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基于三菱PLC的投币式洗衣机控制系统设计
本科毕业设计（论文）
设计（论文）题目
基于三菱PLC的投币式洗衣机控制系统设计
学院电子信息工程学院
专业电气工程及其自动化
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年月日
基于三菱PLC的投币式洗衣机控制系统设计
摘要
目前利用PLC来作为洗衣机的控制系统并不多见，而运用单片机作为控制系统是目前市场上的主流，还有继电器控制系统。
单片机的价格便宜、开发方便但是其编程复杂、控制系统硬件的配置要多种电路对其进行保护，维护和维修起来不方便。
继电器控制容易产生电弧，使用时间长会磨损还有可能产生错误的操作。
而基于PLC的洗衣机控制系统的编程较为简单、硬件电路构造不复杂，维护与维修方便。
特别是对于洗衣机的旋转以及冲击条件比较合适，有较好的稳定性。
这可以弥补现在市场上洗衣机的缺点。
由于利用PLC作为设计洗衣机控制系统的核心对比单片机而言具有很大的优越性，因此本毕业设计运用三菱公司的PLC来作为投币式洗衣机控制系统的核心。
介绍PLC控制洗衣机来实现各项功能，进行系统方案、系统结构图、系统硬件、系统软件以及输出输入控制端子的分配方案的设计。
同时根据系统的总体要求和控制特点，完成PLC的I/O口的分配并进行系统软件调试和硬件调试以及总系统调试。
【关键词】投币式PLC洗衣机
DesignofcontrolsystemforcoinoperatedwashingmachinebasedonMITSUBISHIPLC
Abstract
Atpresent,itisnotmuchusetheofPLCasawashingmachinecontrolsystem,andusetheofSCMasacontrolsystemisthemainstreamofthecurrentmarket,aswellasrelaycontrolsystem.Themicrocontrollerischeap,easytodevelop,butitsprogrammingcomplexity,controlsystemhardwareconfigurationtoavarietyofcircuitprotection,maintenanceandmaintenanceisnotconvenient.Relaycontroliseasytoproducearc,usingalongtimewillwearandmayproducewrongoperation.ThewashingmachinecontrolsystembasedonPLCissimple,thestructureofthehardwarecircuitisnotcomplicated,andthemaintenanceandthemaintenanceisconvenient.Especiallyfortherotationofthewashingmachineandtheimpactoftheconditionsaremoreappropriate,thereisabetterstability.Thiscanmakeupfortheshortcomingsofthewashingmachineonthemarketnow.
DuetotheuseofPLCasthedesignforwashingmachinecontrolsystemisthecoreofthecontrastMCUhasgreatsuperiority,sothisgraduationdesignusingMitsubishiPLCasthecoreofthecoinoperatedwashingmachinecontrolsystem.PLCcontrolwashingmachinetoachievethefunctionsofthesystemprogram,systemstructure,systemhardware,systemsoftwareandoutputinputcontrolterminalofthedistributionofthedesignoftheprogram.Atthesametime,accordingtotheoverallrequirementsandcontrolcharacteristicsofthesystem,completethedistributionofI/OPLCportandthesystemsoftwaredebuggingandhardwaredebugging,andtheoverallsystemdebugging.
【keywords】coin-operatedPLCwashingmachine
前言
洗衣机的出现受到人们的喜爱，解决了日常生活中衣服的洗涤任务，节约了劳动力和时间。
现在生活节奏越来越快，24小时无人经营商店因为其经营模式方便、自主被很多人所青睐。
投币式洗衣机正是24小时无人经营的商铺之一。
在西方生活节奏快速的城市，便捷的生活方式成为社会的主流，而投币式洗衣机正是这些主流之一，投币式洗衣机在这些地方随处可见。
中国拥有13亿人口，洗衣机的市场潜力非常大。
特别是在学校、工厂等人口居住密集和洗衣条件有限制的地方，全自动投币式洗衣机拥有庞大的发展前景。
PLC比较于单片机而言，价格上高很多、体积较大，但是PLC是一种性能优越、结构简单、可靠性高、维护使用简便的新型控制器；较之继电器而言，不容易让电弧产生，不会出现误操作。
特别是对于洗衣机的震动和冲击环境非常适应，稳定性比单片机和继电器高很多。
可编程序控制器在日常生活中的地位越来越重要，已经成为科技发展的一个潮流。
随着社会的进步，传统的洗衣机和目前市场上的洗衣机不能永远满足人们的需求。
基于PLC控制系统设计的洗衣机正是洗衣机的一个新的领域，由于PLC性能的优越性，越来越被大众所接受。
1总体概述
1.1洗衣机的发展史
自古以来洗衣服是无法摆脱的事情，在没有洗衣机之前，人们都是用手洗。
为了逃避这种家务，在1858年，全球第一台洗衣机问世。
那时候洗衣机的主要设备是圆桶。
通过摇动桶内带有桨状叶子的轴来转动洗衣，但是这样操作费力而且容易损坏衣服，所以当时没有被大众接受。
1880年，蒸汽洗衣机在美国呈现，其代替了人力劳动。
经过多次改进，蒸汽洗衣机比第一台洗衣机在各个方面都有了较大的提高。
蒸汽洗衣机泛起后，又接着呈现水力洗衣机，水力洗衣机主要依靠河流的势能来带动轴转动来实现洗衣的，不要电力带动。
水力洗衣机主要解决了船民洗衣的烦恼，节省了渔民的洗衣时间。
1910年，全球第一台电动洗衣机诞生，人们进入了洗衣的自动化的开端。
1922年，玛塔依格公司对洗衣机的布局进行了改造，全球第一台搅拌式洗衣机出现。
在其筒的中心上增加一个立轴，在立轴的下端增加有搅拌翼。
立轴依靠洗涤电机带动，加上洗涤电机能周期地正反转，如许能让里面衣服彼此摩擦，以致衣服涤荡污垢。
搅拌式洗衣机在那时被人们普遍接受。
1937年，世上第一台自动洗衣机出现。
主要是由一根水平轴来带动。
当缸内进满水，衣服在里面不断滚动而达到去污的效果。
1955年，日本研发了波轮式洗衣机，波轮式洗衣机流行至今，非常受人们欢迎。
在当时，洗衣机可以分为波轮式洗衣机、滚筒式洗衣机、搅拌式洗衣机。
洗衣机朝着这三个方面发展。
60年代，日本呈现了半自动型洗衣机。
70年代，呈现了波轮式套桶全自动洗衣机。
80年代，由于“模糊控制”的出现，洗衣机操作变得更加简单，功能越发人性化。
90年代，电机调速技术的进一步成熟，日本出现了由洗涤电机直接驱动的洗衣机。
后来技术越来越成熟，产生了全自动洗衣机。
21世纪后，洗衣机更是加迅速发展。
由于工厂的需要，诞生大型洗衣机。
这样让洗衣的数量以及重量得到很大提高。
为了满足昂贵衣服的洗衣要求，呈现了干洗洗衣机，使这类衣服在洗涤过程中更好地避免了损伤。
随着人们的生活水平的一步步提高，必将对洗衣机的要求越来越高。
1.2投币式洗衣机的市场需求
传统的洗衣方法越来越不能满足现代人的生活方式，尤其生活在在人员比较多的地方，比如工厂、学校、人多的小区。
这些场所通常需要24小时的洗衣服务。
随着人们生活水平的提高和对时间的节约以及对洗衣成本的降低，自助式24小时洗衣机服务越来越受到人们的亲睐。
特别是在学校，学生的消费意识普遍超前，倾向于省事、省时、省力的消费观念。
投币式洗衣机作为一种新的洗衣方式，洗衣服的全过程都是自动完成不需要人员操作的，只要投入相应的硬币就可以完成对应的洗衣过程了。
投币式洗衣机投入的成本不算高，一台比较好的投币式洗衣机只需要2000多元就可以实现，而且洗衣机占地面积小，便于安放。
洗衣过程中只需损耗水且洗衣机不易损坏，维修成本低，所以综合成本比较低。
如果洗衣服人数比较多，大概只要二到三个月就可以回收成本。
可见自助式投币洗衣机的利润非常可观。
随着中国的进一步发展，在未来，更多的人去追求省事、省时、省力的事做。
越来越少的人愿意花费时间在洗衣服上，而洗衣机就可以解决这一问题。
可见洗衣机在未来是人们在日常生活中必不可少的不部分。
随着人口的增多，人们的居住场所越来越密集，洗衣
条件越来越有限，24小时无人值班的自助式投币洗衣机更是受人们欢迎。
由此看到，投币式洗衣机的发展远景非常可观。
1.3投币式洗衣机的功能
投币式洗衣机有单脱水、快速洗涤、标准洗涤、超出洗涤模式。
具有以下功能：
（1）断电保持功能：
来电继续从断电前的状态开始工作。
（2）防吞币功能：
如果投入一个硬币后系统没有反应会主动退出一个硬币。
（3）安全保护功能：
当洗衣机处于工作状态时候，如果盖子突然打开，洗衣机会自动停止工作，起到保护作用。
（4）全自动化功能：
不需要人为地选择工作模式，系统根据投币的多少自动判断工作模式，洗衣的全过程可以达到自动化，不需要人操作，只要投入硬币既可以。
（5）报警功能：
当洗衣结束后，洗衣机会产生报警声来说明完成洗衣。
2系统总体方案设计
2.1单片机控制方案
在价格上单片机比较便宜,通常一块单片机只要几块钱，运用单片机作为控制系统成本非常低。
在特点上：
（1）单片机的可靠性比较差，特别是对于环境的要求比如震动、冲击不能得到充分的保障，功能比较单一。
（2）使用的语言主要是C语言或者是汇编语言，其比较于PLC比较难学，运用比较复杂。
在电源上单片机和周围的控制电路需要直流低压电源供电，需要将220V交流电经过降压、整流、滤波电路后得到的低压直流电源输送给单片机及其控制电路供电。
在控制电路上单片机控制系统必须采用复位电路防止程序絮乱使运行错误、时钟电路提供给单片机用于每一段程序运行的时间、按键电路根据按键来选择对应的程序、晶闸管负载驱动电路来驱动电机的正反转、电磁阀的开与断、水位开关电路控制进出水量的多少、报警电路来提醒洗衣的结束、多种保护电路保证系统各部分电路的正常运行。
由此可见，基于单片机控制洗衣机系统控制电路复杂还需要多种保护电路来保证每一部分控制电路的正常运行，由于控制电路复杂、接线繁多，在维护与维修是极其不方便。
在程序中主要有选择程序设计、进水程序设计、洗涤程序设计、脱水程序设计、报警程序设计。
此外，还有单片机的键盘中断程序设计、单片机的内部定时程序设计、单片机的外部中断程序设计。
可见，运用单片机控制所需要的程序比较多而且复杂，多种程序运用于一起，调试比较麻烦。
2.2PLC控制方案
在价格上PLC比较昂贵，普通的PLC要好几百，采用PLC作为控制系统成本比较高。
在特点上：
（1）可靠性比较高，可编程序控制器是一种比较通用的工业控制器，适用于不同的工作环境，特别是对于洗衣机的冲击、震荡环境十分实用。
（2）较之单片机而言，编程语言比较简单，主要有指令表程序、梯形图程序。
程序比较容易学习与掌握。
程序的设计难度比较小。
（3）PLC运用灵活，模块化或者采用基本单元的扩展形式是可编程序控制器的特点之一。
可以根据设计的需要来确定或者选择I/O口的形式与数量以及驱动能力，在后面调试时候可以随时修改更换一小段就可以完成总体的调试。
在电源上，PLC受电源的稳定度的影响不大，电源的电压在其额定电压的-15%—+10%的范围能正常工作。
可编程控制器内部配有一个稳定电源为I/O口和CUP单元提供电源。
洗衣机控制系统采用的可编程控制器一般是小型的,小型的可编程控制器的内部电源一般与CPU单元连接在一起。
所以选用PLC作为洗衣机的控制系统不需要再采用专门的电源电路为其供电。
在控制电路上I/O口输入设备控制电路用来接输入元件如操作开关、限位开关、传感器等的输入信息，I/O口输出电路用来驱动负载如电磁阀、电机正反转，保护电路保护电机和其他元器件。
相对于单片机而言，控制电路比较少，接线比较简单，便于维护与维修。
在程序中主要有工作模式选择程序设计、进水程序设计、洗涤程序设计、出水程序设计、报警程序设计。
可见运用可编程序控制器编程简单，不需要像单片机那样程序复杂，在后期程序调试上难度也大大减少。
2.3总体方案确定
单片机较之PLC而言，价格比较便宜，成本比较低，但是可靠性差，对外界环境要求比PLC的高。
PLC用来做洗衣机控制系统相对来说控制电路及软件编程难度都比单片机简单，在后期的维修与维护成本大大降低，还适用于震动、冲击的环境，对I/O口及CUP不需要再专门设计电路来供电，由内部电源提供。
硬件电路相对之下简单许多，系统的可靠性得到很大提高。
运用方便，特别在系统调试过程中难度要比单片机小很多。
所需要的保护电路也比单片机少很多。
表2.1单片机与PLC的比较表
单片机
PLC
价格
低
高
是否需要专门设计电源供电
是
否
控制电路
复杂
相对简单
保护电路
多种电路保护
保护电路较少
程序
复杂
相对简单
程序调试难度
大
相对较小
系统调试难度
大
相对较小
维护与维修难度
大
相对较小
运用灵活性
小
相对较大
通过单片机与PLC的比较得知：
虽然单片机在价格上比较便宜，但是其他很多方面都不如PLC，所以最后总体方案选择PLC作为投币式洗衣机的控制系统。
2.4系统总体方框图
主要通过投币感应信号、停止信号、高、中、低水位开关和传感器信号，紧急停车信号、强行排水信号等做为输入，模式指示灯、报警蜂鸣器、进水阀、排水阀等做为输出，具体输入输出如下图所示。
图2.1系统总体方框图
3系统硬件设计
3.1洗衣机的主要工作原理
主电路和控制电路构成投币式洗衣机的基本电路。
主要由一个电动机通过正反转继电器改变电机的正反转从而控制波盘转动由此达到去污的目的。
洗衣机的洗衣桶（外桶）和洗衣机的脱水桶（内桶）安装在同一圆心上，洗衣桶不可以转动，起装水的作用，脱水桶可以转动，其四周壁上布满小孔，高速转动时候可以使衣服脱水。
洗衣桶下壁设计有水位传感器，可以识别水位从而通过PLC来控制水位的高低；其上壁设计有溢出水孔，起到排出洗涤时候的液泡和溢出水的作用。
洗衣机通过对进、排水电磁阀控制进、出水。
进水时进水电磁阀打开，水经过水管流进洗衣桶；排水时排水电磁阀打开，水经过水管流出外面。
洗涤电机是通过控制洗衣机的波盘正反转来实现洗涤的正反转。
脱水时候，离合器合上，这时，洗涤电机带动脱水桶高速转动从而让衣服甩干。
投币器主要通过投硬币的总数量来选择洗衣机对应的工作模式，启动相应的洗涤模式。
每一个工作模式的时间由PLC内部的计数器进行控制，设置计数器的参数就可以把每一段的工作模式的时间确定下来。
利用水位开关对水位进行控制、电磁阀的开关对进水和排水控制、正反转继电器控制电机的正反转以及运用各种按钮、开关、常闭触点、常开触点、输出与输入设备等实现洗衣机的全自动控制。
图3.1洗衣机构造图
3.2洗衣机的工作过程
洗衣机控制系统总体上有四个工作模式：
单独脱水工作模式、快速洗涤工作模式、标准洗涤工作模式、超长洗涤工作模式。
洗衣机的工作模式的选择是由投币数量的多少确定。
比如投1元硬币启动单独脱水、2元硬币选择快速洗涤、3元硬币对应标准洗涤、4元硬币确定超长洗涤。
投币器只能识别1元硬币，当投硬币超过4元，超过部分将自动弹出来，不能继续投币。
洗衣机的工作流程主要由工作模式的选择、进水、洗衣、排水、脱水、报警这六部分组成。
这些总的工作流程可以做到全自动依次进行一直到完成洗衣。
有断电记忆功能，当洗衣机运行时突然断电，会记忆断电前的状态，一旦恢复供电，会从断电前的状态继续运行工作流程。
3.3主要设备的选择
3.3.1PLC型号的选择
在市面上PLC的型号日新月异，其功能越来越完善。
通常PLC的功能越多，价格就会越贵，如果选择不合理就会造成成本增加。
因此选择PLC型号时候只需满足控制要求需要和留有5%～10%的裕量便于以后的开发就可以了。
PLC型号的选择主要思量以下几个方面:
（1）PLC的处理速度和时间能满足控制和功能的要求并且与任务适应；
（2）满足控制的输入、输出点数，即I/O点数要求；
（3）PLC的功能；
（4）PLC的价格；
（5）洗衣机的体积不算大，选择PLC的体积应是小型PLC；
（6）定时器、计数器的要求。
根据设计要求：
（1）需要10个输入点;
（2）11个输出点；
（3）5个普通内部定时器T0-T4；6个积算定时器T250-T255；
（4）11个停电保持增计数器C100-C103，C113-C119;
（5）具有停电保持功能。
概括上面因数选择型号为FX1N-40MR的PLC作为洗衣机的控制系统。
主要参数如下：
（1）系统的处理时间：
基本指令0.098us/指令，应用指令0.3～数百us/指令。
（2）内置式24V直流电源：
24V电压、400mA直流电流可以提供外围设备用电，不必要设计24V电源。
电源还可以有断电保护作用。
（3）定时器、计数器数量：
T0-T255，C0-C255。
（4）PLC的基本单元：
24点输入以及16点继电器输出。
输入输出都留有裕量便于以后的开发。
通过观察FX1N-40MR的PLC参数可知：
这型号完全可以满足洗衣机的控制系统。
故选择型号为FX1N-48MR的PLC作为洗衣机的控制系统。
图3.2FX1N-40MR型PLC实物图
3.3.2电机型号的选择
一般电机型号要根据电压、电流、容量、转速、结构等选择。
应该先根据洗衣机控制要求、结构、转速等选择一个大概的电机范围，然后计算电机的容量是否合适。
如果电机的容量太大，不仅在制造成本上浪费，而且运行过程中用电量也会增加。
在以上条件都满足情况下，应该选择价格便宜的和结构简单的电机，这样不仅可以降低成本还方便维修。
电机的选择主要考虑以下几个方面：
（1）家庭用的是单相交流电，受电源的限制。
（2）洗涤时候要求正反转，通过切换电源能完成正反转。
（3）家庭用电的电压是220V。
（4）按照标准：
洗衣机的功率为120W—250W之间。
（5）脱水时候电机的转速应该在800r/min以上。
（6）洗衣机的总体价格不是很贵，应选择相对便宜的电机。
综合上面信息考虑，选择单相电容运转式电动机，型号为YY104-180。
洗涤电机的主要参数如下表：
型号
YY104-180
额定功率
180W
产品类型
单相电容运转式电动机
额定电压
220V
转速
1350（rpm）
额定电流
1.7A
外形尺寸
104mm
额定转矩
1274（NM）
表3.1洗涤电机的参数表
图3.3洗涤电机实物图
3.3.3投币器的选择
洗衣机投币器主要思量以下几方面：
（1）投币数量的统计及数量的控制。
（2）投币的真假识别。
（3）根据数量的总数发出对应的电信号让PLC选择对应的模式。
（4）防盗功能，当有人非法拆开投币器时会主动报警。
概括以上要求，选择苏州富磊科技生产的投币控制箱，主要有以下特点：
（1）按照自己的需要设定相应币数，0-15个投币数范围之间。
（2）机主可根据自己需求设定洗涤程序功能，（时间可根据自己调设）。
（3）高辨别率投币器：
对真假币的识别率非常高。
（4）三位数LED动态显示功能：
采取LED显示，显示洗衣剩余时间，可累加经营金额、故障等进行动态显示。
这个可以省略了洗衣机LED洗涤时间的设计电路。
（5）程序自锁安全防护功能：
在洗涤过程中,如打开洗衣机上盖，洗衣机会停止工作，同时投币箱显示故障代码，到合上盖后才能继续运行。
图3.4投币器实物图
3.3.4进水电磁阀的选择
PLC发出指令和水位传感器反馈水位信号同时控制洗衣机的进水。
当电磁阀得电时候，由于磁力的作用中心孔打开，洗衣机开始进水，当电磁阀失电时中心孔关闭停止进水。
进水电磁阀的选择并没有很多的要求，只要尺寸大小合适，电压合适并且与控制系统兼容就可以了。
所以选择通用型进水电磁阀FCD180A，00330508002A。
适用：
小天鹅、海尔、荣事达、美的、松下、TCL、三洋等等洗衣机货号：
FCD180A工作电压：
AC交流220-240V，频率50-60HZ。
图3.5进水电磁阀实物图
3.3.5离合器的选择
离合器的结构和形状在各种牌子的洗衣机上大概都是相同的，选择离合器也没有太多要求，还是只要尺寸、电压、电流、控制系统兼容就可以了。
洗涤电机通过离合器可以实现洗涤功能和脱水功能以及脱水结束后刹车制动。
洗涤时候，排水电磁阀关闭，离合器的制动带和扭簧使脱水桶固定不能旋转，其带轮经过行星减速器驱动洗涤轴使波盘正反转，转速大概为170r/min。
脱水时候，排水电磁阀打开，脱水桶不固定并且与减速器的外壳连在一起，这样就不经过减速器减速。
离合器的大皮带转轮驱动离合弹簧等元器件让脱水桶转动，大概1000r/min。
本设计选择的离合器型号为L2A，其中额定电压为AC交流220V，额定功率为150-200W。
图3.6洗衣机离合器实物图
3.3.6水位传感器的选择
可以依据与洗衣机内侧相连的水压气管里面的空气压强大小来判断洗衣机的水位高低。
当水位越高时，对应的水压就越大，此时水位传感器的线圈的电感量会越大，根据公式f=1/2π√LC可知频率越小，反之越大，再经过处理可以得出水位的高低。
进而给予PLC信号，间接控制进、出水的电磁阀开、断。
其实水位传感器就等于一个压力开关，当水进入洗衣机时候会产生水压，与之相连的水压气管的压强就会变大，当达到了设定的值之后传感器就会自动通电。
水位传感器相当于一个LC电路，如下图所示。
图3.7LC电路图
在市场上大多数的水位传感器的组成由一下几个部分：
密封的气室1个、可调的电感线圈1个，其阻值22Ω，22uF涤纶电容2个。
本设计选择通用I-Q602VL型号水位传感器，其中参数如下表：
表3.2Q602VL型号水位传感器的参数表
额定电压
DC5V
额定电流
10mA
气腔外径
58mm
水位器高度
25mm
型号
I-Q602VL
接线脚数
3
图3.8水位传感器实物图
由于水位
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