PLC控制節(jié)能洗衣機的系統(tǒng)設計摘要：隨著科技的不斷進步和社會的高速發(fā)展，洗衣機是跟人民生活質(zhì)量息息相關的家用電器，洗衣機的發(fā)展方向是自動化，功能化，智能化的，在傳統(tǒng)的自動化控制領域，主要采用三種控制方式：繼電器控制、微機控制和PLC控制[1]。本次的設計我選擇了西門子制造的PLC來控制洗衣機的系統(tǒng)，這跟以前傳統(tǒng)的繼電器控制方法有所不同，現(xiàn)代的PLC控制系統(tǒng)顯著提高了洗衣機系統(tǒng)的使用可靠性和降低能源浪費的能力。傳統(tǒng)的全自動洗衣機因其繼電器控制和驅(qū)動能力的局限性，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代人們對自動化、功能化和智能化的高要求。然而，與繼電器控制和微機控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)作為工業(yè)的三大支柱之一，具有多種優(yōu)勢，包括控制方式的多樣性、安裝的簡便性、接線和調(diào)試工作量的減少、使用的高可靠性、強大的抗干擾能力、低故障率，以及適應復雜工作環(huán)境和易于維護的特點。因此，在最近的幾年中，PLC的成本逐漸降低，洗衣機行業(yè)也開始采用PLC作為其核心控制器，推動洗衣機向智能化的方向前進。PLC是一個創(chuàng)新的控制技術，它以微處理器為中心，整合了計算機科技、自動化控制理念以及通信技術。完全可以達到本次設計洗衣機控制系統(tǒng)的制造需求。這一設計方案首先概述了洗衣機的歷史發(fā)展，接著集中討論了洗衣機的系統(tǒng)架構，并對相關程序進行了深入的解釋和仿真調(diào)試。關鍵詞：全自動；PLC控制；變頻器；控制技術。

SystemdesignofPLCcontrolledwashingmachineAbstract:Withthecontinuousprogressofscienceandtechnologyandtherapiddevelopmentofsociety,washingmachineisahouseholdappliancecloselyrelatedtothequalityofpeople'slife,thedevelopmentdirectionofwashingmachineisautomated,functional,intelligent,inthefieldoftraditionalautomationcontrol,mainlyusingthreecontrolmethods:relaycontrol,microcomputercontrolandPLCcontrol[1].Inthisdesign,IchosethePLCmadebySiemenstocontrolthewashingmachinesystem,whichisdifferentfromthetraditionalrelaycontrolmethodbefore,andthemodernPLCcontrolsystemsignificantlyimprovesthereliabilityofthewashingmachinesystemandreducestheabilitytowasteenergy.Traditionalfullyautomaticwashingmachinescannolongermeetthehighrequirementsofmodernpeopleforautomation,functionalizationandintelligenceduetothelimitationsofrelaycontrolanddrivingcapabilities.However,comparedwithrelaycontrolandmicrocomputercontrolsystem,PLCcontrolsystem,asoneofthethreepillarsofindustry,hasavarietyofadvantages,includingthediversityofcontrolmethods,thesimplicityofinstallation,thereductionofwiringanddebuggingworkload,thehighreliabilityofuse,thestronganti-interferenceability,thelowfailurerate,andthecharacteristicsofadaptingtocomplexworkingenvironmentsandeasymaintenance.Therefore,inrecentyears,thecostofPLChasgraduallydecreased,andthewashingmachineindustryhasalsobeguntoadoptPLCasitscorecontrollertopromotewashingmachinesinthedirectionofintelligence.PLCisaninnovativecontroltechnology,whichiscenteredonthemicroprocessor,integratingcomputertechnology,automationcontrolconceptandcommunicationtechnology.Itcanfullymeetthemanufacturingneedsofthewashingmachinecontrolsystemofthisdesign.Thedesignfirstintroducesthedevelopmentprocessofthewashingmachine,andthenfocusesonthesystemdesignofthewashingmachine,andgivesadetailedexplanationoftheprogramandsimulationdebugging.Thedesignbeginswithanoverviewofthehistoryofthewashingmachine,thenfocusesonthesystemarchitectureofthewashingmachine,andprovidesanin-depthexplanationandsimulationoftherelevantprocedures.Keywords:MainControl,PLCControl,PIDControltransdu

目錄1緒論 11.1研究背景和意義 11.2洗衣機的發(fā)展史 11.2.1中國洗衣機的發(fā)展狀況 11.2.2國外洗衣機的發(fā)展狀況 11.3PLC技術在洗衣機中的發(fā)展現(xiàn)狀 31.3.1將變頻器與PLC相結(jié)合 31.3.2PLC控制的特點 41.3.3PLC的功能 51.4畢業(yè)設計內(nèi)容 51.5本章小結(jié) 62PLC控制和變頻電機簡介 72.1變頻器的作用 72.2國內(nèi)外變頻技術的發(fā)展現(xiàn)狀 72.3PLC的結(jié)構和工作原理 82.3.1PLC的基本結(jié)構 82.3.2PLC的工作原理 92.3.3PLC的指令系統(tǒng) 92.3.4PLC的編程工具 92.4本章小結(jié) 93洗衣機控制系統(tǒng)的硬件設計 103.1洗衣機的工作原理 103.2洗衣機的設備控制要求 103.3PLC控制系統(tǒng)的設計分析 133.4PLC和變頻器的選擇 133.4.1PLC型號的選擇 133.4.2變頻器的選擇 153.5本章小結(jié) 154洗衣機控制系統(tǒng)的軟件設計 164.1程序的構成、下載、安裝和調(diào)試 164.2洗衣機控制系統(tǒng)資源分配 164.3洗衣機的PLC程序設計 174.3.1源程序 174.3.2洗衣功能選擇、水位選擇程序 184.3.3進水，洗衣，排水，脫水程序 204.4本章小結(jié) 235總結(jié) 24參考文獻 25致謝 27附錄1 28附錄2 291緒論1.1研究背景和意義可編程控制器（PLC）具備強大的功能和高可靠性，在廣泛的應用領域中發(fā)揮著重要作用[2]。在現(xiàn)代自動控制領域，PLC的應用非常廣泛。目前市面上的洗衣機只需精確選擇水位擋位，然后打開水龍頭，將需要清洗的衣物放入洗衣機內(nèi)，加入洗滌劑，并啟動電源控制開關。接下來，所有的操作都是由洗衣機自動執(zhí)行的，因此可以完全采用PLC控制程序來完成。1.2洗衣機的發(fā)展史自古以來，洗滌衣物一直是一項不能不做的家務勞動，伴隨著隨著洗衣機的出現(xiàn)，則大幅提高了洗滌效率，相比手工洗衣更為迅速和便捷。自動洗衣機可以在短時間內(nèi)完成多個步驟，包括浸泡、洗滌、漂洗和脫水，可以讓洗衣服變得更高效快捷。1.2.1中國洗衣機的發(fā)展狀況中國洗衣機研發(fā)起步相比于國外晚得多。中國研發(fā)出第一臺洗衣機是在19世紀60年代，是由沈陽日用電器研究所成功研制，這不但標志著新中國洗衣機制造的開端[3]。直至1978年，中國才正式啟動了民用洗衣機的生產(chǎn)工作。然而，隨著社會認知水平的不斷提升，特別是在改革開放之后的連續(xù)迭代中，洗衣機產(chǎn)業(yè)在80年代之后并沒有停止其發(fā)展，反而呈現(xiàn)出更為積極的發(fā)展方向。自1983年起，國內(nèi)洗衣機的生產(chǎn)數(shù)量瘋狂激增到近400萬臺，這一顯著增長直接催生了全國范圍內(nèi)技術引進的熱潮。國內(nèi)許多洗衣機制造商開始從英國、日本、法國、美國、意大利和澳大利亞這些最早開始洗衣機生產(chǎn)的國家引入了超過50種關鍵技術。我們吸納了這些引進的技術，并在已有基礎上進行了創(chuàng)新，這些技術的引進增快了我國洗衣機的發(fā)展，現(xiàn)在中國生產(chǎn)的洗衣機不僅在數(shù)量和品類上滿足了國內(nèi)市場需求，還將洗衣機出口到了北美、歐洲、東南亞等市場，中國洗衣機品牌已經(jīng)成為了國際洗衣機市場中不可缺少的一張拼圖。1.2.2國外洗衣機的發(fā)展狀況在18世紀期間，美國發(fā)明家漢密爾頓·史密斯成功地發(fā)明了全球首臺洗衣機。他所設計的洗衣機主體部分使用了一個圓形的筒狀結(jié)構，而在這個內(nèi)桶內(nèi)部，有一個由漿狀葉片構成的軸，其工作原理是通過手動旋轉(zhuǎn)曲柄來實現(xiàn)的。這款洗衣機的誕生在客觀上減少了洗衣過程的復雜性，并顯著地減少了洗衣所需的時間。但是，這款洗衣機的不足之處是非常明顯的，人們在使用它時會消耗大量的體力，并且對衣服造成的損害也是非常嚴重的，因此它并沒有得到廣泛的推廣。繼此之后，美國的發(fā)明家比爾·布萊克斯領導了一個重大的創(chuàng)新項目，他設計并創(chuàng)造了一種木質(zhì)的手搖洗衣機。這款洗衣機的設計極為簡潔，它使用了木制的筒狀結(jié)構，并在其內(nèi)部安裝了六片葉子。在使用過程中，通過洗衣機的手柄和齒輪傳遞動力，使得衣物能夠在筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)高效的清洗效果。這項創(chuàng)新不僅加速了洗衣機行業(yè)的研究和優(yōu)化，還為洗滌技術的進一步發(fā)展奠定了堅實的基礎。在18世紀60年代，英國發(fā)起了第一次工業(yè)革命，與此同時，美國也迅速地進入了蒸汽時代的革命階段。之后在1880年，美國率先推出了一種由蒸汽機驅(qū)動的洗衣機。從那個時刻開始，人們的創(chuàng)新思維逐漸多元化，涌現(xiàn)出了如水力洗衣機、內(nèi)燃機洗衣機等多種不同的設計方向。19世紀，世界上第一臺電動洗衣機是一個叫費希爾的美國人發(fā)明的，這標志著人們在家務勞動自動化方面邁出了重要的一步。這項創(chuàng)新使得洗衣過程大為簡化，極大地改善了家庭生活的便利性。但是這些早期的洗衣機類型存在一些缺點，比如操作較為粗暴、設計結(jié)構簡單，這樣導致衣物經(jīng)常難以洗凈?，斔栏窆驹?922年對洗衣機的構造重新進行了改良，他們在內(nèi)筒中央安裝了一根軸，中心軸的兩邊裝有攪拌槳。通過電動機啟動帶動中心軸旋轉(zhuǎn)，使洗衣機內(nèi)部的衣物能夠翻滾、摩擦，從而提高洗滌效果。這種攪拌式洗衣機由于其合理設計和更好的清洗效果，受到了廣泛歡迎。1937年，世界首款自動洗衣機問世，其獨特之處在于，僅通過一個水平軸帶動缸，就能輕松放置4公斤的衣服。直到1940年，現(xiàn)代化的上置式自動洗衣機開始逐漸涌現(xiàn)。英國推出了一款噴流式洗衣機使得洗衣機的洗衣效能得到了顯著提升。到了1955年，日本在此基礎上，研發(fā)出了波輪洗衣機，這款洗衣機現(xiàn)在家庭中也非常常見。到目前為止，市面上的三種獨特洗衣機設計滾筒式、波輪式和攪拌式已經(jīng)建立完成。在20世紀60年代，日本又研制出了帶甩干功能的洗衣機，之后波輪套桶洗衣機的出現(xiàn)，洗衣機又經(jīng)歷了一次質(zhì)的飛躍。到了1970年代的后半段，由微電腦技術驅(qū)動的全自動洗衣機開始進入市場，為大眾提供了一種創(chuàng)新的科技體驗。在此之后隨著電動機控制技術的提升，洗衣機在電機轉(zhuǎn)速和能源調(diào)節(jié)方面實現(xiàn)了更廣泛的應用，從而催生了更多創(chuàng)新型洗衣機。這些創(chuàng)新為家庭生活帶來了極大的便利和舒適。從那時起，日本又成功制造出了直驅(qū)電機式洗衣機，他們直接拋棄了傳統(tǒng)工業(yè)齒輪傳動，導致了洗衣機驅(qū)動方式的巨大變革。1.3PLC技術在洗衣機中的發(fā)展現(xiàn)狀我國從70年開始，經(jīng)歷了各種技術引進、和國外合作開發(fā)，到現(xiàn)在的自主設計和研發(fā)。在洗衣機控制這方面，沒有出現(xiàn)PLC之前，一直都是使用繼電器為主體。但是繼電器有許多致命的缺點，比如說體積比較大、耗電量多、使用可靠性較低、平均壽命短、運行速度慢、環(huán)境適應性差等。特別是工藝需要更改時，只能重新設計或者重新安裝，十分浪費資源。傳統(tǒng)洗衣機洗滌、脫水程序是由單片機設計為中心控制系統(tǒng)工作的，單片機的指令系統(tǒng)相對于PLC更加復雜，單片機控制系統(tǒng)的硬件的復雜性，暗藏的故障率還更多，更多的增加了維修的成本費用[4]。所以采用目前工業(yè)控制常用的PLC控制器作為洗衣機的控制系統(tǒng)，它是模塊化的，另外融合了各種驅(qū)動電路、檢測電路和通信功能。硬件設計和編程語言也相對簡單?；旧蠈W習一段時間就可以上手編程，模塊化的設計使得程序的更改，故障率的發(fā)生降低了，非常適合本次洗衣機的系統(tǒng)設計，因此在本設計中使用PLC來實現(xiàn)全自動洗衣機的工作過程[4]-[5]。在過去的十幾年中PLC在洗衣機應用中得到了顯著的發(fā)展，應用了PLC給自動洗衣機帶來了更高級的控制能力和智能化的功能，可以設計復雜和靈活的控制邏輯，實現(xiàn)洗衣機與其他智能家居設備的互聯(lián)。通過通信接口，洗衣機可以與智能手機、智能家居系統(tǒng)等設備連接，實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)測。伴著技術的不斷發(fā)展，我們可以期望PLC在洗衣機中的應用將繼續(xù)推動洗衣機的性能、效率和功能的提升。1.3.1將變頻器與PLC相結(jié)合隨著變頻器技術的普及和持續(xù)進步，工業(yè)控制系統(tǒng)對于變頻調(diào)速的準確性的需求也逐步上升。通過PLC和變頻器的聯(lián)合應用，本設計能夠達到更為精準的電機控制效果。PLC能夠指導變頻器選擇適當?shù)妮敵龉β?，從而使洗衣機的電機能夠精準地控制轉(zhuǎn)速。由于交流異步電機具有成本效益高、持久耐用、維護簡單以及在惡劣環(huán)境中的適應性等多方面的優(yōu)點，因此得到了廣泛的實際應用。雖然這類電機在工業(yè)領域展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，但它們的數(shù)學建模和計算過程卻相對較為繁瑣。為了對洗衣機電機進行更為精準的控制，我選擇了直接使用G120C變頻器。這款變頻器能夠直接與電機相連，并利用TIAPortal軟件加入驅(qū)動裝置，為用戶提供了更加靈敏和穩(wěn)定的控制解決方案，這在性能和操作方面都帶來了明顯的提升。結(jié)合變頻器技術和PLC，可以有效地解決傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器體積過大的問題。這樣的整合得到了充分的體現(xiàn)了PLC控制的靈活性、編程的方便性以及適應性強的優(yōu)勢，同時提高了系統(tǒng)控制的精確度[5]-[6]。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)速的精確控制，具有實用性強的特點。1.3.2PLC控制的特點1、編程方法簡單（1）PLC的電路符號和表達式與繼電器電路原理圖相似（2）梯形圖語言直觀易學（3）熟悉繼電器電路圖的技術人員短時間就能掌握。（4）允許用戶根據(jù)需要進行快速調(diào)整和修改源程序2、I/O輸入輸出模塊適用性多樣化（1）PLC在不同工作環(huán)境，I/O功能可以相互匹配，其電源可以是AC或DC；在輸出輸入的時候，開關量的數(shù)量就是設定數(shù)量。（2）在現(xiàn)場就可以和各種設備和器件進行連接，比如變頻器、傳感器、按鈕開關、電磁閥、接觸器等。（3）為了提高智能化，PLC還集成了了人機交互的語音模塊；為了實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，我們還需要考慮各種通信連接的接口模塊，如藍牙模塊等。3、結(jié)構的模塊化為了更好地滿足各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的控制要求，大多數(shù)PLC都選擇了模塊化的結(jié)構設計。幾乎所有的組件，包括電源、CPU以及I/O，都是基于模塊化的方式來設計的，它們的大小和功能可以根據(jù)用戶的具體需求進行定制。4、安裝簡單，維修非常方便PLC無需專門為機房設計，能夠在多種生產(chǎn)和加工環(huán)境中直接操作。只需將工業(yè)現(xiàn)場的各種設備與PLC相對應的I/O端口導線進行連接，便可立即開始運行。PLC的各個模塊都配備了故障提示燈，一旦出現(xiàn)問題，用戶可以迅速地定位到問題所在。鑒于PLC的各個組件都是模塊化設計的，因此當某一模塊出現(xiàn)故障時，用戶有能力通過替換該模塊來迅速地恢復系統(tǒng)的正常運行。這種方式既避免了全部替換，不僅減少了成本，還提升了工作效率。1.3.3PLC的功能（1）邏輯控制PLC的核心功能就是執(zhí)行邏輯的系統(tǒng)控制、使得用戶可以編寫代碼、對輸入信號進行處理和輸出設備的信號輸出控制。例如有開關、電磁閥和洗衣機電機之類的設備。（2）計數(shù)和定時控制可以實現(xiàn)計時功能，測量事件的持續(xù)時間，還可以對輸入信號進行計數(shù)，實現(xiàn)對事件發(fā)生的次數(shù)進行監(jiān)控。（3）時序控制按照用戶設定的時間執(zhí)行任務，實現(xiàn)定時控制，例如在特定時刻打開或關閉設備。（4）通信接口利用以太網(wǎng)、串行通信等，以便與其他設備、傳感器、執(zhí)行器或上位機進行數(shù)據(jù)交換和遠程監(jiān)控。1.4畢業(yè)設計內(nèi)容1、設計內(nèi)容:制定PLC程序優(yōu)化洗滌過程，減少能源浪費。開發(fā)直觀、用戶友好的人機界面，以便用戶能夠輕松了解和操作節(jié)能洗衣機系統(tǒng)，通過對洗滌參數(shù)的自適應調(diào)整，減少不必要的能耗，提高洗衣機的整體能效。（1）.硬件的設計:需要確定PLC系統(tǒng)設計中的輸入和輸出位置；挑選適當?shù)淖冾l器；實現(xiàn)洗衣機的智能化控制。（2）.軟件的設計:洗衣機的系統(tǒng)控制PLC程序設計；洗衣機控制系統(tǒng)的PLC選擇型號和資源的配置；洗衣機控制系統(tǒng)程序編寫和調(diào)試，完成運行流程圖、電路圖、論文設計、PLC程序、仿真界面。2、研究結(jié)果：經(jīng)過了系統(tǒng)調(diào)試，PLC仿真程序?qū)嶋H運行，本次洗衣機系統(tǒng)設計具備以下基本功能:（1）用戶根據(jù)衣服的數(shù)量，來選擇不同的清洗功能和水位。（2）為了實現(xiàn)節(jié)能，我們引入了變頻模塊來控制洗衣機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果。（3）當洗衣機進入清潔模式時，其蜂鳴器會發(fā)出警報，因為洗衣機已經(jīng)具備了自動報警的功能。1.5本章小結(jié)本章講述了洗衣機的發(fā)展歷史，對國內(nèi)外洗衣機發(fā)展的歷程做了比較詳細的介紹，簡單分析了PLC在洗衣機產(chǎn)業(yè)中的應用，在PLC控制出現(xiàn)之前幾乎都是繼電器控制，而PLC的出現(xiàn)則提供了更簡單靈活，可靠性更高的控制方式，還介紹了本次畢業(yè)設計的基本內(nèi)容，軟硬件的設計等。2PLC控制和變頻電機簡介2.1變頻器的作用變頻器是結(jié)合了變頻技術和微電子技術，工業(yè)控制中使用變頻器來達到節(jié)省能源、降低噪音和提高生產(chǎn)效率等目的，能夠?qū)崿F(xiàn)對工業(yè)設備的準確控制，變頻器的原理是通過改變電機電源頻率從而實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)[7]。變頻器在傳統(tǒng)工業(yè)中應用比較廣泛，但是隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在普遍家庭電器中，如空調(diào)和洗衣機等，也加入了變頻器技術。伴隨著電力器件制造、電力電子基礎轉(zhuǎn)換、計算機技術、微電技術、數(shù)字化控制以及通信網(wǎng)絡等多方向技術的突破，傳統(tǒng)變頻器技術得到了質(zhì)的飛躍。尤其是普通變頻器的數(shù)字化和網(wǎng)絡化技術，徹底改變了電氣控制技術的現(xiàn)狀?，F(xiàn)在電動機的控制已經(jīng)不滿足單一的調(diào)速控制需求了，而更加注重裝置化和系統(tǒng)化的應用[8]。2.2國內(nèi)外變頻技術的發(fā)展現(xiàn)狀我國的電氣傳動行業(yè)始于1954年，那時，首批受此專業(yè)培訓的學生從多所高等教育機構畢業(yè)，并在機械工業(yè)領域創(chuàng)辦了我國首家電氣傳動完整企業(yè)。目前，我國變頻器設備生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)有大約300多家，但是實力參差不齊，近年來，本土變頻器品牌經(jīng)過多年的蓄力，逐步擴大市場占有率[8]-[9]。盡管我國在市場中的占有率正在穩(wěn)步增長，但與之相關的配套產(chǎn)業(yè)的實力依然不夠強大，缺少核心技術的優(yōu)勢，并且某些產(chǎn)品在科研和開發(fā)方面仍然落后于發(fā)達國家。我們的自主研發(fā)和生產(chǎn)的變頻器技術水平，目前仍然只與國際上80年代的標準持平。伴隨著我國經(jīng)濟的飛速增長，中國的變頻器市場依然擁有巨大的成長潛力，很多高端產(chǎn)品僅通過進口就能滿足我國的生產(chǎn)和日常生活需求。總的來說，我國變頻調(diào)速技術產(chǎn)業(yè)還是有許多短板，還需要更大的提升研發(fā)水平和技術革新，縮短與國際的技術差距，提高在本土產(chǎn)業(yè)的市場占有率。國內(nèi)外變頻技術產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀是：(1)變頻器的核心技術落后，我國雖然在許多地方投入了財力、物力、人力，但是這些都沒有結(jié)合起來，過于分散，不能有效的形成較強的開發(fā)能力。(2)變頻器產(chǎn)品所用的半導體器件不能自主研發(fā)生產(chǎn)(3)變頻器相關配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后[9]。(4)變頻器的銷量少，可靠性及工藝水平不高[10]。2.3PLC的結(jié)構和工作原理2.3.1PLC的基本結(jié)構實質(zhì)上PLC就是一臺設計專門用作工業(yè)控制設計的計算機，它的硬件配置非常像微型計算機。其種類可分為整體式結(jié)構和模塊化式結(jié)構這兩種1.整體式結(jié)構的PLC整體式結(jié)構的PLC其硬件配置主要是由CPU、存儲設備、（I/O）輸入/輸出模塊、電源以及通信端口這些組成，只不過是全部融合成了一個整體。如圖2-1所示。圖2-1一體式PLC2.模塊式結(jié)構的PLC模塊式結(jié)構的PLC則和整體式相反，它也是由CPU、存儲器、輸入/輸出（I/O）單元、電源和通信端口這些組成，只不過這些分成了多個獨立模塊。根據(jù)用戶的使用要求自己合理組裝，最后通過總線進行相互連接。如圖2-2所示。圖2-2模塊式PLC3.PLC各組成部分介紹（1）CPU：PLC中最核心的地方，主要負責各個模塊單元能夠連接（2）存儲設備：用于保存已經(jīng)編寫完成的程序段。（3）（I/O）模塊：這是與外部設備連接的重要部分。（4）電源：PLC的電源輸入主要是直流電12V和24V和交流電的110V和220V（5）通信端口：通信端口一般在CPU模塊上，通過此端口，可以直接與編程器或上位機連接[11]。2.3.2PLC的工作原理PLC控制系統(tǒng)和繼電器控制系統(tǒng)原理幾乎相似，只是操作的模式有些不同。繼電器控制采用并行的操作模式，就是當輸出線圈處于通電或斷電狀態(tài)時，線圈會立刻觸電并啟動。而PLC它的操作模式是循環(huán)掃描的方法，即當線圈被通電或斷電時，但是只有在程序掃描到線圈的時候，線圈的觸點才會啟動[12]。2.3.3PLC的指令系統(tǒng)與計算機編程相似，PLC也配備了其獨特的指令系統(tǒng)。PLC程序?qū)嶋H上是由多個指令根據(jù)控制需求組合而成的，也就是說，PLC控制系統(tǒng)的操作過程實際上是PLC內(nèi)部多條指令的執(zhí)行過程。各個PLC制造商都有其獨特的指令系統(tǒng)。2.3.4PLC的編程工具每一個PLC公司都有著自己的編程裝置，一般會比較小，而且重量很輕，更適合在現(xiàn)場直接使用，但是它只能使用簡單的助記符語言對PLC進行編程，而且屏幕比較小，每次只能顯示一兩行程序，很難對整個程序從整體上進行分析[13]。PLC提供的編程軟件可以使用梯形圖、助記符或模塊語言進行編寫程序，通過編程軟件可以很清晰的檢查自己編寫的程序段，從而對控制程序整體框架進行編程和分析。2.4本章小結(jié)對變頻器的作用進行了簡單的概述，對比了國內(nèi)外變頻器的發(fā)展歷史，分析了我國變頻器的核心技術還是落后國外，很多變頻器配套產(chǎn)業(yè)不完善，不能有效的結(jié)合力量研發(fā)，從PLC的結(jié)構分為一體式和模塊式，說明了它們的優(yōu)缺點，還對PLC的工作原理、指令系統(tǒng)、編程工具進行了簡要的說明。3洗衣機控制系統(tǒng)的硬件設計3.1洗衣機的工作原理洗衣機的工作流程示意圖如3-1圖所示圖3-1洗衣機工作流程圖洗衣機的工作流程主要是五個步驟，分別是電機啟動、開始進水、開始洗衣、排出污水、甩干衣服，在自動洗衣機工作流程中，進水、洗衣、排水和脫水這四個步驟都是自動運行的。自動洗衣機的進水、洗衣、排水和脫水這四個動作是通過水位按鈕、進水閥和排水閥的相互配合完成的。水位按鈕的主要功能是可以選擇進水量當衣服較少就可以選擇中低水位；而進水閥主要是負責水位達到時的斷水操作。排水閥在進行排水操作時，排水閥這時候處于開啟狀態(tài)，以便將多余的水排出；在洗衣機開始洗衣過程中，洗滌電動機會被激活；在進行脫水操作時，脫水桶會被啟動。3.2洗衣機的設備控制要求本次設計的全自動洗衣機控制系統(tǒng)能實現(xiàn)“標準洗”和“速度洗”兩種模式控制方式。1.標準洗，如圖3-2圖3-2標準洗正常運行2.快速清洗，如圖3.3圖3-3快速洗正常運行3.3PLC控制系統(tǒng)的設計分析1.PLC控制系統(tǒng)的設計基本原則可編程邏輯控制器（PLC）是一種用于自動化控制系統(tǒng)的電子設備[14]。在設計PLC控制系統(tǒng)時，有一些基本原則需要考慮，以確保系統(tǒng)的可靠性、效率和安全性[15]。接下來是PLC控制系統(tǒng)設計中的一些核心原則：（1）在著手進行系統(tǒng)設計之前，對系統(tǒng)需求有一個清晰的認識是非常關鍵的。這里面包括了對輸入、輸出、控制邏輯、報警和故障處理等方面的詳細了解。（2）在系統(tǒng)設計中必須考慮安全因素，確保PLC控制系統(tǒng)在操作時符合相關標準和法規(guī)。采取適當?shù)陌踩胧?，如系統(tǒng)緊急停止功能和安全傳感器。（3）在選擇PLC型號時，應根據(jù)系統(tǒng)的具體需求來挑選最適合的PLC型號。為了滿足系統(tǒng)的需求，我們需要考慮輸入/輸出點數(shù)量、處理能力以及通信接口等多個因素，使用結(jié)構化、清晰、易于理解的程序設計方法[16]。2.PLC控制系統(tǒng)的設計的主要內(nèi)容PLC控制系統(tǒng)是由PLC與用戶輸入、輸入設備連接而成的，用以完成預期控制目的和相應控制要求[17]。包括硬件和軟件兩個主要層面（1）硬件的設計，選擇最合適的PLC型號，考慮其輸入/輸出點數(shù)、處理能力、通信接口等特性，設計輸入和輸出模塊，選擇傳感器和執(zhí)行器，確定電氣布線和連接方式，考慮安全設備，如急停按鈕、傳感器等[18]-[19]。（2）軟件的設計，制定PLC程序，包括主制邏輯、報警處理、故障處理等。考慮實時性能和響應時間，實現(xiàn)模塊化編程，確保代碼易于理解和維護。（3）控制系統(tǒng)的輸入如啟停按鈕、水位選擇按鈕、洗衣功能選擇按鈕，輸出設備如電磁閥器、接觸器、指示燈等元器件。（4）編寫PLC程序，控制系統(tǒng)程序主要包括控制系統(tǒng)流程圖、程序梯形圖、程序仿真、PLC電路圖等。3.4PLC和變頻器的選擇3.4.1PLC型號的選擇本次設計的全自動洗衣機采用西門子的S7-1200系列6ES7214-1AG40-0XB0PLC型號圖如3-4圖所展示：圖3-4PLC實物圖（1）S7-1200系列PLC的特點：1）這款CPU結(jié)構緊湊，適用于有空間限制的應用2）提供數(shù)字輸入/輸出和模擬輸入/輸出，滿足多種控制需求3）指令功能強大，提供直觀的用戶界面。4）價格低廉適用于中小型控制項目，例如輕型生產(chǎn)線、機械設備控制等。5）可以通過添加不同類型的擴展模塊來滿足特定應用的需求，如數(shù)字輸入/輸出模塊SM1211、SM1222，模擬輸入/輸出模塊SM1234（2）S7-1200的編程軟件TotallyIntegratedAutomation（TIA）Portal。簡稱TIAPortal這款編程軟件構成了一個全面的工程軟件平臺，專門用于西門子自動化設備的配置、編程、調(diào)試以及維護工作，包括可編程邏輯控制器（PLC）、人機界面（HMI）、驅(qū)動器和其他自動化組件。2、模塊功能概述S7-1200系列PLC的CPU模塊采用西門子的CPU-1214C(DC/DC/DC)模塊,它是控制著整個系統(tǒng)按照要求有條不紊的運行.電源采用DC20.4-28.8VDC,并且自帶14個24VDC數(shù)字量輸入點和10個24VDC數(shù)字量輸出點,能充分滿足一個全自動洗衣機控制系統(tǒng)的要求[20]-[21]。S7-1200型號的核心性能可以參見表3-5表3-5西門子1214C(DC/DC/DC)主要性能主要性能提供了14個24V的輸入和10個24V的輸出。可以連接超過8個模塊，可以擴展287個數(shù)字量I/O點或者67個模擬量I/O點，還有100KB的存儲空間。其他性能該板有6個高速的計數(shù)器還帶了14個脈沖捕捉輸入，用戶可以通過配置存儲卡用來保存數(shù)據(jù)，并且還具有實時時鐘保持功能。其他其他特點智能化設備，可以擴展1個信號版，3個通信模塊。還集成了以太網(wǎng)通訊口，3個HMI連接數(shù)量，數(shù)據(jù)傳輸速度達10/100mb/s尺寸100×80×75mm3.4.2變頻器的選擇隨著經(jīng)濟發(fā)展，人民的生活水平的提高，對于家用電器的要求不斷提高。利用西門子G120C變頻器可編寫速度曲線的優(yōu)點,對洗衣機電機旋轉(zhuǎn)調(diào)速控制系統(tǒng)進行改進,可以達到節(jié)能的要求[22]。西門子G120C變頻器具有以下幾個顯著特性：（1）G120C專門設計用于泵應用，提供了特定于電機控制的功能和參數(shù)設置（2）支持PROFINET通信，可以方便地與其他自動化設備、PLC等進行集成，實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同工作。（3）集成了PID控制器，可用于精確控制泵系統(tǒng)的流量、壓力等參數(shù)，實現(xiàn)閉環(huán)控制。（4）設計緊湊，適用于有限空間的應用，提供高效的空間利用。在本設計中選擇了西門子G120C作為變頻器。通過S7-1200與變頻器G120C通過PROFINET通信，可以完成洗衣機電機的洗滌速度的檢測及調(diào)整[23]-[24]。3.5本章小結(jié)詳細的說明了洗衣機的硬件設計方案，從控制流程圖開始介紹了洗衣機的運行步驟由電機啟動，進水、洗衣、排水和脫水完畢，報警結(jié)束，介紹了本次設計系統(tǒng)要求兩種模式分別是標準洗和節(jié)能洗，分別展示了控制流程圖，最后是PLC和變頻器的選型，選擇的PLC是S7-1200系列而變頻器則是直接選擇的本系列中的可添加模塊G120C變頻器。4洗衣機控制系統(tǒng)的軟件設計4.1程序的構成、下載、安裝和調(diào)試這個程序有標準洗和節(jié)能洗兩種，在節(jié)能洗的模式下系統(tǒng)會調(diào)節(jié)清洗循環(huán)次數(shù)和減少脫水時間與報警時間來達到節(jié)能，選擇排水模式或者脫水模式，系統(tǒng)會停止運行，按下啟動按鈕后會立即開始排水和脫水。將各個輸入/輸出端設置好的變量和仿真控制系統(tǒng)中的按鈕正確配對,TIAPortalV16軟件提供了全自動洗衣機程序的編程指令,洗衣機仿真時將編譯好的程序下載進入HMI顯示屏,切到HMI畫面點擊啟動仿真，即可進行仿真調(diào)試如果需要修改PLC程序,將仿真關閉然后打開PLC模塊的程序塊，找到需要修改的程序段，即可修改源程序。4.2洗衣機控制系統(tǒng)資源分配1、數(shù)字量輸入部分該控制系統(tǒng)的輸入功能包括電源復位按鈕、啟動按鈕、停止按鈕、水位選擇開關（包括高水位、中水位和低水位）、功能選擇按鈕，總共有8個輸入點。表4-1展示了具體的輸入分配方式。表4-1輸入地址分配輸入地址對應外部設備I0.0電源復位按鈕I0.1啟動按鈕I0.2停止按鈕I0.3水位選擇按鈕(中水位)I0.4模式選擇按鈕(低水位)I0.5低水位按鈕(傳感器)I0.6中水位按鈕(傳感器)I0.7高水位按鈕(傳感器)2、數(shù)字量輸出部分這套控制系統(tǒng)所需的外圍設備包括進水閥、排水閥以及脫水離合器。報警的蜂鳴器包括4個不同的設備。洗衣機的洗滌電動機存在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種模式，它們都需要正轉(zhuǎn)電器和反轉(zhuǎn)電機。此外，它還需要輸出7個指示燈，因此應有13個輸出點，具體的輸出模式可以參考表4-2。表4-2輸出地址分配輸出地址對應外部設備Q0.0電機正轉(zhuǎn)（接觸器）Q0.1電機反轉(zhuǎn)（接觸器）Q0.2進水閥（電磁閥）Q0.3排水閥（電磁閥）Q0.4脫水離合器（電磁離合器）Q0.5報警蜂鳴器（蜂鳴器）Q0.6運行指示燈（指示燈）Q0.7中水位選擇指示（指示燈）Q0.8高水位選擇指示（指示燈）Q0.9標準洗模式（指示燈）Q2.0節(jié)能洗模式（指示燈）Q2.1排水模式（指示燈）Q2.2脫水模式（指示燈）4.3洗衣機的PLC程序設計4.3.1源程序在本程序中,由于使用的組態(tài)軟件TP1200HMI所以I0.1啟動用M10.1表示啟動，I0.2停止比用M10.2表示停止，當按下M10.1啟動按鈕，運行指示燈Q0.6置位1燈亮，當按下I0.2停止按鈕，運行指示燈Q0.6復位0燈滅，按下M10.0復位按鈕，M10.0表示I0.0,按下復位按鈕后，程序步驟、水位選擇設置、功能選擇設置復位0。（1）啟動與停止按鈕控制//按下啟動按鈕，開始進水//按下停止按鈕，停止進水所對應的梯形圖，如圖4.3所示圖4.3洗衣機啟動停止程序圖（2）復位按鈕控制//按下復位按鈕，程序步驟、水位選擇設置為0、功能選擇設置為0所對應的梯形圖，如4.4所示圖4.4洗衣機電源復位程序圖4.3.2洗衣功能選擇、水位選擇程序1、洗衣功能選擇設置0為標準洗模式，1為節(jié)能洗模式，2為排水模式，3為脫水模式