洗衣机控制系统的硬件设计

3.1衣机的工作原理[11]
洗衣机的工作流程示意图如3-1图所示

图3-1 洗衣机工作流程图

洗衣机的工作流程由开始变频，进水、洗衣、排水和脱水5个过程组成。在半自动洗衣机中, 进水、洗衣、排水和脱水这4个过程分别用相应的按钮开关来控制。全自动洗衣机中,这4个过程可做到全自动依次运行,直至洗衣结束。
自动洗衣机的进水、洗衣、排水和脱水是通过水位开关,电磁进水阀和电磁排水阀配合进行控制,从而实现自动控制的。水位开关是用来控制进水到洗衣机内高,中,低水位；电磁进水阀起着通/断水源的作用。进水时,电磁进水阀打开,将水注入；排水时,电磁排水阀打开,将水排出；洗衣时,洗涤电动机启动；脱水时,脱水桶启动。
3.2洗衣机的设备控制要求
全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“强制运行”两种控制方式。
1、正常运行，如图3-2

图3-2 洗衣机正常运行

“正常运行”方式具体控制要求如下:
(1)将水位通过水位选择开关设在合适的位置(高、中、低),按下“启动”按钮,开始进水,达到设定的水位(高、中、低)后,停止进水；
(2)进水停止2S后开始洗衣；
(3)洗衣时,正转20S,停止2S,然后反转20S,停止2S；
(4)如此循环共5次,总共220S后开始排水,排空后脱水30S；
(5)然后再进水,重复(1)—(4)步,如此循环共3次；
(6)洗衣过程完成,报警3S并自动停机。
2、强制停止，如图3-3

图3-3 洗衣机的强制停止

(1)若按下“停止”按钮,洗衣过程停止,即洗涤电机和脱水桶转,进水电磁阀和排水阀全部闭合；
(2)可用手动排水开关和手动脱水开关进行手动排水和脱水。
3.3 PLC控制系统的设计分析[12、13]
1.PLC控制系统的设计基本原则
设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则:
（1）PLC的选择除了应满足技术指标的要求之外，特别应指出的是还应重点考虑该公司的产品的技术支持与售后服务的情况，一般应选择在国内特别是在所设计系统本着有着较为方便的技术服务机构或较有实力的代理机构的公司产品，同时应尽量选择主流机型。
（2）最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
（在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。
1)保证控制系统的安全、可靠。
2)考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有裕量。当然对手不同的用户要求的侧重点有所不同，设计的原则应有所区别，如果以提高产品产量和安全为目标，则应将系统可靠放在设计的重点，甚至考虑采用冗余控制系统，如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化。
2.PLC控制系统的设计的主要内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。因比，PLC控制系统设计的基本内容应包括:
（1）根据生产设备或生产过程的工艺要求，以及所提出的各项控制指标与经济预算，首先进行系统的总体设计。
（2）根据控制要求基本确定数字I/O点和模拟量通道数，进行I/O点的初步分配，绘制I/O使用资源图。
（3）进行PLC系统配置设计，主要为PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心部，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择PLC,应包括机型的选择、容量的选择、1/O模块的选择、电源模块的选择等。
（4）选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)，以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)，这些设备属于一般的电器元件。
（5）设计控制程序。在深入了解与掌握控制要求与主要控制的基本方式以及应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等方面情况之后。对较复杂的控制系统，可用状态流程图的形式全面地表达出来。必要时还可将控制任务分成几个独立部分，这样可化繁为简，有利于编程和调试。程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、编制语句表、程序清单。
控制程序是控制整个系统工作的条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。
3.PLC控制系统程序设计的步骤，
在对一个控制系统进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确的、合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。
3.3.1洗衣机设计的控制系统构成图
控制图如下图3-4所示：

图3-4 PLC控制图

3.4 PLC和变频器的选择
3.4.1 PLC型号的选择[14、15、16]
全自动洗衣机控制采用西门子公司的S7-200系列整体式PLC。
PLC实物图如3-5图所示：
图3-5 PLC实物图

1、S7-200系列PLC简介
（1）S7-200系列PLC的特点：
1）它结构紧凑
2）扩展性良好
3）指令功能强大
4）价格低廉成为当代各种小型控制工程的理想控制器。
（2）S7-200PLC的产品：
1）集成一定数字I/O点的CPU：CPU221、CPU 222、CPU 224、CPU 226、CPU 226XM
2）扩展模块：主要有
数字量扩展模块：EM221、EM222、EM223
模拟量扩展模块：EM231、EM 232、EM 235
通讯模块：EM277、EM241等
其它模块：特殊功能模块可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，从而完成规模更大的工程。
（3）S7-200的编程软件
STEP7-Micro/WIN32。该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。
（4）I/O地址分配
由于CPU模块有14点数字量输入,有10点数字量输出,所以不再需要输入/输出模块.采用I/O分配采用自动分配方式,模块上的输入端子对应的输入地址是I0.0-I1.5,输出端子对应的输出地址是Q0.0-Q1.1。
2、模块功能概述
CPU模块采用西门子的CPU-224(AC/DC/续电器)模块,它控制着整个系统按照控制要求有条不紊地运行.同时由于该模块采用交流220V供电,并且自带14个数字量输入点和10个数字量输出点,完全能 全自动洗衣机控制系统的要求,所以不再需要另外的电源模块.数字量输入和输出模块。
西门子 S7-200 CPU单元CPU-224 主要性能如下表3-6所示
主要
性能 本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。16K字节程序和数据存储空间
其他
性能 6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
特点 1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器
产品
尺寸 120.5×80×62mm
表3-6 西门子 S7-200 CPU单元CPU-224 主要性能

3.4.2变频器的选择[17、18]
随着经济发展，人民的生活水平的提高，对于家用电器的要求不断提高。 利用日本安川VS-616G5 变频器可编写速度曲线的优点, 对现有的洗衣机转速调速控制系统进行改进, 既可以达到节能的要求。
日本安川VS-616G5 变频器的特点如下：
（1）包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。
（2）有丰富的内藏与选择功能。
（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。
（4）保护功能完善、维修性能好。
（5）通过LCD操作装置，可提高操作性能。
洗衣机的控制系统主要由变频器、PLC 及旋转编码器组成。变频器用来实现电机的调速。本文所选用的安川VS- 616G5 通用变频器的可自行设置速度曲线的特点来实现平稳操作和精确控制。为满足洗衣机安全性的要求,变频器通过与电动机同轴连接的旋转编码器和PG卡,完成速度检测及反馈,形成闭环系统。PLC负责处理各种信号的逻辑关系, 从而向变频器发出起、停等信号,同时变频器也将工作状态信号送给PLC ,形成双向联络关系,这是系统的核心。旋转编码器与电动机同轴连接,对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲,旋转编码器根据AB脉冲的相序,可判断电动机转动方向,并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡,PG卡再将此反馈信号送给变频器内部,以便进行运算调节。所以旋转编码器和PG卡实现了闭环运行。
3.4.3 VS-616G5型变频器的参数设置
由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。由于61665是通用型变频器，因而用在洗衣机控制上为了满足运行效率、节能性和安全性的要求，其参数设置比专用型变频器要复杂得多。
VS-616G5型变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。常用参数如图3-7所示。
参数 功能
A组 确定控制模式
B组 选择运行功能
C组 确定加减速时间及转矩补偿时间
D组 时间频率
E组 确定运行压频曲线
F组 保护设置
H组 确定偏差标准
图3-7 变频器的参数

参数设置的原则:1、为减小启动冲击及减少噪音，其速度环的比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些；2、为了提高运行效率，快洗频率应选为工频，而慢洗频率要尽可能低些；3、变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入，具体的设置见下表3-8。

参数 名称 设定值 说明
A1-02 控制方式选择 2 不带PG矢量控制方式
B1-01 频率指令选择 1
B1-02 运行指令选择 1
B1-03 停止方式选择 0
B1-04 反转方式选择 0
B2-01 零速电平选择 0.1Hz
B2-04 停止时直流制动时间 1.0s
C1-03 加速时间2 2.0s
C1-04 减速时间2 2.0s
C2-01 加速开始时S型曲线时间 0.6s
C2-02 加速完了时S型曲线时间 0.6s
C2-03 减速开始时S型曲线时间 0.6s
C2-04 减速完了时S型曲线时间 0.6s
C5-01 ASR比例增益1 5
C5-02 ASR积分时间1 3s
D1-09 检修速度 200rpm
E1-01 输入电压设置 380v
E1-04 最高输出频率 50Hz
E1-05 最大电压 380v
E1-06 额定电压频率 50Hz
E1-09 最低输出频率电压 0
E2-01 电机额定电流 按电机铭牌设置
E2-02 电机额定滑差 按电机铭牌设置
E2-03 电机空载电流 按电机铭牌设置
E2-04 电机极数 按电机铭牌设置
F1-01 PG常数 根据旋转编码器铭牌设置
F1-02 PG断线检测时的动作选择 0
F1-03 超速时的动作选择 0
F1-04 超速偏差过大时的动作选择 0
F1-05 PG分频比 根据电机极速设置
表3-8 变频器的其他参数

变频器制动电阻参数的计算
采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果。能耗制动电阻RZ的大小应使制动电流工z的值不超过变频器额定电流的一半，即

洗衣机控制系统的软件设计

4.1 程序的构成、下载、安装和调试[19]
这个程序有自动方式和手动方式两种。在自动方式下,PLC将运行已经设置好的程序和参数(适用于机械一切都工作正常的情况下)。在手动方式下是在紧急停止情况下,可以手动进行排水和脱水。
将各个输入/输出端子和实际控制系统中的按钮。所需控制设备正确连接,完成硬件的安装。全自动洗衣机程序是由STEP7-Micro/Win32软件的指令完成,正常工作时程序存放在存储卡中,若要修改程序,先将PLC设定在STOP状态下,运行STEP7-Micro/Win32编程软件,打开全自动洗衣机程序,即可在线调试,也可用编程器进行调试。
4.1.1 S7-200的出错代码[20]
使用“PLC”菜单中的“信息（Information）”命令，可以查看程序的错误信息。S7-200的出错主要有以下三种。
1、致命错误
致命错误会导致CPU无法执行某个功能或所有功能，停止执行用户程序。当出现致命错误时，PLC自动进入STOP方式，点亮“系统错误”和“STOP”指示灯，关闭输出。消除致命错误后，必须重新启动CPU。
在CPU上可以读到的致命错误代码及其描述如表4-1所示。
代码 错误描述 代码 错误描述
0000 无致命错误 000B 存储器卡上用户程序检查错误
0001 用户程序编译错误 000C 存储器卡配置参数检查错误
0002 编译后的梯形图检查错误 000D 存储器卡强制数据检查错误
0003 扫描看门狗超时错误 000E 存储器卡默认输出表值检查错误
0004 内部EEROM错误 000F 存储器卡用户数据、DB1检查错误
0005 内部EEPROM用户程序检查错误 0010 内部软件错误
0006 内部EEPROM配置参数检查错误 0011 比较触点间接寻址错误
0007 内部EEPROM强制数据检查错误 0012 比较触点非法值错误
0008 内部EEPROM默认输出表值检查错误 0013 存储器卡空或COU不识别该卡
0009 内部EEPROM用户数据、DB1检查错误 0014 比较接口范围错误
000A 存储器卡失灵
表4-1 致命错误代码及描述

2、程序运行错误
在程序正常运行中，可能会产生非致命错误（如寻址错误），此时CPU产生的非致命错误代码及描述如表4-2所示。
错误代码 错 误 描 述
0000 无错误
0001 执行HDEF前，HSC禁止
0002 输入中断分配冲突并分配给HSC
0003 到HSC的输入分配冲突，已分配给输入中断
0004 在中断程序中企图执行ENI、DISI或HDEF指令
0005 第一个HSC/PLS未执行完前，又企图执行同编号的第二个HSC/PLS（中断程序中的HSC同主程序中的HSC/PLS冲突）
0006 间接寻址错误
0007 TODW（写实时时钟）或TODR（读实时时钟）数据错误
0008 用户子程序嵌套层数超过规定
0009 在程序执行XMT或RCV时，通信口0又执行另一条SMT/RCV指令
000A HSC执行时，又企图用HDEF指令再定义该HSC
000B 在通信口1上同时执行XMT/RCV指令
000C 时钟存储卡不存在
000D 重新定义已经使用的脉冲输出
000E PTO个数为0
0091 范围错误（带地址信息）：检查操作数范围
0092 某条指令的计数域错误（带计数信息）：检查最大计数范围
0094 范围错误（带地址信息）：写无效存储器
009A 用户中断程序试图转换成自由口模式
009B 非法指令（字符串操作中起始位置指定为0）
表4-2 程序运行错误代码及描述

3、编译规则错误
当下载一个程序时，CPU在对程序的编译过程中如果发现有违反编译规则，则CPU会停止下载程序，并生成一个非致命编译规则错误代码。非致命编译规则错误代码及描述如表4-3所示。

错误代码 错 误 描 述
0080 程序太大无法编译，须缩短程序
0081 堆栈溢出：必须把一个网络分成多个网络
0082 非法指令：检查指令助记符
0083 无MEND或主程序中有不允许的指令：加条MEND或删去不正确的指令
0084 保留
0085 无FOR指令：加上FOR指令或删除NEXT指令
0086 无NEXT指令：加上NEXT指令或删除FOR指令
0087 无标号（LBL、INT、SBR）：加上合适标号
0088 无RET或子程序中有不允许的指令：加条RET或删去不正确的指令
0089 无RETI或中断程序中有不允许的指令：加条RETI或删去不正确的指令
008A 保留
008B 从/向一个SCR段的非法跳转
008C 标号重复（LBL、INT、SBR）：重新命名标号
008D 非法标号（LBL、INT、SBR）：确保标号数在允许范围内
0090 非法参数：确认指令所允许的参数
0091 范围错误（带地址信息）：检查操作数范围
0092 指令计数域错误（带计数信息）：确认最大计数范围
0093 FOR/NEXT嵌套层数超出范围
0095 无LSCR指令（装载SCR）
0096 无SCRE指令（SCR结束）或SCRE前面有不允许的指令
0097 用户程序包含非数字编码和数字编码的EV/ED指令
0098 在运行模式进行非法编辑（试图编辑非数字编码的EV/ED指令）
0099 隐含网络段太多（HIDE指令）
009B 非法指针（字符串操作中起始位置定义为0）
009C 超出指令最大长度
表4-3 编译规则错误代码及描述

4.2 洗衣机控制系统资源分配
1、数字量输入部分
这个控制系统的输入有启动按钮,停止按钮,水位选择开关(高水位,中水位,低水位),手动排水开关,自动排水开关,高水位浮球开关,中水位浮球开关,低水位浮球开关,水排空浮球开关共11个输入点。具体的输入分配如表4-4所示。

输入地址 对应的外部设备

I0.0 启动按钮
I0.1 停止按钮
I0.2 水位选择开关(高水位)
I0.3 水位选择开关(中水位)
I0.4 水位选择开关(低水位)
I0.5 手动排水开关
I0.6 自动排水开关
I0.7 高水位浮球开关
I1.0 中水位浮球开关
I1.1 低水位浮球开关
I1.2 水排水位浮球开关
表4-4输入地址分配

2、数字量输出部分
这个控制系统需要控制的外部设备有进水电磁阀,排水电磁阀,脱水桶.报警器共5个设备.但是由于洗涤电动机有正转和反转两个状态,分别都应正转继电器和反转继电器,所以输出点应该有6个,具体输出分配如表4-5所示。
输出地址 对应的外部设备
Q0.0 进水电磁阀
Q0.1 排水电磁阀
Q0.2 洗涤电动机正转继电器
Q0.3 洗涤电动机反转继电器
Q0.4 脱水桶
Q0.5 报警器
表4-5输出地址分配

4.3洗衣机的PLC程序设计
4.3.1 源程序
在本程序中,M0.0是按下启动开关按钮的辅助继电器；M0.1是判断洗衣机水位是否和设定水位不一致的辅助继电器;M0.2是判断洗衣机水位是否和设定水位一致的辅助继电器;M0.3是停止自动洗衣机的辅助继电器。
NETWORK 1
//
//按下启动按钮,开始洗衣
//
LD I0.0
O M0.0
AN I0.1
= M0.0
NETWORK 2
//
//洗衣机水位与设定水位不一致辅助继电器
//
LD I0.2
AN I0.7
LD I0.3
AN I1.0
OLD
LD I0.4
AN I1.1
OLD
= M0.1
NETWORK 3
//
//洗衣机水位与设定水位相一致辅助继电器
//
LD I0.2
A I0.7
LD I0.3
A I1.0
OLD
LD I0.4
A I1.1
OLD
= M0.2
NETWORK 4
//
//停止自动洗衣机辅助继电器
//
LD I0.1
O M0.3
AN Q0.0
= M0.3
所对应的梯形图,如图4-6，4-6所示
图4-6 洗衣机源程序图

图4-7 洗衣机源程序图2

4.3.2进水、洗衣、排水、脱水、洗完报警程序
1、进水程序
在正常情况下,按下启动按钮或者脱水完毕,而且洗衣大循环未到3次时,开始进水,当水位到设定水位后停止进水,等待2S后进入洗衣过程.在强制停止的情况下,当停止按钮下时立即停止进水.它的助记符号程序为:
NETWORK 5
//
//进水设定的水位
//
LD M0.0
LD T40
AN C51
OLD
O Q0.0
A M0.1
AN I0.1
= Q0.0
NETWORK 6
//
//进水到设定的水位后等待2S
//
LD M0.2
AN Q0.1
AN Q0.2
AN Q0.3
TON T37,+20
所对应的梯形图,如图4-8所示
图4-8 洗衣机进水梯形图

2 、洗衣程序
进水到设定水位2S后,开始正转20S,然后再反转20S,这样循环5次后进入排水过程。
NETWORK 7
//
//洗涤电动机正转20S
//
LD T37
LDN C50
A T39
OLD
O Q0.2
AN T38
= Q0.2
TON T38,+200
NETWORK 8
//
//洗涤电动机反转20S
LD T38
O Q0.3
AN T39
= Q0.3
TON T39,+200
所对应的梯形图,如图4-9所示

图4-9 洗衣机进水梯形图

3 、排水程序
洗衣过程完毕后,进水排水过程.水排空后停止排水.它的助记符号程序为:
NETWORK 9
//
//洗衣小循环5次
//
LD Q0.3
LD Q0.1
CTU C50,+5
NETWORK 10
//
//排水,直至水排空
//
LD C50
O Q0.1
AN I0.2
AN I1.2
LD M0.3
A IO.5
OLD
= Q0.1
所对应的梯形图4-10

图4-10 洗衣机排水梯形图

4、脱水程序
水排空后,开始脱水,脱水30S后停止脱水.因为判断水排空是否在排水完毕后,所以要用到排水完毕辅助继电器.它的助记符号程序为:
NETWORK 11
//
//排水完毕辅助继电器
//
LD Q0.1
O M04
AN Q0.4
= M0.4
NETWORK 12
//
//脱水30S
//
LD I1.2
A M0.4
O Q0.4
AN T40
AN I0.1
O I0.6
= Q0.4
TON T40,+300
所对应的梯形图,如图4-11所示

图4-11 洗衣机脱水程序梯形图

5 、洗完报警程序
洗衣大循环3次后,开始洗完报警过程,3S后停止报警,这样整个洗衣过程结束.它的助记符程序为:
NETWORK 13
//洗衣大循环3次
//
LD Q0.4
LD Q0.5
CTU C51,+3
NETWORK 14
//
//报警3S
LD CS51
O Q0.5
AN T41
AN I0.1
= I0.1
TON T41,+30
所对应的梯形图,如图4-12所示

图 4-12 洗完报警梯形图