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基于PLC的全自动洗衣机控制系统的研究
中文摘要
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PLC的应用日益广泛。
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，基于PLC、电动机、组态王软件等硬软件，设计了洗衣机的控制系统，完成了PLC控制程序梯形图的设计，完成了组态王监控画面。
本课题的全自动洗衣机工艺要求有待改善，不可以洗衣时间的设置；由于时间有限，没做进一步的改善。
基于全自动洗衣机在日常生活中广泛运用，本课题具有广泛的推广价值、节能、高效。
关键词全自动洗衣机；PLC；电磁阀；组态王
TitlePlcbasedcontrolsystemforautomaticwashingmachine
Abstract
Withthecontinuousprogressofscienceandtechnologyandtherapiddevelopmentofsociety,washingintopeople'severydaylife,householdproducts.
Fullyautomaticwashingmachines,multi-functionalandintelligentdirectionofitsdevelopment.BasedontheincreasinglywidespreadapplicationofPLC.PLCcontroldoesnotrequirealotofmovingpartsandelectroniccomponents,itswiringarealsogreatlyreduced,whilesystemmaintenanceissimple,reducedmaintenancetime.
Thispaperdescribesthedevelopmentofwashingmachines,washingmachineandthenfocusesonthedesignandprogrammingsoftware,theprogramflowchartaredescribed,basedonthePLC,motor,software,hardwareandsoftwareconfigurationWang,controlsystemdesignofawashingmachine，tocompletethePLCthedesignoftheladdercontrol，Kingcompletedtheconfigurationofthemonitorscreen.朗读显示对应的拉丁字符的拼音 字典
Thedesignoftheautomaticwashingprocessrequirementsneedtobeimproved,notaseparatesetoftimedehydrationandlaundry;Duetotimeconstraints,nofurtherimprovement.Automaticwashingmachinebasedonwidelyusedindailylife,thedesignofawiderangeofpromotionalvalue.
KeywordsFull-automaticwashingmachine；PLC；Solenoidvalve；kingview
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目录
1绪论1
1.1课题背景1
1.2课题概述1
1.3洗衣机发展概况及国内外现状1
1.4本课题研究的主要内容2
1.5论文的组织结构3
2洗衣机控制系统方案的设计4
2.1控制系统的选型4
2.2系统的控制要求5
3控制系统的硬件设计和选型6
3.1全自动洗衣机的工作原理6
3.2PLC的选型和硬件设计7
3.3电器元件的选型11
4系统的软件设计16
4.1程序流程图16
4.2程序设计17
5系统仿真调试21
5.1软件调试21
5.2调试结果21
6基于组态王的监控画面设计24
6.1组态王的简介24
6.2监控画面设计24
7总结和展望29
7.1总结29
7.2展望29
致谢30
参考文献31
附录32
1绪论
1.1课题背景
洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。
在工业生产中应用也十分广泛。
但是传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了。
洗衣机需要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。
而随着PLC技术的发展，用PLC作为控制器，就能很好地满足全自动洗衣机对自动化的要求，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。
自动化技术的飞速发展使得洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机，又正在向智能化洗衣机方向发展。
总之，每一项技术的进步极大地推动了洗衣过程自动化程度的提高。
1.2课题概述
本课题基于PLC的全自动洗衣机控制，本文的课题源于市场上洗衣机的功能。
采用PLC控制开发的周期短，开发成本低，可以直接用于家用洗衣机的控制。
PLC控制具有实时性、信号处理时间短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目，可靠性高，丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，PLC控制能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。
因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能，所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统设计的灵活性及控制系统的可靠性。
本课题以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。
1.3洗衣机发展概况及国内外现状
世界上第一台洗衣机于1858年诞生，但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。
1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人发明了木制手摇洗衣机。
1880年，美国发明了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。
蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。
1910年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。
1922年，美国改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。
1932年，美国研制成功第一台前装式滚筒洗衣机。
1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。
全自动洗衣机从结构上分有波轮式,搅拌式,滚筒式。
目前,国内市场上销售的大都是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。
波轮式洗衣机的特点是洗净率高,但对衣服的磨损很大,随着人们生活水平不断地提高，丝绸,毛料,羊毛等大量走进普通家庭,厂商又适时地推出了滚筒洗衣机,它最大的优点是磨损率小,但洗净率比波轮式低,价格高。
洗衣机产品可以分三类：
普通型、半自动型和全自动型。
普通型和半自动型洗衣机，都需要人为参与操作，才能完成洗衣、甩干、排水全过程；而全自动洗衣机在整个洗涤、甩干、排水过程中，无需人为操作和监控。
国内外洗衣机品牌有海尔、小天鹅、荣事达、松下、惠而浦水仙、LG熊猫、西门子、日立好用。
国外研究现状：
20世纪60年代以后，洗衣机在一些发达国家的普及率迅速上升。
70年代，日本研究出波轮式套桶全自动洗衣机。
70年代后期，日本有生产出微电脑控制波轮式套桶全自动洗衣机。
80年代后，“模糊控制”开始应用于洗衣机，生产出了智能型模糊控制洗衣机，是洗衣机的功能更加完善，其洗衣程序更随人意，其操作更简单化。
进入90年代，由于电机调速技术的提高，实现了洗衣机宽范围大调速比的转速变换与调节，诞生了各种新水流洗衣机。
20世纪末到21世纪初，变频洗衣机问世，使洗衣机的功能更具人性化，实现真正意义上的智能化控制成为目前人们研究的主要方向。
国内研究现状：
由于我国洗衣机起步晚，在技术方面存在问题，不可避免的在现有的洗衣机机型中存在噪声大，漏电等弊病，在质量方面与国外存在一定的差距。
所以现在的内资品牌正立足技术升级，也开始重视高端产品研发，洗衣机的技术革命正在国内愈演愈烈。
1.4本课题研究的主要内容
本课题需研制出可靠性高、易于操作的全自动洗衣机控制方法，该系统采用PLC控制，主要包括电动机正反转控制、离合器控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和互锁。
研究的具体内容包括：
1.深入了解洗衣机的发展及国内外现状、论文的主要内容及结构。
2.对本课题的几种方案进行选择，确定系统的控制要求。
3.控制系统设计。
包括硬件设计，PLC的选择，各硬件模块的介绍及选型。
4.根据控制要求画出流程图，在进行软件设计，编程方法。
5.对编写好的编译程序进行调试并软仿真。
6.利用组态软件进行画面的模拟监控。
1.5论文的组织结构
本课题是基于PLC的全自动洗衣机的控制系统为研究对象。
简单的分析了全自动洗衣机的国内外现状，确定了控制系统，控制系统的硬件的选型，软件的设计、调试及监控。
全文分为6章，安排如下：
第1章：
介绍了研究对象的背景和论文研究的意义，分析了国内外全自动洗衣机的发展现状，确定了论文研究的内容与目标，明确了论文的组织结构安排。
第2章：
根据控制及设计要求确定了总体方案。
第3章：
对对洗衣机的控制系统的要求进行了分析，选择了符合系统要求的硬件，其中包括对PLC选型、电动机的选型、电磁阀的选型等。
第4章：
根据控制系统的要求，写出了符合控制要求的梯形图。
第5章：
利用软件对写出的程序进行系统及人机界面设计调试。
第6章：
利用组态软件进行系统及人机界面设计。
2洗衣机控制系统方案的设计
本课题主要着重于全自动洗衣机的控制，要求洗衣机能实现进水、洗涤、排水、脱水、报警，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。
控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期，且要降低成本。
从满足全自动洗衣机控制系统的安全性、扩展性和可靠性方面考虑，目前常见的全自动洗衣机自动控制系统，主要有单片机控制、PLC控制、继电器控制等类型。
2.1控制系统的选型
1.基于单片机的控制系统
随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8位单片机的普及，单片机全自动洗衣机系统由单片计算机及其外围芯片构成控制系统。
虽然单片机本身小巧、功耗低，实时控制功能强，但是其软、硬件的开发必须借助于开发工具，系统调试困难，不具有自开发能力，且编写洗涤、脱水等程序相对复杂；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。
2.基于继电器的控制系统
传统的洗衣机采用继电器控制的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强。
但是，这也是随之带来的一些问题，如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏，而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。
在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。
并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。
这种电路接线多，只适用于小型的控制电路。
3.基于PLC的控制系统
用PLC控制有如下优点:
可靠性高，抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性；配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备；系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合；体积小，重量轻，能耗低，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
通过以上分析、说明可知全自动洗衣机的控制系统是有多样性的，虽然各种控制系统均可运用，但是必须考虑它的结构和成本。
鉴于PLC的诸多优势，结合全自动洗衣机自动控制系统的需要，选择日本三菱公司生产的具有高性能价格比的FX系列可编程序控制器。
2.2系统的控制要求
PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。
1.根据用户的需求和衣服的种类设计了标准洗和柔和洗两种选择；根据衣服的数量设计了水位选择按钮，分高、中、低三种。
2.按下启动按扭，开始进水，水满（即水位到达设定位）时停止进水；2秒后开始洗涤。
3.洗涤时，标准洗：
正转5秒后暂停，暂停3秒后开始反转洗涤，反转洗涤5秒后暂停，暂停3秒；柔和洗：
正转7秒后，暂停2秒钟，接着反转7秒后，在暂停2秒。
4.如此循环30次后，开始排水，排空后，开始脱水并继续排水。
脱水180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.此外按下脱水按钮可实现单独手动脱水；按停车按扭可停止进水、排水、脱水及报警。
3控制系统的硬件设计和选型
3.1全自动洗衣机的工作原理
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水电磁阀来执行。
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，通过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3.1所示，控制面板如图3.2所示。
图3.1洗衣机示意图
图3.2控制面板
根据本课题的设计要求，洗衣机的原理，需要12个输入端子，例如启动、停止、高水位、中水位、低水位、标准洗、柔和洗、手动脱水等按钮和高水位、中水位、低水位限位开关；还需要10个输出端子，例如电动机、电磁阀、显示灯等。
3.2PLC的选型和硬件设计
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,PLC自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。
3.2.1PLC的比较
现在应用最广泛的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。
1.三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、适用面广，环境适应力强，能够在很脏的情况下工作还稳定，但是结构处理比西门子弱。
2.西门子PLC性能强大、可操作性强、相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。
它适应环境强电磁干扰及高温度，高湿度的场合。
有非常高的可靠性和低成本。
3.欧姆龙PLC欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求，东欧的老机床器件符号输进去好多都不认，按它的标准图的标示都要变，很不方便。
适应能力不及三菱。
但是工作能力强，比较安全。
4.松下PLC超小型尺寸，轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需要任何电缆。
从I/O10点到最大I/O128点的选择空间。
适用于简单的控制。
高速，大容量，多功能。
3.2.2FX2N介绍和特点
FX2n系列是FX系列PLC中最先进的系列。
由于FX2n系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
控制规模：
16~256点（基本单元：
16/32/48/64/80/128点）。
特点：
1.集成型高性能。
CPU、电源、输入输出三位一体。
对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。
2.高速运算。
基本指令：
0.08μs/指令。
应用指令:
1.52μs~数100μs/指令。
3.宽裕的存储器。
内置8000步RAM存贮器，安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。
4.丰富的软元件。
辅助继电器：
3072点。
定时器：
256点。
计数器：
235点。
数据寄存器：
8000点。
5.除了具有输入输出16~256点的一般用途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。
3.2.3PLC的选用原则
选择具体型号时必须考虑4点：
1.对输入/输出点的选择
盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。
要先弄清除控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15～20％留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。
2.对存储容量的选择
对用户存储容量作粗略的估算。
3.对I/O响应时间的选择
PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。
对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。
但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。
4.对PLC结构形式的选择
在相同功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。
但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。
根据以上特点和原则，结合现在的主流——节能，所以本课题全自动洗衣机控制采用三菱公司的FX2N系列整体式PLC。
根据设计要求，本课题的全自动洗衣机共有12个输入点，10个输出点，故选择上海泽旭自动化设备有限公司的PLC，型号为FX2N-32MR001，如下图3.3所示。
图3.3FX2N-32MR001
根据控制要求，洗衣机I/O分配表，如表3.1所示。
表3.1I/O分配表
PLC输入端
所接外部输入器件
PLC输出端
所接外部输出入器件
X0
启动按钮SB0
Y0
进水电磁阀YA1
X1
停止按钮SB1
Y1
排水电磁阀YA2
X2
手动脱水按钮SB2
Y2
电磁离合器YA3
X3
标准洗按钮SB3
Y3
正转接触器KM1
X4
柔和洗按钮SB4
Y4
反转接触器KM2
X5
低水位选择按钮SB5
Y5
蜂鸣器HA
X6
中水位选择按钮SB6
Y6
进水灯HL1
X7
高水位选择按钮SB7
Y7
洗衣灯HL2
X10
低水位限位开关SQ0
Y10
排水灯HL3
X11
中水位限位开关SQ1
Y11
脱水灯HL4
X12
高水位限位开关SQ2
X13
排空开关SQ3
软元件功能表，如表3.2所示。
表3.2软元件功能表
T0
水满后停2秒
T7
柔和洗正转7秒
T1
标准洗正转5秒
T8
正转后停2秒
T2
正转后停3秒
T9
柔和洗反转7秒
T3
标准洗反转5秒
T10
反转后停2秒
T4
反转后停3秒
C0
小循环30次
T5
脱水180秒
C1
大循环3次
T6
报警10秒
3.2.4硬件设计
根据控制要求，确定系统控制图，如图3.4所示。
图3.4系统控制图
3.3电器元件的选型
1.电动机的选择
根据本课题要求和实际生活情况，根据衣服的重量，家庭人员的人数，而且现在社会都在提倡节能来选择。
由于洗涤和脱水的兼用、频繁地满负荷启动、正反转变换和短时高速脱水运转，要求电动机具有大速比、高转矩、低电流的启动性能。
选择如下表2.1中所示规格电动机：
图3.5电动机图
表2.1电动机规格
型号
电压（V）
频率（Hz）
功率（W）
转速（r/min）
启动转矩（N.m）
额定转矩（N.m）
XD-180
220
50
180
1350
1.4
2.26
2..接触器的选择
交流接触器的选择主要考虑主触点的额度电流、额定电压、线圈电压等。
主触点的额定电流In可根据下面的经验公式进行选择：
式中
为接触器主触点额定电流；K为比例系数，一般取1～1.4；
为被控电动机额定功率；
为被控电动机额定线电压。
并且，交流接触器主触点额定电压一般按高于电路额定电压来确定。
所以，取K=1
如图3.6所示。
图3.6接触器
其主要技术参数为：
额定绝缘电压220V；额定发热电流6A。
3.排水电磁阀的选择
根据全自动洗衣机的设计要求，主要用于排水。
如图3.7所示。
图3.7排水电磁阀
优点：
不锈钢；耐高温。
4.开关电源的选择
根据全自动洗衣机的设计要求，为保证安全，外部电器（包括电磁阀、蜂鸣器等）使用低电压直流电，为此选择了如下表2.2所示规格的开关电源，将交流电转换为要求的直流电。
图3.8开关电源
表2.2开关电源规格
品牌
型号
输出电压（V）
输出电流（A）
效率
哈克特
HTSP-320F-24
24
0-13
87%
5.水位浮球开关的选择
根据设计要求，用于确定水位；不生锈，不容易坏，安装方便。
选择Daehansensor品牌的DP-100S水位浮球开关。
图3.9水位浮球开关
主要技术参数：
供电电压:
DC12~30V
适用范围:
0.1-2
压力范围：
0-5bar
适用温度：
0-50℃
水位浮球开关安装示意图如下图3.10所示。
图3.10水位浮球开关安装示意图
6.进水电磁阀的选择
根据设计要求，用于进水。
选择如下图所示的电磁阀，规格如下表2.3所示。
图3.11电磁阀图3.12示意图
表2.3电磁阀规格
品牌
型号
流量（
）
压力范围（bar）
供电电压
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