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基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计毕业设计论文
江西农业工程职业学院
毕业设计（论文）
基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计论文
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摘要
本文介绍了利用三菱FX2N系列PLC对全自动洗衣机控制系统总体控制,阐述了控制方案。
实现全自动洗衣机控制系统总体控制有多种，可以采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路。
近年来随着科技的飞速发展，单片机、PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。
本文采用日本三菱公司生产的FX2N-48MR型PLC作为核心控制器进行全自动洗衣机控制系统的设计，并且设计出了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案。
同时根据全自动洗衣机控制系统总体控制要求和特点,确定PLC的输入输出分配,并进行现场调试
关键字：
PLC全自动洗衣机控制系统PLC程序设计
Pick
ThispaperdescribestheuseofPLCFX2Nmitsubishiseriesofautomaticwashingmachinecontrolsystem,overallcontrol,thispaperexpoundsthecontrolscheme.Realizefull-automaticwashingmachinecontrolsystemhasavarietyofoverallcontrol,canusetheanaloganddigitalearlyhybridcircuitmodulecircuitor.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofPLCandsingle-chipconstantlytofurther,whiletraditionalcontroltesttechnologyconstantlyupdated.BasedontheproductionFX2NmitsubishiJapanasthecore48MR-typePLCcontrollerforautomaticwashingmachinecontrolsystemdesign,andthesystemstructureanddesignprograminstruction,ladderdiagramandtheinputandoutputterminalsofallocationscheme.Accordingtotheoverallcontrolofautomaticwashingmachinecontrolsystem,PLCrequirementsandcharacteristicsofdistributionofinputandoutput,andcommissioning
Keywords:
PLCautomaticwashingmachinecontrolsystem,PLCprogramdesign
设计体会……………………………………………………………………………18
1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。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程.可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与各种控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
2全自动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1PLC控制系统的硬件组成框图
2.2.3PLC的设计步骤
开发应用PLC的设计任务分为硬件和软件设计两部分。
硬件设计主要包括:
1）确定安排PLC的输入、输出点;
2）设计外围电路,包括主电路;
3）选购PLC并进行现场安装接线等内容；
软件设计,大多数用梯形图和指令程序,主要包括:
1）设计控制流程,根据工艺要求先画出工作循环,如有必要再画详细的状态流程图;
2）根据工作循环图,画出虚拟的电路图———继电器梯形图;按梯形图编写指令程序表;
3系统调试:
根据设计要求,对程序进行调试和修改,必要时还可对硬件进行修改,直到满足要求；
在电脑控制的全自动洗衣机中，又存在着两种不同的控制方式，即程序控制和模糊控制。
由于控制方式的不同，两种洗衣机在结构和原理上都有很大的区别。
程序控制洗衣机以洗衣机生产厂家设定的数十种操作程序为基础，用户在使用时可根据洗衣量，布质的轻重以及衣物的脏污程度性质等因素，选择不同的洗衣程序。
程序控制全自动洗衣机的控制按钮很多，对程序的选择需要有一定的洗衣经验。
模糊控制洗衣机以其内部设置的各种传感器为信息采集源，对传感器传回的洗衣量，衣物布质，脏污程度以及脏污性质信息进行模糊逻辑推理，从而自动设置相应的洗涤参数，并对洗衣的全过程进行实时的检测与控制。
模糊控制全自动洗衣机的洗衣按钮只有很少几个。
从控制类型上来说，模糊控制属于智能控制，是自动控制的较高形式，代表着自动控制的发展方向。
但是，受自动控制水平的限制，目前的模糊控制洗衣机还不能实现全功能上的模糊控制，另外由于使用了各种传感器和模糊逻辑控制器，使模糊控制洗衣机的成本远高于程序控制洗衣机。
故一般不采用。
3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。
首先做一下比较：
滚筒式洗衣机具有如下性能：
1）更好的软化衣物纤维，减小洗涤过程中衣物的损伤和变形，并且还可以使洗后的衣物柔软而蓬松。
2）提高温度来洗涤可充分溶解洗衣粉，加快洗衣粉中弱酸性物质与污物的化学反应速度，提高洗衣粉中酶的活性，同时有利于溶解汗渍，血渍，降低灰尘，油污的粘附作用，从而可在同样的洗净比下大幅度降低洗涤过程对机械力的需求。
3）温度高有利于污物在水中的扩散。
4）高温能有效的杀死一些细菌。
没有加温的洗涤的波轮式洗衣机无论怎样的水流，要达到一定的洗净比，都必须有足够的机械力，而机械力对衣物是由损伤的，这就决定了波轮式洗衣机的磨损率大大高于滚筒式洗衣机。
各种新水流基本原理是一样的，就是尽量以紊乱的水流减小衣物的缠绕，增大水流的冲刷力以用于洗涤，与以前依靠衣物与桶壁和衣物相互之间的摩擦方式相比，水流冲刷对衣物的损伤较小。
滚筒式洗衣机有如下特点：
1）磨损低，没有缠绕，机械传动部分简单可靠，寿命长于波轮式洗衣机。
2）自动化程度高，可以自动投放洗衣粉，漂白粉等，为不同质地的棉制品，化纤制品，羊毛制品设计了不同的洗涤程序和洗涤温度，使洗涤更为科学。
设有防皱浸泡功能，可将洗好的衣物浸泡在清水里，到晾晒前再甩干，避免衣物甩干后不能及时取出晾晒而起皱。
1）省水，省洗衣粉。
滚筒式洗衣机不需要水位高过衣物，从而可节约用水，并可减少洗衣粉的投放量。
2）高温洗涤有一定的灭菌作用。
3）洗涤过程噪声小，滚筒式洗衣机属封闭式洗涤，可以有效屏蔽内桶转动声和水流声；而波轮式洗涤的水流声，脱水内桶转动声是不可避免的且刹车装置和电磁阀动作声音也很大。
由于滚筒式洗衣机的价格大大高于波轮式洗衣机，所以波轮式洗衣机仍然受到普遍欢迎。
波轮式洗衣机的特点：
1）水流方面。
现在波轮式全自动洗衣机出现了一种新水流的形式。
如LG的拳击棒，松下的双瀑布，荣事达的网络水流等都采用了这种水流。
2）程序控制器。
新推出的波轮式全自动洗衣机均采用单片机程序控制器，原来的机械式程序控制器基本上已被淘汰。
各厂家生产的各种型号的波轮式全自动洗衣机的控制程序有所不同。
如在模糊控制的洗衣机中，单片机通过采集水位传感器，布量传感器，光传感器的信号以及电动机的转速，判断出衣物的质地，多少，赃物程度，从而自动调整对衣物进行合理的洗涤。
3）不锈钢内桶。
波轮式洗衣机采用了不锈钢内桶，减小衣物和内桶壁摩擦力，从而减轻衣物的磨损。
4）同心洗。
同心洗是直接把电动机轴与洗衣桶主轴同心安装，直接驱动。
使洗涤和脱水时洗衣桶振动减小，噪声降低。
5）变频波轮式洗衣机可以对不同质地的衣物自动选择不同的电动机转速，从而给不同质地的衣物以恰当的洗涤强度，在保证洗得干净的同时，也最大限度地降低衣物的磨损。
同时还可以在脱水甩干时，由慢到快地启动，使衣物在桶内分布均匀，脱水效果好，同时由于衣物均匀分布在洗衣桶的四周，洗衣桶的重心落在轴心上，可以减小振动，降低噪声，但是价格较贵。
波轮式全自动洗衣机通常都采用将洗涤（脱水）桶套装在盛水桶内的同轴套桶式结构，虽然它们各自牌号和型号都不同，但其结构都是由洗涤，脱水系统，进，排水系统，电动机和传动系统，电器控制系统以及支撑机构5大部分组成的。
支撑机构主要有箱体，吊杆及控制台组成，它除了安装和连接洗衣机的各种零件外，还具有减振及防护，装饰的作用。
如图所示：
全自动套筒洗衣机内部结构图。
图2全自动套筒洗衣机内部结构图
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。
4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）浑浊度传感器
人工洗衣时可以随时用眼睛检查衣物是否洗净，但在洗涤桶内的衣物不断地进行翻滚运行，无法直接捡测衣物的洗净程度。
全自动洗衣机通过采用光传感器检测洗涤液的透光率，从而间接捡测了洗净程度。
在洗衣机排水管两侧分别安装红外发光管和光电接收管。
洗涤前，排水管中充满清水，光电接收管受光导通，以此时光敏三极管输出电压为设定值。
洗涤开始后，衣物上的污垢不断地扩散到洗涤液中，洗涤液逐渐变浑浊，致使透光率降低．相应地，光敏三极管的输出电压也随之下降。
经过一段时间后，该输出电压趋于稳定值，洗涤过程结束，然岳进漂洗阶段。
3）衣质传感器
衣质传感器又叫布质传感器，它是为检测衣物的质地而设置的。
根据衣物纤维中棉纤维、化学纤维所占比例的大小，衣物的布质分为“柔软棉”、“较硬棉”、“棉与化纤”以及“化纤”四个挡。
4）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。
衣质传感器和衣量传感器是同一个装置，只是检测的方法不同。
在进行衣质检测时。
首先使洗涤桶内的水位比设定水位低一个挡级，然后仍按照测衣物量的方法让驱动电机以通断电的方式工作一段时间。
检测每次断电期间衣量传感器发出的脉冲数并求其平均值。
用测衣量时得到的脉冲数减去测衣质时得到的脉冲数，二者之差即可以判别衣质。
若桶内的衣物棉纤维所占比例大，脉冲数差就大，若化学纤维所占比例大脉冲数差就小。
5）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。
5主要器件的选择
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所示：
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。
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120W～250W。
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浑浊度传感器的选择
浑浊度传感器主要采用红外光电传感器。
由红外发射管发出一定强度的红外光,红外接收管在溶液的另一侧接收红外线。
红外线在溶液中透光性的大小就决定接收方产生光电电流的大小,光电流经整形放大和数据处理后,就可以判断出水的浑浊程度。
5.2.4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
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