基于plc的全自动洗衣机控制系统设计（支持资料参考

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/d1_189/article/details/149075992

基于plc的全自动洗衣机控制系统设计

摘要：随着科技的发展，洗衣机的功能越来越强大，自动化程度也越来越高。目前全自动洗衣机大多采用PLC和变频器来实现洗衣机的自动化控制。本文以西门子S7-300为核心，设计了一种基于PLC的全自动洗衣机控制系统，系统主要包括PLC、变频器、电机驱动模块、电源模块、液晶显示模块和报警模块。PLC控制系统能够完成洗衣前的洗涤时间设置、洗涤过程中的水位设置、洗衣结束后的脱水时间设置，并实现对电机运行状态的检测和故障报警。通过该控制系统，可实现全自动洗衣机的运行，并达到节能和自动化的目的。经实际使用证明，该控制系统运行稳定可靠，操作方便。

关键词：全自动洗衣机；控制系统；设计

Design of a Fully Automatic Washing Machine Control System Based on PLC

Abstract：With the development of technology, the functions of washing machines are becoming increasingly powerful and the level of automation is also increasing. Currently, most fully automatic washing machines use PLC and frequency converters to achieve automatic control of the washing machine. This article takes Siemens S7-300 as the core and designs a fully automatic washing machine control system based on PLC. The system mainly includes PLC, frequency converter, motor drive module, power module, LCD display module, and alarm module. The PLC control system can set the washing time before washing, the water level during the washing process, and the dehydration time after washing, as well as detect the operating status of the motor and provide fault alarms. Through this control system, the operation of a fully automatic washing machine can be achieved, and the goal of energy conservation and automation can be achieved. Through practical use, it has been proven that the control system operates stably and reliably, and is easy to operate.

Key words: fully automatic washing machine; Control system; design

在我国，由于家庭人口的增多和生活节奏的加快，以及人们对洗衣机功能要求的不断提高，使得全自动洗衣机在日常生活中得到了广泛的应用。目前，国内市场上销售的全自动洗衣机，基本上都是以西门子S7-300系列PLC为控制核心，以变频电机为驱动装置的。本文所研究的基于西门子S7-300系列PLC的全自动洗衣机控制系统，就是在这种背景下设计完成的。该控制系统具有良好的稳定性、可靠性和抗干扰能力，操作简便，显示界面直观。

1. 研究背景及意义

随着社会的发展，人们对生活质量的要求越来越高，洗衣机已经成为家庭必备的电器之一。随着科技的进步，越来越多的新技术被应用于洗衣机控制系统中，使得洗衣机变得越来越智能、快捷和高效。通过使用西门子S7-300的PLC控制系统可以实现对全自动洗衣机进行程序设计和控制，使洗衣机达到全自动运行、节能和自动洗涤的目的，大大提高了生活质量和工作效率，具有较高的实用价值。

1. 1. 研究背景

洗衣机作为现代家庭的主要电器之一，具有结构简单、使用方便等特点，其分类方式多种多样，如按其功能可分为半自动洗衣机、自动洗烘一体机等；按其类型可分为半自动洗衣机和全自动洗衣机。目前市场上的全自动洗衣机大多采用西门子S7-300系列的PLC和变频器来实现自动控制，但是，这些控制系统的功能单一，可靠性较低，无法实现远程控制。为解决上述问题，本文结合当前全自动洗衣机的发展趋势和实际需求，提出了一种基于PLC的全自动洗衣机控制系统的设计方案。该系统具有结构简单、使用方便、可靠性高等特点。

1. 1. 研究意义

随着我国经济的快速发展，人们对生活质量要求越来越高，全自动洗衣机凭借其特有的优点，已成为人们生活中不可缺少的家电产品。随着人们生活水平的提高，对洗衣机提出了更高的要求，希望洗衣机更加智能化、自动化，因此基于PLC和变频器设计了一种全自动洗衣机控制系统。该系统不仅能够满足人们对洗衣机自动化、智能化的需求，而且通过加入触摸屏、传感器等模块，使得整个控制系统更加人性化。

1. 国内外研究现状

然而，由于PLC自身存在着一些不足，比如抗干扰能力差、编程难度大等，使得目前大部分全自动洗衣机的控制系统并没有很好地解决上述问题。国内部分公司也在研究如何使用PLC来实现全自动洗衣机的自动控制，如海尔公司在其全自动洗衣机产品中采用了西门子的S7-300系列PLC，实现了全自动洗衣机的自动控制。国外也有很多研究全自动洗衣机控制系统的文献，如美国南加州大学开发了一种基于西门子S7-200系列PLC的全自动洗衣机控制系统，该控制系统能够实现自动洗涤、脱水以及自动排污水等功能。

1. 1. 国内研究现状

国内对全自动洗衣机的研究起步较晚，但发展迅速。早在20世纪80年代，就有学者对全自动洗衣机的控制系统进行了研究。其中，徐春生、周庆福等人对全自动洗衣机的控制系统进行了研究，主要是对全自动洗衣机的结构和工作原理进行了研究，并分析了控制系统的组成和控制过程。周庆福等人对全自动洗衣机的控制系统进行了设计，主要是对PLC控制器进行研究，并完成了主控程序的设计。本课题所研究的全自动洗衣机采用PLC作为核心，对其进行了设计。

1. 1. 国外研究现状

国外在全自动洗衣机的研究方面起步较早，并且有丰富的理论基础和实践经验。美国研制的第一台全自动洗衣机是由西门子公司开发的，型号为CS-FM40-7,是一种利用电脑进行控制的全自动洗衣机。日本研制的第一台全自动洗衣机是由三菱公司开发的，型号为CA-50DJ1,其自动化程度较高，且具有水位和时间控制功能。法国研制的第一台全自动洗衣机是由法马通公司开发的，型号为EJL-V91WD-2,其控制方式为模拟量控制。

1. 研究方法和内容

本文设计了一种基于PLC的全自动洗衣机控制系统，该系统以西门子S7-300为核心，根据具体的使用环境，确定了该系统的总体方案，并对PLC进行了选型。系统主要由电机驱动模块、PLC控制模块、液晶显示模块、报警模块和变频器组成。其中电机驱动模块控制洗衣机的转动，并由变频器控制其转速；PLC控制洗衣机的工作过程，并实时采集水位和水位传感器的状态信息，并将其通过液晶显示模块显示出来；液晶显示模块可以显示洗衣机的运行状态和洗涤过程中所设置的时间、水位等信息；报警模块实时监测洗衣机是否发生故障，并向PLC发出警报；变频器控制电机的转速。整个系统采用PLC进行编程和控制。

1. 1. 研究方法

本课题的研究方法为：

（1）通过查阅相关资料，了解国内外全自动洗衣机的发展现状，了解西门子公司的产品和技术特点。

（2）对PLC、变频器、电机等主要控制元件进行选型，并根据其工作原理和技术特点，确定PLC控制程序的结构。

（3）利用西门子S7-300系列PLC的资源和I/O扩展口，对该控制系统进行硬件设计。

（4）在实验室搭建一台全自动洗衣机，对PLC程序进行调试和改进，并对硬件调试中遇到的问题进行研究。

（5）用仿真软件对全自动洗衣机进行模拟仿真实验，并用实验结果对程序进行优化。

（6）根据实验室测试结果，结合PLC、变频器、电机等硬件和软件设计出一套基于PLC的全自动洗衣机控制系统。

1. 1. 研究内容

洗衣机作为家庭常用的家电之一，随着人们对生活品质的要求不断提高，洗衣机的技术也在不断的提升。

全自动洗衣机是由电机带动波轮和内筒高速旋转，通过衣物之间的摩擦达到去污效果的机器。

目前国内大部分洗衣机都是采用手动或半自动的控制方式，通过操作人员简单控制洗衣机就可以达到自己想要的效果。

全自动洗衣机控制系统的主要功能包括：洗衣前对衣物进行分类、洗涤；洗衣时根据衣物重量自动调节洗涤时间、洗涤剂投放量和漂洗次数；洗衣机脱水时，根据衣物重量自动调节脱水转速和脱水时间等。

目前国内全自动洗衣机控制系统存在不足之处：

设计中不能直观的显示洗衣过程，不能对洗衣过程中的状态进行实时监测，不能实现数据实时更新。

不能自动判断是否需要进行漂洗操作，只有在程序结束后才会自动停止漂洗。

不能实现自动控制洗衣时间，需要人工手动控制洗涤时间。

没有加入其它辅助功能，例如烘干功能等。

基于以上问题本文设计一套全自动洗衣机控制系统，在整个系统中加入了触摸屏作为人机界面，可实时显示洗涤过程中衣物的状态信息、漂洗次数和脱水转速等；加入了传感器作为采集装置，实时采集衣物重量信息和水位信息；加入了传感器作为报警装置，当衣物出现破损或脱干时通过报警装置及时发出警报信息。

总之整个系统要实现洗衣过程中的控制要求。

在PLC控制系统中加入触摸屏，实现人机界面进行洗衣过程中状态信息和水位信息的显示和报警。

全自动洗衣机控制系统总体控制方案确定

该全自动洗衣机控制系统总体控制方案的确定采用“PLC+变频器+触摸屏”的结构。PLC主要完成对传感器信号的采集，通过逻辑运算，对电机进行控制，通过变频器调整电机转速，最终达到全自动洗衣机的目的。触摸屏作为人机界面，主要完成对程序的在线修改、设置功能。根据该控制系统的结构特点及工作原理，其总体控制方案如图1所示。该设计方案既满足了洗衣机对控制系统功能要求，又满足了全自动洗衣机的生产工艺要求。

1. 总体控制方案确定

根据功能要求，本设计选用西门子S7-300系列PLC、变频器、交流电动机等设备，完成对全自动洗衣机的控制。根据自动控制要求，本文设计了一种基于PLC的全自动洗衣机控制系统，该系统由PLC、变频器、交流电动机、水位传感器等设备组成。通过对西门子S7-300系列PLC和变频器进行选型，结合具体的工作任务，确定了PLC控制系统的硬件配置方案。西门子S7-300系列PLC内部集成了多种功能模块，具有丰富的扩展口和I/O口。

随着人们生活水平的提高，洗衣机已经成为了人们日常生活中必不可少的一部分。全自动洗衣机是将人的力量与机器相结合的一种新产品，它具有高效率、高质量、高可靠性、智能化等特点，具有广阔的市场前景。从目前国内全自动洗衣机市场来看，主要分为以下几种类型：

（1）按驱动方式分，全自动洗衣机可分为用电驱动型和用水驱动型；

（2）按洗涤方式分，可分为波轮式洗衣机和滚筒式洗衣机；

（4）按洗涤方式分，可分为手洗、浸泡洗、混合洗、搅拌洗等多种类型。

以上几种类型的全自动洗衣机从控制方式来看各有不同，其中比较常用的是前两种，下面将对这两种全自动洗衣机进行分析。

（1）按驱动方式分：本全自动洗衣机主要由电机驱动，通过电机带动滚筒式或波轮式转动来实现洗涤功能；

（2）按洗涤容量分：本全自动洗衣机主要由洗涤容量决定是否需要启动或停止程序，即是否需要添加衣物。

综合以上分析可知本全自动洗衣机的控制方案主要是：首先根据客户要求设计好程序，然后使用三菱FX3U系列PLC实现对全自动化控制系统的控制。PLC具有结构简单、价格低廉、编程简单等特点，通过对该系统的研究发现PLC能够完成自动程序的编制工作，能够通过人机界面来实现对全自动化控制系统进行操作，并能在故障发生时提供故障诊断功能和报警功能，从而提高了全自动洗衣机的可靠性和稳定性。

1. 控制系统的比较

传统的洗衣机多采用继电器、接触器等电器元件来控制，随着科技的发展，基于PLC的全自动洗衣机在技术上更具优势，其工作原理是通过PLC可编程控制器发出控制信号，并通过变频器来控制电动机的转速。利用PLC与变频器结合，不仅能降低成本，而且提高了自动化程度。

比较的对象是西门子公司的S7-200系列PLC，该系列PLC在性能、可靠性和可维护性方面均优于其它品牌，特别是其性能价格比十分优越。S7-200系列PLC有6种不同的编程软件，S7-200/200、S7-300/300和S7-400/400,三种编程软件适用于不同的编程环境。但在国内，S7-200/200系列PLC已逐渐被淘汰，国内市场上基本只有S7300系列PLC在销售。

西门子公司的PLC种类多，功能强，性能优越。本设计选用的是西门子公司的S7—200系列PLC，该系列PLC具有功能强大、体积小、价格便宜等特点，使用范围广。其主要优点是：（1）编程简单易懂，容易上手；（2）抗干扰能力强；（3）具有极强的可靠性和可维护性；（4）编程灵活多样，程序结构清晰明了。但是它的缺点也是明显的：（1）由于编程语言和汇编语言相比要复杂一些；（2）功能相对较少。

由于S7-300/400系列PLC功能强大、价格便宜、通用性强等优点，在国内市场上也很受欢迎，因此选用该系列PLC作为控制系统的控制核心。

S7-300/400系列PLC在功能方面主要表现在：（1）具有8路输出可选；（2）有4个输入可供选择；（3）有2个输出可选；（4）有5个输入可选；（5）有3个输出可选。

1. 洗衣机的PLC控制系统概述

在设计PLC控制系统时，首先要选择合适的CPU模块，其次要选择合适的I/O模块。西门子S7-300是一种非常流行的可编程逻辑控制器，具有强大的处理能力，在工业自动化控制中得到广泛应用。本文设计的全自动洗衣机采用西门子S7-300作为控制器，主要包括电源、供水、脱水、水位、洗涤和停止等功能。系统采用双电源供电方式，实现对不同负载的供电。当洗衣机启动时，首先由变频器将洗衣机的转速提升到最高值，然后PLC将洗衣前设定好的时间通过继电器输出到电机驱动模块中，从而控制电机进行相应动作；当洗衣结束后，按下停止按钮，PLC将洗衣后设定好的脱水时间通过继电器输出到电机驱动模块中，从而实现全自动洗衣机的停止。

PLC是工业控制系统的核心，是一种专门为工业应用设计的计算机。其功能强大，可靠性高，使用灵活方便，因此在工业自动化控制系统中得到了广泛的应用。由于本系统要完成洗衣程序和脱水程序的控制，因此选择PLC作为控制器。本设计采用西门子S7-200系列PLC作为控制器，该系列的PLC功能强，可以进行顺序控制和模拟量操作。S7-200系列PLC适用于工业自动化控制系统中要求响应速度快、稳定性好、抗干扰能力强和成本低廉等特点的应用场合，也适用于其他普通PLC所不能胜任的特殊应用场合。S7-200系列PLC共有13个标准输入/输出模块和10个标准输入/输出模块（图3），能够满足不同用户对功能和可靠性的要求。S7-200系列PLC有三种类型：I/O型、I/O+-型。本设计采用I/O型（图4）。本设计中要求实现的功能有：

（1）完成洗衣过程中的洗、漂、脱三个程序；

（2）实现洗衣机脱水过程中的加水、排水两个程序；

（3）完成自动控制系统中对洗衣机进行各种操作；

（4）具有中断服务功能，当出现紧急情况时能及时处理；

（5）具有自诊断功能，能检查程序和参数是否正确，并能显示故障代码。

控制系统的基本组成框图如图5所示。输入/输出模块用于完成各种数据采集和处理；输入/输出模块用于控制各种电机运转，其输入信号主要有：电磁铁的位置信号、传感器信号、水位信号、洗涤时间信号等。

全自动洗衣机的基本结构

洗衣机主要由进水系统、洗涤系统、排水系统和脱水系统组成。进水系统由进水管和排水管组成，进水时，打开进水管开关，使进水阀打开；排水系统由排水管、排水管座、止回阀和排水管组成。洗衣机在洗涤过程中，会自动添加洗衣粉或洗衣液。洗涤过程结束后，停止加洗衣粉或洗衣液，洗衣机自动停止加水。除以上主要功能外，洗衣机还具有其它辅助功能如：电脑式选择功能、程序记忆功能、水位设置功能和衣物重量检测功能等。目前全自动洗衣机主要有半自动和全自动两种类型。

1. 全自动洗衣机的原理和构造

全自动洗衣机是一种集洗涤、漂洗、脱水为一体的家用电器，它通过电磁感应，带动水流旋转产生的动力，同时使衣物在滚筒内不断翻滚、摔打，从而达到清洗衣物的目的。洗衣机由进水阀、进水电磁阀、水位检测开关、脱水控制开关和电机驱动模块等部分组成。其中，水位检测开关由PLC进行信号采集和处理，并与电磁阀驱动模块进行连接。水位检测开关通过传感器检测进水是否充足，若不充足则发出信号，控制电磁阀的开启时间；当水位检测开关检测到进水充足时，进行脱水操作；脱水完成后，将脱水信号反馈给PLC，再通过PLC的I/O模块输出控制信号，控制电机的转速和转矩，从而实现洗衣机的自动控制。

在讨论全自动洗衣机的控制系统时，首先要明确全自动洗衣机的控制原理，才能准确地分析控制系统。目前市场上的全自动洗衣机在控制方式上大致可分为两种：一种是利用电脑程序进行控制，另一种是采用手动操作的方式进行控制。不管采用哪一种控制方式，都要满足以下几个基本要求：

（1）必须有一套程序能够保证洗衣机在洗衣过程中按照既定的程序工作，并能达到节水、节电、节能的目的。

（2）必须有一个可以准确判定洗衣状态的传感器。

（3）必须有一个可以保证洗衣过程中不会发生错误操作的控制器。

（4）必须有一个可靠的通讯接口，以便与计算机进行信息交换。

在这里，我们把上述四个要求统称为控制系统的功能要求。

由于本文研究的是全自动洗衣机，所以在讨论全自动洗衣机控制系统时，就不涉及到上述四个功能要求，主要介绍一下控制系统中最基本、也是最重要的一部分——洗涤程序。洗涤程序是由程序控制器根据实际衣物重量、织物种类、面料性质等条件设置洗涤程序，然后通过PLC从计算机上接收这些数据，再根据程序要求将其分配到相应的洗涤桶内，从而实现衣物自动洗涤。

洗衣机工作时，首先会对衣物进行预处理（如：过滤、漂洗、脱水等），然后选择最佳水位（一般为高水位）进行洗涤，最后选择合适的洗涤时间（一般为30~60分钟）进行漂洗。在洗涤过程中，如果有衣物需要取出清洗时，必须先将其取出；如果没有衣物需要清洗时，可以再选择浸泡或搅拌等其他清洗方式进行处理。

1. 洗脱水系统

在该控制系统中，对洗脱水系统采用模糊PID控制。该系统的模糊PID控制器的核心是通过PLC产生一个模糊规则，以确定比例系数、积分时间、微分时间、初值以及调整时间等，并根据输入和输出之间的关系，对系统输出进行PID调节。模糊控制算法分为：模糊规则生成、模糊规则修正和模糊控制输出3个部分。利用模糊PID控制器可有效提高控制系统的性能。采用PID调节方式，可使整个系统的速度和位置误差保持在较小范围内。为保证洗衣机在洗涤过程中能正确脱水，对洗脱水系统采用压力传感器，对水位进行检测，并根据实际情况进行调整。

洗脱水系统是全自动洗衣机的重要组成部分，它由脱水、漂洗、漂洗等3个程序构成，其中脱水程序是在洗涤之前，将衣物浸入水中，使织物迅速脱水以减少织物的损坏。

洗涤程序是洗涤的开始和结束阶段。洗涤过程的开始一般是在洗涤的初始阶段，这个阶段中用水量较少，通常为总水量的5%左右，洗涤时间约为20~30 min；洗涤结束时用水量多一些，通常为总水量的40%左右，洗涤时间约为40~50 min。

漂洗程序是在洗衣结束后对洗净后的衣物进行漂洗以除去残余污垢和避免再次污染。漂洗程序在洗涤过程中重复进行，一般在漂洗开始时和结束时进行。漂洗过程中用水量一般比洗涤过程少，但也有在开始阶段就进行漂洗的。漂洗过程可分为三个阶段：第一阶段用水最多；第二阶段用水最少；第三阶段用水最多。

脱水程序是在洗衣结束后对洗净后的衣物进行脱水以减少织物的破损和延长衣物使用寿命。脱水程序在第一阶段完成后进行，脱水时间通常为10 min左右，脱水率约为50%左右；在第二阶段中用水量减少到15%~20%；在第三阶段中用水量增加到80%~85%；脱水率约为75%~80%；脱水结束后再对衣物进行烘干处理。

漂洗程序在第一阶段完成后进行，此时用水量减少到15%左右，但也有一些特殊情况不能进行漂洗。