NOT 06AND 0003LD NOT TIN00AND NOT 0502AND NOT TIM03LD 0004AND TIM04OR LDOUT 0501LD NOT TIM03LD 1000AND TIM00TIM 01#0030LD 1000AND TIM01AND NOT TIM02AND NOT 0501OUT 0502LD 1000AND TIM01TIM 02 #0150LD 1000AND TIM02TIM 03 #0030LD 1000LD TIM03LD CNT06OR LDLD 1518OR LDAND ORCNT 06 #0003LD 1000AND CNT06AND NOT TIM04OUT 0503LD 1000AND 0004AND TIM04OUT 0504LD 1000AND 0004TIM 04 #0100LD 1000LD TIM04LD CNT07OR LD LD 1518OR LDAND LDCNT 07 #0003LD 1000