基于西門子PLC洗衣機控制系統(tǒng)的設計

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1、青島農(nóng)業(yè)大學 畢 業(yè) 論 文（設計） 題 目：基于西門子PLC洗衣機控制系統(tǒng)的設計 姓 名： 學 院： 機電工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 2008.02 學 號： 20082538 指導教師：

2、 2012年6月18日 畢業(yè)論文（設計）誠信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設計）是在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標注，論文中的結論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得青島農(nóng)業(yè)大學或其他教育機構的學位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 論文（設計）作者簽名： 日期： 年 月 日

3、 畢業(yè)論文（設計）版權使用授權書 本畢業(yè)論文（設計）作者同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文（設計）的復印件和電子版，允許論文（設計）被查閱和借閱。本人授權青島農(nóng)業(yè)大學可以將本畢業(yè)論文（設計）全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設計）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設計）或與該論文（設計）直接相關的學術論文或成果時，單位署名為青島農(nóng)業(yè)大學。 論文（設計）作者簽名：

4、 日期： 年 月 日 指 導 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1洗衣機的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢 1 1.2課題研究的目的意義 1 1.3研究內(nèi)容及目標 2 2 PLC及觸摸屏簡介 3 2.1PLC的發(fā)展、定義 3 2.2觸摸屏的簡介 4 3 洗衣機硬件整體設計 5 3.1波輪式洗衣機整體結構及原理 5 3.2洗滌脫水系統(tǒng)的設計 5 3.3進水、排水系統(tǒng)的設計 7 3.4驅(qū)動系統(tǒng) 9 3.5安全開

5、關結構、功能設計 13 3.6機械支撐系統(tǒng)的設計 14 3.7其他電器件的設計選擇 15 4 全自動洗衣機程序設計 16 4.1全自動洗衣機控制系統(tǒng)設計 16 4.2 全自動洗衣機控制系統(tǒng)編程 21 4.3觸摸屏控制界面設計 22 4.4 PLC控制程序設計 24 5總 結 27 5.1全文總結 27 5.2心得體會 27 5.3展望 28 參考文獻 29 致 謝 30 附 錄 31 基于西門子PLC洗衣機控制系統(tǒng)的設計 摘 要 本文基于西門子S7-200 PLC，通過STEP 7-Micro WIN V4.0編程軟件，結合W

6、inCC flexible組態(tài)軟件，設計出PLC洗衣機控制系統(tǒng)。設計從實際出發(fā)，力求所設計的洗衣機經(jīng)濟、實用、人性、智能。根據(jù)設計要求，編寫、調(diào)試出PLC和觸摸屏控制程序，并系統(tǒng)的設計出合理的硬件連線圖，在掌握洗衣機工作原理的前提下，參考波輪式洗衣機，設計選擇出各部分硬件設施，最終得到符合要求的畢業(yè)設計。 西門子PLC-200實現(xiàn)的全自動洗衣機控制，融入了觸摸屏操作，系統(tǒng)功能強大、電路連接簡單、時間計算精確，并且編程語言簡單明了，易于掌握，指令可根據(jù)用戶需求靈活改變，PLC全自動洗衣機設計成功，使智能化的控制取代了傳統(tǒng)的工業(yè)控制，縮短了全自動洗衣機開發(fā)周期的同時，極大的方便了人們的日

7、常生活。 關鍵詞：洗衣機；PLC；觸摸屏 The Design of washing machine using Siemens PLC Abstract The control system for the washing machine is designed in this paper. It is programmed by the STEP 7-Micro WIN V4.0 programming software and the WinCC flexible software based on Siemens S7 -200 PLC. This design aim

8、s at making the washing machine more economic, practical, hommization and intelligentialize. According to the requirements of design, compilation, debugging PLC and touch screen control procedures, finally got reasonable hardware even chart. In master under the premise of washing machine working pri

9、nciple, reference existing washing machine, choose the parts hardware facilities, finally got to meet the requirements of graduation design. Siemens PLC-200 realized the automatic washing machine control and integrated into the touch screen operation, system powerful, Circuit is connected simple,

10、time calculation and precision programming language is simple, PLC automatic washing machine design success, and to make intelligent control replaced the traditional industrial control, shorten the development cycle automatic washing machine at the same time, the great convenience to the peoples dai

11、ly life. Key words: washing machine; PLC; touch screen II 青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 1.1 洗衣機的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢 洗衣服是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊豁椉覄展ぷ鳎M時費力，為了將人們從繁重的家務中解放出來，洗衣機應運而生。美國人先后于1874年和1911年發(fā)明了手搖式和電動式洗衣機；1922年瑪依塔格公司又研制成功了攪拌式洗衣機，它利用電動機驅(qū)動攪拌軸，使之作往復運動，使衣服和水流不斷翻滾、換向，從而洗凈衣服；1932滾筒式洗衣機誕生，它將洗滌、漂洗、脫

12、水集中于同一個滾筒里進行，結構先進、設計合理，迅速普及；1952年，日本開始生產(chǎn)噴流式洗衣機。1955年三洋公司研制成功了波輪式洗衣機，它以結構簡單、制造維修方便、洗凈率高、成本低等優(yōu)點脫穎而出；其后，塑料雙桶洗衣機和波輪式套桶全自動洗衣機相繼問世，自動化程度進一步提高；到1984年，日立公司率先推出帶不纏繞棒式新水流洗衣機，洗衣機的發(fā)展又躍上了一個新的臺階[1]。 我國生產(chǎn)洗衣機的歷史較短，1957年第一臺單桶洗衣機在遼寧問世，1978年才作為一個行業(yè)興起。但發(fā)展速度驚人，至1984年已成為最大的洗衣機生產(chǎn)國。跨入90年代以后，年產(chǎn)量超過1000萬臺，而且產(chǎn)量大，型號多，洗滌方式齊全。

13、目前，國內(nèi)外洗衣機生產(chǎn)廠家的努力方向是以最短的時間和最低的成本來達到節(jié)能、節(jié)水、節(jié)洗滌劑、少污染、高效率的目標。同時在材料上更多的采用不銹鋼和鍍鋅板，在控制技術上采用模糊控制理論，在控制器件上應用各種新型的傳感器?？偟膩碚f，當今洗衣機工業(yè)的發(fā)展趨勢正朝著“五化”方向努力[2]。 1.智能化；2.兩極化；3.多品種化；4.節(jié)能化；5.美觀化。 1.2 課題研究的目的意義 隨著社會的發(fā)展、工業(yè)化的加速，人們生活水平的不斷提高，無論是波輪式洗衣機也好，還是滾筒式洗衣機也好，都朝著智能化、人性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)洗衣機采用繼電器控制，而繼電器長期磨損，極易損壞，且繼電器的觸點通斷時易產(chǎn)生電弧，嚴重

14、時觸點會熔在一起導致誤操作，引發(fā)事故。在負荷較大的時候，繼電器還會產(chǎn)生大量的熱和噪聲，同時也浪費了大量的電能[3]。并且繼電器控制安裝調(diào)試麻煩，接線多而復雜，如果有輕微的改動也需要花費大量的時間、人力和物力，不適合洗衣機控制電路。另外傳統(tǒng)洗衣機操作費時費力、節(jié)水性差、易纏繞、脫水性能不穩(wěn)定，體積較大不易搬運，已經(jīng)難以滿足人們對智能化操作、人性化電器設計的需求。 而市場上已有的全自動洗衣機,多采用單片機控制，生產(chǎn)成本較高，其穩(wěn)壓電路、保護電路比較復雜，容易發(fā)熱，維修護理麻煩，需專業(yè)人員檢修，售價偏高，不適合普通人家使用，難以批量生產(chǎn)[4]。所以，開發(fā)設計一款經(jīng)濟實用、人性化、智能化的全自動洗衣

15、機具有很好的現(xiàn)實意義，既能填補市場上的空白，又能滿足人們對產(chǎn)品的要求，使人們?nèi)粘Ｏ匆赂虞p松便捷。 1.3 研究內(nèi)容及目標 研究內(nèi)容： 1. 掌握全自動洗衣機的整體結構、各系統(tǒng)組成及工作原理。 2. 學習掌握PLC編程軟件STEP 7-Micro WIN V4.0的使用，設計編寫出全自動洗衣機程序，并調(diào)試運行成功。 3. 熟練應用WinCC flexible 2007人機界面組態(tài)軟件，設計完成控制界面并編寫出相應觸摸屏控制程序。 研究目標： 1. 熟練掌握PLC編程軟件STEP 7-Micro WIN V4.0及WinCC flexible人機界面組態(tài)軟件，為以后學習工作奠定基礎

16、。 2. 廣泛交流，收集資料，在共同進步中提高交際能力，積極參與實驗操作，焊接連線，強化實際動手能力。 3. 選擇設計出洗衣機各系統(tǒng)硬件，完成全自動洗衣機軟件程序設計，順利完成畢業(yè)設計同時，為全自動洗衣機的發(fā)展貢獻一份力量。 2 PLC及觸摸屏簡介 2.1 PLC的發(fā)展、定義 在PLC問世之前，工業(yè)控制領域中是繼電器占主導地位。但繼電器控制領域有著十分明顯的缺點：體積大、耗電多、壽命短、運行慢，尤其當生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，就必須重新設計、安裝，造成時間和資金的嚴重浪費[5]。為了改變這一現(xiàn)狀，PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生了。 1969年，

17、美國數(shù)字設備公司（DEC）研制出第一臺PLC，它基于集成電路和電子技術，首次采用程序化的手段應用于電氣控制。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長的一系列優(yōu)點，很快在美國其他工業(yè)領域推廣應用。PLC有豐富的指令語言，IL、ST、FBD和梯形圖等，隨著科技的發(fā)展，C語言、FORTRAN、PASCAL等高級語言也被加入到PLC編程語言中，使編程語言和思想更加簡潔、明了[6]。 早期的PLC可以看作是繼電器控制裝置的替代物，主要功能是執(zhí)行原先用繼電器完成的順序控制、時間控制的。中期的PLC微處理器開始作為PLC的中央處理單元（CPU），使PLC的功能大

18、大增強。近期的PLC由于集成電路技術迅速發(fā)展，使得各種類型的PLC微處理器升級，PLC的處理速度進一步提高，功能更加強大[7]。進入本世紀后，PLC已經(jīng)運用到了各個領域，根據(jù)Food Engineering’s annual state of manufacturing 的一項調(diào)查報告，被調(diào)查的64%的設備工程師打算在2001年購買P L C，而在隨后的調(diào)查中，升到了70%~80%[8]。 國際電工委會（IEC）于1985年頒布了對PLC的定義(修訂版)：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置，它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、

19、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計”[9]。 本次設計選用的西門子S7-200PLC,是整體結構具有很高性價比的小型PLC。它具有結構緊湊，可靠性高，可以采用梯形圖、語句表和功能塊三種方式來編程；指令豐富，功能強大，易于掌握，操作方便等優(yōu)點，廣泛應用于各種領域[10]。 2.2 觸摸屏的簡介 觸摸屏是結合顯示器使用的一種絕對坐標定位系統(tǒng)，作為一種簡單、便利的輸入設備得到廣泛應用。無須物理按鈕，用戶根據(jù)觸摸屏上具有明確意義和提示信息的按鍵，通

20、過觸摸感應及顯示能使其直觀的進行圖形控制監(jiān)視[11]。 本次設計中運用 WinCC flexible 組態(tài)軟件，將觸摸屏與PLC聯(lián)系起來，實現(xiàn)了觸摸屏對全自動洗衣機的控制。 3 洗衣機硬件整體設計 圖3-1 全自動波輪洗衣機結構圖 1-平衡圈；2-脫水桶；3-盛水桶；4-箱體；5-波輪；6-電動機；7-離合器；8-棘輪；9-離合器皮帶輪；10-棘爪；11-排水口；12-制動桿；13-牽引電磁鐵；14-吊桿；15-安全開關；16-PLC控制

21、器 3.1 波輪式洗衣機整體結構及原理 3.1.1 波輪式洗衣機結構設計 本次設計洗衣機結構采用套筒式，如圖3-1所 示，它將洗滌漂洗和脫水集中于一個桶內(nèi)進行，按 設定程序完成洗衣動作，脫水后自動斷電，真正實 現(xiàn)了全自動化。 3.1.2 波輪式洗衣機的洗滌原理 波輪在電動機帶動下作正反方向轉動，使洗衣 桶內(nèi)的洗滌液受到水平和垂直方向兩個作用力，由 于摩擦力和桶壁的存在，產(chǎn)生水平和垂直運動著的 渦流，它們的合成作用使衣服在桶內(nèi)強烈翻滾，同 時在衣服之間、衣服與桶壁之間產(chǎn)生摩擦與撞擊力。 反復的機械運動，便類似于手工洗滌 [12]。

22、 3.2 洗滌脫水系統(tǒng)的設計 洗滌脫水系統(tǒng)主要由盛水桶、洗滌脫水桶和波輪構成。 圖3-2 盛水桶結構圖 1-溢水孔；2-貯氣管安裝口；3-排水孔；4-大油封安裝口 3.2.1 盛水桶結構及功能 盛水桶是耐酸堿、抗沖擊的塑料桶，盛放洗滌 液或清水。其結構如圖3-2所示，桶口裝有密封蓋 板，防止洗滌液濺出，并可增強桶口的剛度；底部 中央有圓孔裝大油封，依靠其將盛水桶和脫水軸連 接；底部側面開有排水孔，與排水閥相連；桶壁上 部開有溢流孔，防止工作時溢水；側壁有貯氣室， 通過軟管與水位傳感器相連，控制桶內(nèi)水位高度。 圖3-3 洗滌脫水桶 1-線屑過濾器；2-循環(huán)水道

23、； 3-桶體；4-柔軟劑盛載盒 3.2.2 洗滌脫水桶結構及功能 洗滌脫水桶兼具洗滌、離心脫水雙重功能，其 結構如圖3-3所示。桶壁上有許多小孔，洗滌時使 內(nèi)外桶相通，脫水時使桶內(nèi)衣物中的水分甩出；內(nèi) 壁上有許多凸筋，形成小渦流，增強揉搓效果，提 高洗滌效果；內(nèi)壁上嵌有回水管，隨著波輪的旋轉 洗滌液被吸入回水管，經(jīng)導向槽注入過濾網(wǎng)袋回到 桶內(nèi)，將其中的線屑、絨毛等雜質(zhì)收集起來，在使 衣服干凈的同時，確保了排水管的通暢。 為減小衣物放置不均勻引起的抖動，在內(nèi)桶上端設置了平衡圈，結構如圖3

24、-4所示。其為空心的塑料環(huán)，內(nèi)部充約70%的濃鹽水（防結冰），內(nèi)設一些開有缺口隔板以減小濃鹽水流動的沖擊。洗衣機脫水時，如衣服放置不均勻，內(nèi)桶將傾斜，圈中濃鹽水流向傾斜的一邊，旋轉時，離心力使?jié)恹}水流向?qū)γ?，以減小衣物不均衡的影響，從而減小抖動[13]。過程如圖3-5所示。 圖3-4 平衡圈結構圖 圖3-5 平衡過程 圖3-6 柔順劑注入裝置 在平衡圈上還設有柔順劑自動注入裝置，結構如圖3-6所示。柔順劑流動過程見表3-1。 表 3-1 柔順劑

25、流動過程 工作方式 洗滌 中間脫水 漂洗 中間脫水 漂洗 柔順劑受力 自然流動 離心力 自然流動 離心力 自然流動 注入裝置 A腔 B腔 C腔 柔順劑在隔室內(nèi)的流動狀態(tài) 在A腔中 由A腔流向B腔 在B腔中 由B腔流入C腔 加入漂洗液中 圖3-7 碟形波輪 3.2.3 波輪的選擇設計 本次設計選用碟形波輪，如圖3-7所示：直徑約300mm， 轉速約175 r／min，正反交替旋轉。由于波輪呈凹形，工作時， 底部的葉片將洗滌液先上揚再下壓，使洗滌液呈“心形”和上 下翻滾，實現(xiàn)了高凈率低磨損，減小了衣服纏繞和扭絞現(xiàn)

26、象。 3.3 進水、排水系統(tǒng)的設計 進水系統(tǒng)主要給洗衣機提供洗滌用水，由進水管、進水電磁閥和壓力開關組成。 圖3-8 進水電磁閥結構圖 1-出水口；2-泄壓孔；3-橡膠閥墊；4-塑料閥芯；5-引出片；6-控制腔；7-螺絲；8-線圈及骨架；9-彈簧；10-鐵芯；11-橡膠柱；12-導磁鐵架；13-絕緣層；14-金屬網(wǎng)；15-進水腔；16-閥座；17-加壓孔 3.3.1 進水管的選擇設計 進水管為洗衣機附件，由水管和接頭組成。本 次設計水管采用內(nèi)嵌纖維絲的復合橡膠，可承受一 定水壓。一端為螺紋接頭，與進水電磁閥相連，一 端為接頭，與水龍頭相連。 3.3.2 進水電磁閥的結構工作

27、原理及選擇 進水電磁閥作用是控制水流通斷，為洗衣機提 供洗滌用水，結構如圖3-8所示。閥中心是鐵芯， 鐵芯外為電磁線圈，不通電時，鐵芯因彈簧彈力被 壓下，則下端橡膠柱封住泄壓孔，水經(jīng)加壓孔流入 控制腔，進水腔和控制腔的水壓相等，由于橡膠閥 芯上部的受壓面積大，閥芯被壓在橡膠閥墊上，閥 即閉合。通電時，鐵芯因電磁力大于彈簧彈力被吸 合，泄壓孔打開，由于泄壓孔大于加壓孔，控制腔 內(nèi)的水很快流出，壓力降低，閥芯的下部壓力大于 上部壓力，被下部水壓推開，閥即開啟注水[14]。

28、 本次設計采用小天鵝PDQ-7型進水電磁閥，主要性能參數(shù)見表3-2。 表3-2 PDQ-7型進水電磁閥性能參數(shù)表 額定電壓頻率 額定電流（mA） 使用水溫（℃） 水壓范圍（MPa） 密封性能（MPa） 溫升 （K） 絕緣電阻（MΩ） 電氣 強度 220V 50Hz 275 0～80 0.02～0.8 0.02～1 無泄漏 ＜75 ＞100 2500V歷時1min 3.3.3 水位傳感器結構及功能 圖3-9 水位傳感器結構圖 1-杠桿；2-支撐彈簧；3-開關體；4-定觸點接線片；

29、5-固定座；6-凸輪；7-調(diào)整螺絲；8-套筒；9-墊片；10-水位控制彈簧；11-動觸點接線片；12-長簧片；13-短簧片；14-橡皮膜；15-換向桿；16-氣室蓋；17-腰鼓彈簧；A-氣室；B-進氣接口 本次設計水位傳感器采用氣壓式電觸點開關，利用洗衣機桶內(nèi)水位高低不同所產(chǎn)生的不同壓力，來控制進水電磁閥的通斷。本次設計中，一共安放三個水位傳感器，盛水桶側壁自上往下分布三個，分別為高、中、低水位開關，負責進水和洗滌之間的轉換；底部安裝一個浮球式行程開關，進水時浮起，水排空時落下，負責檢測排水完畢與否。 水位傳感器通過軟管與貯氣室相連， 其結構如圖3-9所示。注水時，貯氣室 的空氣被壓縮

30、，將壓力傳遞給傳感器。氣 壓升高使橡皮膜變形并推動動觸點與定觸 點接觸，從而將水位達到設定值的信號送 至PLC，PLC依據(jù)程序閉合進水電磁閥并 使電機旋轉，洗衣機進入洗滌狀態(tài)；排水 時水位下降，空氣壓力隨著下降，當壓力 小于彈簧彈力時，橡膠模片恢復初始位置。 當水排空時，底部傳感器控制使排水電磁 閥閉合，洗衣機根據(jù)程序，進入下一狀態(tài)。 3.3.4 排水系統(tǒng)的設計 排水系統(tǒng)負責排出污水，由排水電磁閥和排水管組成。本次設計排水管采用橡塑材料吹壓成波紋管，一端連接排水口，另一端裝有一只掛鉤，平時可以掛在洗衣機的掛口上。 排水電磁閥由電磁鐵和排水閥組成，靠連接板連接，其結構與裝配

31、關系如圖3-10所示。通電時，動鐵芯往右吸合，排水閥呈打開狀態(tài)，污水通過水道和閥門，經(jīng)排水口排出。連接板上還有一可調(diào)的定位套，用 圖3-10 排水電磁閥結構圖 1-閥體；2-橡膠閥門；3-絕緣墊；4-內(nèi)彈簧；5-拉桿；6-外彈簧；7-閥蓋；8-定位螺母；9-連接板；10-開口銷；11-動鐵芯；12-電磁鐵；13-緩沖器；14-螺栓；15-定位套；16-墊圈；17-制動桿；A-水道；B-溢水管；C-排水口 來控制離合器制動桿，為脫水作準備。當 電磁鐵失電時，排水閥在自身彈簧的作用 下將鐵芯拉回，排水閥關閉，洗衣機停止 排水[15]，同時，離合器上的制動桿也靠自 身彈簧的作用恢復原位

32、,為洗滌漂洗過程中 波輪轉動作好準備。 電磁鐵有兩種，此次由PLC輸出口驅(qū) 動，為24V直流電源，故選用直流電磁鐵， 且直流電磁鐵具有吸引力大、體積小、噪 音低和安全性能高等優(yōu)點。直流電磁鐵有 兩組線圈，即吸引線圈和保持線圈，兩組 線圈串聯(lián)在一起，其結構如圖3-11所示。 吸引線圈電阻較小，約為15Ω，保持線圈 圖3-11 直流電磁鐵結構 1-外銜鐵；2-緩沖墊；3-擋板；4-外殼；5-吸引線圈；6-保持線圈；7-安裝擋板；8-線圈骨架；9-密封圈；10-內(nèi)銜鐵；11-引出片；12-塑料座；13-動觸片；14-靜觸片；15-斷路開關；16-行程檔桿 電阻較大，約

33、為385Ω。當PLC發(fā)出排水 信號時，保持線圈被短路，僅吸引線圈工 作，通過勵磁線圈的電流較大，約為1.6A， 銜鐵被較強的引力吸引，打開排水閥開始 排水，同時撥發(fā)離合器上的制動桿。在銜 鐵動作至一定位置時，銜鐵上的壓板將裝 載電磁鐵外殼上的斷路開關斷開，使保持 線圈和吸引線圈串聯(lián)在一起工作，這時勵 磁電流減小，只有0.06A左右，電磁鐵只 起維持排水閥打開狀態(tài)。線圈失電時，銜 鐵由于彈簧作用復位，排水閥關閉，離合 器制動桿也恢復原位。 3.4 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)由電動機、減速系統(tǒng)和減速離合器組成，為洗衣機提供動力、調(diào)節(jié)轉速。 3.4.1 電動機的工作原理及結構

34、此次設計采用電容式電動機，它具有過 載能力強，運行性能、起動性能穩(wěn)定，結構 簡單、維修方便等優(yōu)點。 圖3-12 電動機電路圖 1. 電容式電動機的工作原理 由于洗衣機采用的是單相電源，為了獲 取旋轉的磁場，首先在定子槽內(nèi)嵌放兩個繞 組，即主繞組（工作繞組）和副繞組（啟動 繞組），兩繞組在空間排列互成90；其次需 使通入主、副繞組的同一相電流具有不同的 相位差，變?yōu)閮上嚯娏?。因此，在副繞組中 串入一個適當容量的電容器，這樣主繞組就 相當于電阻和電感串聯(lián)電路，電流I主在相位 上滯后電壓V；而副繞組串入電容后就相當 于電容、電阻和電感的串聯(lián)，電流I副超前電 壓V，具體電

35、路如圖3-12所示。主繞組的電 阻、電感和副繞組的電阻、電感和電容匹配 得當，使副繞組中的電流超前于主繞組電流 一定的電角度（往往設計成滿載時兩相電流 的電角度為100～110，過載時電角度為 90），就可產(chǎn)生旋轉的磁場，處于旋轉磁場 中的轉子就可啟動旋轉。 圖3-13 電動機結構圖 1-電機軸；2-風扇葉；3-上端蓋；4-安裝孔；5-引出線；6-下端蓋；7-軸承；8-波形彈簧；9-轉子；10-連接螺釘；11-定子鐵芯；12-定子繞組；13-小皮帶輪 2. 電容式電動機的結構 為了便于散熱和排除水氣，將電動機設計成開 啟式

36、結構，如圖3-13所示 [16]。 （1）定子 定子由定子鐵芯和定子繞組組成。 定子鐵芯由0.5mm硅鋼片沖制疊壓而成，內(nèi)圓上 開有24個槽，用來嵌放主繞組和副繞組。 （2）轉子 轉子有轉子鐵芯和鼠籠組成。轉 子鐵芯也由硅鋼片沖制而成，外圓有轉子槽且扭 斜一個角度以消除高次諧波。斜槽內(nèi)澆鑄鋁合金 或鋁，與兩端短路環(huán)形成一個鼠籠。 （3）端蓋 端蓋分為上、下端蓋兩部分，中間 用螺栓連接，有鑄鋁和鋼板兩種。上、下端蓋內(nèi)有 軸承室，用以安裝軸承；上部開有氣孔，利于通風 散熱；側面有4個裝配位置口，用于緊固定位。在 電機上方有與

37、皮帶輪一體的塑料或鋼板制成的風葉， 加強散熱效果。 3. 所選XDL-120型電動機主要性能參數(shù)指標見表3-3。 表3-3 XDL-120型電動機性能參數(shù)表 額定功率W 120 滿載效率% 52 氣隙長度mm 0.35 半匝平均長 108.5 額定電壓V 220 功率因數(shù) 0.95 定子槽數(shù) 24 堵轉電流A 2.5 額定頻率Hz 50 定子外徑mm 107 轉子槽數(shù) 34 噪聲dB 62 滿載電流A 1.1 定子內(nèi)徑mm 68 繞組線規(guī) 1-0.38 電容容量uF 9 滿載轉速 r／min 1500 定子長

38、度mm 40 繞組每極匝數(shù) 253 3.4.2 減速系統(tǒng)的組成和工作原理 此次減速系統(tǒng)設計分為兩級減速，第一級為皮帶減速系統(tǒng)，由電動機軸端小皮帶輪、波輪軸端大皮帶輪和皮帶組成。電動機轉速為1500r／min，其動力通過皮帶傳遞到大皮帶輪上，帶動波輪旋轉。由于兩皮帶輪直徑不等，減速比約為1／1.76，大皮帶輪轉速約為850 r／min 。第二級為行星減速系統(tǒng)，減速比約為1／4.3，波輪轉速約為175 r／min，以適應洗滌工作。 3.4.3 減速離合器的結構及工作原理 離合器是洗衣機中完成降速并傳動扭矩的部件。結構如圖3-15所示。離合器有四根軸：①洗

39、滌輸入軸，上部為恒星齒輪，把來自皮帶輪的扭矩傳遞給行星齒輪，下部為方形軸，與離合套結合，離合套內(nèi)方外圓。②下半軸，它是一根空心軸，套裝于洗滌 輸入軸外，截面為“T”字形，下端與離合套的外徑一致，之間套一個方絲彈簧，為離合簧，形狀為錐形，上面兩圈直徑比下面小點，因此能緊緊的套在下半軸上。離合簧一端呈自由狀態(tài)，一端的彎頭嵌在外面套裝著的棘輪上的小孔內(nèi)。由棘輪控制該簧抱緊與放松。③中半軸，也稱脫水軸，是個空心的階梯軸，下面大軸的表面是光滑的，作為剎車盤用，內(nèi)表面是齒輪，與行星齒輪嚙合。上面小軸的外徑裝軸承，內(nèi)徑與洗滌輸出軸之間裝有密封圈用以防水。中半軸與上半軸固定在一起。④洗滌輸出軸，上端裝有波輪

40、，負責洗滌，下端與行星架固定[17]。 洗滌時，傳動過程為：電機→皮帶輪→洗滌輸入軸→恒星齒輪→行星齒輪→行星架→洗滌輸出軸→波輪。此時，排水閥閉合，定位套與制動桿保持2.5~3.5mm的間隙。剎車帶在制動彈簧的作用下被拉緊，抱住中半軸，則整個軸無法順時針跟轉（從上端往下看），雖然其內(nèi)齒與行星齒輪嚙合，但不能轉動，使行星齒輪既自身轉動，又圍繞恒星齒輪轉動。同時，棘爪撥叉在撥叉彈簧的作用下，通過棘爪，把棘爪撥過一個角度，使方絲離合簧旋松，于是輸入軸的轉動無法帶動中半軸和下半軸，而只帶動輸出軸轉動。在中半軸上設置有圓抱簧，防止洗滌輸出軸在逆時針旋轉時中半軸跟轉。 脫水時，傳動過

41、程為：電機→皮帶輪→離合套→下半軸→中半軸→脫水桶。棘輪被放松，在方絲離合簧自身的作用力下回到自身位置，離合簧也就抱緊了離合套，皮帶輪在脫水時是順時針旋轉的，由于摩擦力的作用，離合簧就會越抱越緊，這樣，下半軸就和離合套連在一起，跟隨皮帶輪一起做高速運轉，從而使中半軸獲得動力，完成脫水工作。這時，由于洗滌輸入軸和中半軸同時跟隨皮帶輪轉動，速度一樣，行星輪也就無法自轉而只能公轉，即行星架的轉動速度與中半軸的一樣，因此，波輪的轉動與脫水桶的轉動等速，保證了脫水桶內(nèi)衣物不會被拉傷或扭曲。 定位套 排水閥電磁鐵作用線

42、 圖3-15離合器結構圖 1-制動桿；2-調(diào)節(jié)螺釘；3-內(nèi)齒輪；4-傳動架；5-行星齒輪；6-棘爪撥叉；7-棘爪彈簧；8-棘爪；9-下半軸；10-洗滌輸入軸；11-方孔離合套；12-帶輪螺母；13-帶輪；14-棘輪；15-方絲離合套；16-制動帶；17-殼體；18-蓋板；19-圓抱簧；20-外密封圈；21-內(nèi)密封圈；22-洗滌輸出軸；23-上半軸；24-中半軸；25-制動軸；26-制動彈簧；27-撥叉彈簧 3.5 安全開關結構、功能設計 圖3-16 安全開關結構 1-探棒；2-洗衣機蓋；3-防振器； 4-桶體；5-防

43、振杠桿；6-動觸片； 7-靜觸片；8-防水殼；9-壓柱 本設計采用防振型安全開關，如圖3-16所 示。當機蓋蓋上時，探棒上抬，帶動防振杠桿及 防振器向上移動，壓柱帶動動觸片與靜觸片接通。 振動劇烈時，防振杠桿向左運動到一定程度，壓 柱落入限振器的凹口內(nèi)，使動觸片下移切斷電源。 3.6 機械支撐系統(tǒng)的設計 3.6.1 箱體 箱體包容著全部零部件，將各部連成一個 整體且裝飾表面。本次設計采用厚0.6～0.8mm 鋼板，設凸凹筋以增加強度，外表面有靜電噴 漆和塑料噴涂，左右兩側設有把手，便于搬動。 圖3-17 吊桿系統(tǒng)結構圖 1-掛頭；2-吊桿；3-外桶吊耳；4-

44、阻尼筒； 5-減振彈簧；6-阻尼膠碗；7-膠碗支撐簧 內(nèi)壁貼有泡沫塑料襯墊，用于保護箱體。 3.6.2 支腳 箱體下面有四個支腳，三個為固定支腳，另 一個為可調(diào)支腳，保證其與地面良好接觸。 3.6.3 支承機構 支承機構具有支承、減振、隔振和消除噪音 的作用。本次設計采用彈簧吊桿懸掛式支承方式， 如圖3-17所示，懸掛式支承方式是將各部件先總 成后再和洗滌桶一起固定在底板上，通過四根彈 簧吊桿將底板懸掛在箱體上[18]。 3.6.4 面框 面框位于洗衣機上部，用于

45、固定安裝操作部件，采用工程塑料注塑成型，具有良好的絕緣性能和安全性能。本次設計中面框上加入漂白劑注入口，連接到盛水桶上環(huán)，防止漂白劑與洗滌物直接接觸，減少對其損傷。 圖3-18 正反轉控制電路圖 3.7 其他電器件的設計選擇 3.7.1 直流繼電器的選擇 本次設計選擇MY-1P(一對常開觸點)直流繼電 器，通電時，電磁線圈得電吸合，常開觸點閉合， （工作原理與電磁閥相同，見圖3-11）。當繼電器 KM1接通時，主、副繞組形成兩相旋轉磁場，電 動機正向起動；當繼電器KM2接通時，主、副繞 組功能互換，電動機反向起動。隨著KM1、KM2 的不斷交替接通，電動機便實現(xiàn)了正反轉控制

46、，如 圖3-18所示。 3.7.2報警器的選擇 選擇LZQ-2724B電磁式蜂鳴器，由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。通電時，振蕩器產(chǎn)生音頻信號電流通過電磁線圈，產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵作用下，周期性地振動發(fā)聲。驅(qū)動電路見硬件連接圖4-4。 3.7.3電源部分設計 單相電動機采用交流220V供電，PLC模塊采用直流24V供電，由220V經(jīng)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓模塊得到，見硬件連接圖4-4。 4 全自動洗衣機程序設計 4.1全自動洗衣機控制系統(tǒng)設計 4.1.1控制要求 依據(jù)畢業(yè)設計任務書，洗衣機控制要求如下： （1

47、）按下啟動按鈕及水位選擇開關，注水直到高（中、 低）水位，關水； （2）2s后開始洗滌； （3）洗滌時，正轉30s，停2s，然后反轉30s，停2s； （4）如此循環(huán)5次，總共320s后開始排水，排空后脫水30s； （5）開始清洗，重復（2）～（5），清洗兩遍； （6）清洗完成，報警3s并自動停機； （7）若按下停車按扭，可手動排水（不脫水）和手動脫水（不計數(shù)）。 4.1.2控制流程圖 流程圖分為自動控制流程圖4-1和手動控制流程圖4-2，具體見下圖。 暫停2s 反轉30s 暫停2s 排水 排水完畢 脫水30s 報警3s 結束 啟動 開始

48、 水位選擇 進水 正轉30s 到達選擇水位 循環(huán)5次 循環(huán)3次 Y N Y N N Y 圖4-1自動控制流程圖 有水 手動排水 但不脫水 手動排水 但不脫水 排水完畢 停止 再次按下手動脫水 停止脫水 結束 N Y 圖4-2手動控制流程圖 自動控制時，先按下啟動按鈕，再選擇水位，進水電磁閥線圈得電工作，開始進水到達指定水位后，水位傳感器壓力開關閉合，使進水閥線圈失電停止進水，同時根據(jù)程序正轉繼電器得電，其常開觸點閉合，電動機得電正轉，洗衣機正轉洗滌，計時器計時30s ，暫停2s，反轉繼電器得電，其常開觸點閉合，電動機得電反轉，洗衣

49、機反轉洗滌，計時器計時30s，暫停2s，計數(shù)器C1計數(shù)一次，同時電機正轉，C1計數(shù)5次后，電機停止，排水閥得電打開排水，同時，離合器制動桿拉開，排水完畢后，電動機正轉，脫水桶高速旋轉，脫水計時器計時30s，計數(shù)器C2計數(shù)一次，而后又開始進水，到達指定水位，交替正轉、反轉，計數(shù)器C2計數(shù)3次后，報警器報警3s，之后程序結束。 手動控制時，按下停止按鈕，有水時需先手動排水，排水完成后排水閥閉合，而不自動脫水，需手動脫水時，按下手動脫水按鈕一次，排水閥打開，拉動離合器制動桿，脫水桶高速旋轉脫水，再次按下脫水按鈕，脫水停止，程序結束。 4.1.3 I／O口分配表 按輸入、輸出口分配，如表4

50、-3所示，程序中還應用到3個計數(shù)器，7個定時器（見下表），此外，還應用了11個輔助繼電器，功能見附錄程序。 表4-3 I／O口分配表 輸入變量 地址 輸出變量 地址 計時器、計數(shù)器 名稱 啟動按鈕 M0.0 高水位指示燈 Q0.0 小循環(huán)5次計數(shù)器 C1 高水位選擇按鈕 M0.1 中水位指示燈 Q0.1 大循環(huán)3次計數(shù)器 C2 中水位選擇按鈕 M0.2 低水位指示燈 Q0.5 手動排水計數(shù)器 C3 低水位選擇按鈕 M0.3 進水電磁閥 Q0.3 等待2秒計時器 T37 停止按鈕 M0.4 正轉洗滌繼電器 Q0.4 正轉3

51、0秒計時器 T38 手動排水 M0.5 反轉洗滌繼電器 Q0.2 暫停2秒計時器1 T39 手動脫水 M0.6 排水電磁閥 Q0.6 反轉30秒計時器 T40 高水位觸點 I0.0 離合器線圈 Q0.7 暫停2秒計時器2 T41 中水位觸點 I0.1 報警器 Q1.1 脫水30秒計時器 T42 低水位觸點 I0.2 報警3秒計時器 T43 進水浮球開關 I0.3 4.1.4硬件連線圖 硬件接線如圖4-4所示。 KM1 高水位指示燈 中水位指示

52、燈 低水位指示燈 進水閥線圈 正轉繼電器 反轉繼電器 排水閥線圈 離合器指示燈 報警器 高水位行程開關 中水位行程開關 低水位行程開關 進水浮球行程開關 KM2 電動機示意圖 圖4-4 硬件連線圖 4.2 全自動洗衣機控制系統(tǒng)編程 4.2.1STEP 7—Micro WIN V4.0編程軟件簡介及使用 STEP 7-Micro WIN V4.0的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)軟件的任務，創(chuàng)建用戶程序、修改編輯原有程序，編輯過程中還有編譯查錯功能，同時

53、還可以直接設置PLC的工作方式、參數(shù)及運行監(jiān)控等功能[19]。 編程使用如下： 圖4-5軟件初始界面 1. 雙擊桌面STEP 7-Micro WIN V4.0圖標，打開軟件，并通過文件→新建，或單擊新建圖標，新建文件，如圖4-5所示。 2. 設置PG／PC接口。單擊設置設置PG／PC接口圖標，如圖4-6所示。 圖4-6設置PG／PC接口 3. 定義用戶符號表。即定義出現(xiàn)的I／O接口、定時器、計數(shù)器及輔助繼電器功能。如所需行

54、不夠，可以右擊→插入→行，來添加行。 4. 編程。根據(jù)需要可以分別單擊，調(diào)用所需指令。完成后，可以點擊編譯圖標，進行查錯，如正確，可以單擊下載圖標，將程序下載到PLC中，而后通過調(diào)試→狀態(tài)監(jiān)控，來運行程序。 4.2.2 WinCC flexible 2007人機界面組態(tài)軟件簡介 WinCC flexible 操作簡單，組態(tài)效率高，功能強大。可以簡化項目創(chuàng)建，對畫面層級和動作路徑進行圖形化組態(tài)，并可組態(tài)大量數(shù)據(jù)。通過其操作界面可以快速訪問HMI對象，還可以根據(jù)用戶要求進行調(diào)整，還可以實現(xiàn)同時對多個對象的編輯[20]。 4.3 觸摸屏控制界面設計 1. 創(chuàng)建連接。畫面如圖4-7所

55、示。 圖4-7創(chuàng)建連接畫面 2. 定義變量。變量如圖4-8所示。 圖4-8定義變量畫面 3. 控制界面，觸摸屏控制界面如圖4-9所示。 圖4-9觸摸屏控制界面 4.4 PLC控制程序設計 4.4.1重點程序解析 1. 高、中、低水位傳感器沖突問題的解決。開始的時候認為在盛水桶側壁按高、中、低位置安放三個傳感器，再通過貯氣室軟管分別連

56、接。將觸點連接到PLC輸入端口以此來控制水位，但忽略了選擇高水位時，壓力會超過中、低水位壓力使其動作，無法實現(xiàn)中、高水位的控制。經(jīng)反復考慮，加入了水位選擇輔助繼電器，以輸出口來選擇、控制水位傳感器，并將其互鎖，自鎖。如選擇高水位時，輸出口Q0.0將控制高水位傳感器，使其得電自鎖，而中、低傳感器無法得電，即使其觸點斷開、閉合也不會有信號輸入，不會影響水位正常選擇。具體程序見附錄程序網(wǎng)絡2-11。 2. 單按鈕控制啟停[21]。為了簡化觸摸屏界面，將手動脫水按鈕設置為單按鈕控制排水啟停，即按下停止按鈕且排水完畢后，按下手動脫水按鈕一次，開始脫水，再次按下脫水按鈕時，洗衣機停止脫水，程序如圖4-1

57、0所示。按下停止按鈕后，M1.1閉合，此時按下手 圖4-10單按鈕啟停程序 動脫水按鈕M0.6時，M1.5得電閉合并自鎖，其常開觸點閉合，洗衣機開始脫水，同時計數(shù)器C3加1，再次按下M0.6時，計數(shù)器C3到達計數(shù)2，其常開觸點C3閉合，M1.7得電，其常閉觸點斷開，使M1.5失電，洗衣機停止脫水，同時常開觸點閉合使計數(shù)器C3復位，復位后M1.7又失電斷開，完成一次啟?？刂啤? 3. 單相電機正反轉交替控制程序。電路圖見3-22。正反轉時間由計數(shù)器控制，且加入了自鎖、互鎖，確保電機運轉時可靠、安全，中間有暫停2s計數(shù)器及輔助繼電器控

58、制并自動轉換方向，循環(huán)次數(shù)為3次，由計數(shù)器C1控制，程序如圖4-11所示。 圖4-11電動機正反轉控制程序 圖 4. 手動排水與手動脫水程序。因設計要求為手動排水時不脫水，手動脫水時不計時，故在程序中加入停止輔助繼電器，按下停止按鈕M0.4后，M1.1得電吸合，其常閉觸點將自動脫水程序和自動計時程序斷開，此時只能手動操作。具體程序如圖4-12所示。 圖4-12手動操作程序

59、 4.4.2洗衣機控制完整程序 完整程序見附錄。 5總 結 5.1全文總結 本論文針對基于西門子PLC-200并結合觸摸屏控制實現(xiàn)的全自動洗衣機控制系統(tǒng)進行了整體研究及設計，并取得了一定的成果，在此，結合研究設計過程和結果，對此次設計歸納總結如下： (1) 查閱了相關資料，了解了PLC的發(fā)展歷程，認真學習了西門子PLC-200的相關知識，掌握了其定義、硬件結構、工作過程及原理，學習并掌握了基于PLC-200的編程軟件STEP 7-Micro WIN V4.0 及人際界面組態(tài)軟件WinCC flexible 2007的編程使用。

60、 (2) 學習了洗衣機的發(fā)明、發(fā)展的歷史和不斷革新的進程，熟練掌握了洗衣機各硬件部分的結構、功能、工作原理及連接控制方式，在此基礎上，設計選出最經(jīng)濟、合理的全自動洗衣機的整體結構及各硬件部分。 (3) 在開始設計期間，總感覺相關知識都已經(jīng)掌握，但實際設計編程中卻毫無頭緒，不得已我結合試驗臺及編程軟件重新將課本復習幾遍，才有了思路并完成了編程設計。才明白，課本上的東西學得再好，不結合實際，不懂得應用，一樣沒有意義，在遇到問題時，止步不前，不學會解決，永遠也不會成功。 當然，在設計取得一定成果的同時，同樣也出現(xiàn)了一些不足： (1) 編程調(diào)試時，在功能實現(xiàn)的前提下，還需要進一步使程序簡潔化，

61、標準化。 (2) 對全自動洗衣機硬件的設計選擇局限于知識層面，對軟件編程調(diào)試也局限在試驗臺上，并沒有真正做出洗衣機實物，無法確定實際應用中會出現(xiàn)的問題及相應的改進方法。 (3) 對設計出的洗衣機實物價格沒有明確定位，對市場也沒有調(diào)研，設計存在一定的盲目性。 5.2心得體會 3個多月的畢業(yè)設計轉眼之間就要過去，同時也意味著我即將結束我的大學生活，好在，通過畢業(yè)設計期間，我又學到了很多在課堂上、書本上無法學習到的東西，在與導師和同學們不斷交流和進步中，自己的交際能力和動手操作能力也有明顯提高，為自己將來步入社會、找到滿意的工作又多了一份保證。在此，將我的一些心得與大家分享。 (1) 在遇

62、到問題毫無頭緒時，不要苦苦抱怨：我沒學過，不會。這樣永遠都不會解決問題。我們應該找到問題的源頭，哪里不會，從哪里學起，問老師、問同學，去圖書館查閱資料，將知識空缺補上，才能保證下次不會出現(xiàn)同樣的問題與錯誤。 (2) 課本上的知識學得再好，不能與實際結合，不懂得運用，也就等于沒有學好。學習后要走出課本，走向?qū)嶋H，在實習操作過程中將知識熟練掌握，才不會成為“書呆子”。 (3) 要學會合作，學會交流，在共同學習中共同進步，三人行必有我?guī)煛? 5.3展望 基于PLC全自動洗衣機的設計，克服了傳統(tǒng)繼電器控制的缺點，簡化了現(xiàn)有全自動洗衣機的線路，將來一定會大大方便人們生活，革新未來，占領市場

63、。同時，小型PLC以其功能強大，結構簡單等多項優(yōu)勢必將會替代其他程序控制器，應用于各行各業(yè)，更好的服務于人類。 參考文獻 [1] 陸國召. 洗衣機家族的變遷[J]. 家電科技, 2012,(Z1):63-65 [2] 陳小娟. 從洗衣機的發(fā)展探討中國洗衣機本土化設計[J]. 設計,2004,(8):10-17 [3] 王仁祥. 常用低壓電器原理及其控制技術[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2001,12-13 [4] 李小光,段春霞. 基于PLC的全自動洗衣機控制系統(tǒng)的設計[J].

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