全自动洗衣机PLC控制系统设计

摘 要随着科学技术不断进步和社会飞速发展，洗衣机成为人民日常生活息息相关的家用电器产品。 洗衣机的全自动化、多功能化、智能化是其发展方向。基于全自动洗衣机的应用日益广泛，本次设计利用三菱公司生产的PLC控制全自动洗衣机，与传统的继电器逻辑控制系统相比较，洗衣机可靠性、节能性得到了提高。PLC控制不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少，与此同时系统维修简单、维修时间缩短。 本文首先介绍了洗衣机的发展，然后重点介绍了洗衣机的设计，对程序流程图及编程软件进行了说明，最后对系统进行了仿真。本次设计采用步进顺控指令编程，根据工艺要求编程简单、可允许双线圈使用，PLC采样按钮及限位开关外部输入信号的变化，执行相应的程序，然后输出控制电机正反转及脱水处理。关键词：全自动洗衣机；PLC 控制；步进顺控指令 目 录摘要.1第一章 引言3第二章洗衣机控制系统总体控制方案确定42.1 总体控制方案确定42.1.1 控制系统的比较42.2.2 洗衣机的PLC控制系统概述5第三章 全自动洗衣机的基本结构63.1 全自动洗衣机的原理和构造63.2 洗涤脱水系统73.3 排水和进水系统73.4 电动机及传动系统8第四章 电气控制系统94.1 控制系统结构94.2 控制系统原理94.3 检测电路系统10第五章 主要器件的选择115.1 电动机的选择115.2 传感器的选择11第六章 软件设计126.1全自动洗衣机的控制要求126.2 控制系统的I/O 输出表136.3控制系统的外部接线图146.4控制系统顺序功能图156.5控制系统的程序设计16本章小结 18致谢19参考文献20结束语21附录.22第一章 引 言从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，在洗衣机出现以前，这项劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。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美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。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。1911年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，电动洗衣机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。70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人耳目一新。90年代，由于电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤，漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水，排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动作，整个洗衣过程自动完成。所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。从控制方式的发展阶段上分：全自动洗衣机可分为两大类：第一类电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。第二类是电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。随着计算机的及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。第二章 洗衣机控制系统总体控制方案确定2.1 总体控制方案确定2.1.1控制系统的比较PLC系统的特点： 1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。 2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。 3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。单片机系统的特点：1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。3）功能单一只具有使用中所需要的功能。但是，它结构简单，处理速度快。2.2.2 洗衣机的PLC控制系统概述 全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由单片机为中心控制系统工作的。首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相对复杂；其次，在设计控制系统硬件时要有多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等 这样增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率无形地增加了维修成本费用，在各种控制系统中广泛运用的PLC能克服单片机的缺点。它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。因此在运用中，硬件也相对简单，提高控制系统的可靠性。另外它的编程语言也相对简单。 典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图1所示：图1 PLC控制系统的硬件组成框图第三章 全自动洗衣机的基本结构3.1 全自动洗衣机的原理和构造 全自动洗衣机在结构上大致可分为3中类型，即波轮式，滚筒式和搅拌式。我国的洗衣机在结构上主要有波轮式和滚筒式两类，产品的类型以波轮式为主，其他类型为辅。以日常生活中最常见的波轮式全自动洗衣机为例，洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的。外桶固定，作盛水用。内桶可以旋转，作脱水（甩水）用内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。该洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排电磁阀来执行。进水时，通过电控系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、低水位开关分别用来检测高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作。停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。波轮式全自动洗衣机的实物示意图如图2图2 波轮式全自动洗衣机的实物示意图3.2 洗涤脱水系统 它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。盛水桶固定在钢制底板上，通过4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm左右）新水流两类。 3.3 排水和进水系统波轮式全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。为了对桶内的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。波轮式全自动套桶洗衣机使用最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关3部分组成，用来监视水位的高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。自动打开香蕉阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。3.4 电动机及传动系统波轮式全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，离合器又有普通离合器和减速离合器两种。其中普通离合器用在采用小波轮的套桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同，目前各种大波轮新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤，漂洗时波轮的转速较慢，而脱水时离心桶的转速较快。电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源，普遍采用主，副绕组完全对称的电容式电动机。由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电动机的功率较大。采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理如图3图3 采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理图图3 采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理图电动机与固定在离合器下端的大传动带盘之间用V带传动。经第一级减速后大传动带盘得到150r/min的转速。当洗衣机处于洗涤或漂洗状态时，再经离合器内部的行星齿轮减速后，使波轮得到175r/min低转速。此时，洗涤（脱水）桶不动。当洗衣机处于脱水状态时，离合器输出的是未经减速的850r/min的高转速，驱动脱水桶和波轮作同步高速运转。对于使用普通离合器的小波轮套桶洗衣机来说，有区别的仅仅是离合器内部没有行星齿轮减速机构，因此在洗涤或漂洗时其波轮的转速与脱水时的转速时相同的。第四章 电气控制系统4.1控制系统结构波轮式全自动洗衣机的电气控制系统由于洗衣机型号的不同而不尽相同，但电气控制系统主要有程序控制器，电动机，进水电磁阀，排水电磁阀，水位开关，安全开关及各种功能选择开关等组成的，控制的基本原理也都一样。全自动洗衣机能实现洗衣的自动化，整个洗衣过程都是在程序控制器的“指挥”下进行的。如把离合器比作全自动套桶洗衣机的心脏，则程序控制器就是全自动洗衣机的“大脑”。如图所示以程序控制器为核心的波轮式全自动套桶洗衣机控制系统的基本原理方框图。图4 波轮式全自动套桶洗衣机控制系统的基本原理方框图4.2 控制系统原理程序控制器中存储着多种程序，一旦通过选择开关选好某种程序后，程序控制器便按这种程序自动实施对电动机，进水和排水电磁阀的控制。安全开关又称为盖开关，在洗衣机运行过程中起安全保护作用，它的功能为：在洗衣机工作时误开盖，安全开关便会切断电动机电源，自动中断程序；在脱水过程中如桶内衣物摆放不均匀而产生大幅度振动时，安全开关自动中断脱水过程，启动蜂鸣器。按照采用的程序控制器的不同，波轮式全自动套桶洗衣机的电气控制电路可分为电动机驱动式程序控制器和单片机式程序控制器电路。电动机驱动式程序控制器又称为机械式程序控制器，它具有程序组合量大，工作可靠，抗干扰能力强，而且能直接控制较大电流等优点，单片机程序控制器具有结构紧凑，操作简便，功能齐全，运行可靠等优点。目前，机械式程序控制器基本上已被淘汰。用PLC（单片机）控制的全自动洗衣机各种动作典型的系统结构如图5所示：图5 全自动洗衣机各种动作典型的系统结构图PLC在系统中是处于中心位置，水位开关的PLC的输入信号控制开关，进水阀，排水阀和电动机是洗衣机各种动作的执行机构。其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态；电动机的工作状态也由控制中心PLC给定信号来决定，而电动机的正反转状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。4.3 检测电路系统检测电路主要由各类传感器组成。在洗衣过程中起决定作用的物理量有衣量、衣质、水位、水温和浑浊度等,这些物理量都需要有适当的传感器来获取信息,并转换成PLC能接收的电信号。1）水位传感器水位检测的精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间等参数。 2）衣量传感器衣量传感器又称衣物负载传感器，它是用来检测洗衣时衣物量多少的。当洗涤桶内注入一定量的清水后将衣物放入桶内，这时让驱动电机以断续通电运转的方式工作一分钟左右。利用电机绕组上产生的感应电动势，经光电隔离及比较整型，产生脉冲信号。这种矩形脉冲数目与电机惯性转过的角度成比例。若衣物多，则电机受到的阻力大，电机惯性转过的角度就小，相应地，传感器产生的脉冲就少，这样就间接地“测量 出了衣物量的多少。下一步需要做的就是，根据衣物量来设定水位。3）水温传感器适当的洗衣温度有利于污垢的变化。可以提高洗涤效果。水温传感器装在洗涤桶的下部。以热敏电阻为检测元件。测定打开洗衣机开关时的温度为环境温度，注水结束时的温度为水温，将所测温度信号输给PLC。第五章 主要器件的选择5.1 电动机的选择由于家庭提供的电源限制故选单相电容运转式异步电动机。以3.6公斤全自动洗衣机为例，由于全自动洗衣机的脱水桶直径较大，这一偏心不能不考虑，所以计算时应以洗涤物可能产生前最大偏心为计算依据。脱水时电机功率比洗涤时要大，在确定电机功率时应以脱水时消耗的功率为依据，也就是说脱水时电机功率就是该洗衣机所确定的电机额定功率。由于在计算时一些因素如电机转子的转动惯量等没考虑，造成一些偏差，所以3.6公斤全自动洗衣机电机额定功率选为180瓦。符合全自动洗衣机的功率范围120W250W。故选择YY104-180型号单相电容运转式电动机，功率180瓦,额定电压220V，转速1350r/min，电流1.7A。5.2 传感器的选择5.2.1 水温传感器的选择水温检测可用热敏电阻或MTS102 半导体温度检测器。洗衣机水温一般为4 40 ,在该温度范围内MTS102线性好,温度敏感,水温检测常选用它。5.2.2 水位传感器的选择对于PLC控制的洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,谐振式水位传感器是利用电磁谐振电路LC 作为传感器的敏感元件,将被测物体的变化转变为LC 参数的变化,最终以频率参数输出。其工作原理是将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力,驱动内腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动,从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。故常采用谐振式水位传感器。5.2.3 衣质传感器的选择衣质的检测一般在洗涤之前，且主要用来测定所洗衣物属于棉类还是化纤类。在一定水位的前提下不同的衣物成分不同,其布阻抗就不同。为了测出衣质,先加入一定的水并让电机转动,突然切断电源,由于惯性作用电机会维持短时间旋转。此时电机处于发电机状态,会产生一定感应电势并逐渐衰减到零。由于衰减速率与布阻抗有一定的线性关系,通过对定子绕组两端电热进行整流和检测,经光电隔离后形成脉冲,脉冲信号多，则布阻抗小,反之亦然。经过几次测量就可以判断出布阻抗,通过推理得出衣质。故选择电阻传感器。第六章 软件设计6.1 全自动洗衣机的控制要求PLC 投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。 （1） 按下启动按扭，开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水。 （2） 2 秒后开始洗涤。 （3） 洗涤时，正转 15 秒后暂停，暂停 3 秒后开始反转洗涤，反转洗涤 15 秒后暂停，暂停 3 秒。 （4） 如此循环 3 次，总共 180 秒后开始排水，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水 10 秒即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。 （5） 若未完成 3 次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了 3 次大循环，则进行洗完报警。 （6） 报警 10 秒结束全部过程，自动停机。 （7） 此外按排水按钮可实现手动排水；按停车按扭可停止进水、排水、脱水及报警。 6.2 控制系统的I/O分配表如图6 图6 I/O分配表PLC 输入端所接外部输入器件PLC 输出入端所接外部输出入器件X0启动按钮 SB1Y0进水电磁阀 YA1X1停止按钮 SB2Y1排水电磁阀 YA2X2低水位限位开关 SQ1Y2脱水电磁离合器 YA3X3高水位限位开关 SQ2Y3正转接触器 KM1X4手动排水按钮 SB3Y4反转接触器 KM2Y5蜂鸣器 HA6.3 外围接线图如图7图7 外围接线图6.4 系统的顺序功能图设计如图8图8 全自动洗衣机 PLC 控制程序流程图6.5 程序设计本次设计采用步进顺控指令编程，编写的程序清晰、明了。步进指令允许使用双线圈，当步进节点条件满足时，某一状态被置位，当下一步的步进节点接通时，转移到下一步状态，同时自动复位上一状态，其中 STL 是步进节点指令，RET 是步进返回指令。 系统处于初始状态，准备好启动，M8002 是初始化脉冲，上电运行后产生，按下启动按钮 X0，系统运行，打开进水电磁阀 Y0，当系统的高水位限位开关 X3 检测到水满时，关闭进水电磁阀 Y0 并停止运行 2 秒。如图9程序梯形图所示。图9 程序梯形图所示当状态位 S22 置位时，定时器 T1 工作，接触器线圈 Y3 接通，洗衣机正转洗涤，定时器 T1定时 15 秒到，S22 状态自动复位的同时置位 S23，洗衣机停止运行，定时器 T2 开始定时，定时器 T2 定时 3 秒到，自动复位状态 S23 的同时置位 S24，,接触器 Y4 接通，定时器 T3 开始定时，洗衣机反转洗涤，反转洗涤 15 秒到，复位 S24 同时置位 S25，洗衣机停止运行 3 秒。如图 10 程序梯形图所示。 图10 程序梯形图状态位 S26 置位时，计数器 C0 开始计数的同时与计数器 C0 当前值做比较，当C0 的值不等于 3 时，状态位 S22 置位,循环洗涤；当 C0 的值等于 3 时，计数器 C0 清零，状态位 S26 复位同时 S27 置位，排水电磁阀 Y1 打开并复位计数器 C0,当低水位限位开关 X2 检测到水排空后，置位 S28 的同时复位 S27。如图 11 程序梯形图所示图11 程序梯形图状态位S28置位时，排水电磁阀Y1打开，离合器Y2合上，接触器Y3线圈得电，抱闸将洗涤电机轴和内桶抱紧，带动其内桶正转进行甩干，定时器T5定时10秒到，自动复位S28的同时置位S29，计数器C1开始计数的同时与计数器C1当前值做比较，当C1的值不等于3时，状态位S20置位,循环从进水开始的全部动作；当C0的值等于3时，状态位S29复位。如图12程序梯形图所示。 图12 程序梯形图所示状态位 S30 置位时，蜂鸣器 Y5 进行洗完报警，计数器 C1 清零，为下次洗涤工作做好准备，计数器有记忆功能，所以每次比较完后要记得清零，蜂鸣器 Y5 报警 10秒后结束全部过程，自动停机并返回初始状态。如图13程序梯形图所示。 图13 程序梯形图所当按下手动排水按钮 X4，排水电磁阀 Y1 闭合，实现手动排水；当按下停止按钮X1, 实现停止进水、排水、脱水及报警。如图 14 程序梯形图所示。 图14 程序梯形图所示本章小结 本章介绍了全自动洗衣机 PLC 控制的流程图，并对程序进行了详细的说明。使用步进顺空指令编写的梯形图清晰、明了。本次设计采用三菱公司的 FXGPWIN 编程软件进行编程，该软件使用方便，我选择的 PLC 型号为 FX2N.致 谢经过一个多月的努力我的毕业设计终于完成了,但是现在回想起来做毕业设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，艰辛同时又充满乐趣,不过乐趣尽在其中！通过本次毕业设计，没有接受任务以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现毕业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。这次毕业设计要求设计一个全自动洗衣机控制，自行设计这对我将来踏上工作岗位是非常有帮助的。尽管上一届的同学已经完成的非常出色，但是我仍然希望通过自己的努力完成设计并希望有所突破。这也是我对自己的考验。于是本次设计过程中我完全按照软件设计步骤的要求来进行，从课题分析开始，再进行总体设计、详细设计,最后到系统实现。每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去。也使我掌握了一整套规范的设计操作流程。 我的心得也就这么多了，总之，这次毕业设计让我学习到很多。虽然结束了，但这只能是一个开始。今后作为技术员，要学习的规范，程序设计语言还有很多。怎样使自己从普通的PG升为SE，在微型计算机控制领域，要学的实在太多，仅大学生涯所学实在有限。我们只有对自己有了更高的要求，才能作为动力不断取得新的成绩! 不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。 在此要感谢我的指导老师郑老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。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毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。参考文献1 魏志精.可编程控制器应用基础【M】电子工业出版社,20032 周恩涛.可编程控制器原理及其在液压系统中的应用【M】机械工业出版社3 潘月琴.全自动洗衣机的维修【M】北京科学技术出版社,20044 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