1、全自动洗衣机 PLC 控制系统第 1 页 共 23 页摘 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
2、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 常州工学院成人教育学院第 2 页 共 23 页目 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
3、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全自动洗衣机 PLC 控制系统第 3 页 共 23 页第一章 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
4、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
5、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
6、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。常州工学院成人教育学院第 4 页 共 23 页第二章 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P
7、LC 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
8、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。
9、全自动洗衣机 PLC 控制系统第 5 页 共 23 页典型的 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常州工学院成人教育学院第 6 页 共 23 页第三章 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
10、。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全自动洗衣机 PLC 控制系统第 7 页 共 23 页3.2 洗涤脱水系统它主
11、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
12、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
13、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，因此电动机的常州工学院成人教育学院第 8 页 共 23 页功率较大。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
14、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
15、的。全自动洗衣机 PLC 控制系统第 9 页 共 23 页第四章 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
16、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
17、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：常州工学院成人教育学院第 10 页 共 23 页图 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
18、。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。
