基于PLC在全自动洗衣机的设计

1、基于PLC在全自动洗衣机的设计刘晨姣10机电2班2013年01月10日第1章 全自动洗衣机控制系统总体控制方案确定 全自动洗衣机就是将洗衣的全过程(洗涤-漂洗-脱水)预先设定好N个程序,洗衣时选择其中一个程序，打开水龙头和启动洗衣机开关后洗衣的全过程就会自动完成,洗衣完成时由蜂鸣器发出响声。 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： 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

2、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。1.1 1.1 控制系统的比较控制系统的比较一、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

3、环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。2 2、使用方便灵活，、使用方便灵活，PLCPLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，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，定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLCPLC的特殊模块增多这些可以满足不同的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使的控制要求，使PLCPLC的使用更加灵活与多变。的使用更加灵活与多变。 3 3、编程简单，、编程

4、简单，PLCPLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程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，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，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。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。二、单片机系统的特点：二、单片机系统的特点

5、： 1 1、要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。、要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。 2 2、编程和、编程和PLCPLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C C语言，这些语言，这些高级语言和高级语言和PLCPLC语言相比，难以学习。语言相比，难以学习。 3 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。、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。1.2 1.2 洗衣机的洗衣机的PLCPLC控制系统概述控制系统概述 全自动洗衣机采用全自动洗衣机采用PLCPLC控制系统将大大

6、提高工作效率，和适应工作环境的能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。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、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

7、地增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加了维修成本费用，在各种控制系统中广泛运用的PLCPLC能克服单片机的缺点。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。典型的对简单。典型的PLCPLC控制系统的硬件组成框图如图控制系统的硬件组成框图如图1 1所示：所示：1.3 PLC1.3

8、PLC的设计步骤的设计步骤一、一、开发应用开发应用PLC 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 1、确定安排、确定安排PLC PLC 的输入、输出点的输入、输出点; ; 2 2、设计外围电路、设计外围电路, , 包括主电路包括主电路; ; 3 3、选购、选购PLC PLC 并进行现场安装接线等内容；并进行现场安装接线等内容；二、软件设计二、软件设计, , 大多数用梯形图和指令程序大多数用梯形图和指令程序, , 主要包括主要包括: : 1 1、设计控制流程、设计控制流程, , 根据工艺要求先画出工作循环根据工艺

9、要求先画出工作循环, ,如有必要再画详细的状态流程图如有必要再画详细的状态流程图; ;2 2、根据工作循环图、根据工作循环图, , 画出虚拟的电路图画出虚拟的电路图继电器梯形图继电器梯形图; ;按梯形图编写指令程按梯形图编写指令程序表序表; ;3 3、系统调试、系统调试: : 根据设计要求根据设计要求, , 对程序进行调试和修改对程序进行调试和修改, , 必要时还可对硬件进行修改必要时还可对硬件进行修改, , 直到满足要求；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。 但是，受自动控制

10、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。第2 章 全自动洗衣机的基本结构2.1 2.1 全自动洗衣机的原理和构造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：一、搅拌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

11、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。二、滚筒式洗衣机有如下特点：二、滚筒式洗衣机有如下特点：1 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。、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 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、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

12、度，使洗涤更为科学。设有防皱浸泡功品，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。晾晒而起皱。三、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。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

13、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2所示：全自动套筒洗衣机内部结构图。2.2 2.2 洗涤脱水系统洗涤脱水系统 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。它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶

14、，主要用来盛放洗涤液。盛水桶固定在钢制底板上，通过盛水桶固定在钢制底板上，通过4 4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水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。按波轮的形状心式的脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物产生

15、机械作用的主要部件。按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在来分，基本上有小波轮（直径在160mm160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm300mm左右）左右）新水流两类。新水流两类。2.3 排水和进水系统排水和进水系统波的轮式全自动洗衣机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

16、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。2.4 2.4 电动机及传动系统电动机及传动系统 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

17、普通离合器用在采用小波轮的套桶洗衣机上，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

18、全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电动机的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 3所示：所示： 电动机与固定在离合器下端的电动机与固定在离合器下端的大传动带盘之间用大传动带盘之间用V V带传动。经第一带传动。经第一级减速后大传动带盘得到级减速后大传动带盘得到150r/min150r/min的转速。当洗衣机处于洗涤或漂洗的转速。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状态时，再经离合器内部的行星齿轮减速后，使波轮得到轮

19、减速后，使波轮得到175r/min175r/min低低转速。此时，洗涤（脱水）桶不动。转速。此时，洗涤（脱水）桶不动。当洗衣机处于脱水状态时，离合器当洗衣机处于脱水状态时，离合器输出的是未经减速的输出的是未经减速的850r/min850r/min的高的高转速，驱动脱水桶和波轮作同步高转速，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。的转速与脱水时的

20、转速时相同的。第3章 电气控制系统3.1 3.1 控制系统结构控制系统结构 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4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。水位开关选择开关安全开关程序控制器进水电磁阀排水电磁阀电动机排水阀脱水阀离合器水位开关水位

21、开关3.2 3.2 控制系统原理控制系统原理 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会切断电动机电源，自动中断程序

22、；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，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工作可靠，抗干扰能

23、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。用淘汰。用PLCPLC（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（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 5所示：所示：进水阀PLC排水阀水位开关电动机正反转图图5 5 全自动洗衣机各种动作典型的系统结构图全自动洗衣机各种动作典型的系统结构图 PLC PLC在系统中是处于中心位置，水位开关的在系统中是处于中心位置，水位开关的PLCPLC的输入信号控制开关

24、，进水阀，排水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PLCPLC给定信号来决定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其工作状态；电动机的工作状态也由控制中心PLCPLC给定信号来决定，而电动机的正反转给定信号来决定，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。状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。3.3 3.3 检测电路系统检测电路系统 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、检测电路主要由各类传感器组成。在洗衣过程中

25、起决定作用的物理量有衣量、衣质、水位、水温和浑浊度等水位、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这些物理量都需要有适当的传感器来获取信息, ,并转换成并转换成PLCPLC能能接收的电信号。接收的电信号。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时的温度为水温，将所测温度信号输给PLCPLC。第

26、4章 主要器件的选择4.1 4.1 电动机的选择电动机的选择 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

27、,额定电压220V，转速1350r/min，电流1.7A。4.2 4.2 可编程控制器的选择可编程控制器的选择 根据输入信号及输出信号的数量，经过初略计算， 输人点数为6点，输出点数为6点；输人、输出信号都是数字量。增加20%备用量，以便随时增加控制功能： 输入点数为： 6(1+20%)=7.2 输出点数为： 6(1+20%)=7.2根据I/O点数，可选松下FP0-C16型可编程控制器，其输入点8点，输出点8点，扩展模块可用点数为16点。4.3 4.3 可编程控制器可编程控制器I/OI/O口分配口分配列出全自动洗衣机的输入分配表，见表列出全自动洗衣机的输入分配表，见表4-14-1。输入地址输入

28、地址对应的外部设备对应的外部设备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手动脱水开关I0.7高水位传感器I1.0中水位传感器I1.1低水位传感器I1.2水排空传感器输出地址输出地址对应的输出设对应的输出设备备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Q0.5报警器定时器定时器/计时器计时器对应的作用对应的作用T37进水暂停计时T38正洗计时T39正洗暂停计时T40反转计时T41反转暂停计时T42脱水计时T43报警计时C50正

29、反洗循环计时C51大循环计数列出全自动洗衣机的输出分配表，列出全自动洗衣机的输出分配表，见表见表4-24-2全制动洗衣机控制时，需用到全制动洗衣机控制时，需用到PLCPLC内部的计时器和内部的计时器和计数器对其进行过程控制，现对控制中要用到的内计数器对其进行过程控制，现对控制中要用到的内部位元件地址分配表归纳如表部位元件地址分配表归纳如表4-34-3。4.4 4.4 外围接线图外围接线图 根据全自动洗衣机的控制要求，对系统控制的根据全自动洗衣机的控制要求，对系统控制的I/O点数进行了统计和点数进行了统计和PLC型号进行了型号进行了选择，现根据以上的统计和选择对控制系统选择，现根据以上的统计和选

30、择对控制系统PLC的外部接线设计如下图的外部接线设计如下图4-44-4图图4-4 PLC4-4 PLC外部接线图外部接线图如图如图4-54-5所示为洗衣机示意图，在图中所示为洗衣机示意图，在图中ST4ST4为高水位传感器，为高水位传感器，ST5ST5为中水位传感器，为中水位传感器，ST6ST6为低水位传感器，为低水位传感器，ST7ST7位水排尽传感器，当选择好水位后，位水排尽传感器，当选择好水位后，YV1YV1打开开始进水，当水位到达打开开始进水，当水位到达相应水位时，相应的传感器送出相应水位时，相应的传感器送出ONON信号否则为信号否则为OFF,OFF,只有当水上升到与选择水位相开关一致只有当水上升到与选择水位